生物無機(jī)化學(xué)導(dǎo)論

1、 主講人：黃月琴 化學(xué)與化工系參考書目：生物無機(jī)化學(xué)原理S. J. Lippard and J.M. Berg 著，席振峰，姚光慶等譯北京大學(xué)出版社，2000生物無機(jī)化學(xué)導(dǎo)論計(jì)亮年，中山大學(xué)出版社，1992生命科學(xué)中的微量元素王夔主編，中國計(jì)量出版社，19911982 莫勒定義無機(jī)化學(xué)：除去碳?xì)浠衔锖推浯蟛糠盅苌锿?，無除去碳?xì)浠衔锖推浯蟛糠盅苌锿?，無機(jī)化學(xué)是對(duì)所有元素和它們的化合物的性質(zhì)和機(jī)化學(xué)是對(duì)所有元素和它們的化合物的性質(zhì)和反應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論解釋的。反應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論解釋的。 生物無機(jī)化學(xué)是在無機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)的生物無機(jī)化學(xué)是在無機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)的發(fā)展和推動(dòng)下產(chǎn)生的，他是介

2、于無機(jī)化學(xué)和生發(fā)展和推動(dòng)下產(chǎn)生的，他是介于無機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)之間的一門物化學(xué)之間的一門邊緣科學(xué)邊緣科學(xué)。 生物無機(jī)化學(xué)雖然已成為近些年（約生物無機(jī)化學(xué)雖然已成為近些年（約20年）年）十分活躍的學(xué)科領(lǐng)域之一，但是還處于生長期。十分活躍的學(xué)科領(lǐng)域之一，但是還處于生長期。因此，要給他下一個(gè)嚴(yán)格的定義，無疑也是困因此，要給他下一個(gè)嚴(yán)格的定義，無疑也是困難的。但是，簡單地說，所謂生物無機(jī)化學(xué)，難的。但是，簡單地說，所謂生物無機(jī)化學(xué)，就是利用無機(jī)化學(xué)特別是配位化學(xué)的理論和方就是利用無機(jī)化學(xué)特別是配位化學(xué)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(xué)反應(yīng)的痕

3、量元素（痕量金屬元素）所起中化學(xué)反應(yīng)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(guān)系的一的作用及它們同生物功能之間的相互關(guān)系的一門科學(xué)。門科學(xué)。1. 研究內(nèi)容：研究內(nèi)容：在分子水平上研究生物體內(nèi)與無機(jī)元素(金屬和非金屬)有關(guān)的各種相互作用。研究重點(diǎn)：研究重點(diǎn)：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(jié)構(gòu)、狀態(tài)和功能?，F(xiàn)實(shí)生活中隨處可見與生物無機(jī)相關(guān)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(duì)人類是必需的。 補(bǔ)碘、補(bǔ)鋅、補(bǔ)鐵、補(bǔ)鈣為什么補(bǔ)？高效補(bǔ)鈣可能嗎？缺鐵性貧血？北京市6歲以下兒童鉛超標(biāo)

4、69（1999年統(tǒng)計(jì)）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(zhì)傳輸，信息傳遞生物催化，能量轉(zhuǎn)換隨著微量分析技術(shù)的提高，無機(jī)元素的功能更多地被發(fā)現(xiàn)，幾乎滲透到生命過程的各個(gè)階段?，F(xiàn)已認(rèn)識(shí)到，無機(jī)元素不僅對(duì)維持生物大分子的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，而且廣泛參與各種生命過程。1960s1970s，更多無機(jī)元素在生物體中被發(fā)現(xiàn)1970，Vinginia國際生物無機(jī)化學(xué)討論會(huì)Bioinorganic Chemistry論文集1971，Bioinorganic Chem

5、istry創(chuàng)刊1979，更名 J. Inorganic Biochemistry，本領(lǐng)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(jī)化學(xué)會(huì)議（兩年一屆）生物無機(jī)化學(xué)是蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域研究特點(diǎn)：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(xué)家、營養(yǎng)學(xué)家從醫(yī)學(xué)、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(xué)的角度進(jìn)行研究。兩種角度生物學(xué)家，強(qiáng)調(diào)生理、病理作用化學(xué)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(jié)構(gòu)的配體結(jié)合成配位化合物后，才表現(xiàn)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(jié)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(lán)銅蛋白（Cu）生物解毒金屬硫蛋白（Cu、Zn）細(xì)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(xì)胞調(diào)節(jié)鈣調(diào)蛋白ATP配合物各種酶系統(tǒng)生物礦化鈣結(jié)合蛋白膜運(yùn)送離子載體內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)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(xiàn)生命現(xiàn)象的模擬體系，用化學(xué)的理論、方法和手段進(jìn)行研究。特別是配位化學(xué)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(nèi)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(xué)方法測試特征配體：特征配體：用簡單的金屬配合物模擬復(fù)雜的生物原型鐵卟啉 血紅素人工離子載體 模擬酶 用化學(xué)方法再現(xiàn)生物功能用化學(xué)方法再現(xiàn)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(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

9、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(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.)

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(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(gè)肌紅蛋個(gè)肌紅蛋 白的集合體白的集合體l四個(gè)亞基，分兩種類型四個(gè)亞基，分兩種類型 （ 和和 ）l 亞基含亞基含141個(gè)氨基酸個(gè)氨基酸 亞基含亞基含146個(gè)氨基酸個(gè)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(jià)鍵價(jià)鍵 l每個(gè)亞基都各含一個(gè)鐵每個(gè)亞基都各含一個(gè)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(gè)一個(gè)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(duì)細(xì)菌生長的影響細(xì)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(xiàn)象。進(jìn)一步研究表明，電流作用，使Pt Pt2+溶液生成cis-Pt(NH3)2Cl2抑制細(xì)胞分裂1969，Rosenberg 抗癌活性與DNA上的G結(jié)合，抑制DNA復(fù)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(chǎn)物的抗癌活性來自于其水解產(chǎn)物堿基堿基嘌呤嘌呤N7與相鄰的兩個(gè)鳥嘌呤結(jié)合占與相鄰的兩個(gè)鳥嘌呤結(jié)合占65；與相鄰的兩個(gè)鳥嘌呤及腺嘌呤結(jié)合占；與相鄰