生物无机化学

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1、生物无机化学什么是生物无机化学? 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一门新兴的边缘学科。 一个问题被长期忽视：金属离子在生物化学反应的实现、组合中起着重要的作用，几乎所 有的生物功能都直接或间接地依赖于金属离子。可以说，没有金属离子就没有生命。各种生物功能是在金属离子直接或间接地作用下，生物分子间有组织的化学反应的结果。化学家参与生物化学的研究，在 20 世纪 60 年代后期形成“生物无机化学”这一边缘学科。这个学科是在无机化学和生物学的相互交叉、渗透中发展起来的一门边沿学科。它的基本 任务是从现象学上以及从分子、原子水平上研究金属与生物配体之间的相互作用。而对这 种相互

2、作用的阐明有赖于无机化学和生物学两门学科水平的高度发展。 由于应用理论化学方法和近代物理实验方法研究物质（包括生物分子）的结构、构象和分 子能级的飞速进展，使得揭示生命过程中的生物无机化学行为成为可能，生物无机化学正 是这个时候作为一门独立学科应运而生。 生物无机化学的发展 第一次国际生物无机化学学术讨论会于 1970 在美国举行。第一本生物无机化学 于 1973 年出版，该书由 45 位作者共同完成。生物无机化学学科形成的标志：1970 年在美国首次召开生物无机化学会议，1971 年在美国创办生物无机化学学术刊物“无机生物化学杂志” （J. Inorg. Biochem.）生物无机化学学科的

3、蓬勃发展：1977 年成立了国际组织“国际无机生物化学协会”1983 年起每两年召开一次“国际生物无机化学学术会议”1990 年起每两年召开一次“国际应用生物无机化学学术会议”1995 年成立了“国际生物无机化学协会” ，并出版了学术刊物“生物无机化学杂志” （J. Biol. Inorganic. Chem.）我国生物无机化学学科的发展：1984 年中国化学会在武汉召开“第一次全国生物无机化学学术讨论会” ，标志着我国 化学工作者介入生物无机化学这一前沿领域。生物小分子配体 生物大分子分离出的生物大分子 生物体系对细胞层次的无机化学研究近年来，我国在金属配合物与生物大分子的相互作用、金属蛋白

4、结构与功能、金属离 子生物效应的化学基础，以及无机药物化学、生物矿化方面都有了相对固定的研究方向， 并取得了一定的成绩。 生物无机化学的学科特点强调生物无机化学实际上是应用无机化学，尤其是配位化学的理论和方法，研究无机 元素、无机化合物与生物体系或模拟体系相互作用的学科；强调生物大分子的结构，尤其是活性中心周围微环境对生物功能的影响。生物无机化学的研究对象：生物体内存在的各种元素，尤其是微量金属元素与体内有机配体所形成的配位化 合物的组成、结构、形成、转化，以及在一系列重要生命活动中的作用。生物体内存在有钠、钾、钙、镁、铁、铜、钼、锰、钴、锌等十几种元素，它们能 与体内存在的糖、脂肪、蛋白质、

5、核酸等大分子配体和氨基酸、多肽、核苷酸、有机酸根、 O2、Cl-等小分子配体形成化合物，主要是配位化合物。如：金属蛋白，金属酶，维生素 B12 和 B12 辅酶，叶绿素，离子载体 金属离子的生理功能 金属离子参与细胞分裂、肌肉收缩、神经脉冲的传递等过程。金属离子对维持细胞 壁结构、对脂蛋白膜加固有重要作用；金属离子还直接影响核糖体的结构，从而影响蛋白 质的正常合成过程。 体内金属离子的种类及浓度失调，将影响正常的生命活动，如体内缺乏铁、铜、钴 会引起贫血；镉离子过量与心血管病的发病有关；硒过量对肌体有毒，但过低能引起病毒 诱发癌；先天性铜代谢障碍能引起威尔逊氏病。 为控制体内金属元素的正常含量

6、，常用一些金属螯合剂（见螯合作用）来排除体内 过量的金属元素。某些金属配合物具有杀菌、抗病毒和抗癌等生物活性。其中顺式 -二氯二氨合铂对 生殖泌尿系统癌有较好疗效，它能抑制癌细胞中 DNA（脱氧核糖核酸）的复制。 生物无机化学的研究课题 （1）金属离子及其化合物与生物大分子的相互作用与核酸、核苷酸的相互作用与蛋白质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。（2）金属蛋白和金属酶化学结构与功能的研究金属离子的成键位置活性中心周围微环境蛋白链在保证金属离子正常工作的贡献蛋白链与底物的结合方式（3）金属离子与细胞的相互作用研究 是金

7、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。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。（4）离子载体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。（5）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。应用于生产是极富生命力的研究领域。（6）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。研究生物介质的中长程电子传递是生物无机化学的热门课题。（7）生物矿化自然界生物利用矿物至少已有 35 亿年历史。从细菌、微生物到动物、植物的体内均 可形成矿物。生物矿化的研究始于本世纪初

8、。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。（8）几种元素的生物无机化学主要是结合我国国情的需要：硒：我国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。人体内缺硒是其主要原因之一。硒的生物无 机化学研究对这些地方性疾病的防治有重要的意义。稀土：储量和产量，我国占世界首位。我国科学工作者对稀土生物无机

9、化学、稀土生 物化学和稀土毒理学进行了研究。早期主要是进行了大量的环境调查及农用稀土毒理研究。 年代开始从分子水平及细胞水平上开展稀土的生物无机化学研究，并已出版了专著。近年发现，稀土作为微量肥料添加剂、微量饲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？ 一些在药用上有较大价值的元素： 钒：可能对糖尿病、肿瘤等有较大的药用价值。（9）金属药物 金属药物在我国历史上曾有过辉煌的时期，古代就有以金作各种药物和营养品的记载。 金属配合物抗癌药物如顺铂的应用，重新引起人们的关注。金属药物的研究将是今后几年的研究热点。 A 研究如何把偶然进入生物体的有毒金属离子通过螯合作用排

10、出；研究如何把金属离子及其配合物合理地引入生物体，达到治疗的目的。B 药物中的金属及抗癌活性配合物的作用机理 铂配合物抗癌药：顺式铂配合物才具有抗癌活性 例子：顺二氯二氨合铂：选择性抑制癌细胞 DNA 复制的能力是它具有抗癌活性的主 要原因 铂配合物抗癌药的抗癌机理：1、链间交联机理；2、螯合机理；3、链内交联机理。 铂配合物抗癌药的毒副作用非铂类金属抗癌药物 1、钌药物：最有前途的抗癌药物 2、铑药物 3、锡药物 4、钛药物 5、镓药物 硒药物：用以治疗克山病、大骨节病 补充硒的有效方法：补硒药物等 其他：钒、铋、金、锂、铜、锌、铬、锰、铁、钴、镍、稀土等金属药物（10）环境生物无机化学从环境与生物体的相互作用出发，研究无机元素在环境中的存在形态、转化及其效 应和人体健康的关系。国内研究工作集中在：（1）与地方病和心血管病有关的碘、氟、铅、铬等；（2） 结合动物和人体健康进行的汞、镉、铅、铜、锌、砷、铝和硒的研究；（3）结合作物生长 开展的硼、锰、锌和钼的研究；（4）结合微量元素应用的潜在危害作用研究，如农用稀土 研究等。国际公认在全球最具潜在危害性的金属有镉、汞、铅、锡、锑、银、锌等。这些金 属的形态和转化仍是我们需要切实解决的研究课题。非金属元素碘、氟、砷对人的健康至 关重要，要从必需和毒害两个方面加以研究。