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1、高等无机化学,第十章 生物无机化学 一、简介 二、生物体中的无机元素 三、生命体内元素的功能 四、生物金属配合物 五、金属配合物在抗肿瘤方面的应用,一、简介,1. 生物无机化学的含义,生物无机化学是应用无机化学的方法和理论，研究生物体系中金属及其它痕量元素化合物的结构和反应的化学。 目的：探索金属离子与机体内生物大分子（氨基酸、蛋白质、核苷酸等）相互作用的规律，分子水平上研究金属与生物配体之间的相互作用。,2.生物无机化学的意义,这些研究都是以认识含无机元素的生物功能分子的结构和功能关系为目的，大都采取分离出单一生物分子，测定其结构，研究有关反应机理以及结构与功能关系的研究模式。,在分子水平上
2、认识生命过程 设计药物和改善环境,二、生命体中的无机元素,宏量元素：占生物体总重量万分之一以上的元素。如C，H，O，N，P，S，Cl，K，Na，Ca，Mg，含量在4.010262.8104ppm之间。 C，H，O，N，P，S是组成生物体蛋白质、脂肪、碳水化合物和核糖核酸的主要元素； Cl，K，Na组成体液的重要成分， Ca是骨骼的主要组成部分。十一种元素占人体总重量的99.95。,1. 根据元素在生物体内含量的不同，分为两类。,微量元素：占生物体总重量万分之一以下的元素。如Fe，Cu，Zn，Mn，Cr，Se，I，Mo，Si，占人体总重量的0.05，含量虽少，在生命活动过程中的作用是十分重要。,
3、2.根据元素在生物体内的生物学作用的不同，又可分为两类。,生命必需的元素30种，17种金属，13种非金属。,A A A A A A A,必需元素：该元素直接影响生物功能，并参与代谢过程；该元素在生物体内的作用不能为其他元素所代替；缺乏该元素时，生物体会发生某种病变。,有害元素：存在生物体内，会障碍生物体机能的正常代谢过程和影响生理功能的元素。,必需元素和有害元素的界限不是绝对的，一种微量元素，即是生命体的必需元素，又是能损害生命体的有害元素。 与该元素在生物体内的浓度有关。 与各种元素在生物体内存在的形式有关。Cr3+化合物是人体必需的， Cr6+有致癌作用，现在发现Cr3+也有致癌作用，溶于
4、酸而不溶于水的亚铬酸盐是最危险的。,三、生物体内元素的生物功能,1.结构材料 组成骨骼和牙齿的结构材料：Ca，P，F,2.运载作用 人们对某些金属和物质的吸收，输送，以及它们在体内的传递需要载体。金属离子或它们所形成的一些配合物在这个过程中担负重要作用。血红蛋白对氧和二氧化碳的运载作用。,3.组成金属酶或作为酶的活化剂 4.“信使”作用 生物体需要不断协调体内各种生物过程，要求有各种传递信息系统。化学信使是Ca离子。 5.影响核酸的物理化学性质 金属离子可以通过酶的作用影响核酸的复制、转录和翻译过程。 金属离子可以直接影响核酸的物理化学性质和生物活性。 6.调节体液的物理化学特性（Na+,k+
5、,Cl-),四、生物金属配合物,1.卟啉类配合物,卟吩,叶绿素A,血红素b的结构,维生素B12的化学结构,2.氨基酸、肽和蛋白质,组成蛋白质的基本单元是氨基酸。 氨基酸相互聚合形成肽，CONH（肽键） 成百上千个氨基酸组成蛋白质,氨基酸、肽、蛋白质均可以和金属离子形成配合物，左图为肽与铜离子配位。,蛋白质的结构示意图,3. 核苷、核苷酸和核酸,嘌呤碱或嘧啶碱与戊糖结合形成核苷，核苷与磷酸结合形成核苷酸，核苷酸进一步结合形成核酸。,一个核苷酸的核糖或脱氧核糖第5位的磷酸与另一核苷酸的核糖或脱氧核糖第3位的OH基相互连成3，5磷酸二酯键,核苷酸的碱基与金属配位,核苷酸中的碱基通过大键与金属离子配位
6、,4.酶,4.1 酶的含义 酶是一类蛋白质，在生物体中起催化作用。有的酶不含非蛋白质，称为单纯蛋白酶；有的酶除含蛋白质外，还含有非蛋白质（金属离子或小分子有机物），称为结合蛋白酶，蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白部分称为辅酶或辅基。 全酶=酶蛋白 辅基（或辅酶） 辅基与酶蛋白结合紧密，不易分离。辅酶与酶蛋白结合疏松，用透析方法可以透析掉。,4.2 酶的分类,根据酶促反应类型，分为六大类 氧化还原酶：催化氧化还原反应 转移酶：催化功能基团的转移 水解酶：催化水解反应 裂解酶：催化通过键断裂的消去反应形成双键或其逆反应 异构酶：催化异构反应 连接酶：催化与ATP水解偶联的形成新键的反应,4.3 金属酶
7、和金属激活酶,酶的辅基是金属离子，而且金属离子与酶蛋白部分结合牢固（稳定常数Kf108），则该酶称为金属酶（metalloenzyme)，如细胞色素C，其辅基铁卟啉环中的铁离子，都不会和酶蛋白分离，甚至也不能用一般的方法除去。 金属离子可以提高酶的活性，但与酶蛋白结合松散，该酶称为金属激活酶（metal-activied enzyme)。如葡萄糖磷酸化反应必需依靠ATP水解ADP供能，同时需要Mg2或Mn2激活葡萄糖激酶和ATP酶。,4.4 羧肽酶A,一种Zn酶（307种氨基酸残基组成），催化蛋白羧端肽键的水解反应,羧肽酶A的分子结构（其中代表Zn2）,Zn2的配位环境,肽链端解酶的分裂,羧肽
8、酶A作用的Zn羰基机理,五、金属配合物在抗肿瘤方面的应用,1.铂系配合物抗肿瘤药物,顺式 Pt(NH3)2C12的抗癌机理：该配合物有脂溶性的载体配体(NH3)，使其易于透过体内各种生物膜，进入癌细胞核的配合物与DNA链上C、O原子发生取代，形成稳定的五元螯合，破坏了两条多核苷酸上鸟嘌呤和胞嘧啶之间的氢键，使DNA结构遭到破坏而丧失复制功能，癌细胞分裂受阻。,2.钌配合物,与抗癌作用有关的金属钌是Ru()、Ru()。 Ru()属中间酸，倾向于与含氮原子的吡啶，嘌呤，嘧啶等中间碱结合，Ru()倾向于硬酸，它与硬碱如Cl，RCOO等酸根更易形成配合物。Ru()配合物有氧化性，Ru()配合物 有还原
9、性。人体正常细胞含氧丰富，而癌细胞因分裂过快而缺 氧。,Ru()配合物作药原，经还原活化产生抗癌作用的机理例如，当Ru(NH3)5XX2， (XCl或CH3COO)进入人体时，在正常细胞内，因有O2存在，钌保持Ru()氧化态，它对DNA配合能力低。在癌细胞内，因缺氧造成还原性环境，Ru()被还原成Ru()，Ru()与Cl或CH3COO结合能力弱，而很容易枝DNA分子中 含氮碱基所取代，破坏癌细胞DNA的活性，起到抗癌作用。,3.PDT方面的应用,光动力学疗法，利用光敏剂对肿瘤有亲和性，易选择性的滞留在肿瘤组织中，而在一定波长的光激活下能产生光敏反应，杀伤所在的肿瘤组织，达到治疗效果的一种方法。
10、,3.1 PDT原理,(m-THPC, Foscan),3.2 已临床的卟啉类光敏剂,Absorption / AU,Wavelengh/nm,652 nm,mTHPC (Foscan),其所需的药剂量、光剂量较大，光照射时间长，带来的皮肤光毒性大、皮肤灼伤较严重和病人在注射药物后避光时间较长等副作用,标题化合物在DMF溶液中UV-Vis光谱图 a: -(2-QO)4PcZn b: -(2-QO)4PcZn c: -(4-QO)4PcZn d: -(4-QO)4PcZn e: -(6-QO)4PcZn f: -(6-QO)4PcZn g: -(6-QO)8PcZn,3.3 酞菁类光敏剂,目前已
11、见临床的光敏剂有： Photosense,Pc4, CGP55847,Photosense不足之处 Photosense为混合物，化学组成未确定。 Photosense水溶性较大，肿瘤对其摄取率较低，所以需要的药剂量较大，存在着较大的皮肤光毒性的缺点 。,谢谢大家！,实验2：酞菁前驱体：3苯氧基取代邻苯二甲腈的合成,实验目的：实验包括化合物的制备，提纯和分离。学生通过此实验应巩固有机合成的基本操作（回流、萃取、重结晶、柱色谱），为其完成硕士论文打下一定的实验基础。,反应方程式：,实验投料：腈与酚mol比为1：1，无水K2CO3为5g /1.73g，DMF为5ml/1.73克，无水K2CO3和DMF在反应前都需干燥。 步骤请查相应文献，主要是后处理的步骤。 所得产品需算产率，测熔点，红外表征。,实验3. 酞菁配合物的合成与表征,实验目的： 实验包括配合物的制备、提纯、分离及其电子光谱的研究。学生通过该实验应该掌握无氧无水操作、高效液相色谱使用、配合物的基本表征手段。,2. 实验原理：,3. 实验步骤： 配合物合成分离纯化波谱表征,
