生物无机化学

自然科学门类

生物无机化学又称生物配位化学。是无机化学、生物化学、医学等多种学科的交叉领域，20世纪60年代以来逐步形成的。其研究对象是生物体内的金属（和少数非金属）元素及其化合物，特别是痕量金属元素和生物大分子配体形成的生物配合物，如各种金属酶、金属蛋白等。侧重研究它们的结构-性质-生物活性之间的关系以及在生命环境内参与反应的机理。为便于研究，常用人工模似的方法合成具有一定生理功能的金属配位化合物。

简介

生物无机化学又称无机生物化学和生物配位化学。为生物化学和无机化学间的交叉学科。

主要研究生物体内存在的各种元素，尤其是微量金属元素与体内有机配体所形成的配位化合物的组成、结构、形成、转化，以及在一系列重要生命活动中的作用。生物体内存在有钠、钾、钙、镁、铁、铜、钼、锰、钴、锌等十几种元素，它们能与体内存在的糖、脂肪、蛋白质、核酸等大分子配体和氨基酸、多肽、核苷酸、有机酸根、O2、Cl-、HCO3-等小分子配体形成化合物，主要是配位化合物。

研究方向

生物无机化学酝酿于20世纪50年代，诞生于60年代。在短短的半个世纪有了很大发展。回顾这段历史对于人们今后如何开展生命科学中的化学问题研究颇有启发。早在化学与生物学融合而又分化出生物化学的时候，就孕育着从生物化学中再分化的问题。

生物化学研究的对象是各种生物功能分子，生物学家多注意功能，但是化学进入这个领域之后，注意结构与功能的关系。当时最为直接的结构测定方法是x-射线晶体结构分析，而获得生物大分子单晶是一个难题。当Perutz因其对肌红蛋白和血红蛋白的结构和作用机理研究而获得诺贝尔化学奖时生物无机化学就开始萌芽。于是在生物化学和结构化学之间开始结合，产生了一个以测定生物功能分子结构和阐明作用机理为内容的新领域。

与此同时，在生物化学深入到涉及金属离子的生物过程时，必然地与当时正在迅速发展起来的配位化学结合。原来研究溶液配位化学的主要学者均纷纷研究生物配体和金属离子的溶液化学。R.J.P.Williams，nD.Perrin，K.B.Yatzimirskh，D.R.Williams等等先后进人这个领域，使之成为生物无机化学的另外一个分支。

到后来人们认为，晶体结构与生物介质中的结构未必相同，应该研究溶液中的结构和构象。恰在此时，核磁共振技术大发展，为研究生物大分子的溶液结构创造了条件。于是开拓了结构化学和溶液化学结合、探索含金属生物大分子结构与功能关系的新领域。生物无机化学的另外一个分支是通过合成模型化合物或结构修饰研究结构-机理关系，它是合成化学介人生物无机化学的结果。这三个分支构成了延续30多年的生物无机化学的主流。虽然研究思路和方法有所改变，但是这些研究都是以认识含无机元素的生物功能分子的结构和功能关系为目的，大都采取分离出单一生物分子，测定其结构，研究有关反应机理以及结构与功能关系的研究模式。虽然这样的研究取得了许多重要成果，使人们对必需元素和含它们的生物分子认识更加深入。但是近几年来，这种传统生物无机化学研究受到一系列实际问题的挑战。

归结起来，这些实际问题大都涉及无机物的生物效应，或者说生物体对无机物的应答问题。例如无机药物的作用机理，无机物中毒机理、环境物质和能损伤生物体的机理等。在这类问题的研究中，共同的核心问题是从分子、细胞到整体三个层次回答构成药理、毒理作用的基本化学反应和这些反应引起的生物事件。这类研究促使人们把生物无机化学提高到细胞层次，去研究细胞和无机物作用时细胞内外发生的化学变化。这些化学变化是生物效应的基础。

不可忽视生物无机化学半个世纪的发展对无机化学的启发和推动作用。例如，混合配体配合物化学、多金属多配体体系的化学、金属的异常价态、金属-硫簇化学、分子内和分子间电子传递、自由基化学等等。显然生物无机化学在未来既可以推动生物学发展，也可以促进化学向新的层次开拓。

发展历程

1970年，在美国Virginia州举行了国际生物无机化学讨论会，仅19篇报告，并由R.F.Gould汇编“生物无机化学”。

1971年，美国著名化学家G.N.Schrazer主编的杂志Bioinorganic Chemistry创刊，1979年更名为J.Inorganic BioChemistry

1995年，C.D.Garner和I.Betini再次发起成立国际生物无机化学学会（The Society of Biological Inorganic Chemistry）并于1996年出版会刊“J.of Biological Inorganic Chemistry”JBIC”，仅仅几年时间该刊已跃居国际上最有影响的刊物之一。

1983年起，由I.Bertini，H.B.Gray，B.G．Malmstrom and H.Sigel组成生物无机化学国际会议组织委员会，决定每两年召开一次会议。

Advances in bioinorganic chemistry since the 1970s have been driven by three factors:

*Rapid determination of high-resolution structure of proteins and other biomolecules;

*Utilization of powerful spectroscopic tools for studies of both structures and dynamics;

*The widespread use of macromolecular engineering to create new biologically relevant structures. Today，very large molecules can be manipulated，with the result that certain proteins and nucleic acids themselves have become versatile model systems for elucidating biological function.

在中国的发展

生物无机化学的蕴生和发展差不多经历了半个世纪，而作为一个独立学科的建立，却是1969年以来的事情，通常人们把国际期刊Journal of Inorganic Biochemistry的创立（1971年）作为标志。众所周知，这个学科是在无机化学和生物学的相互交叉、渗透中发展起来的一门边沿学科。它的基本任务是从现象学上以及从分子、原子水平上研究金属与生物配体之间的相互作用。而对这种相互作用的阐明有赖于无机化学和生物学两门学科水平的高度发展。由于应用理论化学方法和近代物理实验方法研究物质（包括生物分子）的结构、构象和分子能级的飞速进展，使得揭示生命过程中的生物无机化学行为成为可能，生物无机化学正是这个时候作为一门独立学科应运而生。生物无机化学在中国较早就有一些不同学科的研究者在如生物矿化等方面开展工作；但是作为一门学科的出现，似应以全国第一次生物无机化学会议（1984年，武汉）的召开为标志。总之，从80年代初，中国从事不同学科的化学家顺应国际上这一新学科的发展，不少人纷纷转到生物无机这块园地进行耕耘。

研究热点

·金属蛋白和金属酶的结构和性质

· 金属离子及其配合物与生物大分子的作用

研究金属作为DNA探针，与DNA定位结合，DNA定位切割—金属核酸酶

DNA分子光开关

基因芯片

生命过程的核心问题之一是能量转换（如呼吸和光合作用），而能量转换的中心过程是电子传递，因此在蛋白质和核酸介质中长程电子传递（long-range electron transfer）是近几年来生物无机化学研究的热门课题之一。

DNA究竟是一根分子导线还是绝缘体，是迩来激烈争论的焦点。

类型

金属蛋白：

为一类含金属元素的蛋白：

①含铁蛋白有血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素C等，其中铁除与卟啉结合成血红素基外（见金属卟啉），并与蛋白质链上某一个或两个氨基酸连接。血红蛋白和肌红蛋白分子中的血红素铁只与蛋白质链上一个组氨酸相连，尚有一个空的配位位置，能可逆地结合一个氧分子，具有运载和贮存氧分子的功能。细胞色素C中血红素基的铁原子与蛋白链上两个氨基酸残基相连，无载氧能力，是重要的电子传递体。

②蓝铜蛋白是含铜的重要金属蛋白，其中铜仅与蛋白链上的氨基酸残基相结合，形成扭曲的四面体构型，呈显著的蓝色，如血浆蓝铜蛋白和质体蓝素，前者参与调节组织中铜的含量，后者是一系列生物过程中的重要电子传递体。

③铁硫蛋白是含铁、硫原子的天然原子簇金属化合物与蛋白质链上半胱氨酸结合的金属蛋白，如植物型铁氧还蛋白是含Fe2S2原子簇的金属蛋白，其中每个铁原子分别与蛋白质链上两个半胱氨酸相连；细菌铁氧还蛋白含有Fe4S4原子簇，每个铁原子分别与蛋白质链上一个半胱氨酸相连。铁硫蛋白是生物体中重要的电子传递体，如铁氧还蛋白在叶绿体的光合作用和固氮酶的固氮过程中起传递电子的作用。

金属酶

许多金属蛋白能催化体内的化学反应，是生物体中的催化剂。金属原子与蛋白质结合较强的称金属酶，较弱的称金属激活酶。金属酶中金属原子常是活性中心的组成部分，如羧肽酶和碳酸酐酶都是锌酶，前者能催化肽和蛋白质分子羧端氨基酸的水解，后者能催化体内代谢产生的二氧化碳的水合反应。一系列的金属酶还含其他金属离子，许多氧化还原酶含价态可变的铁、铜、钼、钴等过渡金属元素，如固氮酶是含铁、钼原子的酶，由铁蛋白和铁钼蛋白组成，在生物体中能催化氮合成氨的反应。

维生素B12和B12辅酶：

维生素B12是钴原子和可啉的配位化合物，钴原子与可啉环中四个氮原子结合，在轴向又与连结于可啉环的一个核苷酸的苯并咪唑基相连，此外还与一个氰根配位。当氰根被另一个腺苷基代替时，即为B12辅酶。B12对机体的正常生长和营养、细胞和红细胞的生成以及神经骨髓系统的功能有重要作用。B12的生理功能均以辅酶形式实现。

叶绿素

具有类似于卟啉环的结构，含有镁原子，其中镁与环的四个氮原子结合。在植物光合作用中，叶绿素能起将光能转变为化学能的作用。

离子载体

为一类能与碱金属、碱土金属等元素结合，生成脂溶性配位化合物，从而增大金属离子透过生物膜可能性的物质。离子载体有天然和合成的两种：天然离子载体如缬氨酶素等，能使正常情况下不易通过线粒体内膜的钾离子得以顺利通过；合成的离子载体主要为冠醚，如二苯并18-冠-6为环状多醚，其中央空穴的大小，决定与金属离子配位的选择性。二苯并18-冠-6的碱金属配位化合物的稳定性有以下次序：K+＞Na+＞Cs+＞Li+。

研究方法

生物无机化合物的模拟

含金属元素的生物无机化合物的功能常能用较简单的金属配合物或类似物来模拟，此种化合物称模型化合物。模型化合物常具有被模拟体系的结构特点或有一定的有关生物活性。通过模型化合物的研究，常能了解复杂的被模拟体系的结构与其功能间的关系。例如，曾合成一系列篱笆式、帽式、尾巴碱式的血红素，它们并无肽链，但能像血红蛋白、肌红蛋白一样可逆地结合和放出氧分子。通过模型化合物的研究，了解到血红素必须存在于疏水环境中，周围的位阻效应是保证血红蛋白、肌红蛋白可逆结合氧分子的条件，而其中的二价铁必须具有不被氧化成三价的必要结构因素。又如，通过对一系列铜与多肽配位化合物的结构和性质研究，了解到蓝铜蛋白分子中铜原子周围有扭曲的四面体配位，使蓝铜蛋白具有显著的蓝色和高的还原电势。模拟体系与天然体系总有差别，用模拟体系的研究结果来说明天然体系的结构、功能和机理时必须谨慎。

无机离子生物探针

用一些其他的金属元素替代生物无机化合物中的原有金属元素，从而用各种波谱方法来研究和确定体系的结构和作用。所用的金属离子称生物探针。用作探针的金属离子应与原有离子有相近的半径，并能保持原有体系的结构特点和一定的生物活性。例如，用半径与锌相近的钴离子作探针，代替羧肽酶中的锌，从而根据含钴酶的光谱推断羧肽酶中锌的配位环境；用锰离子做探针，根据含锰羧肽酶的核磁共振谱确定了羧肽酶中锌和一水分子或羟基相连。

生物无机化学

金属离子的生理功能

在生物体中金属离子尚有许多重要的生理功能。金属离子参与细胞分裂、肌肉收缩、神经脉冲的传递等过程。金属离子对维持细胞壁结构、对脂蛋白膜加固有重要作用；金属离子还直接影响核糖体的结构，从而影响蛋白质的正常合成过程。

体内金属离子的种类及浓度失调，将影响正常的生命活动，如体内缺乏铁、铜、钴会引起贫血；镉离子过量与心血管病的发病有关；硒过量对肌体有毒，但过低能引起病毒诱发癌；先天性铜代谢障碍能引起威尔逊氏病。

为控制体内金属元素的正常含量，常用一些金属螯合剂（见螯合作用）来排除体内过量的金属元素。例如，1、2-二巯基丙醇可排除汞、铅、锑等元素；EDTA（乙二胺四乙酸）可排除多种有害元素及过量金属；青霉胺可治疗威尔逊氏病等等。某些金属配合物具有杀菌、抗病毒和抗癌等生物活性。其中顺式-二氯二氨合铂对生殖泌尿系统癌有较好疗效，它能抑制癌细胞中DNA（脱氧核糖核酸）的复制。

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