Lecturer：

林峰

Ph.D

Tel:88273592(Lab.)-mail:fenglin@

浙江大學理學院化學系無機與材料化學研究所生物無機化學

BioinorganicChemistry1課程內容第1章

生物無機化學中的基本概念和原理

第2章

生物無機化學的研究方法

第3章

生物體內金屬離子的選擇、攝取和調控

第4章

金屬離子與生物大分子的結合與作用

第5章

金屬蛋白和金屬酶

第6章

細胞毒性和化學治療

第7章

仿生固氮

第8章

生物無機化學的研究前沿課題

2CONTENTSChapter1TheBasicConceptionsandReasonsofBioinorganicChemistryChapter2TheResearchMethodsofBioinorganicChemistryChapter3TheChoice,ExtractionandControlofMetalSpeciesinBiologicalSystemsChapter4TheBindingandActinginBetweenMetalSpeciesandBio-macromoleculeChapter5MetalProteinsandMetalEnzymesChapter6CellToxicityandChemicalTreatmentsChapter7TheEnzymeNitrogenase

Chapter8TheNewTopicsandDevelopmentFieldsofBioinorganicChemistry3教學安排與考評第一和第二章教師講授，從第三章開始教師上課和同學講解相結合。每人準備一章內容，并制作ppt課件來講解，時間25～30min。ppt的內容和講解效果，作為考核成績的一部分。期末考試每人寫一篇論文（3~4千字）4生物無機化學定義

生物無機化學是一門對處于生命環境中的金屬離子進行研究的學科。研究在生命過程中起作用的生物金屬與配體之間的相互作用；在分子、亞分子水平上測定、表征、闡明這些生物化合物的結構、性能及其在生命體中的作用規律；無機化學（特別是配位化學）、生物化學、醫學臨床化學、營養化學、環境科學等學科相互滲透、相互融合的產物。5生物無機化學的特點一是做這方面研究的人來自生物學、無機化學、醫學科學、農業科學等各個領域，對這門尚未定型的學科有不同的見解與思路，使初學者感到只要涉及生物體甚至生態環境中的各種無機元素的問題都是生物無機化學問題。這樣就把傳統上本屬流行病學、營養學、土壤化學、水化學等方面的一部分內容都劃入生物無機化學之中；另一個特點是目前的研究工作多屬點上的工作。比如，載氧配合物、細胞色素、少數幾種金屬酶等正吸引著大量科學家的注意，研究工作雖然很深入，但是很少把這些點上的工作總結成為生物無機化學的整體學科體系。6研究內容、研究方法、基本概念和基本思想

對一位學化學的人來說，往往注意的是各種各樣物質的組成和性質，而且都是沒有生命活動時的情況。比如，人們往往只把一種蛋白質都是由一定的氨基酸按一定序列聯接起來的化合物拿來研究，而不注意這種蛋白質的生物活性是怎樣產生的。本來化學主要研究結構和性質的關系，但是若放在生物體內來考慮，則應研究結構-性質-活性關系。因此，我們研究的對象是有生物活性的物質。通過這部分內容的學習先初略了解一下有生物活性的、含無機元素的化合物大致包括哪些類，各有什么功能。

7構建和掌握化學知識的基本方法化學知識的積累和構造感性認識

理性認識現象反應物質性質結構

化學知識的掌握和應用8研究內容、研究方法、基本概念和基本思想目前生物無機化學的研究工作絕大多數是點上的工作。但是實際上，這些點之間有許多共性。怎樣把握個性中的共性，首先還是需要無機化學和生物化學等的基本知識。例如，有許多促進水解的酶都含有鋅離子或需要鋅離子，而且常常是酶蛋白中的組氨酸等和鋅配位，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+

的配位趨向、易與Zn2+

結合的氨基酸是什么，Zn2+

的配合物立體結構是什么樣的，Zn2+

的基本性質（有無傳遞電子能力、極化性大小、軟硬度等）又是什么。有了這些基本知識，當你遇到個別問題時，就可以探索與它有關系的、類似的化合物了。9研究內容、研究方法、基本概念和基本思想學化學的人進入生物領域時，先要體會幾個指導思想：首先要體會由沒有生命的所謂

invitro

的化學向有生命參與的所謂

invivo

的化學這一轉變。其次要體會由一種簡單的、無活性的配合物向復雜的、有活性的配合物的飛躍。另外，還不能忽視。由一般化學處理的封閉的或部分封閉的、背景單一的反應體系到開放的、有特殊背景的生物反應體系的過渡等。不但要隨時注意到這些差異，而且要通過個別事例了解這些差別的由來。

10研究內容、研究方法、基本概念和基本思想必須了解研究生物無機化學的方法，否則就難以體會那些觀點和結果都是怎樣得來的。例如，某種元素是人體必需的，但是整個人體所含的這種元素不過幾毫克或者更少，我們怎樣知道它是人體必需的呢？再如，一種酶的分子量高達幾萬，但一個分子中只含有一個鋅原子，我們怎樣知道這個鋅原子的存在以及它在維持酶活性中所起的重要作用呢？而且，象這樣一個含有幾百個氨基酸的酶，它的結構是怎樣確定的呢？

11課程教材存在的問題及學習注意事項目前國內外出版的生物無機化學教材都缺乏系統性和概括性。這兩個問題不是在短期內能解決的。本課程的學習中，應注意：(1)以研究生物體內有無機元素參與的有生物活性的化合物的結構-性質-活性關系為主要線索；

(2)選擇有典型性的，各有特點的若干內容。12參考書《生物無機化學》

楊頻高飛編著科學出版社2002年4月第一版《BioinorganicChemistry——Ashortcourse》

RosetteM.Roat-Malone《生物無機化學原理》

[美]S.J.LippardandJ.M.Berg著

席振峰姚光慶項斯芬任宏偉譯北京大學出版社2000年6月第一版《生物無機化學導論》計亮年莫庭煥中山大學出版社13有關《生物無機化學》的部分雜志BioinorganicChemistryJ.ofInorganicBiochemistryJ.ofBiologicalInorganicChemistryBiologicalTraceElementsResearchCurrOpinioninBiologicalChemistry14生物無機化學發展經歷1970首屆國際生物無機化學學術討論會(U.S.Virginia)《生物無機化學》(BioinorganicChemistry)論文集1971

英國科學家D.R.Williams的專著《生命金屬》（TheMetalofLife）出版1971學術期刊BioinorganicChemistry在美國問世

(1979年更名為JournalofBioinorganicChemistry)這些事件標志著生物無機化學作為一個獨立學科的建立.。15國際生物無機化學會議（ICBIC）簡介

ICBIC―1970年美國無機化學與模型研究方法ICBIC―01976年英國無機化學和生物交叉地帶發展ICBIC―11983年意大利ICBIC―21985年葡萄牙ICBIC―31987年荷蘭ICBIC―41989年美國ICBIC―51991年英國金屬識別、儲存、輸送和組裝ICBIC―61993年美國固氮酶的分子結構以及自然界

N2轉變為NH3的功能及其機理16ICBIC―71995年德國金屬離子對基因調節影響ICBIC―81997年日本丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺ICBIC―91999年美國ICBIC―102001年意大利中樞神經系統的生物無機化學ICBIC―112003年澳大利亞金屬離子在細胞的交通圖，以及許多交通干線的劃分和金屬離子的走向ICBIC―122005年美國ICBIC―132007年歐洲ICBIC―142009年中國國際生物無機化學會議（ICBIC）簡介

17國際應用生物無機化學學術討論會（ISABC）簡介

ISABC―11990年武漢金屬藥物和抗癌藥ISABC―21992年廣州生物礦化和生物材料ISABC―31994年澳大利亞利用生物電子轉移設計制作生物傳感器ISABC―41997年南非環境生物無機化學ISABC―51999年希臘地中海貧血18ISABC―62001年英國ISABC―72003年墨西哥ISABC―82004年香港小分子修飾使蛋白酶功能改變和關閉ISABC―92006年阿根廷國內定期召開全國生物無機化學學術討論會，2003年召開全國生物無機化學咨詢會議，共同討論未來我國生物無機化學的發展方向,生物無機化學研究方向緊跟時代步伐,不斷深入和調整。

19BioinorganicChemistryArea：

AMultidisciplinaryResearchArea

20生物無機化學的基本任務生物機體中固有的無機元素，特別是生物金屬元素在生命體內的分布、形態、代謝規律以及它們的生物學功能的研究。環境中的外來金屬離子通過不同途徑進入生命體后的運輸、分布、形態、代謝以及它們是如何參與并影響生命過程的研究。21生物無機化學的發展前景和價值通過對生物無機化學問題和規律的研究探索有助于進一步揭示生命的奧秘。生物無機化學規律的揭示及其成果將有助于改善人類的生活環境，保護人類的健康，延長人類的壽命，從而造福人類。22Chapter1

TheBasicConceptionsandReasonsof

BioinorganicChemistry1.EssentialChemicalElementsinBiologicalsystems(1)Bulkelements(宏量元素）：6elements

H、C、N、O、P、S；(2)

Macromineralsandions（礦物質離子）：

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；23EssentialElementsinEssentialElementsinOrganisms24PercentageCompositionofSelectedElements

intheHumanBodyElementPercentage(byweight)ElementPercentage(byweight)Oxygen53.6Silicon,Magnesium0.04Carbon16.0Iron,Fluorine0.005Hydrogen13.4Zinc0.003Nitrogen2.4Copper,Bromine2×10-4Sodium,potassium,sulfur0.1Selenium,Manganese,Arsenic,Nickel2×10-5Chlorine0.09Lead,Cobalt9×10-625MetalIonsinaSingleMetalIonsinaSingleCell26某些具有代表性的微量元素的功能元素功能元素功能Fe最主要的生命金屬元素，起電子傳遞、O2輸運及催化氧化還原作用。Se谷胱甘肽過氧化物酶Si骨骼、軟骨形成初期階段及甲殼動物外殼所需要。F進入牙齒的羥基磷灰石晶格Zn水解酶、與DNA，RNA的轉錄及與翻譯有關的酶，蛋白質中的金屬輔基。Mo催化氧化反應Cu電子運送，O2的輸運，催化氧化還原反應，結締組織的合成。Co維生素B12的必須組分Mn幾種糖類生化反應過程中的必需輔基，過氧化氫酶。Cr在糖代謝作用中與胰島素相互作用。I甲狀腺激素的必要組分。Ni催化氧化還原反應（氫化酶，F430輔基）及水解作用（脲酶）27

法國科學家G.Bertrand在研究了錳對植物生長的影響后提出了一個最適營養定律：

即植物缺少某種必需的元素時就不能成活，當該元素適量時就能茁壯成長，但若過量時又會轉為有害。

該定律不僅適用于植物，也適用于一切生物。最適營養濃度定律28Bertrand最適營養濃度定量示意圖29生物元素的選擇與演化——豐度規則當完成某種生物學功能有若干種元素可供選擇時，生物體就選擇自然環境中豐度最高的那種元素。

構成人體99.9%以上的11種宏量元素以及Fe、Zn、Cu、Mn、I等必需元素，它們的豐度無論是在地殼中還是在海水中都是相當高的。30在豐度規則前提下，生物利用度也起決定作用。豐度雖高，但若可利用度低，也不會被選擇為必需元素；反之亦然。例如：元素Ti地豐度很高，但由于該元素的常見離子Ti4+在pH6～8的生物體液中難于溶解和輸運，從而導致極低的利用度，因而未被生物所利用。生物元素的選擇與演化——

生物利用度規則（bioavailability)31生物元素的選擇與演化——基本適宜規則某種金屬元素若被選擇，它就具有完成某種功能的能力。換言之，某種金屬元素由于適應某一特定配位環境，從而能夠有效地發揮某種功能。業已存在的就是基本適宜的。例如：血紅蛋白的生物功能是載氧，它利用了Fe2+離子，但是，若無特點的蛋白質與Fe(II)就會被O2氧化而喪失其可逆地結合并釋放O2的功能。32生物元素的選擇與演化——有效性規則生物體總是選擇更加有效的化合物加以利用。33METALSINBIOLOGICALSYSTEMS:

Metalsinbiologicalsystemsfunctioninanumberofdifferentways:1.

Group1and2metalsoperateasstructuralelementsorinthemaintenanceofchargeandosmoticbalance(Table1.2).2.Transitionmetalionsthatexistinsingleoxidationstates,suchaszinc(II),functionas

structuralelementsinsuperoxide

dismutaseandzinc

fingers(Table

1.3).34METALSINBIOLOGICALSYSTEMS:3.

Transitionmetalsthatexistinmultipleoxidationstatesserveaselectroncarriersironionsincytochromes(細胞色素）

iron–sulfurclustersinenzymenitrogenase（固氮酶）

copperionsinazurin（天青蛋白）

andplastocyanin質體藍素(一種在葉綠體的光合作用中作為電子傳遞體的含銅蛋白)(Table1.4)35METALSINBIOLOGICALSYSTEMS:4.Transitionmetalsasfacilitatorsofoxygentransport

ironionsinhemoglobin(血色素)

copperionsinhemocyanin血藍蛋白(Table1.5);5.Transitionmetalsasenzymecatalysiscopperionsinsuperoxide

dismutase(超氧化物岐化酶）

ironandmolybdenumionsinnitrogenase

(Table1.6)36MetalsinBiologicalSystems:

ChargeCarriers37MetalsinBiologicalSystems:

Structural,Triggers38MetalsinBiologicalSystems:

ElectronTransfer39MetalsinBiologicalSystems:

DioxygenTransport40MetalsinBiologicalSystems:

EnzymeCatalysis41TheHard–SoftAcid–BaseTheory

ofInorganicChemistryLigandpreferenceandpossiblecoordinationgeometriesofthemetalcenterareimportantbioinorganicprinciples.Metalligandreferenceiscloselyrelatedtothehard–softacid–basenatureofmetalsandtheirpreferredligands:Ingeneral,

hardmetalcations

formtheirmoststablecompoundswith

hardligands,

whereas

softmetalcations

formtheirmoststablecompoundswith

softligands.42Hard–SoftAcid–BaseClassificationof

MetalIonsandLigands43ELECTRONICANDGEOMETRICSTRUCTURES

OFMETALSINBIOLOGICALSYSTEMSCommontransitionmetalcoordinationgeometries.44Representationsofthefivedorbitalsalongx,y,andzaxes45Approximateenergylevelsfordelectronsinoctahedral,tetrahedral,andsquare-planarfields46‘‘spectrochemicalseries’’Thestrengthoftheligandfieldatametalcenterisstronglydependentonthecharacteroftheligand’selectronicfieldandleadstotheclassificationofligandsaccordingtoa‘‘spectrochemicalseries’’arrangedbelowinorderfromweakfield(halides,sulfides,hydroxides)tostrongfield(cyanideandcarbonmonoxide):47High-spinandlow-spind-electronconfigurationsfortheoctahedralfield48ELECTRONTRANSFERComplementaryReaction:NoncomplementaryReactions:verysmallmany49TwotypesofelectrontransfermechanismsOuter-sphereelectrontransferoccurswhentheouter,or

solvent,coordinationspheresofthemetalcenters

isinvolvedintransferringelectrons.Noreorganizationoftheinnercoordinationsphereofeitherreactanttakesplaceduringelectrontransfer:50TwotypesofelectrontransfermechanismsInner-sphereelectrontransfersinvolvetheinnercoordinationsphereofthemetalcomplexesandusuallytakeplacethroughabridgingligand:51BIOCHEMISTRYFUNDAMENTALSPROTEINSAminoAcidBuildingBlocks

天然蛋白質水解得到的氨基酸有30余種，常見的有20種，除脯氨酸外均為α-氨基酸。52α-氨基酸的構型、分類和命名除甘氨酸外，分子中α-碳均為手性碳原子，有旋光異構體。構型習慣上采用D/L法標記。不論含幾個手性碳原子，以α-碳的構型為準。L-α-氨基酸

D-α-氨基酸

L-α-丙氨酸

蛋白質水解得到的α-氨基酸幾乎都是L構型。5320種天然氨基酸序號中文名稱英文縮寫

結構式

1甘氨酸Gly(G)

2丙氨酸Ala(A)

3亮氨酸*Leu(L)

4異亮氨酸*Ile(I)

5纈氨酸*Val(V)

6絲氨酸Ser(S)

7蘇氨酸*Ihr(T)

8甲硫氨酸

(蛋氨酸)*Met(M)

9半胱氨酸Cys(C)

10苯丙氨酸*Phe(F)

54

20種天然氨基酸(續)序號中文名稱

英文縮寫

結構式

11谷氨酰胺Gln(Q)

12天冬酰胺

Asn(N)13酪氨酸Tyr(Y)

14色氨酸*

Trp(W)

15天冬氨酸

Asp(D)

16谷氨酸Glu(E)

17賴氨酸*Lys(K)

18精氨酸*Arg(R)

19組氨酸*

His(H)

20脯氨酸PrO(P)

55ZwitterionsofnonpolarhydrophobicaminoacidsatphysiologicalpH56ZwitterionsofpolarneutralaminoacidsatphysiologicalpH57Zwitterionsof

acidicaminoacids

atphysiologicalpH58Zwitterionsofbasicaminoacids

atphysiologicalpH59ProteinStructureAllproteinshaveatleastthreelevelsofstructure:primary,secondary,tertiary.Proteinswithmorethanonepolypeptidechain—hemoglobinandnitrogenaseareexamples—alsopossessquaternarystructure.60Formationofapeptidebond61primarystructure:

Apeptideoffouraminoacids62PeptideStructure63SecondaryStructureTwotypesofprotein

secondarystructure:

thea-helixandb-pleatedsheet.64α-螺旋結構在α-螺旋結構中，多肽鏈中各肽鍵平面通過α-碳原子的旋轉，圍繞中心軸形成一種緊密螺旋盤曲構象。絕大多數蛋白質分子中所存在的α-螺旋幾乎都是右手螺旋。65α-螺旋其結構特點肽鏈呈螺旋上升，每相隔3.6個氨基酸殘基上升1圈，每個氨基酸殘基沿軸旋轉100°，沿軸向升高0.15nm，故螺距約為0.54nm；66α-螺旋其結構特點螺旋間靠氫鍵維系，氫鍵是由同一條主鏈上一個氨基酸殘基中的C=O氧與后面第四個氨基酸殘基中的N-H氫形成，方向與螺旋軸大致平行，由于每個肽鍵中的C=O和N-H都參與形成鏈內氫鍵、故保持了α-螺旋的最大穩定性。67α-螺旋的四種表示方法68β-折疊結構β-折疊一般有兩條以上的肽鏈或一條肽鏈內的若干肽段共同參與形成，它們平行排列，并在兩條肽鏈或一條肽鏈內的兩個肽段之間以氫鍵維系而成。69TertiaryStructure纖維狀蛋白質一般只有一類二級結構構象單元，而球狀蛋白質可能在同一分子內有幾類二級結構構象單元。蛋白質的三級結構是指蛋白質（主要指球狀蛋白）分子在二級結構的基礎上依靠非共價鍵力進一步卷曲、折疊而構成的一種不規則的、特定的、更復雜的空間結構。β-轉角β-折迭α-螺旋無規卷曲70抹香鯨肌紅蛋白的三級結構存在于哺乳動物（鯨、海狗和海豚）肌肉中的肌紅蛋白是一種較小的球狀蛋白，它是由一條含153個氨基酸殘基組成的多肽鏈。主鏈中75％繞曲成8段比較直的α-螺旋。

71豬胰島素空間結構示意圖1971年我國科學工作者全部完成了0.25nm分辨率的豬胰島素晶體結構的測定工作。1974年又完成了分辨率為0.18nm的胰島素晶體結構的分析工作。我國測定繪制的豬胰島素空間結構示意圖72quaternarystructure蛋白質的四級結構中的每一個具有三級結構的多肽鏈稱為亞基（或亞單位）。一般亞基多為偶數，較小的蛋白質亞基數一般為2～10個，多的可達上千個。血紅蛋白有兩條α-鏈、兩條β-鏈，α-鏈含141個氨基酸殘基，β-鏈含146個氨基酸殘基（共4個亞基、近于一個直徑為5.5nm的球體）。很多蛋白質是以三級結構的球狀蛋白質的聚集體形式存在的。這種由球狀蛋白質通過非共價鍵彼此結合在一起的聚集體稱為蛋白質的四級結構。溶菌酶、肌紅蛋白等無四級結構。73血紅蛋白的四級結構74TheFormationofProtienStructure75NUCLEICACIDSDNAandRNABuildingBlocks核酸嘌呤堿嘧啶堿脫氧核糖核糖有機堿戊糖核苷酸水解核苷磷酸水解76含氮有機堿

核酸組成酸H3PO4H3PO4

嘌呤堿

嘧啶堿

D-2-脫氧核糖D-核糖腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)

胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)DNARNA戊醛糖DNA和RNA的組成單元77核苷酸的結構核苷酸是核苷中戊糖的3＇位或5＇位羥基與磷酸脫水而形成的核苷磷酸酯，它是核酸的基本組成單位。

5’-腺苷酸3’-脫氧胞苷酸

5′–AMP

3′–dCMP

78DNAstructureNitrogenousbases:

purines:adenine,guaninepyrimidines:

thymine,cytosine,uracil79DNAstructureNucleosidesare

nitrogenousbase

+asugar

(deoxyriboseorribose)OH12345OHOHbase80Examples:

adenosine&deoxyadenosine,

guanosine,thymidine,cytidine81DNAstructureNucleotides

arenucleosidesesterifiedtooneormorephosphates(e.g.adenosinetriphosphate-ATPordeoxyadenosine

triphosphate-dATP)82DNAstructureDNAisapolymerizedchainofnucleotidesPyrophosphate(PPi)+83DNAstructureStrands

havea5’end(phosphate)anda3’end(sugar)5’end(5-prime)3’end(3-prime)84與蛋白質一樣，核酸也有一級結構、二級結構和高級結構。核酸的結構1.核酸的一級結構核酸的一級結構是指單核苷酸按一定的種類、數量和排列順序連接而成的長鏈。核酸片段結構

不論是RNA分子還是DNA分子，單核苷酸都是通過3’，5’磷酸二酯鍵互相連接的，即由核糖或脫氧核糖C-5’上的磷酸基以酯鍵與另一個核糖或脫氧核糖C-3’相連，如此依次相連形成一條多核苷酸鏈。85DNA分子的雙螺旋結構是Watson和Crick等三人于1953年首先提出來的，它為從分子水平揭示生命現象的本質及分子遺傳學奠定了基礎，被譽為20世紀的三大發現之一。為此，Watson和Crick等三人榮獲了1962年的諾貝爾獎。DNA分子是由二條方向相反的平行核苷酸鏈組成（一條鏈