北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学无机化学教研室《无机化学》(第4版)(下册)-第28章 生物

第28章　生物无机化学简介

28.1　复习笔记

一、生命元素及其生物功能

1．生命元素

生命必需的元素共有28种。按体内含量高低可分为宏量元素和微量元素。

（1）宏量元素

宏量元素是指含量占生物体总质量0.01％以上的元素。如碳、氢、氧、氮、磷、硫、氯、钾、钠、钙和镁。

（2）微量元素

微量元素是指含量占生物体总质量0.01％以下的元素。如铁、硅、锌、铜、溴、锡、锰等。这些微量元素的含量虽小，但在生命活动过程中的作用十分重要。

2．生命元素的生物功能

（1）碳、氢、氧、氮、硫和磷等六种元素的生物功能，是组成生物体内蛋白质、脂肪、碳水化合物和核糖核酸提供基础的结构单元，是组成地球上生命的基础；

（2）钠、钾和氯离子的主要功能是调节体液的渗透压、电解质平衡和酸碱平衡。钾离子也是稳定细胞内酶结构的重要辅因子。同时，钠离子、钾离子还参与神经信息的传递；

（3）钙和氟是骨骼、牙齿和细胞壁形成时的必要结构成分（如磷灰石、碳酸钙等），钙离子还在传送激素影响、触发肌肉收缩和神经信号、诱发血液凝结和稳定蛋白质结构中

起着重要作用；

（4）镁离子参与体内糖代谢及呼吸酶的活性，是糖代谢和呼吸不可缺少的辅因子，与乙酰辅酶A的形成有关，还与脂肪酸的代谢有关；

（5）铁（Ⅱ，Ⅲ）的主要功能是作为机体内运载氧分子的呼吸色素；

（6）铜（Ⅰ，Ⅱ）起着载氧色素（如血蓝蛋白）和电子载体（如铜蓝蛋白）的作用；

（7）硼对植物生长是必需的，尚未确证为人体必需的营养成分；

（8）锰（Ⅱ，Ⅲ）是水解酶和呼吸酶的辅因子。

3．污染元素

（1）污染元素是指存在于生物体内，会阻碍生物机体正常代谢过程和影响生理功能的微量元素。

（2）某些元素（如汞、铅、镉等）通过大气、水源和食物等途径侵入人体，在体内积累而成为人体中的污染元素。

（3）即使是生命必需的元素，它们在体内的含量也有一个最佳的浓度范围，超过或低于这个范围，对健康也会产生不良影响。

二、血红蛋白和肌红蛋白

1．血红蛋白和肌红蛋白的结构

（1）蛋白质的结构

蛋白质是一种生物大分子，由数百到数千个α-氨基酸组成。已发现的氨基酸

共有40多种，其中20种是组成蛋白质所必需的。

①许多氨基酸综合形成肽键，得到一条多肽链，这是蛋白质的一级结构。

②蛋白质的二级结构是由一个肽键的羰基氧和另一个肽键的亚胺氢形成氢键：

氢键的相互作用可以采取两种不同的形式，分别形成蛋白质的两种重要二级结构——α螺旋结构和β折皱的层状结构。

③蛋白质三级结构是指一条多肽链在二级结构或者超二级结构甚至结构域的基础上，进一步盘绕、折叠，依靠次级键的维系固定所形成的特定空间结构。

（2）血红蛋白和肌红蛋白的分子结构

①血红蛋白和肌红蛋白的活性部位——血红素就是原卟啉Ⅸ与Fe(Ⅱ)的配合物。

②肌红蛋白（缩写为Mb，相对分子质量为17500）是由单一的多肽键（珠蛋白）和血红素组成。

③血红蛋白（缩写为Hb）相对分子质量约为64500，由4个亚单位组成，每个亚单位包含一条多肽链和一个血红素。

2．血红蛋白和肌红蛋白的氧合作用

（1）血红蛋白（Hb）和肌红蛋白（Mb）两者的功能都是结合氧。

（2）它们的生理功能有很大的不同。Hb在肺部结合O2，并通过血液循环把它带到各个组织。细胞中的O2是由肌红蛋白分子结合储存，当代谢作用需要时，它们再把O2释出交给其它接受体。

三、金属酶

1．酶的概述

（1）酶是一类复杂的蛋白质，相对分子质量约为1万～200万。金属离子与酶蛋白质的结合体统称为金属酶。

（2）金属酶在生物体内的作用是在各种重要的生化过程中完成专一的催化功能。对反应物（称底物或基质）具有高度的专一性。

2．羧肽酶

（1）羧肽酶系是水解蛋白质多肽链的酶系，功能是水解多肽链中含羧基的一端。

（2）在酶催化反应中，首先是酶与底物必须有适当的空间结构，然后酶与底物作用，把底物固定在对这一反应特别适合的位置，生成金属—蛋白质—底物的三元配合物，并引起底物与蛋白质的构象发生改变，使底物的键扭曲，以利于键的断裂，生成产物。

四、维生素B12和B12辅酶

1．维生素B12

（1）维生素B12是唯一含有金属元素的维生素（含C O(Ⅲ)），是所有高等动物都必需的。动物本身不能合成它，只有细菌能合成。

（2）B12中的钴有+Ⅲ、+Ⅱ、+Ⅰ三种氧化态。维生素B12可写作，也可简化为CN—cbl。

（3）B12衍生物包括咕啉环上取代基或侧链的变化、轴向配体变化和金属价态变化产

生的化合物。

2．维生素B12辅酶

在生物体内B12起辅酶的作用。反应如下：

28.2　课后习题详解

28-1 叙述钠、钾、钙、铁、铜、锌、钴等元素的各自的生物功能。

答：（1）钠、钾的主要功能是调节体内的渗透压、电解质平衡和酸碱平衡，通过钠—钾泵，将钾离子、葡萄糖和氨基酸输入细胞内，维持核糖体的最大活性，以便有效的合成蛋白质。钾离子也是稳定细胞内酶结构的重要辅因子。同时，钠离子、钾离子还参与神经信息的传递。

（2）钙是骨骼、牙齿和细胞壁形成时的必要结构成分（如磷灰石、碳酸钙等），钙离子还在传送激素影响、触发肌肉收缩和神经信号、诱发血液凝结和稳定蛋白质结构中起着重要的作用。

（3）铁（II，III）的主要功能是作为机体内运载氧分子的呼吸色素。例如，哺乳动物血液中血红蛋白和肌肉组织中的肌红蛋白的活性部位都由Fe（II）和卟啉组成。其次，含铁蛋白（如细胞色素、铁硫蛋白）是生物氧化还原反应中的主要电子载体，它是所有生物体内能量转换反应中不可缺少的物质。