生物無機(jī)化學(xué)

1、 生物無機(jī)化學(xué)生物無機(jī)化學(xué)主要內(nèi)容主要內(nèi)容 生命體中的元素生命體中的元素 載氧金屬蛋白載氧金屬蛋白 金屬酶和金屬輔酶金屬酶和金屬輔酶 生物無機(jī)化學(xué)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用生物無機(jī)化學(xué)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用RaFrRnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHfLaBaCsXeISbSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRbKrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaKArClSPSiAlMgNaNeFONCBBeLiHeH一、生命體中的元素一、生命體中的元素藍(lán)色為生命必需元素藍(lán)色為生命必需元素自然界存在自然界存在90多種元素，人體多種元素，人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了內(nèi)發(fā)現(xiàn)了60

2、多種，約多種，約2/3；酶的約酶的約1/3含有金屬元素含有金屬元素生命必需元素生命必需元素 (essential elements)(essential elements)l維持生命所必需的元素維持生命所必需的元素l存在于正常的組織中存在于正常的組織中l(wèi)在各種物種中保持一定的濃度范圍在各種物種中保持一定的濃度范圍體重體重70kg70kg的人體中元素的平均含量的人體中元素的平均含量元素元素含量含量/g/g人人1 1元素元素含量含量/g/g人人1 1H6580Cl115C12590Fe6N1815Zn12O43550Mn1P680Mo1S100Co1Na70Cu1K250Ni1Mg42I 99.9

3、5%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.不同的金屬離子與蛋白結(jié)合不同的金屬離子與蛋白結(jié)合蛋白質(zhì)及肽蛋白質(zhì)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

4、化酶超氧化物歧化酶(Cu, Zn, Mn)(Cu, Zn, Mn)異構(gòu)酶及合異構(gòu)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(diào)節(jié)蛋白和調(diào)節(jié)肽調(diào)節(jié)蛋白和調(diào)節(jié)肽鈣調(diào)蛋白鈣調(diào)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(yùn)送及儲存蛋白運(yùn)送及儲存蛋白電子載體電子載體細(xì)胞色素細(xì)胞色素(Fe)(Fe)鐵硫蛋白鐵硫蛋白(Fe)(Fe)藍(lán)銅蛋白藍(lán)銅蛋白(Cu)(Cu)金屬儲存金屬儲存及運(yùn)送蛋白及運(yùn)送蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白鐵蛋白鐵蛋白(Fe)(Fe)運(yùn)鐵蛋白運(yùn)鐵蛋白(Fe)(Fe)金屬硫蛋白金屬硫蛋白(Cu,(Cu,Zn,

5、Hg, Cd.)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(lán)蛋白血藍(lán)蛋白(Cu)血釩蛋白血釩蛋白(V)碳酸酐酶碳酸酐酶金屬離子與生物小分子作用金屬離子與生物小分子作用生物小分子生物小分子 光敏氧化物質(zhì)光敏氧化物質(zhì)葉綠素葉綠素(Mg)(Mg)無機(jī)硬組織無機(jī)硬組織骨及軟骨骨及軟骨(Ca, P, Si)(Ca, P, Si)離子載體離子載體生命必需的無機(jī)元素在生物體中的生命必需的無機(jī)元素在生物體中的 主要生理功能主要生理功能 催化作用催化作用 已知眾多的酶中，大約已知眾多的酶中，大約1/31/3涉及各種涉及各種 金屬元素

6、金屬元素 ( (酸堿，氧還反應(yīng)酸堿，氧還反應(yīng)) ) 結(jié)構(gòu)作用結(jié)構(gòu)作用 結(jié)構(gòu)性物質(zhì)結(jié)構(gòu)性物質(zhì)(Ca)(Ca)、穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)、 維持蛋白質(zhì)特定構(gòu)象維持蛋白質(zhì)特定構(gòu)象 調(diào)控作用調(diào)控作用 堿金屬和堿土金屬離子在生物體內(nèi)調(diào)控堿金屬和堿土金屬離子在生物體內(nèi)調(diào)控 作用；且離子流可通過細(xì)胞膜和各種界作用；且離子流可通過細(xì)胞膜和各種界 面?zhèn)鬟f信息面?zhèn)鬟f信息 輸運(yùn)作用輸運(yùn)作用 某些含金屬元素的生物大分子是某些含金屬元素的生物大分子是 電子、雙氧的載體電子、雙氧的載體 BertrandBertrand定則定則- -最適宜濃度定律最適宜濃度定律每一種元素，在生物體內(nèi)都有一個安全的最佳濃度范圍。每一種

7、元素，在生物體內(nèi)都有一個安全的最佳濃度范圍。元素濃度超過一定界限后，不管是哪種元素都是潛在的有害元素。元素濃度超過一定界限后，不管是哪種元素都是潛在的有害元素。體內(nèi)元素濃度生物效應(yīng)關(guān)系圖體內(nèi)元素濃度生物效應(yīng)關(guān)系圖元素濃度元素濃度有益生物效應(yīng)有益生物效應(yīng) 缺乏缺乏 最適合最適合 中毒中毒 死亡死亡微量生命必需元素含量異常微量生命必需元素含量異常對哺乳動物的影響對哺乳動物的影響元素元素不足不足的影響的影響過量過量的影響的影響Zn侏儒病，發(fā)育不全，皮炎侏儒病，發(fā)育不全，皮炎貧血癥貧血癥Ca畸形骨骼，手足抽筋畸形骨骼，手足抽筋動脈粥樣硬化，膽結(jié)石動脈粥樣硬化，膽結(jié)石Fe貧血癥貧血癥擴(kuò)尿癥，鐵塵擴(kuò)尿癥，

8、鐵塵Mg驚厥驚厥麻木麻木Cu貧血癥，頭發(fā)卷曲或褪色貧血癥，頭發(fā)卷曲或褪色黃疸，威爾遜氏病癥黃疸，威爾遜氏病癥Co貧血癥貧血癥心力衰竭，紅細(xì)胞增加心力衰竭，紅細(xì)胞增加V血性膽固醇降低血性膽固醇降低生長減弱生長減弱其它元素其它元素有益元素有益元素(beneficial elements) 缺乏仍可維持生命缺乏仍可維持生命中性元素中性元素(contaminating elements) 生理尚不能確定生理尚不能確定有毒元素有毒元素(polluting elements) 阻礙正常的生命過程阻礙正常的生命過程有毒元素過量對哺乳動物的影響有毒元素過量對哺乳動物的影響元素元素過量過量的影響的影響B(tài)e吸入引

9、起肺癌吸入引起肺癌Hg腦炎，神經(jīng)炎腦炎，神經(jīng)炎Sb心臟病心臟病Pb貧血癥，腦損傷，腎癌貧血癥，腦損傷，腎癌Cd高血壓高血壓二、載氧金屬蛋白二、載氧金屬蛋白血紅蛋白和肌紅蛋白：脊椎動物的氧載體血紅蛋白和肌紅蛋白：脊椎動物的氧載體蚯蚓血紅蛋白：某些海洋蠕蟲如星蟲的氧載體蚯蚓血紅蛋白：某些海洋蠕蟲如星蟲的氧載體血藍(lán)蛋白：軟體動物如蝸牛等的氧載體血藍(lán)蛋白：軟體動物如蝸牛等的氧載體血釩蛋白：某些海鞘類動物的氧載體血釩蛋白：某些海鞘類動物的氧載體脊椎動物載氧金屬蛋白脊椎動物載氧金屬蛋白 血紅蛋白血紅蛋白(hemoglobin)(hemoglobin) 普遍存在于脊椎動物的血液中，是血紅細(xì)胞的主要成份。普遍

10、存在于脊椎動物的血液中，是血紅細(xì)胞的主要成份。生物功能：從肺部攝取氧氣，隨血液運(yùn)輸?shù)饺?，滿足各有生物功能：從肺部攝取氧氣，隨血液運(yùn)輸?shù)饺恚瑵M足各有機(jī)組織所需的氧。機(jī)組織所需的氧。 肌紅蛋白肌紅蛋白(myoglobin)(myoglobin) 普遍存在于脊椎動物的肌肉中。生物功能：儲存和提供肌普遍存在于脊椎動物的肌肉中。生物功能：儲存和提供肌肉活動所需要的氧。肉活動所需要的氧。 均含有血紅素均含有血紅素(heme)(heme)血紅素血紅素是一類鐵卟啉配合物的總稱。是一類鐵卟啉配合物的總稱。天然血紅素可分為：天然血紅素可分為：血紅素血紅素a：細(xì)胞色素氧：細(xì)胞色素氧化酶化酶血紅素血紅素b：血紅蛋

11、白，：血紅蛋白，肌紅蛋白，細(xì)胞色素肌紅蛋白，細(xì)胞色素p450血紅素血紅素c：細(xì)胞色素：細(xì)胞色素c肌紅蛋白肌紅蛋白（Mb）n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(shù)目和排數(shù)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(cè)鏈的為組氨酸咪唑側(cè)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(gòu)螺旋構(gòu)成成1962 Nobel Prize for Chemistr

12、y血紅蛋白血紅蛋白（Hb）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 nm血紅蛋白的生物功能血紅蛋白的生物功能運(yùn)輸氧氣運(yùn)輸氧氣運(yùn)輸二氧化碳運(yùn)輸二氧化碳Hb + O2 HbO2HbNH2 + CO2 HbNHCOOH三、金屬酶和金輔酶屬三、金屬酶和金輔酶屬 金屬離子為

13、配位和活性中心金屬離子為配位和活性中心 FeFe、CuCu、ZnZn、MoMo、MnMn、NiNi等等 均含蛋白質(zhì)鏈均含蛋白質(zhì)鏈 催化效率高催化效率高 使反應(yīng)加速使反應(yīng)加速10106 6或更高或更高 專一性強(qiáng)專一性強(qiáng) 往往一種酶只能催化一種生化反應(yīng)，故酶往往一種酶只能催化一種生化反應(yīng)，故酶的種類繁多的種類繁多含鋅蛋白含鋅蛋白迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大約迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大約幾百種幾百種含鋅蛋白，承含鋅蛋白，承擔(dān)著擔(dān)著2020多種多種不同的生物功能。幾乎涉及生物體不同的生物功能。幾乎涉及生物體新陳代謝的新陳代謝的每一個方面每一個方面，包括碳水化合物，脂，包括碳水化合物，脂類，蛋白質(zhì)及核酸的合成和降解過

14、程。近年來類，蛋白質(zhì)及核酸的合成和降解過程。近年來發(fā)現(xiàn)各種發(fā)現(xiàn)各種鋅指蛋白鋅指蛋白在遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制上在遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制上承擔(dān)著重要的功能。承擔(dān)著重要的功能。部分重要的鋅酶部分重要的鋅酶 酶 生物功能 酶 生物功能碳酸酐酶碳酸酐酶CO2可逆水合可逆水合DNA聚合酶聚合酶DNA合成合成羧肽酶羧肽酶蛋白質(zhì)和肽蛋白質(zhì)和肽C末末端氨基酸的水解端氨基酸的水解RNA聚合酶聚合酶RNA合成合成嗜熱菌蛋白酶嗜熱菌蛋白酶肽鍵水解肽鍵水解堿性磷酸酯酶堿性磷酸酯酶磷酸單酯水解磷酸單酯水解氨肽酶氨肽酶水解肽鏈水解肽鏈N末端末端 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶二肽酶二肽酶水解二肽水解二肽谷氨酸脫氫酶谷氨酸脫氫酶鋅

15、起催化作用的酶鋅起催化作用的酶 碳酸酐酶碳酸酐酶(Carbonic Anhydrase, CA)(Carbonic Anhydrase, CA)n第一個第一個被確定的鋅酶，存在于大多數(shù)動被確定的鋅酶，存在于大多數(shù)動物，植物組織中，物，植物組織中，n最重要的生物功能是催化二氧化碳水合最重要的生物功能是催化二氧化碳水合反應(yīng)，它的存在使得反應(yīng)速率提高了反應(yīng)，它的存在使得反應(yīng)速率提高了9個個數(shù)量級。這對于從哺乳動物微血管循環(huán)數(shù)量級。這對于從哺乳動物微血管循環(huán)體系中快速把二氧化碳帶走是生命莜關(guān)體系中快速把二氧化碳帶走是生命莜關(guān)的。的。n不但起催化作用，而且在鈣化，維持酸不但起催化作用，而且在鈣化，維持酸

16、度，離子輸送等一系列生理過程中承擔(dān)度，離子輸送等一系列生理過程中承擔(dān)功能。功能。CO2 + H2O HCO3- + H+四、生物無機(jī)化學(xué)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用四、生物無機(jī)化學(xué)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用無機(jī)元素作為藥物無機(jī)元素作為藥物研究致病機(jī)理研究致病機(jī)理無機(jī)元素作為藥物無機(jī)元素作為藥物 抗憂郁藥物（抗憂郁藥物（LiLi） 19701970年，年，F(xiàn)DAFDA首次批準(zhǔn)鋰鹽可用于急性精神病的治療首次批準(zhǔn)鋰鹽可用于急性精神病的治療 金的藥物金的藥物 治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎；治療痢疾；具有抗癌和抗愛滋病治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎；治療痢疾；具有抗癌和抗愛滋病的活性的活性 砷的藥物砷的藥物 治療梅毒和混睡癥；雄黃治療梅毒和混睡癥；雄黃(

17、As(As4 4S S4 4) )治療白血病治療白血病 鉍的藥物鉍的藥物治療胃潰瘍治療胃潰瘍 鉑的藥物鉑的藥物抗癌抗癌抗癌鉑配合物抗癌鉑配合物 19691969年發(fā)現(xiàn)鉑配合物具有抗癌作用。年發(fā)現(xiàn)鉑配合物具有抗癌作用。 19711971進(jìn)入臨床一期實驗。進(jìn)入臨床一期實驗。 19781978年證實可以治療卵巢癌和睪丸癌。年證實可以治療卵巢癌和睪丸癌。 目前應(yīng)用最廣泛的抗癌藥物之一。普遍用于臨床的是順鉑和碳鉑。目前應(yīng)用最廣泛的抗癌藥物之一。普遍用于臨床的是順鉑和碳鉑。 過去過去2020多年中，使青年人的睪丸癌的死亡率從多年中，使青年人的睪丸癌的死亡率從100%100%下降到下降到10%10%。順鉑順鉑具有抗癌活性的二價鉑配合物結(jié)構(gòu)特點：具有抗癌活性的二價鉑配合物結(jié)構(gòu)特點： 順式構(gòu)型兩個氨或胺類配體在順位；順式構(gòu)型兩個氨或胺類配體在順位； 兩個中等取代活性的酸根陰離子配位。兩個中等取代活性的酸根陰離子配位。PtClClH3NH3NPtClNH3H3NClcisplatincis-diamminedicchloroplatinum(II)cis-DDP trans-diamminedicchloroplatinum(II)trans-DDP順鉑的抗癌機(jī)理順鉑的抗癌機(jī)理cis-GGcis-GADNA向固定向固定方向彎曲方向彎曲抑制抑制DNA復(fù)制復(fù)制