生物无机化学导论

钙的生理功能
存在：占人体体重量约1.5-2.0%，99%存在于 骨骼之中。 功能：维持蛋白质结构。
镁的生理功能
存在：占人体体重量约0.05%，60%存在于骨 骼之中。 功能：激活人体内的几百种酶； 维持核酸结构的稳定性； 叶绿素的核心原子。
镁的生理功能——酶
糖基转移酶 （glycosyltransferase） 糖基转移酶在生物体 内催化活化的糖连接 到不同的受体分子， 如蛋白、核酸、寡糖、 脂和小分子上，糖基 化的产物具有很多生 物学功能。
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。
1.2.2 微量金属元素的生物功能
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
③ 补碘、补锌、补铁、补钙
为什么补？
高效补钙可能吗？
缺铁性贫血？ ④北京市6岁以下儿童铅超标69％（1999年 统计）
⑤生物环保：
用微生物、藻类、植物治理污水
凤眼莲吸收Cd2+、Pb 2+、Hg2+等重离
⑥大宝天天见：
SOD蜜，
SOD：一种含Zn蛋白，超氧化物歧化 酶，能有效去除氧自由基，抗衰老功能。
1. 研究内容：
－－在分子水平上研究生物体内与无机元素 (金属和非金属)有关的各种相互作用。
研究重点： －－研究金属与生物配体形成的具有生物活 性的配合物的组成、结构、状态和功能。
现实生活中随处可见与生物无机相关的问题： ① 矿泉水：
－－－－K+, Na+, Ca2+, Mg2+
生命必需元素 ②吃饭为什么要加盐？NaCl －－－－Na在植物中含量少。 而对人类是必需的。
生命体必需元素
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…..
宏量元素
O, C, H, N, P, S, Ca, Na, K, Cl, Mg
> 99.95%
不同的金属离子与蛋白结合
蛋白质及肽
常见生物活性配合物的功能： 固碳 叶绿素（Mg）
固氮
载氧
固氮酶（Mo）
血红蛋白（Fe）
肌红蛋白（Fe）
蓝铜蛋白（Cu）
生物解毒
金属硫蛋白（Cu、Zn）
细胞色素P450（Fe）
常见生物活性配合物的功能： 细胞调节 钙调蛋白 ATP配合物
各种酶系统
生物矿化 膜运送 内稳态调控 生物防御 钙结合蛋白 离子载体 胰岛素+GTF（Cr） 铁传递蛋白+铁蛋白 SOD（Zn） 谷胱甘肽过氧化物酶（Se）
生物无机化学导论
主讲人：黄月琴
化学与化工系
参考书目： 《生物无机化学原理》
S. J. Lippard and J.M. Berg 著，席振峰，姚光庆等译
北京大学出版社，2000 《生物无机化学导论》 计亮年，中山大学出版社，1992 《生命科学中的微量元素》 王夔主编，中国计量出版社，1991
什么是生物无机化学
1.1无机生物化学研究的范围和内容
1.2无机化学元素与生物功能的关系
H
Li Na K Rb Be Mg Ca Sr Sc Y Ti Zr V Nb Cr Mo Mn Tc Fe Ru Co Rh Ni Pd Cu Ag Zn Cd B Al Ga In C Si Ge Sn N P As Sb O S Se Sb F Cl Br I
酶
调节蛋白和调节肽
钙调蛋白(Ca) 人血浆促生长因子(Cu) 锌指蛋白(Zn)
运送及储存蛋白 电子载体
水解酶 羧肽酶(Zn) 氨肽酶(Mg, Zn) 磷酸脂酶 (Mg, Zn, Cu)
氧还酶
异构酶及合 成酶的辅酶
碳酸酐酶
氧化酶 (Fe, Cu, Mo) 羟化酶(Fe, Cu) 超氧化物歧化酶 (Cu, Zn, Mn)

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
常量金属元素的生物功能 钠：电荷载体、渗透压平衡 钾：电荷载体、渗透压平衡 钙：生物分子结构、电荷携带、信号转导 镁：生物分子结构、水解酶、异构酶
钠的生物功能
存在：细胞外液（血液、淋巴、消化液） 功能：维持渗透压、电荷平衡、维持肌肉和 神经的正常功能。 缺钠：疲乏、眩晕、肌肉痉挛、头痛等症状。 过量：导致钾的不足，引起高血压和心脏病等 来源：主要来源是食盐，其它食品中几乎都有钠 摄入量：食盐2.0—2.5g
血红蛋白（Hb）
分子量约为64 500 可以看成是4个肌红蛋 白的集合体 四个亚基，分两种类型 （和 ） 亚基含141个氨基酸 亚基含146个氨基酸 亚基之间不存在任何共 价键 每个亚基都各含一个铁 (II)血红素b辅基 6.4 × 5.5 × 5.0 nm
工作原理
3. 研究方法 逐步模拟： 用再现生命现象的模拟体系，用化学的理论、 方法和手段进行研究。
特别是配位化学的方法。
模拟思路：生物活性配合物
M+
② 活性中心 ① M
① 生物离子探针 用大小相近、配位类型相似的金属离子来模拟 生物体内金属离子的状态和功能。 探针离子 Co2+ Mn2+ 待测离子 Zn2+ Mg2+ Ln3+ (Pr3+, Nd3+) Ca2+
1.3.1 双氧运输 dioxygen transport
三类呼吸蛋白（respiratory proteins） 血红蛋白、肌红蛋白 hemoglobin、myoglobin 血蓝蛋白 hemocyanin
蚯蚓血红蛋白
hemeryghrin
血红蛋白 Hemoglobin（Hb）
功能： 运输O2、CO2 红细胞中： Hb占蛋白质总量的95%
顾名思义，生物无机化学是介于生物化学和 无机化学之间的边缘交叉学科。 新兴学科，研究内容十分广泛。
研究什么呢？ 生物科学： 一切有生命的东西 细菌 — 植物 — 动物 — 人 无机化学：(莫勒定义) 元素及其化合物
•1982 莫勒定义无机化学： －－除去碳氢化合物和其大部分衍生物外，无
机化学是对所有元素和它们的化合物的性质和
反应进行实验研究和理论解释的。
生物无机化学是在无机化学和生物化学的 发展和推动下产生的，他是介于无机化学和生 物化学之间的一门边缘科学。 生物无机化学虽然已成为近些年（约20年） 十分活跃的学科领域之一，但是还处于生长期。 因此，要给他下一个严格的定义，无疑也是困 难的。但是，简单地说，所谓生物无机化学， 就是利用无机化学特别是配位化学的理论和方 法，去研究和阐明参与生物体（尤其是人体） 中化学反应的痕量元素（痕量金属元素）所起 的作用及它们同生物功能之间的相互关系的一 门科学。
软硬酸碱理论是在Lewis酸碱电子对理论基础上提出 的。该理论是根据金属离子对多种配体的亲和性不同， 把金属离子分为两类。一类是“硬”的金属离子，称 为硬酸；另一类是软的金属离子，称为软酸。硬的金 属离子一般是半径小，电荷高。在与半径小，变形性 小的阴离子（硬碱）相互作用时，又较大的亲和力， 这是以库仑力为主的作用力。软的金属离子由于半径 达，本身又较大的变形性，在与半径大，变形性大的 阴离子（软碱）相互作用时，发生相互间的极化作用 （*软酸软碱作用），这是一种以共价键力为主的相 互作用力。
镁的生理功能——叶绿素Chlorophyll
叶绿素的颜色
a, b型叶绿素的吸收：400-500nm, 650-750nm
叶绿素的颜色
绿叶的衰wk.baidu.com，果实成熟时，叶绿素被氧化
核酸（RNA、DNA）
磷酸根主链
金属离子浓度效应
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
Tl+
光、电、磁活性
K+
惰性
可用谱学方法测试
② 特征配体：
用简单的金属配合物模拟复杂的生物原型
铁卟啉 血红素
人工离子载体 模拟酶
③ 用化学方法再现生物功能 光合作用 —— 光解水制氧
固氮
—— 合成氨
艰难而意义重大
第一章 绪论
1.生物无机化学研究的范围和内容 2.无机化学元素与生物功能的关系 3.金属蛋白质金属离子的功能 4.金属酶的功能 5.金属的信使功能 6.金属离子与核酸的相互作用 7.金属离子的运输与贮存 8.医药中的金属
钾的生理功能
存在：细胞内液，人体总量32-55mmol/kg 功能：维持渗透压、电荷平衡、维持心肌的正常功 能，肌肉和神经的正常功能。 缺钾：肌肉无力或瘫痪、心律失常、肾功能障碍等 过量：极度疲乏、四肢无力、心率缓慢等 来源：蔬菜和水果 需要人群：（1）大量食用咖啡、酒、甜食；（2） 严重腹泻；（3）过量节食；（4）神经紧张导致 钾的不足
生物小分子
光敏氧化物质 叶绿素(Mg)
无机硬组织
离子载体
骨及软骨 (Ca, P, Si)
生命必需的无机元素在生物体中的 主要生理功能

催化作用
结构作用
已知众多的酶中，大约1/3涉及各种 金属元素
结构性物质、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
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 含量/g· 人―1 115 6 1~2 <1 <1 <1 <1 <1 <1
两种角度
生物活性配合物 金属离子本身（或其水合离子）常常并没有某 种生物活性， 只有与具有特定结构的配体结合成配位化合物 后，才表现出特定的活性。 e.g. Fe2+– Fe2+ + O2 — Fe3+ O2 heme–Hb — 可逆载氧
配位原则：
生物配体与金属的结合，遵循Lewis软硬酸碱规则。
He
Ne Ar Kr Xe
绿色为生命必需元素
Cs
Fr
Ba
Ra
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
1.2.1 生命必需元素 (essential elements)

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
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。
维生素B12 辅酶(Co)
细胞色素 (Fe) 铁硫蛋白 (Fe) 蓝铜蛋白 (Cu)
金属储存 及运送蛋白 和结构蛋白
铁蛋白(Fe) 运铁蛋白(Fe) 金属硫蛋白(Cu, Zn, Hg, Cd..) 胶原蛋白(Ca)
载氧蛋白
血红蛋白 (Fe) 肌红蛋白 (Fe) 血蓝蛋白 (Cu) 血钒蛋白 (V)
金属离子与生物小分子作用
生命相关元素
有毒元素过量对生物体的影响
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
1.3 金属蛋白中金属离子的功能
1.3.1 双氧运输 dioxygen transport
1.3.2 电子转移 electron transfer 1.3.3 结构功能
1973，开始出版的系列丛书，H. Sigel主编
《Metal Ions in Biological Systems》
1983，定期召开国际生物无机化学会议（两年一届）
生物无机化学是蓬勃发展的研究领域
研究特点：工作比较零散，发展初期，不系统。 特别是早期的工作，主要是生物学家、营养学 家从医学、免疫、环保等方面研究各自遇到的问题， 没有系统地从化学的角度进行研究。 生物学家，强调生理、病理作用 化学家，分子水平，研究其状态与功能
现已认识到，无机元素不仅对维持生物大 分子的结构至关重要，而且广泛参与各种 生命过程。
包括： 物质传输，信息传递 生物催化，能量转换 随着微量分析技术的提高，无机元素的功能 更多地被发现，几乎渗透到生命过程的各个 阶段。
1960s~1970s，更多无机元素在生物体中被发现 1970，Vinginia国际生物无机化学讨论会 《Bioinorganic Chemistry》论文集 1971，《Bioinorganic Chemistry》创刊 1979，更名 J. Inorganic Biochemistry，本领域重要杂 志