生物无机化学简介

1、生物无机化学简介生物无机化学简介生物无机化学是介于生物化学和无机化学之间的内容生物无机化学是介于生物化学和无机化学之间的内容十分广泛的边缘学科十分广泛的边缘学科, , 生物无机化学主要是在分子水平生物无机化学主要是在分子水平上研究生物体内与无机元素上研究生物体内与无机元素( (包括生命金属和生命非金包括生命金属和生命非金属元素属元素) )有关的各种相互作用有关的各种相互作用. . 主要包括以下几个方面主要包括以下几个方面: :1. 1.研究人体及其它生物体所必须的元素研究人体及其它生物体所必须的元素, , 它们在器官它们在器官中的分布状况中的分布状况, , 存在状态存在状态, , 作用机理作用

2、机理, , 功能及合适的功能及合适的摄取量摄取量. . 2.2.2. 2. 研究地球化学环境特别是工业金属对人体健康研究地球化学环境特别是工业金属对人体健康的影响的影响, , 阐明污染元素使人体中毒致病的机理阐明污染元素使人体中毒致病的机理, , 指出指出减少污染减少污染, , 预防疾病和增进健康的途径预防疾病和增进健康的途径. .3. 3. 探讨某些常见疾病的发病原因与金属元素之探讨某些常见疾病的发病原因与金属元素之间的联系间的联系, , 以调节和控制这些元素来防止病以调节和控制这些元素来防止病变的发生变的发生. .4.4. 合成新的药物合成新的药物, , 研究药理研究药理. . 如合成抗癌

3、药物和如合成抗癌药物和具有抗癌机理具有抗癌机理, , 合成载氧人造血液及研究载合成载氧人造血液及研究载氧机理氧机理, , 合成某些人体过量的和有害的金属合成某些人体过量的和有害的金属元素的解毒剂元素的解毒剂( (常为配位体常为配位体), ), 并探讨其作用机并探讨其作用机理理. .5.5. 5. 5. 研究金属离子与生物配体所形成的配合研究金属离子与生物配体所形成的配合物物, , 或人工合成某些模拟化合物或人工合成某些模拟化合物, , 揭示结构揭示结构, , 性质与生物功能之间的关系性质与生物功能之间的关系. .生物配体生物配体: : 在生物体中可与金属离子形成具有一在生物体中可与金属离子形成

4、具有一定生物活性的分子或离子的物质称为生物配体定生物活性的分子或离子的物质称为生物配体. . 它大体上包括下列三类它大体上包括下列三类: :1). 1). 简单酸根离子简单酸根离子, , 如如: : ClCl- -, HCO, HCO3 3- -, HPO, HPO4 42-2-等等. .2). 2). 简单分子简单分子, , 如水如水, , 氧氧, , 羧酸羧酸, , 碳水化合物及其衍碳水化合物及其衍生物生物. .3). 3). 复杂的生物大分子复杂的生物大分子, , 如如: : 氨基酸氨基酸, , 卟啉卟啉, ,核苷酸核苷酸, , 蛋白质蛋白质, , 核酸等核酸等, , 分子量可大可小分子

5、量可大可小, , 配位原子配位原子一般为一般为N, S, ON, S, O等等. .主要为第二和第三类配体主要为第二和第三类配体. .氨基酸、肽、蛋白质氨基酸、肽、蛋白质组成蛋白质的基本单元是氨基酸，组成蛋白质的基本单元是氨基酸， 不同的蛋白质分子不同的蛋白质分子是由是由20多种多种 氨基酸构成的，氨基酸构成的， 氨基酸可用如下通氨基酸可用如下通式表示，不同的氨基酸只是式表示，不同的氨基酸只是R-取代基不同。取代基不同。在氨基酸分子中，氨基在氨基酸分子中，氨基N和羧基和羧基O可作为配位原子，与可作为配位原子，与金属离子特别是过渡金属离子配位，金属离子特别是过渡金属离子配位， 此外，此外， R基

6、团内基团内的羟基，咪唑基，硫谜基，的羟基，咪唑基，硫谜基， 巯基等也可与金属离子配巯基等也可与金属离子配位。位。氨基酸相互聚合而成的化合物称为氨基酸相互聚合而成的化合物称为肽肽。H2NCH CROHO氨基酸聚合的方式是一个氨基酸的氨基和另一个氨基氨基酸聚合的方式是一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的羟基脱去一个分子水，酸的羟基脱去一个分子水， 形成形成肽键肽键。N端端 肽键肽键 C端端H2NCH CROONCH CROHOHHHH2NCH CROHNCH CROOH蛋白质是由很多个氨基酸组成的多肽大分子，由蛋白质是由很多个氨基酸组成的多肽大分子，由1条或条或多条肽链按各自特殊方式组合而成，蛋白质中

7、含氨基多条肽链按各自特殊方式组合而成，蛋白质中含氨基酸数目为数十个到数万个。蛋白质分子的内部结构分酸数目为数十个到数万个。蛋白质分子的内部结构分为四个层次：为四个层次：一级结构：一级结构：蛋白质分子中肽链氨基酸的排列顺序蛋白质分子中肽链氨基酸的排列顺序二级结构：二级结构：蛋白质分子中肽链本身的折叠方式，如：蛋白质分子中肽链本身的折叠方式，如： 螺旋。螺旋。三级结构：三级结构：由于各个氨基酸残基不同性质的侧链的相由于各个氨基酸残基不同性质的侧链的相互作用，互作用， 使多肽不同长度的使多肽不同长度的 螺旋肽链和走向无序的螺旋肽链和走向无序的松散肽段按确定的方式形成紧密的折叠结构松散肽段按确定的方式

8、形成紧密的折叠结构(如如 折叠折叠)，这种特定的空间结构称为蛋白质的三级结构。这种特定的空间结构称为蛋白质的三级结构。四级结构：四级结构：在某些蛋白质分子中，在某些蛋白质分子中， 整个分子是由若干整个分子是由若干条多肽链组成的，条多肽链组成的， 其中以共价键结合的最小多肽结构其中以共价键结合的最小多肽结构单元称为亚单元，单元称为亚单元， 各亚单元可以相同，各亚单元可以相同， 也可以不同，也可以不同，蛋白质分子是多个亚单元构成的聚集体，亚单元构成蛋白质分子是多个亚单元构成的聚集体，亚单元构成的聚集是蛋白质的四级结构。亚单元之间的作用力是的聚集是蛋白质的四级结构。亚单元之间的作用力是静电作用，静电

9、作用， 氢键，疏水基团的相互作用等，氢键，疏水基团的相互作用等，不包括共不包括共价键价键。核苷酸和核酸：核苷酸和核酸：生命活动主要通过蛋白质来体现，而生物的遗传特征生命活动主要通过蛋白质来体现，而生物的遗传特征则主要决定于核酸。则主要决定于核酸。核苷酸核酸酶的水解酶的水解核苷磷酸含氮杂环碱(嘌呤和嘧啶）戊 糖(核糖或脱氧核糖)核苷酸组成中，腺苷二磷酸核苷酸组成中，腺苷二磷酸(ADP)和腺苷三磷酸和腺苷三磷酸(ATP), 都是生物细胞中的高能物质，都是生物细胞中的高能物质， 多磷酸核酸的功能之一多磷酸核酸的功能之一就是将糖氧化释放出来的能量储存于高能键中。就是将糖氧化释放出来的能量储存于高能键中

10、。NNNNNH2OOH OHCH2O P OOOHPOOHO POOHOH腺嘌呤(A)核糖(R)AMP 腺苷一磷酸ADP 腺苷二磷酸ATP 腺苷三磷酸多多磷磷酸酸核核苷苷酸酸核酸的结构：核酸的结构：按其分解后所含戊糖的组成不同，按其分解后所含戊糖的组成不同， 核酸可分为两类：核酸可分为两类：即核糖核酸即核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸和脱氧核糖核酸(DNA). RNA主要存主要存在于细胞质内，在于细胞质内， DNA主要存在于细胞核内。它们各有主要存在于细胞核内。它们各有四种碱基，四种碱基， 其中腺嘌呤其中腺嘌呤(A), 鸟嘌呤鸟嘌呤(G), 和胞嘧啶和胞嘧啶(C)为为它们共有，尿嘧啶它们共有，

11、尿嘧啶(U)和胸腺嘧啶和胸腺嘧啶(T)则分别为则分别为RNA和和 DNA单独具有单独具有. DNA的一级结构：的一级结构： 是指组成是指组成DNA链的核苷酸顺序，它链的核苷酸顺序，它是决定遗传信息的载体。核酸的一级结构是指核酸中是决定遗传信息的载体。核酸的一级结构是指核酸中各单核苷酸的种类核排列次序。各单核苷酸的种类核排列次序。核酸的二、三级结构：核酸的二、三级结构：核酸的二、三级结构是指核酸的构象，核酸的二、三级结构是指核酸的构象，DNA的二级结的二级结构为双股螺旋结构，两条核酸之间通过碱基对之间的构为双股螺旋结构，两条核酸之间通过碱基对之间的氢键结合。氢键结合。NNNHNNH2HNNHOO

12、ATAGCT GCAGCTCAGCTAGCTGNHNHNNONH2NNHH2NOGC金属蛋白和金属酶金属蛋白和金属酶蛋白质分为蛋白质分为简单蛋白简单蛋白和和结合蛋白结合蛋白，简单蛋白是指水解，简单蛋白是指水解产物只有产物只有 氨基酸的蛋白，氨基酸的蛋白， 结合蛋白是由简单蛋白与结合蛋白是由简单蛋白与非蛋白两部分组成，非蛋白两部分组成， 非蛋白部分称为非蛋白部分称为辅基辅基，辅基可以，辅基可以是有机化合物糖类、酯类和核酸，也可以是金属离是有机化合物糖类、酯类和核酸，也可以是金属离子，凡是有金属部分的结合蛋白统称为子，凡是有金属部分的结合蛋白统称为金属蛋白金属蛋白，如，如血红蛋白血红蛋白(氧载体氧

13、载体), 蓝铜蛋白和铁硫蛋白蓝铜蛋白和铁硫蛋白(电子传递体电子传递体)。金属蛋白和金属酶：金属蛋白和金属酶：血红蛋白血红蛋白(氧载体氧载体), 蓝铜蛋白和铁硫蛋白蓝铜蛋白和铁硫蛋白(电子传递体电子传递体)。金属酶金属酶是一类具有特殊催化功能的一类蛋白是一类具有特殊催化功能的一类蛋白, 它是生物它是生物体内十分温和条件下完成化学变化的催化剂体内十分温和条件下完成化学变化的催化剂, 酶催化的酶催化的特点是特点是: 高效和高选择性高效和高选择性.蛋白质简单蛋白结合蛋白(简单蛋白 + 非蛋白部分)含金属离子金属蛋白按蛋白质载氧的活性部位化学本质，按蛋白质载氧的活性部位化学本质， 天然载氧天然载氧体可分

14、为三类：体可分为三类：1. 含血红素辅基的蛋白含血红素辅基的蛋白(Heme), 如血红蛋白如血红蛋白(Hemoglobin)和肌红蛋白和肌红蛋白(Myoglobin).2. 不含血红素的铁蛋白不含血红素的铁蛋白, 如蚯蚓血红蛋白如蚯蚓血红蛋白(Hemerythrin).3. 含铜的蛋白含铜的蛋白, 如血蓝蛋白如血蓝蛋白(Hemcyanin).载氧蛋白载氧蛋白血红蛋白血红蛋白(Hemoglobin)的结构的结构血红蛋白血红蛋白(Hemoglobin-Hb)的活性部位的活性部位哺乳动物的血红蛋白是由四个亚单元哺乳动物的血红蛋白是由四个亚单元()或或()组成，每个亚单元都含一个组成，每个亚单元都含一

15、个Fe(II)卟啉辅基，其结构卟啉辅基，其结构如上图如上图. 亚单元第亚单元第87位组氨酸和位组氨酸和 亚单元第亚单元第92位组氨位组氨酸上的酸上的咪唑咪唑N原子是轴向配体原子是轴向配体, 第六配位是氧第六配位是氧(O2).NNHHNNNNNNFeN(His)O2d 0.045 -0.075 nm血红蛋白血红蛋白(Hemoglobin)的主要功能的主要功能血红蛋白的主要功能是运送血红蛋白的主要功能是运送O2和和CO2, 与氧结合的血与氧结合的血红蛋白称为氧合血红蛋白红蛋白称为氧合血红蛋白(Oxyhemoglobin-HbO2), 血血红蛋白与氧结合是可逆的：红蛋白与氧结合是可逆的：Hb + O

16、2 HbO2血红蛋白多肽单链的自由氨基与血红蛋白多肽单链的自由氨基与CO2结合生成氨基甲结合生成氨基甲酰血红蛋白酰血红蛋白, 将组织产生的将组织产生的CO2运送到肺部呼出：运送到肺部呼出：HbNH + CO2 HbNHCOOH血液循环就依靠血红蛋白的这一功能，有效地把血液循环就依靠血红蛋白的这一功能，有效地把O2从从肺部输送到各组织，再把肺部输送到各组织，再把CO2从肺部运送到肺部呼出。从肺部运送到肺部呼出。肌红蛋白肌红蛋白(Myoglobin)的结构的结构肌红蛋白是一条由肌红蛋白是一条由153个氨基酸残基组成的多肽个氨基酸残基组成的多肽, 卟啉卟啉Fe(II)与与His-93配位，第六配位原

17、子为水配位，第六配位原子为水, 氧合时为氧合时为O2分子分子. Hb和和Mb活性部位都是疏水环境活性部位都是疏水环境, 并含有大量的并含有大量的还原性物质还原性物质, 如抗坏血酸、谷胱甘肽、如抗坏血酸、谷胱甘肽、NADPH2等等, 从从而保证而保证Fe(II)不被氧化为不被氧化为Fe(III), 失去结合失去结合O2能力。能力。NNHHNNNNNNFeN(His93)(H2O, O2)d 0.045 -0.075 nm肌红蛋白肌红蛋白(MyoglobinMb)的活性部位的活性部位血蓝血蓝蛋白蛋白(Hemocyanin)的结构的结构组成血蓝蛋白的亚单元较多组成血蓝蛋白的亚单元较多, 每个亚单元都

18、含有两个每个亚单元都含有两个Cu(I)离子，构成一个氧合中心离子，构成一个氧合中心, 其生理功能是输送氧，其生理功能是输送氧，氧合血蓝蛋白的铜是氧合血蓝蛋白的铜是Cu(II)并呈蓝色。每个并呈蓝色。每个Cu(I)离子离子与三个组氨酸残基与三个组氨酸残基(His)的咪唑的咪唑N原子配位原子配位, 未氧合时未氧合时, 铜离子间距为铜离子间距为46 pm, 氧合后氧合后Cu(II)是是 4或或5配位的。配位的。血蓝血蓝蛋白蛋白(Hemocyanin)的活性部位的活性部位CuAN1OON2CuBN5N6N4N3CuAN1N2N3CuBN6N5N4+ O2- O2氧化还原蛋白氧化还原蛋白除厌氧生物外除厌

19、氧生物外, 一切生物都需要氧一切生物都需要氧, 氧化还原反应是氧化还原反应是生物体中的重要反应，如呼吸作用、光合作用、固氮生物体中的重要反应，如呼吸作用、光合作用、固氮作用和生物体内的新陈代谢过程都涉及氧化还原反作用和生物体内的新陈代谢过程都涉及氧化还原反应，因此，氧化还原蛋白是生物体中另一类重要的应，因此，氧化还原蛋白是生物体中另一类重要的蛋白质。如：蛋白质。如：细胞色素细胞色素C, 细胞色素细胞色素P-450, 铁硫蛋白铁硫蛋白, 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶, 肝醇脱氢酶肝醇脱氢酶, 固氮酶等。固氮酶等。细胞色素细胞色素C(Cytochrome C)的结构的结构马心细胞色素马心细胞色素C

20、 C也含有卟啉铁结构单元轴向第五配体也含有卟啉铁结构单元轴向第五配体是是His-18His-18咪唑氮咪唑氮，第六配体是，第六配体是Met-80(Met-80(蛋氨酸蛋氨酸) )的甲基的甲基硫硫，其基本生物功能是通过分子中的血红素铁的价态，其基本生物功能是通过分子中的血红素铁的价态的可逆变化在生物体中起的可逆变化在生物体中起电子和氢的传递电子和氢的传递作用。作用。NNHHNNNNNNFeN(His-18)SMe(Met-80)细胞色素细胞色素C的活性部位的活性部位细胞色素细胞色素P-450(P-450)的结构的结构细胞色素细胞色素P-450的活性部位的活性部位P-450是一类具有不同分子量、不

21、同生化特征及不同催是一类具有不同分子量、不同生化特征及不同催化功能的血红素蛋白的总称化功能的血红素蛋白的总称. 其活性部位含有卟啉铁结其活性部位含有卟啉铁结构单元构单元, 轴向第五配体是来自半胱氨酸残基的硫轴向第五配体是来自半胱氨酸残基的硫,第六第六配位可能是水或羟基配位可能是水或羟基, 目前还不是很清楚目前还不是很清楚. 在哺乳动物在哺乳动物体内体内, 可催化可催化300多种脂溶性化合物进行氧化还原反多种脂溶性化合物进行氧化还原反应应, 如如羟化、环氧化、如如羟化、环氧化、N,O-脱烷基、脱烷基、N,S-氧化等。氧化等。NNHHNNOH2(OH-)NNNNFeS(Cys)超氧化物歧化酶超氧化

22、物歧化酶(SOD)生物体生存的必要条件之一是通过呼吸作用产生能量生物体生存的必要条件之一是通过呼吸作用产生能量,基本过程是将氧还原为水基本过程是将氧还原为水: O2 + 4H+ + 4e 2H2O 该该反应由细胞色素反应由细胞色素C氧化酶催化氧化酶催化, 还原分两部进行还原分两部进行:O2 + e O2- O2- + e O22- 超氧自由基阴离子超氧自由基阴离子O2-和过氧离子和过氧离子O22-都是高活性的有都是高活性的有毒物质毒物质, 可以由过氧化氢酶可以由过氧化氢酶, 过氧化物酶和超氧化物歧过氧化物酶和超氧化物歧化酶有效地清除化酶有效地清除. 天然超氧化物歧化酶天然超氧化物歧化酶( Su

23、peroxide Dismutase, SOD)有三种有三种: Cu-Zn-SOD, Fe-SOD, Mn-SOD. 其中其中Cu-Zn-SOD研究得比较深入研究得比较深入.超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶(SOD)-的结构的结构Cu-ZnSOD Mn-SOD超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶Cu-Zn-SOD的活性部位的活性部位X-射线结构分析证实射线结构分析证实: Cu(II)的配体为的配体为4个组氨酸残基和水分子个组氨酸残基和水分子, 而而Zn(II)离子由离子由3个组氨酸和一个天冬氨酸残基配位个组氨酸和一个天冬氨酸残基配位, 形成变形四形成变形四面体面体, 其中其中, His-61的的咪唑基是咪

24、唑基是Cu(II)和和Zn(II)的桥联配体的桥联配体. 采用取采用取代活性中心离子的实验方法证实代活性中心离子的实验方法证实: Cu(II)离子是催化中心离子是催化中心, Zn(II)离子只起次要的结构作用离子只起次要的结构作用.NNZnCuONNNNNH2OOAsp-81His-78His-63His-44His-46His-118His-61Cu-Zn-SOD的生物功能的生物功能是催化超氧化物歧化为是催化超氧化物歧化为O2和和H2O2.2O2- + 2H+ H2O2 + O2乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶(Alcohol dehydrogenase)的结构的结构乙醇脱氢酶的活性中心是乙醇脱氢酶的活

25、性中心是1个组氨酸残基咪唑个组氨酸残基咪唑N原子原子, 2个半胱氨酸个半胱氨酸S原子和水配位原子和水配位的的Zn(II)离子离子, 它在辅酶它在辅酶NAD+/NADH存在下催化由存在下催化由醇氧化到醛的反应醇氧化到醛的反应:CH3CH2OH + NAD+ CH3CHO + NADH + H+ZnH2ONSSHisCysCys乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶(Alcohol dehydrogenase)的活性部位的活性部位从各种微生物分离出来的固氮酶都是由钼铁蛋白和铁蛋从各种微生物分离出来的固氮酶都是由钼铁蛋白和铁蛋白两种相对独立白两种相对独立, 相互分离的蛋白组成的相互分离的蛋白组成的, 铁蛋白是依赖铁蛋

26、白是依赖于于ATP供给能量的电子传递体供给能量的电子传递体, 具有把电子传递给钼铁具有把电子传递给钼铁蛋白的功能蛋白的功能, 钼铁蛋白是结合底物分子和催化底物还原钼铁蛋白是结合底物分子和催化底物还原底部位底部位, 二者协同作用完成催化功能二者协同作用完成催化功能. 其结构如上图其结构如上图.固氮酶固氮酶(Nitrogenase)的结构的结构MgATPMgATP= Fe4S41+/2+铁蛋白Fe-Mo-coFe-Mo-co P簇对Fe-Mo-co铁钼辅基铁钼蛋白固氮酶固氮酶(Nitrogenase)的结构及活性部位的结构及活性部位FeSFeSFESSFeSFeSFeSFeSSFeSSSSS -153Cys -70Cys -95Cys -62Cys -154Cys -88Cys -188Ser钼铁蛋白钼铁蛋白P簇对的结构簇对的结构固氮作用的机理固氮作用的机理研究表明研究表明, 固氮酶催化固氮酶催化N2和其它和其它底物还原时电子传递顺序如下底物还原时电