钒的化学性质及其生物效应.doc

钒及其化合物的化学性质及生物效应1210307417 刘显颖 2012级药学4班摘要：钒具有丰富的化学性质和生物效应，对机体产生积极影响。本文将从钒在生理条件下的化学性质和生物学行为的关系入手，一一阐述钒化合物所表现的生理作用及其药用前景，并对钒化合物的发展做出展望。关键词：钒；化学性质；生物效应 前言：1978年，钒酸根对ATP酶的抑制作用被发现，引发人们开展研究钒酸根抑制或促进磷酸根代谢酶的作用的研究。1980年钒酸盐具类胰岛素作用被揭示，开创钒的激素样效应的研究新领域。这两个生物特性的发现，促使科学工作者们把研究目光放在钒化合物上。一方面不断深入认识钒的生物效应的化学机理；另一方面，陆续发现钒化合物的其它药用价值：抗癌作用、抗炎作用、杀精子作用等。尤其是近年来发现，在药理生理浓度下，钒化合物可作为一个潜在的治疗试剂。而以上的研究必须基于钒化合物在生物体内的化学性质和生物学行为的关系，因而这一方面正成为科学工作者们重点研究的领域。一、钒及其化合物的化学性质1,2（一）钒的氧化还原性钒N层上有2个价电子，M层上有3个价电子，存在的氧化态有-3，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5等，其中在标准生理条件（pH3-7,、有氧、水溶液、室温）下只有+3，+4和+5价态可能存在，+4和+5价态是主要存在形式。自然界常见的钒化合物有V2O5、V2O3、NH4VO3和VCl3等。生理条件下钒主要以氧钒阳离子VO2+和含氧酸根VO43-等形式存在。VO43-/VO2+电对是单电子氧化还原体系，可推动自由基的形成。VO2+在中性介质中通过自氧化产生超氧阴离子O2-和V(），并参与类似Fe2+的Fenton反应，与H2O2 反应产生OH。VO2+ + H2O2 VO+2 + OH + H+ (1)VO2+ + O22- + H2O VO2+ + OH- + OH (2)继而OH 触发自由基转化级联反应：OH + H2O2 H2O + HO2 (3)O2- + H2O2 O2 + OH- + OH (4)VO2+ + O2- + H2O VO2+ + H2O2 (5)而且V( ) 通过类Fenton 反应催化上面反应( 4），产生OH。在生物体内存在的还原剂如抗坏血酸和NADH，可参与上述反应把生成的V() 还原。这样V() 和VO2+ 间的周转与生物还原剂的还原态和氧化态,，如NAD+和NADH间的周转相偶联。钒在其中成为生物还原剂氧化的催化剂：此外，生物体内大量存在的蛋白质和肽也是V()的还原剂。蛋白质巯基使其还原成V()，主要以VO2+形式结合在蛋白质分子上，同时构象发生改变。细胞内的谷胱甘肽也能使V()还原。（2） VO3-与磷酸根类似，可干预磷酸根参与的反应1.VO3-的自聚合、同磷酸根的共聚合VO3-之间可通过成酐而聚合。在pH 36 时，V() 的主要物种是十聚体V10O286- (简写为V10）；pH 610时,，主要物种为二聚体(V2)，环状四聚体(V4)，环状五聚体(V5) 等多酸；pH 10 时，主要物种是阴离子单体( VO4 3-)；pH3时，主要物种是阳离子单体(VO2+)是主要物种。VO3-还能与磷酸根或砷酸根聚合形成杂多酸。由此VO3-可以取代磷酸根或者参与到依赖磷酸根的反应，从而影响含磷酸生物分子的功能和有磷酸根参与的生化反应。此外，过氧根可与V()形成过氧钒酸盐，接着与不同辅助配体（氨基酸、肽、核苷等）配位形成单体和二过氧钒-配基化合物。2.VO3-对有磷酸根参与的酶的影响（1）在酶促磷酸转移反应中，给体要经过一个五配位中间体的过渡态，再转移到受体。VO3-能替代磷酸根形成过渡态的类似物，但同时又不易离去转移到受体，从而抑制反应的进行。（2）某些ATP酶被VO3-抑制是因为VO3-结合在蛋白链通常受磷酸化的残基上，影响该处的磷酸化，从而阻碍磷酸转移。（3） 钒的配位化学不同价态的钒之间存在不同的氧化还原电位，使其在生物体内呈多种存在形式，立体化学配位结构多变。此外，钒与氮和硫易形成较强的配位键，还可与氨氧基、羟基、咪唑基、硝基、氰基结合，形成不稳定的配合物。1. VO3-的配位化学VO3-与醇发生成酯反应：H2VO4- + HOR ROVO3H- + H2O由于钒的金属性，该反应具有配位性质。此外，V()还能与硫配位，形成相对稳定的VS43-和VSSH+，这使得V()不易被蛋白的巯基还原。2. VO2+的配位化学VO2+是硬酸金属阳离子，能够与CO32-、PO43-、膦酸盐、含氮杂环、去质子的巯基，以及氨基酸、核苷酸等许多生物配体结合。其亲氮和亲硫性使得其与蛋白质的结合非常普遍，且结合在Fe3+和Ca2+/Mg2+结合部位，可促进酶的活性，或是改变膜结构。二、钒化合物的生物效应（1） 具有类胰岛素作用已有充分的研究证据显示，多种钒化合物具有类胰岛素的作用：降血糖效应、增加葡萄糖的吸收、提高胰岛素的敏感性、减低血脂水平以及使肝酶活性正常化。并且这种效应具有多样性，用于糖尿病的治疗中不仅能减轻糖尿病的初期症状，也能降低其继发性并发症。目前较为大众接受的作用机制：1.钒化合物作为磷酸根类似物，作用于胰岛素受体介导的信号传导过程；2.刺激葡萄糖代谢；3.对胞内钙代谢及pH的影响；4.钒的氧化还原性影响葡萄糖的代谢1。（2） 抑制胆固醇的合成并加速其分解钒化合物可抑制内源性胆固醇的合成，特别是抑制肝内胆固醇的合成并加速其分解。钒化合物还可清除沉积在主动脉壁上的胆固醇。但钒浓度过高时会加速动脉粥样硬化的发生2。（3） 影响胱氨酸和半胱氨酸的代谢（4） 对多种酶具有抑制作用钒的合物作为磷酸根类似物，影响磷酸转移，从而抑制酶的活性。（5） 促进骨和牙齿中无机间质的沉积，增强有机物质和无机物质之间的粘合性（6） 影响造血功能钒可干扰铁卟啉的形成，影响血红蛋白的合成。（7） 调节细胞钠泵活性，维持正常代谢（8） 细胞毒性和抗肿瘤活性钒化合物有较强毒性和致癌性，且pH影响毒性大小3，VO3-介导的活性氧化物种的产生起重要作用。但是与此同时，该过程某些钒化合物表现出细胞静止作用，这可用于抗肿瘤药物的研究。另一方面，利用VO2+与Fe2+的相似性, VO2+可代替Fe2+以博莱霉素配合物形式杀伤癌细胞。3、 结语钒及其化合物的化学性质、在生理条件下的生物效应都十分复杂，其中存在很多利于机体生长的生理作用，比如类胰岛素效应和抗肿瘤活性。因此钒化合物具有广阔的开发前景。但随之而来的毒性和致癌性也应值得注意。当下应基于已有的实践基础之上，深入了解钒化合物的作用机制，探索更丰富的生理作用，尽快运用到实际生产中。参考文献1杨晓改,杨晓达,王夔.钒化合物生物效应的化学基础和药用前