生物無機化學導論

1、 主講人：黃月琴 化學與化工系參考書目：生物無機化學原理S. J. Lippard and J.M. Berg 著，席振峰，姚光慶等譯北京大學出版社，2000生物無機化學導論計亮年，中山大學出版社，1992生命科學中的微量元素王夔主編，中國計量出版社，19911982 莫勒定義無機化學：除去碳氫化合物和其大部分衍生物外，無除去碳氫化合物和其大部分衍生物外，無機化學是對所有元素和它們的化合物的性質和機化學是對所有元素和它們的化合物的性質和反應進行實驗研究和理論解釋的。反應進行實驗研究和理論解釋的。 生物無機化學是在無機化學和生物化學的生物無機化學是在無機化學和生物化學的發(fā)展和推動下產生的，他是介

2、于無機化學和生發(fā)展和推動下產生的，他是介于無機化學和生物化學之間的一門物化學之間的一門邊緣科學邊緣科學。 生物無機化學雖然已成為近些年（約生物無機化學雖然已成為近些年（約20年）年）十分活躍的學科領域之一，但是還處于生長期。十分活躍的學科領域之一，但是還處于生長期。因此，要給他下一個嚴格的定義，無疑也是困因此，要給他下一個嚴格的定義，無疑也是困難的。但是，簡單地說，所謂生物無機化學，難的。但是，簡單地說，所謂生物無機化學，就是利用無機化學特別是配位化學的理論和方就是利用無機化學特別是配位化學的理論和方法，去研究和闡明參與生物體（尤其是人體）法，去研究和闡明參與生物體（尤其是人體）中化學反應的痕

3、量元素（痕量金屬元素）所起中化學反應的痕量元素（痕量金屬元素）所起的作用及它們同生物功能之間的相互關系的一的作用及它們同生物功能之間的相互關系的一門科學。門科學。1. 研究內容：研究內容：在分子水平上研究生物體內與無機元素(金屬和非金屬)有關的各種相互作用。研究重點：研究重點：研究金屬與生物配體形成的具有生物活性的配合物的組成、結構、狀態(tài)和功能?，F實生活中隨處可見與生物無機相關的問題： 礦泉水：K+, Na+, Ca2+, Mg2+ 生命必需元素吃飯為什么要加鹽？NaClNa在植物中含量少。而對人類是必需的。 補碘、補鋅、補鐵、補鈣為什么補？高效補鈣可能嗎？缺鐵性貧血？北京市6歲以下兒童鉛超標

4、69（1999年統(tǒng)計）生物環(huán)保：用微生物、藻類、植物治理污水鳳眼蓮吸收Cd2+、Pb 2+、Hg2+等重離子大寶天天見：SOD蜜，SOD：一種含Zn蛋白，超氧化物歧化酶，能有效去除氧自由基，抗衰老功能。包括：物質傳輸，信息傳遞生物催化，能量轉換隨著微量分析技術的提高，無機元素的功能更多地被發(fā)現，幾乎滲透到生命過程的各個階段。現已認識到，無機元素不僅對維持生物大分子的結構至關重要，而且廣泛參與各種生命過程。1960s1970s，更多無機元素在生物體中被發(fā)現1970，Vinginia國際生物無機化學討論會Bioinorganic Chemistry論文集1971，Bioinorganic Chem

5、istry創(chuàng)刊1979，更名 J. Inorganic Biochemistry，本領域重要雜志1973，開始出版的系列叢書，H. Sigel主編Metal Ions in Biological Systems1983，定期召開國際生物無機化學會議（兩年一屆）生物無機化學是蓬勃發(fā)展的研究領域研究特點：工作比較零散，發(fā)展初期，不系統(tǒng)。 特別是早期的工作，主要是生物學家、營養(yǎng)學家從醫(yī)學、免疫、環(huán)保等方面研究各自遇到的問題，沒有系統(tǒng)地從化學的角度進行研究。兩種角度生物學家，強調生理、病理作用化學家，分子水平，研究其狀態(tài)與功能生物活性配合物金屬離子本身（或其水合離子）常常并沒有某種生物活性，只有與具有

6、特定結構的配體結合成配位化合物后，才表現出特定的活性。e.g. Fe2+ + O2 Fe3+O2Fe2+ hemeHb 可逆載氧配位原則：生物配體與金屬的結合，遵循Lewis軟硬酸堿規(guī)則。常見生物活性配合物的功能：常見生物活性配合物的功能：固碳葉綠素（Mg）固氮固氮酶（Mo）載氧血紅蛋白（Fe）肌紅蛋白（Fe）藍銅蛋白（Cu）生物解毒金屬硫蛋白（Cu、Zn）細胞色素P450（Fe）常見生物活性配合物的功能：常見生物活性配合物的功能：細胞調節(jié)鈣調蛋白ATP配合物各種酶系統(tǒng)生物礦化鈣結合蛋白膜運送離子載體內穩(wěn)態(tài)調控胰島素+GTF（Cr）鐵傳遞蛋白+鐵蛋白生物防御SOD（Zn）谷胱甘肽過氧化物酶（S

7、e）3. 研究方法研究方法逐步模擬：用再現生命現象的模擬體系，用化學的理論、方法和手段進行研究。特別是配位化學的方法。模擬思路：生物活性配合物 M 活性中心M+ 生物離子探針生物離子探針用大小相近、配位類型相似的金屬離子來模擬生物體內金屬離子的狀態(tài)和功能。探針離子 待測離子Ln3+ (Pr3+, Nd3+) Ca2+Co2+ Zn2+Mn2+ Mg2+Tl+ K+ 光、電、磁活性 惰性可用譜學方法測試特征配體：特征配體：用簡單的金屬配合物模擬復雜的生物原型鐵卟啉 血紅素人工離子載體 模擬酶 用化學方法再現生物功能用化學方法再現生物功能光合作用 光解水制氧固氮 合成氨艱難而意義重大綠色為生命必需

8、元素綠色為生命必需元素 99.95%宏量元素宏量元素O, C, H, N, P, S, Ca, Na, K, Cl, Mg微量和痕量元素微量和痕量元素Fe, Zn, Cu, V, Cr, Mn, Mo, Co, Ni Sn, F, I, Se, Si, As, B, Cd,Hg,Pb.蛋白質及肽蛋白質及肽酶酶水解酶水解酶羧肽酶羧肽酶(Zn)(Zn)氨肽酶氨肽酶(Mg, Zn)(Mg, Zn)磷酸脂酶磷酸脂酶(Mg, Zn, Cu)(Mg, Zn, Cu)氧還酶氧還酶氧化酶氧化酶(Fe, Cu, Mo)(Fe, Cu, Mo)羥化酶羥化酶(Fe, Cu)(Fe, Cu)超氧化物歧化酶超氧化物歧化

9、酶(Cu, Zn, Mn)(Cu, Zn, Mn)異構酶及合異構酶及合成酶的輔酶成酶的輔酶維生素維生素B B1212輔酶輔酶(Co)(Co)調節(jié)蛋白和調節(jié)肽調節(jié)蛋白和調節(jié)肽鈣調蛋白鈣調蛋白(Ca)(Ca)人血漿促生長因子人血漿促生長因子(Cu)(Cu)鋅指蛋白鋅指蛋白(Zn)(Zn)運送及儲存蛋白運送及儲存蛋白電子載體電子載體細胞色素細胞色素(Fe)(Fe)鐵硫蛋白鐵硫蛋白(Fe)(Fe)藍銅蛋白藍銅蛋白(Cu)(Cu)金屬儲存金屬儲存及運送蛋白及運送蛋白和結構蛋白和結構蛋白鐵蛋白鐵蛋白(Fe)(Fe)運鐵蛋白運鐵蛋白(Fe)(Fe)金屬硫蛋白金屬硫蛋白(Cu,(Cu,Zn, Hg, Cd.)

10、Zn, Hg, Cd.)膠原蛋白膠原蛋白(Ca)(Ca)載氧蛋白載氧蛋白血紅蛋白血紅蛋白(Fe)肌紅蛋白肌紅蛋白(Fe)血藍蛋白血藍蛋白(Cu)血釩蛋白血釩蛋白(V)碳酸酐酶碳酸酐酶生物小分子生物小分子 光敏氧化物質光敏氧化物質葉綠素葉綠素(Mg)(Mg)無機硬組織無機硬組織骨及軟骨骨及軟骨(Ca, P, Si)(Ca, P, Si)離子載體離子載體l分子量約為分子量約為64 500l可以看成是可以看成是4個肌紅蛋個肌紅蛋 白的集合體白的集合體l四個亞基，分兩種類型四個亞基，分兩種類型 （ 和和 ）l 亞基含亞基含141個氨基酸個氨基酸 亞基含亞基含146個氨基酸個氨基酸l亞基之間不存在任何共

11、亞基之間不存在任何共 價鍵價鍵 l每個亞基都各含一個鐵每個亞基都各含一個鐵 (II)血紅素血紅素b輔基輔基6.4 5.5 5.0 nmn一條多肽鏈一條多肽鏈(珠蛋白珠蛋白)n一個一個Fe(II)血紅素血紅素bn分子量分子量17000n不同不同Mb的的AA數目和排數目和排列順序不完全相同。人體列順序不完全相同。人體Mb有有152AAn鐵卟啉埋藏在疏水袋中鐵卟啉埋藏在疏水袋中nFe(II)的第五配位位置的第五配位位置為組氨酸咪唑側鏈的為組氨酸咪唑側鏈的NnFe(II)的第六配位位置的第六配位位置是氧分子是氧分子n75%肽鏈由肽鏈由alfa螺旋構螺旋構成成放射性造影顯像放射性造影顯像 用于胃、心肌、

12、腦和腫瘤的顯像用于胃、心肌、腦和腫瘤的顯像 抗癌藥物順鉑1965年，B. Rosenberg電場對細菌生長的影響細胞分裂受到抑制，300倍大的菌絲Pt電極培養(yǎng)液中加了NH4Cl其它電極則無此現象。進一步研究表明，電流作用，使Pt Pt2+溶液生成cis-Pt(NH3)2Cl2抑制細胞分裂1969，Rosenberg 抗癌活性與DNA上的G結合，抑制DNA復制1970s，臨床 商業(yè)化腎毒性，頭頸部癌 泌尿系統(tǒng)毒性 鉑、鉑族化合物第二代、第三代cis-DDP的抗癌活性來自于其水解產物的抗癌活性來自于其水解產物堿基堿基嘌呤嘌呤N7與相鄰的兩個鳥嘌呤結合占與相鄰的兩個鳥嘌呤結合占65；與相鄰的兩個鳥嘌呤及腺嘌呤結合占；與相鄰