生物无机化学ppt课件.ppt

生物无机化学,Bioinorganic chemistry,主讲教师 霍涌前,计亮年院士简介,著名生物无机化学家。1934年4月20日出生于上海市。1956年毕业于山东大学化学系。毕业后曾先后在北京大学、南京大学、核工业部衡阳工程学院、广东工业大学、中山大学、美国西北大学、瑞士巴塞尔大学、香港科技大学和同济大学等任访问学者、教授、访问教授、兼职教授和化学院院长等工作。2003年11月当选为中国科学院院士。1986年至1991年当选为中国化学会第22届和23届理事会理事，在国际3种刊物和国内4种刊物担任编委。,勤奋劳动是一种生命的享受，它也是寻求生命快乐的探索， 人必需通过自己的勤奋努力挖掘自己的命运和追求幸福 计亮年,科学团队研究了许多金属酶的生物合成和纯化,酶的化学修饰、结构、功能和酶活性之间规律及其应用。,16周 32课时,课程进程安排,脑底模型与脑痴呆,铬中毒,DNA荧光显微镜,DNA图像,根瘤菌,钼铁蛋白,河蚌,淡蓝色血,乌贼,绿色血,蚯蚓,玫瑰红色血,动物血液颜色,虾、河蟹,淡青色血,蜗牛,透明的血,昆虫,绿色血,大天蚕蛾,-胡萝卜素、核黄素和黄素-核苷酸,菜粉蝶,家蚕,鱼类,两栖类,爬行类,鸟类,哺乳类,人类,红色血液,西方贵族的蓝色血液是否真实,一个谎言,离子通道,跨膜运输,考 勤：缺勤3次以上，无成绩。 平时作业：一定全做。期末交。 学习委员排好学号。 课堂笔记：每章不少于3页。 开卷考试：笔记30%、教材50%。 期末成绩：考勤20%、作业20%、 笔记30%、考试30%,考核办法,第一节,第一章 绪论,生物无机化学一门新兴的边缘学科,第二节,生物无机化学在发展中的研究课题,第三节,生物体中的无机元素及其生物功能,在分子水平上研究生物体内与无机元素有关的各种相互作用的学科。,生物无机化学定义,第一节 生物无机化学 一门新兴的边缘学科,从分子、原子水平上研究金属与生物配体之间的相互作用。,基本任务,Bioinorganic chemistry,初期阶段,18世纪中叶至20世纪初。主要研究生物体的化学组成。,发展阶段,20世纪初至20世纪下叶。生物体内主要物质的代谢途径基本确定。,20世纪下叶至今。蛋白质与核酸成为研究的焦点。相继获得了多种基因工程的产品，大大推动了医药工业和农业的发展。,一、生物无机化学发展史,分子生物学阶段,17世纪以前，主要炼丹、炼金、医 用化学。特点：没有形成理论体系。 17世纪中叶到19世纪末，明确了化 学的科学性。 从19世纪末至今。主要成果：化学 键理论、现代检测仪器的完善。 环境化学、功能材料化学、生命化 学、能源化学等热点领域。,三个时期,古代化学,现代化学,近代化学,未来化学,化学发展简史,阿瑟柯南道尔爵士，1859年生于苏格兰爱丁堡。曾入爱丁堡大学医学院就读，后定居伦敦。由于并不热衷医务，使他有许多空闲时间从事福尔摩斯探案的书写工作。柯南道尔一生曲折离奇。他是个历史学家、捕鲸者、运动员、战地通讯记者。曾亲自参与两件审判不公的案子，并运用他的侦探技巧证实那罪犯其实是清白的。1902年，柯南道尔因在布尔战争中于南非野战医院的优异表现荣封爵士。逝于1930年。,血液的实验-死尸 的皮肤颜色 烟丝的化学实验 土壤的化学实验 毒品的实验,福尔摩斯的知识,20世纪中叶初期阶段。著名的化学家Kendrew 和Perutz解答了肌红蛋白和血红蛋白的X射线结构的问题。 1970年美国加州Virginia州举行的国际生物无机化学学术讨论会。 1970年生物无机化学在美国创刊。 1977年成立了国际生物无机化学协会。 1995年成立了国际生物无机化学学会。,生物无机化学发展里程碑,四种不同的螺旋,1970年，美国，无机化学与模型研究方法 1976年，英国，无机化学和生物交叉学科 1991年，英国，金属识别、储存、输送 1993年，美国，固氮酶结构、作用机理 1995年，德国，金属离子对基因调节影响 2001年，意大利，神经系统生物无机化学 2003年，澳大利亚，金属离子在细胞的交通图交通干线的划分和金属离子的走向,国际生物无机化学会议简介,二、生物无机化学发展的推动力,蛋白质和其他生物分子高分辨结构的迅速测定。,用于结构及动力学测定的高效光谱仪器的应用。,生物工程在创造新的生物相关结构中的广泛应用，如基因定点突变技术等。,2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。,Peter Agre Roderick MacKinnon,诺贝尔奖,Diverse transport processes maintain the cell in a steady state that is not in equilibrium.,Atomic Force Microscope,1.原子力显微镜,1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜。,AFM工作原理图,原子力：以探針扫描观察样品表面，当二者接近时产生范德华力或静电排斥力 。,观察活的生命样品,2.X射线光电子能谱,光电子的能量分布曲线 采用特定元素某一X光谱线作为入射光，实验测定待测元素激发出一系列具有不同结合能的电子能谱图。,元素定性分析,元素定量分析,维生素B12的X射线光电子能谱图,可从B12中180个原子中检测出其中的一个Co原子,X-ray photoelectron spectroscopy,四种不同的螺旋,折叠片,蛋白质二级结构的鉴定,多肽链借助氢链排列成沿一个方向上具有周期性结构的构象。,a)鲸脑球肌球素的结构 b)鲸脑球肌球素的吸收光谱 c)血红素的环呼吸振动引起的吸收,4.荧光显微镜,Fluorescence microscope,The concentration of free Ca2+ is represented by different colors, red being the highest and blue the lowest.,1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛宾尼和海罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜。1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。,a hair cell in the inner ear of a bullfrog,5.Scanning electron microscope (SEM),Figure. X-ray crystallography.,Protein structure,6.X-ray crystallography,第二节 生物无机化学在发展中的研究课题,一、金属酶和金属蛋白的结构和功能,二、金属离子及其配合物与生物大分子的相互作用,三、生物矿化,四、电子传递方法,五、金属离子和细胞的相互作用,六、离子载体,八、金属酶和模拟酶的应用,七、探针和金属药物,一、金属酶和金属蛋白的结构和功能,叶绿素结构,金属蛋白,细胞色素,金属硫蛋白,金属酶的化学模拟,酶的修饰及固定化,血红蛋白,离子通道、离子载体,二、金属离子及其配合物与生物大分子的相互作用,金属离子与生物大分子结合后，发生明显的生物化学效应。,分子识别,金属配合物对肽键的化学切割,离子探针,三、生物矿化,生物矿物材料（骨头、牙齿、软骨、蛋壳等）是由矿物与基质构成的复合材料，具有高度的装配有序性，又特殊的理化性质、可控的动态性质。,诱导分子膜作为分子膜板的定向成核。 利用超分子组装体系合成纳米材料。 微结构的构筑等。,四、电子传递方法,电子传递着生物大分子的活性 生命中的电子能量传递链 电子激发链调节着生命大分子的构象,五、金属离子和细胞的相互作用,金属的摄入、转运、分布以及它们表现的生物效应得化学基础。,载体蛋白,膜转运蛋白,通道蛋白,协助扩散,六、离子载体,离子载体是一些能够极大提高膜对某些离子通透性的载体分子。,Na+-K+泵的结构与工作模式示意图,:MW=120,000Da :MW=50000Da,结构,功能,维持细胞内低Na+高K+的离子环境。,七、探针和金属药物,例如，用半径与锌相近的钴离子作探针，代替羧肽酶中的锌，从而根据含钴酶的光谱推断羧肽酶中锌的配位环境。 用锰离子做探针，根据含锰羧肽酶的核磁共振谱确定了羧肽酶中锌和一水分子或羟基相连。,用一些其他的金属元素替代生物无机化合物中的原有金属元素，从而用各种波谱方法来研究和确定体系的结构和作用。,金属药物,用无机化学和有机化学的理论和方法合成具有特定功能的药物，研究各种反应以了解药物的结构性质生物效应关系。 无机抗癌药：二氯茂鉄、卡铂等。 解毒剂：EDTA的钙盐。 治疗糖尿病药：钒化合物。 治疗白血病药：砷化合物。,无机化学与药物,无机化学的开发是现代医学发展的需要,八、金属酶和模拟酶的应用,一种立方烷型Mo-Fe-S簇合物的结构示意图,两种线型Mo-Fe-S簇合物的结构示意图,研究金属酶的结构与功能合成它们的模拟物，以推动它们在生产中的应用。,固氮酶模拟研究,第三节 生物体中的无机元素及其生物功能,生命必需元素,生物体的必须元素存在于正常组织之中。 在各物体中有一定的浓度范围。 如果从机体排除这种元素将会引起特殊的生物化学变化，重新引入这种元素，上述变态将可以消失。 至少有26种生物体的必须元素。,占人体总重量低于0.01的元素,人体中 的元素,常量元素,微量元素,C、H、O、N、P、S、Cl、Na、Mg、K和Ca等11种，约占体重的99.25。,Rb、As、B、Ti、Al、Ba、Nb和Zr等8种。,Bi、Sb、Be、Cd、Hg和Sb等6种。,必需微量元素,非必需微量元素,有毒微量元素,占人体总重量高于0.01的元素,铁、锌、铜、铬、锰、硒、镍、钴、氟、碘、钼、钒、锡、硅、溴等15种。,表1.常见微量元素对人体健康的影响,表2.微量元素引起的地方病,表2.微量元素引起的地方病(续),微量元素引起的地方病,地方性甲状腺肿,碘缺乏,地方性克汀病,呆小聋哑瘫,侏儒、先天畸形,厌食、生长障碍，骨畸形,锌缺乏,六旬母亲肩背侏儒儿子30载，用坏20个背篼,硒缺乏,克山病,心律不齐，心脏扩大，心率衰竭，休克,大骨节病,肌肉萎缩、发育障碍、行动蹒跚,地方性硒中毒,硒过量,脱发脱甲，皮肤潮红、神经、牙齿损害,微量元素引起的地方病(续),黑皮病,慢性砷中毒,皮肤色素过渡沉着、神经性皮炎，致癌。,水俣病,慢性甲基汞中毒,感觉障碍、共济失调，语言、智力障癌。,铝过量引起的脑痴呆,镉中毒,37岁的女工陈麒穗,在重庆市巴南区渝南鑫光灯具有限公司电镀车间打工四个月，体内铬含量竟然超标一万倍!,元素的中毒,骨痛病,易骨折、骨质疏松、软化变形，疼痛,鬼剃头,铊中毒,脱发、头晕、乏力、食欲不振，视物模糊。,清华女生“铊”中毒后无望挣扎11年,直面铊中毒的攀升,中国矿业大学铊中毒案,souhu网：检察日报2007年08月08日 19岁的常宇庆在大学读书期间，对三名同学心怀不满，产生报复之心。07年5月，常宇庆与陈刚联系购买到230克硝酸铊。 5月29日常宇庆乘同学上课之机，将硝酸铊晶体放入一瓶矿泉水中溶解，用注射器分别向三个同学的杯中各注入2毫升。三名同学喝水后出现铊中毒反应。,An apple a day keeps the doctor away. He who has health