生物无机化学绪论课件.ppt

1,生物无机化学,教师赵永亮内蒙古大学化学化工学院,2,第一章绪论,1-1什么是生物无机化学1-2生物无机化学研究的内容1-3生物无机化合物的类型1-4生物无机化学的一般研究方法1-5生命元素,3,1-1什么是生物无机化学,生物无机化学是一门新兴的边缘科学，它的萌芽约是于30年-40年前，但成为独立的学科体系却只有一、二十年的历史。,4,随着无机化学和生物化学的发展，近代物理信息涌现和时间技术的不断提高，人们已能在分子水平上研究生物体的化学本质和生物体在生命活动过程中的化学变化规律。在研究中发现，某些痕量金属元素及非金属元素在各种不同的生物过程中起着极其重要的作用。为此，无机化学和生物化学工作者及其它（为医学、营养学、临床化学）工作者，各自展开大量的研究。自50年代起，通过一些会议，促进了有关工作者的接触和研究成果的交流。,5,长期以来，人们把绝大多数碳的化合物称为有机化合物，他们主要由C、H、O、N、X、S、P等元素组成,而把其余的化合物都化入无机化合物的范畴。现在，人们已经认识很多生命过程与很多过去认为“没有生命”的元素(无机元素)有关。这些无机元素包括金属元素及非金属元素。这些元素不仅对于维持生物大分子的结构至关重要，而且还广泛参与个各种生命过程，在物质输送、信息传递、生物催化和能量转换中起关键作用。这些无机元素在生物体内的状态和功能成为生物化学家及无机化学家共同感兴趣的课题。,6,有关金属原子和生物分子（为蛋白质、酶、核酸和核酸的降解物等）的相互作用及其与生物功能相互关系研究的成果，不断填补着无机化学和生物化学之间的空白，并进一步冲破了“无机”这个字眼意味着和有机无关的传统概念。,7,1970年召开的第一届国际生物无机化学会议和1971年生物无机化学杂志（BioinorganicChemistry,1979年更名为JournalofInorganicBiochemistry）的创刊，标志着生物无机化学成为一门新兴的科学正式问世，并为其向前发展开辟了道路。,8,此后，又由美国著名化学家施劳得尔（G.M.Schrauzer）发起，成立了生物无机化学国际协会。在此期间，不少学术性期刊也相继为生物无机化学开辟了专门栏目，以供有关论文发表。在美、意、苏、德、日等国，以无机生物化学或生物无机化学命名的专著不断出版，稍后进入80年代末90年代初，我国作者也由有关专著出版（郭德威编，申泮文校生物无机化学概要等）这些著作的出版给人们展示了该学科的发展前景。,9,生物无机化学是在无机化学和生物化学的发展和推动下产生的，他是介于无机化学和生物化学之间的一门边缘科学。,生物无机化学虽然已成为近些年（约20年）十分活跃的学科领域之一，但是还处于生长期。因此，要给他下一个严格的定义，无疑也是困难的。但是，简单地说，所谓生物无机化学，就是利用无机化学特别是配位化学的理论和方法，去研究和阐明参与生物体（尤其是人体）中化学反应的痕量元素（痕量金属元素）所起的作用及它们同生物功能之间的相互关系的一门科学。,10,生物学,无机化学,生物无机化学,研究生物体系内金属元素和其它无机元素在生物体内的形态、结构、特性和功能StructurePropertyActivityRelationship,什么是生物无机化学？,对处于生命环境中的金属离子进行研究的学科,机体中固有的无机元素环境接触中外来的以及人为引入机体的无机元素,11,我国的生物无机化学研究起步稍晚，但发展较快，已先后分别在1990年4月武汉华中理工大学、1992年12月在中山大学召开了两次国际会议。,12,鉴于生物无机化学正处于向前发展的阶段，并迅速向各方面渗透，对其研究内容，目前只能作一大致概括。主要有：,1-2生物无机化学研究的内容,13,1.研究人体及其它生物体，需要哪些痕量金属元素和痕量非金属元素，它们在各种器官组织中的分布状况、存在状态、作用机理和功能以及最佳摄取量等。为维持生物体（尤其人体）的正常生命活动和健康状态，还研究怎样去科学补充这些元素和如何防止这些元素过量。,14,2.研究地球化学环境，特别是污染对人类健康的影响，阐明污染元素在动物体内中毒和致病机理。指出减少污染，防治疾病增进健康的途径。,3.探讨常见的疾病的发病与某些金属元素与菲金属元素之间的关系，研究调节和控制这些元素来防止病变的发生。,15,4.合成新的药物并且研究药理。如合成抗癌药物，抗艾滋病药物，研究其抗病机理；合成人造血液（输氧及机理）;合成解毒剂，用于清除重金属中毒;合成某些络合剂（药）去除有害细菌生存的某些金属元素。,16,5.研究金属离子与生物配体（氨基酸、蛋白质、核酸、卟啉等）所组成的配合物或人工合成的其中某些模拟化和物，揭示其结构、性质与生物功能之间的关系，以期为人类尽可能多地积累有关生命本质的信息，并最终汇同其他学科共同阐明生命本质的问题。,17,1-3生物无机化合物的类型,构成生物体的物质大致可分为结构物质和功能物质两类。用来构成生物体的形态和结构的物质为结构物质，如构成动物骨骼的磷酸钙。具有一定生物功能的物质为功能物质，如激素酶、血红素蛋白等。生物无机化学所研究的化合物，几乎全为生物体的功能物质，其中最主要的是金属离子与生物配体构成的配合物，主要包括以下几种类型：,18,1.氨基酸配合物：已经从人体血清中分离出氨基酸配合物如L-谷氨酸铜（）、L-组氨酸-锌（）等。作用：参与体内金属离子输送也可发生体内分子间金属离子的交换。,2.卟啉配合物：最主要的是血红素和叶绿素。前者为卟啉铁（）配合物，它是血红蛋白能实现载氧功能的基础。叶绿素是卟啉镁的配合物，起光合作用。,19,3.维生素B12族：通常称为钴胺素或钴维素。为一类含钴的多环配合物。在自然界中，维生素B12常以辅酶的形式存在，是最主要的辅酶之一。VB12对维持肌体正常生长以及红细胞的产生都是极其重要的。,4.铁色素：这是一类天然的非血红蛋白的六配位铁（）配合物的总称。它们在生物体内起着储存铁和运送铁的作用。,20,5.离子载体：许多物质（如Na+、K+及葡萄糖等）通过细胞膜时，都和膜上某种专一性的载体有关。一般来说，载体都是组成膜的某种蛋白质。载体的作用是“识别”离子或其它物质，和其形成配合物或复合物，并将其从膜的一侧转运到膜的另一侧。对运载金属离子的载体，一般称它为离子载体。除蛋白质外，某些抗菌素如缬氨酶素，也是离子载体。,2019/12/15,21,可编辑,22,6.金属蛋白：这是金属离子或金属离子与小分子配体（如血红素）和蛋白分子构成的配合物。金属蛋白的种类很多，生物的功能也各异，但都是生物体内重要的功能物质。如血红蛋白（输送氧），肌红蛋白（储存氧），细胞色素C（电子传递），铁蛋白（储存铁）和铁传递蛋白（输送铁）等，都是重要的金属蛋白。,23,7.金属酶：也是由金属离子或（金属离子与小分子配体而成）小分子配合物与蛋白质分子作用而成的配合物。是一类具有催化活性的金属蛋白。为锌酶、铜酶、铁酶、钼酶等，都是重要的金属酶。,24,8.核酸和核苷酸配合物：核酸是生物的基本遗传物质。人们发现在核酸分子中含有多种金属离子，如锌（）、镁（）、钙（）等。核酸的生物功能可能和这些金属离子有关。核苷酸是核酸生物合成的前体。在生物合成核酸的过程中，也有金属离子参与。金属离子的存在可能与配位化学有关，因此研究核酸与核苷酸的金属配合物，对了解它们的性质、揭示核酸生物合成的规律和金属离子与核酸生物功能的关系，并进一步阐明遗传的本质和变异的原因，无疑都是重要的。,25,1-4生物无机化学的一般研究方法,生物无机化学内容广泛，并且同一研究内容可从不同角度进行探索，因此并无固定不变的研究方法。如在研究痕量金属元素在生物器官内分布及含量时，会较多地沿用分析化学的一般研究方法，当研究反应机理及其动力学时，则会优先考虑物理化学和配位化学一般研究方法。,26,应当指出，无论研究内容或方法多么不同，都要通过实践来进行探索的。同时，由于生物无机化学的研究课题来源于生命现象，因而，也总是同生物体联系在一起。研究的成果，总的来说，最终要经受生物体的检验。对于来源于人类生命现象的课题，往往需要先通过动物实验，作为通向接受人体检验的桥梁。研究时，可有两种途径：其一是，直接从生物体中提取所需研究的物质，经必要的分离和提纯后，对其进行诸如结构测定，功能探索及其它目的的研究。,27,其二是：先用人工合成的方法来制备所需要研究的物质，然后对其进行预定目的的研究。但是，由于生物体内具有某些生物功能的化合物，如酶及其某些生物体配合物，往往组成和结构十分复杂，合成真实分子还有很大困难。,28,故在实际中，例如研究生物大分子配合物的性质、反应机理及其生物功能时，往往并不直接合成其复制品，只是根据现有的事实，通过思维、综合判断和推理，以人工的方法合成一种经过有意识加以简化的模拟化合物，然后对其进行有目的的研究。由研究的结果，再设计和合成更符合实际情况的模拟化合物。为此反复进行，以期所合成的模拟化合物的功能，以及利用该模拟化合物作研究，所得出的结论能逐渐接近并最后符合生物体真实情况。,29,看一个例子，人体内的过氧化氢酶是一种以铁（）-原卟啉为辅基的金属酶，它的结构十分复杂，分子量达22万左右。过氧化氢酶分子中铁（）-原卟啉（即高铁血红素，其结构类似于亚铁血红素）是酶催化过氧化氢分解为水和氧的的活性中心。人们用铁（）与三亚乙基四胺合成了三亚乙基胺铁（）配合物。用来模拟过氧化氢酶的模拟化合物，获得成功。用这一简单的模拟化合物来进行诸如催化机理的研究，就很方便。这一模拟化合物对双氧水分解速度与过氧化氢酶催化速度相当。,30,又如维生素B12，结构极其复杂，人们为了了解B12的化合物本质及性质和B12作用机理，合成许多结构简单的B12的模拟化合物。,31,1-5生命元素,周期表中109种元素，其中稳定元素为90种左右。这些元素，均可在地球表面找到。人们把维持生命所需的元素称为生物体必须元素，简称生命元素。,生命元素特征：（1）存在于正常组织中.(2)在各组织中有一定的浓度.(3)如果机体缺乏这种元素,将会引起生理或结构变化，重新引入这种元素，又会复原。,32,现发现，生物体中至少含有26种必需元素(包括Sn),33,随着研究的深化，其它微量元素还可能会被发现。表1-1列出了人体中的主要19种元素及含量。表1-1体重70Kg的人的元素平均含量,34,生物体中元素分布,99.95%,O,C,H,N,P,+S,Ca,Na,K,Cl,Mg,Fe,Zn,Cu,V,Cr.,35,高量元素：HCNOPS占比例大，组成生物体中蛋白质、糖类、脂肪、核酸。,常量元素：NaKCaMgCl为常量元素，以离子形式在体内运动。,低量元素：FeZnCu,微量元素：MnMoCoCrVNiSnFIBSiSe,36,当然这26中必须元素也不是任何生物都必不可少的。如钠，人和动物必需，而植物不是必需。如硼，植物必需，而动物并非必需。除了必需元素之外，生物体内还有一些其它元素，如Sr、Al等。功能尚未清楚，称为中性元素。还有对生物体有害的元素，如Hg、Cd、Cr和Pb。其中，有些有害元素现在被认为必须元素。,37,一.参考书1.计量年莫庭焕生物无机化学导论，中山大学出版社。2.郭德威编，申泮文校.生物无机化学概要.天津科学技术出版社3.王夔等.生物无机化学.清华大学出版社，19984.F.A.Cotton.SurveyofSelectedA