无机物质与生物大分子的相互作用.ppt

1、主要内容,生物体中的化学元素 Chemical elements in organisms 无机物质与酶的相互作用 Interaction between inorganics and enzymes 无机物质与核酸的相互作用 Interactions between inorganics and nucleic acids,教学要求,掌握生物体中的化学元素的分类和主要功能； 了解金属离子与生物分子配合物； 了解金属离子与酶蛋白作用的方式； 掌握金属配合物对酶的抑制作用； 了解金属与核酸共价配位、静电、嵌插、断裂作用；,从自然界发现新的生物活性物质，寻找它们在生物体中的靶位点，研究小分子与生物

2、大分子之间的相互作用、构效关系和作用机制，进一步在分子和化学键水平上研究它们在调控生理过程中的分子识别、信息传递是当前最活跃的前沿研究领域之一。 无机小分子与生物大分子相互作用的研究与许多疾病关系极其密切。不仅对于阐明其作用机制及结构与活性关系，而且对于在分子水平上揭示生物体系分子识别、信息传递的化学原理都具有重要意义。,无机物质与生物分子的相互作用,指示: 删除样本文档图标,并替换为工作文档图标，如下: 在 Word 中创建文档. 返回 PowerPoint 在“插入”菜单中选择“对象.” 单击“从文件创建” 定位“文件”框中的文件名 确认选中“显示为图标”。 单击“确定” 选择图标 从“幻

3、灯片放映”菜单中选择“动作设置” 单击“对象动作”，并选择“编辑” 单击“确定”,第一节 生物体中的化学元素,生物体中的化学元素的分类和主要功能 金属离子与生物分子配合物,一、生物体内化学元素的分类和主要功能,生物体内基本元素组成,1、生物体中的化学元素的分类,必需元素：分为常量元素和微量元素。 非必需元素 有毒元素,必需元素,生命过程的某一环节需要该元素；生物体具有主动摄入并调节其体内分布和水平的元素；存在于体内的生物活性化合物的有关元素；缺乏该元素时引起生化生理变化 人体内的30多种元素中有11种为常量元素：C/S/P/Cl/Ca/Mg/Na/K,约占99.95%，其余微量元素,常量元素,

4、人体内的30多种元素中有11种为常量元素：C/S/P/Cl/Ca/Mg/Na/K 约占99.95%，其余微量元素,微量元素或超微量元素,必需的、有益的、污染和毒性的。 约占0.05%，有20-30种普遍存在于组织中，其浓度时变化的。,2、生物体中的化学元素的主要功能,结构材料 运载作用 组成金属酶或作为酶的激活剂 调节体液的物理、化学特性 “信使”作用,3、生物体系中无机元素的存在方式,在生物物质中，除碳、氢、氧和氮参与各种有机化合物外，其他生物元素各具有一定的化学形态和功能，这些形态包括它们的游离水合分子、与生物大分子或小分子配体形成的络合物预计构成硬组织的难溶化合物 无机结构物质:钙、氟、

5、磷和少量的镁，以难溶无机化合物存在于硬组织中，CaCO3 游离方式存在的离子:阳离子钠、镁、钾、钙和阴离子，分别以游离水合离子和阴离子形式存在于细胞内外液中 生物大分子：系指蛋白质、肽、核酸及类似物等需要金属结合的大分子 小分子：形成大分子单体（如硒代半胱氨酸）；与大分子建立平衡的相对低分子质量配体络合物.,返回,二、金属离子与生物分子配合物,金属离子或其水合离子本身常不具备生物活性，或者活性不够，只有与具有特定结构的配体结合成配体化合物后，才表现出特定的活性。 生物配体：蛋白质、肽、核酸、糖以及糖蛋白、脂蛋白等生物大分子配体、一些无机离子、有机离子、维生素和激素等小分子配体，O2分子、CO分

6、子 不同配体所含的各种配位基团决定了对金属的配位能力和配位方式，从而决定了生物功能。 生物配体所提供的配位原子一般是具有孤对电子的、S等。,金属离子与生物分子配合物类型,水相阴离子：在体液或细胞的水相中有简单和复杂的阴离子 氨基酸、多肽的金属配合物：-氨基酸常利用-碳上的氨基和羧基作为配位基团同金属离子作用，形成稳定的五元环螯合物，Zn(Gly)2.2H2O 蛋白质的金属配合物：蛋白质分子中有很多氨基酸残基，其中起配伍作用的基团主要是组氨酸残基咪唑基、半胱氨酸残基的巯基，其次是谷氨酸残基、天冬氨酸残基的羧基、羟基 核苷酸、核酸与金属离子的配合：碱基上的氮原子、氧原子，磷酸根羟基氧原子，戊糖的羟

7、基氧原子都能和金属离子配位。,返回,丙氨酸,甘氨酸,组氨酸,金属酶（蛋白）,碳酸酐酶活性中心结构,分子量30000Da的含锌酶。 在人的红细胞碳酸酐酶高级结构，氨基酸序列上并不邻近的3个组氨酸残基相互靠近 咪唑环上的氮原子,卟啉环具有一个略成平面的键系统，由4个吡咯氮原子围成一个“空洞”。 从卟啉环中心到每个吡咯氮原子距离204pm，与4个氮同时配位的金属离子可在卟啉平面上或高于平面，与离子半径有关，而离子半径又与金属离子的电子构型有关。 与Fe 2+、Mg 2+，形成极稳定的化合物，卟啉环上连接不同的侧链基团后形成不同类型血红素和叶绿素。,含卟啉辅基的酶（蛋白）,叶绿素：含镁的卟啉衍生物，构

8、成高等动物和绝大多数藻类发生光合作用的必备组分； 血红素：其辅基构成金属蛋白有载氧作用的血红蛋白家族，起电子传递作用的细胞色素家族和过氧化酶、氧化酶、水化酶、过氧化氢酶等。 血红蛋白分子中血红素 的载氧和脱氧形式,卟啉是最重要的生物配体之一,在蛋白质与核酸中，许多金属离子以配位方式结合在其作用位点上。 钼铁蛋白中心P族 的基本结构 Fe8S8,生物金属簇合物,返回,核苷酸、核酸与金属离子的配合,金属与ATP、ADP、AMP形成配合物稳定常数大小顺序：Cu2+Ni2+ Co2+ Mn2+ Mg2+ Ca2+ Sr2+ Ba2+，其中腺嘌呤N1位置可以和Mg2+、 Ca2+ 、 Mn2+ 、 Co

9、2+ 、 Ni2+ 、 Cu2+ 、 Zn2+ 和磷酸基成键 Cu2+ 、 Zn2+ 、 Ni2+ 、 Zn2+ ，即和磷酸成键又和腺嘌呤N7配位,Mg2+与ATP配合的几种结构类型,Mg2+胞嘧啶、胸腺嘧啶的配合作用,UMP与金属离子配位是碱基嘧啶N(3)或O(4), CMP与金属离子配位是碱基嘧啶N(3)或O(2),DNA与Cu2+的配位一般方式,金属与酶蛋白分子中的巯基形成金属化合物，参与氧化还原反应。 谷胱甘肽过氧化酶是一种糖蛋白，每个酶分子含有4个硒原子与半胱氨酸残基的巯基形成硒代半胱氨酸。 在催化反应中，从硒醇(E-S-SeH)形式转变成亚硒酸(E-S-SeOH),金属与蛋白质共价

10、结合,第二节 无机物质与酶的相互作用,无机物质：金属离子、无机阴离子、金属离子配合物和有机金属化合物 金属离子与酶蛋白的作用方式 无机物质对酶的激活作用 无机物质对酶的抑制作用 金属配合物对酶的抑制作用,一、金属离子与酶蛋白的作用方式,金属离子与酶蛋白紧密结合的金属酶：必需的；影响酶的活性；构成活性中心；维持三级结构 依赖于金属离子的金属激活酶:催化活性依靠特定金属离子；酶本身指未结合金属的蛋白质 金属非依赖性的酶：酶蛋白不含有金属离子或金属离子配合物；与酶结合对酶活性起调节作用。,1、金属离子与酶结合方式,金属离子(M)、酶(E)、底物(S)形成中间产物结合形式： 底物桥配合物(E-S-M)

11、:金属激活酶及金属非依赖性的酶可能形成这种形式 E+S E-S E-S+M E-S-M或S+M S-M S-M+E E-S-M 酶桥配合物(M-E-S): E+S E-S E-S+M M-E-S E+M E-M E-M+ S E-S-M 金属桥配合物(E-M-S):简单的金属桥或环状金属桥,2、金属离子配合物与酶结合方式,金属离子(M)、酶(E)、有机小分子配体(L) ： 金属桥配合物(E-M-L):E-M-S, 配体桥配合物(E-L-M) 底物桥-金属配合物(E-S-M-L),一价金属离子和碱土金属离子的激活作用:一价金属离子Na+、K + 、Li + 对大多数酶的催化活力没有影响；碱土金属

12、以顺序Ca2+ 、 Mg2+ 、Ba 2+大小对多数酶有激活作用，但对酶没有高度的选择性，表现为非竞争性激活效应。 过渡金属离子的激活作用：过渡金属Mn2+ 、 Co2+ 、 Ni2+ 、 Zn2+ 、 Cu2+ 、Fe2+等离子中 ，当离子浓度较小时，多数离子对许多酶有激活作用，但当离子浓度增大后，表现为抑制作用。 重金属和稀土金属离子的激活作用：某些离子在较低浓度时，对酶有激活作用，Ce 2+ 、 Cd 2+ 、 Pb 2+对核糖核酸酶活性的激活作用。 无机阴离子与金属配合物的激活作用：很少有无机阴离子作为酶激活剂的报道。,二、无机物质对酶的激活作用,无机阴离子对酶的抑制作用 硼酸盐 钒酸

13、盐 磷酸盐 金属离子对酶的抑制作用 过渡金属盒重金属离子对酶的抑制作用 稀土金属离子对酶的抑制作用,三、无机物质对酶的抑制作用,四、金属配合物对酶的抑制作用,金属离子虽然可以抑制许多酶的催化活性，但金属离子对酶的抑制作用没有专一性 ，大多数情况下，高浓度的金属离子都具有毒性。 金属离子配合物与金属离子不同，它们可高度选择性地与酶活性部位结合，从而阻断酶与底物的相互作用，也可以与活性部位附近的残基结合而影响酶蛋白的结构。 举例说明几种金属配合物和有机金属化合物对酶的抑制作用,1、简单金属配合物,核糖核苷酸还原酶催化二磷酸核苷( NDP）转化为二磷酸脱氧核苷 (dNDP), 该酶的活性随癌细胞的增

14、殖而增加。 用于癌症辅助治疗的羟基脲是核糖核苷酸还原酶抑制剂，可明显抑制核糖核酸还原为脱氧核糖核酸 ，从而抑制 DNA合成 。,实例,2,2-联吡啶-6-硫代甲酰胺,杂环甲醛-缩氨基硫脲,表柔比星-Cu2+的配合物比其配体能更有效地抑制蛋白激酶 C,实例,席佛碱配合物是凝血酶 和嗜热菌蛋白酶有效的抑制剂 。 可以与酶蛋白活性中心的组氨酸残基结合，抑制含锌金属蛋白酶的活性。,实例,2、金属卟啉配合物,血红素氧化酶（heme oxygenase,HO）是血红素分解代谢过程中的限速酶，几乎分布于所有的器官和组织，并涉及整个生长发育过程 。 血红素氧化酶是一种在系统炎症状态中由氧化应激所活化的可诱导蛋

15、白质，在动脉损伤修复中的可能 有 保护 作 用。 金属卟啉可作为血红素氧化酶的抑制剂 。,锌和锡卟啉作为血红素氧化酶的抑制剂，可结合于酶的催化部 位。在临床上用于抑制胆红素的产生，锌和锡卟啉可以抑制肠道血红素氧化酶的活性，降低铁的吸收。用于治疗铁过量引起的疾病。 在各种金属卟啉中，仅有Sn-NP、 Sn-PP和 Cr-MP可以口服， Co-MP和 Cr-MP对血红素 氧化酶的抑制效果最好 。,实例,有机金属化合物,有机金化合物 有机砷化合物 有机硅化合物,金诺芬 硫代苹果酸金钠,有机砷化合物的结构,乙氧基杂氮硅三环类化合物,指示: 删除样本文档图标,并替换为工作文档图标，如下: 在 Word

16、中创建文档. 返回 PowerPoint 在“插入”菜单中选择“对象.” 单击“从文件创建” 定位“文件”框中的文件名 确认选中“显示为图标”。 单击“确定” 选择图标 从“幻灯片放映”菜单中选择“动作设置” 单击“对象动作”，并选择“编辑” 单击“确定”,第三节 无机物质与核酸的相互作用,一些重金属的毒性大多是因为重金属离子与核酸间的共价结合作用，影响金属蛋白的正常调节功能，从而干涉基因正常表达。 金属-核酸相互作用研究是成功开发顺铂类抗癌药物的基础，金属配合物发展了核酸光谱探针； 金属离子及其配合物同DNA、RNA以多种方式相结合； 共价作用、非共价作用、离子键相互作用和断裂作用。,一、共

17、价配位作用,金属与DNA间最常见的 共价配合物是由金属离子与碱基上亲核位点间的配位作用而形成的。 顺铂以及有机锡化合物与DNA的相互作用就是典型的例子 铂配合物 金配合物 有机锡配合物,1、铂配合物,铂族金属配合物的生物活性发现于 1965 年； 第一代铂族抗癌药 -顺 铂(Cisplatin) 于1978年在美国 上市 第二代铂族抗癌药 卡铂 (Carbolatin) 于 1984 年在英国 上市。现在顺铂、卡铂已成为治疗癌症最有效的药物之一，在世界范围内得到广泛的临床应用。 新的铂族抗药草酸铂 、乙醇酸铂、乐铂等已推出。铂类药物的抗癌作用机制也有了进一步了解。,多核铂抗癌药,多核铂抗癌药是

18、一种全新结构的药物 ，它的设计摆脱了原有的构效关系框架，可说是铂类抗癌药研究的重大发展 。 它与DNA 发生多点键合，键合能力 强，对 DNA模型结构破坏更加严重。其抗癌活性明显高于顺铂，同时与顺铂无交叉耐药性。是一个具有重大开发的新药，目前正在进行临床研究 。,2、金配合物,在铂类化合物抗肿瘤应用研究的基础上，人们又发现金的有机配合物 也具有抗肿瘤活性，它们同样通过与DNA分子中碱基上N的共价配位。从而改变 DNA正常复制模板的功能，引 起DNA复制障碍而达到抗肿瘤的目的 。,3、有机锡化合物,有机锡化合物同顺铂一样，可 与DNA 作 用，但 与DNA作用的模式却不同。 一 般认为R2SnX

19、2L2中，配合物在生理条件下可能通过双氮或氧配体离去后与 DNA作用，进而干扰DNA的模板作用，妨碍 DNA的复制。,二、静电作用,在生物体内，金属离子 (尤其是Na+、K + 、Mg 2+等) 分布在细胞内各个部位，维持体液中水、电解质平衡和酸碱平衡等。这些离子的存在虽然不能改变生物大分子的结构 ，但它们可以影响生物大分子的构象。 金属离子可与核酸的不同 位点作用，它们不仅会影响DNA双螺旋结构的稳定性，而且对于维持非双螺旋结构如三螺旋 、四螺旋等也十分必要 。,1、金属离子对DNA构象的影响,DNA构型主要有A-DNA、B-DNA、C-DNA； 生理状态下主要构型是以右手双螺旋B-DNA构

20、型，生活细胞中绝大多数DNA 以 B-DNA 形式存在。但是，当外界环境条件发生变化时 ， DNA的构型也会发生变化。,合成双螺旋DNA 与 Na+ 相互作用的模型。图中(a) CGCGAATTCGCG 双螺旋 的 结 构 ， Na+位于小沟区的上部，一 个水分子结合AT部 位 。 (b) Na+深入到小沟区内并与AT部位的碱基原子紧密结合； (C)没有水分子和 Na+ 存在时小 沟 区AT部位的结构。从图中可以看出， CGCGAATTCGCG双螺旋 与 Na+相互作用中构象发生了明显的变化 。,实例,2、DNA大沟和小沟的离子载体作用,DNA与金属离子相互作用的理论和实验证明B 型DNA的大

21、沟和小沟是种离子载体。DNA分子中的碱基顺序与金属离子结合不是随机的，而是特异性的。 在大沟和小沟中，不同类型的一价和二价金属离子的定位遵循不同的顺序规则。 富AT顺序主要将一价金属离子结合小沟区，富 GC 顺序将二价金属离子定位在大沟区。,金属离子及其水合物与DNA 沟区的结合部位,3、金属离子与RNA的相互作用,对天然 RNA， 已知含Mg2+、 Ba2+ 、 Al2+ 、 Cr2+ 、Mn2+和 Zn2+ 多种金属离子，用螯合剂都很难分离出来，其中 Mn2+、Zn2+ 对结构有稳定作用。 其他离子作用生理功能还不清楚 。,三、嵌插作用,金属配合物与聚核苷酸的相互作用并不只局限在金属中心与

22、聚合物直接配位，还存在着大量择性很高、较弱的非共价作用。 一般出现在已经配位饱和的金属配合物与核酸之间，参与配位配体的嵌插作用是非共价性缔合的典型例子 。 20世纪 70 年代! Lippard等人首先对Pt2+配合物的嵌插作用进行了深入研究，发现含有三联吡啶配体的平面四方形铂 (II) 配 合 物 能 嵌 入DNA的双螺旋中。,1、金属配合物嵌插作用的特点,配体的结构：与 DNA作用的金属配合物中，许多配体一般本身就具有平面的芳香性杂环结构（图9-23）； 具有插入作用金属配合物可以为平面四方形结构，也可以为八面体型的结构 ； 有芳香性配体的过渡金属配合物通常还发生小沟结合作用 ，或大沟插入与小沟结合相混合； 手性配合物与DNA作用表现出构象选样性（图9-24）。,图9-23 一些具有平面芳香性杂环配体的结构,图9-24,图9-25,2、具有插入作用的金属配合物,具有插入作用的金属配合物，尤其是过渡金属离子配合物较多，这类化合物具有以下用途 ：作为核酸的荧光光谱探针，研究核酸的结构和功能 ； 可望