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1、2018/9/18,1,计 亮 年,交叉学科研究推动 生物无机化学学科的发展,中山大学化学与化学工程学院 E-mail: ,2018/9/18,2,内 容,1. 生物无机化学的历史回顾,3. 核酸研究领域的风暴 争论焦点,4. 人工核酸酶功能配合物的分子设计和合成路线,5. 交叉学科方法研究小分子配合物和大分子DNA作用机制（生物、物理、数学、化学等方法）,6. 配合物的生物功能及其应用前景,7. 回顾史实, 瞻望前沿,2. 生物无机化学是研究金属离子控制生命过程中的化学机理,2018/9/18,3,金属离子有条不紊，准确控制、调节和 指挥着生物体内千变万化的化学反应。,1. 生物无机化学的历
2、史回顾,研究金属离子和生物配体的相互作用。,金属离子在生物体的物质输送、信息传递、 生物催化和能量转换中起着关键作用。,生物体自身的金属离子控制着自己的生命过程, 是靠生命自己去点燃并照亮生命，这或许才是人得以生生不息的真缔。,2018/9/18,4,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。,Bioinorganic Chemistry和InorganicBiochemistry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。,后者研究金属离子及其化合物与生物体系的 相互作用。,2018/9/18,5,国
3、际生物无机化学会议（ICBIC）简介,ICBIC 1970年 美国 无机化学与模型研究方法 ICBIC0 1976年 英国 无机化学和生物交叉地带发展 ICBIC1 1983年 意大利 ICBIC2 1985年 葡萄牙 ICBIC3 1987年 荷兰 ICBIC4 1989年 美国 ICBIC5 1991年 英国 金属识别、储存、输送和组装 ICBIC6 1993年 美国 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,2018/9/18,6,ICBIC7 1995年 德国 金属离子对基因调节影响 ICBIC8 1997年 日本 丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺 ICBIC9 1999年 美
4、国 ICBIC10 2001年 意大利 中枢神经系统的生物无机化学 ICBIC11 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 ICBIC12 2005年 美国 ICBIC13 2007年 欧洲 ICBIC14 2009年 中国,2018/9/18,7,国际应用生物无机化学 学术讨论会（ISABC）简介,ISABC1 1990年 武汉 金属药物和抗癌药 ISABC2 1992年 广州 生物矿化和生物材料 ISABC3 1994年 澳大利亚 利用生物电子转移设计制作生物传感器 ISABC4 1997年 南非 环境生物无机化学 ISABC5 1999年
5、希腊 地中海贫血,2018/9/18,8,ISABC6 2001年 英国 ISABC7 2003年 墨西哥 ISABC8 2004年 香港 小分子修饰使蛋白酶功能改变和关闭 ISABC9 2006年 阿根廷,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。,2018/9/18,9,一个细胞有上千种反应，人体有1000多种酶，每一种酶控制一种反应。人体生老病死的新陈代谢过程就是有许许多多种酶的催化反应。每一种酶都有特定的生物功能和酶的活性部位。,2生物无机化学是研究金属离子控
6、制生命过程中的化学机理,2018/9/18,10,人体内生物酶的活性在一昼夜，一星期，一个月，乃在 一年四季中都在有规律地增减，从而使人的生理活动犹如一列火车，按照自身的时间表，准确地运行。,任何“误点”都将给生命蒙上阴影，甚至带来灾难，这种生理活动的时间规律被科学家命名为“生物钟” 。,认识生物钟，顺应生物钟，保护生物钟，乃进入“寿星” 行列的一张必不可少的“通行证” 。,2018/9/18,11,图：血红蛋白活性中心 卟啉铁()配合物,以下八种天然酶活性部位均为金属卟啉，只是轴向配体不同，但它们都分别具有载氧、氧化、储氧、光合成、电子传递和神经信息传递等不同生物功能。金属卟啉可以作为人工核
7、酸酶，它具有断裂DNA的功能。,2018/9/18,12,细胞色素P450单加氧酶 (铁卟啉)；降解和催化近300种脂溶性化合物起着解毒作用。血红素酶 (铁卟啉)；运进氧气，也称氧载体, 同时运出二氧化碳。过氧化氢酶 (铁卟啉)；催化H2O2 分解，防止过氧化氢在体内积累的保护酶。过氧化物酶 (铁卟啉)；催化以H2O2 为氧化剂的氧化还原反应。,2018/9/18,13,(5) 肌红蛋白 (铁卟啉)；贮存氧气 (6) 叶绿素 (镁卟啉)；光合作用 (7) 细胞色素C (铁卟啉)；电子传递 (8) 一氧化氮酶 (铁卟啉)；神经信息传递,2018/9/18,14,CytoP450 把药RH氧化成可
8、溶解于水中的氧化物质(R-OH)，通过肾从尿中排出。,RH + O2 + H+ R - OH + H2O,CytoP450,NADPH NADP,NADPH为辅酶,湖南大学采用环己烷，生产环己酮，在8万吨/年工业试验用仿生催化剂开发成功。金属酶基础理论的研究是创造发明新催化剂和新工艺的源泉。,化学机理,2018/9/18,15,细胞色素P450酶主要是分布在肝中，肝脏好比人体的一个巨大的“化工厂”, 在代谢、胆汁生成、解毒、凝血、免疫、热量产生以及水与电解质调节中均起着非常重要的作用。人的肝脏就像一首诗，简洁、奇妙、內蕴无穷，不可复制，医学家对这辉煌的自然创造，不能不从内心发出赞叹。世界上没有
9、两片相同的树叶，同样人也不会有两个相同的肝脏，一个肝脏便是一个独立的世界，要感悟到它的真缔，必须进入到它的深处去体会，从零乱中整理出秩序和规律。,2018/9/18,16,血红蛋白输送O2 的化学方程式如下：,Hem + O2 HemO2,有机物在活细胞内氧化分解，产生二氧化碳和水，血红蛋白将组织产生的CO2通过以下化学反应式运送到肺部呼出。,Hem(NH2 )+ CO2 Hem(NHCOOH ),血红蛋白把吸入氧从肺部运送到组织，再把呼出的二氧化碳从组织运送到肺部，这是在生物界争论40年之后，终于在化学家合作之下，通过血红蛋白活性中心的模拟试验，使问题得到圆满解决。,( 氨基甲酰血红蛋白),
10、化学机理,2018/9/18,17,通过血红蛋白功能研究，我们应力求保持愉快心态，切忌心胸狭窄，以免心气郁滯，胸闷不畅，造成血红蛋白载氧困难，心烦易怒，精神失衡，导致疾病趁虚而入, 所以我们要养成一种豁达的人生观。,2018/9/18,18,t2g4eg2 (顺磁性),t2g6eg0 (反磁性),图：在O2 配位前后血红蛋白活性中心铁（）的电子排布,磁矩测定血红蛋白 Fe（）的五配位的6个电子自旋方向尽可能平行，处于高自旋状态 t2g4eg2， 离子半径比较大，所以放不进卟啉平面。,结合O2 后，电子的分裂能增大，电子尽可能在 t2g 轨道，处于低自旋 t2g6eg0 ，并具有反磁性，引起半径
11、缩小，铁离子落在卟啉平面上，有利于输送O2 。,化学机理,2018/9/18,19,遇到CO 时，卟啉就进行取代反应：,CO(g) + HemO2(aq) O2(g) + HemCO(aq),血红蛋白和CO结合很稳定，它就失去输送氧的功能，因为后者平衡常数很大。,O2 HemCOK 210 (体温) CO HemO2,只要有10% 的HemO2 转化为 HemCO ，人的心脏和肺就不能得到维持生命足够的氧，当空气中的CO含量一旦大于十万分之五，对人就有致命的危险。,化学机理,2018/9/18,20,氧化反应 亚硝酸异戊酯+Hem(Fe+) Hem(Fe+)+CN 氰合高铁血红蛋白（无毒）,图
12、：CN 配位在生物氧化体系的呼吸链中的细胞色素a3铁卟啉的铁离子上,化学机理,2018/9/18,21,人生的变数比 KCN 中毒机理还要说不清，道不明，有得有失，有失有得。不管生活发生什么变化，都要敢于面对，敢于承受，不要因为经受不住打击，而意志消沉，甚至用KCN走上人生不归路。 记住！有时人生的挫折，却会意外获得丰硕果实。,2018/9/18,22,人工合成的铁卟啉Fe(por) 不能载氧,这是因为产生 氧二聚体，它们的反应如下：,Fe(Por) + O2 Fe(Por)(O2) (1) Fe(Por)(O2) + Fe(Por) Fe(Por) - O2 - Fe(Por) (2) Fe
13、(Por) - O2 - Fe(Por) 2Fe(Por)O (3) 2Fe(Por)O + 2Fe(Por) 2Fe(Por) - O - Fe(Por) (4),1973年 J.P.Collman 首次合成了在室温下能载氧的围栅型(picket-fence) 铁() 卟啉配合物。这些生命过程均为化学反应。,化学机理,2018/9/18,23,在世界范围各个核酸研究小组中，掀起了分成观点几乎针锋相对的两大“阵营”，正如Elizabeth K. Wilson 在1997年Chemical and Engineering News撰文称这场大辩论的焦点为 ”Flurry of New Resea
14、rch, Heated Debate Focuses on Biomolecule” 。,3. 核酸研究领域的风暴争论的焦点,(1) Ru(phen)32+ 配合物是否插进DNA的碱基对中间？,(2) DNA究竟是分子导线还是绝缘体？,争论焦点可归纳为以下二点：,2018/9/18,24,Ru(phen)22+配合物两种异构体,2018/9/18,25,DNA分子中双螺旋结构模型示意图,2018/9/18,26,DNA的几种不同构象的侧视图和相应的俯视图。连续的线段表示糖和磷酸主链，线段表示碱基对位置。,2018/9/18,27,A-DNA Z-DNA B-DNA,Conformation model of A-DNA, Z-DNA and B-DNA,2018/9/18,28,A、B、Z 型DNA的结构比较,2018/9/18,29,结合方式,插入结合,共价结合,非共价结合,静电结合,沟面结合,2018/9/18,30,(A) 共价作用，(B) 插入作用，(C) 氢键作用,2018/9/18,31,B-DNA Ru(phen)32+插入结合Z-DNA Ru(phen)32+沟面结合,2018/9/18,32,（1） Ru(phen)32+ 配合物是否插进DNA的碱基对中间？,
