生物无机化学

Scientific journals
J. Bio. Inorg. Chem. (IF = 3.317)
J. Inorg. Biochem. (IF = 3.287)
第一章 概述及相关基础知识
一、生物无机化学发展史 ， 二、生物无机化学的研究内容 三、生命元素 四、生命配体
一、生物无机化学发展史
武汉 澳大利亚 希腊 墨西哥 阿根廷 西班牙
ISABC-2 1992年 广州 ISABC-4 1997年 南非 ISABC-6 2001年 英国 ISABC-8 2004年 香港 ISABC-10 2009年 匈牙利
亚洲生物无机化学学术会议 （AsBic）
The Asian Biological Inorganic Chemistry Conference
国际应用生物无机化学学术讨论会 （ISABC）
International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry
ISABC-1 ISABC-3 ISABC-5 ISABC-7 ISABC-9 ISABC-11
1990年 1994年 1999年 2003年 2006年 2011年
Bioinorganic Chemistry or Inorganic Biochemistry？ 生物化学家、医学家研究无机生物化学和无 机化学家研究生物无机化学的角度有些差异。 前者研究金属离子及其化合物对生物体的生 理和病理作用。 后者研究金属离子及其化合物与生物体系的 相互作用。
全国生物无机化学学术会(CBIC)
第十一届会议议题 (2011年, 保定,河北大学) 无机物与生物大分子的相互作用 无机药物化学及其作用机理 金属蛋白与金属酶、细胞生物无机化学 生物矿化与仿生无机材料 纳米材料与生物效应 金属和小分子探针 稀土生物无机化学 环境生物无机化学 生物无机化学研究中新方法、新技术 生物无机化学理论或应用相关的其它研究
生物无机化学家，中科院院士
王夔
计亮年
倪嘉缵
二、生物无机化学的研究内容
金属酶和金属蛋白的结构和功能 金属离子及其配合物与生物大分子的相互作用
生物矿化 电子传递反应 金属离子和细胞的相互作用 离子载体 探针和金属药物 金属酶和模拟酶的应用
金属酶和金属蛋白的结构和功能
（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
1977年， G.N.Schrazer发起成立了国际生物无机化学
协会. 1983年起，由I.Bertini，H.B.Gray，B.Ｇ．Malmstrom and H.Sigel 组成生物无机化学国际会议组织委员会,决 定每两年召开一次会议. 1995年，C.D.Garner和I.Betini再次发起成立国际生物 无机化学学会(The Society of Biological Inorganic Chemistry，简称SBIC)，并于1996年出版会刊 “Journal of Biological Inorganic Chemistry‖。
金属离子及其配合物与生物大分子的相互作用
共价结合 非共价结合
生物矿化（ biomineralizaቤተ መጻሕፍቲ ባይዱion）
定义：有机物质在微生物作用下分解，释放 能量，转化为简单无机物质的过程。 生物矿物材料（骨头、 牙齿、蛋壳等）是由矿 物与基质构成的复合材 料，具有高度的装配有 序性，又特殊的理化性 质、可控的动态性质和 特殊的生物功能。
离子载体, ionophore
可有选择地结合专一离子，并携带其穿 过不透性膜的脂溶性小分子。
探针和金属药物
用一些其他的金属元素替代生物 无机化合物中的原有金属元素， 从而用各种波谱方法来研究和确 定体系的结构和作用。
例如，用半径与锌相近的钴离子作探针，代替羧
肽酶中的锌，从而根据含钴酶的光谱推断羧肽酶 中锌的配位环境。 用锰离子做探针，根据含锰羧肽酶的核磁共振谱 确定了羧肽酶中锌和一水分子或羟基相连。
国际生物无机化学会议（ICBIC）
International Conference on Biological Inorganic Chemistry
ICBIC-1 ICBIC-2 ICBIC-3 ICBIC-4 ICBIC-5 ICBIC-6 ICBIC-7 ICBIC-8 ICBIC-9
之中。 →在各物体中有一定的浓度范围。 →如果从机体排除这种元素将会引起 特殊的生物化学变化，重新引入这种 元素，上述变态将可以消失。 →至少有26种生物体的必须元素。
人 体 中 的 元 素
常量 元素
微量 元素
C、H、O、N、P、S、 铁、锌、铜、铬、锰、 Cl、占人体总重量高 Na、Mg 、K和Ca等11 于 0.01 ％的元素 硒、镍、钴、氟、碘、 种，约占体重的99.25％。 钼、钒、锡、硅、溴等 必需微 15种。 量元素 Rb、As、B、Ti 占人体总重量低于 非必需微 、 Al 、 Ba 、 Nb 和 0.01 ％的元素 量元素 Zr等8种。 有毒微 Bi、Sb、Be、Cd、 量元素 Hg和Sb等6种。
2011年 加拿大
2013年 法国 2015年 中国
ICBIC LOGO
ICBIC LOGO
http://www.icbic16.com/
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
上世纪五十年代，肯德鲁和佩鲁茨解析了肌 红蛋白和血红蛋白的结构，两者分享1962 年的诺贝尔化学奖。
Kendrew,John Cowdery
MaxFerdinand Perutz
1970年 ，在美国Virginia州举行了国际生物无机化学讨
论会，仅19篇报告，并由R.F.Gould汇编“生物无机化 学”。 1971年， D.R.Willams出版专著《生命金属》―The Metal of Life‖。 1971年， 美国著名化学家G.N.Schrazer主编的杂志 Bioinorganic Chemistry创刊，1979年更名为Journal of Inorganic BioChemistry。 1973年， H.Sigel等主编丛书Metal ions in Biological Systems,系统收集金属离子在生物体中的结构和功能数 据。
1983年 1985年 1987年 1989年 1991年 1993年 1995年 1997年 1999年
意大利 葡萄牙 荷兰 美国 英国 金属识别、储存、输送和组装 美国 固氮酶的结构及催化及其机理 德国 金属离子对基因调节影响 日本 丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺 美国
ICBIC LOGO
国际生物无机化学会议（ICBIC）
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.
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。
金属离子和细胞的相互作用
细胞是生命活动的基本单位； 金属及其化合物与细胞的相互作用是其表现的
生物效应得化学基础； 如化合物与细胞相互作用时，细胞化学组成、 结构、功能方面的变化和无机物结构变化机理 ； 化合物和自由基对细胞增殖、分化和凋亡过程 中的作用位点、干预方式、作用机理与化合物 性质的关系； cellular bioinorganic chemistry
Biological function of selected metal ions
Metal
Sodium Potassium
Function
Charge carrier; osmotic balance Charge carrier; osmotic balance
Magnesium
Calcium Vanadium Chromium Molybdenum Manganese Iron
诺贝尔奖
2003年，美国科学家彼得· 阿格雷和罗德里克· 麦 金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机 理研究而获诺贝尔化学奖。
Peter Agre
Roderick MacKinnon
生物无机化学发展的推动力
蛋白质和其他生物分子高分辨 结构的迅速测定。 用于结构及动力学测定的高效 光谱仪器的应用。 生物工程在创造新的生物相关结 构中的广泛应用，如基因定点突变 技术等。
金属酶和模拟酶的应用
研究金属酶的结构与功能合成它们的模拟物， 以推动它们在生产中的应用。
探讨常见的疾病的发病与某些金属元素 与非金属元素之间的关系，研究调节和 控制这些元素来防止病变的发生。
硒：地方性疾病
克山病——心脏损伤性疾病 大骨节病——慢性对称性畸形骨关节病
三、生命元素
→生物体的必须元素存在于正常组织
Cobalt
Nickel Copper Zinc
Oxidase; alkyl group transfer
Hydrogenase; hydrolase Oxidase; dioxygen transfer; electron transfer; Structure; hydrolase
生物无机化学 Bioinorganic chemistry
田金磊 化学楼北楼414 tiant@nankai.edu.cn
1. 计亮年，莫庭焕；生物无机化学导论，中山大学出版社。 2. 杨频，高飞；生物无机化学原理，科学出版社。
3. Lippard，席振峰（译）；生物无机化学原理，北京大学出版社。 4. 郭子建，孙为银；生物无机化学，科学出版社。
ICBIC-10 ICBIC-11 ICBIC-12 ICBIC-13 ICBIC-14 ICBIC-15 ICBIC-16 ICBIC-17
2001年 意大利 中枢神经系统的生物无机化学 2003年 澳大利亚 金属离子在细胞的交通图 2005年 美国 2007年 奥地利 2009年 日本
Structure; hydrolase; isomerase
Structure; trigger; charge carrier Nitrogen fixation; oxidase Unknown, possible involvement in glucose tolerance Nitrogen fixation; oxidase; oxo transfer Photosynthesis; oxidase; structure Oxidase; dioxygen transport and storage; electron transfer; nitrogen fixation;