生物無機化學(xué) (2)

1、生物無機化學(xué)生物無機化學(xué) 6 稀土生物無機化學(xué)稀土生物無機化學(xué)1 概概 述述2 必需元素與有毒元素必需元素與有毒元素3 金屬酶金屬酶4 IA及及IIA金屬的生物無機化學(xué)金屬的生物無機化學(xué)5 副族元素的生物學(xué)效應(yīng)副族元素的生物學(xué)效應(yīng) 引引 言言 河南林縣、四川鹽亭、山西太行山的部分地河南林縣、四川鹽亭、山西太行山的部分地區(qū)，食道管腫瘤發(fā)病率較高，研究發(fā)現(xiàn)是由于缺區(qū)，食道管腫瘤發(fā)病率較高，研究發(fā)現(xiàn)是由于缺乏化學(xué)元素鉬（乏化學(xué)元素鉬（Mo）所致。）所致。 黑龍江克山縣部分地區(qū)，以心肌損害為主要黑龍江克山縣部分地區(qū)，以心肌損害為主要病變的地方性心臟病發(fā)病率較高，研究發(fā)現(xiàn)是由病變的地方性心臟病發(fā)病率較高

2、，研究發(fā)現(xiàn)是由于缺乏化學(xué)元素硒（于缺乏化學(xué)元素硒（Se）所致。）所致。 在某些內(nèi)陸的邊遠山區(qū)，過去常見一在某些內(nèi)陸的邊遠山區(qū)，過去常見一種發(fā)病率較高的地方病甲狀腺腫大，研究種發(fā)病率較高的地方病甲狀腺腫大，研究發(fā)現(xiàn)是由于缺乏化學(xué)元素碘（發(fā)現(xiàn)是由于缺乏化學(xué)元素碘（I）所致。）所致。 六十年代，在伊朗以谷物為主食的居六十年代，在伊朗以谷物為主食的居民中發(fā)現(xiàn)了民中發(fā)現(xiàn)了“侏儒癥侏儒癥”病例，進一步的研病例，進一步的研究證明是由于化學(xué)元素鋅（究證明是由于化學(xué)元素鋅（Zn）缺乏所致。）缺乏所致。 日本神通川地區(qū)曾經(jīng)有一種以骨痛為特征的日本神通川地區(qū)曾經(jīng)有一種以骨痛為特征的疾病，被當(dāng)?shù)厝朔Q為疾病，被當(dāng)?shù)厝朔Q

3、為“痛痛病痛痛病”。調(diào)查發(fā)現(xiàn)是。調(diào)查發(fā)現(xiàn)是 由于該地區(qū)水體中化學(xué)元素鎘（由于該地區(qū)水體中化學(xué)元素鎘（Cd）的濃度嚴）的濃度嚴重超標(biāo)所致。重超標(biāo)所致。 日本部分地區(qū)曾經(jīng)還有一種日本部分地區(qū)曾經(jīng)還有一種“水俁水俁(yu)病病”，主要表現(xiàn)為手足麻木、聽覺障礙、震顫及其情緒主要表現(xiàn)為手足麻木、聽覺障礙、震顫及其情緒失常。研究發(fā)現(xiàn)是由于化學(xué)元素汞（失常。研究發(fā)現(xiàn)是由于化學(xué)元素汞（Hg）中毒）中毒所造成的。所造成的。 20 世紀世紀 50 年代以來，痕量分析等新技術(shù)的出現(xiàn)，年代以來，痕量分析等新技術(shù)的出現(xiàn)，使人們認識到生命過程與無機化學(xué)也密切相關(guān)，打破使人們認識到生命過程與無機化學(xué)也密切相關(guān)，打破了早期認

4、為與生命化學(xué)都是有機化學(xué)的觀點。了早期認為與生命化學(xué)都是有機化學(xué)的觀點。 20 世紀世紀 70 年代初開始形成了由無機化學(xué)和生物年代初開始形成了由無機化學(xué)和生物化學(xué)交叉、滲透而產(chǎn)生的生物無機化學(xué)化學(xué)交叉、滲透而產(chǎn)生的生物無機化學(xué) (bioinorganic chemistry)。標(biāo)志之一是。標(biāo)志之一是 1970 年成立了國際生物無機年成立了國際生物無機化學(xué)協(xié)會并召開了國際生物無機化學(xué)研討會。在化學(xué)協(xié)會并召開了國際生物無機化學(xué)研討會。在 1971 年又出版了名為年又出版了名為 “Bioinorganic Chemistry” 的學(xué)術(shù)刊的學(xué)術(shù)刊物物 ( 1979 年被更名為現(xiàn)在的年被更名為現(xiàn)在的

5、“Journal of Inorganic Biochemistry”雜志雜志 )。1 概概 述述 1.1 生物無機化學(xué)的主要研究內(nèi)容：生物無機化學(xué)的主要研究內(nèi)容：生物體內(nèi)物質(zhì)及相關(guān)化合物與各種無機元素，生物體內(nèi)物質(zhì)及相關(guān)化合物與各種無機元素，尤其是微量金屬離子之間的相互作用；尤其是微量金屬離子之間的相互作用；生物體內(nèi)金屬離子及其金屬酶、金屬蛋白的結(jié)生物體內(nèi)金屬離子及其金屬酶、金屬蛋白的結(jié)構(gòu)、功能以及模構(gòu)、功能以及模 擬研究；擬研究；無機元素在生物體內(nèi)的循環(huán)、環(huán)境污染、含金無機元素在生物體內(nèi)的循環(huán)、環(huán)境污染、含金屬藥物等對生物體、生命生理過程的影響等。屬藥物等對生物體、生命生理過程的影響等。

6、1.2 生物無機化學(xué)的主要研究方法：生物無機化學(xué)的主要研究方法：用各種物理化學(xué)方法直接研究用各種物理化學(xué)方法直接研究 生物體系中金屬酶生物體系中金屬酶和金屬蛋白等含金屬物種的結(jié)構(gòu)、功能及其作用和金屬蛋白等含金屬物種的結(jié)構(gòu)、功能及其作用機理；機理； 用模擬的方法來研究重要生物過程和生物大分子用模擬的方法來研究重要生物過程和生物大分子配合物的結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。包括配合物的結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。包括活性中心的結(jié)構(gòu)模擬、功能模擬以及利用基因突活性中心的結(jié)構(gòu)模擬、功能模擬以及利用基因突變等方法對原型化合物進行局部修改，從而觀測變等方法對原型化合物進行局部修改，從而觀測修改對其結(jié)構(gòu)、功

7、能的影響等。修改對其結(jié)構(gòu)、功能的影響等。2 必需元素與有毒元素必需元素與有毒元素 2.1 必需元素必需元素 (essential elements) 生物必需元素或生命元素，是維持生物體生生物必需元素或生命元素，是維持生物體生存所必需的元素存所必需的元素 , 缺少會導(dǎo)致嚴重病態(tài)或者死亡。缺少會導(dǎo)致嚴重病態(tài)或者死亡。生物必需元素的種類和個數(shù)隨著研究的深入和發(fā)生物必需元素的種類和個數(shù)隨著研究的深入和發(fā)展而不斷變化，例如展而不斷變化，例如 Ni、As 等以前認為不是生物等以前認為不是生物必需元素的元素后來被證實為生物必需元素。必需元素的元素后來被證實為生物必需元素。必需元素需同時具備以下四個條件必需

8、元素需同時具備以下四個條件: (i) 元素在不同的生物組織內(nèi)均有一定的濃度；元素在不同的生物組織內(nèi)均有一定的濃度； (ii) 去除后會使生物有相同去除后會使生物有相同(似似)的生理上的異常的生理上的異常; (iii) 恢復(fù)后可以消除或預(yù)防這些異?；謴?fù)后可以消除或預(yù)防這些異常; (iv) 元素有專門生物化學(xué)上的功能。元素有專門生物化學(xué)上的功能。2.2 生物必需元素的分類生物必需元素的分類 按元素在生物體中的含量可分為按元素在生物體中的含量可分為: 宏量結(jié)構(gòu)元素宏量結(jié)構(gòu)元素 (bulk)：構(gòu)成氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、：構(gòu)成氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂質(zhì)等化合物的多糖、脂質(zhì)等化合物的 C、H、O、N

9、、P、S; 宏量礦物素宏量礦物素 (macrominerals): 主要有主要有 Na、K、Ca、Mg 等元素等元素; 微量金屬元素微量金屬元素 (trace metal): Fe、Zn、Cu 等等;超微量元素超微量元素 (ultratrace)：Mn、Mo、Co、Cr、V、 Ni、 Cd、Sn、Pb、Li 及及 I、F、Se、Si、As、B 等。等。 生物無機化學(xué)研究中涉及的主要是微量和生物無機化學(xué)研究中涉及的主要是微量和超微量金屬元素。超微量金屬元素。2.3 生物體選擇特定元素的基本規(guī)律：生物體選擇特定元素的基本規(guī)律： 豐度規(guī)則：豐度規(guī)則：又稱海生學(xué)說。根據(jù)生命起源于海洋又稱海生學(xué)說。根據(jù)

10、生命起源于海洋的假說的假說 , 在生物進化早期在生物進化早期 , 當(dāng)生物體可以從能夠完當(dāng)生物體可以從能夠完成同樣功能的幾種元素中選取一種元素時成同樣功能的幾種元素中選取一種元素時 , 生物體生物體選擇了海洋中豐度較大的一種。這一假說認為生選擇了海洋中豐度較大的一種。這一假說認為生物體選擇某一元素作為生物必需元素是與當(dāng)時生物體選擇某一元素作為生物必需元素是與當(dāng)時生物體所處的環(huán)境有關(guān)。物體所處的環(huán)境有關(guān)。 有效規(guī)則：有效規(guī)則：當(dāng)有幾種元素當(dāng)有幾種元素 ( 或化合物或化合物 ) 可供選擇時可供選擇時, 生物體一般從中選取最為有效的一種元素作為自生物體一般從中選取最為有效的一種元素作為自身的必需元素。

11、身的必需元素。基本適應(yīng)規(guī)則基本適應(yīng)規(guī)則: 這一規(guī)則認為這一規(guī)則認為 被選擇的元素在熱被選擇的元素在熱力學(xué)上必須具備完成某種功能的能力。力學(xué)上必須具備完成某種功能的能力。有效性和特異性規(guī)則有效性和特異性規(guī)則: 作為生物必需元素的金屬作為生物必需元素的金屬離子還必須具備在酶或蛋白的特定結(jié)構(gòu)中完成特離子還必須具備在酶或蛋白的特定結(jié)構(gòu)中完成特定功能的能力。定功能的能力。 研究證實生物體系中金屬酶、金屬蛋白都具研究證實生物體系中金屬酶、金屬蛋白都具有特定的結(jié)構(gòu)和功能有特定的結(jié)構(gòu)和功能 , 尤其是其活性中心的結(jié)構(gòu)一尤其是其活性中心的結(jié)構(gòu)一般具有特定的扭曲畸變般具有特定的扭曲畸變 , 而不同于簡單配合物中金

12、而不同于簡單配合物中金屬離子周圍的結(jié)構(gòu)屬離子周圍的結(jié)構(gòu) , 而且正是因為這種特殊的扭曲而且正是因為這種特殊的扭曲畸變結(jié)構(gòu)保證了金屬酶和金屬蛋白的特異性?；兘Y(jié)構(gòu)保證了金屬酶和金屬蛋白的特異性。 2.4 有毒元素有毒元素(toxic elements) 有毒元素又稱有害元素有毒元素又稱有害元素，是指那些存在于生物，是指那些存在于生物體內(nèi)會影響正常的代謝、生命和生理過程的元素。體內(nèi)會影響正常的代謝、生命和生理過程的元素。 目前已知的明顯有害的目前已知的明顯有害的元素有元素有 Cd、Hg、Pb、Tl、As、Sb、Be、Ba、In、Te、Se、V、Cr、Nb 等等，其中其中 Cd、Hg、Pb、As 等

13、為劇毒元素。等為劇毒元素。 無論是必需元素還是有毒元素，在生物體內(nèi)的無論是必需元素還是有毒元素，在生物體內(nèi)的量是決定是否對生物體有益的關(guān)鍵因素量是決定是否對生物體有益的關(guān)鍵因素, 太少可能太少可能引起某些疾病和不正常，導(dǎo)致缺乏癥。引起某些疾病和不正常，導(dǎo)致缺乏癥。 此外，有些金屬離子在生物體內(nèi)存在的價態(tài)等此外，有些金屬離子在生物體內(nèi)存在的價態(tài)等決定其是否有毒性。如適量的決定其是否有毒性。如適量的 Cr3+ 和和 Ni2+ 對生物對生物體都是有益的，但是體都是有益的，但是 CrO42 和和 Ni(CO)4 可致癌?？芍掳?。必需元素的量必需元素的量效關(guān)系效關(guān)系3 金屬酶金屬酶 3.1 金屬酶金屬酶

14、 金屬酶就是結(jié)合有金屬離子的生物酶金屬酶就是結(jié)合有金屬離子的生物酶 , 也就是也就是說必須有金屬離子參與才有活性的酶被稱為金屬酶說必須有金屬離子參與才有活性的酶被稱為金屬酶 (metalloenzyme 或或 metal-activated enzyme) 。 目前已經(jīng)知道生物體系中約有三分之一的酶需目前已經(jīng)知道生物體系中約有三分之一的酶需要有金屬離子參與才能顯示活性。這些金屬酶實際要有金屬離子參與才能顯示活性。這些金屬酶實際上是一種生物催化劑上是一種生物催化劑 , 在其作在其作 用下用下 , 生物體內(nèi)許多生物體內(nèi)許多復(fù)雜的或通常條件下難以發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)能夠在溫復(fù)雜的或通常條件下難以發(fā)生的化學(xué)

15、反應(yīng)能夠在溫和的生理條件下得以順和的生理條件下得以順 利進行。利進行。 3.2 金屬酶的分類金屬酶的分類 天然金屬酶根據(jù)其催化的反應(yīng)類型可分為：天然金屬酶根據(jù)其催化的反應(yīng)類型可分為：氧化還原酶氧化還原酶 (oxidoreductase)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 酶酶 (transferase)水解酶水解酶 (hydrolase) 異構(gòu)化酶異構(gòu)化酶 (isomerase )裂解酶裂解酶 (lyase) 合成酶合成酶 (synthetase, 又稱連接酶又稱連接酶 ligase) 3.3 金屬酶的作用金屬酶的作用 金屬離子與蛋白鏈結(jié)合金屬離子與蛋白鏈結(jié)合 , 從而使蛋白具有特定的從而使蛋白具有特定的高級結(jié)構(gòu)高級結(jié)

16、構(gòu) ( 構(gòu)象構(gòu)象 ) 和穩(wěn)定性和穩(wěn)定性 , 而且這種特定的結(jié)而且這種特定的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性與其催化活性之間有密切關(guān)系；構(gòu)和穩(wěn)定性與其催化活性之間有密切關(guān)系；通過金屬離子與底物分子間的相互作用通過金屬離子與底物分子間的相互作用 , 使底物使底物分子定向分子定向 , 從而發(fā)生專一性強、選擇性高的催化從而發(fā)生專一性強、選擇性高的催化反應(yīng)；反應(yīng)； 形成催化反應(yīng)活性中心形成催化反應(yīng)活性中心 (active center , 從而為從而為酶提供催化反應(yīng)的活性部位酶提供催化反應(yīng)的活性部位 (active site) 。3.4 金屬藥物金屬藥物 金屬藥物是一類人為地引人生物體內(nèi)的含金金屬藥物是一類人為地引人生物體

17、內(nèi)的含金屬物種，目前該方面的研究主要集中在以下兩個屬物種，目前該方面的研究主要集中在以下兩個方面：方面：設(shè)計合成新的配位化合物設(shè)計合成新的配位化合物 , 目的是從中篩選出有活目的是從中篩選出有活性的化合物性的化合物 , 為作進一步研究提供基礎(chǔ)；為作進一步研究提供基礎(chǔ)； 研究金屬藥物分子與體內(nèi)生物分子的作用、機理研究金屬藥物分子與體內(nèi)生物分子的作用、機理以及藥物分子在體內(nèi)的代謝等以及藥物分子在體內(nèi)的代謝等 , 目的是探討活性與目的是探討活性與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 , 從而為設(shè)計合成活性高、毒性低從而為設(shè)計合成活性高、毒性低的新型金屬藥物奠定基礎(chǔ)。的新型金屬藥物奠定基礎(chǔ)。 金屬藥物的分類金

18、屬藥物的分類 金屬藥物根據(jù)其作用不同可分為治療類藥物和金屬藥物根據(jù)其作用不同可分為治療類藥物和診斷類藥物兩大類。診斷類藥物兩大類。治療類藥物：治療類藥物：如如 1965 年年 Rosenberg 等人報道抗癌等人報道抗癌藥物順鉑藥物順鉑 cis-Pt(NH3)2Cl2 (cisplatin)，到目前為止，到目前為止仍然是臨床上廣泛使用的一種抗癌藥物仍然是臨床上廣泛使用的一種抗癌藥物 , 說明順鉑說明順鉑是一種非常了不起的藥物。是一種非常了不起的藥物。 順鉑等抗癌藥物的作用機理是廣大科學(xué)工順鉑等抗癌藥物的作用機理是廣大科學(xué)工作者研究的熱點問題之一，這不僅為了解決為什作者研究的熱點問題之一，這不僅

19、為了解決為什么順鉑有抗癌活性而反鉑沒有抗癌活性的問題么順鉑有抗癌活性而反鉑沒有抗癌活性的問題 , 而而且為闡明藥物結(jié)構(gòu)且為闡明藥物結(jié)構(gòu)活性活性毒副作用之間的關(guān)系提毒副作用之間的關(guān)系提供基礎(chǔ)供基礎(chǔ) , 從而為設(shè)計和篩選新的抗癌藥物提供依據(jù)。從而為設(shè)計和篩選新的抗癌藥物提供依據(jù)。 DDP 的作用機理的作用機理 對對 DDP 抗腫瘤活性的作用機理的研究，目前抗腫瘤活性的作用機理的研究，目前公認為：公認為： (1). DDP 首先水解，首先水解，以以 H2O 分子取代分子取代 DDP 中的中的 Cl 離子，形成離子，形成 cis-Pt(NH3)2(OH)2 。 (2). DDP 的水解產(chǎn)物與的水解產(chǎn)物

20、與 DNA 相互作用，相互作用，使腫瘤細胞使腫瘤細胞 DNA 的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄受到抑制，迫使腫的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄受到抑制，迫使腫瘤細胞凋亡或死亡。瘤細胞凋亡或死亡。 1995年年 WHO 對上百種治癌藥物進行排名，對上百種治癌藥物進行排名，順鉑的綜合評價（療效，市場等）位居順鉑的綜合評價（療效，市場等）位居第第 2。另據(jù)。另據(jù)統(tǒng)計，在我國以順鉑為主或有順鉑參加配伍的化統(tǒng)計，在我國以順鉑為主或有順鉑參加配伍的化療方案占所有化療方案的療方案占所有化療方案的70%80。 盡管盡管 DDP 作為抗腫瘤藥物至今仍然使用，但作為抗腫瘤藥物至今仍然使用，但它同時也有較它同時也有較嚴重的毒性和副作用。嚴重的毒性和副作用

21、。 對對 DDP 進行進行改良的研究改良的研究一直在進行，幾個代一直在進行，幾個代表性的該類配合物簡述如下：表性的該類配合物簡述如下： 卡鉑：卡鉑：1 1，1 1環(huán)丁二酸二胺合鉑（環(huán)丁二酸二胺合鉑（II)II) 二十世紀八十年代，由二十世紀八十年代，由美國施貴寶公司、美國施貴寶公司、英國腫瘤研究所以及英國腫瘤研究所以及 Johnson Mayyhey 公司聯(lián)公司聯(lián)合開發(fā)的合開發(fā)的第二代第二代鉑系抗腫瘤藥物。鉑系抗腫瘤藥物。PtNH3ONH3OCOCONedaplatin：順式乙醇酸二氨合鉑（：順式乙醇酸二氨合鉑（II) 簡稱簡稱 CDGP，代號代號 254-S。已在。已在日本日本上市，上市，并

22、進入并進入 III 其臨床研究。其臨床研究。PtNH3ONH3OCOH2C樂鉑：環(huán)丁烷乳酸鹽二甲胺合鉑（樂鉑：環(huán)丁烷乳酸鹽二甲胺合鉑（II)II) 由德國由德國 Asta Medica AG Frankfurt 公司開發(fā)，公司開發(fā)，目前在進行目前在進行樂伯與樂伯與 5-Fu 聯(lián)合聯(lián)合治療食道系統(tǒng)腫瘤治療食道系統(tǒng)腫瘤的臨床試驗。的臨床試驗。PtNH2ONH2OCOCHCH3CH2CH2草草 酸酸 鉑鉑 Oxaiplatin, 代號代號L-OHP，全稱為，全稱為草酸草酸-(反反式式-L-1,2-環(huán)己二胺合鉑環(huán)己二胺合鉑(II)。該要首先在日本該要首先在日本及法國進行研究，現(xiàn)已在法國上市。及法國進行

23、研究，現(xiàn)已在法國上市。PtNH2ONH2OCOCO 異丙異丙鉑鉑 (Ipmplatin) 化學(xué)名為化學(xué)名為: 順順異丙異丙胺胺二氯二氯反式反式二二羥羥基基合鉑合鉑。是八面體構(gòu)型的是八面體構(gòu)型的鉑鉑配合物配合物 , 水溶性比順鉛高。異丙水溶性比順鉛高。異丙鉑鉑抗瘤譜比較廣抗瘤譜比較廣, 主要用于肺癌、乳腺癌、淋巴肉瘤、主要用于肺癌、乳腺癌、淋巴肉瘤、白血病等的治療。該藥的腎毒性很低。白血病等的治療。該藥的腎毒性很低。 對對鉑鉑類化合物抗腫瘤活性類化合物抗腫瘤活性的的研究研究, 總結(jié)出總結(jié)出如下如下的的構(gòu)效關(guān)系構(gòu)效關(guān)系:中性中性配配合物比合物比配配離子具有更高的抗腫瘤活性。離子具有更高的抗腫瘤活性

24、。 烷烷基伯基伯胺胺或環(huán)或環(huán)烷烷基伯基伯胺胺取代順取代順鉑鉑中的氨中的氨 , 可明顯增可明顯增加其治療指數(shù)。加其治療指數(shù)。 雙齒配位體代替兩個單齒配位體雙齒配位體代替兩個單齒配位體 , 一般可以增加其一般可以增加其抗腫瘤活性。因為雙齒配位體化合物不像單齒配抗腫瘤活性。因為雙齒配位體化合物不像單齒配位體化合物那樣容易轉(zhuǎn)變?yōu)榉词脚浜衔锒Щ?。位體化合物那樣容易轉(zhuǎn)變?yōu)榉词脚浜衔锒Щ睢Ｈ〈呐湮惑w要有足夠快的水解速率取代的配位體要有足夠快的水解速率 , 但也不能太但也不能太快快 , 以讓配合物有足夠的穩(wěn)定性達到作用部位。以讓配合物有足夠的穩(wěn)定性達到作用部位。平面正方形和八面體構(gòu)型的平面正方形和八面體

25、構(gòu)型的鉑鉑配合物抗腫瘤活性配合物抗腫瘤活性高于其它構(gòu)型的高于其它構(gòu)型的鉑鉑配合物。配合物。 在治療類金屬藥物中除了順在治療類金屬藥物中除了順鉑鉑類抗癌藥物之外類抗癌藥物之外, 還有可用于治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的一價金還有可用于治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的一價金 Au(I) 配配合物合物, 包括注射用的硫代蘋果酸包括注射用的硫代蘋果酸Au(I) 配合物配合物(a)和口和口服的三乙基服的三乙基膦膦和四和四O乙乙酰酰硫葡萄糖硫葡萄糖 (b) 兩種不同配兩種不同配體的體的 Au(I) 配合物配合物 診斷類藥物：診斷類藥物： 在實際臨床中在實際臨床中, 對疾病及時、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)和診對疾病及時、準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)和診斷非常重要

26、。目前在臨床上使用或正在進行試驗的診斷非常重要。目前在臨床上使用或正在進行試驗的診斷類金屬藥物有利用釓斷類金屬藥物有利用釓 Gd(III) 配合物作為核磁共振配合物作為核磁共振成像時使用的造影劑成像時使用的造影劑 (a) 、作為心臟造影劑的含有放、作為心臟造影劑的含有放射性同位素射性同位素 99Tc 的化合物的化合物(b)等。等。 4 IA及及IIA金屬的生物無機化學(xué)金屬的生物無機化學(xué) 堿金屬離子中的堿金屬離子中的 Na+、K+ 以及堿土金屬離子中以及堿土金屬離子中的的Mg2+、Ca2+ 是生物體系中含量最多的幾種宏量礦是生物體系中含量最多的幾種宏量礦物元素。它們在生物體內(nèi)一方面作為電解質(zhì)起到

27、平物元素。它們在生物體內(nèi)一方面作為電解質(zhì)起到平衡電荷、維持滲透壓等作用衡電荷、維持滲透壓等作用 , 另一方面另一方面 , 起到穩(wěn)定起到穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、激活酶等作用。此外蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、激活酶等作用。此外 , 鎂和鈣鎂和鈣還是骨還是骨髓、牙齒等生物礦物的主要成分髓、牙齒等生物礦物的主要成分, 鎂鎂還參與光合作還參與光合作用。表明堿金屬和堿土金屬離子在維持正常的生命用。表明堿金屬和堿土金屬離子在維持正常的生命和生理過程中起著非常重要的作用和生理過程中起著非常重要的作用 , 也因此引起了也因此引起了廣大生物無機化學(xué)工作者們的興趣。廣大生物無機化學(xué)工作者們的興趣。 4.1 離子泵和離子載體離子泵和離子載體

28、 堿金屬和堿土金屬離子在細胞內(nèi)外的濃度分布堿金屬和堿土金屬離子在細胞內(nèi)外的濃度分布有很大的差別。例如有很大的差別。例如 Na+ 和和 K+ 離子離子 , 前者主要存前者主要存在于細胞外在于細胞外 , 而后者則主要存在于細胞內(nèi)而后者則主要存在于細胞內(nèi) , 這種差這種差別在平衡細胞內(nèi)外滲透壓方面起著重要作用。而這別在平衡細胞內(nèi)外滲透壓方面起著重要作用。而這種濃度差的維持則依賴于一種被稱之為種濃度差的維持則依賴于一種被稱之為鈉泵鈉泵 (sodium pump) 的的 Na+/K+ATP 酶酶, 它是一種跨膜蛋它是一種跨膜蛋白白 , 其功能是將細胞外的其功能是將細胞外的 K+ 離子泵入細胞內(nèi)離子泵入細

29、胞內(nèi) , 同時同時將細胞內(nèi)的將細胞內(nèi)的 Na+ 離子泵出到細胞外。有趣的是離子泵出到細胞外。有趣的是 , 泵泵入的入的 K+ 離子與泵出的離子與泵出的 Na+ 離子的比例并非離子的比例并非 1:1, 而而是是 2:3 。該過程所需要的能量由。該過程所需要的能量由 ATP 水解產(chǎn)生水解產(chǎn)生 ADP 和無機磷酸來提供。和無機磷酸來提供。 Na+/K+ATP 酶中除了酶中除了 Na+ 和和 K+ 離子的參與離子的參與外外 , 還需要還需要 Mg2+ 的激活的激活 , 因此因此 , 也被稱為也被稱為 Na+/K+/Mg2+ATP 酶。與酶。與 Na+/K+ATP 酶相似的還酶相似的還有有 Ca2+AT

30、P 酶酶, 亦稱鈣泵亦稱鈣泵 (caicium pump) 。該酶該酶是在是在 Ca2+、Mg2+ 和和 K+ 離子的共同存在下離子的共同存在下 ATP 水水解產(chǎn)生解產(chǎn)生 ADP 和和 無機磷酸無機磷酸 , 利用利用 ATP 水解產(chǎn)生水解產(chǎn)生 ADP 和無機磷酸時釋放的能量將和無機磷酸時釋放的能量將 2 個個 Ca2+ 離子從細胞離子從細胞內(nèi)運送到細胞外內(nèi)運送到細胞外 , 從而使細胞內(nèi)游離的從而使細胞內(nèi)游離的 Ca2+ 離子濃離子濃度維持在度維持在 104 mmolL1 以下。以下。 離子運輸從低濃度運送到高濃度離子運輸從低濃度運送到高濃度 , 也就是說是也就是說是逆濃度梯度逆濃度梯度進行的的

31、運輸稱為進行的的運輸稱為主動運輸主動運輸 (active transport)，這種運輸過程需要消耗能量，這種運輸過程需要消耗能量 , 例如上面例如上面提到的提到的 Na+、K+ 和和 Ca2+ 離子的運輸所需的能量來離子的運輸所需的能量來源于源于 ATP 的水解。的水解。 順著濃度梯度順著濃度梯度 ( 即從高濃度到低濃度即從高濃度到低濃度 ) 進行的進行的運輸稱為運輸稱為被動運輸被動運輸 (passive transport) 。被動運輸。被動運輸可以是由于濃度差而產(chǎn)生的簡單擴散可以是由于濃度差而產(chǎn)生的簡單擴散 , 也可以是與也可以是與其他的載體或運送體結(jié)合后進行的促進擴散。其他的載體或運送

32、體結(jié)合后進行的促進擴散。 因為金屬離子本身是親水的因為金屬離子本身是親水的, 而細胞膜內(nèi)層則而細胞膜內(nèi)層則是疏水的是疏水的 , 因此因此 , 金屬離子本身難通過細胞膜。金金屬離子本身難通過細胞膜。金屬離子的跨膜運送需要借助其他的載體或運送體來屬離子的跨膜運送需要借助其他的載體或運送體來完成完成 , 常見的載體或運送體有可以在膜內(nèi)活動的小常見的載體或運送體有可以在膜內(nèi)活動的小分子分子離子載體離子載體 (ionophore) 以及膜內(nèi)存在固定的以及膜內(nèi)存在固定的離離子通道子通道 (ionic channel)載體?，F(xiàn)在已知的天然離子載體?，F(xiàn)在已知的天然離子載體都是抗生素載體都是抗生素 , 根據(jù)其結(jié)

33、構(gòu)可以分為環(huán)狀和鏈狀根據(jù)其結(jié)構(gòu)可以分為環(huán)狀和鏈狀離子載體。離子載體。 離子載體是通過與金屬離子形成較為穩(wěn)定的配離子載體是通過與金屬離子形成較為穩(wěn)定的配合物合物 , 從而攜帶金屬離子通過生物膜從而攜帶金屬離子通過生物膜 , 實現(xiàn)運送金實現(xiàn)運送金屬離子的功能。屬離子的功能。 離子通道載體則不同與離子載體離子通道載體則不同與離子載體, 它們不能與要它們不能與要通過的金屬離子形成穩(wěn)定的配合物通過的金屬離子形成穩(wěn)定的配合物 , 而是相對固定而是相對固定在生物膜上在生物膜上 , 形成可以讓金屬離子通過的孔道形成可以讓金屬離子通過的孔道 , 引引導(dǎo)金屬離子過膜。導(dǎo)金屬離子過膜。4.2 4.2 鈣與凝血過程鈣

34、與凝血過程 人體內(nèi)大部分人體內(nèi)大部分 Ca2+ 除分布在硬組織中外，除分布在硬組織中外，主要存在于血液中，血液中游離的鈣稱為血鈣，主要存在于血液中，血液中游離的鈣稱為血鈣，其濃度有一定的正常值范圍。其濃度有一定的正常值范圍。 血鈣濃度過高會出現(xiàn)血鈣濃度過高會出現(xiàn)高鈣血癥：高鈣血癥：可與血液中可與血液中的的 PO43- 結(jié)合可形成尿結(jié)石；可使全身性骨骼變結(jié)合可形成尿結(jié)石；可使全身性骨骼變粗，軟骨鈣化。粗，軟骨鈣化。 血鈣濃度過低會出現(xiàn)血鈣濃度過低會出現(xiàn)低鈣血癥：低鈣血癥：骨骼中的鈣骨骼中的鈣會游離出來而使骨軟化，神經(jīng)、肌肉興奮性增高，會游離出來而使骨軟化，神經(jīng)、肌肉興奮性增高，易發(fā)生痙攣。易發(fā)生

35、痙攣。 血液凝固是一個十分復(fù)雜的過程，一些無血液凝固是一個十分復(fù)雜的過程，一些無活性的活性的酶原必須被酶原必須被 Ca2+ 激活激活成為有活性的酶，成為有活性的酶，才能起凝血作用。才能起凝血作用。 Ca2+ 在血液凝固過程中起著十分重要的在血液凝固過程中起著十分重要的作用，如果加入適當(dāng)?shù)呐潴w如作用，如果加入適當(dāng)?shù)呐潴w如 EDTA 則可使則可使血液不再凝固。血液不再凝固。凝血酶凝血酶原血纖維蛋白原血纖維蛋白單體血纖維蛋白絲Ca2+Ca2+凝血過程示意圖 當(dāng)凝血活性較高時容易形成和血栓相關(guān)的當(dāng)凝血活性較高時容易形成和血栓相關(guān)的疾病。研究表明，當(dāng)加入能夠和疾病。研究表明，當(dāng)加入能夠和 Ca2+ 競爭

36、配競爭配位結(jié)合點的稀土離子位結(jié)合點的稀土離子 RE3+ 時，可降低凝血活時，可降低凝血活性。性。 從化學(xué)角度考慮，從化學(xué)角度考慮，RE3+ 具有抗凝血作用。具有抗凝血作用。因此一些含稀土金屬離子的配合物（如因此一些含稀土金屬離子的配合物（如香豆素、香豆素、維生素維生素K 等）有潛在的治療血栓病的可能性。等）有潛在的治療血栓病的可能性。4.2 葉綠素和光合作用葉綠素和光合作用 葉綠素葉綠素 (chlorophyll) 主要存在于綠藻、藍藻及主要存在于綠藻、藍藻及高等植物的葉中，是一類含有部分被還原的二氫卟高等植物的葉中，是一類含有部分被還原的二氫卟啉環(huán)的鎂配合物。由于葉綠素對可見光有很強的吸啉環(huán)

37、的鎂配合物。由于葉綠素對可見光有很強的吸收能力收能力, 因此在植物光合作用的過程中起重要作用。因此在植物光合作用的過程中起重要作用。 光合作用是以光合作用是以光為能源將水和二氧化碳轉(zhuǎn)換為光為能源將水和二氧化碳轉(zhuǎn)換為糖和氧氣糖和氧氣的反應(yīng)的反應(yīng) , 該反應(yīng)該反應(yīng)一方面是將無機化合物轉(zhuǎn)換一方面是將無機化合物轉(zhuǎn)換為有機的糖類為有機的糖類 , 另一方面是在固定空氣中的二氧化碳另一方面是在固定空氣中的二氧化碳的同時釋放出氧氣的同時釋放出氧氣。該類反應(yīng)從。該類反應(yīng)從熱力學(xué)熱力學(xué)上來講是一上來講是一類很難發(fā)生的反應(yīng)類很難發(fā)生的反應(yīng) , 它涉及二氧化碳的還原和水分子它涉及二氧化碳的還原和水分子的氧化。的氧化。

38、 葉綠素分子中葉綠素分子中Mg2離子扮演著結(jié)構(gòu)中心和活性中離子扮演著結(jié)構(gòu)中心和活性中心的作用心的作用, ,能吸收可見光中的紅光能吸收可見光中的紅光(680 nm)，為光合作，為光合作用提供能量。用提供能量。 R R葉綠素葉綠素a：CH3 C20H39葉綠素葉綠素b：CHO C20H39 C20H39: 葉綠基葉綠基Mg2葉綠素分子葉綠素分子4.3 鈣調(diào)蛋白鈣調(diào)蛋白 鈣結(jié)合蛋白鈣結(jié)合蛋白 (calcium-binding protein) 是指細胞是指細胞內(nèi)與鈣離子有很強結(jié)合能力內(nèi)與鈣離子有很強結(jié)合能力 (鍵合常數(shù)在鍵合常數(shù)在106 左右左右) 的的一類蛋白。該類蛋白中的典型代表是人們所熟悉的一

39、類蛋白。該類蛋白中的典型代表是人們所熟悉的鈣調(diào)蛋白鈣調(diào)蛋白 (calmodulin，簡稱為，簡稱為CaM )。自。自 1971 年被年被發(fā)現(xiàn)以來發(fā)現(xiàn)以來 , 人們已經(jīng)從動物和植物的多種組織中分離人們已經(jīng)從動物和植物的多種組織中分離得到了多種得到了多種 CaM , 研究發(fā)現(xiàn)不同來源研究發(fā)現(xiàn)不同來源 CaM 的一級結(jié)的一級結(jié)構(gòu)構(gòu)( 氨基酸序列氨基酸序列 ) 具有很強的保守性。具有很強的保守性。 在生物體內(nèi)在生物體內(nèi) , 當(dāng)結(jié)合了鈣離子的當(dāng)結(jié)合了鈣離子的 CaM 與沒有活與沒有活性的酶結(jié)合性的酶結(jié)合 , 可以激活酶可以激活酶 , 使酶顯示活性使酶顯示活性 ; 相反相反 , 當(dāng)當(dāng)鈣離子脫離鈣離子脫離

40、CaM 時時 , 導(dǎo)致導(dǎo)致 CaM 與酶解離與酶解離 , 從而使酶從而使酶回到原來沒有活性的狀態(tài)。因此回到原來沒有活性的狀態(tài)。因此 , CaM 通過結(jié)合鈣通過結(jié)合鈣離子前后其構(gòu)象的變化來調(diào)節(jié)很多酶的活性。離子前后其構(gòu)象的變化來調(diào)節(jié)很多酶的活性。 氧載體是生物體內(nèi)一類可以與分子氧進行可逆地氧載體是生物體內(nèi)一類可以與分子氧進行可逆地配位結(jié)合的生物大分子配合物配位結(jié)合的生物大分子配合物 , 其功能是其功能是 儲存或運儲存或運送氧分子到生物體組織內(nèi)需要氧的地方。送氧分子到生物體組織內(nèi)需要氧的地方。 生命體需要大量氧生命體需要大量氧 (O2) 以維持生命必需的各以維持生命必需的各種氧化作用。種氧化作用。

41、 O2 是非極性分子，是非極性分子，298K和標(biāo)準(zhǔn)壓力下，在和標(biāo)準(zhǔn)壓力下，在 1L 水中溶解水中溶解 6.59 mL O2，得到濃度為，得到濃度為 3 104 molL1 的溶液，自然溶解的氧遠遠不能滿足正常的溶液，自然溶解的氧遠遠不能滿足正常生理活動的需要。生理活動的需要。4.4 天然氧載體天然氧載體 血液輸送血液輸送 O2 是借助于氧載體進行的，生物是借助于氧載體進行的，生物體內(nèi)的天然氧載體可使血液中的氧含量比水中增體內(nèi)的天然氧載體可使血液中的氧含量比水中增大約大約 30 倍。倍。 血紅蛋白（血紅蛋白（Hb）與肌紅蛋白（）與肌紅蛋白（Mb）都是人都是人體中的天然氧載體，其中體中的天然氧載體

42、，其中 Hb 的作用為輸送氧，的作用為輸送氧， Mb 的作用為儲存氧。一些天然氧載體見下表。的作用為儲存氧。一些天然氧載體見下表。天然氧載體天然氧載體種種 類類Mr金屬離子金屬離子 主要功能主要功能 存在動物存在動物血紅蛋白血紅蛋白64,500Fe(II)輸送輸送 O2脊椎動物脊椎動物肌紅蛋白肌紅蛋白17,800Fe(II)儲存儲存 O2肌肌 肉肉血蘭蛋白血蘭蛋白105107Cu(I)輸送輸送 O2軟體動物軟體動物血釩蛋白血釩蛋白27,500V(III)結(jié)合結(jié)合 O2海鞘類海鞘類蚯蚓蚯蚓血紅蛋白血紅蛋白108,000Fe(II)儲存儲存 O2海洋蠕蟲海洋蠕蟲Hb與與Mb Hb 存在于與血液（紅

43、細胞）中，是輸送存在于與血液（紅細胞）中，是輸送O2 的工具；的工具；Mb 存在于肌肉組織中，承擔(dān)存在于肌肉組織中，承擔(dān) O2 的儲存并運送的儲存并運送 O2 穿過細胞膜。穿過細胞膜。 Hb 和和 Mb 與與 O2 的結(jié)合是的結(jié)合是松弛的、可逆松弛的、可逆的，的，特點是既能迅速結(jié)合，又能迅速離解。特點是既能迅速結(jié)合，又能迅速離解。 在在 Hb 和和 Mb 中，載中，載 O2 的活性中心均為的活性中心均為Fe2+。 卟啉卟啉是小分子生物配體，是是小分子生物配體，是卟吩卟吩環(huán)上環(huán)上18位位置上氫原子被一些基團取代的的衍生物，和金置上氫原子被一些基團取代的的衍生物，和金屬離子形成的配合物稱為屬離子形

44、成的配合物稱為金屬卟啉。金屬卟啉。HNNNHN12345678卟 吩NNNNM金屬卟啉 卟啉環(huán)卟啉環(huán)是由是由 11 個共軛雙鍵組成的高度共個共軛雙鍵組成的高度共軛體系，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并具有一定的剛性。軛體系，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并具有一定的剛性。4 個個吡咯吡咯 N 配位原子形成配位腔，由環(huán)中心到每配位原子形成配位腔，由環(huán)中心到每個吡咯個吡咯 N 原子的距離為原子的距離為 204 pm。 生物體系中最重要的兩種金屬卟啉是生物體系中最重要的兩種金屬卟啉是鎂卟鎂卟啉和鐵卟啉。啉和鐵卟啉。鎂卟啉類衍生物是綠色植物中的鎂卟啉類衍生物是綠色植物中的葉綠素葉綠素；鐵卟啉類衍生物被稱為；鐵卟啉類衍生物被稱為血紅素血紅素，

45、血紅，血紅素為素為 Hb 和和 Mb 蛋白中所結(jié)合的輔基。蛋白中所結(jié)合的輔基。血紅素中血紅素中Fe(II)的配位結(jié)構(gòu)的配位結(jié)構(gòu) 在在脫氧的血紅素中，脫氧的血紅素中，F(xiàn)e(II)為為高自旋狀態(tài)高自旋狀態(tài)，有四個成單電子。有四個成單電子。 rFe(II) = 78 pm B(Fe-N) = 218 pm B(N-N) = 408 pm Fe(II)為五配位結(jié)構(gòu)，為五配位結(jié)構(gòu)，如右圖示。如右圖示。 Fe(II)處于處于卟啉環(huán)平面以上平均距離卟啉環(huán)平面以上平均距離 75 pm 處。處。NNNNFeNHN75 pm血紅素中血紅素中Fe(II)的立體配位結(jié)構(gòu)的立體配位結(jié)構(gòu) 在氧合后的血紅素中，在氧合后的血

46、紅素中，F(xiàn)e(II)為低自旋狀態(tài)，沒為低自旋狀態(tài)，沒有成單電子。此時：有成單電子。此時： rFe(II) = 61 pm B(Fe-N) = 201 pm B(N-N) = 408 pm Fe(II)為六配位結(jié)構(gòu)，為六配位結(jié)構(gòu)，如右圖示。如右圖示。 Fe(II)處于處于卟啉環(huán)平面上。卟啉環(huán)平面上。NNNNFeNHNOOO2 與與 CO 的配位能力比較的配位能力比較O2 分子中的分子中的 HOMO： (* 2p)2CO分子中的分子中的 HOMO： (2p)2O2 分子可以形成分子可以形成三角形三角形的配位結(jié)構(gòu)，的配位結(jié)構(gòu)，CO 分子則傾向于形成分子則傾向于形成線型線型的配位結(jié)構(gòu)。的配位結(jié)構(gòu)。 一

47、般情況下，一般情況下，CO 的配位能力比的配位能力比 O2 分子分子要大要大 25,000 倍。倍。 在在 Hb 和和 Mb 中，中，F(xiàn)e(II) 的第六配位的第六配位點附近存在組氨酸的殘基點附近存在組氨酸的殘基咪唑基團，咪唑基團，由于空由于空間位阻的影響，使間位阻的影響，使 Fe(II) 的第六配位點不易的第六配位點不易形成線型的配位結(jié)構(gòu)。形成線型的配位結(jié)構(gòu)。所以使所以使 CO 的配位能力的配位能力下降到比下降到比O2 分子約大分子約大200倍。換言之，倍。換言之， CO 的配位優(yōu)勢降到了原來的的配位優(yōu)勢降到了原來的 1以下，這一點對以下，這一點對人類是特別重要的。人類是特別重要的。人工合成

48、氧載體人工合成氧載體 從配位化學(xué)的角度出發(fā)，用一些分子量相對從配位化學(xué)的角度出發(fā)，用一些分子量相對較小的過渡金屬配合物作為模型化合物來較小的過渡金屬配合物作為模型化合物來模擬天模擬天然氧載體然氧載體的可逆氧合作用，在理論及實際應(yīng)用上的可逆氧合作用，在理論及實際應(yīng)用上都具有十分重要的意義。如對都具有十分重要的意義。如對人造血液人造血液的研究歸的研究歸根到底就是對人工合成氧載體的研究。根到底就是對人工合成氧載體的研究。 至今已合成的至今已合成的氧載體模型化合物氧載體模型化合物比較多，最比較多，最具代表性的有下列幾類：具代表性的有下列幾類：“柵欄柵欄”型鐵卟啉型鐵卟啉 1973年由年由 Collma

49、n 等等采用空間位采用空間位阻效應(yīng)技術(shù)阻效應(yīng)技術(shù)合成，該模合成，該模型化合物在型化合物在苯溶劑中與苯溶劑中與室溫下能夠室溫下能夠與與 O2 可逆可逆結(jié)合。結(jié)合?！懊毙兔毙汀辫F卟啉鐵卟啉 1975年年由由Baldwin等合成。等合成。該模型化該模型化合物中卟合物中卟啉環(huán)平面啉環(huán)平面上方好像上方好像一頂帽子。一頂帽子。對面型雙（鐵）卟啉對面型雙（鐵）卟啉20世紀世紀80年代年代合成的合成的代表性代表性氧載體氧載體模型。模型。脂質(zhì)包埋型鐵卟啉脂質(zhì)包埋型鐵卟啉由由日本學(xué)者日本學(xué)者土田英俊土田英俊等等合成，將其合成，將其用超聲波分用超聲波分散后，在生散后，在生理鹽水中可理鹽水中可形成具有可形成具有可逆載

50、氧能力逆載氧能力的微球。的微球。5 副族元素的生物學(xué)效應(yīng)副族元素的生物學(xué)效應(yīng) (1) 參與生物體內(nèi)的氧化還原過程參與生物體內(nèi)的氧化還原過程 具有可變氧化態(tài)的過渡金屬，如具有可變氧化態(tài)的過渡金屬，如Fe(II、III)、Cu(I、II)、Co(I、II、III)、Mn(II、III)、Mo(IV、V、VI)等，常存在于與氧化還原過程有關(guān)的金屬酶和金屬等，常存在于與氧化還原過程有關(guān)的金屬酶和金屬蛋白的活性部位，參與生物體內(nèi)的氧化還原過程。蛋白的活性部位，參與生物體內(nèi)的氧化還原過程。 作為生命必需元素的過渡金屬離子在體內(nèi)的濃作為生命必需元素的過渡金屬離子在體內(nèi)的濃度都很小，它們的許多確切作用還未被人

51、們所知曉。度都很小，它們的許多確切作用還未被人們所知曉。不過從化學(xué)的角度來講，它們的生物功能可概括為三不過從化學(xué)的角度來講，它們的生物功能可概括為三類類: (2) 作為作為Lewis酸酸 過渡金屬離子，由于體積小和電荷高，因而都是過渡金屬離子，由于體積小和電荷高，因而都是較強的較強的Lewis酸，易接受底物的電子發(fā)生配位作用而酸，易接受底物的電子發(fā)生配位作用而使底物活化。使底物活化。 不同的金屬離子有不同的路易斯酸強度，其強度不同的金屬離子有不同的路易斯酸強度，其強度隨著金屬離子電荷的增加和離子半徑的遞減而增大。隨著金屬離子電荷的增加和離子半徑的遞減而增大。 對于過渡金屬來說，配位場強度等其他

52、因素的影對于過渡金屬來說，配位場強度等其他因素的影響也是重要的，因此響也是重要的，因此2價離子的配合物的穩(wěn)定性也價離子的配合物的穩(wěn)定性也呈現(xiàn)出呈現(xiàn)出Irving-Williams序列。序列。(3) 穩(wěn)定核酸構(gòu)型穩(wěn)定核酸構(gòu)型 近年來發(fā)現(xiàn)，核酸的合成涉及到許多金屬離子。近年來發(fā)現(xiàn)，核酸的合成涉及到許多金屬離子。除主族金屬除主族金屬Mg、Ca、Sr、Ba、Al外，還包括過渡金外，還包括過渡金屬屬Cr、Mn、Fe、Ni和和Zn。 目前認為，這些金屬都與核酸構(gòu)型的穩(wěn)定性有關(guān)。目前認為，這些金屬都與核酸構(gòu)型的穩(wěn)定性有關(guān)。已證明已證明Zn可在可在DNA的兩股間橋聯(lián)，在的兩股間橋聯(lián)，在Zn(II)存在時，存在

53、時，即使即使DNA熔化，兩股也不分開。但熔化，兩股也不分開。但Cu(II)的存在則能的存在則能引起引起DNA的兩股分離。的兩股分離。鋅：鋅：人體內(nèi)大約共有人體內(nèi)大約共有18種含鋅金屬酶和種含鋅金屬酶和14種鋅激活酶。種鋅激活酶。鋅酶涉及到生命過程各個方面。鋅酶涉及到生命過程各個方面。 例如碳酸酐酶是一種例如碳酸酐酶是一種分子量高達分子量高達30000的鋅酶，的鋅酶，它具有一系列的生物功能，它具有一系列的生物功能，包括光合成、鈣化、維持包括光合成、鈣化、維持血液血液pH值、離子輸送和值、離子輸送和CO2交換等。該酶是目前交換等。該酶是目前所知道的催化效率最高的所知道的催化效率最高的酶之一。酶之一

54、。 碳酸酐酶活性碳酸酐酶活性 部位示意圖部位示意圖9496Zn2119(H2O) 碳酸酐酶具有一系列的生物功能，包括光合成、鈣化、碳酸酐酶具有一系列的生物功能，包括光合成、鈣化、維持血液維持血液pH值、離子輸送和值、離子輸送和CO2交換等。例如，由該酶催交換等。例如，由該酶催化人體產(chǎn)生的化人體產(chǎn)生的CO2水合變?yōu)樗献優(yōu)镠CO3，HCO3離子隨血液離子隨血液循環(huán)到達肺泡，又由碳酸酐酶催化它轉(zhuǎn)化為循環(huán)到達肺泡，又由碳酸酐酶催化它轉(zhuǎn)化為CO2并排出體并排出體外。在外。在310 K時，由碳酸酐酶催化的時，由碳酸酐酶催化的CO2的水合速率可達的水合速率可達106 mol1s1(而通常情況下為而通常情況

55、下為7l04 mol1s1)，因而該，因而該酶被認為是目前所知道的催化效率最高的酶之一。其催化酶被認為是目前所知道的催化效率最高的酶之一。其催化機制有人認為是：機制有人認為是： 另有一些含鋅酶則有助于控制從另有一些含鋅酶則有助于控制從HCO3形成形成CO2的速的速率以及消化蛋白質(zhì)。率以及消化蛋白質(zhì)。CO2HOZn (碳酸酐酶)C OZnHO COZnOHH2O H OZnHHCO3HOZnHHCO3OO(碳酸酐酶) 體內(nèi)促進磷脂水解的磷酸酯酶的主要活性成分也體內(nèi)促進磷脂水解的磷酸酯酶的主要活性成分也是鋅。鋅也是合成是鋅。鋅也是合成DNA、RNA和蛋白質(zhì)所必需的，和蛋白質(zhì)所必需的，缺乏鋅的大白鼠

56、缺乏鋅的大白鼠DNA、RNA和蛋白質(zhì)的合成量降低。和蛋白質(zhì)的合成量降低。此外，此外，DNA合成時的基因活化過程也需要鋅。實驗還合成時的基因活化過程也需要鋅。實驗還證明，鋅在加速傷口愈合、視網(wǎng)膜定位、視覺反應(yīng)中證明，鋅在加速傷口愈合、視網(wǎng)膜定位、視覺反應(yīng)中起著重要作用。起著重要作用。 羧肽酶是體內(nèi)重要的肽水解酶，是一種典型的鋅羧肽酶是體內(nèi)重要的肽水解酶，是一種典型的鋅酶。它對體內(nèi)蛋白質(zhì)的水解具有重要作用。缺乏鋅時酶。它對體內(nèi)蛋白質(zhì)的水解具有重要作用。缺乏鋅時該酶活性降低，但補充鋅后活性又可恢復(fù)。體內(nèi)許多該酶活性降低，但補充鋅后活性又可恢復(fù)。體內(nèi)許多脫氫酶，如乳酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶等都是鋅酶。脫

57、氫酶，如乳酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶等都是鋅酶。銅銅: 體內(nèi)大約有體內(nèi)大約有12種含銅酶。這些含銅酶具有從鐵的利用到種含銅酶。這些含銅酶具有從鐵的利用到皮膚的著色等多種生物學(xué)效應(yīng)。皮膚的著色等多種生物學(xué)效應(yīng)。 紅血球中的銅紅血球中的銅60 %以上以血球銅蛋白的形式存在，血以上以血球銅蛋白的形式存在，血球銅蛋白也被稱為為超氧化物歧化酶球銅蛋白也被稱為為超氧化物歧化酶(SOD)。該酶分子中含。該酶分子中含有兩個銅離子和兩個鋅離子，銅離子是催化中心，鋅離子有兩個銅離子和兩個鋅離子，銅離子是催化中心，鋅離子只起次要的結(jié)構(gòu)作用。只起次要的結(jié)構(gòu)作用。SOD有防御氧陰離子自由基的毒性、有防御氧陰離子自由基的毒性

58、、抗輻射損傷、預(yù)防衰老以及防止腫瘤和炎癥等重要作用。抗輻射損傷、預(yù)防衰老以及防止腫瘤和炎癥等重要作用。 血漿中的銅，大多以血漿銅藍蛋白的形式存在，血漿血漿中的銅，大多以血漿銅藍蛋白的形式存在，血漿銅藍蛋白是分子量約為銅藍蛋白是分子量約為16萬的萬的2-球蛋白。它是一種與鐵代球蛋白。它是一種與鐵代謝過程有關(guān)的氧化酶。謝過程有關(guān)的氧化酶。 在軟體動物和甲殼類動物的血液中，存在含銅的呼吸在軟體動物和甲殼類動物的血液中，存在含銅的呼吸色素蛋白色素蛋白血藍蛋白。血藍蛋白和脊椎動物的血紅蛋白血藍蛋白。血藍蛋白和脊椎動物的血紅蛋白一樣與分子氧相結(jié)合，發(fā)揮氧載體的作用。一樣與分子氧相結(jié)合，發(fā)揮氧載體的作用。

59、銅缺乏時，新生兒會表現(xiàn)出運動失調(diào)癥狀，毛發(fā)色素銅缺乏時，新生兒會表現(xiàn)出運動失調(diào)癥狀，毛發(fā)色素也會缺乏，羊毛的角化和骨的形成也會受到影響。也會缺乏，羊毛的角化和骨的形成也會受到影響。鉬鉬: 鉬在動物生長中的必需性是在鉬在動物生長中的必需性是在1953年被證明的。年被證明的。實驗發(fā)現(xiàn)黃素酶實驗發(fā)現(xiàn)黃素酶(黃嘌呤氧化酶黃嘌呤氧化酶)是含鉬的金屬酶，其活是含鉬的金屬酶，其活性受鉬支配。此外，生物體內(nèi)的醛氧化酶、硝酸鹽還性受鉬支配。此外，生物體內(nèi)的醛氧化酶、硝酸鹽還原酶、亞硫酸氧化酶、固氮酶等都是含鉬的金屬酶。原酶、亞硫酸氧化酶、固氮酶等都是含鉬的金屬酶。 固氮酶固氮酶是由鐵蛋白和是由鐵蛋白和鉬鐵蛋白構(gòu)

60、成的。在這些鉬鐵蛋白構(gòu)成的。在這些蛋白中蛋白中, Fe、S、Mo都是功都是功能元素。通過模型化合物能元素。通過模型化合物的研究發(fā)現(xiàn)：的研究發(fā)現(xiàn)：Fe、Mo蛋白蛋白的結(jié)構(gòu)是由組成為的結(jié)構(gòu)是由組成為MFe3S3的兩個開口的兩個開口“網(wǎng)斗網(wǎng)斗”口對口對口地被三個口地被三個S原子相橋聯(lián)。原子相橋聯(lián)。圖中上半部口朝下的那個圖中上半部口朝下的那個MFe3S3的的M為為Fe原子，而原子，而下 半 部 口 朝 上 的 那 個下 半 部 口 朝 上 的 那 個MFe3S3的的M則為則為Mo原子。原子。結(jié)構(gòu)中存在一個結(jié)構(gòu)中存在一個由由6個配位不飽和個配位不飽和的的Fe原子組成的原子組成的三棱柱體，三棱柱體，Ree