生物无机化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物无机化学生物无机化学 6 稀土生物无机化学稀土生物无机化学1 概概 述述2 必需元素与有毒元素必需元素与有毒元素3 金属酶金属酶4 IA及及IIA金属生物无机化学金属生物无机化学5 副族元素生物学效应副族元素生物学效应 第1页引引 言言 河南林县、四川盐亭、山西太行山部分地域，河南林县、四川盐亭、山西太行山部分地域，食道管肿瘤发病率较高，研究发觉是因为缺乏化食道管肿瘤发病率较高，研究发觉是因为缺乏化学元素钼（学元素钼（Mo）所致。）所致。黑龙江克山县部分地域，以心肌损害为主要黑龙江克山县部分地域，以心肌损害为主要病变地方性心脏病发病率较高，研究发觉是因为病变地方性心脏病发病率较高，研究发觉是因为缺乏化学元素硒（缺乏化学元素硒（Se）所致。）所致。第2页 在一些内陆边远山区，过去常见一个在一些内陆边远山区，过去常见一个发病率较高地方病甲状腺肿大，研究发觉发病率较高地方病甲状腺肿大，研究发觉是因为缺乏化学元素碘（是因为缺乏化学元素碘（I）所致。）所致。六十年代，在伊朗以谷物为主食居民六十年代，在伊朗以谷物为主食居民中发觉了中发觉了“侏儒症侏儒症”病例，深入研究证实病例，深入研究证实是因为化学元素锌（是因为化学元素锌（Zn）缺乏所致。）缺乏所致。第3页 日本神通川地域曾经有一个以骨痛为特征疾日本神通川地域曾经有一个以骨痛为特征疾病，被当地人称为病，被当地人称为“痛痛病痛痛病”。调查发觉是。调查发觉是 因因为该地域水体中化学元素镉（为该地域水体中化学元素镉（Cd）浓度严重超）浓度严重超标所致。标所致。日本部分地域曾经还有一个日本部分地域曾经还有一个“水俣水俣(yu)病病”，主要表现为手足麻木、听觉障碍、震颤及其情，主要表现为手足麻木、听觉障碍、震颤及其情绪失常。研究发觉是因为化学元素汞（绪失常。研究发觉是因为化学元素汞（Hg）中）中毒所造成。毒所造成。第4页 20 世纪世纪 50 年代以来，痕量分析等新技术出现，年代以来，痕量分析等新技术出现，使人们认识到生命过程与无机化学也亲密相关，打破使人们认识到生命过程与无机化学也亲密相关，打破了早期认为与生命化学都是有机化学观点。了早期认为与生命化学都是有机化学观点。20 世纪世纪 70 年代初开始形成了由无机化学和生物年代初开始形成了由无机化学和生物化学交叉、渗透而产生生物无机化学化学交叉、渗透而产生生物无机化学(bioinorganic chemistry)。标志之一是。标志之一是 1970 年成立了国际生物无机年成立了国际生物无机化学协会并召开了国际生物无机化学研讨会。在化学协会并召开了国际生物无机化学研讨会。在 1971 年又出版了名为年又出版了名为“Bioinorganic Chemistry”学术刊物学术刊物(1979 年被更名为现在年被更名为现在“Journal of Inorganic Biochemistry”杂志杂志)。第5页1 概概 述述 1.1 生物无机化学主要研究内容：生物无机化学主要研究内容：生物体内物质及相关化合物与各种无机元素，尤生物体内物质及相关化合物与各种无机元素，尤其是微量金属离子之间相互作用；其是微量金属离子之间相互作用；生物体内金属离子及其金属酶、金属蛋白结构、生物体内金属离子及其金属酶、金属蛋白结构、功效以及模功效以及模 拟研究；拟研究；无机元素在生物体内循环、环境污染、含金属药无机元素在生物体内循环、环境污染、含金属药品等对生物体、生命生理过程影响等。品等对生物体、生命生理过程影响等。第6页1.2 生物无机化学主要研究方法：生物无机化学主要研究方法：用各种物理化学方法直接研究用各种物理化学方法直接研究 生物体系中金属酶生物体系中金属酶和金属蛋白等含金属物种结构、功效及其作用机和金属蛋白等含金属物种结构、功效及其作用机理；理；用模拟方法来研究主要生物过程和生物大分子配用模拟方法来研究主要生物过程和生物大分子配合物结构以及结构与功效之间关系。包含活性中合物结构以及结构与功效之间关系。包含活性中心结构模拟、功效模拟以及利用基因突变等方法心结构模拟、功效模拟以及利用基因突变等方法对原型化合物进行局部修改，从而观察修改对其对原型化合物进行局部修改，从而观察修改对其结构、功效影响等。结构、功效影响等。第7页2 必需元素与有毒元素必需元素与有毒元素 2.1 必需元素必需元素(essential elements)生物必需元素或生命元素，是维持生物体生生物必需元素或生命元素，是维持生物体生存所必需元素存所必需元素,缺乏会造成严重病态或者死亡。缺乏会造成严重病态或者死亡。生物必需元素种类和个数伴随研究深入和发展而生物必需元素种类和个数伴随研究深入和发展而不停改变，比如不停改变，比如 Ni、As 等以前认为不是生物必需等以前认为不是生物必需元素元素以后被证实为生物必需元素。元素元素以后被证实为生物必需元素。必需元素需同时具备以下四个条件必需元素需同时具备以下四个条件:(i)元素在不一样生物组织内都有一定浓度；元素在不一样生物组织内都有一定浓度；(ii)去除后会使生物有相同去除后会使生物有相同(似似)生理上异常生理上异常;(iii)恢复后能够消除或预防这些异常恢复后能够消除或预防这些异常;(iv)元素有专门生物化学上功效。元素有专门生物化学上功效。第8页2.2 生物必需元素分类生物必需元素分类 按元素在生物体中含量可分为按元素在生物体中含量可分为:宏量结构元素宏量结构元素(bulk)：组成氨基酸、蛋白质、核酸、：组成氨基酸、蛋白质、核酸、多糖、脂质等化合物多糖、脂质等化合物 C、H、O、N、P、S;宏量矿物素宏量矿物素(macrominerals):主要有主要有 Na、K、Ca、Mg 等元素等元素;微量金属元素微量金属元素(trace metal):Fe、Zn、Cu 等等;超微量元素超微量元素(ultratrace)：Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Cd、Sn、Pb、Li 及及 I、F、Se、Si、As、B 等。等。生物无机化学研究中包括主要是微量和超微量生物无机化学研究中包括主要是微量和超微量金属元素。金属元素。第9页第10页2.3 生物体选择特定元素基本规律：生物体选择特定元素基本规律：丰度规则：丰度规则：又称海生学说。依据生命起源于海洋假又称海生学说。依据生命起源于海洋假说说,在生物进化早期在生物进化早期,当生物体能够从能够完成一当生物体能够从能够完成一样功效几个元素中选取一个元素时样功效几个元素中选取一个元素时,生物体选择了生物体选择了海洋中丰度较大一个。这一假说认为生物体选择某海洋中丰度较大一个。这一假说认为生物体选择某一元素作为生物必需元素是与当初生物体所处环境一元素作为生物必需元素是与当初生物体所处环境相关。相关。有效规则：有效规则：当有几个元素当有几个元素(或化合物或化合物)可供选择时可供选择时,生物体普通从中选取最为有效一个元素作为本身必生物体普通从中选取最为有效一个元素作为本身必需元素。需元素。第11页基本适应规则基本适应规则:这一规则认为这一规则认为 被选择元素在热力被选择元素在热力学上必须具备完成某种功效能力。学上必须具备完成某种功效能力。有效性和特异性规则有效性和特异性规则:作为生物必需元素金属离子作为生物必需元素金属离子还必须具备在酶或蛋白特定结构中完成特定功效还必须具备在酶或蛋白特定结构中完成特定功效能力。能力。研究证实生物体系中金属酶、金属蛋白都含研究证实生物体系中金属酶、金属蛋白都含有特定结构和功效有特定结构和功效,尤其是其活性中心结构普通含尤其是其活性中心结构普通含有特定扭曲畸变有特定扭曲畸变,而不一样于简单配合物中金属离而不一样于简单配合物中金属离子周围结构子周围结构,而且正是因为这种特殊扭曲畸变结构而且正是因为这种特殊扭曲畸变结构确保了金属酶和金属蛋白特异性。确保了金属酶和金属蛋白特异性。第12页2.4 有毒元素有毒元素(toxic elements)有毒元素又称有害元素有毒元素又称有害元素，是指那些存在于生物，是指那些存在于生物体内会影响正常代谢、生命和生理过程元素。体内会影响正常代谢、生命和生理过程元素。当前已知显著有害当前已知显著有害元素有元素有 Cd、Hg、Pb、Tl、As、Sb、Be、Ba、In、Te、Se、V、Cr、Nb 等等，其中其中 Cd、Hg、Pb、As 等为剧毒元素。等为剧毒元素。不论是必需元素还是有毒元素，在生物体内量不论是必需元素还是有毒元素，在生物体内量是决定是否对生物体有益关键原因是决定是否对生物体有益关键原因,太少可能引发太少可能引发一些疾病和不正常，造成缺乏症。一些疾病和不正常，造成缺乏症。另外，有些金属离子在生物体内存在价态等决另外，有些金属离子在生物体内存在价态等决定其是否有毒性。如适量定其是否有毒性。如适量 Cr3+和和 Ni2+对生物体都对生物体都是有益，不过是有益，不过 CrO42 和和 Ni(CO)4 可致癌。可致癌。第13页必需元素量必需元素量效关系效关系第14页3 金属酶金属酶 3.1 金属酶金属酶 金属酶就是结合有金属离子生物酶金属酶就是结合有金属离子生物酶,也就是说也就是说必须有金属离子参加才有活性酶被称为金属酶必须有金属离子参加才有活性酶被称为金属酶(metalloenzyme 或或 metal-activated enzyme)。当前已经知道生物体系中约有三分之一酶需要当前已经知道生物体系中约有三分之一酶需要有金属离子参加才能显示活性。这些金属酶实际上有金属离子参加才能显示活性。这些金属酶实际上是一个生物催化剂是一个生物催化剂,在其作在其作 用下用下,生物体内许多复生物体内许多复杂或通常条件下难以发生化学反应能够在温和生理杂或通常条件下难以发生化学反应能够在温和生理条件下得以顺条件下得以顺 利进行。利进行。第15页3.2 金属酶分类金属酶分类 天然金属酶依据其催化反应类型可分为：天然金属酶依据其催化反应类型可分为：氧化还原酶氧化还原酶(oxidoreductase)转移转移 酶酶(transferase)水解酶水解酶(hydrolase)异构化酶异构化酶(isomerase)裂解酶裂解酶(lyase)合成酶合成酶(synthetase,又称连接酶又称连接酶 ligase)第16页3.3 金属酶作用金属酶作用 金属离子与蛋白链结合金属离子与蛋白链结合,从而使蛋白含有特定高从而使蛋白含有特定高级结构级结构(构象构象)和稳定性和稳定性,而且这种特定结构和而且这种特定结构和稳定性与其催化活性之间有亲密关系；稳定性与其催化活性之间有亲密关系；经过金属离子与底物分子间相互作用经过金属离子与底物分子间相互作用,使底物分使底物分子定向子定向,从而发生专一性强、选择性高催化反应；从而发生专一性强、选择性高催化反应；形成催化反应活性中心形成催化反应活性中心(active center ,从而为从而为酶提供催化反应活性部位酶提供催化反应活性部位(active site)。第17页3.4 金属药品金属药品 金属药品是一类人为地引人生物体内含金属金属药品是一类人为地引人生物体内含金属物种，当前该方面研究主要集中在以下两个方面：物种，当前该方面研究主要集中在以下两个方面：设计合成新配位化合物设计合成新配位化合物,目标是从中筛选出有活性目标是从中筛选出有活性化合物化合物,为作深入研究提供基础；为作深入研究提供基础；研究金属药品分子与体内生物分子作用、机理以研究金属药品分子与体内生物分子作用、机理以及药品分子在体内代谢等及药品分子在体内代谢等,目标是探讨活性与结构目标是探讨活性与结构之间关系之间关系,从而为设计合成活性高、毒性低新型金从而为设计合成活性高、毒性低新型金属药品奠定基础。属药品奠定基础。第18页 金属药品分类金属药品分类 金属药品依据其作用不一样可分为治疗类药品金属药品依据其作用不一样可分为治疗类药品和诊疗类药品两大类。和诊疗类药品两大类。治疗类药品：治疗类药品：如如 1965 年年 Rosenberg 等人报道抗癌等人报道抗癌药品顺铂药品顺铂 cis-Pt(NH3)2Cl2(cisplatin)，到当前为止，到当前为止依然是临床上广泛使用一个抗癌药品依然是临床上广泛使用一个抗癌药品,说明顺铂是说明顺铂是一个非常了不起药品。一个非常了不起药品。顺铂等抗癌药品作用机理是广大科学工作者顺铂等抗癌药品作用机理是广大科学工作者研究热点问题之一，这不但为了处理为何顺铂有研究热点问题之一，这不但为了处理为何顺铂有抗癌活性而反铂没有抗癌活性问题抗癌活性而反铂没有抗癌活性问题,而且为说明药而且为说明药品结构品结构活性活性毒副作用之间关系提供基础毒副作用之间关系提供基础,从而从而为设计和筛选新抗癌药品提供依据。为设计和筛选新抗癌药品提供依据。第19页DDP 作用机理作用机理 对对 DDP 抗肿瘤活性作用机理研究，当前公认抗肿瘤活性作用机理研究，当前公认为：为：(1).DDP 首先水解，首先水解，以以 H2O 分子取代分子取代 DDP 中中 Cl 离子，形成离子，形成 cis-Pt(NH3)2(OH)2。(2).DDP 水解产物与水解产物与 DNA 相互作用，相互作用，使使肿瘤细胞肿瘤细胞 DNA 复制、转录受到抑制，迫使肿瘤细复制、转录受到抑制，迫使肿瘤细胞凋亡或死亡。胞凋亡或死亡。第20页 1995年年 WHO 对上百种治癌药品进行排名，对上百种治癌药品进行排名，顺铂综合评价（疗效，市场等）位居顺铂综合评价（疗效，市场等）位居第第 2。另据统。另据统计，在我国以顺铂为主或有顺铂参加配伍化疗方案计，在我国以顺铂为主或有顺铂参加配伍化疗方案占全部化疗方案占全部化疗方案70%80。尽管尽管 DDP 作为抗肿瘤药品至今依然使用，但作为抗肿瘤药品至今依然使用，但它同时也有较它同时也有较严重毒性和副作用。严重毒性和副作用。对对 DDP 进行进行改良研究改良研究一直在进行，几个代表一直在进行，几个代表性该类配合物简述以下：性该类配合物简述以下：第21页卡铂：卡铂：1 1，1 1环丁二酸二胺合铂（环丁二酸二胺合铂（II)II)二十世纪八十年代，由二十世纪八十年代，由美国施贵宝企业、美国施贵宝企业、英国肿瘤研究所以及英国肿瘤研究所以及 Johnson Mayyhey 企业联企业联合开发合开发第二代第二代铂系抗肿瘤药品。铂系抗肿瘤药品。第22页Nedaplatin：顺式乙醇酸二氨合铂（：顺式乙醇酸二氨合铂（II)简称简称 CDGP，代号代号 254-S。已在。已在日本日本上市，上市，并进入并进入 III 其临床研究。其临床研究。第23页乐铂：环丁烷乳酸盐二甲胺合铂（乐铂：环丁烷乳酸盐二甲胺合铂（II)II)由德国由德国 Asta Medica AG Frankfurt 企业开发，企业开发，当前在进行当前在进行乐伯与乐伯与 5-Fu 联合联合治疗食道系统肿瘤治疗食道系统肿瘤临床试验。临床试验。第24页草草 酸酸 铂铂 Oxaiplatin,代号代号L-OHP，全称为，全称为草酸草酸-(反反式式-L-1,2-环己二胺合铂环己二胺合铂(II)。该要首先在日本及该要首先在日本及法国进行研究，现已在法国上市。法国进行研究，现已在法国上市。第25页 异丙异丙铂铂(Ipmplatin)化学名为化学名为:顺顺异丙异丙胺胺二氯二氯反式反式二二羟羟基基合铂合铂。是八面体构型是八面体构型铂铂配合物配合物,水溶性比顺铅高。异丙水溶性比顺铅高。异丙铂铂抗抗瘤谱比较广瘤谱比较广,主要用于肺癌、乳腺癌、淋巴肉瘤、白主要用于肺癌、乳腺癌、淋巴肉瘤、白血病等治疗。该药肾毒性很低。血病等治疗。该药肾毒性很低。第26页 对对铂铂类化合物抗肿瘤活性类化合物抗肿瘤活性研究研究,总结出总结出以下以下构构效关系效关系:中性中性配配合物比合物比配配离子含有更高抗肿瘤活性。离子含有更高抗肿瘤活性。烷烷基伯基伯胺胺或环或环烷烷基伯基伯胺胺取代顺取代顺铂铂中氨中氨,可显著增加可显著增加其治疗指数。其治疗指数。双齿配位体代替两个单齿配位体双齿配位体代替两个单齿配位体,普通能够增加其普通能够增加其抗肿瘤活性。因为双齿配位体化合物不像单齿配位抗肿瘤活性。因为双齿配位体化合物不像单齿配位体化合物那样轻易转变为反式配合物而失活。体化合物那样轻易转变为反式配合物而失活。取代配位体要有足够快水解速率取代配位体要有足够快水解速率,但也不能太快但也不能太快,以让配合物有足够稳定性到达作用部位。以让配合物有足够稳定性到达作用部位。平面正方形和八面体构型平面正方形和八面体构型铂铂配合物抗肿瘤活性高配合物抗肿瘤活性高于其它构型于其它构型铂铂配合物。配合物。第27页 在治疗类金属药品中除了顺在治疗类金属药品中除了顺铂铂类抗癌药品之外类抗癌药品之外,还有可用于治疗类风湿性关节炎一价金还有可用于治疗类风湿性关节炎一价金 Au(I)配合配合物物,包含注射用硫代苹果酸包含注射用硫代苹果酸Au(I)配合物配合物(a)和口服三和口服三乙基乙基膦膦和四和四O乙乙酰酰硫葡萄糖硫葡萄糖(b)两种不一样配体两种不一样配体 Au(I)配合物配合物 第28页诊疗类药品：诊疗类药品：在实际临床中在实际临床中,对疾病及时、准确发觉和诊疗对疾病及时、准确发觉和诊疗非常主要。当前在临床上使用或正在进行试验诊疗类非常主要。当前在临床上使用或正在进行试验诊疗类金属药品有利用钆金属药品有利用钆 Gd(III)配合物作为核磁共振成像配合物作为核磁共振成像时使用造影剂时使用造影剂(a)、作为心脏造影剂含有放射性同位、作为心脏造影剂含有放射性同位素素 99Tc 化合物化合物(b)等。等。第29页4 IA及及IIA金属生物无机化学金属生物无机化学 碱金属离子中碱金属离子中 Na+、K+以及碱土金属离子中以及碱土金属离子中Mg2+、Ca2+是生物体系中含量最多几种宏量矿物是生物体系中含量最多几种宏量矿物元素。它们在生物体内一方面作为电解质起到平衡元素。它们在生物体内一方面作为电解质起到平衡电荷、维持渗透压等作用电荷、维持渗透压等作用,其次其次,起到稳定蛋白质起到稳定蛋白质结构、激活酶等作用。此外结构、激活酶等作用。此外,镁和钙还是骨髓、牙镁和钙还是骨髓、牙齿等生物矿物主要成分齿等生物矿物主要成分,镁还参与光合作用。表明镁还参与光合作用。表明碱金属和碱土金属离子在维持正常生命和生理过程碱金属和碱土金属离子在维持正常生命和生理过程中起着非常重要作用中起着非常重要作用,也所以引起了广大生物无机也所以引起了广大生物无机化学工作者们兴趣。化学工作者们兴趣。第30页4.1 离子泵和离子载体离子泵和离子载体 碱金属和碱土金属离子在细胞内外浓度分布有碱金属和碱土金属离子在细胞内外浓度分布有很大差异。比如很大差异。比如 Na+和和 K+离子离子,前者主要存在于前者主要存在于细胞外细胞外,而后者则主要存在于细胞内而后者则主要存在于细胞内,这种差异在这种差异在平衡细胞内外渗透压方面起着主要作用。而这种浓平衡细胞内外渗透压方面起着主要作用。而这种浓度差维持则依赖于一个被称之为度差维持则依赖于一个被称之为钠泵钠泵(sodium pump)Na+/K+ATP 酶酶,它是一个跨膜蛋白它是一个跨膜蛋白,其功效其功效是将细胞外是将细胞外 K+离子泵入细胞内离子泵入细胞内,同时将细胞内同时将细胞内 Na+离子泵出到细胞外。有趣是离子泵出到细胞外。有趣是,泵入泵入 K+离子与泵出离子与泵出 Na+离子百分比并非离子百分比并非 1:1,而是而是 2:3。该过程所需要。该过程所需要能量由能量由 ATP 水解产生水解产生 ADP 和无机磷酸来提供。和无机磷酸来提供。第31页第32页 Na+/K+ATP 酶中除了酶中除了 Na+和和 K+离子参加外离子参加外,还需要还需要 Mg2+激活激活,所以所以,也被称为也被称为 Na+/K+/Mg2+ATP 酶。与酶。与 Na+/K+ATP 酶相同还有酶相同还有 Ca2+ATP 酶酶,亦称钙泵亦称钙泵(caicium pump)。该酶是该酶是在在 Ca2+、Mg2+和和 K+离子共同存在下离子共同存在下 ATP 水解产水解产生生 ADP 和和 无机磷酸无机磷酸,利用利用 ATP 水解产生水解产生 ADP 和无和无机磷酸时释放能量将机磷酸时释放能量将 2 个个 Ca2+离子从细胞内运输离子从细胞内运输到细胞外到细胞外,从而使细胞内游离从而使细胞内游离 Ca2+离子浓度维持在离子浓度维持在 104 mmolL1 以下。以下。第33页 离子运输从低浓度运输到高浓度离子运输从低浓度运输到高浓度,也就是说是也就是说是逆浓度梯度逆浓度梯度进行运输称为进行运输称为主动运输主动运输(active transport)，这种运输过程需要消耗能量，这种运输过程需要消耗能量,比如上面比如上面提到提到 Na+、K+和和 Ca2+离子运输所需能量起源于离子运输所需能量起源于 ATP 水解。水解。顺着浓度梯度顺着浓度梯度(即从高浓度到低浓度即从高浓度到低浓度)进行运进行运输称为输称为被动运输被动运输(passive transport)。被动运输能。被动运输能够是因为浓度差而产生简单扩散够是因为浓度差而产生简单扩散,也能够是与其它也能够是与其它载体或运输体结合后进行促进扩散。载体或运输体结合后进行促进扩散。第34页 因为金属离子本身是亲水因为金属离子本身是亲水,而细胞膜内层则是而细胞膜内层则是疏水疏水,所以所以,金属离子本身难经过细胞膜。金属离金属离子本身难经过细胞膜。金属离子跨膜运输需要借助其它载体或运输体来完成子跨膜运输需要借助其它载体或运输体来完成,常常见载体或运输体有能够在膜内活动小分子见载体或运输体有能够在膜内活动小分子离子载体离子载体(ionophore)以及膜内存在固定以及膜内存在固定离子通道离子通道(ionic channel)载体。现在已知天然离子载体都是抗生素载体。现在已知天然离子载体都是抗生素,依据其结构能够分为环状和链状离子载体。依据其结构能够分为环状和链状离子载体。第35页 离子载体是经过与金属离子形成较为稳定配合离子载体是经过与金属离子形成较为稳定配合物物,从而携带金属离子经过生物膜从而携带金属离子经过生物膜,实现运输金属实现运输金属离子功效。离子功效。离子通道载体则不一样与离子载体离子通道载体则不一样与离子载体,它们不能与它们不能与要经过金属离子形成稳定配合物要经过金属离子形成稳定配合物,而是相对固定在而是相对固定在生物膜上生物膜上,形成能够让金属离子经过孔道形成能够让金属离子经过孔道,引导金引导金属离子过膜。属离子过膜。第36页4.2 4.2 钙与凝血过程钙与凝血过程 人体内大部分人体内大部分 Ca2+除分布在硬组织中外，除分布在硬组织中外，主要存在于血液中，血液中游离钙称为血钙，其主要存在于血液中，血液中游离钙称为血钙，其浓度有一定正常值范围。浓度有一定正常值范围。血钙浓度过高会出现血钙浓度过高会出现高钙血症：高钙血症：可与血液中可与血液中 PO43-结合可形成尿结石；可使全身性骨骼变粗，结合可形成尿结石；可使全身性骨骼变粗，软骨钙化。软骨钙化。血钙浓度过低会出现血钙浓度过低会出现低钙血症：低钙血症：骨骼中钙会骨骼中钙会游离出来而使骨软化，神经、肌肉兴奋性增高，游离出来而使骨软化，神经、肌肉兴奋性增高，易发生痉挛。易发生痉挛。第37页 血液凝固是一个十分复杂过程，一些无活血液凝固是一个十分复杂过程，一些无活性性酶原必须被酶原必须被 Ca2+激活激活成为有活性酶，才能成为有活性酶，才能起凝血作用。起凝血作用。Ca2+在血液凝固过程中起着十分主要作在血液凝固过程中起着十分主要作用，假如加入适当配体如用，假如加入适当配体如 EDTA 则可使血液则可使血液不再凝固。不再凝固。第38页第39页 当凝血活性较高时轻易形成和血栓相关疾当凝血活性较高时轻易形成和血栓相关疾病。研究表明，当加入能够和病。研究表明，当加入能够和 Ca2+竞争配位竞争配位结合点稀土离子结合点稀土离子 RE3+时，可降低凝血活性。时，可降低凝血活性。从化学角度考虑，从化学角度考虑，RE3+含有抗凝血作用。含有抗凝血作用。所以一些含稀土金属离子配合物（如所以一些含稀土金属离子配合物（如香豆素、香豆素、维生素维生素K 等）有潜在治疗血栓病可能性。等）有潜在治疗血栓病可能性。第40页4.2 叶绿素和光合作用叶绿素和光合作用 叶绿素叶绿素(chlorophyll)主要存在于绿藻、蓝藻主要存在于绿藻、蓝藻及高等植物叶中，是一类含有部分被还原二氢卟啉环及高等植物叶中，是一类含有部分被还原二氢卟啉环镁配合物。由于叶绿素对可见光有很强吸收能力镁配合物。由于叶绿素对可见光有很强吸收能力,所所以在植物光合作用过程中起重要作用。以在植物光合作用过程中起重要作用。光合作用是以光为能源将水和二氧化碳转换为糖光合作用是以光为能源将水和二氧化碳转换为糖和氧气反应和氧气反应,该反应一方面是将无机化合物转换为有该反应一方面是将无机化合物转换为有机糖类机糖类,其次是在固定空气中二氧化碳同时释放出氧其次是在固定空气中二氧化碳同时释放出氧气。该类反应从热力学上来讲是一类很难发生反应气。该类反应从热力学上来讲是一类很难发生反应,它涉及二氧化碳还原和水分子氧化。它涉及二氧化碳还原和水分子氧化。第41页 叶叶绿绿素素分分子子中中Mg2离离子子饰饰演演着着结结构构中中心心和和活活性性中中心心作作用用,能能吸吸收收可可见见光光中中红红光光(680 nm)，为为光光合合作作用用提提供能量。供能量。R R叶绿素叶绿素a：CH3 C20H39叶绿素叶绿素b：CHO C20H39 C20H39:叶绿基叶绿基Mg2叶绿素分子叶绿素分子第42页4.3 钙调蛋白钙调蛋白 钙结合蛋白钙结合蛋白(calcium-binding protein)是指细胞是指细胞内与钙离子有很强结合能力内与钙离子有很强结合能力(键合常数在键合常数在106 左右左右)一一类蛋白。该类蛋白中经典代表是人们所熟悉类蛋白。该类蛋白中经典代表是人们所熟悉钙调蛋白钙调蛋白(calmodulin，简称为，简称为CaM)。自。自 1971 年被发觉以来年被发觉以来,人们已经从动物和植物各种组织中分离得到了各种人们已经从动物和植物各种组织中分离得到了各种 CaM,研究发觉不一样起源研究发觉不一样起源 CaM 一级结构一级结构(氨基酸氨基酸序列序列)含有很强保守性。含有很强保守性。在生物体内在生物体内,当结合了钙离子当结合了钙离子 CaM 与没有活性与没有活性酶结合酶结合,能够激活酶能够激活酶,使酶显示活性使酶显示活性;相反相反,当钙离当钙离子脱离子脱离 CaM 时时,造成造成 CaM 与酶解离与酶解离,从而使酶回到从而使酶回到原来没有活性状态。所以原来没有活性状态。所以,CaM 经过结合钙离子前经过结合钙离子前后其构象改变来调整很多酶活性。后其构象改变来调整很多酶活性。第43页 氧载体是生物体内一类能够与分子氧进行可逆地氧载体是生物体内一类能够与分子氧进行可逆地配位结合生物大分子配合物配位结合生物大分子配合物,其功效是其功效是 储存或运输储存或运输氧分子到生物体组织内需要氧地方。氧分子到生物体组织内需要氧地方。生命体需要大量氧生命体需要大量氧(O2)以维持生命必需各种以维持生命必需各种氧化作用。氧化作用。O2 是非极性分子，是非极性分子，298K和标准压力下，在和标准压力下，在 1L 水中溶解水中溶解 6.59 mL O2，得到浓度为，得到浓度为 3 104 molL1 溶液，自然溶解氧远远不能满足正常生理溶液，自然溶解氧远远不能满足正常生理活动需要。活动需要。4.4 天然氧载体天然氧载体第44页 血液输送血液输送 O2 是借助于氧载体进行，生物体是借助于氧载体进行，生物体内天然氧载体可使血液中氧含量比水中增大约内天然氧载体可使血液中氧含量比水中增大约 30 倍。倍。血红蛋白（血红蛋白（Hb）与肌红蛋白（）与肌红蛋白（Mb）都是人都是人体中天然氧载体，其中体中天然氧载体，其中 Hb 作用为输送氧，作用为输送氧，Mb 作用为储存氧。一些天然氧载体见下表。作用为储存氧。一些天然氧载体见下表。第45页天然氧载体天然氧载体种种 类类Mr金属离子金属离子主要功效主要功效存在动物存在动物血红蛋白血红蛋白64,500Fe(II)输送输送 O2脊椎动物脊椎动物肌红蛋白肌红蛋白17,800Fe(II)储存储存 O2肌肌 肉肉血兰蛋白血兰蛋白105107Cu(I)输送输送 O2软体动物软体动物血钒蛋白血钒蛋白27,500V(III)结合结合 O2海鞘类海鞘类蚯蚓蚯蚓血红蛋白血红蛋白108,000Fe(II)储存储存 O2海洋蠕虫海洋蠕虫第46页Hb与与Mb Hb 存在于与血液（红细胞）中，是输送存在于与血液（红细胞）中，是输送O2 工具；工具；Mb 存在于肌肉组织中，负担存在于肌肉组织中，负担 O2 储存并运输储存并运输 O2 穿过细胞膜。穿过细胞膜。Hb 和和 Mb 与与 O2 结合是结合是松弛、可逆，松弛、可逆，特特点是既能快速结合，又能快速离解。点是既能快速结合，又能快速离解。在在 Hb 和和 Mb 中，载中，载 O2 活性中心均为活性中心均为Fe2+。第47页 卟啉卟啉是小分子生物配体，是是小分子生物配体，是卟吩卟吩环上环上18位位置上氢原子被一些基团取代衍生物，和金属离置上氢原子被一些基团取代衍生物，和金属离子形成配合物称为子形成配合物称为金属卟啉。金属卟啉。第48页 卟啉环卟啉环是由是由 11 个共轭双键组成高度共轭个共轭双键组成高度共轭体系，其结构稳定并含有一定刚性。体系，其结构稳定并含有一定刚性。4 个吡咯个吡咯 N 配位原子形成配位腔，由环中心到每个吡咯配位原子形成配位腔，由环中心到每个吡咯 N 原子距离为原子距离为 204 pm。生物体系中最主要两种金属卟啉是生物体系中最主要两种金属卟啉是镁卟啉镁卟啉和铁卟啉。和铁卟啉。镁卟啉类衍生物是绿色植物中镁卟啉类衍生物是绿色植物中叶绿叶绿素素；铁卟啉类衍生物被称为；铁卟啉类衍生物被称为血红素血红素，血红素为，血红素为 Hb 和和 Mb 蛋白中所结合辅基。蛋白中所结合辅基。第49页血红素中血红素中Fe(II)配位结构配位结构 在在脱氧血红素中，脱氧血红素中，Fe(II)为为高自旋状态高自旋状态，有四个成单电子。有四个成单电子。rFe(II)=78 pm B(Fe-N)=218 pm B(N-N)=408 pm Fe(II)为五配位结构，为五配位结构，如右图示。如右图示。Fe(II)处于处于卟啉环平面以上平均距离卟啉环平面以上平均距离 75 pm 处。处。第50页血红素中血红素中Fe(II)立体配位结构立体配位结构第51页 在氧合后血红素中，在氧合后血红素中，Fe(II)为低自旋状态，没为低自旋状态，没有成单电子。此时：有成单电子。此时：rFe(II)=61 pm B(Fe-N)=201 pm B(N-N)=408 pm Fe(II)为六配位结构，为六配位结构，如右图示。如右图示。Fe(II)处于处于卟啉环平面上。卟啉环平面上。第52页O2 与与 CO 配位能力比较配位能力比较O2 分子中分子中 HOMO：(*2p)2CO分子中分子中 HOMO：(2p)2O2 分子能够形成分子能够形成三角形三角形配位结构，配位结构，CO 分子则倾向于形成分子则倾向于形成线型线型配位结构。配位结构。第53页 普通情况下，普通情况下，CO 配位能力比配位能力比 O2 分子要分子要大大 25,000 倍。倍。在在 Hb 和和 Mb 中，中，Fe(II)第六配位点第六配位点附近存在组氨酸残基附近存在组氨酸残基咪唑基团，咪唑基团，因为空间位因为空间位阻影响，使阻影响，使 Fe(II)第六配位点不易形成线型第六配位点不易形成线型配位结构。配位结构。所以使所以使 CO 配位能力下降到比配位能力下降到比O2 分子约大分子约大200倍。换言之，倍。换言之，CO 配位优势降到配位优势降到了原来了原来 1以下，这一点对人类是尤其主要。以下，这一点对人类是尤其主要。第54页第55页人工合成氧载体人工合成氧载体 从配位化学角度出发，用一些分子量相对较从配位化学角度出发，用一些分子量相对较小过渡金属配合物作为模型化合物来小过渡金属配合物作为模型化合物来模拟天然氧模拟天然氧载体载体可逆氧合作用，在理论及实际应用上都含有可逆氧合作用，在理论及实际应用上都含有十分主要意义。如对十分主要意义。如对人造血液人造血液研究归根到底就是研究归根到底就是对人工合成氧载体研究。对人工合成氧载体研究。至今已合成至今已合成氧载体模型化合物氧载体模型化合物比较多，最具比较多，最具代表性有以下几类：代表性有以下几类：第56页“栅栏栅栏”型铁卟啉型铁卟啉 1973年由年由 Collman 等等采取空间位采取空间位阻效应技术阻效应技术合成，该模合成，该模型化合物在型化合物在苯溶剂中与苯溶剂中与室温下能够室温下能够与与 O2 可逆可逆结合。结合。第57页“帽型帽型”铁卟啉铁卟啉 1975年年由由Baldwin等合成。等合成。该模型化该模型化合物中卟合物中卟啉环平面啉环平面上方好像上方好像一顶帽子。一顶帽子。第58页对面型双（铁）卟啉对面型双（铁）卟啉20世纪世纪80年代年代合成合成代表性代表性氧载体氧载体模型。模型。第59页脂质包埋型铁卟啉脂质包埋型铁卟啉由由日本学者日本学者土田英俊土田英俊等等合成，将其合成，将其用超声波分用超声波分散后，在生散后，在生理盐水中可理盐水中可形成含有可形成含有可逆载氧能力逆载氧能力微球。微球。第60页5 副族元素生物学效应副族元素生物学效应(1)参加生物体内氧化还原过程参加生物体内氧化还原过程 含含有有可可变变氧氧化化态态过过渡渡金金属属，如如Fe(II、III)、Cu(I、II)、Co(I、II、III)、Mn(II、III)、Mo(IV、V、VI)等等，常常存存在在于于与与氧氧化化还还原原过过程程相相关关金金属属酶酶和和金金属属蛋蛋白白活活性性部位，参加生物体内氧化还原过程。部位，参加生物体内氧化还原过程。作作为为生生命命必必需需元元素素过过渡渡金金属属离离子子在在体体内内浓浓度度都都很很小小，它它们们许许多多确确切切作作用用还还未未被被人人们们所所知知晓晓。不不过过从从化化学角度来讲，它们生物功效可概括为三类学角度来讲，它们生物功效可概括为三类:第61页(2)作为作为Lewis酸酸 过过渡渡金金属属离离子子，因因为为体体积积小小和和电电荷荷高高，因因而而都都是是较较强强Lewis酸酸，易易接接收收底底物物电电子子发发生生配配位位作作用用而而使使底底物活化。物活化。不不一一样样金金属属离离子子有有不不一一样样路路易易斯斯酸酸强强度度，其其强强度度伴随金属离子电荷增加和离子半径递减而增大。伴随金属离子电荷增加和离子半径递减而增大。对对于于过过渡渡金金属属来来说说，配配位位场场强强度度等等其其它它原原因因影影响响也也是是主主要要，所所以以2价价离离子子配配合合物物稳稳定定性性也也展展现现出出Irving-Williams序列。序列。第62页(3)稳定核酸构型稳定核酸构型 近近年年来来发发觉觉，核核酸酸合合成成包包括括到到许许多多金金属属离离子子。除除主主族族金金属属Mg、Ca、Sr、Ba、Al外外，还还包包含含过过渡渡金金属属Cr、Mn、Fe、Ni和和Zn。当当前前认认为为，这这些些金金属属都都与与核核酸酸构构型型稳稳定定性性相相关关。已已证证实实Zn可可在在DNA两两股股间间桥桥联联，在在Zn(II)存存在在时时，即即使使DNA熔熔化化，两两股股也也不不分分开开。但但Cu(II)存存在在则则能能引引发发DNA两股分离。两股分离。第63页锌锌：人人体体内内大大约约共共有有18种种含含锌锌金金属属酶酶和和14种种锌锌激激活活酶酶。锌酶包括到生命过程各个方面。锌酶包括到生命过程各个方面。比比如如碳碳酸酸酐酐酶酶是是一一个个分分子子量量高高达达30000锌锌酶酶，它它含含有有一一系系列列生生物物功功效效，包包含含光光合合成成、钙钙化化、维维持持血血液液pH值值、离离子子输输送送和和CO2交交换换等等。该该酶酶是是当当前前所所知知道催化效率最高酶之一。道催化效率最高酶之一。碳酸酐酶活性碳酸酐酶活性 部