生物无机化学part-1
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13
《生物无机化学》的部分杂志
Bioinorganic Chemistry J. of Inorganic Biochemistry J. of Biological Inorganic Chemistry Biological Trace Elements Research Curr Opinion in Biological Chemistry
23
Essential Elements in Essential Elements in Organisms
24
Percentage Composition of Selected Elements in the Human Body
Element
Oxygen Carbon
Percentage (by weight)
9
研究内容、研究方法、基本概念和基本思想
学化学的人进入生物领域时，先要体会几个指导思想： 首先要体会由没有生命的所谓 in vitro 的化学向有 生命参与的所谓 in vivo 的化学这一转变。 其次要体会由一种简单的、无活性的配合物向复杂 的、有活性的配合物的飞跃。 另外，还不能忽视。由一般化学处理的封闭的或部 分封闭的、背景单一的反应体系到开放的、有特殊 背景的生物反应体系的过渡等。不但要随时注意到 这些差异，而且要通过个别事例了解这些差别的由 来。
生物无机化学 Bioinorganic Chemistry
Lecturer：
周再春 Ph.D
E-mail: zhouzaichun@hnust.edu.cn
湖南科技大学大学化学化工学院 理论有机化学与功能分子教育部重点实验室
1
课程内容
第 1章 第 2章 第 3章 第 4章 第 5章 第 6章 第 7章 第 8章 生物无机化学中的基本概念和原理 生物无机化学的研究方法 生物体内金属离子的选择、摄取和调控 金属离子与生物大分子的结合与作用 金属蛋白和金属酶 细胞毒性和化学治疗 仿生固氮 生物无机化学的研究前沿课题
论未来我国生物无机化学的发展方向,生物无机 化学研究方向紧跟时代步伐,不断深入和调整。
Bioinorganic Chemistry Area：
A Multidisciplinary Research Area
20
生物无机化学的基本任务
1. 生物机体中固有的无机元素，特别是生物金属 元素在生命体内的分布、形态、代谢规律以及 它们的生物学功能的研究。 2. 环境中的外来金属离子通过不同途径进入生命 体后的运输、分布、形态、代谢以及它们是如 何参与并影响生命过程的研究。
7
构建和掌握化学知识的基本方法
化学知识的积累和构造
感性认识 现象 反应
物质
理性认识 性质 结构
化学知识的掌握和应用
8
研究内容、研究方法、基本概念和基本思想
目前生物无机化学的研究工作绝大多数是点上的工作。但是 实际上，这些点之间有许多共性。怎样把握个性中的共性， 首先还是需要无机化学和生物化学等的基本知识。 例如，有许多促进水解的酶都含有锌离子或需要锌离子，而 且常常是酶蛋白中的组氨酸等和锌配位，又常常形成五配位 的配合物等等。 要想抓住共性，先要了解 Zn2+ 的配位趋向、易与 Zn2+ 结合 的氨基酸是什么， Zn2+ 的配合物立体结构是什么样的， Zn2+ 的基本性质 （有无传递电子能力、极化性大小、软硬 度等）又是什么。有了这些基本知识，当你遇到个别问题时， 就可以探索与它有关系的、类似的化合物了。
11
教材存在的问题及学习注意事项
目前国内外出版的生物无机化学教材都缺乏 系统性和概括性。这两个问题不是在短期内 能解决的。 本课程的学习中，应注意： (1) 以研究生物体内有无机元素参与的有生物 活性的化合物的结构-性质-活性关系为主要 线索； (2) 选择有典型性的，各有特点的若干内容。
53.6 16.0
Element
Silicon, Magnesium Iron, Fluorine
Percentage (by weight)
0.04 0.005
Hydrogen
Nitrogen Sodium, potassium, sulfur Chlorine
13Fra Baidu bibliotek4
2.4 0.1 0.09
Zinc
这些事件标志着生物无机化学作为一个独立学科的建立.。
15
国际生物无机化学会议（ICBIC）简介
ICBIC― ICBIC―0 ICBIC―1 ICBIC―2 ICBIC―3 ICBIC―4 ICBIC―5 ICBIC―6 1970年 1976年 1983年 1985年 1987年 1989年 1991年 1993年 美国 英国 意大利 葡萄牙 荷兰 美国 英国 美国 无机化学与模型研究方法 无机化学和生物交叉地带发展
5
生物无机化学的特点
一是做这方面研究的人来自生物学、无机化学、医学科 学、农业科学等各个领域，对这门尚未定型的学科有不 同的见解与思路，使初学者感到只要涉及生物体甚至生 态环境中的各种无机元素的问题都是生物无机化学问题。 这样就把传统上本属流行病学、营养学、土壤化学、水 化学等方面的一部分内容都划入生物无机化学之中； 另一个特点是目前的研究工作多属点上的工作。比如， 载氧配合物、细胞色素、少数几种金属酶等正吸引着大 量科学家的注意，研究工作虽然很深入，但是很少把这 些点上的工作总结成为生物无机化学的整体学科体系。
14
生物无机化学发展经历
1970 首届国际生物无机化学学术讨论会(U.S.Virginia) 《生物无机化学》(Bioinorganic Chemistry)论文集 1971 英国科学家D.R.Williams的专著《生命金属》 （The Metal of Life）出版 1971 学术期刊Bioinorganic Chemistry在美国问世 (1979年更名为Journal of Bioinorganic Chemistry)
ISABC―5 1999年 希腊
地中海贫血
18
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
国内定期召开全国生物无机化学学术讨论会，
2003年召开全国生物无机化学咨询会议，共同讨
12
参考书
《生物无机化学》 杨频 高飞编著
科学出版社 2002年4月第一版 《Bioinorganic Chemistry——A short course》 Rosette M.Roat-Malone
《生物无机化学原理》
[美]S.J.Lippard and J.M.Berg著 席振峰 姚光庆 项斯芬 任宏伟译 北京大学出版社 2000年6月 第一版 《生物无机化学导论》计亮年 莫庭焕 中山大学出版社
金属识别、储存、输送和组装 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
16
国际生物无机化学会议（ICBIC）简介
ICBIC―7 ICBIC―8 ICBIC―9 1995年 德国 金属离子对基因调节影响 1997年 日本 丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺 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，
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 欧洲 ICBIC―14 2009年 中国
17
国际应用生物无机化学 学术讨论会（ISABC）简介
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 ISABC―4 1997年 南非 环境生物无机化学
1.Essential Chemical Elements in Biological systems (1) Bulk elements(宏量元素）：6 elements H、C、N、O、P、S； (2) Macrominerals and ions（矿物质离子）： Na、K、Mg、Ca、Cl－、PO43－、SO42－； (3) Trace elements（微量元素）: Fe、Zn、Cu； (4) Ultratrace elements（痕量元素）: nonmetals: F、I、Se、Si、As、B； Metals：Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Cd、 Sn、Pb、Li；
2
CONTENTS
Chapter 1 The Basic Conceptions and Reasons of Bioinorganic Chemistry Chapter 2 The Research Methods of Bioinorganic Chemistry Chapter 3 The Choice, Extraction and Control of Metal Species in Biological Systems Chapter 4 The Binding and Acting in Between Metal Species and Bio-macromolecule Chapter 5 Metal Proteins and Metal Enzymes Chapter 6 Cell Toxicity and Chemical Treatments Chapter 7 The Enzyme Nitrogenase Chapter 8 The New Topics and Development Fields of Bioinorganic Chemistry
6
研究内容、研究方法、基本概念和 基本思想
对一位学化学的人来说，往往注意的是各种各样物质 的组成和性质，而且都是没有生命活动时的情况。比 如，人们往往只把一种蛋白质都是由一定的氨基酸按 一定序列联接起来的化合物拿来研究，而不注意这种 蛋白质的生物活性是怎样产生的。 本来化学主要研究结构和性质的关系，但是若放在生 物体内来考虑，则应研究结构-性质-活性关系。 因此，我们研究的对象是有生物活性的物质。通过这 部分内容的学习先初略了解一下有生物活性的、含无 机元素的化合物大致包括哪些类，各有什么功能。
10
研究内容、研究方法、基本概念和基本思想
必须了解研究生物无机化学的方法，否则就难以 体会那些观点和结果都是怎样得来的。 例如，某种元素是人体必需的，但是整个人体所 含的这种元素不过几毫克或者更少，我们怎样知 道它是人体必需的呢？ 再如，一种酶的分子量高达几万，但一个分子中 只含有一个锌原子，我们怎样知道这个锌原子的 存在以及它在维持酶活性中所起的重要作用呢？ 而且，象这样一个含有几百个氨基酸的酶，它的 结构是怎样确定的呢？
3
教学安排与考评
第一和第二章教师讲授，从第三章开 始教师上课和同学讲解相结合。 每人准备一章内容，并制作ppt课件来 讲解，时间25～30min。 ppt的内容和讲解效果，作为考核成绩 的一部分。 期末考试每人写一篇论文（3~4千字）
4
生物无机化学定义
生物无机化学是一门对处于生命环境中的金属离子 进行研究的学科。 研究在生命过程中起作用的生物金属与配体之间的 相互作用； 在分子、亚分子水平上测定、表征、阐明这些生物 化合物的结构、性能及其在生命体中的作用规律； 无机化学（特别是配位化学）、生物化学、医学临 床化学、营养化学、环境科学等学科相互渗透、相 互融合的产物。
21
生物无机化学的发展前景和价值
1. 通过对生物无机化学问题和规律的研究探索有 助于进一步揭示生命的奥秘。 2. 生物无机化学规律的揭示及其成果将有助于改 善人类的生活环境，保护人类的健康，延长人 类的寿命，从而造福人类。
22
Chapter 1
The Basic Conceptions and Reasons of Bioinorganic Chemistry
Copper, Bromine Selenium, Manganese, Arsenic, Nickel Lead, Cobalt
《生物无机化学》的部分杂志
Bioinorganic Chemistry J. of Inorganic Biochemistry J. of Biological Inorganic Chemistry Biological Trace Elements Research Curr Opinion in Biological Chemistry
23
Essential Elements in Essential Elements in Organisms
24
Percentage Composition of Selected Elements in the Human Body
Element
Oxygen Carbon
Percentage (by weight)
9
研究内容、研究方法、基本概念和基本思想
学化学的人进入生物领域时，先要体会几个指导思想： 首先要体会由没有生命的所谓 in vitro 的化学向有 生命参与的所谓 in vivo 的化学这一转变。 其次要体会由一种简单的、无活性的配合物向复杂 的、有活性的配合物的飞跃。 另外，还不能忽视。由一般化学处理的封闭的或部 分封闭的、背景单一的反应体系到开放的、有特殊 背景的生物反应体系的过渡等。不但要随时注意到 这些差异，而且要通过个别事例了解这些差别的由 来。
生物无机化学 Bioinorganic Chemistry
Lecturer：
周再春 Ph.D
E-mail: zhouzaichun@hnust.edu.cn
湖南科技大学大学化学化工学院 理论有机化学与功能分子教育部重点实验室
1
课程内容
第 1章 第 2章 第 3章 第 4章 第 5章 第 6章 第 7章 第 8章 生物无机化学中的基本概念和原理 生物无机化学的研究方法 生物体内金属离子的选择、摄取和调控 金属离子与生物大分子的结合与作用 金属蛋白和金属酶 细胞毒性和化学治疗 仿生固氮 生物无机化学的研究前沿课题
论未来我国生物无机化学的发展方向,生物无机 化学研究方向紧跟时代步伐,不断深入和调整。
Bioinorganic Chemistry Area：
A Multidisciplinary Research Area
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生物无机化学的基本任务
1. 生物机体中固有的无机元素，特别是生物金属 元素在生命体内的分布、形态、代谢规律以及 它们的生物学功能的研究。 2. 环境中的外来金属离子通过不同途径进入生命 体后的运输、分布、形态、代谢以及它们是如 何参与并影响生命过程的研究。
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构建和掌握化学知识的基本方法
化学知识的积累和构造
感性认识 现象 反应
物质
理性认识 性质 结构
化学知识的掌握和应用
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研究内容、研究方法、基本概念和基本思想
目前生物无机化学的研究工作绝大多数是点上的工作。但是 实际上，这些点之间有许多共性。怎样把握个性中的共性， 首先还是需要无机化学和生物化学等的基本知识。 例如，有许多促进水解的酶都含有锌离子或需要锌离子，而 且常常是酶蛋白中的组氨酸等和锌配位，又常常形成五配位 的配合物等等。 要想抓住共性，先要了解 Zn2+ 的配位趋向、易与 Zn2+ 结合 的氨基酸是什么， Zn2+ 的配合物立体结构是什么样的， Zn2+ 的基本性质 （有无传递电子能力、极化性大小、软硬 度等）又是什么。有了这些基本知识，当你遇到个别问题时， 就可以探索与它有关系的、类似的化合物了。
11
教材存在的问题及学习注意事项
目前国内外出版的生物无机化学教材都缺乏 系统性和概括性。这两个问题不是在短期内 能解决的。 本课程的学习中，应注意： (1) 以研究生物体内有无机元素参与的有生物 活性的化合物的结构-性质-活性关系为主要 线索； (2) 选择有典型性的，各有特点的若干内容。
53.6 16.0
Element
Silicon, Magnesium Iron, Fluorine
Percentage (by weight)
0.04 0.005
Hydrogen
Nitrogen Sodium, potassium, sulfur Chlorine
13Fra Baidu bibliotek4
2.4 0.1 0.09
Zinc
这些事件标志着生物无机化学作为一个独立学科的建立.。
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国际生物无机化学会议（ICBIC）简介
ICBIC― ICBIC―0 ICBIC―1 ICBIC―2 ICBIC―3 ICBIC―4 ICBIC―5 ICBIC―6 1970年 1976年 1983年 1985年 1987年 1989年 1991年 1993年 美国 英国 意大利 葡萄牙 荷兰 美国 英国 美国 无机化学与模型研究方法 无机化学和生物交叉地带发展
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生物无机化学的特点
一是做这方面研究的人来自生物学、无机化学、医学科 学、农业科学等各个领域，对这门尚未定型的学科有不 同的见解与思路，使初学者感到只要涉及生物体甚至生 态环境中的各种无机元素的问题都是生物无机化学问题。 这样就把传统上本属流行病学、营养学、土壤化学、水 化学等方面的一部分内容都划入生物无机化学之中； 另一个特点是目前的研究工作多属点上的工作。比如， 载氧配合物、细胞色素、少数几种金属酶等正吸引着大 量科学家的注意，研究工作虽然很深入，但是很少把这 些点上的工作总结成为生物无机化学的整体学科体系。
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生物无机化学发展经历
1970 首届国际生物无机化学学术讨论会(U.S.Virginia) 《生物无机化学》(Bioinorganic Chemistry)论文集 1971 英国科学家D.R.Williams的专著《生命金属》 （The Metal of Life）出版 1971 学术期刊Bioinorganic Chemistry在美国问世 (1979年更名为Journal of Bioinorganic Chemistry)
ISABC―5 1999年 希腊
地中海贫血
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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
国内定期召开全国生物无机化学学术讨论会，
2003年召开全国生物无机化学咨询会议，共同讨
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参考书
《生物无机化学》 杨频 高飞编著
科学出版社 2002年4月第一版 《Bioinorganic Chemistry——A short course》 Rosette M.Roat-Malone
《生物无机化学原理》
[美]S.J.Lippard and J.M.Berg著 席振峰 姚光庆 项斯芬 任宏伟译 北京大学出版社 2000年6月 第一版 《生物无机化学导论》计亮年 莫庭焕 中山大学出版社
金属识别、储存、输送和组装 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
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国际生物无机化学会议（ICBIC）简介
ICBIC―7 ICBIC―8 ICBIC―9 1995年 德国 金属离子对基因调节影响 1997年 日本 丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺 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，
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 欧洲 ICBIC―14 2009年 中国
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国际应用生物无机化学 学术讨论会（ISABC）简介
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 ISABC―4 1997年 南非 环境生物无机化学
1.Essential Chemical Elements in Biological systems (1) Bulk elements(宏量元素）：6 elements H、C、N、O、P、S； (2) Macrominerals and ions（矿物质离子）： Na、K、Mg、Ca、Cl－、PO43－、SO42－； (3) Trace elements（微量元素）: Fe、Zn、Cu； (4) Ultratrace elements（痕量元素）: nonmetals: F、I、Se、Si、As、B； Metals：Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Cd、 Sn、Pb、Li；
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CONTENTS
Chapter 1 The Basic Conceptions and Reasons of Bioinorganic Chemistry Chapter 2 The Research Methods of Bioinorganic Chemistry Chapter 3 The Choice, Extraction and Control of Metal Species in Biological Systems Chapter 4 The Binding and Acting in Between Metal Species and Bio-macromolecule Chapter 5 Metal Proteins and Metal Enzymes Chapter 6 Cell Toxicity and Chemical Treatments Chapter 7 The Enzyme Nitrogenase Chapter 8 The New Topics and Development Fields of Bioinorganic Chemistry
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研究内容、研究方法、基本概念和 基本思想
对一位学化学的人来说，往往注意的是各种各样物质 的组成和性质，而且都是没有生命活动时的情况。比 如，人们往往只把一种蛋白质都是由一定的氨基酸按 一定序列联接起来的化合物拿来研究，而不注意这种 蛋白质的生物活性是怎样产生的。 本来化学主要研究结构和性质的关系，但是若放在生 物体内来考虑，则应研究结构-性质-活性关系。 因此，我们研究的对象是有生物活性的物质。通过这 部分内容的学习先初略了解一下有生物活性的、含无 机元素的化合物大致包括哪些类，各有什么功能。
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研究内容、研究方法、基本概念和基本思想
必须了解研究生物无机化学的方法，否则就难以 体会那些观点和结果都是怎样得来的。 例如，某种元素是人体必需的，但是整个人体所 含的这种元素不过几毫克或者更少，我们怎样知 道它是人体必需的呢？ 再如，一种酶的分子量高达几万，但一个分子中 只含有一个锌原子，我们怎样知道这个锌原子的 存在以及它在维持酶活性中所起的重要作用呢？ 而且，象这样一个含有几百个氨基酸的酶，它的 结构是怎样确定的呢？
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教学安排与考评
第一和第二章教师讲授，从第三章开 始教师上课和同学讲解相结合。 每人准备一章内容，并制作ppt课件来 讲解，时间25～30min。 ppt的内容和讲解效果，作为考核成绩 的一部分。 期末考试每人写一篇论文（3~4千字）
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生物无机化学定义
生物无机化学是一门对处于生命环境中的金属离子 进行研究的学科。 研究在生命过程中起作用的生物金属与配体之间的 相互作用； 在分子、亚分子水平上测定、表征、阐明这些生物 化合物的结构、性能及其在生命体中的作用规律； 无机化学（特别是配位化学）、生物化学、医学临 床化学、营养化学、环境科学等学科相互渗透、相 互融合的产物。
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生物无机化学的发展前景和价值
1. 通过对生物无机化学问题和规律的研究探索有 助于进一步揭示生命的奥秘。 2. 生物无机化学规律的揭示及其成果将有助于改 善人类的生活环境，保护人类的健康，延长人 类的寿命，从而造福人类。
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Chapter 1
The Basic Conceptions and Reasons of Bioinorganic Chemistry
Copper, Bromine Selenium, Manganese, Arsenic, Nickel Lead, Cobalt