生物无机化学导论
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1-5生物无机化学
1-2 生物无机化学研究的内容
研究热点包括（1）生命中的金属离子的作用和代谢。金 属蛋白的结构，蛋白折叠和功能。（2）医药中的金属。 如铬和钒化合物营养和毒性的阐明，在糖尿病和肥胖症的 治疗和运用中获得了进展；对金化合物的抗病毒作用，贵 金属配合物的抗癌活性的深入研究。（3）生命体系中的 金属探针。（4）环境中的金属。通过金属物种可以控制 微生物的生物合成和代谢途径，得到效力高的酶去降解范 围较宽的污染物。（5）日益与生命科学融合和细胞层次 的无机化学研究。（6）新的方法学和研究方法，如生物 无机光谱学（bioinorganic spectroscopy）。
1-4 生物无机化学的一般研究方法
生物无机化学内容广泛，并且同一研究内容可从不同 角度进行探索，因此并无固定不变的研究方法。如在研究痕 量金属元素在生物器官内分布及含量时，会较多地沿用分析 化学的一般研究方法，当研究反应机理及其动力学时，则会 优先考虑物理化学和配位化学一般研究方法。
应当指出，无论研究内容或方法多么不同，都要通 过实践来进行探索的。同时，由于生物无机化学的研究课 题来源于生命现象，因而，也总是同生物体联系在一起。 研究的成果，总的来说，最终要经受生物体的检验。对于 来源于人类生命现象的课题，往往需要先通过动物实验， 作为通向接受人体检验的桥梁。研究时，可有两种途径：
又称无机生物化学或生物配位化学。是无机化学、生物化 学、医学等多种学科的交叉领域，20世纪60年代以来逐步 形成的。
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（痕量金属元素或少量非金属） 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。
锡和铅的原子序数的增大，因ns2电子对效应的影响，稳定
生物无机化学(自然科学门类)
具有类似于卟啉环的结构，含有镁原子，其中镁与环的四个氮原子结合。在植物光合作用中，叶绿素能起将 光能转变为化学能的作用。
为一类能与碱金属、碱土金属等元素结合，生成脂溶性配位化合物，从而增大金属离子透过生物膜可能性的 物质。离子载体有天然和合成的两种：天然离子载体如缬氨酶素等，能使正常情况下不易通过线粒体内膜的钾离 子得以顺利通过；合成的离子载体主要为冠醚，如二苯并18-冠-6为环状多醚，其中央空穴的大小，决定与金属 离子配位的选择性。二苯并18-冠-6的碱金属配位化合物的稳定性有以下次序：K+>Na+>Cs+>Li+。
研究热点
·金属蛋白和金属酶的结构和性质 ·金属离子及其配合物与生物大分子的作用 研究金属作为DNA探针，与DNA定位结合，DNA定位切割—金属核酸酶 DNA分子光开关 基因芯片 DNA生物传感器 DNA计算机 生物矿物 电子传递反应 生命过程的核心问题之一是能量转换（如呼吸和光合作用），而能量转换的中心过程是电子传递，因此在蛋 白质和核酸介质中长程电子传递（long-range electron transfer）是近几年来生物无机化学研究的热门课题 之一。 DNA究竟是一根分子导线还是绝缘体，是迩来激烈争论的焦点。
与此同时，在生物化学深入到涉及金属离子的生物过程时，必然地与当时正在迅速发展起来的配位化学结合。 原来研究溶液配位化学的主要学者均纷纷研究生物配体和金属离子的溶液化学。R.ams，nD.Perrin，mirskh， ams等等先后进人这个领域，使之成为生物无机化学的另外一个分支。
到后来人们认为，晶体结构与生物介质中的结构未必相同，应该研究溶液中的结构和构象。恰在此时，核磁 共振技术大发展，为研究生物大分子的溶液结构创造了条件。于是开拓了结构化学和溶液化学结合、探索含金属 生物大分子结构与功能关系的新领域。生物无机化学的另外一个分支是通过合成模型化合物或结构修饰研究结构机理关系，它是合成化学介人生物无机化学的结果。这三个分支构成了延续30多年的生物无机化学的主流。
高等无机化学生物无机化学课件
生物无机化学在农业中的应用
1 2 3
植物营养与施肥
生物无机化学研究植物对矿质元素的吸收、转运 和利用机制，为合理施肥提供科学依据，提高农 作物的产量和品质。
植物抗逆性与抗病性
通过研究植物体内金属离子和金属蛋白的调控机 制，提高植物的抗逆性和抗病性，发展抗逆抗病 作物新品种。
农产品安全与质量控制
利用生物无机化学的方法和技术，对产品中的 重金属和有害物质进行检测和控制，保障农产品 安全和质量。
生物无机化学中的配位键理论
配位键的定义
配位键是一种共价键，其中一方原子或基团提供电子，另一方原 子或基团接受电子。
配位键的形成条件
配位键的形成需要满足一定的几何构型和电子配对条件，通常涉及 一个中心原子和多个配位体之间的相互作用。
配位键在生物体系中的作用
配位键在生物体系中发挥着重要作用，如维持生物分子的结构和稳 定性、参与生物分子的反应和催化等。
03 酸碱反应和氧化还原反应
这两种反应是无机化学中最为常见的反应类型， 深入理解其反应机理对于理解无机化学十分重要 。
无机化学键理论
共价键理论
解释了共价键的形成和性 质，以及共价键在分子中 的表现。
金属键理论
解释了金属键的形成和性 质，以及金属晶体中的金 属键表现。
离子键理论
解释了离子键的形成和性 质，以及离子晶体中的离 子键表现。
高等无机化学生物无 机化学课件
汇报人：
202X-12-29
目录
• 绪论 • 无机化学基础知识 • 生物无机化学基本原理 • 生物无机化学的应用 • 高等无机化学生物无机化学前沿研
究
01
绪论
高等无机化学生物无机化学的定义与重要性
西北大学生物无机化学第1章绪论PPT课件
近年来
随着分子生物学、结构生物学和计算化学等学科的交叉融合，生物无机化学的 研究手段和方法不断创新，为解决生命科学领域中的重大问题提供了有力支持。
未来的生物无机化学
未来展望
随着科技的不断进步和生命科学领域的需求日益增长，生物无机化学将进一步拓 展研究领域，深入探索生物分子间的相互作用机制和调控规律。
学习方法
认真听讲
在课堂上认真听讲，紧跟老师 思路，理解基本概念和原理。
记笔记
及时记录课堂上的重点和难点 ，便于课后复习巩固。
多做练习
通过课后习题和实验操作，加 深对知识的理解和掌握。
参加学术讨论
积极参加学术讨论和交流，拓 宽视野，提高自己的科学素养
。
02
生物无机化学的发展历程
早期的生物无机化学
农产品质量与安全
生物无机化学在农产品质量与安 全领域的应用涉及重金属污染、 农药残留等方面的研究，为保障 食品安全提供科学依据。
在环境保护中的应用
1 2 3
环境污染治理
生物无机化学在环境污染治理领域的应用涉及重 金属污染、有机污染物的降解等方面，为环境修 复和治理提供技术支持。
生态毒理学
通过研究金属离子和有毒化学物质对生物体的毒 理作用，揭示其生态风险和健康危害，为环境质 量和健康评估提供依据。
西北大学生物无机化学第 1章绪论ppt课件
• 绪论 • 生物无机化学的发展历程 • 生物无机化学的研究内容 • 生物无机化学的应用 • 总结与展望
01
绪论
课程简介
生物无机化学
课程内容
是一门交叉学科，主要研究无机物质 与生物大分子的相互作用以及无机物 质在生物体内的代谢过程。
介绍生物无机化学的基本概念、研究 方法、重要元素在生物体内的存在形 式和功能等。
随着分子生物学、结构生物学和计算化学等学科的交叉融合，生物无机化学的 研究手段和方法不断创新，为解决生命科学领域中的重大问题提供了有力支持。
未来的生物无机化学
未来展望
随着科技的不断进步和生命科学领域的需求日益增长，生物无机化学将进一步拓 展研究领域，深入探索生物分子间的相互作用机制和调控规律。
学习方法
认真听讲
在课堂上认真听讲，紧跟老师 思路，理解基本概念和原理。
记笔记
及时记录课堂上的重点和难点 ，便于课后复习巩固。
多做练习
通过课后习题和实验操作，加 深对知识的理解和掌握。
参加学术讨论
积极参加学术讨论和交流，拓 宽视野，提高自己的科学素养
。
02
生物无机化学的发展历程
早期的生物无机化学
农产品质量与安全
生物无机化学在农产品质量与安 全领域的应用涉及重金属污染、 农药残留等方面的研究，为保障 食品安全提供科学依据。
在环境保护中的应用
1 2 3
环境污染治理
生物无机化学在环境污染治理领域的应用涉及重 金属污染、有机污染物的降解等方面，为环境修 复和治理提供技术支持。
生态毒理学
通过研究金属离子和有毒化学物质对生物体的毒 理作用，揭示其生态风险和健康危害，为环境质 量和健康评估提供依据。
西北大学生物无机化学第 1章绪论ppt课件
• 绪论 • 生物无机化学的发展历程 • 生物无机化学的研究内容 • 生物无机化学的应用 • 总结与展望
01
绪论
课程简介
生物无机化学
课程内容
是一门交叉学科，主要研究无机物质 与生物大分子的相互作用以及无机物 质在生物体内的代谢过程。
介绍生物无机化学的基本概念、研究 方法、重要元素在生物体内的存在形 式和功能等。
生物无机化学
2011年 加拿大
2013年 法国 2015年 中国
ICBIC LOGO
ICBIC LOGO
/
Session Topics for ICBIC 14
Bioenergetics Small Molecules Activation Traffic and Storage of Metal Ions Metalloproteins Biogenesis of Metalloproteins Molecular Design of Metalloproteins Metal-DNA/RNA Interaction Metal Ions in Drug Design, Neuroscience, and Disease Bioorganometallic Chemistry Bionanomaterials New Trends in Bioinorganic Chemistry
What is Bioinorganic Chemistry?
Bioinorganic chemistry constitutes the discipline at the interface of the more classical areas of inorganic chemistry and biology. Bioinorganic chemistry has two major components: the study of naturally occurring inorganic elements in biology and the introduction of metals into biological systems as probes and drugs.
1977年， G.N.Schrazer发起成立了国际生物无机化学
化学中的生物无机化学
化学中的生物无机化学生物无机化学是化学中的一个重要领域，它研究生命体系中包含的元素、化合物及其反应。
生物无机化学不仅仅涉及到人类的健康与生命，还包括了环保、农副业、矿产资源等广泛领域。
生物无机化学中主要研究两种元素：碳和氮。
它们是生命体系中最为重要的元素，其在生命过程中发挥着重要的角色。
碳元素是生命中最重要的元素，构成了所有的其他生物分子。
生命体系中的所有有机分子都含有碳元素。
碳元素的重要性体现在生命体系几乎所有的化学反应中。
这是因为碳元素与其他元素的化学键相对较弱，从而使得其很容易与其他元素结合形成复杂的生物体系。
氮元素在生命体系中同样起着很重要的作用。
氮元素在生命体系中的主要功能是构建氨基酸，这是构建蛋白质的基本单位。
氮可以通过固氮过程从大气中转化为生物体系中的有机分子或无机分子。
生命体系中的这一过程称为氮循环。
在生物无机化学中，铁、钼和钠这些元素也扮演着重要的角色。
比如，铁元素是血红蛋白的组成部分，血红蛋白是人体中运输氧气的一种血红蛋白。
同时，铁元素也是其他一些酶的组成部分，这些酶在人体的代谢过程中起着很重要的作用。
钼元素是一种微量元素，它可以作为有机反应的催化剂。
钠元素则在维持人体内细胞渗透压、平衡电位和细胞电导等方面发挥着重要作用。
化学在生命体系中发挥的作用还涉及到了对环境的保护。
比如，人类在生产工业中产生的大量废水中含有高浓度的重金属，这些重金属直接进入生态环境会对环境造成非常严重的破坏。
生物无机化学提供了有效的解决办法，就是利用微生物中的细胞壁、菌丝等生物材料，对含有重金属的废水进行吸附处理。
通过这种方法，可以有效去除废水中的重金属，并且还可以控制废水中的有机物质和氮磷等重点污染物的排放，保护生态环境。
同时，生物无机化学还可以在农副业中发挥重要作用。
比如，生物活性肥料中含有丰富的未经降解的有机物，这些有机物可以增加土壤活性质、提高土壤的孔隙度，从而改善土壤质量。
这种肥料中还含有大量铁、锌、钾等对作物生长发育尤为重要的微量元素。
生物无机化学第一章-绪论
血红蛋白(Hemoglobin)的结构
结合氧的部位
血红素中
Fe的配位
血红素辅基
第5个部位来 自蛋白的第 93位His
eg
eg t2 g
t2 g
肌红蛋白(Myoglobin)的结构
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
氧合肌红蛋白
CO对Fe的亲和力远远高于氧！
叶绿素
生物无机化学
主讲教师：周国强 河北大学化学学院 河北省化学生物学重点实验室
第一章
绪论
1-1 什么是生物无机化学
1-2 生物无机化学研究的内容 1-3 生物无机化合物的类型及研究方法 1-4 生命元素
1-1 什么是生物无机化学
生物无机化学是一门新兴的边缘科学，它的萌 芽约是于30年-40年前，但成为独立的学科体系却只 有二、三十年的历史。20世纪70年代成为独立学科
储量和产量，我国 占世界首位。 近年发现，稀土作 为微量肥料添加剂、 微量饲料料添加剂 能显著提高农作物、 家畜的产量。 是否有毒？ 人们长期食用是否 危险？
1-3
生物无机化合物的类型及研究方法
构成生物体的物质大致可分为结构物质 和功能物质两类，用来构成生物体的形态和 结构的物质为结构物质，如构成动物骨骼的 磷酸钙。具有一定生物功能的物质为功能物 质，如激素酶、血红素蛋白等。 生物无机化学所研究的化合物，几乎全 为生物体的功能物质，其中最主要的是金属 离子与生物配体构成的配合物。
1970 1971 1971 1972 1974 1975
生物学
有机化学
生命的基本物质:
Ｈ、Ｃ、Ｏ
生物无机化学导论
生物无机化学导论生物无机化学导论一名词解释1 生物无机化学：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，就是利用无机化学特别是配位化学的理论和方法，去研究和阐释参与生物体尤其是人体中化学反应的痕量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2 蛋白质二级结构:肽链中主链原子的局部空间构象，由氢键组成，包括α螺旋，β折叠，β转角，无规则卷曲3蛋白质四级结构：蛋白质由两条或以上独立三级结构的多肽链组成，结构指亚基的立体排布，相互作用及接触部位的布局4 蛋白质变性作用：蛋白质受到某些物理因素和化学因素的影响，使其分子内部原有的高级构象发生变化时，蛋白质的理化性质和生物学功能都随之改变或丧失，但并未导致其一级结构的变化称为变性作用5 生物膜离子通道：是各种无机离子跨膜被动运输的通路。
包括被动运输和主动运输6 离子通道型受体：实质就是表面受体蛋白。
是贯穿细胞膜或内质网膜的具有离子通道功能的亲水性蛋白质7 简单扩散：指离子依赖浓度梯度和电位梯度通过生物膜，它遵循运送速度与浓度梯度成正比的扩散率8 光合磷酸化作用：叶绿体内如果有ADP和无机磷供应，在光照下就可化合成A TP，这个由光照引起的生成ATP的过程称为光合磷化作用9 环境化学：是在化学学科的传统理论和方法的基础上发展起来，以化学物质在环境中出现和引起的环境问题为研究对象，研究有害物质在环境介质中的存在，化学特性，行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学10 环境污染物：进入环境后使环境的正常组成和性质发生直接或间接有害于人类的变化的物质称为环境污染物11 修复：是指采取人为或自然过程，使环境介质中的污染物去除或无害化，使受污染场址恢复原有功能的技术12 MerR蛋白：一种在转录上控制汞解毒基因表达的细胞内汞传感器二简答1 核苷酸的碱基上的酮基与烯醇式互变有什么发生条件？对DNA 有什么影响？答：核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式-烯醇式或氨基-亚氨基之间的结构互变。
生物无机化学ppt中南民族大学药学院
12
1-2 什么是生物无机化学
长期以来，人们把绝大多数碳的化合物称 为有机化合物，它们主要由C、H、O、 N、S、P等元素组成,而把其余的化合物 都归于无机化合物的范畴。 传统的无机化学是研究碳化合物以外的各 种元素及其化合物的组成、结构及性质的 一门科学，一般认为与生物学或生命科学 关系疏远。
13
第一章 生物无机化学概论
教师 程寒 中南民族大学药学院
1
课程内容
1-1 生命元素概述 1-2 什么是生物无机化学 1-3 生物无机化合物的类型 1-4 生物无机化学研究的内容 1-5 生物无机化学的一般研究方法 1-6 21世纪的生物无机化学问题
2
1-1 生命元素概述 1.生命元素:维持生命所需的元素， 也称必需元素。它们的缺乏会导致生 物组织严重的、不可逆的损伤。
20
主要包括以下几种类型：
1.氨基酸配合物：如L-谷氨酸胺—铜（Ⅱ）、 L-组氨酸-锌（Ⅱ）等。 2.卟啉配合物：最主要的是血红素。
3.维生素B12族：通常称为钴胺素或钴维素。 为一类含钴的多环配合物。
4.离子载体：许多物质（如Na+、K+离子） 通过细胞膜时，都和膜上某种专一性的载体 互相作用。元素 H CFra bibliotekN O P S
含量/g人-1 6580
12590 1815 43550 680 100
元素 Na K Mg Ca Cl Fe Zn
含量/g.人-1 70 250 42 1700 115 6 1-2
元素 Mn Mo Co Cu Ni I
含量/g.人-1 <1 <1 <1 <1 <1 <1
生物体对元素的选择规律
1.丰度规则 2.生物可用性规则 3.有效性规则 4.最适营养浓度定律
生物无机化学(一)
生物无机化学（一）引言概述：生物无机化学是一门研究生物体内无机化合物及其在生物体中的生物功能和生物过程中的作用的学科。
无机元素是构成生物体的重要组成部分，其在生物体内扮演着多种重要的角色，例如作为酶的辅助物质、参与代谢过程以及形成生物体内的重要结构等。
本文将着重探讨生物无机化学的五个主要方面，包括生命系统中的必需无机元素、微量金属离子的生物功能、生物无机化学反应、无机元素在生物体内的传递和转运以及生物体内的无机物质循环。
正文：1. 生命系统中的必需无机元素- 无机元素的定义和分类- 生命系统中的主要必需无机元素- 必需无机元素的来源和摄取途径- 必需无机元素在生物体内的作用和代谢方式- 缺乏必需无机元素对生物体的影响2. 微量金属离子的生物功能- 微量金属离子在生物体内的存在形式- 微量金属离子的生物催化作用- 微量金属离子参与的生物反应和生物过程- 微量金属离子的生理调节作用- 微量金属离子缺乏或过量对生物体的影响3. 生物无机化学反应- 生物体内的无机化学反应类型和机制- 生物体内的氧化还原反应- 生物体内的配位反应和络合反应- 生物体内的酸碱反应- 生物体内的沉淀和溶解反应4. 无机元素在生物体内的传递和转运- 无机元素的转运蛋白和膜通道- 无机元素的转运机制和调控- 无机元素的跨细胞传递- 无机元素的进入和排出途径- 无机元素在转运过程中的选择性和特异性5. 生物体内的无机物质循环- 生物体内的无机物质转化和利用- 生物体内的无机物质的储存和释放- 生物体内的无机物质的循环途径- 生物体内的无机物质循环的调控机制- 生物体内的无机物质循环与生物地球化学循环的联系总结：生物无机化学作为一门重要的学科，对于深入了解生物体的结构、功能及其与生物环境的相互关系具有重要意义。
通过对生物无机化学的研究，可以揭示生物体内无机元素在生物体中的生理和生物化学功能，并为生物体内的催化反应、代谢过程以及无机物质循环等方面提供指导和理论基础。
生物无机化学导论共106页
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
生物无机化学导论
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
1
生物无机化学导论
要点三
安全性与防护
在使用放射性同位素进行医学诊断和 治疗时，需要严格遵守安全操作规程 ，确保医护人员和患者的安全。同时 ，对于放射性废物的处理和储存也需 要采取严格的防护措施，以防止对环 境造成污染。
06
生物无机化学发展趋势与挑战
新型纳米材料在生物医学中应用前景
药物传递系统
纳米材料可以作为药物载体，实现药物的定向传递和缓释，提高 药物治疗效果。
生物无机化学导论
汇报人：XX
• 生物无机化学概述 • 生物体内无机元素及其功能 • 生物无机化合物种类与性质 • 生物体内无机物质代谢途径及调控机
制 • 生物无机化学在医学领域应用 • 生物无机化学发展趋势与挑战
01
生物无机化学概述
生物无机化学定义与发展
定义
生物无机化学是研究生物体内无 机物质的结构、性质、功能和相 互作用的科学。
发展历程
自20世纪60年代以来，随着现代 化学和生物学技术的飞速发展， 生物无机化学逐渐成为一个独立 的研究领域。
研究对象与领域
研究对象
生物体内的无机物质，如金属离子、 非金属元素及其化合物等。
研究领域
包括生物矿化、金属蛋白、金属酶、 生物无机药物、生物无机纳米材料等 。
与其他学科关系
与生物化学关系
生物化学研究生物体内有机物质的结构和功能，而生物无 机化学则关注无机物质在生命过程中的作用。两者相互补 充，共同揭示生命的奥秘。
与医学关系
生物无机化学在医学领域具有广泛应用，如研究金属离子 在疾病诊断和治疗中的作用，开发新型生物无机药物等。
与环境科学关系
生物无机化学关注生物体内无机物质的代谢和排放，与环 境科学密切相关。例如，研究重金属污染对生物体的影响 及其生物修复等。
生物无机化学绪论
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
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
生物无机化学绪论
27
看一个例子，人体内的过氧化氢酶是一 种以铁（Ⅲ）-原卟啉为辅基的金属酶，它 的结构十分复杂，分子量达22万左右。过 氧化氢酶分子中铁（Ⅲ）-原卟啉（即高铁 血红素，其结构类似于亚铁血红素）是酶 催化过氧化氢分解为水和氧的的活性中心。 人们用铁（Ⅲ）与三亚乙基四胺合成了三 亚乙基胺铁（Ⅲ）配合物。用来模拟过氧 化氢酶的模拟化合物，获得成功。用这一 简单的模拟化合物来进行诸如催化机理的 研究，就很方便。这一模拟化合物对双氧 水分解速度与过氧化氢酶催化速度相当。
7
此后，又由美国著名化学家施劳得尔 （G.M.Schrauzer ）发起，成立了生物 无机化学国际协会。在此期间，不少学术 性期刊也相继为生物无机化学开辟了专门 栏目，以供有关论文发表。在美、意、苏、 德、日等国，以无机生物化学或生物无机 化学命名的专著不断出版，稍后进入80年 代末90年代初，我国作者也由有关专著出 版（郭德威编，申泮文校 生物无机化学概 要等）这些著作的出版给人们展示了该学 科的发展前景。
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又如维生素B12，结构极其复杂，人们为 了了解B12的化合物本质及性质和B12作用机 理，合成许多结构简单的B12的模拟化合物。
29
1-5
生命元素
周期表中109种元素，其中稳定元素为90种 左右。这些元素，均可在地球表面找到。人们把维 持生命所需的元素称为生物体必须元素，简称生命 元素。 生命元素特征：（1）存在于正常组织中.(2) 在各组织中有一定的浓度.(3)如果机体缺乏这种 元素,将会引起生理或结构变化，重新引入这种元 素，又会复原。
3
随着无机化学和生物化学的发展，近代 物理信息涌现和时间技术的不断提高，人 们已能在分子水平上研究生物体的化学本 质和生物体在生命活动过程中的化学变化 规律。在研究中发现，某些痕量金属元素 及非金属元素在各种不同的生物过程中起 着极其重要的作用。为此，无机化学和生 物化学工作者及其它（为医学、营养学、 临床化学）工作者，各自展开大量的研究。 自50年代起，通过一些会议，促进了有关 工作者的接触和研究成果的交流。
看一个例子，人体内的过氧化氢酶是一 种以铁（Ⅲ）-原卟啉为辅基的金属酶，它 的结构十分复杂，分子量达22万左右。过 氧化氢酶分子中铁（Ⅲ）-原卟啉（即高铁 血红素，其结构类似于亚铁血红素）是酶 催化过氧化氢分解为水和氧的的活性中心。 人们用铁（Ⅲ）与三亚乙基四胺合成了三 亚乙基胺铁（Ⅲ）配合物。用来模拟过氧 化氢酶的模拟化合物，获得成功。用这一 简单的模拟化合物来进行诸如催化机理的 研究，就很方便。这一模拟化合物对双氧 水分解速度与过氧化氢酶催化速度相当。
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此后，又由美国著名化学家施劳得尔 （G.M.Schrauzer ）发起，成立了生物 无机化学国际协会。在此期间，不少学术 性期刊也相继为生物无机化学开辟了专门 栏目，以供有关论文发表。在美、意、苏、 德、日等国，以无机生物化学或生物无机 化学命名的专著不断出版，稍后进入80年 代末90年代初，我国作者也由有关专著出 版（郭德威编，申泮文校 生物无机化学概 要等）这些著作的出版给人们展示了该学 科的发展前景。
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又如维生素B12，结构极其复杂，人们为 了了解B12的化合物本质及性质和B12作用机 理，合成许多结构简单的B12的模拟化合物。
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生命元素
周期表中109种元素，其中稳定元素为90种 左右。这些元素，均可在地球表面找到。人们把维 持生命所需的元素称为生物体必须元素，简称生命 元素。 生命元素特征：（1）存在于正常组织中.(2) 在各组织中有一定的浓度.(3)如果机体缺乏这种 元素,将会引起生理或结构变化，重新引入这种元 素，又会复原。
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随着无机化学和生物化学的发展，近代 物理信息涌现和时间技术的不断提高，人 们已能在分子水平上研究生物体的化学本 质和生物体在生命活动过程中的化学变化 规律。在研究中发现，某些痕量金属元素 及非金属元素在各种不同的生物过程中起 着极其重要的作用。为此，无机化学和生 物化学工作者及其它（为医学、营养学、 临床化学）工作者，各自展开大量的研究。 自50年代起，通过一些会议，促进了有关 工作者的接触和研究成果的交流。
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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
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。
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
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。
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）
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)
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+
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
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
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Oຫໍສະໝຸດ 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
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
绿叶的衰老，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
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
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
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
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。
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
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。
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
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
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
佳浓度范围。