浙江大学生物无机化学课件chapter-1

Lecturer：

林峰

Ph.D

Tel:88273592(Lab.)-mail:fenglin@

浙江大学理学院化学系无机与材料化学研究所生物无机化学

BioinorganicChemistry1课程内容第1章

生物无机化学中的基本概念和原理

第2章

生物无机化学的研究方法

第3章

生物体内金属离子的选择、摄取和调控

第4章

金属离子与生物大分子的结合与作用

第5章

金属蛋白和金属酶

第6章

细胞毒性和化学治疗

第7章

仿生固氮

第8章

生物无机化学的研究前沿课题

2CONTENTSChapter1TheBasicConceptionsandReasonsofBioinorganicChemistryChapter2TheResearchMethodsofBioinorganicChemistryChapter3TheChoice,ExtractionandControlofMetalSpeciesinBiologicalSystemsChapter4TheBindingandActinginBetweenMetalSpeciesandBio-macromoleculeChapter5MetalProteinsandMetalEnzymesChapter6CellToxicityandChemicalTreatmentsChapter7TheEnzymeNitrogenase

Chapter8TheNewTopicsandDevelopmentFieldsofBioinorganicChemistry3教学安排与考评第一和第二章教师讲授，从第三章开始教师上课和同学讲解相结合。每人准备一章内容，并制作ppt课件来讲解，时间25～30min。ppt的内容和讲解效果，作为考核成绩的一部分。期末考试每人写一篇论文（3~4千字）4生物无机化学定义

生物无机化学是一门对处于生命环境中的金属离子进行研究的学科。研究在生命过程中起作用的生物金属与配体之间的相互作用；在分子、亚分子水平上测定、表征、阐明这些生物化合物的结构、性能及其在生命体中的作用规律；无机化学（特别是配位化学）、生物化学、医学临床化学、营养化学、环境科学等学科相互渗透、相互融合的产物。5生物无机化学的特点一是做这方面研究的人来自生物学、无机化学、医学科学、农业科学等各个领域，对这门尚未定型的学科有不同的见解与思路，使初学者感到只要涉及生物体甚至生态环境中的各种无机元素的问题都是生物无机化学问题。这样就把传统上本属流行病学、营养学、土壤化学、水化学等方面的一部分内容都划入生物无机化学之中；另一个特点是目前的研究工作多属点上的工作。比如，载氧配合物、细胞色素、少数几种金属酶等正吸引着大量科学家的注意，研究工作虽然很深入，但是很少把这些点上的工作总结成为生物无机化学的整体学科体系。6研究内容、研究方法、基本概念和基本思想

对一位学化学的人来说，往往注意的是各种各样物质的组成和性质，而且都是没有生命活动时的情况。比如，人们往往只把一种蛋白质都是由一定的氨基酸按一定序列联接起来的化合物拿来研究，而不注意这种蛋白质的生物活性是怎样产生的。本来化学主要研究结构和性质的关系，但是若放在生物体内来考虑，则应研究结构-性质-活性关系。因此，我们研究的对象是有生物活性的物质。通过这部分内容的学习先初略了解一下有生物活性的、含无机元素的化合物大致包括哪些类，各有什么功能。

7构建和掌握化学知识的基本方法化学知识的积累和构造感性认识

理性认识现象反应物质性质结构

化学知识的掌握和应用8研究内容、研究方法、基本概念和基本思想目前生物无机化学的研究工作绝大多数是点上的工作。但是实际上，这些点之间有许多共性。怎样把握个性中的共性，首先还是需要无机化学和生物化学等的基本知识。例如，有许多促进水解的酶都含有锌离子或需要锌离子，而且常常是酶蛋白中的组氨酸等和锌配位，又常常形成五配位的配合物等等。要想抓住共性，先要了解Zn2+

的配位趋向、易与Zn2+

结合的氨基酸是什么，Zn2+

的配合物立体结构是什么样的，Zn2+

的基本性质（有无传递电子能力、极化性大小、软硬度等）又是什么。有了这些基本知识，当你遇到个别问题时，就可以探索与它有关系的、类似的化合物了。9研究内容、研究方法、基本概念和基本思想学化学的人进入生物领域时，先要体会几个指导思想：首先要体会由没有生命的所谓

invitro

的化学向有生命参与的所谓

invivo

的化学这一转变。其次要体会由一种简单的、无活性的配合物向复杂的、有活性的配合物的飞跃。另外，还不能忽视。由一般化学处理的封闭的或部分封闭的、背景单一的反应体系到开放的、有特殊背景的生物反应体系的过渡等。不但要随时注意到这些差异，而且要通过个别事例了解这些差别的由来。

10研究内容、研究方法、基本概念和基本思想必须了解研究生物无机化学的方法，否则就难以体会那些观点和结果都是怎样得来的。例如，某种元素是人体必需的，但是整个人体所含的这种元素不过几毫克或者更少，我们怎样知道它是人体必需的呢？再如，一种酶的分子量高达几万，但一个分子中只含有一个锌原子，我们怎样知道这个锌原子的存在以及它在维持酶活性中所起的重要作用呢？而且，象这样一个含有几百个氨基酸的酶，它的结构是怎样确定的呢？

11课程教材存在的问题及学习注意事项目前国内外出版的生物无机化学教材都缺乏系统性和概括性。这两个问题不是在短期内能解决的。本课程的学习中，应注意：(1)以研究生物体内有无机元素参与的有生物活性的化合物的结构-性质-活性关系为主要线索；

(2)选择有典型性的，各有特点的若干内容。12参考书《生物无机化学》

杨频高飞编著科学出版社2002年4月第一版《BioinorganicChemistry——Ashortcourse》

RosetteM.Roat-Malone《生物无机化学原理》

[美]S.J.LippardandJ.M.Berg著

席振峰姚光庆项斯芬任宏伟译北京大学出版社2000年6月第一版《生物无机化学导论》计亮年莫庭焕中山大学出版社13有关《生物无机化学》的部分杂志BioinorganicChemistryJ.ofInorganicBiochemistryJ.ofBiologicalInorganicChemistryBiologicalTraceElementsResearchCurrOpinioninBiologicalChemistry14生物无机化学发展经历1970首届国际生物无机化学学术讨论会(U.S.Virginia)《生物无机化学》(BioinorganicChemistry)论文集1971

英国科学家D.R.Williams的专著《生命金属》（TheMetalofLife）出版1971学术期刊BioinorganicChemistry在美国问世

(1979年更名为JournalofBioinorganicChemistry)这些事件标志着生物无机化学作为一个独立学科的建立.。15国际生物无机化学会议（ICBIC）简介

ICBIC―1970年美国无机化学与模型研究方法ICBIC―01976年英国无机化学和生物交叉地带发展ICBIC―11983年意大利ICBIC―21985年葡萄牙ICBIC―31987年荷兰ICBIC―41989年美国ICBIC―51991年英国金属识别、储存、输送和组装ICBIC―61993年美国固氮酶的分子结构以及自然界

N2转变为NH3的功能及其机理16ICBIC―71995年德国金属离子对基因调节影响ICBIC―81997年日本丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺ICBIC―91999年美国ICBIC―102001年意大利中枢神经系统的生物无机化学ICBIC―112003年澳大利亚金属离子在细胞的交通图，以及许多交通干线的划分和金属离子的走向ICBIC―122005年美国ICBIC―132007年欧洲ICBIC―142009年中国国际生物无机化学会议（ICBIC）简介

17国际应用生物无机化学学术讨论会（ISABC）简介

ISABC―11990年武汉金属药物和抗癌药ISABC―21992年广州生物矿化和生物材料ISABC―31994年澳大利亚利用生物电子转移设计制作生物传感器ISABC―41997年南非环境生物无机化学ISABC―51999年希腊地中海贫血18ISABC―62001年英国ISABC―72003年墨西哥ISABC―82004年香港小分子修饰使蛋白酶功能改变和关闭ISABC―92006年阿根廷国内定期召开全国生物无机化学学术讨论会，2003年召开全国生物无机化学咨询会议，共同讨论未来我国生物无机化学的发展方向,生物无机化学研究方向紧跟时代步伐,不断深入和调整。

19BioinorganicChemistryArea：

AMultidisciplinaryResearchArea

20生物无机化学的基本任务生物机体中固有的无机元素，特别是生物金属元素在生命体内的分布、形态、代谢规律以及它们的生物学功能的研究。环境中的外来金属离子通过不同途径进入生命体后的运输、分布、形态、代谢以及它们是如何参与并影响生命过程的研究。21生物无机化学的发展前景和价值通过对生物无机化学问题和规律的研究探索有助于进一步揭示生命的奥秘。生物无机化学规律的揭示及其成果将有助于改善人类的生活环境，保护人类的健康，延长人类的寿命，从而造福人类。22Chapter1

TheBasicConceptionsandReasonsof

BioinorganicChemistry1.EssentialChemicalElementsinBiologicalsystems(1)Bulkelements(宏量元素）：6elements

H、C、N、O、P、S；(2)

Macromineralsandions（矿物质离子）：

Na、K、Mg、Ca、Cl－、PO43－、SO42－；(3)Traceelements（微量元素）:Fe、Zn、Cu；(4)Ultratraceelements（痕量元素）:nonmetals:F、I、Se、Si、As、B；

Metals：Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Cd、

Sn、Pb、Li；23EssentialElementsinEssentialElementsinOrganisms24PercentageCompositionofSelectedElements

intheHumanBodyElementPercentage(byweight)ElementPercentage(byweight)Oxygen53.6Silicon,Magnesium0.04Carbon16.0Iron,Fluorine0.005Hydrogen13.4Zinc0.003Nitrogen2.4Copper,Bromine2×10-4Sodium,potassium,sulfur0.1Selenium,Manganese,Arsenic,Nickel2×10-5Chlorine0.09Lead,Cobalt9×10-625MetalIonsinaSingleMetalIonsinaSingleCell26某些具有代表性的微量元素的功能元素功能元素功能Fe最主要的生命金属元素，起电子传递、O2输运及催化氧化还原作用。Se谷胱甘肽过氧化物酶Si骨骼、软骨形成初期阶段及甲壳动物外壳所需要。F进入牙齿的羟基磷灰石晶格Zn水解酶、与DNA，RNA的转录及与翻译有关的酶，蛋白质中的金属辅基。Mo催化氧化反应Cu电子运送，O2的输运，催化氧化还原反应，结缔组织的合成。Co维生素B12的必须组分Mn几种糖类生化反应过程中的必需辅基，过氧化氢酶。Cr在糖代谢作用中与胰岛素相互作用。I甲状腺激素的必要组分。Ni催化氧化还原反应（氢化酶，F430辅基）及水解作用（脲酶）27

法国科学家G.Bertrand在研究了锰对植物生长的影响后提出了一个最适营养定律：

即植物缺少某种必需的元素时就不能成活，当该元素适量时就能茁壮成长，但若过量时又会转为有害。

该定律不仅适用于植物，也适用于一切生物。最适营养浓度定律28Bertrand最适营养浓度定量示意图29生物元素的选择与演化——丰度规则当完成某种生物学功能有若干种元素可供选择时，生物体就选择自然环境中丰度最高的那种元素。

构成人体99.9%以上的11种宏量元素以及Fe、Zn、Cu、Mn、I等必需元素，它们的丰度无论是在地壳中还是在海水中都是相当高的。30在丰度规则前提下，生物利用度也起决定作用。丰度虽高，但若可利用度低，也不会被选择为必需元素；反之亦然。例如：元素Ti地丰度很高，但由于该元素的常见离子Ti4+在pH6～8的生物体液中难于溶解和输运，从而导致极低的利用度，因而未被生物所利用。生物元素的选择与演化——

生物利用度规则（bioavailability)31生物元素的选择与演化——基本适宜规则某种金属元素若被选择，它就具有完成某种功能的能力。换言之，某种金属元素由于适应某一特定配位环境，从而能够有效地发挥某种功能。业已存在的就是基本适宜的。例如：血红蛋白的生物功能是载氧，它利用了Fe2+离子，但是，若无特点的蛋白质与Fe(II)就会被O2氧化而丧失其可逆地结合并释放O2的功能。32生物元素的选择与演化——有效性规则生物体总是选择更加有效的化合物加以利用。33METALSINBIOLOGICALSYSTEMS:

Metalsinbiologicalsystemsfunctioninanumberofdifferentways:1.

Group1and2metalsoperateasstructuralelementsorinthemaintenanceofchargeandosmoticbalance(Table1.2).2.Transitionmetalionsthatexistinsingleoxidationstates,suchaszinc(II),functionas

structuralelementsinsuperoxide

dismutaseandzinc

fingers(Table

1.3).34METALSINBIOLOGICALSYSTEMS:3.

Transitionmetalsthatexistinmultipleoxidationstatesserveaselectroncarriersironionsincytochromes(细胞色素）

iron–sulfurclustersinenzymenitrogenase（固氮酶）

copperionsinazurin（天青蛋白）

andplastocyanin质体蓝素(一种在叶绿体的光合作用中作为电子传递体的含铜蛋白)(Table1.4)35METALSINBIOLOGICALSYSTEMS:4.Transitionmetalsasfacilitatorsofoxygentransport

ironionsinhemoglobin(血色素)

copperionsinhemocyanin血蓝蛋白(Table1.5);5.Transitionmetalsasenzymecatalysiscopperionsinsuperoxide

dismutase(超氧化物岐化酶）

ironandmolybdenumionsinnitrogenase

(Table1.6)36MetalsinBiologicalSystems:

ChargeCarriers37MetalsinBiologicalSystems:

Structural,Triggers38MetalsinBiologicalSystems:

ElectronTransfer39MetalsinBiologicalSystems:

DioxygenTransport40MetalsinBiologicalSystems:

EnzymeCatalysis41TheHard–SoftAcid–BaseTheory

ofInorganicChemistryLigandpreferenceandpossiblecoordinationgeometriesofthemetalcenterareimportantbioinorganicprinciples.Metalligandreferenceiscloselyrelatedtothehard–softacid–basenatureofmetalsandtheirpreferredligands:Ingeneral,

hardmetalcations

formtheirmoststablecompoundswith

hardligands,

whereas

softmetalcations

formtheirmoststablecompoundswith

softligands.42Hard–SoftAcid–BaseClassificationof

MetalIonsandLigands43ELECTRONICANDGEOMETRICSTRUCTURES

OFMETALSINBIOLOGICALSYSTEMSCommontransitionmetalcoordinationgeometries.44Representationsofthefivedorbitalsalongx,y,andzaxes45Approximateenergylevelsfordelectronsinoctahedral,tetrahedral,andsquare-planarfields46‘‘spectrochemicalseries’’Thestrengthoftheligandfieldatametalcenterisstronglydependentonthecharacteroftheligand’selectronicfieldandleadstotheclassificationofligandsaccordingtoa‘‘spectrochemicalseries’’arrangedbelowinorderfromweakfield(halides,sulfides,hydroxides)tostrongfield(cyanideandcarbonmonoxide):47High-spinandlow-spind-electronconfigurationsfortheoctahedralfield48ELECTRONTRANSFERComplementaryReaction:NoncomplementaryReactions:verysmallmany49TwotypesofelectrontransfermechanismsOuter-sphereelectrontransferoccurswhentheouter,or

solvent,coordinationspheresofthemetalcenters

isinvolvedintransferringelectrons.Noreorganizationoftheinnercoordinationsphereofeitherreactanttakesplaceduringelectrontransfer:50TwotypesofelectrontransfermechanismsInner-sphereelectrontransfersinvolvetheinnercoordinationsphereofthemetalcomplexesandusuallytakeplacethroughabridgingligand:51BIOCHEMISTRYFUNDAMENTALSPROTEINSAminoAcidBuildingBlocks

天然蛋白质水解得到的氨基酸有30余种，常见的有20种，除脯氨酸外均为α-氨基酸。52α-氨基酸的构型、分类和命名除甘氨酸外，分子中α-碳均为手性碳原子，有旋光异构体。构型习惯上采用D/L法标记。不论含几个手性碳原子，以α-碳的构型为准。L-α-氨基酸

D-α-氨基酸

L-α-丙氨酸

蛋白质水解得到的α-氨基酸几乎都是L构型。5320种天然氨基酸序号中文名称英文缩写

结构式

1甘氨酸Gly(G)

2丙氨酸Ala(A)

3亮氨酸*Leu(L)

4异亮氨酸*Ile(I)

5缬氨酸*Val(V)

6丝氨酸Ser(S)

7苏氨酸*Ihr(T)

8甲硫氨酸

(蛋氨酸)*Met(M)

9半胱氨酸Cys(C)

10苯丙氨酸*Phe(F)

54

20种天然氨基酸(续)序号中文名称

英文缩写

结构式

11谷氨酰胺Gln(Q)

12天冬酰胺

Asn(N)13酪氨酸Tyr(Y)

14色氨酸*

Trp(W)

15天冬氨酸

Asp(D)

16谷氨酸Glu(E)

17赖氨酸*Lys(K)

18精氨酸*Arg(R)

19组氨酸*

His(H)

20脯氨酸PrO(P)

55ZwitterionsofnonpolarhydrophobicaminoacidsatphysiologicalpH56ZwitterionsofpolarneutralaminoacidsatphysiologicalpH57Zwitterionsof

acidicaminoacids

atphysiologicalpH58Zwitterionsofbasicaminoacids

atphysiologicalpH59ProteinStructureAllproteinshaveatleastthreelevelsofstructure:primary,secondary,tertiary.Proteinswithmorethanonepolypeptidechain—hemoglobinandnitrogenaseareexamples—alsopossessquaternarystructure.60Formationofapeptidebond61primarystructure:

Apeptideoffouraminoacids62PeptideStructure63SecondaryStructureTwotypesofprotein

secondarystructure:

thea-helixandb-pleatedsheet.64α-螺旋结构在α-螺旋结构中，多肽链中各肽键平面通过α-碳原子的旋转，围绕中心轴形成一种紧密螺旋盘曲构象。绝大多数蛋白质分子中所存在的α-螺旋几乎都是右手螺旋。65α-螺旋其结构特点肽链呈螺旋上升，每相隔3.6个氨基酸残基上升1圈，每个氨基酸残基沿轴旋转100°，沿轴向升高0.15nm，故螺距约为0.54nm；66α-螺旋其结构特点螺旋间靠氢键维系，氢键是由同一条主链上一个氨基酸残基中的C=O氧与后面第四个氨基酸残基中的N-H氢形成，方向与螺旋轴大致平行，由于每个肽键中的C=O和N-H都参与形成链内氢键、故保持了α-螺旋的最大稳定性。67α-螺旋的四种表示方法68β-折叠结构β-折叠一般有两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段共同参与形成，它们平行排列，并在两条肽链或一条肽链内的两个肽段之间以氢键维系而成。69TertiaryStructure纤维状蛋白质一般只有一类二级结构构象单元，而球状蛋白质可能在同一分子内有几类二级结构构象单元。蛋白质的三级结构是指蛋白质（主要指球状蛋白）分子在二级结构的基础上依靠非共价键力进一步卷曲、折叠而构成的一种不规则的、特定的、更复杂的空间结构。β-转角β-折迭α-螺旋无规卷曲70抹香鲸肌红蛋白的三级结构存在于哺乳动物（鲸、海狗和海豚）肌肉中的肌红蛋白是一种较小的球状蛋白，它是由一条含153个氨基酸残基组成的多肽链。主链中75％绕曲成8段比较直的α-螺旋。

71猪胰岛素空间结构示意图1971年我国科学工作者全部完成了0.25nm分辨率的猪胰岛素晶体结构的测定工作。1974年又完成了分辨率为0.18nm的胰岛素晶体结构的分析工作。我国测定绘制的猪胰岛素空间结构示意图72quaternarystructure蛋白质的四级结构中的每一个具有三级结构的多肽链称为亚基（或亚单位）。一般亚基多为偶数，较小的蛋白质亚基数一般为2～10个，多的可达上千个。血红蛋白有两条α-链、两条β-链，α-链含141个氨基酸残基，β-链含146个氨基酸残基（共4个亚基、近于一个直径为5.5nm的球体）。很多蛋白质是以三级结构的球状蛋白质的聚集体形式存在的。这种由球状蛋白质通过非共价键彼此结合在一起的聚集体称为蛋白质的四级结构。溶菌酶、肌红蛋白等无四级结构。73血红蛋白的四级结构74TheFormationofProtienStructure75NUCLEICACIDSDNAandRNABuildingBlocks核酸嘌呤碱嘧啶碱脱氧核糖核糖有机碱戊糖核苷酸水解核苷磷酸水解76含氮有机碱

核酸组成酸H3PO4H3PO4

嘌呤碱

嘧啶碱

D-2-脱氧核糖D-核糖腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)

胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)DNARNA戊醛糖DNA和RNA的组成单元77核苷酸的结构核苷酸是核苷中戊糖的3＇位或5＇位羟基与磷酸脱水而形成的核苷磷酸酯，它是核酸的基本组成单位。

5’-腺苷酸3’-脱氧胞苷酸

5´–AMP

3´–dCMP

78DNAstructureNitrogenousbases:

purines:adenine,guaninepyrimidines:

thymine,cytosine,uracil79DNAstructureNucleosidesare

nitrogenousbase

+asugar

(deoxyriboseorribose)OH12345OHOHbase80Examples:

adenosine&deoxyadenosine,

guanosine,thymidine,cytidine81DNAstructureNucleotides

arenucleosidesesterifiedtooneormorephosphates(e.g.adenosinetriphosphate-ATPordeoxyadenosine

triphosphate-dATP)82DNAstructureDNAisapolymerizedchainofnucleotidesPyrophosphate(PPi)+83DNAstructureStrands

havea5’end(phosphate)anda3’end(sugar)5’end(5-prime)3’end(3-prime)84与蛋白质一样，核酸也有一级结构、二级结构和高级结构。核酸的结构1.核酸的一级结构核酸的一级结构是指单核苷酸按一定的种类、数量和排列顺序连接而成的长链。核酸片段结构

不论是RNA分子还是DNA分子，单核苷酸都是通过3’，5’磷酸二酯键互相连接的，即由核糖或脱氧核糖C-5’上的磷酸基以酯键与另一个核糖或脱氧核糖C-3’相连，如此依次相连形成一条多核苷酸链。85DNA分子的双螺旋结构是Watson和Crick等三人于1953年首先提出来的，它为从分子水平揭示生命现象的本质及分子遗传学奠定了基础，被誉为20世纪的三大发现之一。为此，Watson和Crick等三人荣获了1962年的诺贝尔奖。DNA分子是由二条方向相反的平行核苷酸链组成（一条链