生物無機化學

生物無機化學第1頁/共105頁

在某些內陸的邊遠山區(qū)，過去常見一種發(fā)病率較高的地方病甲狀腺腫大，研究發(fā)現是由于缺乏化學元素碘（I）所致。

六十年代，在伊朗以谷物為主食的居民中發(fā)現了“侏儒癥”病例，進一步的研究證明是由于化學元素鋅（Zn）缺乏所致。第2頁/共105頁日本神通川地區(qū)曾經有一種以骨痛為特征的疾病，被當地人稱為“痛痛病”。調查發(fā)現是由于該地區(qū)水體中化學元素鎘（Cd）的濃度嚴重超標所致。日本部分地區(qū)曾經還有一種“水俁(yu)病”，主要表現為手足麻木、聽覺障礙、震顫及其情緒失常。研究發(fā)現是由于化學元素汞（Hg）中毒所造成的。第3頁/共105頁

20世紀50年代以來，痕量分析等新技術的出現，使人們認識到生命過程與無機化學也密切相關，打破了早期認為與生命化學都是有機化學的觀點。20世紀70年代初開始形成了由無機化學和生物化學交叉、滲透而產生的生物無機化學(bioinorganicchemistry)。標志之一是1970年成立了國際生物無機化學協(xié)會并召開了國際生物無機化學研討會。在1971年又出版了名為“BioinorganicChemistry”的學術刊物(1979年被更名為現在的“JournalofInorganicBiochemistry”雜志)。第4頁/共105頁1概述

1.1生物無機化學的主要研究內容：生物體內物質及相關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；生物體內金屬離子及其金屬酶、金屬蛋白的結構、功能以及模擬研究；無機元素在生物體內的循環(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。

第5頁/共105頁1.2生物無機化學的主要研究方法：用各種物理化學方法直接研究生物體系中金屬酶和金屬蛋白等含金屬物種的結構、功能及其作用機理；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構以及結構與功能之間的關系。包括活性中心的結構模擬、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，從而觀測修改對其結構、功能的影響等。第6頁/共105頁2必需元素與有毒元素

2.1必需元素(essentialelements)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,缺少會導致嚴重病態(tài)或者死亡。生物必需元素的種類和個數隨著研究的深入和發(fā)展而不斷變化，例如Ni、As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。必需元素需同時具備以下四個條件:

(i)

元素在不同的生物組織內均有一定的濃度；

(ii)

去除后會使生物有相同(似)的生理上的異常;

(iii)

恢復后可以消除或預防這些異常;

(iv)

元素有專門生物化學上的功能。第7頁/共105頁2.2生物必需元素的分類按元素在生物體中的含量可分為:宏量結構元素

(bulk)：構成氨基酸、蛋白質、核酸、多糖、脂質等化合物的C、H、O、N、P、S;宏量礦物素

(macrominerals):主要有Na、K、Ca、Mg等元素;微量金屬元素

(tracemetal):Fe、Zn、Cu等;超微量元素

(ultratrace)：Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Cd、Sn、Pb、Li

及I、F、Se、Si、As、B等。

生物無機化學研究中涉及的主要是微量和超微量金屬元素。第8頁/共105頁第9頁/共105頁2.3生物體選擇特定元素的基本規(guī)律：

豐度規(guī)則：又稱海生學說。根據生命起源于海洋的假說,在生物進化早期,當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,生物體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時生物體所處的環(huán)境有關。有效規(guī)則：當有幾種元素(或化合物)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身的必需元素。第10頁/共105頁基本適應規(guī)則:

這一規(guī)則認為被選擇的元素在熱力學上必須具備完成某種功能的能力。有效性和特異性規(guī)則:

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構中完成特定功能的能力。研究證實生物體系中金屬酶、金屬蛋白都具有特定的結構和功能,尤其是其活性中心的結構一般具有特定的扭曲畸變,而不同于簡單配合物中金屬離子周圍的結構,而且正是因為這種特殊的扭曲畸變結構保證了金屬酶和金屬蛋白的特異性。第11頁/共105頁2.4有毒元素(toxicelements)有毒元素又稱有害元素，是指那些存在于生物體內會影響正常的代謝、生命和生理過程的元素。目前已知的明顯有害的元素有Cd、Hg、Pb、Tl、As、Sb、Be、Ba、In、Te、Se、V、Cr、Nb

等，其中Cd、Hg、Pb、As

等為劇毒元素。

無論是必需元素還是有毒元素，在生物體內的量是決定是否對生物體有益的關鍵因素,太少可能引起某些疾病和不正常，導致缺乏癥。此外，有些金屬離子在生物體內存在的價態(tài)等決定其是否有毒性。如適量的Cr3+

和Ni2+

對生物體都是有益的，但是CrO42?

和Ni(CO)4

可致癌。第12頁/共105頁必需元素的量?效關系第13頁/共105頁3金屬酶

3.1金屬酶金屬酶就是結合有金屬離子的生物酶,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(metalloenzyme或metal-activatedenzyme)。目前已經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。這些金屬酶實際上是一種生物催化劑,在其作用下,生物體內許多復雜的或通常條件下難以發(fā)生的化學反應能夠在溫和的生理條件下得以順利進行。第14頁/共105頁3.2金屬酶的分類

天然金屬酶根據其催化的反應類型可分為：氧化還原酶(oxidoreductase)轉移酶(transferase)水解酶(hydrolase)異構化酶(isomerase)裂解酶(lyase)合成酶(synthetase,又稱連接酶ligase)

第15頁/共105頁3.3金屬酶的作用

金屬離子與蛋白鏈結合,從而使蛋白具有特定的高級結構(構象)和穩(wěn)定性,而且這種特定的結構和穩(wěn)定性與其催化活性之間有密切關系；通過金屬離子與底物分子間的相互作用,使底物分子定向,從而發(fā)生專一性強、選擇性高的催化反應；形成催化反應活性中心(activecenter〉,從而為酶提供催化反應的活性部位(activesite)。第16頁/共105頁3.4金屬藥物

金屬藥物是一類人為地引人生物體內的含金屬物種，目前該方面的研究主要集中在以下兩個方面：設計合成新的配位化合物,目的是從中篩選出有活性的化合物,為作進一步研究提供基礎；研究金屬藥物分子與體內生物分子的作用、機理以及藥物分子在體內的代謝等,目的是探討活性與結構之間的關系,從而為設計合成活性高、毒性低的新型金屬藥物奠定基礎。第17頁/共105頁金屬藥物的分類

金屬藥物根據其作用不同可分為治療類藥物和診斷類藥物兩大類。治療類藥物：如1965年Rosenberg等人報道抗癌藥物順鉑

cis-Pt(NH3)2Cl2(cisplatin)，到目前為止仍然是臨床上廣泛使用的一種抗癌藥物,說明順鉑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工作者研究的熱點問題之一，這不僅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,而且為闡明藥物結構?活性?毒副作用之間的關系提供基礎,從而為設計和篩選新的抗癌藥物提供依據。第18頁/共105頁DDP的作用機理

對DDP抗腫瘤活性的作用機理的研究，目前公認為：

(1).

DDP首先水解，以H2O分子取代DDP中的Cl－離子，形成cis-Pt(NH3)2(OH)2。

(2).

DDP的水解產物與DNA相互作用，使腫瘤細胞DNA的復制、轉錄受到抑制，迫使腫瘤細胞凋亡或死亡。第19頁/共105頁

1995年WHO對上百種治癌藥物進行排名，順鉑的綜合評價（療效，市場等）位居第2。另據統(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70%～80％。盡管

DDP作為抗腫瘤藥物至今仍然使用，但它同時也有較嚴重的毒性和副作用。

對

DDP

進行改良的研究一直在進行，幾個代表性的該類配合物簡述如下：

第20頁/共105頁卡鉑：1，1－環(huán)丁二酸二胺合鉑（II)

二十世紀八十年代，由美國施貴寶公司、英國腫瘤研究所以及JohnsonMayyhey

公司聯合開發(fā)的第二代鉑系抗腫瘤藥物。第21頁/共105頁Nedaplatin：順式乙醇酸二氨合鉑（II)

簡稱CDGP，代號254-S。已在日本上市，并進入III其臨床研究。第22頁/共105頁樂鉑：環(huán)丁烷乳酸鹽二甲胺合鉑（II)

由德國AstaMedicaAGFrankfurt

公司開發(fā)，目前在進行樂伯與5-Fu聯合治療食道系統(tǒng)腫瘤的臨床試驗。第23頁/共105頁草酸鉑

Oxaiplatin,

代號L-OHP，全稱為草酸-(反式-L-1,2-環(huán)己二胺合鉑(II)。該要首先在日本及法國進行研究，現已在法國上市。第24頁/共105頁

異丙鉑

(Ipmplatin)

化學名為:

順?異丙胺二氯?反式?二羥基合鉑。是八面體構型的鉑配合物,水溶性比順鉛高。異丙鉑抗瘤譜比較廣,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。

第25頁/共105頁

對鉑類化合物抗腫瘤活性的研究,

總結出如下的構效關系:①中性配合物比配離子具有更高的抗腫瘤活性。②烷基伯胺或環(huán)烷基伯胺取代順鉑中的氨,可明顯增加其治療指數。③雙齒配位體代替兩個單齒配位體,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位體化合物那樣容易轉變?yōu)榉词脚浜衔锒Щ?。④取代的配位體要有足夠快的水解速率,但也不能太快,以讓配合物有足夠的穩(wěn)定性達到作用部位。⑤平面正方形和八面體構型的鉑配合物抗腫瘤活性高于其它構型的鉑配合物。

第26頁/共105頁

在治療類金屬藥物中除了順鉑類抗癌藥物之外,還有可用于治療類風濕性關節(jié)炎的一價金[Au(I)]配合物,包括注射用的硫代蘋果酸?Au(I)配合物(a)和口服的三乙基膦和四?O?乙酰硫葡萄糖

(b)

兩種不同配體的Au(I)配合物第27頁/共105頁②診斷類藥物：

在實際臨床中,對疾病及時、準確的發(fā)現和診斷非常重要。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[Gd(III)]配合物作為核磁共振成像時使用的造影劑(a)、作為心臟造影劑的含有放射性同位素99Tc的化合物(b)等。第28頁/共105頁4IA及IIA金屬的生物無機化學

堿金屬離子中的Na+、K+

以及堿土金屬離子中的Mg2+、Ca2+

是生物體系中含量最多的幾種宏量礦物元素。它們在生物體內一方面作為電解質起到平衡電荷、維持滲透壓等作用,另一方面,起到穩(wěn)定蛋白質結構、激活酶等作用。此外,鎂和鈣還是骨髓、牙齒等生物礦物的主要成分,鎂還參與光合作用。表明堿金屬和堿土金屬離子在維持正常的生命和生理過程中起著非常重要的作用,也因此引起了廣大生物無機化學工作者們的興趣。第29頁/共105頁4.1離子泵和離子載體堿金屬和堿土金屬離子在細胞內外的濃度分布有很大的差別。例如Na+

和K+

離子,前者主要存在于細胞外,而后者則主要存在于細胞內,這種差別在平衡細胞內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鈉泵

(sodiumpump)的Na+/K+?ATP

酶,它是一種跨膜蛋白,其功能是將細胞外的K+

離子泵入細胞內,同時將細胞內的Na+

離子泵出到細胞外。有趣的是,泵入的K+離子與泵出的Na+

離子的比例并非1:1,而是2:3。該過程所需要的能量由ATP水解產生ADP和無機磷酸來提供。第30頁/共105頁第31頁/共105頁

Na+/K+?ATP酶中除了Na+

和K+

離子的參與外,還需要Mg2+

的激活,因此,也被稱為Na+/K+/Mg2+?ATP酶。與Na+/K+?ATP

酶相似的還有Ca2+?ATP酶,亦稱鈣泵(caiciumpump)。該酶是在Ca2+、Mg2+

和K+

離子的共同存在下ATP水解產生ADP和無機磷酸,利用ATP水解產生ADP和無機磷酸時釋放的能量將2個Ca2+

離子從細胞內運送到細胞外,從而使細胞內游離的Ca2+

離子濃度維持在<10?4mmol?L?1

以下。第32頁/共105頁離子運輸從低濃度運送到高濃度,也就是說是逆濃度梯度進行的的運輸稱為主動運輸

(activetransport)，這種運輸過程需要消耗能量,例如上面提到的Na+、K+和Ca2+

離子的運輸所需的能量來源于ATP的水解。

順著濃度梯度

(即從高濃度到低濃度)進行的運輸稱為被動運輸

(passivetransport)。被動運輸可以是由于濃度差而產生的簡單擴散,也可以是與其他的載體或運送體結合后進行的促進擴散。第33頁/共105頁因為金屬離子本身是親水的,而細胞膜內層則是疏水的,因此,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完成,常見的載體或運送體有可以在膜內活動的小分子離子載體

(ionophore)以及膜內存在固定的離子通道

(ionicchannel)載體?，F在已知的天然離子載體都是抗生素,根據其結構可以分為環(huán)狀和鏈狀離子載體。第34頁/共105頁離子載體是通過與金屬離子形成較為穩(wěn)定的配合物,從而攜帶金屬離子通過生物膜,實現運送金屬離子的功能。離子通道載體則不同與離子載體,它們不能與要通過的金屬離子形成穩(wěn)定的配合物,而是相對固定在生物膜上,形成可以讓金屬離子通過的孔道,引導金屬離子過膜。第35頁/共105頁4.2鈣與凝血過程人體內大部分Ca2+

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，其濃度有一定的正常值范圍。血鈣濃度過高會出現高鈣血癥：可與血液中的PO43-

結合可形成尿結石；可使全身性骨骼變粗，軟骨鈣化。血鈣濃度過低會出現低鈣血癥：骨骼中的鈣會游離出來而使骨軟化，神經、肌肉興奮性增高，易發(fā)生痙攣。第36頁/共105頁血液凝固是一個十分復雜的過程，一些無活性的酶原必須被Ca2+激活成為有活性的酶，才能起凝血作用。Ca2+

在血液凝固過程中起著十分重要的作用，如果加入適當的配體如

EDTA則可使血液不再凝固。第37頁/共105頁第38頁/共105頁當凝血活性較高時容易形成和血栓相關的疾病。研究表明，當加入能夠和Ca2+

競爭配位結合點的稀土離子RE3+

時，可降低凝血活性。從化學角度考慮，RE3+

具有抗凝血作用。因此一些含稀土金屬離子的配合物（如香豆素、維生素K

等）有潛在的治療血栓病的可能性。第39頁/共105頁4.2葉綠素和光合作用

葉綠素(chlorophyll)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啉環(huán)的鎂配合物。由于葉綠素對可見光有很強的吸收能力,因此在植物光合作用的過程中起重要作用。光合作用是以光為能源將水和二氧化碳轉換為糖和氧氣的反應,該反應一方面是將無機化合物轉換為有機的糖類

,另一方面是在固定空氣中的二氧化碳的同時釋放出氧氣。該類反應從熱力學上來講是一類很難發(fā)生的反應,它涉及二氧化碳的還原和水分子的氧化。第40頁/共105頁葉綠素分子中Mg2＋離子扮演著結構中心和活性中心的作用,能吸收可見光中的紅光(680nm)，為光合作用提供能量。

RR’葉綠素a：CH3C20H39葉綠素b：CHOC20H39C20H39:葉綠基Mg2＋－葉綠素分子第41頁/共105頁4.3鈣調蛋白

鈣結合蛋白

(calcium-bindingprotein)是指細胞內與鈣離子有很強結合能力(鍵合常數在106

左右)的一類蛋白。該類蛋白中的典型代表是人們所熟悉的鈣調蛋白(calmodulin，簡稱為CaM)。自1971年被發(fā)現以來,人們已經從動物和植物的多種組織中分離得到了多種CaM

,研究發(fā)現不同來源CaM的一級結構(氨基酸序列)具有很強的保守性。在生物體內,當結合了鈣離子的CaM與沒有活性的酶結合,可以激活酶,使酶顯示活性;相反,當鈣離子脫離CaM時,導致CaM與酶解離,從而使酶回到原來沒有活性的狀態(tài)。因此,CaM通過結合鈣離子前后其構象的變化來調節(jié)很多酶的活性。第42頁/共105頁

氧載體是生物體內一類可以與分子氧進行可逆地配位結合的生物大分子配合物,其功能是儲存或運送氧分子到生物體組織內需要氧的地方。生命體需要大量氧(O2)以維持生命必需的各種氧化作用。O2是非極性分子，298K和標準壓力下，在

1L

水中溶解6.59mLO2，得到濃度為310?4

mol?L?1

的溶液，自然溶解的氧遠遠不能滿足正常生理活動的需要。4.4天然氧載體第43頁/共105頁血液輸送O2是借助于氧載體進行的，生物體內的天然氧載體可使血液中的氧含量比水中增大約

30倍。

血紅蛋白（Hb）與肌紅蛋白（Mb）都是人體中的天然氧載體，其中Hb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。第44頁/共105頁天然氧載體種類Mr金屬離子主要功能存在動物血紅蛋白64,500Fe(II)輸送O2脊椎動物肌紅蛋白17,800Fe(II)儲存O2肌肉血蘭蛋白105~107Cu(I)輸送O2軟體動物血釩蛋白27,500V(III)結合O2海鞘類蚯蚓血紅蛋白108,000Fe(II)儲存O2海洋蠕蟲第45頁/共105頁Hb與MbHb存在于與血液（紅細胞）中，是輸送O2的工具；Mb存在于肌肉組織中，承擔O2

的儲存并運送

O2

穿過細胞膜。Hb和Mb與O2

的結合是松弛的、可逆的，特點是既能迅速結合，又能迅速離解。在Hb和Mb中，載O2

的活性中心均為Fe2+。第46頁/共105頁

卟啉是小分子生物配體，是卟吩環(huán)上1～8位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金屬卟啉。第47頁/共105頁

卟啉環(huán)是由11個共軛雙鍵組成的高度共軛體系，其結構穩(wěn)定并具有一定的剛性。4個吡咯N配位原子形成配位腔，由環(huán)中心到每個吡咯N原子的距離為204pm。生物體系中最重要的兩種金屬卟啉是鎂卟啉和鐵卟啉。鎂卟啉類衍生物是綠色植物中的葉綠素；鐵卟啉類衍生物被稱為血紅素，血紅素為Hb和Mb蛋白中所結合的輔基。第48頁/共105頁血紅素中Fe(II)的配位結構

在脫氧的血紅素中，Fe(II)為高自旋狀態(tài)，有四個成單電子。

rFe(II)=78pmB(Fe-N)=218pmB(N-N)=408pmFe(II)為五配位結構，如右圖示。Fe(II)處于卟啉環(huán)平面以上平均距離75pm處。第49頁/共105頁血紅素中Fe(II)的立體配位結構第50頁/共105頁

在氧合后的血紅素中，Fe(II)為低自旋狀態(tài)，沒有成單電子。此時：

rFe(II)=61pmB(Fe-N)=201pmB(N-N)=408pmFe(II)為六配位結構，如右圖示。Fe(II)處于卟啉環(huán)平面上。第51頁/共105頁O2

與CO的配位能力比較O2分子中的HOMO：(π*2p)2CO分子中的HOMO：(σ2p)2O2分子可以形成三角形的配位結構，CO分子則傾向于形成線型的配位結構。第52頁/共105頁一般情況下，CO的配位能力比O2分子要大25,000倍。在Hb和Mb中，Fe(II)的第六配位點附近存在組氨酸的殘基?咪唑基團，由于空間位阻的影響，使Fe(II)的第六配位點不易形成線型的配位結構。所以使CO的配位能力下降到比O2分子約大200倍。換言之，CO的配位優(yōu)勢降到了原來的1％以下，這一點對人類是特別重要的。第53頁/共105頁第54頁/共105頁人工合成氧載體從配位化學的角度出發(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模擬天然氧載體的可逆氧合作用，在理論及實際應用上都具有十分重要的意義。如對人造血液的研究歸根到底就是對人工合成氧載體的研究。至今已合成的氧載體模型化合物比較多，最具代表性的有下列幾類：第55頁/共105頁“柵欄”型鐵卟啉

1973年由

Collman等采用空間位阻效應技術合成，該模型化合物在苯溶劑中與室溫下能夠與O2可逆結合。第56頁/共105頁“帽型”鐵卟啉

1975年由Baldwin等合成。該模型化合物中卟啉環(huán)平面上方好像一頂帽子。第57頁/共105頁對面型雙（鐵）卟啉20世紀80年代合成的代表性氧載體模型。第58頁/共105頁脂質包埋型鐵卟啉由日本學者土田英俊等合成，將其用超聲波分散后，在生理鹽水中可形成具有可逆載氧能力的微球。第59頁/共105頁5副族元素的生物學效應

(1)參與生物體內的氧化還原過程具有可變氧化態(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的金屬酶和金屬蛋白的活性部位，參與生物體內的氧化還原過程。作為生命必需元素的過渡金屬離子在體內的濃度都很小，它們的許多確切作用還未被人們所知曉。不過從化學的角度來講，它們的生物功能可概括為三類:第60頁/共105頁

(2)作為Lewis酸過渡金屬離子，由于體積小和電荷高，因而都是較強的Lewis酸，易接受底物的電子發(fā)生配位作用而使底物活化。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，配位場強度等其他因素的影響也是重要的，因此＋2價離子的配合物的穩(wěn)定性也呈現出Irving-Williams序列。第61頁/共105頁(3)穩(wěn)定核酸構型近年來發(fā)現，核酸的合成涉及到許多金屬離子。除主族金屬Mg、Ca、Sr、Ba、Al外，還包括過渡金屬Cr、Mn、Fe、Ni和Zn。目前認為，這些金屬都與核酸構型的穩(wěn)定性有關。已證明Zn可在DNA的兩股間橋聯，在Zn(II)存在時，即使DNA熔化，兩股也不分開。但Cu(II)的存在則能引起DNA的兩股分離。第62頁/共105頁鋅：人體內大約共有18種含鋅金屬酶和14種鋅激活酶。鋅酶涉及到生命過程各個方面。例如碳酸酐酶是一種分子量高達30000的鋅酶，它具有一系列的生物功能，包括光合成、鈣化、維持血液pH值、離子輸送和CO2交換等。該酶是目前所知道的催化效率最高的酶之一。碳酸酐酶活性部位示意圖第63頁/共105頁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pH值、離子輸送和CO2交換等。例如，由該酶催化人體產生的CO2水合變?yōu)镠CO3－，HCO3－離子隨血液循環(huán)到達肺泡，又由碳酸酐酶催化它轉化為CO2并排出體外。在310K時，由碳酸酐酶催化的CO2的水合速率可達106mol－1·s－1(而通常情況下為7×l0－4mol－1·s－1)，因而該酶被認為是目前所知道的催化效率最高的酶之一。其催化機制有人認為是：另有一些含鋅酶則有助于控制從HCO3－形成CO2的速率以及消化蛋白質。第64頁/共105頁體內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DNA、RNA和蛋白質所必需的，缺乏鋅的大白鼠DNA、RNA和蛋白質的合成量降低。此外，DNA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、視網膜定位、視覺反應中起著重要作用。羧肽酶是體內重要的肽水解酶，是一種典型的鋅酶。它對體內蛋白質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。體內許多脫氫酶，如乳酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶等都是鋅酶。第65頁/共105頁銅:

體內大約有12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效應。紅血球中的銅60%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(SOD)。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，鋅離子只起次要的結構作用。SOD有防御氧陰離子自由基的毒性、抗輻射損傷、預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，血漿銅藍蛋白是分子量約為16萬的α2-球蛋白。它是一種與鐵代謝過程有關的氧化酶。在軟體動物和甲殼類動物的血液中，存在含銅的呼吸色素蛋白——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合，發(fā)揮氧載體的作用。銅缺乏時，新生兒會表現出運動失調癥狀，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。第66頁/共105頁鉬:鉬在動物生長中的必需性是在1953年被證明的。實驗發(fā)現黃素酶(黃嘌呤氧化酶)是含鉬的金屬酶，其活性受鉬支配。此外，生物體內的醛氧化酶、硝酸鹽還原酶、亞硫酸氧化酶、固氮酶等都是含鉬的金屬酶。第67頁/共105頁固氮酶是由鐵蛋白和鉬鐵蛋白構成的。在這些蛋白中,Fe、S、Mo都是功能元素。通過模型化合物的研究發(fā)現：Fe、Mo蛋白的結構是由組成為MFe3S3的兩個開口“網斗”口對口地被三個S原子相橋聯。圖中上半部口朝下的那個MFe3S3的M為Fe原子，而下半部口朝上的那個MFe3S3的M則為Mo原子。第68頁/共105頁結構中存在一個由6個配位不飽和的Fe原子組成的三棱柱體，Rees等認為N2分子是在三棱柱體空腔中與Fe原子形成六聯N2橋物種而活化并被還原的。圖中的Y在最先的報道中是個未知配位體,現在則認為也是S原子。第69頁/共105頁鈷:

鈷是一種人體必需微量元素。鈷的生物學效應主要是它在B12系列輔酶中的作用。維生素B12是重要的含鈷生物配位化合物，又稱為氰鈷氨酸，Co3＋處于咕啉環(huán)的中心位置。維生素B12在生物體內的功能實際上是通過輔酶B12參與碳的代謝作用，促進核酸和蛋白質合成、葉酸儲存、硫醇活化、骨磷酯形成，促進紅細胞發(fā)育與成熟。因此，維生素B12能有效地治療惡性貧血。動物和人體所需維生素B12，一部分從食物中攝取，一部分由腸道中的細菌合成。第70頁/共105頁

B12的結構見左圖所示。中心離子Co3＋處在一個咕啉環(huán)的中心位置。八面體形排布的六個配位原子中有四個為環(huán)上的氮原子，一個是側鏈上的氮原子，最后一個為活性基團R，在正常情況下，R為CN、OH或有機基團。

維生素B12的結構第71頁/共105頁釩、鉻、錳、鎳:已經證明這幾種元素是生命必須微量元素，但它們在人體內的濃度很小，其作用機理尚不十分明確。況且，一旦它們在體內的濃度超過一定界限，又將成為致畸和致癌物質。第72頁/共105頁6稀土生物無機化學

自從人們發(fā)現稀土有可以使農作物增產的作用之后,稀土就開始大量地應用于農業(yè),后來又將稀土作為飼料中的微量添加劑用于飼養(yǎng)業(yè)。這樣稀土元素就不可避免地進入包括人在內的生物圈。稀土元素進入人體后是有益還是有害,其生物效應如何成為人們普遍關心的問題,也是人們急需解決的問題。尤其是在我國,稀土資源豐富,使用量大,從而使得稀土不稀,其生物效應顯得尤為重要。國內從20世紀后期就開始在稀土生物無機化學方面開展了大量有意義的研究工作,并取得了很大進展。第73頁/共105頁稀土生物無機化學的研究范圍非常廣泛,包括稀土的攝入,稀土在生物體內的分布、運輸、代謝以及稀土與生物體內酶、蛋白質、核酸、細胞等不同層次物種的結合、相互作用等。雖然相關研究還有待于進一步深入和積累,但是通過廣大科學工作者們多年來的努力,現在人們對稀土的生物效應已經有了一定的了解。由于許多工作還有待于進一步深入和系統(tǒng)化,到目前為止，對稀土金屬離子的毒性,包括致癌、致畸等與人們生活密切相關的問題尚未完全解決。第74頁/共105頁6.1稀土對農作物的主要作用稀土為什么能使農作物增產，改善農作物品質？長期稀土農用基礎理論研究表明：稀土元素可以提高植物的葉綠素含量、增強光合作用、促進根系的發(fā)育、增加根系對養(yǎng)分的吸收；稀土還能促進種子萌發(fā)、增加種子萌發(fā)率、促進幼苗生長；稀土元素還具有使某些作物增強抗病、抗寒、抗旱的能力。第75頁/共105頁稀土（RareEarth，簡寫為RE）元素被人們稱為新材料的“寶庫”，是國內外科學家，尤其是材料專家最關注的一組元素。

近年來的研究表明，稀土元素在農業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、國防工業(yè)、涂料工業(yè)、電子工業(yè)、機械工業(yè)等眾多行業(yè)都有廣泛的應用，被發(fā)達國家政府部門列為發(fā)展高技術產業(yè)的關鍵元素。

有人預言，隨著稀土元素的開發(fā)，將會引發(fā)一場新的技術革命。第76頁/共105頁IUPAC對稀土元素的定義:稀土類元素是周期表IIIB族中原子序數從57至71的15個鑭系元素(Lanthanon，簡寫為Ln)，即:鑭(57)、鈰(58)、鐠(59)、釹(60)、钷(61)、釤(62)、銪(63)、釓(64)、鋱(65)、鏑(66)、鈥(67)、鉺(68)、銩(69)、鐿(70)、镥(71)，再加上與其電子結構和化學性質相近的鈧(21)和釔(39)，共計17個元素。除鈧與钷外，其余15個元素往往共生。第77頁/共105頁“稀土”的原始含義稀土的含義為“稀少的土”，是18世紀遺留給人們的誤會。1794年后人們相繼發(fā)現了若干種稀土元素，由于當時科學技術水平的限制，人們只能制得一些不純凈的、像“土”一樣的氧化物，故人們便給這組元素留下了這么一個別致有趣的名字。第78頁/共105頁“稀土”的現實情況稀土元素并不“稀少”，地殼中總含量的克拉克值達0.0236%。其中鈰組元素0.01592%，釔組元素為0.0077%

(見表1-l)；比常見元素銅(0.01%)，鋅(0.005%)，錫(0.004%)，鉛(0.0016%)，鎳(0.008%)，鈷(0.003%)等都多稀土元素更不是“土”，而是一組典型的金屬元素，其化學活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬。第79頁/共105頁稀土元素在地殼中的豐度*元素名稱ScYLaCePrNdPmSmEu地殼豐度(ppm)253135669.1400.457.062.1元素名稱GdTbDyHoErTmYbLu地殼豐度(ppm)6.11.24.51.31.30.53.10.8*XuGuangxianetal.，AdvancesinScienceofChina，1985，1，75~105.第80頁/共105頁研究表明，施用適當濃度稀土元素能促進植物對養(yǎng)分的吸收、轉化和利用，這已得到許多實驗結果的證實。用富鑭稀土對春小麥噴施或拌種，結果顯示春小麥生長發(fā)育得到促進，結實穗數和籽粒數也有所增加。花生噴施稀土，對根瘤固氮活性和葉片硝酸還原酶活性均有顯著的促進作用，提高了葉片氨態(tài)氮含量，降低了硝態(tài)氮含量，對改善品質，提高產量有利。第81頁/共105頁稀土在氮、磷均衡營養(yǎng)供應的條件下，對一些作物有增產刺激作用，增產機理在于稀土可促進、協(xié)調作物對礦質養(yǎng)分的吸收，刺激酶活性。稀土是生理活性物質，必須與大量營養(yǎng)元素進行合理的配用，才能發(fā)揮效益。稀土元素能增強作物的抗逆性和抗病性，增強作物對不良環(huán)境的抵抗能力，加強代謝過程中的氧化酶活性，有效地抑制病原體侵染，從而提高作物的抗病性。第82頁/共105頁稀土對農作物的作用不僅能提高作物的產量，還能改善品質，如使葡萄的果粒增大，糖酸比提高，改進風味。稀土拌種可使玉米的品質改善，產量提高。噴施稀土可使蘋果和柑橘果實的Vc含量，總糖含量，促進果實著色和早熟。并可抑制貯藏過程中呼吸強度，降低腐爛率。施用稀土復合肥還可減少蔬菜中硝酸鹽的積累。另外稀土元素對啤酒花、水稻的產量與品質均有影響。第83頁/共105頁目前，稀土農用推廣已成氣候，稀土碳銨復混肥、稀土多元復合肥、稀土飼料添加劑的生產銷路迅速拓寬。在國家計委、財政部和化工部的大力支持下，目前已改產稀土碳銨肥的廠家112家，將形成年產500萬噸稀土碳銨生產能力，年可耗用稀土1.2萬噸，稀土碳銨將成為農用稀土的第一大戶。其他稀土農用林用產品的年覆蓋面積，將達到1億畝，年消費稀土量為1000噸。第84頁/共105頁6.2稀土農用實現產業(yè)化情況20世紀80年代我國建立了以河南商丘、哈爾濱、甘肅稀土公司等為主的8個稀土農用產品生產基地，總生產能力達8000噸，土地覆蓋面積可達1.5～2億畝；至2001年先后在全國各地，用稀土碳銨復混技術改造小碳銨廠近170家，形成生產能力約500萬噸，可覆蓋土地面積1億畝。第85頁/共105頁目前，我國已在120種農作物、牧草、林苗上使用稀土，在近20種畜禽飼料中應用稀土（見表6?7），除西藏、臺灣以外，全國各地都推廣使用了稀土，累計使用總面積在4億畝/次以上，使用稀土肥料按硝酸稀土計約8000噸，增產糧棉瓜果等上百億公斤，企業(yè)經濟效益4000多萬元，農業(yè)經濟效益百余億元。第86頁/共105頁稀土在農林、畜禽業(yè)上的應用概況類別品種糧食作物小麥、大麥、玉米、蕎麥、水稻、再生稻、小麥、高梁、谷子經濟作物大豆、油菜、油茶、花生、茶葉、煙草、橡膠樹、胡麻、苧麻、劍麻、棉花、甘蔗、甜菜、棉花、向日葵、胡椒、啤酒花、蘆葦、黃麻、芝麻蔬菜大白菜、黃花菜、黃瓜、冬瓜、豆角、辣椒、豌豆、韭菜、菠菜、花椰菜、馬鈴薯、食用菌、番茄、甘蘭、豇豆瓜果西瓜、菠蘿、蘋果、荔枝、桂圓、梨、桃、板栗、醋栗、棗、葡萄、香蕉、獼猴桃、柑橘、山楂、草莓、李子第87頁/共105頁稀土在農林、畜禽業(yè)上的應用概況類別品種花卉石菖莆、水仙花、玫瑰、菊花、石竹、香雪蘭、百合、芍藥、射干藥材人參、當歸、枸杞、白芍、天麻、黃芪牧草紫苜蓿、沙打旺、草木犀、老芒麥、披堿草、羊茅、鴨茅、銀合歡、三葉草、柱花草、野豌豆、木巖、黑麥、雀麥、水草、冷蒿、燕麥松樹興安落葉松、長白落葉松、樟子松、紅松、油松、馬尾松楊樹加楊、北京楊、小黑楊、銀中楊柏樹側柏第88頁/共105頁稀土在農林、畜禽業(yè)上的應用概況類別品種其他樹種泡桐、檸條、桑樹、柞樹、火炬樹畜禽魚豬、羊、牛、馬、兔、雞、鴨、鴿、鯉魚、草魚、鏈魚、蚌（珍珠）蠶類家蠶、柞蠶稀土產品硝酸稀土、碳酸稀土、檸檬酸稀土、抗壞血酸稀土、稀土碳銨復混肥、稀土多元復合劑、氨基酸稀土、稀土菌肥、稀土磷肥、稀土保水劑等。第89頁/共105頁1990～2003年我國稀土在農業(yè)中的消費量（REO，噸）年份1990199119921993199419951996消費量5008009901030119020602100年份1997199819992000200120022003消費量2120212021502180210020002050第90頁/共105頁6.3稀土在醫(yī)療中的應用人們很早就發(fā)現稀土的藥理作用。最早在醫(yī)藥中應用的是鈰鹽，如草酸鈰可用于治療海洋性暈眩和妊娠嘔吐，已載于藥典；此外，簡單的無機鈰鹽可用作傷口消毒劑。自60年代以來陸續(xù)發(fā)現稀土化合物具有一系列特殊的藥效作用，是Ca2+的優(yōu)良拮抗劑，有鎮(zhèn)靜止痛作用，可廣泛用于治療燒傷、炎癥、皮膚病、血栓病等，從而引起了人們的廣泛注意。第91頁/共105頁6.3.1稀土在藥物上的應用抗凝血作用

稀土化合物作為抗凝劑的一個重要優(yōu)點是作用迅速，并且具有長期效應。稀土化合物在抗凝血方面已得到廣泛的研究和應用，但在臨床應用方面由于稀土離子的毒性和累積問題而受到一定限制。近年來，人們將稀土與高分子材料結合，制得具有抗凝血作用的新型材料，由這樣的高分子材料制成的導管及體外血液循環(huán)裝置可以防止血液凝固。第92頁/共105頁燒傷藥物稀土鈰鹽的抗炎作用是提高治療燒傷效果的主要因素。使用含鈰鹽藥物，能使創(chuàng)面炎癥減輕，加速愈合，稀土離子能抑制血液中細胞成分的增殖及液體從血管中的過度滲出，從而促進肉芽組織生長及上皮組織的代謝。硝酸鈰能迅速控制嚴重感染的創(chuàng)面使其轉為陰性，為進一步治療創(chuàng)造條件。第93頁/共105頁抗炎、殺菌作用

稀土化合物作為抗炎、殺菌藥物使用已有很多研究報道。使用稀土藥物對皮膚炎、過敏性皮膚炎、牙齦炎、鼻炎和靜脈炎等炎癥均有滿意的結果。目前稀土抗炎藥物大部分為局部外用藥，但也有一些學者在探索將其應用于治療膠原性疾?。L濕性關節(jié)炎、風濕熱等）和過敏性疾?。ㄊn麻疹、濕疹、漆中毒等），這對皮質激素類藥物禁忌的患者更具有重要意義。第94頁/共105頁抗動脈硬化作用近年來發(fā)現稀土化合物有抗動脈硬化作用，很受人們關注。冠狀動脈硬化是世界工業(yè)化國家發(fā)病死亡的首要原因，我國大城市近