第一章 生物无机化学概论

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
一些在药用上有较大价值的元素钒：

(6). 合成新的药 物并且研究药理。 如合成抗癌药物， 抗艾滋病药物，研 究其抗病机理；合 成人造血液（输氧 及机理）；合成解 毒剂，用于清除重 金属中毒；合成某 些络合剂（药）去 除有害细菌生存的 某些金属元素。
生物无机化学家，中科院院士
王夔 北京大学
计亮年 中山大学 同济大学
倪嘉缵 长春应化所 深圳大学
来自百度文库仲贤 复旦大学
杨频 山西大学
徐辉碧 华中科技大学
江雷 郭子建 中科院化学所 南京大学， 北航，院士， 长江学者 长江学者
曲晓刚 毛宗万 中山大学， 长春应化所， 杰青 杰青
长期以来，人们把绝大多数碳的化合物称为 有机化合物，他们主要由C、H、O、N、X、S、P等 元素组成,而把其余的化合物都化入无机化合物的 范畴。
•Pt(II): Cisplatin(cis-[Pt(NH3)2Cl2]), chemotherapy (inhibition of cell division, not cell growth)

(7). 离子载体（ionophore） 能运载金属离子通过生物膜的有机配体。 与金属离子与细胞的相互 作用研究直接关联。
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
ICBIC―7 ICBIC―8
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
ICBIC―9
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 奥地利 ICBIC―14 2009年 日本
生物无机化学
主讲教师：石硕，博士，副教授 同济大学化学馆546
个人主页:http://chemweb.tongji.edu.cn/Content/TeacherView.aspx?id=43
1. 计亮年，毛宗万；生物无机化学导论，科学出版社。 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。
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。
(2).金属蛋白和金属酶的化学结构与功能、 催化机理以及模型化合物的构建
（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
（3）. 生物矿化、生物纳米的 程序化组装及智能仿生体系


自然界中，无论是细菌、微生物，还是植物、 动物，都可以在体内形成矿物，称为生物矿物 材料（骨、牙、软骨、软体动物外骨骼、蛋壳 等）。它们是矿物与基质构成的复合材料，其 高度的装配有序性、特殊的理化性质、可控的 动态性质和特殊的生物功能都引起人们的关注。 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。
现在，人们已经认识很多生命过程都与过去认 为“没有生命”的元素(无机元素)有关。这些无机 元素包括纯的金属元素及非金属元素。这些元素不 仅对于维持生物大分子的结构至关重要，而且还广 泛参与到各种生命过程中，为在物质输送、信息传 递、生物催化和能量转换中起关键作用。
血红蛋白(Hemoglobin) Quaternary structure changes upon binding of O2 (top view)
两种研究途径：
（1）直接从生物体中提取所需研究的物质，经必要 的分离和提纯后，对其进行诸如结构测定，功能探索及 其它目的的研究。 （2）先用人工合成的方法来制备所需要研究的物质， 然后对其进行预定目的的研究。但是，由于生物体内 具有某些生物功能的化合物，如酶及其某些生物体配 合物，往往组成和结构十分复杂，合成真实分子还有 很大困难。 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。
1-2 生物无机化学研究的内容
鉴于生物无机化学正处于向前发展的 阶段，并迅速向各方面渗透，对其研究内 容，目前只能作一大致概括 。主要有：
金属离子及其化合物与生物大分子的 相互作用及功能的调控机理
(1).

与核酸、核苷酸 的相互作用 热门课题：金属 离子对DNA构象 的影响；金属离 子特别是金属配 合物对不同构型 DNA选择性的结 合。
血红素中 Fe的配位
结合氧的部位
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
在自然界中， 维生 素B12常 以辅酶的 形式存在， 是最主要 的辅酶之 一。VB12 对维持肌 体正常生 长以及红 细胞的产 生都是极 其重要的
Scientific journals
J. of Biological Inorganic Chemistry J. of Inorganic Biochemistry
国际生物无机化学会议（ICBIC）简介
International-Conference-on-Biological-Inorganic-Chemistry 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
ICBIC―15 2011年 加拿大
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 ISABC―2 1992年 广州 金属药物和抗癌药 生物矿化和生物材料
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


什么是生物无机化学？ 生物学 无机化学
机体中固有的无机元素
生物无机化学
环境接触中外来的以及 人为引入机体的无机元素
对处于生命环境中的无机元素进行研究的学科 研究生物体系内金属元素和其它非金属元素 在生物体内的形态、结构、特性和功能
莲花叶子的防水
(4).金属离子与细胞的相互作用研究



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。 事实上，生物化学所研究的所有生物分 子都只存在于细胞内。
(5). 元素生物无机化学与环境生物无机化学 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
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 ISABC―5 1999年 希腊 环境生物无机化学 地中海贫血
ISABC―6 2001年 英国
ISABC―7 2003年 墨西哥
ISABC―8 2004年 香港
ISABC―9 2006年 阿根廷
小分子修饰使蛋白 酶功能改变和关闭
ISABC―10 2009年 匈牙利
ISABC―11 2011年 西班牙
ISABC―12 2013年 广州
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
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。
Structure——Property——Activity Relationship
Bioinorganic Chemistry和Inorganic Biochemistry 是介于生物化学和无机化学之间的边缘学科。
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。
缬氨霉素能转运K+

(8). 金属酶和模拟酶的应用 在研究金属酶化学结构与功能关系的基础上， 合成模拟酶，并应用于生产是极富生命力的 研究领域。
(9). 稀土生物无机化学





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？