生物无机化学简介生物无机化学是介于生物化学和无机化学之间的内容十分广泛的边缘学科 , 生物无机化学主要是在分子水平上研究生物体内与无机元素 ( 包括生命金属和生命非金属元素 ) 有关的各种相互作用 . 主要包括以下几个方面 :

1. 研究人体及其它生物体所必须的元素 , 它们在器官中的分布状况 , 存在状态 , 作用机理 , 功能及合适的摄取量 .

2. 研究地球化学环境特别是工业金属对人体健康的影响 , 阐明污染元素使人体中毒致病的机理 , 指出减少污染 , 预防疾病和增进健康的途径 .

3. 探讨某些常见疾病的发病原因与金属元素之间的联系 , 以调节和控制这些元素来防止病变的发生 .

4. 合成新的药物 , 研究药理 . 如合成抗癌药物和具有抗癌机理 , 合成载氧人造血液及研究载氧机理 , 合成某些人体过量的和有害的金属元素的解毒剂 ( 常为配位体 ), 并探讨其作用机理 .

5. 研究金属离子与生物配体所形成的配合物 , 或人工合成某些模拟化合物 , 揭示结构 , 性质与生物功能之间的关系 .

生物配体 : 在生物体中可与金属离子形成具有一

定生物活性的分子或离子的物质称为生物配体 . 它大体上包括下列三类 :

1). 简单酸根离子 , 如 : Cl-, HCO3-, HPO4

2- 等 .2). 简单分子 , 如水 , 氧 , 羧酸 , 碳水化合物及

其衍生物 .3). 复杂的生物大分子 , 如 : 氨基酸 , 卟啉 , 核

苷酸 , 蛋白质 , 核酸等 , 分子量可大可小 , 配位原子一般为 N, S, O 等 .

主要为第二和第三类配体 .

氨基酸、肽、蛋白质组成蛋白质的基本单元是氨基酸， 不同的蛋白质分子是由 20 多种－氨基酸构成的， －氨基酸可用如下

通式表示，不同的氨基酸只是 R- 取代基不同。

在氨基酸分子中，氨基 N 和羧基 O 可作为配位原子，与

金属离子特别是过渡金属离子配位， 此外， R 基团内的羟基，咪唑基，硫谜基， 巯基等也可与金属离子配位。氨基酸相互聚合而成的化合物称为肽。

H2N CH C

R

OH

O

氨基酸聚合的方式是一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的羟基脱去一个分子水， 形成肽键。

N 端 肽键 C 端

H2N CH C

R

O

O

N CH C

R

OH

O

H

H

H

H2N CH C

R

O

HN CH C

R

O

O

H

蛋白质是由很多个氨基酸组成的多肽大分子，由 1 条或多条肽链按各自特殊方式组合而成，蛋白质中含氨基酸数目为数十个到数万个。蛋白质分子的内部结构分为四个层次：

一级结构：蛋白质分子中肽链氨基酸的排列顺序二级结构：蛋白质分子中肽链本身的折叠方式，如：螺旋。三级结构：由于各个氨基酸残基不同性质的侧链的相互作用， 使多肽不同长度的螺旋肽链和走向无序的松散肽段按确定的方式形成紧密的折叠结构 ( 如折叠 ) ，这种特定的空间结构称为蛋白质的三级结构。

四级结构：在某些蛋白质分子中， 整个分子是由若干条多肽链组成的， 其中以共价键结合的最小多肽结构单元称为亚单元， 各亚单元可以相同， 也可以不同，蛋白质分子是多个亚单元构成的聚集体，亚单元构成的聚集是蛋白质的四级结构。亚单元之间的作用力是静电作用， 氢键，疏水基团的相互作用等，不包括共价键。

核苷酸和核酸：

生命活动主要通过蛋白质来体现，而生物的遗传特征则主要决定于核酸。

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核苷酸组成中，腺苷二磷酸 (ADP) 和腺苷三磷酸 (ATP),

都是生物细胞中的高能物质， 多磷酸核酸的功能之一就是将糖氧化释放出来的能量储存于高能键中。

N

N N

N

NH2

O

OH OH

CH2O P OO

OHPO

OHO P

OOH

OHÏÙàÑßÊ(A)

ºËÌÇ(R)

AMP ÏÙÜÕÒ»Á×Ëá

ADP ÏÙÜÕ¶þÁ×Ëá

ATP ÏÙÜÕÈýÁ×Ëá

多磷酸核苷酸

核酸的结构：

按其分解后所含戊糖的组成不同， 核酸可分为两类：即核糖核酸 (RNA) 和脱氧核糖核酸 (DNA). RNA 主要存在于细胞质内， DNA 主要存在于细胞核内。它们各有四种碱基， 其中腺嘌呤 (A), 鸟嘌呤 (G), 和胞嘧啶 (C) 为它们共有，尿嘧啶 (U) 和胸腺嘧啶 (T)则分别为 RNA 和 DNA 单独具有 .

DNA 的一级结构： 是指组成 DNA 链的核苷酸顺序，它是决定遗传信息的载体。核酸的一级结构是指核酸中各单核苷酸的种类核排列次序。

核酸的二、三级结构：

核酸的二、三级结构是指核酸的构象， DNA 的二级结构为双股螺旋结构，两条核酸之间通过碱基对之间的氢键结合。

N

NNH

N

NH2

HN NH

O

O

A T

A G C T G

CAGCT

CA G C T

AGCTG

NH

N

HN

N O

NH2

N

NH

H2N

O

G C

金属蛋白和金属酶

蛋白质分为简单蛋白和结合蛋白，简单蛋白是指水解产物只有氨基酸的蛋白， 结合蛋白是由简单蛋白与非蛋白两部分组成， 非蛋白部分称为辅基，辅基可以是有机化合物－糖类、酯类和核酸，也可以是金属离子，凡是有金属部分的结合蛋白统称为金属蛋白，如血红蛋白 ( 氧载体 ), 蓝铜蛋白和铁硫蛋白 (电子传递

体 ) 。

金属蛋白和金属酶：

血红蛋白 ( 氧载体 ), 蓝铜蛋白和铁硫蛋白 (电子传递体 ) 。

金属酶是一类具有特殊催化功能的一类蛋白 , 它是生物体内十分温和条件下完成化学变化的催化剂 , 酶催化的特点是 : 高效和高选择性 .

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按蛋白质载氧的活性部位化学本质， 天然载氧体可分为三类：

1. 含血红素辅基的蛋白 (Heme), 如血红蛋白(Hemoglobin) 和肌红蛋白 (Myoglobin).

2. 不含血红素的铁蛋白 , 如蚯蚓血红蛋白 (Hemerythrin).

3. 含铜的蛋白 , 如血蓝蛋白 (Hemcyanin).

载氧蛋白

血红蛋白 (Hemoglobin) 的结构

血红蛋白 (Hemoglobin-Hb) 的活性部位

哺乳动物的血红蛋白是由四个亚单元 () 或 ()

组成，每个亚单元都含一个 Fe(II) 卟啉辅基，其结构如上图 . 亚单元第 87 位组氨酸和亚单元第 92 位组氨酸上的咪唑 N 原子是轴向配体 , 第六配位是氧 (O2).

NNH

HNN

N

NN

NFe

N(His)

O2

d 0.045 -0.075 nm

血红蛋白 (Hemoglobin) 的主要功能

血红蛋白的主要功能是运送O2 和 CO2, 与氧结合的血红蛋白称为氧合血红蛋白 (Oxyhemoglobin-HbO2), 血红蛋白与氧结合是可逆的：

Hb + O2 HbO2

血红蛋白多肽单链的自由氨基与 CO2 结合生成氨基甲酰血红蛋白 , 将组织产生的 CO2运送到肺部呼出：

HbNH + CO2 HbNHCOOH

血液循环就依靠血红蛋白的这一功能，有效地把O2从肺部输送到各组织，再把 CO2从肺部运送到肺部呼出。

肌红蛋白 (Myoglobin) 的结构

肌红蛋白是一条由 153 个氨基酸残基组成的多肽 , 卟啉Fe(II) 与 His-93 配位，第六配位原子为水 , 氧合时为 O2

分子 . Hb 和 Mb 活性部位都是疏水环境 , 并含有大量的还原性物质 , 如抗坏血酸、谷胱甘肽、 NADPH2 等 , 从而保证 Fe(II) 不被氧化为 Fe(III), 失去结合 O2 能力。

NNH

HNN

N

NN

NFe

N(His93)

(H2O, O2)

d 0.045 -0.075 nm

肌红蛋白 (Myoglobin － Mb) 的活性部位

血蓝蛋白 (Hemocyanin) 的结构

组成血蓝蛋白的亚单元较多 , 每个亚单元都含有两个Cu(I) 离子，构成一个氧合中心 , 其生理功能是输送氧，氧合血蓝蛋白的铜是 Cu(II) 并呈蓝色。每个 Cu(I) 离子与三个组氨酸残基 (His) 的咪唑 N 原子配位 , 未氧合时 ,

铜离子间距为 46 pm, 氧合后Cu(II) 是 4 或 5 配位的。

血蓝蛋白 (Hemocyanin) 的活性部位

CuA

N1

O O

N2

CuB

N5 N6

N4

N3CuA

N1N2

N3

CuBN6

N5

N4 + O2

- O2

氧化－还原蛋白

除厌氧生物外 , 一切生物都需要氧 , 氧化－还原反应是

生物体中的重要反应，如呼吸作用、光合作用、固氮作用和生物体内的新陈代谢过程都涉及氧化－还原反应，因此，氧化－还原蛋白是生物体中另一类重要的蛋白质。如：细胞色素 C, 细胞色素 P-450, 铁硫蛋白 ,

超氧化物歧化酶 , 肝醇脱氢酶 , 固氮酶等。

细胞色素 C(Cytochrome C) 的结构

马心细胞色素 C 也含有卟啉铁结构单元轴向第五配体是 His-18咪唑氮，第六配体是Met-80( 蛋氨酸 ) 的甲基

硫，其基本生物功能是通过分子中的血红素铁的价态的可逆变化在生物体中起电子和氢的传递作用。

NNH

HNN

N

NN

N

Fe

N(His-18)

SMe(Met-80)

细胞色素 C 的活性部位

细胞色素 P-450(P-450) 的结构

细胞色素 P-450 的活性部位

P-450 是一类具有不同分子量、不同生化特征及不同催化功能的血红素蛋白的总称 . 其活性部位含有卟啉铁结构单元 , 轴向第五配体是来自半胱氨酸残基的硫 , 第六配位可能是水或羟基 , 目前还不是很清楚 . 在哺乳动物体内 , 可催化 300 多种脂溶性化合物进行氧化－还原反应 , 如如羟化、环氧化、 N,O- 脱烷基、 N,S- 氧化等。

NNH

HNN

OH2(OH-)

N

NN

N

Fe

S(Cys)

超氧化物歧化酶 (SOD)

生物体生存的必要条件之一是通过呼吸作用产生能量 ,

基本过程是将氧还原为水 : O2 + 4H+ + 4e 2H2O 该反应由细胞色素 C 氧化酶催化 , 还原分两部进行 :

O2 + e O2- O2

- + e O22-

超氧自由基阴离子 O2- 和过氧离子 O2

2-都是高活性的有毒物质 , 可以由过氧化氢酶 , 过氧化物酶和超氧化物歧化酶有效地清除 . 天然超氧化物歧化酶 ( Superoxide

Dismutase, SOD) 有三种 : Cu-Zn-SOD, Fe-SOD, Mn-

SOD. 其中 Cu-Zn-SOD 研究得比较深入 .

超氧化物歧化酶 (SOD)- 的结构

Cu-ZnSOD Mn-SOD

超氧化物歧化酶 Cu-Zn-SOD 的活性部位

X-射线结构分析证实 : Cu(II) 的配体为 4 个组氨酸残基和水分子 ,

而 Zn(II) 离子由 3 个组氨酸和一个天冬氨酸残基配位 , 形成变形四面体 , 其中 , His-61 的咪唑基是 Cu(II) 和 Zn(II) 的桥联配体 . 采用

取代活性中心离子的实验方法证实 : Cu(II) 离子是催化中心 , Zn(II)

离子只起次要的结构作用 .

N NZn Cu

O

N

N N

N

NH2O

O

Asp-81

His-78

His-63 His-44

His-46

His-118His-61

Cu-Zn-SOD 的生物功能是催化超氧化物歧化为 O2 和 H2O2.

2O2- + 2H+ H2O2 + O2

乙醇脱氢酶 (Alcohol dehydrogenase) 的结构

乙醇脱氢酶的活性中心是 1

个组氨酸残基咪唑 N 原子 , 2

个半胱氨酸 S 原子和水配位的 Zn(II) 离子 , 它在辅酶NAD+/NADH 存在下催化由醇氧化到醛的反应 :

CH3CH2OH + NAD+ CH3C

HO + NADH + H+

Zn

H2O

N

S

S

His

Cys

Cys

乙醇脱氢酶 (Alcohol dehydrogenase) 的活性部位

从各种微生物分离出来的固氮酶都是由钼铁蛋白和铁蛋白两种相对独立 , 相互分离的蛋白组成的 , 铁蛋白是依赖于 ATP供给能量的电子传递体 , 具有把电子传递给钼铁蛋白的功能 , 钼铁蛋白是结合底物分子和催化底物还原底部位 , 二者协同作用完成催化功能 . 其结构如上图 .

固氮酶 (Nitrogenase) 的结构

MgATP MgATP

= [Fe4S4]1+/2+

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Fe-Mo-co

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P´Ø¶Ô Fe-Mo-co Ìúîâ ¸¨ »ù

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固氮酶 (Nitrogenase) 的结构及活性部位

Fe

S Fe

SFE

S

S

Fe

S

Fe

S Fe

SFe

S

S

FeS

S

S

S

S

-153Cys

-70Cys

-95Cys

-62Cys

-154Cys

-88Cys

-188Ser

钼铁蛋白 P簇对的结构

固氮作用的机理

研究表明 , 固氮酶催化 N2 和其它底物还原时电子传递顺序如下 :

铁钼辅基与 N2 结合的模式可能有

如下两种 :

O

S

Fe

FeS

FeFe

S

S

S

Mo

FeS

FeFe

S

SX

S

O

O

N

钼铁蛋白铁钼辅基的结构

Fe N N Fe

FeN

NFe

碳酸酐酶 (Carbinic anhydrase) 的结构

碳酸酐酶广泛存在于动物 ,

植物和某些微生物体内 , 能催化 CO2 的水合作用 , 人和动物血液中的碳酸酐酶由单一肽链组成 , 每个分子含一个 Zn(II) 离子和约 260 个氨基酸残基 .

碳酸酐酶 (Carbinic anhydrase) 的活性部位

碳酸酐酶的活性部位是 Zn2+

离子与三个组氨酸咪唑 N和

一个羟基或水形成的四面体构型的配位单元 . 研究表明 ,

脱去 Zn(II) 离子 , 则失去催化活性 , 加入 Co(II)后活性可恢复 50%.

N N Zn

N

N

N

N

OH-(H2O)

His93His95

His117

碳酸酐酶 (Carbinic anhydrase) 的催化机理

目前的研究领域和现状1. 无机药物化学 :铂抗癌药 , 非铂类 Ru, Rh, Sn, Ti, Ga 等金属抗癌药 , V, Bi, Au,

Li, Cu, Zn, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, 及 RE(稀土 ) 金属药物 .

2. 金属酶和金属蛋白的结构和功能的模拟 :Cyt C, P-450, SOD, ADH, B12, 等结构和功能的模拟

3. 稀土生物无机化学的应用 :稀土肥料及饲料添加剂

4. 离子探针及其应用 :

5. 仿生材料 :生物矿化 , 生物膜