生物无机化学绪论
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第二十七页，共54页
国际应用生物无机化学
学术讨论会（ISABC）简介
International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry
ISABC―1 1990年 武汉 金属药物和抗癌药
ISABC―2 1992年 广州 生物矿化和生物材料
ISABC―3 1994年 澳大利亚 利用生物电子转移 设计制作生物传感器
研究生物矿化这一生物无机化学基本反应，有望在医 学和新材料的应用方面取得突破。
第四十二页，共54页
(5).金属离子与细胞相互作用的研究
是金属摄入、转运、分布以及它们的生物效应的 化学基础；
是解释生物效应的分子机理的必需。
细胞——复杂的反应体系：组分、多物种、多反 应、反应物定位。
基本材料。 Trace Elements： 它们在生物体内的含量小于0.05%，但却起着重要的作用。
第十五页，共54页
含蛋核低 金白酸分 属质与子 的生物、酶和金属量金属 分肽的配 子配合 合物 物
第十六页，共54页
不同的金属离子与蛋白结合
蛋白质及肽
酶
水解酶 羧肽酶(Zn) 氨肽酶(Mg, Zn) 磷酸脂酶 (Mg, Zn, Cu)
金属 元素
固有元素 non-Steady State • 过量，缺乏 • 基因疾病
外来金属元素 • 药物 • 成像剂 • 放射性同位素
第八页，共54页
研究方法
物理和结构化学
作用机理
生物无机化学
溶液化学
合成化学 溶液作用方式
模型化合物
➢ 依据无机化学的原理和方法，特别是配位化学的原理来研究
第九页，共54页
第三十七页，共54页
生物无机化学研究的内容
鉴于生物无机化学正处于向前发展的阶 段，并迅速向各方面渗透，对其研究内容， 目前只能作一大致概括 。主要有：
第三十八页，共54页
(1). 金属离子及其化合物与生物大分子的相互作用
与核酸、核苷酸的相互作 用
金属离子对DNA构象的 影响；金属离子特别是金 属配合物对不同构型DNA
第二十九页，共54页
生物无机化学家，中科院院士
王夔
计亮年
倪嘉缵
第三十页，共54页
血红蛋白(Hemoglobin)的结构
第三十一页，共54页
血红素中 Fe的配位
结合氧的部位
血红素辅基
第5个部位来 自蛋白的第93 位His
第三十二页，共54页
eg t2g
eg t2g
第三十三页，共54页
肌红蛋白(Myoglobin)的结构
二、生命体中的元素
Essential 18
Beneficial 10 Harmful 5
第十页，共54页
生命必需元素 (essential elements)
H C O N P S Cl I Na K Ca Mg
Mn Fe Co Cu Zn Mo
维持生命所必需的元素 存在于正常的组织中 在各种物种中保持一定的浓度范围
选择性的结合。
第三十九页，共54页
(2).金属蛋白和金属酶化学结构与功能的研究
（a）金属离子的成键位置
（b）活性中心周围微环境
（c） 蛋白链在保证金属离子正常工作的贡献 （d） 蛋白链与底物的结合方式
第四十页，共54页
(3). 电子传递反应
生命过程的核心是能量传递，而能量传递的中心过程是电子
传递。生物体内电子传递与化学反应中的电子传递有着重要的 区别；
元素 铁（Fe） 碘（I） 铜（Cu） 锰（Mn） 锌（Zn） 钴（Co） 钼（Mo） 硒（Se）
年代 17世纪 1850 1928 1931 1934 1935 1953 1957
元素 铬（Cr） 锡（Sn） 钒（V） 氟（F） 硅（Si） 镍（Ni） 砷（As）
年代 1959 1970 1971 1971 1972 1974 1975
铁蛋白(Fe) 运铁蛋白(Fe) 金属硫蛋白(Cu, Zn, Hg, Cd..) 胶原蛋白(Ca)
超氧化物歧化酶
(Cu, Zn, Mn)
载氧蛋白
血红蛋白 (Fe) 肌红蛋白 (Fe) 血蓝蛋白 (Cu) 血钒蛋白 (V)
第十七页，共54页
金属离子与核酸作用
核酸及类似物
核苷酸及环核苷酸
ATP-金属离子(物 质传递)
若从机体排出将引起生理和结构的变态,重新引入，上述变
态消除。
第十一页，共54页
有益元素 beneficial elements
B F Si Se V Sr Sn Cr Ni W
The life can merely be maintained, but not healthy. 没有这些“有益元素”生命尚可维持，但并不能认 为是健康的。
第十九页，共54页
生命必需无机元素在生物体中的主要生理功能
催化作用 已知众多的酶中，大约1/3涉及金属元素
结构作用 稳定大分子结构、维持蛋白质特定构象 调控作用 碱金属和碱土金属离子在生物体内调控
作用；且离子流可通过细胞膜和各种界 面传递信息 输运作用 某些含金属元素的生物大分子是电子、
双氧的载体
ICBIC―6 1993年 美国 固氮酶的分子结构以及自然界 N2转变为NH3的功能及其机理
ICBIC―7 1995年 德国 金属离子对基因调节影响
第二十六页，共54页
ICBIC―8 1997年 日本 丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺
ICBIC―9 1999年 美国 ICBIC―10 2001年 意大利 中枢神经系统的生物无机化学 ICBIC―11 2003年 澳大利亚 金属离子在细胞的交通图，
生物无机化学绪论
第一页，共54页
主要内容
1 生物无机化学概述 2 与生物无机研究有关的配位化学原理
3 重要的生物配体及其金属配合物
4 氧载体 5 生物氧化还原反应中的金属蛋白和金属酶 6 固氮作用及其化学模拟
7 光合作用及其化学模拟
8 催化水解反应的金属酶 9 生物体内金属离子的选择、摄取和调控
第二页，共54页
一、概论
生物学
Ｈ、Ｃ、Ｏ N、Ｐ、Ｓ
有机化学
生命的基本物质: 蛋白质、糖、 脂肪、核酸
第三页，共54页
无机元素
Na、K、Ca、Mg、Cl
Na：电荷载体，渗透压平衡 K：电荷载体，渗透压平衡 Mg：结构，水解酶，异构酶 Ca：结构，触发剂，电荷携带
第四页，共54页
高等动物必需微量元素的发现历史
一定浓度之下，会引起中毒反应，可觉察到生理上或形态上的 病变，甚至导致细胞坏死。
第十三页，共54页
体重70kg的人体中元素的平均含量
元素 H C N O P S Na K Mg Ca
含量/g·人―1 6580 12590 1815 43550 680 100 70 250 42 1700
元素 Cl Fe Zn Mn Mo Co Cu Ni I
第十二页，共54页
有害元素 harmful elements
Cd Hg Pb As Be
At a certain level, these elements can result in poisoning.
Pathological changes in physiology and morphology, can be observed.
ICBIC― 1970年 美国 无机化学与模型研究方法 ICBIC―0 1976年 英国 无机化学和生物交叉地带发展 ICBIC―1 1983年 意大利 ICBIC―2 1985年 葡萄牙 ICBIC―3 1987年 荷兰
ICBIC―4 1989年 美国 ICBIC―5 1991年 英国 金属识别、储存、输送和组装
碳酸酐酶
调节蛋白和调节肽
运送及储存蛋白
钙调蛋白(Ca)
人血浆促生长因子(Cu) 电子载体
锌指蛋白(Zn)
金属储存 及运送蛋白
细胞色素
和结构蛋白
氧还酶
异构酶及合 成酶的辅酶
氧化酶 (Fe, Cu, Mo) 羟化酶(Fe, Cu)
维生素B12 辅酶(Co)
(Fe) 铁硫蛋白 (Fe) 蓝铜蛋白 (Cu)
核酸
RNA-金属离子(传 递遗传信息)
金属离子会使DNA熔点升高。金属离子和DNA 的磷酸结合，使带负电的磷 酸基之间的排斥作用减弱，稳定双螺旋结构。
第十八页，共54页
金属离子与生物小分子作用
生物小分子
光敏氧化物质 叶绿素(Mg)
无机硬组织
骨及软骨 (Ca, P, Si)
离子载体
缬氨霉素(K+) 离子霉素 (Ca2+)
第三十四页，共54页
带有咪唑基的游离血红
素与CO结合
肌红蛋白与CO形
成的复合物
CO对Fe的亲和力远远高于氧！
氧合肌红蛋白
第三十五页，共54页
叶绿素
第三十六页，共54页
在自然界中， 维生素B12常以
辅酶的形式存 在，是最主要 的辅酶之一。 VB12 对 维 持 肌 体正常生长以 及红细胞的产 生都是极其重 要的。
元素 Be Hg Sb Pb Cd
过量的影响 吸入引起肺癌 脑炎，神经炎 心脏病 贫血症，脑损伤，肾癌 高血压
第二十四页，共54页
有毒元素
可耐受 中毒 死亡 有 益 生 物 效 应
元素浓度
第二十五页，共54页
国际生物无机化学会议（ICBIC）简介
International-Conference-on-Biological-Inorganic-Chemistry
含量/g·人―1 115 6 1~2 <1 <1 <1 <1 <1 <1
第十四页，共54页
Fe, Zn, Cu,
V, Cr…..
O, C, H, N, P, +
S, Ca, Na,
K, Cl, Mg
Bulk Elements： 11种，它们构成人体总重量的99.95%。其中主族元素是蛋白质、糖、核酸等生命物质的
第二十页，共54页
Bertrand定则--最适宜浓度定律
每一种元素，在生物体内都有一个安全的最佳 浓度范围。
元素浓度超过一定界限后，不管是哪种元素都 是潜在的有害元素。
第二十一页，共54页
体内元素浓度－生物效应关系图
缺乏 适合 中毒 死亡 有 益 生 物 效 应
元素浓度
第二十二页，共54页
微量生命必需元素含量异常对哺乳动物的影响
第五页，共54页
20世纪70年代成为独立学科
生物学Βιβλιοθήκη 无机化学生物无机化学
Bioinorganic Chemistry
Journal of Inorganic Biochemistry
第六页，共54页
研究对象：无机元素在体内的存在形式、结构、性质 与生物活性之间的关系。
研究手段：配合物化学、超分子化学
生物无机化学在分子水平上研究生物体内与无机元素有 关的各种相互作用，侧重从生物学的角度研究无机元素及化 合物对生物体的生理和病理作用。通过创造在不同程度再现 生命现象的模拟体系，加深对生命过程的认识。
第七页，共54页
生物无机化学研究的范围
固有元素 Steady State
• 金属蛋白
• 微量元素
外来金属元素 • 毒性，污染 • 微量元素
研究生物介质的中长程电子传递是生物无机化学的一个重 要方向。
第四十一页，共54页
(4). 生物矿化
自然界中，无论是细菌、微生物，还是植物、动 物，都可以在体内形成矿物，称为生物矿物材料 （骨、牙、软骨、软体动物外骨骼、蛋壳等）。 它们是矿物与基质构成的复合材料，其高度的装 配有序性、特殊的理化性质、可控的动态性质和 特殊的生物功能都引起人们的关注。
ISABC―4 1997年 南非 环境生物无机化学 ISABC―5 1999年 希腊 地中海贫血
第二十八页，共54页
ISABC―6 2001年 英国 ISABC―7 2003年 墨西哥 ISABC―8 2004年 香港 小分子修饰使蛋白
酶功能改变和关闭
ISABC―9 2006年 阿根廷 ISABC―10 2009年 匈牙利 ISABC―11 2011年 西班牙 巴塞罗那 ISABC―12 2013年 中国 广州 ISABC―13 2015年 爱尔兰 Galway
以及许 多交通干线的划分 和金属离子的走向
ICBIC―12 2005年 美国 ICBIC―13 2007年 奥地利 ICBIC―14 2009年 日本
ICBIC―15 2011 Vancouver, Canada ICBIC―16 2013 Grenoble, France
ICBIC―17 2015.07 Beijing, China
元素 Zn Ca Fe Mg Cu Co V
不足的影响 侏儒病，发育不全，皮炎 畸形骨骼，手足抽筋 贫血症 惊厥 贫血症，头发卷曲或褪色 贫血症 血性胆固醇降低
过量的影响 贫血症 动脉粥样硬化，胆结石 扩尿症，铁尘 麻木 黄疸，威尔逊氏病症 心力衰竭，红细胞增加 生长减弱
第二十三页，共54页
有毒元素过量对哺乳动物的影响
国际应用生物无机化学
学术讨论会（ISABC）简介
International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry
ISABC―1 1990年 武汉 金属药物和抗癌药
ISABC―2 1992年 广州 生物矿化和生物材料
ISABC―3 1994年 澳大利亚 利用生物电子转移 设计制作生物传感器
研究生物矿化这一生物无机化学基本反应，有望在医 学和新材料的应用方面取得突破。
第四十二页，共54页
(5).金属离子与细胞相互作用的研究
是金属摄入、转运、分布以及它们的生物效应的 化学基础；
是解释生物效应的分子机理的必需。
细胞——复杂的反应体系：组分、多物种、多反 应、反应物定位。
基本材料。 Trace Elements： 它们在生物体内的含量小于0.05%，但却起着重要的作用。
第十五页，共54页
含蛋核低 金白酸分 属质与子 的生物、酶和金属量金属 分肽的配 子配合 合物 物
第十六页，共54页
不同的金属离子与蛋白结合
蛋白质及肽
酶
水解酶 羧肽酶(Zn) 氨肽酶(Mg, Zn) 磷酸脂酶 (Mg, Zn, Cu)
金属 元素
固有元素 non-Steady State • 过量，缺乏 • 基因疾病
外来金属元素 • 药物 • 成像剂 • 放射性同位素
第八页，共54页
研究方法
物理和结构化学
作用机理
生物无机化学
溶液化学
合成化学 溶液作用方式
模型化合物
➢ 依据无机化学的原理和方法，特别是配位化学的原理来研究
第九页，共54页
第三十七页，共54页
生物无机化学研究的内容
鉴于生物无机化学正处于向前发展的阶 段，并迅速向各方面渗透，对其研究内容， 目前只能作一大致概括 。主要有：
第三十八页，共54页
(1). 金属离子及其化合物与生物大分子的相互作用
与核酸、核苷酸的相互作 用
金属离子对DNA构象的 影响；金属离子特别是金 属配合物对不同构型DNA
第二十九页，共54页
生物无机化学家，中科院院士
王夔
计亮年
倪嘉缵
第三十页，共54页
血红蛋白(Hemoglobin)的结构
第三十一页，共54页
血红素中 Fe的配位
结合氧的部位
血红素辅基
第5个部位来 自蛋白的第93 位His
第三十二页，共54页
eg t2g
eg t2g
第三十三页，共54页
肌红蛋白(Myoglobin)的结构
二、生命体中的元素
Essential 18
Beneficial 10 Harmful 5
第十页，共54页
生命必需元素 (essential elements)
H C O N P S Cl I Na K Ca Mg
Mn Fe Co Cu Zn Mo
维持生命所必需的元素 存在于正常的组织中 在各种物种中保持一定的浓度范围
选择性的结合。
第三十九页，共54页
(2).金属蛋白和金属酶化学结构与功能的研究
（a）金属离子的成键位置
（b）活性中心周围微环境
（c） 蛋白链在保证金属离子正常工作的贡献 （d） 蛋白链与底物的结合方式
第四十页，共54页
(3). 电子传递反应
生命过程的核心是能量传递，而能量传递的中心过程是电子
传递。生物体内电子传递与化学反应中的电子传递有着重要的 区别；
元素 铁（Fe） 碘（I） 铜（Cu） 锰（Mn） 锌（Zn） 钴（Co） 钼（Mo） 硒（Se）
年代 17世纪 1850 1928 1931 1934 1935 1953 1957
元素 铬（Cr） 锡（Sn） 钒（V） 氟（F） 硅（Si） 镍（Ni） 砷（As）
年代 1959 1970 1971 1971 1972 1974 1975
铁蛋白(Fe) 运铁蛋白(Fe) 金属硫蛋白(Cu, Zn, Hg, Cd..) 胶原蛋白(Ca)
超氧化物歧化酶
(Cu, Zn, Mn)
载氧蛋白
血红蛋白 (Fe) 肌红蛋白 (Fe) 血蓝蛋白 (Cu) 血钒蛋白 (V)
第十七页，共54页
金属离子与核酸作用
核酸及类似物
核苷酸及环核苷酸
ATP-金属离子(物 质传递)
若从机体排出将引起生理和结构的变态,重新引入，上述变
态消除。
第十一页，共54页
有益元素 beneficial elements
B F Si Se V Sr Sn Cr Ni W
The life can merely be maintained, but not healthy. 没有这些“有益元素”生命尚可维持，但并不能认 为是健康的。
第十九页，共54页
生命必需无机元素在生物体中的主要生理功能
催化作用 已知众多的酶中，大约1/3涉及金属元素
结构作用 稳定大分子结构、维持蛋白质特定构象 调控作用 碱金属和碱土金属离子在生物体内调控
作用；且离子流可通过细胞膜和各种界 面传递信息 输运作用 某些含金属元素的生物大分子是电子、
双氧的载体
ICBIC―6 1993年 美国 固氮酶的分子结构以及自然界 N2转变为NH3的功能及其机理
ICBIC―7 1995年 德国 金属离子对基因调节影响
第二十六页，共54页
ICBIC―8 1997年 日本 丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺
ICBIC―9 1999年 美国 ICBIC―10 2001年 意大利 中枢神经系统的生物无机化学 ICBIC―11 2003年 澳大利亚 金属离子在细胞的交通图，
生物无机化学绪论
第一页，共54页
主要内容
1 生物无机化学概述 2 与生物无机研究有关的配位化学原理
3 重要的生物配体及其金属配合物
4 氧载体 5 生物氧化还原反应中的金属蛋白和金属酶 6 固氮作用及其化学模拟
7 光合作用及其化学模拟
8 催化水解反应的金属酶 9 生物体内金属离子的选择、摄取和调控
第二页，共54页
一、概论
生物学
Ｈ、Ｃ、Ｏ N、Ｐ、Ｓ
有机化学
生命的基本物质: 蛋白质、糖、 脂肪、核酸
第三页，共54页
无机元素
Na、K、Ca、Mg、Cl
Na：电荷载体，渗透压平衡 K：电荷载体，渗透压平衡 Mg：结构，水解酶，异构酶 Ca：结构，触发剂，电荷携带
第四页，共54页
高等动物必需微量元素的发现历史
一定浓度之下，会引起中毒反应，可觉察到生理上或形态上的 病变，甚至导致细胞坏死。
第十三页，共54页
体重70kg的人体中元素的平均含量
元素 H C N O P S Na K Mg Ca
含量/g·人―1 6580 12590 1815 43550 680 100 70 250 42 1700
元素 Cl Fe Zn Mn Mo Co Cu Ni I
第十二页，共54页
有害元素 harmful elements
Cd Hg Pb As Be
At a certain level, these elements can result in poisoning.
Pathological changes in physiology and morphology, can be observed.
ICBIC― 1970年 美国 无机化学与模型研究方法 ICBIC―0 1976年 英国 无机化学和生物交叉地带发展 ICBIC―1 1983年 意大利 ICBIC―2 1985年 葡萄牙 ICBIC―3 1987年 荷兰
ICBIC―4 1989年 美国 ICBIC―5 1991年 英国 金属识别、储存、输送和组装
碳酸酐酶
调节蛋白和调节肽
运送及储存蛋白
钙调蛋白(Ca)
人血浆促生长因子(Cu) 电子载体
锌指蛋白(Zn)
金属储存 及运送蛋白
细胞色素
和结构蛋白
氧还酶
异构酶及合 成酶的辅酶
氧化酶 (Fe, Cu, Mo) 羟化酶(Fe, Cu)
维生素B12 辅酶(Co)
(Fe) 铁硫蛋白 (Fe) 蓝铜蛋白 (Cu)
核酸
RNA-金属离子(传 递遗传信息)
金属离子会使DNA熔点升高。金属离子和DNA 的磷酸结合，使带负电的磷 酸基之间的排斥作用减弱，稳定双螺旋结构。
第十八页，共54页
金属离子与生物小分子作用
生物小分子
光敏氧化物质 叶绿素(Mg)
无机硬组织
骨及软骨 (Ca, P, Si)
离子载体
缬氨霉素(K+) 离子霉素 (Ca2+)
第三十四页，共54页
带有咪唑基的游离血红
素与CO结合
肌红蛋白与CO形
成的复合物
CO对Fe的亲和力远远高于氧！
氧合肌红蛋白
第三十五页，共54页
叶绿素
第三十六页，共54页
在自然界中， 维生素B12常以
辅酶的形式存 在，是最主要 的辅酶之一。 VB12 对 维 持 肌 体正常生长以 及红细胞的产 生都是极其重 要的。
元素 Be Hg Sb Pb Cd
过量的影响 吸入引起肺癌 脑炎，神经炎 心脏病 贫血症，脑损伤，肾癌 高血压
第二十四页，共54页
有毒元素
可耐受 中毒 死亡 有 益 生 物 效 应
元素浓度
第二十五页，共54页
国际生物无机化学会议（ICBIC）简介
International-Conference-on-Biological-Inorganic-Chemistry
含量/g·人―1 115 6 1~2 <1 <1 <1 <1 <1 <1
第十四页，共54页
Fe, Zn, Cu,
V, Cr…..
O, C, H, N, P, +
S, Ca, Na,
K, Cl, Mg
Bulk Elements： 11种，它们构成人体总重量的99.95%。其中主族元素是蛋白质、糖、核酸等生命物质的
第二十页，共54页
Bertrand定则--最适宜浓度定律
每一种元素，在生物体内都有一个安全的最佳 浓度范围。
元素浓度超过一定界限后，不管是哪种元素都 是潜在的有害元素。
第二十一页，共54页
体内元素浓度－生物效应关系图
缺乏 适合 中毒 死亡 有 益 生 物 效 应
元素浓度
第二十二页，共54页
微量生命必需元素含量异常对哺乳动物的影响
第五页，共54页
20世纪70年代成为独立学科
生物学Βιβλιοθήκη 无机化学生物无机化学
Bioinorganic Chemistry
Journal of Inorganic Biochemistry
第六页，共54页
研究对象：无机元素在体内的存在形式、结构、性质 与生物活性之间的关系。
研究手段：配合物化学、超分子化学
生物无机化学在分子水平上研究生物体内与无机元素有 关的各种相互作用，侧重从生物学的角度研究无机元素及化 合物对生物体的生理和病理作用。通过创造在不同程度再现 生命现象的模拟体系，加深对生命过程的认识。
第七页，共54页
生物无机化学研究的范围
固有元素 Steady State
• 金属蛋白
• 微量元素
外来金属元素 • 毒性，污染 • 微量元素
研究生物介质的中长程电子传递是生物无机化学的一个重 要方向。
第四十一页，共54页
(4). 生物矿化
自然界中，无论是细菌、微生物，还是植物、动 物，都可以在体内形成矿物，称为生物矿物材料 （骨、牙、软骨、软体动物外骨骼、蛋壳等）。 它们是矿物与基质构成的复合材料，其高度的装 配有序性、特殊的理化性质、可控的动态性质和 特殊的生物功能都引起人们的关注。
ISABC―4 1997年 南非 环境生物无机化学 ISABC―5 1999年 希腊 地中海贫血
第二十八页，共54页
ISABC―6 2001年 英国 ISABC―7 2003年 墨西哥 ISABC―8 2004年 香港 小分子修饰使蛋白
酶功能改变和关闭
ISABC―9 2006年 阿根廷 ISABC―10 2009年 匈牙利 ISABC―11 2011年 西班牙 巴塞罗那 ISABC―12 2013年 中国 广州 ISABC―13 2015年 爱尔兰 Galway
以及许 多交通干线的划分 和金属离子的走向
ICBIC―12 2005年 美国 ICBIC―13 2007年 奥地利 ICBIC―14 2009年 日本
ICBIC―15 2011 Vancouver, Canada ICBIC―16 2013 Grenoble, France
ICBIC―17 2015.07 Beijing, China
元素 Zn Ca Fe Mg Cu Co V
不足的影响 侏儒病，发育不全，皮炎 畸形骨骼，手足抽筋 贫血症 惊厥 贫血症，头发卷曲或褪色 贫血症 血性胆固醇降低
过量的影响 贫血症 动脉粥样硬化，胆结石 扩尿症，铁尘 麻木 黄疸，威尔逊氏病症 心力衰竭，红细胞增加 生长减弱
第二十三页，共54页
有毒元素过量对哺乳动物的影响