第1章生物無(wú)機(jī)化學(xué)緒論

1、生物無(wú)機(jī)化學(xué)生物無(wú)機(jī)化學(xué) Bioinorganic Chemistry主講：李主講：李 珺珺陳陳 濤濤 主要內(nèi)容主要內(nèi)容n1 1 生物無(wú)機(jī)化學(xué)概述生物無(wú)機(jī)化學(xué)概述n2 2 與生物無(wú)機(jī)研究有關(guān)的配位化學(xué)原理與生物無(wú)機(jī)研究有關(guān)的配位化學(xué)原理n3 3 重要的生物配體及其金屬配合物重要的生物配體及其金屬配合物n4 4 氧載體氧載體n5 5 生物氧化還原反應(yīng)中的金屬蛋白和金屬酶生物氧化還原反應(yīng)中的金屬蛋白和金屬酶n6 6 固氮作用及其化學(xué)模擬固氮作用及其化學(xué)模擬n7 7 光合作用及其化學(xué)模擬光合作用及其化學(xué)模擬n8 8 催化水解反應(yīng)的金屬酶催化水解反應(yīng)的金屬酶n9 9 生物體內(nèi)金屬離子的選擇、攝取和調(diào)控

2、生物體內(nèi)金屬離子的選擇、攝取和調(diào)控一、概論一、概論生物學(xué)有機(jī)化學(xué)、 N、生命的基本物質(zhì)生命的基本物質(zhì): 蛋白質(zhì)、糖、蛋白質(zhì)、糖、 脂肪、核酸脂肪、核酸無(wú)機(jī)元素?zé)o機(jī)元素Na、K、Ca、Mg、ClNa：電荷載體，滲透壓平衡：電荷載體，滲透壓平衡K：電荷載體，滲透壓平衡：電荷載體，滲透壓平衡Mg：結(jié)構(gòu)，水解酶，異構(gòu)酶：結(jié)構(gòu)，水解酶，異構(gòu)酶Ca：結(jié)構(gòu)，觸發(fā)劑，電荷攜帶：結(jié)構(gòu)，觸發(fā)劑，電荷攜帶高等動(dòng)物必需高等動(dòng)物必需微量元素微量元素的發(fā)現(xiàn)歷史的發(fā)現(xiàn)歷史 元素元素年代年代元素元素年代年代鐵（鐵（Fe）17世紀(jì)世紀(jì)鉻（鉻（Cr）1959碘（碘（I）1850錫（錫（Sn）1970銅（銅（Cu）1928釩（釩（

3、V）1971錳（錳（Mn）1931氟（氟（F）1971鋅（鋅（Zn）1934硅（硅（Si）1972鈷（鈷（Co）1935鎳（鎳（Ni）1974鉬（鉬（Mo）1953砷（砷（As）1975硒（硒（Se）19572020世紀(jì)世紀(jì)7070年代成為獨(dú)立學(xué)科年代成為獨(dú)立學(xué)科生物學(xué)生物學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)生物無(wú)機(jī)化學(xué)生物無(wú)機(jī)化學(xué)Bioinorganic ChemistryJournal of Inorganic Biochemistry n研究對(duì)象研究對(duì)象：無(wú)機(jī)元素在體內(nèi)的存在形式、結(jié)構(gòu)、：無(wú)機(jī)元素在體內(nèi)的存在形式、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與生物活性之間的關(guān)系。性質(zhì)與生物活性之間的關(guān)系。n研究手段研究手段：配合物化學(xué)、超

4、分子化學(xué)：配合物化學(xué)、超分子化學(xué) 生物無(wú)機(jī)化學(xué)研究的范圍固有元素Steady State 金屬蛋白 微量元素固有元素non-Steady State 過(guò)量，缺乏 基因疾病外來(lái)金屬元素 毒性，污染 微量元素外來(lái)金屬元素 藥物 成像劑 放射性同位素金屬金屬元素元素研究方法生物無(wú)機(jī)化學(xué)生物無(wú)機(jī)化學(xué)物理和結(jié)構(gòu)化學(xué)物理和結(jié)構(gòu)化學(xué)作用機(jī)理作用機(jī)理溶液化學(xué)溶液化學(xué)溶液作用方式溶液作用方式合成化學(xué)合成化學(xué)模型化合物模型化合物二、生命體中的元素二、生命體中的元素Beneficial 10Essential 18Harmful 5生命必需元素 (essential elements)l維持生命所必需的元素維持生命

5、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l若從機(jī)體排出將引起生理和結(jié)構(gòu)的變態(tài)若從機(jī)體排出將引起生理和結(jié)構(gòu)的變態(tài),重新引入，上述重新引入，上述變態(tài)消除。變態(tài)消除。H C O N P S Cl I Na K Ca Mg Mn Fe Co Cu Zn Mo有益元素 beneficial elements The life can merely be maintained, but not healthy. 沒(méi)有這些沒(méi)有這些“有益有益元素元素”生命尚可維持，但并不能生命尚可維持，但并不能認(rèn)為是健康的。認(rèn)為是健康的。B F Si S

6、e V Sr Sn Cr Ni W有害元素 harmful elements At a certain level, these elements can result in poisoning.Pathological changes in physiology and morphology, can be observed.一定濃度之下，會(huì)引起中毒反應(yīng)，可覺(jué)察到生理上或形一定濃度之下，會(huì)引起中毒反應(yīng)，可覺(jué)察到生理上或形態(tài)上的病變，甚至導(dǎo)致細(xì)胞壞死態(tài)上的病變，甚至導(dǎo)致細(xì)胞壞死。Cd Hg Pb As Be體重70kg的人體中元素的平均含量元素元素含量含量/g/g人人11元素元素含量含量/g/

7、g人人11H6580Cl115C12590Fe6N1815Zn12O43550Mn1P680Mo1S100Co1Na70Cu1K250Ni1Mg42I1Ca1700O, C, H, N, P, +S, Ca, Na,K, Cl, MgFe, Zn, Cu, V, Cr.Bulk Elements： 11種，它們構(gòu)成人體總重量的種，它們構(gòu)成人體總重量的99.95%。其中主族元素是蛋白質(zhì)、糖、核。其中主族元素是蛋白質(zhì)、糖、核酸等生命物質(zhì)的基本材料。酸等生命物質(zhì)的基本材料。Trace Elements： 它們?cè)谏矬w內(nèi)的含量小于它們?cè)谏矬w內(nèi)的含量小于0.05%，但卻起著重要的作用。，但卻起著重要的

8、作用。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(zhǎng)因子人血漿促生長(zhǎng)

9、因子(Cu)(Cu)鋅指蛋白鋅指蛋白(Zn)(Zn)運(yùn)送及儲(chǔ)存蛋白運(yùn)送及儲(chǔ)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(chǔ)存金屬儲(chǔ)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, 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核酸作用金屬離子與核酸作用金屬離子會(huì)使金

10、屬離子會(huì)使DNA熔點(diǎn)升高。金屬離子和熔點(diǎn)升高。金屬離子和DNA 的磷酸結(jié)合，使帶負(fù)電的磷酸結(jié)合，使帶負(fù)電的磷酸基之間的排斥作用減弱，穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)。的磷酸基之間的排斥作用減弱，穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)。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(wú)機(jī)硬組織無(wú)機(jī)硬組織骨及軟骨骨及軟骨(Ca, P, Si)(Ca, P, Si)離子載體離子載體纈氨霉素纈氨霉素(K(K+ +) ) 離子霉素離子霉素 (Ca(Ca2+2+) ) 生命必需無(wú)機(jī)元素在生物體中的主要生理功能生命必需無(wú)機(jī)元素在生物體中的主要生理功能n催化作用催化作用 已知眾

11、多的酶中，大約已知眾多的酶中，大約1/31/3涉及金屬元素涉及金屬元素 n結(jié)構(gòu)作用結(jié)構(gòu)作用 穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)、維持蛋白質(zhì)特定構(gòu)象穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)、維持蛋白質(zhì)特定構(gòu)象 n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(guò)細(xì)胞膜和各種界作用；且離子流可通過(guò)細(xì)胞膜和各種界 面?zhèn)鬟f信息面?zhèn)鬟f信息n輸運(yùn)作用輸運(yùn)作用 某些含金屬元素的生物大分子是電子、某些含金屬元素的生物大分子是電子、 雙氧的載體雙氧的載體 Bertrand定則-最適宜濃度定律最適宜濃度定律n每一種元素，在生物體內(nèi)都有一個(gè)安全的最佳每一種元素，在生物體內(nèi)都有一個(gè)安全的最佳濃度范圍。濃度

12、范圍。n元素濃度超過(guò)一定界限后，不管是哪種元素都元素濃度超過(guò)一定界限后，不管是哪種元素都是潛在的有害元素。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 適合適合 中毒中毒 死亡死亡微量生命必需元素含量異常對(duì)哺乳動(dòng)物的影響微量生命必需元素含量異常對(duì)哺乳動(dòng)物的影響元素元素不足的影響不足的影響過(guò)量的影響過(guò)量的影響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(dòng)脈粥樣硬化，膽結(jié)石動(dòng)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，鐵塵Mg驚厥驚厥麻木麻木Cu貧血癥，頭發(fā)

13、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(zhǎng)減弱生長(zhǎng)減弱有毒元素過(guò)量對(duì)哺乳動(dòng)物的影響有毒元素過(guò)量對(duì)哺乳動(dòng)物的影響元素元素過(guò)量的影響過(guò)量的影響B(tài)e吸入引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高血壓高血壓有毒元素元素濃度元素濃度有益生物效應(yīng)有益生物效應(yīng)可耐受可耐受 中毒中毒 死亡死亡國(guó)際生物無(wú)機(jī)化學(xué)會(huì)議國(guó)際生物無(wú)機(jī)化學(xué)會(huì)議（ICBIC）簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 ICBIC 1970年年 美國(guó)美國(guó) 無(wú)機(jī)化學(xué)與模型研究方法無(wú)機(jī)化學(xué)與模

14、型研究方法ICBIC0 1976年年 英國(guó)英國(guó) 無(wú)機(jī)化學(xué)和生物交叉地帶發(fā)展無(wú)機(jī)化學(xué)和生物交叉地帶發(fā)展ICBIC1 1983年年 意大利意大利 ICBIC2 1985年年 葡萄牙葡萄牙ICBIC3 1987年年 荷蘭荷蘭ICBIC4 1989年年 美國(guó)美國(guó)ICBIC5 1991年年 英國(guó)英國(guó) 金屬識(shí)別、儲(chǔ)存、輸送和組裝金屬識(shí)別、儲(chǔ)存、輸送和組裝ICBIC6 1993年年 美國(guó)美國(guó) 固氮酶的分子結(jié)構(gòu)以及自然界固氮酶的分子結(jié)構(gòu)以及自然界 N2轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镹H3的功能及其機(jī)理的功能及其機(jī)理ICBIC7 1995年年 德國(guó)德國(guó) 金屬離子對(duì)基因調(diào)節(jié)影響金屬離子對(duì)基因調(diào)節(jié)影響International-Co

15、nference-on-Biological-Inorganic-ChemistryICBIC8 1997年年 日本日本 丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺ICBIC9 1999年年 美國(guó)美國(guó) ICBIC10 2001年年 意大利意大利 中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生物無(wú)機(jī)化學(xué)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生物無(wú)機(jī)化學(xué)ICBIC11 2003年年 澳大利亞澳大利亞 金屬離子在細(xì)胞的交通圖，金屬離子在細(xì)胞的交通圖， 以及許以及許 多交通干線(xiàn)的劃分多交通干線(xiàn)的劃分 和金屬離子的走向和金屬離子的走向ICBIC12 2005年年 美國(guó)美國(guó)ICBIC13 2007年年 奧地利奧地利ICBIC14 2009年年 日本日本

16、ICBIC15 2011 Vancouver, CanadaICBIC16 2013 Grenoble, FranceICBIC17 2015.07 Beijing, China國(guó)際應(yīng)用生物無(wú)機(jī)化學(xué)國(guó)際應(yīng)用生物無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)（學(xué)術(shù)討論會(huì)（ISABC）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介 ISABC1 1990年年 武漢武漢 金屬藥物和抗癌藥金屬藥物和抗癌藥ISABC2 1992年年 廣州廣州 生物礦化和生物材料生物礦化和生物材料ISABC3 1994年年 澳大利亞澳大利亞 利用生物電子轉(zhuǎn)移利用生物電子轉(zhuǎn)移 設(shè)計(jì)制作生物傳感器設(shè)計(jì)制作生物傳感器ISABC4 1997年年 南非南非 環(huán)境生物無(wú)機(jī)化學(xué)環(huán)境生物無(wú)機(jī)化學(xué)IS

17、ABC5 1999年年 希臘希臘 地中海貧血地中海貧血International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry ISABC6 2001年年 英國(guó)英國(guó)ISABC7 2003年年 墨西哥墨西哥ISABC8 2004年年 香港香港 小分子修飾使蛋白小分子修飾使蛋白 酶功能改變和關(guān)閉酶功能改變和關(guān)閉ISABC9 2006年年 阿根廷阿根廷 ISABC10 2009年年 匈牙利匈牙利ISABC11 2011年年 西班牙西班牙 巴塞羅那巴塞羅那ISABC12 2013年年 中國(guó)中國(guó) 廣州廣州ISABC13 2015年年 愛(ài)爾蘭愛(ài)爾蘭 Galway王

18、夔王夔計(jì)亮年計(jì)亮年倪嘉纘倪嘉纘 生物無(wú)機(jī)化學(xué)家，中科院院士血紅蛋白血紅蛋白(Hemoglobin)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)結(jié)合氧的部位結(jié)合氧的部位血紅素輔基血紅素輔基第第5個(gè)部位來(lái)個(gè)部位來(lái)自蛋白的第自蛋白的第93位位His血紅素中血紅素中Fe的配位的配位egtg2egtg2肌紅蛋白肌紅蛋白(Myoglobin)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)帶有咪唑基的游離帶有咪唑基的游離血紅素與血紅素與CO結(jié)合結(jié)合肌紅蛋白與肌紅蛋白與CO形成的復(fù)合物形成的復(fù)合物氧合肌紅蛋白氧合肌紅蛋白CO對(duì)對(duì)Fe的親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氧！的親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氧！葉綠素葉綠素在自然界中，在自然界中，維生素維生素B B1 21 2常常以 輔 酶 的 形以 輔 酶 的

19、形式 存 在 ， 是式 存 在 ， 是最 主 要 的 輔最 主 要 的 輔酶之一。酶之一。VBVB1212對(duì) 維 持 肌 體對(duì) 維 持 肌 體正 常 生 長(zhǎng) 以正 常 生 長(zhǎng) 以及 紅 細(xì) 胞 的及 紅 細(xì) 胞 的產(chǎn) 生 都 是 極產(chǎn) 生 都 是 極其重要的。其重要的。 鑒于生物無(wú)機(jī)化學(xué)正處于向前發(fā)展的鑒于生物無(wú)機(jī)化學(xué)正處于向前發(fā)展的階段，并迅速向各方面滲透，對(duì)其研究?jī)?nèi)階段，并迅速向各方面滲透，對(duì)其研究?jī)?nèi)容，目前只能作一大致概括容，目前只能作一大致概括 。主要有：。主要有：生物無(wú)機(jī)化學(xué)研究的內(nèi)容生物無(wú)機(jī)化學(xué)研究的內(nèi)容 (1). 金屬離子及其化合物與生物大分子的相互作用金屬離子及其化合物與生物大

20、分子的相互作用n與核酸、核苷酸的相互作用 金屬離子對(duì)DNA構(gòu)象的影響；金屬離子特別是金屬配合物對(duì)不同構(gòu)型DNA選擇性的結(jié)合。(2).金屬蛋白和金屬酶化學(xué)結(jié)構(gòu)與功能的研究金屬蛋白和金屬酶化學(xué)結(jié)構(gòu)與功能的研究（a）金屬離子的成鍵位置（b）活性中心周?chē)h(huán)境（c） 蛋白鏈在保證金屬離子正常工作的貢獻(xiàn)（d） 蛋白鏈與底物的結(jié)合方式(3). 電子傳遞反應(yīng)電子傳遞反應(yīng)n生命過(guò)程的核心是能量傳遞，而能量傳遞的中心過(guò)程是電子傳遞。生物體內(nèi)電子傳遞與化學(xué)反應(yīng)中的電子傳遞有著重要的區(qū)別；n研究生物介質(zhì)的中長(zhǎng)程電子傳遞是生物無(wú)機(jī)化學(xué)的一個(gè)重要方向。 (4). 生物礦化生物礦化n自然界中，無(wú)論是細(xì)菌、微生物，還是植物

21、、動(dòng)物，都可以在體內(nèi)形成礦物，稱(chēng)為生物礦物材料（骨、牙、軟骨、軟體動(dòng)物外骨骼、蛋殼等）。它們是礦物與基質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合材料，其高度的裝配有序性、特殊的理化性質(zhì)、可控的動(dòng)態(tài)性質(zhì)和特殊的生物功能都引起人們的關(guān)注。n研究生物礦化這一生物無(wú)機(jī)化學(xué)基本反應(yīng)，有望在醫(yī)學(xué)和新材料的應(yīng)用方面取得突破。(5).(5).金屬離子與細(xì)胞相互作用的研究金屬離子與細(xì)胞相互作用的研究n是金屬攝入、轉(zhuǎn)運(yùn)、分布以及它們的生物效應(yīng)的化學(xué)基礎(chǔ)；n是解釋生物效應(yīng)的分子機(jī)理的必需。n細(xì)胞復(fù)雜的反應(yīng)體系：組分、多物種、多反應(yīng)、反應(yīng)物定位。n事實(shí)上，生物化學(xué)所研究的所有生物分子都只存在于細(xì)胞內(nèi)。n硒硒：地方性疾病克山病克山病心臟損傷性疾病大骨節(jié)病大骨節(jié)病慢性對(duì)稱(chēng)性畸形骨關(guān)節(jié)病(6)(6). 探討常見(jiàn)的疾病的發(fā)病與某些金屬元素與非金屬元素之間的關(guān)系，研究調(diào)節(jié)和控制這些元素來(lái)防止病變的發(fā)生。一些在藥用上有較大價(jià)值的元素釩一些在藥用上有較大價(jià)值的元素釩： (7).(7).合成新藥合成新藥 合成抗癌藥物，抗艾滋病藥物，研