生物无机化学绪论

关于生物无机化学绪论第1页，课件共55页，创作于2023年2月主要内容1生物无机化学概述2与生物无机研究有关的配位化学原理3重要的生物配体及其金属配合物4氧载体5生物氧化还原反应中的金属蛋白和金属酶6固氮作用及其化学模拟7光合作用及其化学模拟8催化水解反应的金属酶9生物体内金属离子的选择、摄取和调控第2页，课件共55页，创作于2023年2月一、概论生物学有机化学Ｈ、Ｃ、Ｏ

N、Ｐ、Ｓ生命的基本物质:

蛋白质、糖、脂肪、核酸第3页，课件共55页，创作于2023年2月无机元素Na、K、Ca、Mg、ClNa：电荷载体，渗透压平衡K：电荷载体，渗透压平衡Mg：结构，水解酶，异构酶Ca：结构，触发剂，电荷携带第4页，课件共55页，创作于2023年2月高等动物必需微量元素的发现历史

元素年代元素年代铁（Fe）17世纪铬（Cr）1959碘（I）1850锡（Sn）1970铜（Cu）1928钒（V）1971锰（Mn）1931氟（F）1971锌（Zn）1934硅（Si）1972钴（Co）1935镍（Ni）1974钼（Mo）1953砷（As）1975硒（Se）1957第5页，课件共55页，创作于2023年2月20世纪70年代成为独立学科生物学无机化学生物无机化学BioinorganicChemistryJournalofInorganicBiochemistry

第6页，课件共55页，创作于2023年2月研究对象：无机元素在体内的存在形式、结构、性质与生物活性之间的关系。研究手段：配合物化学、超分子化学

生物无机化学在分子水平上研究生物体内与无机元素有关的各种相互作用，侧重从生物学的角度研究无机元素及化合物对生物体的生理和病理作用。通过创造在不同程度再现生命现象的模拟体系，加深对生命过程的认识。

第7页，课件共55页，创作于2023年2月生物无机化学研究的范围固有元素SteadyState

金属蛋白微量元素固有元素non-SteadyState

过量，缺乏基因疾病外来金属元素毒性，污染微量元素外来金属元素药物成像剂放射性同位素金属元素第8页，课件共55页，创作于2023年2月研究方法生物无机化学物理和结构化学作用机理溶液化学溶液作用方式合成化学模型化合物

依据无机化学的原理和方法，特别是配位化学的原理来研究第9页，课件共55页，创作于2023年2月二、生命体中的元素Beneficial10Essential18Harmful5第10页，课件共55页，创作于2023年2月生命必需元素(essentialelements)维持生命所必需的元素存在于正常的组织中在各种物种中保持一定的浓度范围若从机体排出将引起生理和结构的变态,重新引入，上述变态消除。HCONPSClI

NaKCaMgMnFeCoCuZnMo第11页，课件共55页，创作于2023年2月有益元素beneficialelementsThelifecanmerelybemaintained,butnothealthy.

没有这些“有益元素”生命尚可维持，但并不能认为是健康的。BFSiSeV

SrSnCrNiW第12页，课件共55页，创作于2023年2月有害元素harmfulelementsAtacertainlevel,theseelementscanresultinpoisoning.Pathologicalchangesinphysiologyandmorphology,canbeobserved.一定浓度之下，会引起中毒反应，可觉察到生理上或形态上的病变，甚至导致细胞坏死。CdHgPbAsBe第13页，课件共55页，创作于2023年2月体重70kg的人体中元素的平均含量元素含量/g·人―1元素含量/g·人―1H6580Cl115C12590Fe6N1815Zn1~2O43550Mn<1P680Mo<1S100Co<1Na70Cu<1K250Ni<1Mg42I<1Ca1700第14页，课件共55页，创作于2023年2月O,C,H,N,P,+S,Ca,Na,K,Cl,MgFe,Zn,Cu,V,Cr…..BulkElements：

11种，它们构成人体总重量的99.95%。其中主族元素是蛋白质、糖、核酸等生命物质的基本材料。TraceElements：

它们在生物体内的含量小于0.05%，但却起着重要的作用。第15页，课件共55页，创作于2023年2月含金属的生物分子蛋白质、酶和肽核酸与金属的配合物低分子量金属配合物第16页，课件共55页，创作于2023年2月不同的金属离子与蛋白结合蛋白质及肽酶水解酶羧肽酶(Zn)氨肽酶(Mg,Zn)磷酸脂酶(Mg,Zn,Cu)氧还酶氧化酶(Fe,Cu,Mo)羟化酶(Fe,Cu)超氧化物歧化酶(Cu,Zn,Mn)异构酶及合成酶的辅酶维生素B12辅酶(Co)调节蛋白和调节肽钙调蛋白(Ca)人血浆促生长因子(Cu)锌指蛋白(Zn)运送及储存蛋白电子载体细胞色素(Fe)铁硫蛋白(Fe)蓝铜蛋白(Cu)金属储存及运送蛋白和结构蛋白铁蛋白(Fe)运铁蛋白(Fe)金属硫蛋白(Cu,Zn,Hg,Cd..)胶原蛋白(Ca)载氧蛋白血红蛋白(Fe)肌红蛋白(Fe)血蓝蛋白(Cu)血钒蛋白(V)碳酸酐酶第17页，课件共55页，创作于2023年2月核酸及类似物核苷酸及环核苷酸ATP-金属离子(物质传递)核酸RNA-金属离子(传递遗传信息)金属离子与核酸作用金属离子会使DNA熔点升高。金属离子和DNA的磷酸结合，使带负电的磷酸基之间的排斥作用减弱，稳定双螺旋结构。第18页，课件共55页，创作于2023年2月金属离子与生物小分子作用生物小分子

光敏氧化物质叶绿素(Mg)无机硬组织骨及软骨(Ca,P,Si)离子载体缬氨霉素(K+)离子霉素(Ca2+)第19页，课件共55页，创作于2023年2月生命必需无机元素在生物体中的主要生理功能催化作用

已知众多的酶中，大约1/3涉及金属元素

结构作用

稳定大分子结构、维持蛋白质特定构象

调控作用

碱金属和碱土金属离子在生物体内调控作用；且离子流可通过细胞膜和各种界面传递信息输运作用

某些含金属元素的生物大分子是电子、双氧的载体

第20页，课件共55页，创作于2023年2月Bertrand定则--最适宜浓度定律每一种元素，在生物体内都有一个安全的最佳浓度范围。元素浓度超过一定界限后，不管是哪种元素都是潜在的有害元素。第21页，课件共55页，创作于2023年2月体内元素浓度－生物效应关系图元素浓度有益生物效应

缺乏

适合

中毒死亡第22页，课件共55页，创作于2023年2月微量生命必需元素含量异常对哺乳动物的影响元素不足的影响过量的影响Zn侏儒病，发育不全，皮炎贫血症Ca畸形骨骼，手足抽筋动脉粥样硬化，胆结石Fe贫血症扩尿症，铁尘Mg惊厥麻木Cu贫血症，头发卷曲或褪色黄疸，威尔逊氏病症Co贫血症心力衰竭，红细胞增加V血性胆固醇降低生长减弱第23页，课件共55页，创作于2023年2月有毒元素过量对哺乳动物的影响元素过量的影响Be吸入引起肺癌Hg脑炎，神经炎Sb心脏病Pb贫血症，脑损伤，肾癌Cd高血压第24页，课件共55页，创作于2023年2月有毒元素元素浓度有益生物效应可耐受中毒死亡第25页，课件共55页，创作于2023年2月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ICBIC―71995年德国金属离子对基因调节影响International-Conference-on-Biological-Inorganic-Chemistry第26页，课件共55页，创作于2023年2月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年奥地利ICBIC―142009年日本ICBIC―15

2011Vancouver,CanadaICBIC―16

2013

Grenoble,FranceICBIC―17

2015.07

Beijing,China第27页，课件共55页，创作于2023年2月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InternationalSymposiumonAppliedBioinorganicChemistry第28页，课件共55页，创作于2023年2月ISABC―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

ISABC―102009年

匈牙利ISABC―112011年

西班牙巴塞罗那ISABC―122013年

中国广州ISABC―132015年

爱尔兰Galway第29页，课件共55页，创作于2023年2月王夔计亮年倪嘉缵

生物无机化学家，中科院院士第30页，课件共55页，创作于2023年2月血红蛋白(Hemoglobin)的结构第31页，课件共55页，创作于2023年2月结合氧的部位血红素辅基第5个部位来自蛋白的第93位His血红素中Fe的配位第32页，课件共55页，创作于2023年2月第33页，课件共55页，创作于2023年2月肌红蛋白(Myoglobin)的结构第34页，课件共55页，创作于2023年2月带有咪唑基的游离血红素与CO结合肌红蛋白与CO形成的复合物氧合肌红蛋白CO对Fe的亲和力远远高于氧！第35页，课件共55页，创作于2023年2月叶绿素第36页，课件共55页，创作于2023年2月在自然界中，维生素B12常以辅酶的形式存在，是最主要的辅酶之一。VB12对维持肌体正常生长以及红细胞的产生都是极其重要的。第37页，课件共55页，创作于2023年2月

鉴于生物无机化学正处于向前发展的阶段，并迅速向各方面渗透，对其研究内容，目前只能作一大致概括。主要有：生物无机化学研究的内容

第38页，课件共55页，创作于2023年2月(1).金属离子及其化合物与生物大分子的相互作用与核酸、核苷酸的相互作用

金属离子对DNA构象的影响；金属离子特别是金属配合物对不同构型DNA选择性的结合。第39页，课件共55页，创作于2023年2月(2).金属蛋白和金属酶化学结构与功能的研究（a）金属离子的成键位置（b）活性中心周围微环境（c）蛋白链在保证金属离子正常工作的贡献（d）蛋白链与底物的结合方式第40页，课件共55页，创作于2023年2月(3).电子传递反应生命过程的核心是能量传递，而能量传递的中心过程是电子传递。生物体内电子传递与化学反应中的电子传递有着重要的区别；研究生物介质的中长程电子传递是生物无机化学的一个重要方向。第41页，课件共55页，创作于2023年2月(4).生物矿化自然界中，无论是细菌、微生物，还是植物、动物，都可以在体内形成矿物，称为生物矿物材料（骨、牙、软骨、软体动物外骨骼、蛋壳等）。它们是矿物与基质构成的复合材料，其高度的装配有序性、特殊的理化性质、可控的动态性质和特殊的生物功能都引起人们的关注。研究生物矿化这一生物无机化学基本反应，有望在医学和新材料的应用方面取得突破。第42页，课件共55页，创作于2023年2月(5).金属离子与细胞相互作用的研究是金属摄入、转运、分布以及它们的生物效应的化学基础；是解释生物效应的分子机理的必需。细胞——复杂的反应体系：组分、多物种、多反应、反应物定位。事实上，生物化学所研究的所有生物分子都只存在于细胞内。第43页，课件共55页，创作于2023年2月硒：地方性疾病克山病——心脏损伤性疾病大骨节病——慢性对称性畸形骨关节病(6).探讨常见的疾病的发病与某些金属元素与非金属元素之间的关系，研究调节和控制这些元素来防止病变的发生。第44页，课件共55页，创作于2023年2月第45页，课件共55页，创作于2023年2月一些在药用上有较大价值的元素钒：

第46页，课件共55页，创作于2023年2月(7).合成新药

合成抗癌药物，抗艾滋病药物，研究其抗病机理；合成人造血液（输氧及机理