生物无机化学.ppt

1 Lecturer 周再春Ph DE mail zhouzaichun 湖南科技大学大学化学化工学院理论有机化学与功能分子教育部重点实验室 生物无机化学BioinorganicChemistry 2 课程内容 第1章生物无机化学中的基本概念和原理第2章生物无机化学的研究方法第3章生物体内金属离子的选择 摄取和调控第4章金属离子与生物大分子的结合与作用第5章金属蛋白和金属酶第6章细胞毒性和化学治疗第7章仿生固氮第8章生物无机化学的研究前沿课题 3 CONTENTS Chapter1TheBasicConceptionsandReasonsofBioinorganicChemistryChapter2TheResearchMethodsofBioinorganicChemistryChapter3TheChoice ExtractionandControlofMetalSpeciesinBiologicalSystemsChapter4TheBindingandActinginBetweenMetalSpeciesandBio macromoleculeChapter5MetalProteinsandMetalEnzymesChapter6CellToxicityandChemicalTreatmentsChapter7TheEnzymeNitrogenaseChapter8TheNewTopicsandDevelopmentFieldsofBioinorganicChemistry 4 教学安排与考评 第一和第二章教师讲授 从第三章开始教师上课和同学讲解相结合 每人准备一章内容 并制作ppt课件来讲解 时间25 30min ppt的内容和讲解效果 作为考核成绩的一部分 期末考试每人写一篇论文 3 4千字 5 生物无机化学定义 生物无机化学是一门对处于生命环境中的金属离子进行研究的学科 研究在生命过程中起作用的生物金属与配体之间的相互作用 在分子 亚分子水平上测定 表征 阐明这些生物化合物的结构 性能及其在生命体中的作用规律 无机化学 特别是配位化学 生物化学 医学临床化学 营养化学 环境科学等学科相互渗透 相互融合的产物 6 生物无机化学的特点 一是做这方面研究的人来自生物学 无机化学 医学科学 农业科学等各个领域 对这门尚未定型的学科有不同的见解与思路 使初学者感到只要涉及生物体甚至生态环境中的各种无机元素的问题都是生物无机化学问题 这样就把传统上本属流行病学 营养学 土壤化学 水化学等方面的一部分内容都划入生物无机化学之中 另一个特点是目前的研究工作多属点上的工作 比如 载氧配合物 细胞色素 少数几种金属酶等正吸引着大量科学家的注意 研究工作虽然很深入 但是很少把这些点上的工作总结成为生物无机化学的整体学科体系 7 研究内容 研究方法 基本概念和基本思想 对一位学化学的人来说 往往注意的是各种各样物质的组成和性质 而且都是没有生命活动时的情况 比如 人们往往只把一种蛋白质都是由一定的氨基酸按一定序列联接起来的化合物拿来研究 而不注意这种蛋白质的生物活性是怎样产生的 本来化学主要研究结构和性质的关系 但是若放在生物体内来考虑 则应研究结构 性质 活性关系 因此 我们研究的对象是有生物活性的物质 通过这部分内容的学习先初略了解一下有生物活性的 含无机元素的化合物大致包括哪些类 各有什么功能 8 构建和掌握化学知识的基本方法 化学知识的积累和构造感性认识理性认识现象反应物质性质结构化学知识的掌握和应用 9 研究内容 研究方法 基本概念和基本思想 目前生物无机化学的研究工作绝大多数是点上的工作 但是实际上 这些点之间有许多共性 怎样把握个性中的共性 首先还是需要无机化学和生物化学等的基本知识 例如 有许多促进水解的酶都含有锌离子或需要锌离子 而且常常是酶蛋白中的组氨酸等和锌配位 又常常形成五配位的配合物等等 要想抓住共性 先要了解Zn2 的配位趋向 易与Zn2 结合的氨基酸是什么 Zn2 的配合物立体结构是什么样的 Zn2 的基本性质 有无传递电子能力 极化性大小 软硬度等 又是什么 有了这些基本知识 当你遇到个别问题时 就可以探索与它有关系的 类似的化合物了 10 研究内容 研究方法 基本概念和基本思想 学化学的人进入生物领域时 先要体会几个指导思想 首先要体会由没有生命的所谓invitro的化学向有生命参与的所谓invivo的化学这一转变 其次要体会由一种简单的 无活性的配合物向复杂的 有活性的配合物的飞跃 另外 还不能忽视 由一般化学处理的封闭的或部分封闭的 背景单一的反应体系到开放的 有特殊背景的生物反应体系的过渡等 不但要随时注意到这些差异 而且要通过个别事例了解这些差别的由来 11 研究内容 研究方法 基本概念和基本思想 必须了解研究生物无机化学的方法 否则就难以体会那些观点和结果都是怎样得来的 例如 某种元素是人体必需的 但是整个人体所含的这种元素不过几毫克或者更少 我们怎样知道它是人体必需的呢 再如 一种酶的分子量高达几万 但一个分子中只含有一个锌原子 我们怎样知道这个锌原子的存在以及它在维持酶活性中所起的重要作用呢 而且 象这样一个含有几百个氨基酸的酶 它的结构是怎样确定的呢 12 教材存在的问题及学习注意事项 目前国内外出版的生物无机化学教材都缺乏系统性和概括性 这两个问题不是在短期内能解决的 本课程的学习中 应注意 1 以研究生物体内有无机元素参与的有生物活性的化合物的结构 性质 活性关系为主要线索 2 选择有典型性的 各有特点的若干内容 13 参考书 生物无机化学 杨频高飞编著科学出版社2002年4月第一版 BioinorganicChemistry Ashortcourse RosetteM Roat Malone 生物无机化学原理 美 S J LippardandJ M Berg著席振峰姚光庆项斯芬任宏伟译北京大学出版社2000年6月第一版 生物无机化学导论 计亮年莫庭焕中山大学出版社 14 生物无机化学 的部分杂志 BioinorganicChemistryJ ofInorganicBiochemistryJ ofBiologicalInorganicChemistryBiologicalTraceElementsResearchCurrOpinioninBiologicalChemistry 15 生物无机化学发展经历 1970首届国际生物无机化学学术讨论会 U S Virginia 生物无机化学 BioinorganicChemistry 论文集1971英国科学家D R Williams的专著 生命金属 TheMetalofLife 出版1971学术期刊BioinorganicChemistry在美国问世 1979年更名为JournalofBioinorganicChemistry 这些事件标志着生物无机化学作为一个独立学科的建立 16 国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ICBIC 01976年英国无机化学和生物交叉地带发展ICBIC 11983年意大利ICBIC 21985年葡萄牙ICBIC 31987年荷兰ICBIC 41989年美国ICBIC 51991年英国金属识别 储存 输送和组装ICBIC 61993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 17 ICBIC 71995年德国金属离子对基因调节影响ICBIC 81997年日本丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺ICBIC 91999年美国ICBIC 102001年意大利中枢神经系统的生物无机化学ICBIC 112003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ICBIC 122005年美国ICBIC 132007年欧洲ICBIC 142009年中国 国际生物无机化学会议 ICBIC 简介 18 国际应用生物无机化学学术讨论会 ISABC 简介 ISABC 11990年武汉金属药物和抗癌药ISABC 21992年广州生物矿化和生物材料ISABC 31994年澳大利亚利用生物电子转移设计制作生物传感器ISABC 41997年南非环境生物无机化学ISABC 51999年希腊地中海贫血 ISABC 62001年英国ISABC 72003年墨西哥ISABC 82004年香港小分子修饰使蛋白酶功能改变和关闭ISABC 92006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 20 BioinorganicChemistryArea AMultidisciplinaryResearchArea 21 生物无机化学的基本任务 生物机体中固有的无机元素 特别是生物金属元素在生命体内的分布 形态 代谢规律以及它们的生物学功能的研究 环境中的外来金属离子通过不同途径进入生命体后的运输 分布 形态 代谢以及它们是如何参与并影响生命过程的研究 22 生物无机化学的发展前景和价值 通过对生物无机化学问题和规律的研究探索有助于进一步揭示生命的奥秘 生物无机化学规律的揭示及其成果将有助于改善人类的生活环境 保护人类的健康 延长人类的寿命 从而造福人类 23 Chapter1TheBasicConceptionsandReasonsofBioinorganicChemistry 1 EssentialChemicalElementsinBiologicalsystems 1 Bulkelements 宏量元素 6elementsH C N O P S 2 Macromineralsandions 矿物质离子 Na K Mg Ca Cl PO43 SO42 3 Traceelements 微量元素 Fe Zn Cu 4 Ultratraceelements 痕量元素 nonmetals F I Se Si As B Metals Mn Mo Co Cr V Ni Cd Sn Pb Li 24 EssentialElementsinEssentialElementsinOrganisms 25 PercentageCompositionofSelectedElementsintheHumanBody 26 MetalIonsinaSingleMetalIonsinaSingleCell 某些具有代表性的微量元素的功能 28 法国科学家G Bertrand在研究了锰对植物生长的影响后提出了一个最适营养定律 即植物缺少某种必需的元素时就不能成活 当该元素适量时就能茁壮成长 但若过量时又会转为有害 该定律不仅适用于植物 也适用于一切生物 最适营养浓度定律 29 Bertrand最适营养浓度定量示意图 30 生物元素的选择与演化 丰度规则 当完成某种生物学功能有若干种元素可供选择时 生物体就选择自然环境中丰度最高的那种元素 构成人体99 9 以上的11种宏量元素以及Fe Zn Cu Mn I等必需元素 它们的丰度无论是在地壳中还是在海水中都是相当高的 31 在丰度规则前提下 生物利用度也起决定作用 丰度虽高 但若可利用度低 也不会被选择为必需元素 反之亦然 例如 元素Ti地丰度很高 但由于该元素的常见离子Ti4 在pH6 8的生物体液中难于溶解和输运 从而导致极低的利用度 因而未被生物所利用 生物元素的选择与演化 生物利用度规则 bioavailability 32 生物元素的选择与演化 基本适宜规则 某种金属元素若被选择 它就具有完成某种功能的能力 换言之 某种金属元素由于适应某一特定配位环境 从而能够有效地发挥某种功能 业已存在的就是基本适宜的 例如 血红蛋白的生物功能是载氧 它利用了Fe2 离子 但是 若无特点的蛋白质与Fe II 就会被O2氧化而丧失其可逆地结合并释放O2的功能 33 生物元素的选择与演化 有效性规则 生物体总是选择更加有效的化合物加以利用 34 METALSINBIOLOGICALSYSTEMS Metalsinbiologicalsystemsfunctioninanumberofdifferentways 1 Group1and2metalsoperateasstructuralelementsorinthemaintenanceofchargeandosmoticbalance Table1 2 2 Transitionmetalionsthatexistinsingleoxidationstates suchaszinc II functionasstructuralelementsinsuperoxidedismutaseandzincfingers Table1 3 35 METALSINBIOLOGICALSYSTEMS 3 Transitionmetalsthatexistinmultipleoxidationstatesserveaselectroncarriersironionsincytochromes 细胞色素 iron sulfurclustersinenzymenitrogenase 固氮酶 copperionsinazurin 天青蛋白 andplastocyanin质体蓝素 一种在叶绿体的光合作用中作为电子传递体的含铜蛋白 Table1 4 36 METALSINBIOLOGICALSYSTEMS 4 Transitionmetalsasfacilitatorsofoxygentransportironionsinhemoglobin 血色素 copperionsinhemocyanin血蓝蛋白 Table1 5 5 Transitionmetalsasenzymecatalysiscopperionsinsuperoxidedismutase 超氧化物岐化酶 ironandmolybdenumionsinnitrogenase Table1 6 37 MetalsinBiologicalSystems ChargeCarriers 38 MetalsinBiologicalSystems Structural Triggers 39 MetalsinBiologicalSystems ElectronTransfer 40 MetalsinBiologicalSystems DioxygenTransport 41 MetalsinBiologicalSystems EnzymeCatalysis 42 TheHard SoftAcid BaseTheoryofInorganicChemistry Ligandpreferenceandpossiblecoordinationgeometriesofthemetalcenterareimportantbioinorganicprinciples Metalligandreferenceiscloselyrelatedtothehard softacid basenatureofmetalsandtheirpreferredligands Ingeneral hardmetalcationsformtheirmoststablecompoundswithhardligands whereassoftmetalcationsformtheirmoststablecompoundswithsoftligands 43 Hard SoftAcid BaseClassificationofMetalIonsandLigands 44 ELECTRONICANDGEOMETRICSTRUCTURESOFMETALSINBIOLOGICALSYSTEMS Commontransitionmetalcoordinationgeometries 45 Representationsofthefivedorbitalsalongx y andzaxes 46 Approximateenergylevelsfordelectronsinoctahedral tetrahedral andsquare planarfields 47 spectrochemicalseries Thestrengthoftheligandfieldatametalcenterisstronglydependentonthecharacteroftheligand selectronicfieldandleadstotheclassificationofligandsaccordingtoa spectrochemicalseries arrangedbelowinorderfromweakfield halides sulfides hydroxides tostrongfield cyanideandcarbonmonoxide 48 High spinandlow spind electronconfigurationsfortheoctahedralfield 49 ELECTRONTRANSFER ComplementaryReaction NoncomplementaryReactions verysmall many 50 Twotypesofelectrontransfermechanisms Outer sphereelectrontransferoccurswhentheouter orsolvent coordinationspheresofthemetalcentersisinvolvedintransferringelectrons Noreorganizationoftheinnercoordinationsphereofeitherreactanttakesplaceduringelectrontransfer 51 Twotypesofelectrontransfermechanisms Inner sphereelectrontransfersinvolvetheinnercoordinationsphereofthemetalcomplexesandusuallytakeplacethroughabridgingligand 52 BIOCHEMISTRYFUNDAMENTALS PROTEINSAminoAcidBuildingBlocks天然蛋白质水解得到的氨基酸有30余种 常见的有20种 除脯氨酸外均为 氨基酸 53 氨基酸的构型 分类和命名 除甘氨酸外 分子中 碳均为手性碳原子 有旋光异构体 构型习惯上采用D L法标记 不论含几个手性碳原子 以 碳的构型为准 L 氨基酸 D 氨基酸 L 丙氨酸 蛋白质水解得到的 氨基酸几乎都是L构型 54 20种天然氨基酸 序号中文名称英文缩写结构式 55 20种天然氨基酸 续 序号中文名称英文缩写结构式 56 ZwitterionsofnonpolarhydrophobicaminoacidsatphysiologicalpH 57 ZwitterionsofpolarneutralaminoacidsatphysiologicalpH 58 ZwitterionsofacidicaminoacidsatphysiologicalpH 59 ZwitterionsofbasicaminoacidsatphysiologicalpH 60 ProteinStructure Allproteinshaveatleastthreelevelsofstructure primary secondary tertiary Proteinswithmorethanonepolypeptidechain hemoglobinandnitrogenaseareexamples alsopossessquaternarystructure 61 Formationofapeptidebond 62 primarystructure Apeptideoffouraminoacids 63 PeptideStructure 64 SecondaryStructure Twotypesofproteinsecondarystructure thea helixandb pleatedsheet 65 螺旋结构 在 螺旋结构中 多肽链中各肽键平面通过 碳原子的旋转 围绕中心轴形成一种紧密螺旋盘曲构象 绝大多数蛋白质分子中所存在的 螺旋几乎都是右手螺旋 66 螺旋其结构特点 肽链呈螺旋上升 每相隔3 6个氨基酸残基上升1圈 每个氨基酸残基沿轴旋转100 沿轴向升高0 15nm 故螺距约为0 54nm 67 螺旋其结构特点 螺旋间靠氢键维系 氢键是由同一条主链上一个氨基酸残基中的C O氧与后面第四个氨基酸残基中的N H氢形成 方向与螺旋轴大致平行 由于每个肽键中的C O和N H都参与形成链内氢键 故保持了 螺旋的最大稳定性 68 螺旋的四种表示方法 69 折叠结构 折叠一般有两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段共同参与形成 它们平行排列 并在两条肽链或一条肽链内的两个肽段之间以氢键维系而成 70 TertiaryStructure 纤维状蛋白质一般只有一类二级结构构象单元 而球状蛋白质可能在同一分子内有几类二级结构构象单元 蛋白质的三级结构是指蛋白质 主要指球状蛋白 分子在二级结构的基础上依靠非共价键力进一步卷曲 折叠而构成的一种不规则的 特定的 更复杂的空间结构 71 抹香鲸肌红蛋白的三级结构 存在于哺乳动物 鲸 海狗和海豚 肌肉中的肌红蛋白是一种较小的球状蛋白 它是由一条含153个氨基酸残基组成的多肽链 主链中75 绕曲成8段比较直的 螺旋 72 猪胰岛素空间结构示意图 1971年我国科学工作者全部完成了0 25nm分辨率的猪胰岛素晶体结构的测定工作 1974年又完成了分辨率为0 18nm的胰岛素晶体结构的分析工作 我国测定绘制的猪胰岛素空间结构示意图 73 quaternarystructure 蛋白质的四级结构中的每一个具有三级结构的多肽链称为亚基 或亚单位 一般亚基多为偶数 较小的蛋白质亚基数一般为2 10个 多的可达上千个 血红蛋白有两条 链 两条 链 链含141个氨基酸残基 链含146个氨基酸残基 共4个亚基 近于一个直径为5 5nm的球体 很多蛋白质是以三级结构的球状蛋白质的聚集体形式存在的 这种由球状蛋白质通过非共价键彼此结合在一起的聚集体称为蛋白质的四级结构 溶菌酶 肌红蛋白等无四级结构 74 血红蛋白的四级结构 75 TheFormationofProtienStructure 76 NUCLEICACIDS DNAandRNABuildingBlocks 核酸 嘌呤碱 嘧啶碱 脱氧核糖 核糖 有机碱 戊糖 核苷酸 水解 核苷 磷酸 水解 77 DNA和RNA的组成单元 78 核苷酸的结构 核苷酸是核苷中戊糖的3 位或5 位羟基与磷酸脱水而形成的核苷磷酸酯 它是核酸的基本组成单位 5 腺苷酸3 脱氧胞苷酸5 AMP3 dCMP 79 DNAstructure Nitrogenousbases purines adenine guanine pyrimidines thymine cytosine uracil 80 DNAstructure Nucleosidesarenitrogenousbase asugar deoxyriboseorribose 81 Examples adenosine deoxyadenosine guanosine thymidine cytidine 82 DNAstructure Nucleotidesarenucleosidesesterifiedtooneormorephosphates e g adenosinetriphosphate ATPordeoxyadenosinetriphosphate dATP 83 DNAstructure DNAisapolymerizedchainofnucleotides Pyrophosphate PPi 84 DNAstructure Strandshavea5 end phosphate anda3 end sugar 85 与蛋白质一样 核酸也有一级结构 二级结构和高级结构 核酸的结构 1 核酸的一级结构 核酸的一级结构是指单核苷酸按一定的种类 数量和排列顺序连接而成的长链 核酸片段结构 不论是RNA分子还是DNA分子 单核苷酸都是通过3 5 磷酸二酯键互相连接的 即由核糖或脱氧核糖C 5 上的磷酸基以酯键与另一个核糖或脱氧核糖C 3 相连 如此依次相连形成一条多核苷酸链 86 DNA分子的双螺旋结构是Watson和Crick等三人于1953年首先提出来的 它为从分子水平揭示生命现象的本质及分子遗传学奠定了基础 被誉为20世纪的三大发现之一 为此 Watson和Crick等三人荣获了1962年的诺贝尔奖 DNA分子是由二条方向相反的平行核苷酸链组成 一条链为3 5 另一条为5 3 走向 围绕着一中心轴形成一个右手双螺旋结构 螺旋的直径为2 0nm DNA的二级结构 双螺旋结构 87 DNAstructure 2DNAstrandsanneal hybridize specific complementarybasepairsformhydrogenbondstomakedoublestrandedDNA ATCG