第3章 与生命过程相关的配位化学金属酶和金属蛋白
配位化合物的发展
配位化学在医学药物中的应用及发展摘要：营养学和生物无机化学研究表明 微量金属元素在生命过程中起着极为重要的作用。
金属离子在体内的失调导致金属缺乏或中毒等疾病 影响人、动植物的正常生长发育。
金属元素在体内的吸收、运送、储存、分布、排泄及整个代谢过程都涉及配位反应 任何能与生物配体争夺金属配位位置的外源性物质都将产生生物效应 基于这些认识 现代配位化学理论在药学研究中得到了应用并成为药物设计原理的一个组成部分。
关键词：配体金属蛋白酶配合物药物引言1.配位化学与医学原理2.配位化学在医学药物中的应用2.1 金属配合物作为药物2.2 配体作为螯合药物2.3 配合物用作抗凝血剂和抑菌剂2.4 配合物在临床检验和生化实验中的应用3.配位化学在医学药物中的危害4.小结5.参考文献引言人类每天除了需要摄入大量的空气、水、糖类、蛋白质及脂肪等物质以外,还需要一定的“生命金属”它们是构成酶和蛋白的活性中心的重要组成部分。
当“生命金属”过量或缺少或污染金属元素在人体大量积累,均会引起生理功能的紊乱而致病甚至导致死亡。
因此配位化学在医药方面越来越越显示出其重要作用。
有些具有治疗作用的金属离子因其毒性大、刺激性强、吸收性差等缺点而不能直接在临床上应用。
但若把他们变成配合物就能降低独行和刺激性、利于吸收。
例如柠檬酸铁配合物可以治疗缺铁性贫血酒石酸锑钾不仅可以治疗糖尿病 而且和微生物B12等钴螯合物一样可用于治疗血吸虫并博来霉素自身并无明显的亲肿瘤性在与钴离子配合后其活性增强8-羟基喹啉和铜、铁各自都无抗菌活性他们见的配合物却呈明显的抗菌作用在抗风湿炎症方面抗风湿药物与同配合后疗效大增。
金属配合物在生物化学中具有广泛而重要的应用。
生物体中对各种生化反应起特殊作用的各种各样的酶，许多都含有复杂的金属配合物。
由于酶的催化作用，使得许多目前在实验室中尚无法实现的化学反应，在生物体内实现了。
生命体内的各种代谢作用、能量的转换以及O2的输送，也与金属配合物有密切关系。
第五章 与生命过程相关的配位化学
2 锌 人体内大约共有18种含锌 金属酶和14种锌激活酶。锌酶 涉及到生命过程各个方面。 例如碳酸酐酶是一种分子量高 达30 000的锌酶，它具有一系列的 生物功能，包括光合成、钙化、维 持血液pH值、离子输送和CO2交换 等。该酶是目前所知道的催化效率 最高的酶之一。
94 Zn2＋ 119 (H2O) 96
4钼 钼在动物生长中的必需性是在1953年被证明的。实 验发现黄素酶(黄嘌呤氧化酶)是含钼的金属酶，其活性 受钼支配。此外，生物体内的醛氧化酶、硝酸盐还原酶、 亚硫酸氧化酶、固氮酶等都是含钼的金属酶。
固氮酶是由铁蛋白和钼铁蛋白构成的。在这些蛋白中, Fe、 S、Mo都是功能元素。
5钴 钴是一种人体必需微量元素。钴的生物学效应主 要是它在B12 系列辅酶中的作用。维生素B12 是重要的 含钴生物配位化合物，又称为氰钴氨酸，Co3＋处于咕 啉环的中心位置。维生素B12在生物体内的功能实际上 是通过辅酶B12参与碳的代谢作用，促进核酸和蛋白质 合成、叶酸储存、硫醇活化、骨磷酯形成，促进红细 胞发育与成熟。因此，维生素B12能有效地治疗恶性贫 血。 动物和人体所需维生素B12，一部分从食物中摄取， 一部分由肠道中的细菌合成。
金属离子在活化各种酶时的功能大致可以归结为： (1) 固定酶蛋白的几何构型，以保证只有特定结构的 底物才可与之结合； (2) 通过与底物和酶蛋白形成混合配合物而使底物与 酶蛋白相互靠近，从而有助于酶蛋白发生作用； (3) 在反应中作为电子传递体，使底物被氧化或被还 原。
二 酶的作用机理学说 1 锁钥学说 酶与底物的关系如同锁和钥匙的关系一样。
血红蛋白的结构
血红蛋白的中心 是Fe2 ＋ ， 六个 配 位 原 子依八面体排布，其 中卟啉环中的四个氮 原子沿赤道方向配位 ， 而另一个分子的血红 蛋白质肽链中的一个 组氨酸氮原子和一个 配位水分子中的氧原 子则从轴向位置配位 。
生物无机化学-3
(1). 结构
有多种同功酶，
其中HCA II 含260aa,
HCA III 含259aa,
*分子量约3万，不含二硫键，由一条肽链组成椭球 形，结合一个Zn2+位于分子的中心。 *Zn2+为四配位结构，分别为His-94，His-96和His119，以及一个配位水分子。
*配位水分子与临近的Thr-199和Glu-106形成氢键网 络，稳定活性中心的结构。
生物无机化学
一、概述 二、生命元素与生物配体 三、金属蛋白
四、金属酶
四、金属酶（Metalloenzyme）
由金属离子参与催化反应的酶统称为金属酶。 金属酶是酶家族中重要的一员，目前已发现的酶中大 约有1/3是金属酶。
1. 酶的组成： enzyme 简单蛋白 holaenzyme 结合蛋白， 全酶
(3). 动力学性质 作为生物催化剂中的金属离子，它的动力学性 质无疑是十分重要的，因为这决定了酶的稳定性、 活性和功能。
Zn2+动力学性质优越
•金属离子从金属蛋白上一个比较强的结合部位被取 代交换的速率 M1 M–Pro ——— M2+ + M1Pro Na+, K+>Mg2+, Ca2+>Mn2+>Fe2+>Co2+>Ni2+, Cu2+, Zn2+ 相对稳定性
(4). 相对丰度 生命起源于海洋
生命对于各种元素的利用度与古代海水中元素 的相对丰度密切相关。
远古海洋中： Fe2+>Mn2+>Zn2+>Ni2+>Co2+ 当时还原气氛，高价离子难于存在
生命体系中的配位化学分解
• 金属离子可促使酶和底物形成具有互相匹配的空 间构象，以利于它们结合成中间产物。
• 金属离子的正电荷还可以屏蔽、中和底物的某些 部位的负电荷，或改变酶蛋白的电荷分布，以利 于酶和底物的结合，使酶促反应顺利进行。
2020/10/8
生命体系中配位化学
1.生命体系中的金属离子
2.金属酶和金属蛋白
3.金属药物
2020/10/8
1.生命体系中的金属离子
2020/10/8
2020/10/8
2020/10/8
金属酶 氧化还原酶(oxidoreductase) 转移酶(trasferase) 水解酶(hydrolase)
2020/10/8
金属蛋白(metalloprotein)
• 金属蛋白(metalloprotein): 指结合有金属离子的复合蛋白。目前发现的金属蛋白
质和金属酶主要集中于Fe、Cu、Zn、Mn、Mo、Co等元素。 从广义定义，金属酶也属于金属蛋白质的范畴。但是
从功能说，金属酶又不能等同于金属蛋白质，它是金属蛋 白质中的一部分。
的比较牢固，已成为酶分子的一个不可分 离的组成部分。
金属激活酶：金属激活酶与金属离子的
结合就不如金属酶牢固，经提纯的酶不含金 属，需要加入金属离子才有活性。
酶对金属亲合力的大小
2020/10/8
金属离子与酶的配合物
• 金属离子作为酶的辅助因子，在酶促反应中传递电子、原子或功能基 团，还有些维持酶蛋白活性必需的空间结构。
生命体系中的配位化学
——胡飞、孔祥贡、谭海青
生命体系中的配位化学
2013-11-28
金属、酶和底物的结合形式
• 结合的基本模式 ：金属——M 酶——E 底物——S
（1） 金属桥配合物（E-M-S）：以金属为桥结合有两种结合方式，一是金属离子先与酶的 活性部位结合，然后再与底物结合，酶与底物不直接结合；二是金属离子、底物、酶 两两结合形成环形复合物，首先与酶结合的可以是金属离子也可以是底物。 （2） 酶桥配合物（M-E-S）：是由蛋白酶将金属离子和底物桥连在一起。酶可以先与金属 离子结合也可以先与底物结合。如果先引入底物，会使金属与酶的作用位置发生变化。 最近有人提出，这种变化会进一步增强酶的活性。 （3） 配位体桥配合物(E—S—M)：是由底物将金属离子和酶桥连在一起，底物直接与酶 的活性部位结合，而金属离子只与底物结合，没有与酶直接结合。 • 金属酶：在催化过程中，始终保持E-M这种结合形式，金属酶可能形成金属桥配合物 和酶桥配合物，而不可能形成底物桥配合物。
• 分类： •
按功能分 金属酶：金属酶的酶蛋白与金属离子结合
的比较牢固，已成为酶分子的一个不可分 离的组成部分。 金属激活酶：金属激活酶与金属离子的 结合就不如金属酶牢固，经提纯的酶不含金 属，需要加入金属离子才有活性。
氧化还原酶(oxidoreductase) 转移酶(trasferase) 水解酶(hydrolase) 异构化酶(isomerase) 裂解酶(lyase) 连接酶(ligase or synthetase)
2013-11-28
叶绿素的结构与功能
• 叶绿素是二氢卟吩（chlorin）色素，结构上和卟啉色素例如血红素类似。在二氢卟吩环 的中央有一个镁原子。叶绿素有多个侧链，通常包括一个长的植基（phytyl chain）。 以下是自然界中可以找到的几种叶绿素：
第八章_与生命过程相关的配位化学
生物体的化学组成
自然界所 有的生命 物体都由 三类物质 组成：水、 无机离子
和生物分
子
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。其研究对象是生物体内的金属（和少数非金属）元素
及其化合物，特别是痕量金属元素和生物大分子配体形成
微量和超微量金属元素：包括Fe、Cu、Co、Mn、Zn、 Mo 等 是生物体内存在的主要少量元素。 微量和超微量非金属元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、 Ga、I、Se、Si等。
1.2 有毒元素
有毒元素：指那些存在于生物体内会影响正常的代谢和生理
功能的元素。
明显有害的元素：Cd、Hg、Pb、Tl、As、Sb、Be、Ba、In、 Se、V、Cr、Nb等，其中Cd、Hg、Pb为剧毒元素。 但同一元素往往既是必需元素，又是有毒元素，如 Cd、Pb、 Cr等。
临床实验阶段
钆配合物与核磁共振造影
核磁共振造影技术已成为当今临床诊断中最为有力的检测手段 之一。它对疾病的诊断是通过使用外来的顺磁试剂或造影剂而 使得正常组织和疾病组织的1H（主要是水）的共振信号产生差 别。核磁共振造影剂使得质子的驰豫时间缩短，从而达到改善
组织成像的效果。
光敏金属配合物与光动力学疗法
肌红蛋白的立体示意图
2、性质
（1）氧合作用：血红素中的亚铁与一分子氧以配位键结 合，而亚铁原子不被氧化，这种作用被称为氧合作用。 （2）氧化作用：血红素中的亚铁与氧发生氧化还原反应， 生成高铁血红素的作用被称为氧化作用。
高铁肌红蛋白 （metmyoglobin） 褐色
肌红蛋白 （myoglobin） 紫红色
氧合肌红蛋白 （oxymyoglobin） 鲜红色
苏教版高中生物必修1分子与细胞第3章第1节第1课时生物催化剂——酶学案
第一节生命活动需要酶和能源物质第1课时生物催化剂——酶一、酶的本质1．科学家对酶本质的探索历程(1)1857年，法国科学家巴斯德通过观察发酵现象发现，发酵是由微生物引起的，后来他又证实了酒精发酵是由酵母菌引起的。
(2)1897年，德国科学家毕希纳证明了引起发酵的是酵母菌所含的酶，而不是酵母菌本身。
(3)1926年，美国科学家萨姆纳从刀豆提取液中分离并提纯了脲酶结晶，并证明脲酶是蛋白质。
(4)1936年，酶是蛋白质的观念被确立。
(5)20世纪80年代，科学家又发现少数RNA也具有生物催化功能，并把这类RNA称为核酶。
2．酶的本质能催化生化反应的酶绝大多数是蛋白质，少数RNA也具有生物催化功能。
二、酶在细胞代谢中的作用1．酶促反应：由酶催化的化学反应称为酶促反应。
2．酶催化作用的实质：降低化学反应的活化能。
3．活化能：在一定温度下，分子从基态转变为容易发生化学反应的过渡态所需的能量称为活化能。
4．活化分子(1)含义：处于过渡态的分子称为活化分子。
(2)使活化分子增多一般有两种途径①不使用催化剂，通过加热或光照等方法，使一部分分子获得能量而成为活化分子。
②使用催化剂降低生化反应所需的活化能，活化能越低，活化分子就越多。
5．酶能降低生化反应所需的活化能，使生化反应在较低能量水平上进行，从而加快生化反应。
三、酶的特性1．探究酶的高效性(1)过程结论：酶具有催化作用，且与无机催化剂相比具有高效性。
2．酶具有专一性(1)含义：一种酶只能催化一种或一类生化反应。
(2)专一性机制：酶催化作用的专一性与酶的活性中心和底物分子在空间结构上有特殊的匹配关系相关，当酶的活性中心与底物分子结合时，就启动了化学反应。
(3)证明酶具有专一性的实验37 ℃保温5 min新配制的斐林试剂 2 mL 2 mL水溶加热 1 min实验现象有砖红色沉淀没有砖红色沉淀实验结论酶具有专一性四、影响酶促反应速率的因素1．酶活性(1)酶活性是指酶催化生化反应的能力，酶催化作用的效率可以通过酶催化生化反应的速率来衡量。
配位化学：第三章 生物氧化还原反应中的金属蛋白和金属酶
只要它有对称性合适的轨道，就可以和金属的d轨
道成键，从而在整个底物－金属－氧分子三元配 合物中形成一个扩展的分子轨道，使电子能够顺 利地从底物转移到分子氧。
• 二、生物氧化还原作用的类型
• 生物体的氧化还原作用主要有三大类型: • 1. 以氧（或其它物质）作为末端电子受体的电子传递过程。 • 这种过程的模式可表示为：
• 为了提高分子氧的活性，就必须设法产生单线态 氧，或者利用过渡金属催化剂的配位作用改变O2 的电子云分布。对于反应条件温和的生物体系， 后一种方法显然比较合适。
• 三元配合物:假设分子氧和可氧化底物都作为配体， 与过渡金属形成三元配合物，分子氧和过渡金属
原子之间形成σ配键， 当金属相应的d轨道充满
• 4. 加氧酶
• 加氧酶催化分子氧的氧原子直接加合到有机 物分子中。它按加合的氧原子数分双加氧和
单加氧酶两类。
• (1) 双加氧酶。双加氧酶催化分子氧的两个
氧43; O2
SO2H2
• 比如以铁为辅助因子的邻苯二酚酶可以催化 邻苯二酚开环反应：
•
OH
OH
+ O2* 邻 苯 二 酚
E = +0.68 V E = +1.77 V
• (3)四电子一步反应：
• 4H++O2+4e→2H2O • 在通常条件下，按(3)的方式四电子一步还原是很
少遇到的，仅在一些酶(如虫漆酶)体系中可进行 这种反应。双电子反应的电位(0.68V)不高。而四 步单电子还原的后三步虽然容易接受一个电子与 有机底物反应，但其第一步在热力学上是非常困 难的(-0.32 v)， 这一反应的自由能ΔG>O，反应 是吸热的。通常双氧的还原是按(2)双电子或(1) 单电子步骤进行。
3.1-1【生物笔记】生物催化剂——酶
第三章细胞中能量的转换和利用第一节生命活动需要酶和能源物质生物催化剂——酶知识点1 酶的本质1.关于酶的本质的探索2.酶的本质能催化生化反应的酶绝大多数是蛋白质，少数为RNA。
【拓展】核酶核酶是具有催化功能的RNA分子，是生物催化剂,可降解特异的mRNA序列。
四膜虫的rRNA前体也具有催化活性。
【注意】酶只能在活细胞中产生,不能从食物中获取。
但在条件适宜的情况下，酶在细胞内、细胞外和生物体外均可发挥催化作用。
【拓展】酶与蛋白质的关系绝大多数酶是蛋白质，但不是所有的蛋白质都是酶，只有具有催化作用的蛋白质才是酶。
3.酶的作用实质酶能降低化学反应的活化能，使细胞代谢在温和的条件下快速有序地进行。
(1)酶促反应：由酶催化的化学反应。
(2)活化能：在一定温度下，分子从基态转变为容易发生化学反应的过渡态所需的能量。
(3)酶的作用机理25 ℃下测得的不同反应条件下过氧化氢分解需要的活化能反应条件活化能（kJ·mol-1）没有催化剂催化75.24用胶状钯催化48.9用过氧化氢酶催化＜8.36①反应物处于基态，在反应的瞬间，反应物中有一部分分子具有比基态更高的能量，即处于过渡态，这时就能形成新物质，即产物。
处于过渡态的分子越多，反应速率就越快。
②在有酶催化的反应过程中，只需较少的能量就可以使反应物进人过渡态。
与无酶催化的反应过程相比，有酶催化的反应中处于过渡态的分子数量大大增加，从而加快了反应速率。
③酶是种生物催化剂，不能改变反应途径，但可以减少反应达到平衡所需的时间。
加热、无机催化剂、酶加快化学反应速率的机理不同。
若把活化能比喻成一道“门槛”，底物分子要发生反应就必须从这道“门槛”越过去。
加热的作用就是增加了底物分子的“弹跳”能力，使原先差一点越过“门槛”的底物分子越过去;而无机催化剂和酶的作用就是把这道“门槛”降低。
酶与无机催化剂的共同点(1)催化化学反应的进行,但不为化学反应提供物质和能量，本身不被消耗，不改变化学反应进行的方向。
生物无机中配位化学原理ppt文档
呈淡黄色，其结构对称，是非极性分子，难溶解于水；不能与 DNA结合。
绪论
血红蛋白（Hb）是由含亚铁的血红素和1个分子珠蛋白构成。 亚铁血红素分子由Fe2+同卟啉大环配体上四个N原子形成四个配位 键; 再与珠蛋白中一个组氨酸残基的咪唑N原子形成第五个配位 键; Fe2+的第6血个红配蛋位白位和置血由红水素分子占据，它能被O2置换形成氧合 血红蛋白(Hb·O2)。
活性物质在生物 环境中行为
活性物质及 其修饰物的 结构测定
模型化合
物的结构 活性物质在
测定
溶液中状态
热力学 性质
动力学 性质
与金属离子结合或脱离时 结构的变化(动态研究)
结构-性质-活性关系(SPAR)及其机理的阐明
绪论
生物无机化学的研究方法：近、配位结构类型相似的金属离子取代生物体系中
例如，
➢ 顺式-PtCl2(NH3)2 （cis-DDP）
呈橙黄色，因其结构不对称，偶极矩大于零，是极性分子，较 易溶解于水； 临床上简称为顺铂 (cis-platinum)，它能将癌细胞中两DNA单 链上的鸟嘌呤交联地结合，抑制DNA的复制，且因此而将肿瘤 抑制因子p53激活，阻止癌细胞的分裂和再生，对癌症有较好 的疗效。
蛋含核低
白主金酸分
绪论
质、酶要是属的生与金属子量金 生物无机化学的研究对象
和具物的属
肽有分配 生子合物
物
功
能
的
金
属
、
生
绪论
蛋白质/酶及肽
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) 锌指蛋白(Zn)
生物无机化学5-金属蛋白和金属酶
CO2fumarate
琥珀酸
富马酸
NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶I (Coenzyme I, CoI) NADP+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶II (Coenzyme II, CoII)
Nicotine
FMN: 黄素单核苷酸 FAD: 黄素腺嘌呤二核苷酸
Protein Coenzymes 辅酶
2 O2- + 2H+ H2O2 + O2
reactive oxygen species (ROS)
ROS are toxic to cells because they can react with and damage cellular components (proteins, lipids and DNA)
Ubiquinone as an electron carrier
O CH3O CH3 CH3
H+ , e CH3O
OH C CH3 CH3 O CH3 n
CH3O O CH3
CH3O
n
OH CH3O CH3 CH3 O CH3 n
H+ , e CH3O
OH CH3 CH3 OH CH3 n
CH3O
Mechanism
His42 (distal)
H N
ArgN+ 38
H
N+
H
O OFe
N
H
base
N H
His170 (proximal)
Mechanism
His42 (distal)
H N
ArgN+ 38
H
N+
H O
配位化学教学大纲
中国海洋大学本科生课程大纲课程属性：学科基础课程性质：选修一、课程介绍1.课程描述：配位化学是高等院校化学化工类专业的一门选修课程，配位化学是无机化学领域中一个重要分支，具有边缘科学的性质，它已经成为沟通无机化学与有机化学、无机化学与生命科学等学科的重要渠道。
通过本课程的学习，使学生获得配位化学的基本概念和基本理论以及配位化合物的相关应用，扩大学生的知识面并提高知识水平。
本课程的教学着重讲述配位化学的基本理论和基本方法，同时在教学中也注意介绍正在发展中的一些较新的理论、方法和应用以激发学生的学习热情。
2.设计思路：配位化学是在无机化学基础上发展起来的一门重要的学科，发展至今，配位化学已经具有了一整套完善的理论体系；另一方面配位化学与物理化学、有机化学、生物化学、固体化学、材料化学和环境科学等学科相互渗透，使配位化学已成为众多学科的交叉点。
因此，本课程在系统讲解配位化学的基础理论知识之外，在教学过程中将结合学科前沿和试验测试结果，把配位化学与各学科交叉发展的最新动态和最新成果介绍给学生，提高学生学习的新鲜感和趣味性。
课程内容包括两个模块：基础理论知识和交叉学科介绍。
基础理论知识讲包括：配位化合物的基本知识，配位化合物的化学键理论，配合物的表征方法，配合物的反应动力学和反应机理，配合物在水溶液中的稳定性。
交叉学科介绍包括：金属有机配合物，金属原子簇化合物，特殊类型的配合物，配位催化，海洋配位化学，配合物合成化学，生物配位化学，配位化学的最新发展领域与动态。
3. 课程与其他课程的关系：配位化学是在无机化学的基础上发展起来的一门独立的、同时也与化学各分支学科等互相渗透的具有综合性的学科。
配位化学几乎渗透到化学及相关学科的各个领域，例如分析化学、有机金属化学、生物无机化学、结构化学、催化化学、配位光化学、界面配位化学、纳米配位化学、以及配位超分子化学等等。
二、课程目标配位化学是涉及无机化学、有机化学、生物化学等等多学科的边沿学科。
2022秋新人教版高中生物选择性必修3第3章基因工程第4节蛋白质工程的原理和应用课件
思考·讨论⇨P94 1．提示：每种氨基酸都有对应的密码子，只要查一下遗传密码子 表，就可以将教材中氨基酸序列的编码序列查出来。但是由于上述氨基 酸序列中有几个氨基酸是由多种密码子编码的，因此相应的碱基排列组 合起来就比较复杂，至少可以排列出32种，可以根据学过的排列组合知 识自己排列一下。首先应该根据密码子推出mRNA序列[GCU(或C或A或 G)UGGAAA(或G)GAA(或G)UUU或(C)]，再根据碱基互补配对原则推 出脱氧核苷酸序列[CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)CTT(或C)AAA(或 G)]。
A．对猪胰岛素进行一个不同氨基酸的替换 B．将猪胰岛素和人胰岛素进行拼接组成新的胰岛素 C．将猪和人的胰岛素混合在一起治疗糖尿病 D．根据人的胰岛素设计制造一种全新的胰岛素
(A)
解析：由于猪胰岛素分子中只有一个氨基酸与人的胰岛素不同，所 以只需替换这一个不同的氨基酸即可。虽然根据人胰岛素分子设计一种 全新的胰岛素也可以用于临床治疗，但是在分子设计和胰岛素的生产方 面都存在很多的困难，所以并不是最佳方案。
四、蛋白质工程的应用
1．在医药工业方面的应用 (1)研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造_胰__岛__素__基__因___使B链28
位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与29位的赖氨酸交换位置，从而有效 抑制了__胰__岛__素__的__聚__合__，研发出速效胰岛素类似物。
(2) 提 高 干 扰 素 的 保 存 期 ： 将 干 扰 素 分 子 上 的 一 个 _半__胱__氨__酸___ 变 成 _丝__氨__酸___，提高了干扰素的保存时间。
或制造一种新的蛋白质。 (3)目的：获得满足人类的生产和生活需求的__蛋__白__质__。 2．理论和技术条件：_分__子__生__物__学___、__晶__体__学__以及__计__算__机__技术
生物化学基础(靳利娥)第3章 酶化学
专一性例证
H C OH
H C COOH H3C COOH OH C A B
H3C
A
B
C
2、酶催化作用的特点四
反应易失活 活细胞的产物，低温、高温、强酸、强碱、 活细胞的产物，低温、高温、强酸、强碱、 重金属、抑制剂等易改变酶活性。 重金属、抑制剂等易改变酶活性。 反应活性可调控 许多因素可影响或调节酶的催化活性， 许多因素可影响或调节酶的催化活性，如代 谢产物、 谢产物、酶分子的共价修饰等 有的酶需辅助因子（辅酶、辅基、金属离子） 有的酶需辅助因子（辅酶、辅基、金属离子）
磷广泛多数不可逆裂合酶类催化从底物分子移动一基团或原子形成双键多数可逆异构酶类催化底物分子各种异构体之间的转变合成酶类催化两个分子连接一起伴随能量转移单体酶monomericenzyme寡聚酶oligomericenzyme多酶体系multienzymesystem多功能酶multifunctionalenzyme单纯酶simpleenzyme结合酶conjugatedenzyme蛋白部分
第三章 酶化学
• Enzymes
重点内容
• 酶的催化特点 • 酶的作用机制 • 酶的高效催化机制 • 酶促反应动力学 • 辅酶的结构和功能
目 录
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 ——生物催化剂的特性 酶——生物催化剂的特性 酶的作用机理 酶促反应动力学 酶的活性调节 酶工程及应用 维生素及辅酶
（2）底物的形变（distortion） ）底物的形变（ ）
底物与酶结合诱导 1. 酶的分子构象变化 的分子构象变化 2. 底物分子敏感键产 底物分子敏感键产 生形变
（3）酸碱催化（acid-base catalysis） ）酸碱催化（ ）
沪科版(2020)高中生物学选择性必修三第3章第3节蛋白质工程的原理和应用
《蛋白质工程》教学设计教材版本人教版科目生物作者课题蛋白质工程的原理和应用课时1课时授课类型新授课一、教材内容分析本节课《蛋白质工程》是沪科版（2020）高中生物学选择性必修三第3章第3节的内容。
以基因工程存在的缺陷引出进行蛋白质工程的必要性，并论述蛋白质工程的基本原理以及在不同领域的应用。
教材中提供了丰富的案例，但是并没有将某一个案例进行深入的探讨和具体过程的分析，不利于学生对于蛋白质工程基本原理和过程的掌握。
本节课需1个课时，以胰岛素为例，贴近学生生活，阐述胰岛素合成的发展历程，复习基因工程的原理和过程，指出其局限性，讨论解决途径，引出蛋白质工程，学习其原理、流程和基因工程的差异。
二、学情分析本课时是这个单元的最后一节，内容建立在重组DNA技术的基本工具、基因工程的基本操作程序、以及基因工程的应用的基础之上。
学生已经懂得如何利用重组DNA 技术的基本工具，通过基因工程的基本操作程序大量生产人胰岛素。
本节课延续本单元的主题情境：胰岛素的生产和改造设计方案出发，根据学生的问题解决逻辑进行设计，依次从现象到方案再到依据，最后形成“人胰岛素的改造设计方案”，对蛋白质工程的基本原理和应用进行归纳。
三、素养目标（1）运用结构与功能观等观点，结合中心法则有关知识，说明蛋白质工程的基本原理（生命观念）。
（2）基于蛋白质工程的实例，采用模型与建模、归纳与概括等方法，用文字图示或模型的形式表示蛋白质工程的基本思路（科学思维）。
（3）尝试通过蛋白质工程技术，根据人类需要的蛋白质结构，运用逆向思维设计或改造某一蛋白质（人胰岛素）的设计流程（科学探究）。
四、教学的重点、难点1、教学重点：①蛋白质工程的基本原理。
②依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
2、教学难点：①蛋白质工程的基本原理。
②依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。
五、教法学法讲授法、模型构建、小组讨论法六、教学过程教学过程教师活动学生活动教学用时设计意图创设情境，导入新课天然胰岛素的缺点思考、回答2min 创设情境，组织学生回顾基因工程的本质，引入蛋白质工程的概念，并对蛋白质工程的概念进行分析、理解。
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• 金属离子与蛋白形成的配合物，其主要作用不是催化某个 生化过程，而是完成生物体内诸如电子传递之类特定的生 物功能，这类生物活性物质被称之为金属蛋白，所以它们 是结合有金属离子的复合蛋白。
• 金属酶和金属蛋白中金属离子的结合方式有： • ⅰ.金属离子与蛋白链中氨基酸残基通过配位作用直接结合 ； • ⅱ.金属离子与硫等其他原子形成簇合物后再结合到蛋白上 ； • ⅲ.金属离子与辅基（例如血红素铁、叶绿素、钴胺素等） 结合，然后通过辅基与蛋白连接。
图３.２２ 还原型血蓝蛋白及活性中心的结构
• ３.２.５ 含钼酶和含钴辅因子 • （１）含钼酶———固氮酶 • 目前已知的钼酶具有以下特点：ⅰ.由于钼可以有多种不同 的价态，常见的有Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ价，因此与钼有关的金属酶 均与电子传递、氧化还原反应有关；ⅱ.钼酶的组成复杂， 有的钼酶中除了含钼辅基之外，还含有诸如铁硫蛋白之类 的电子传递体等，而且有的活性中心部位是由钼与其他金 属元素共同组成；ⅲ.正因为组成复杂，因此钼酶一般分子 量较大，难以分离和纯化。
图３.２ 血红素ａ、ｂ、 ｃ的结构示意
图３.３ 肌红蛋白及其活性中心结构
• （２）蚯蚓血红蛋白 天然氧载体中还有一类含铁的非血 红素蛋白———蚯蚓血红蛋白。
图３.８ 蚯蚓血红蛋白中双铁活性中心的结构及 与氧分子的结合方式
• ３.２.２ 含铁蛋白和含铁酶 • （１）电子传递蛋白———细胞色素ｃ 电子传递反应可 以说是生物体系中最基本的一类反应。
• ３.１.２ 生命元素 • 生命元素又称必需元素或生物必需元素。 • Ｇ.Ｃ.Ｃｏｔｚｉａｓ等人认为作为生物必需元素需要具 备以下几个条件： • ⅰ.元素在不同的动物组织内均有一定的浓度； • ⅱ.去除这些元素会使动物造成相同或相似的生理或结构上 的不正常； • ⅲ.恢复其存在可以消除或预防这些不正常；ⅳ.元素有专 门生物化学上的功能。
图３.２１ 铜锌超氧化物歧化酶及活性中心的结构
• （３）血蓝蛋白———Ⅲ型铜 血蓝蛋白是一种氧载体， 存在于蜗虫、章鱼等甲壳类和软体类动物的血液中。分子 量特别大，一个亚基的相对分子质量约为４６万，而血蓝 蛋白中的亚基数可变，与其来源有关，不同来源的血蓝蛋 白含有的亚基数不同。正因为分子庞大，因此高精度的Ｘ 衍射晶体结构难以得到。
图３.２３ 固氮酶的组成
• （２）含钴辅因子———辅酶Ｂ１２ 钴也是微量的生物 必需元素，但是钴的生物无机化学却与其他微量必需元素 有许多不同之处。 • 首先，一般金属酶、金属蛋白活性中心中的微量和超微量 元素金属离子与生物配体间的作用主要是依靠金属离子与 氮、氧、硫、磷等杂原子间的相互作用，形成Ｍ－Ｘ配位 键（Ｍ：金属离子，Ｘ：Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｐ等配位原子）。 而含有钴的辅酶Ｂ１２中，在金属钴离子周围除了Ｃｏ— Ｎ配位键之外，还含有钴－碳键，即有机金属键。 • 再者，钴在生物体内的含量虽然不高，但是由于它在体内 的分布很集中，主要就存在于辅酶Ｂ１２中，因此发现较 早。
图３.１６ 牛胰腺羧肽酶Ａ及活性中心锌离子周围的结构
• （３）碱性磷酸酯酶 在生物体系中除了这些单核金属酶 之外，还有一些酶在其活性中心中含有两个或两个以上的 金属离子。碱性磷酸酯酶（ａｌｋａｌｉｎｅｐｈｏｓｐ ｈａｔａｓｅ，简称ＡＰ）就是其中的一个。
图３.１８ 碱性磷酸酯酶的Ｘ衍射晶体结构及其活性中心的结构
• ３.３.２ 铜酶的模拟 • （１）铜锌超氧化物歧化酶的模拟 铜锌超氧化物歧化酶 是一种特殊的Ⅱ型铜酶，之所以说它特殊一是因为它的活 性中心中不仅含有铜，还含有锌离子；二是因为它催化的 不是单纯的氧化反应，而是一个歧化反应。
图３.３１ 咪唑桥联铜锌异双核配合物的结构
• （２）血蓝蛋白的模拟
图３.３４ 氧合血蓝蛋 白的模型化合物
• ３.１.３ 有毒元素 • 有毒元素是指那些存在于生物体内会影响正常的代谢和生 理功能的元素。 • 值得注意的是，同一元素往往既是必需元素，又是有毒元 素，典型的例子有Ｃｄ、Ｐｂ、Ｃｒ等。
图３.１ 生物必需元素 摄入量与生物效应之间 的关系
３.２ 典型金属酶金属蛋白
• ３.２.１ 含铁氧载体 • 氧载体是生物体内一类含金属离子的生物大分子配合物， 可以与分子氧进行可逆地配位结合，其功能是储存或运送 氧分子到生物组织内需要氧的地方。 • （１）血红蛋白、肌红蛋白
图３.２６ 钴胺素及咕啉环与卟啉环的结构
图３.２７ 辅酶Ｂ１２参与的１，２－重排反应作用机理
３.３ 模型研究
• ３.３.１ 含锌酶的模拟 • （１）碳酸酐酶的模拟
图３.２８ 碳酸酐酶的 模型化合物及配位水分 子的解离平衡
• （２）碱性磷酸酯酶的模拟 天然碱性磷酸酯酶和碳酸酐 酶的区别在于：ⅰ.催化的反应和底物分子不一样；ⅱ.前 者活性中心为双核锌，而后者为单核锌；ⅲ.在催化反应过 程中，碱性磷酸酯酶涉及来自蛋白链丝氨酸的Ｚｎ-－ＯＲ 活性物种，而碳酸酐酶中仅有Ｚｎ-－ＯＨ活性物种，不涉 及Ｚｎ-－ＯＲ活性物种。
图３.９ 马心细胞色素ｃ与血红素铁的结构
• （２）含铁金属酶———细胞色素Ｐ－４５０ • 自然界中许多物质的代谢都涉及与空气中氧分子的反应。 其中有一类重要的反应就是氧分子在酶的催化作用下氧化 加合到底物分子中去，这一类反应被称之为加氧反应，催 化该类反应的酶被称之为加氧酶（ｏｘｙｇｅｎａｓｅ） 。
图３.１９ 碱性磷酸酯酶催化水解磷酸单酯反应的可能机理
• ３.２.４ 铜蛋白和铜酶 • 含铜的金属蛋白和金属酶也广泛存在于生物体中。一方面 铜的含量较高，在微量必需元素中仅次于铁和锌，另一方 面铜与铁一样具有可变化合价，因此在生物体中可以参与 电子传递、氧化还原等一系列过程。
• （１）质体蓝素———Ⅰ型铜 代表性Ⅰ型铜蛋白有质体 蓝素（ｐｌａｓｔｏｃｙａｎｉｎ）和阿祖林（ａｚｕｒ ｉｎ）。由于该类蛋白通常呈深蓝色，因此通常也被称为 蓝铜蛋白（ｂｌｕｅｃｏｐ－ｐｅｒｐｒｏｔｅｉｎ）。 实际上这些只含有Ⅰ型铜的蛋白在生物体系中都起着电子 传递的作用。
配位化学
第３章 与生命过程相关的配位化学 ——金属酶和金属蛋白
３.１ 生物体系中的金属离子
• ３.１.１ 金属酶、金属蛋白及金属药物 • 金属酶就是必须有金属离子参与才有活性的酶，或者简单 地说是结合有金属离子的酶，它们在各种重要的生化过程 中完成着专一的生化功能，金属酶实际上是一种生物催化 剂，它们使得生物体内一系列复杂的化学反应能够在常温 常压中性介质条件下顺利地完成。
图３.１１ ２－茨酮存在下细胞色素Ｐ－４５０ｃａｍ活性中心的结构
• ３.２.３ 锌酶
图３.１２ 细胞色素Ｐ －４５０催化反应机理
• （１）碳酸酐酶
图３.１３ 碳酸酐酶及活性中心锌离子周围的结构
• （２）羧肽酶 在生物体系中催化水解蛋白链的酶主要分 为２种，即催化水解蛋白链Ｃ末端氨基酸残基的羧肽酶（ ｃａｒｂｏｘｙｐｅｐｔｉｄａｓｅ，简称ＣＰ）和断裂 蛋白链Ｎ末端肽键的氨肽酶（ａｍｉｎｏｐｅｐｔｉｄａ ｓｅ）。
图３.２０ 氧化型质体蓝素及铜活性中心的结构
• （２）铜锌超氧化物歧化酶———Ⅱ型铜 活性中心中只 含有Ⅱ型铜的蛋白有铜锌超氧化物歧化酶（ｓｕｐｒａｏ ｘｉｄｅｄｉｓｍｕｔａｓｅ，ＳＯＤ）和半乳糖氧化酶 （ｇａｌａｃｔｏｓｅｏｘｉ－ｄａｓｅ）。
• 在氧分子代谢过程中，作为不完全代谢产物或副产物，会 产生对生物体有害的超氧负离子和过氧负离子。由于这些 物种的反应活性非常大，对生物体有害，因此有必要及时 、有效地清除这些活性物种。生物通过长期的进化已经形 成了自己的防御体制，超氧化物歧化酶就可以有效地催化 分解超氧负离子，从而起到保护生物体的作用。
• 利用放射性同位素来进行疾病的诊断和治疗也是临床上常 用的一种方法。
• ３.４.３ 金属离子与疾病 • 当生物必需的金属离子在生物体内含量不足或超过一定范 围时可导致生命过程的不正常和疾病的产生。 • 体内金属离子的失衡和蛋白质功能的紊乱是神经退行性疾 病的主要特征。
图３.３９ 治疗类风湿 关节炎的金配合物
• （２）造影剂 上面介绍的都是治疗类金属药物。实际上 在临床实践中，疾病的及时、准确的发现和诊断也非常重 要。这样不仅可以及时地对症下药，而且可以大大地提高 治疗的效果。
• 核磁共振成像（ｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｉ ｍａｇｉｎｇ）技术是目前临床上用于疾病或组织损伤诊 断的强有力手段之一。它所利用的原理是通过观测疾病或 损伤组织与正常组织的核磁共振信号（目前主要是观测人 体内水中的１ＨＮＭＲ信号）的差别来进行推测和诊断， 一般需要借助被称之为造影剂（ｃｏｎｔｒａｓｔａｇｅ ｎｔ）的药物来增强和改善成像效果。 • 已经获得批准可用于临床诊断的造影剂主要是三价钆的配 合物。
• ３.３.３ 固氮酶的模拟 • 固氮酶的模拟可以从功能模拟 和结构模拟两方面来进行。 • 功能模拟激发了人们合成分子 氮配合物的研究热情。
３.４ 金属药物
• ３.４.１ 抗癌药物 • 人们已经研究开发出多种具有抗癌活性的金属配合物，其 中主要的还是铂类化合物
• ３.４.２ 其他含金属药物 • （１）抗类风湿药物