1、生物無機化學生物無機化學Bioinorganic chemistry主講教師主講教師 霍涌前霍涌前計亮年院士簡介計亮年院士簡介 著名生物無機化學家。著名生物無機化學家。1934年年4月月20日出生于日出生于上海市。上海市。1956年畢業于山東大學化學系。畢業年畢業于山東大學化學系。畢業后曾先后在北京大學、南京大學、核工業部衡后曾先后在北京大學、南京大學、核工業部衡陽工程學院、廣東工業大學、中山大學、美國陽工程學院、廣東工業大學、中山大學、美國西北大學、瑞士巴塞爾大學、香港科技大學和西北大學、瑞士巴塞爾大學、香港科技大學和同濟大學等任訪問學者、教授、訪問教授、兼同濟大學等任訪問學者、教授、訪問教

2、授、兼職教授和化學院院長等工作。職教授和化學院院長等工作。2003年年11月當選月當選為中國科學院院士。為中國科學院院士。1986年至年至1991年當選為中年當選為中國化學會第國化學會第22屆和屆和23屆理事會理事，在國際屆理事會理事，在國際3種刊物和國內種刊物和國內4種刊物擔任編委。種刊物擔任編委。勤奮勞動是一種生命的享受，它也是尋求勤奮勞動是一種生命的享受，它也是尋求生命快樂的探索，生命快樂的探索，人必需通過自己的勤奮努力挖掘自己的命人必需通過自己的勤奮努力挖掘自己的命運和追求幸福運和追求幸福 計亮年計亮年p 科學團隊研究了許多科學團隊研究了許多金屬酶的生物合成和純金屬酶的生物合成和純化化

3、, ,酶的化學修飾、結構、酶的化學修飾、結構、功能和酶活性之間規律功能和酶活性之間規律及其應用。及其應用。 16周周 32課時課時 課程進程安排課程進程安排第四章第四章 近代結構分析方法在近代結構分析方法在生物無機化學中的應用生物無機化學中的應用 4 4學時學時第一章第一章 緒論緒論 3 3學時學時第二章第二章 生物金屬配生物金屬配位化學基礎位化學基礎 3 3學時學時第三章第三章 環境生物環境生物無機化學無機化學 4 4學時學時腦底模型與腦癡呆腦底模型與腦癡呆鉻中毒鉻中毒DNADNA熒光顯微鏡熒光顯微鏡DNA圖像圖像根瘤菌根瘤菌鉬鐵蛋白鉬鐵蛋白第五章第五章 氧載體氧載體 2 2學時學時第六章第

4、六章 金屬蛋白質金屬蛋白質 2 2學時學時第七章第七章 光合作用和固氮作用光合作用和固氮作用 2 2學時學時河河蚌蚌淡藍淡藍色血色血烏賊烏賊綠色血綠色血 蚯蚓蚯蚓玫瑰紅色血玫瑰紅色血蝦、河蟹蝦、河蟹淡青色血淡青色血蝸牛蝸牛透明的血透明的血昆蟲昆蟲綠色血綠色血大天蠶蛾大天蠶蛾 -胡蘿卜素、核黃胡蘿卜素、核黃素和黃素素和黃素- -核苷酸核苷酸 菜粉蝶菜粉蝶家蠶家蠶魚類魚類兩棲兩棲類類爬行爬行類類鳥類鳥類哺乳類哺乳類人類人類 西方貴族的藍色血液是否真實西方貴族的藍色血液是否真實第八章第八章 過渡金屬的生物過渡金屬的生物化學化學 4 4學時學時離子通道離子通道第九章第九章 生物體中的堿金屬及其跨膜運生

5、物體中的堿金屬及其跨膜運輸輸 4 4學時學時第十章第十章 非金屬微量元素非金屬微量元素的生物化學的生物化學 3 3學時學時總結總結 生物無機化學主要知識點生物無機化學主要知識點 1 1學時學時跨膜運輸跨膜運輸考考 勤：缺勤勤：缺勤3次以上，無成績。次以上，無成績。平時作業：一定全做。期末交。平時作業：一定全做。期末交。 學習委員排好學號。學習委員排好學號。課堂筆記：每章不少于課堂筆記：每章不少于3頁。頁。開卷考試：筆記開卷考試：筆記30%、教材、教材50%。期末成績：考勤期末成績：考勤20%、作業、作業20%、 筆記筆記30%、考試、考試30%考核辦法考核辦法第一節第一節 第一章第一章 緒論緒

6、論生物無機化學生物無機化學一門一門新興的邊緣學科新興的邊緣學科第二節第二節生物無機化學在發展生物無機化學在發展中的研究課題中的研究課題第三節第三節 生物體中的無機元素生物體中的無機元素及其生物功能及其生物功能 在在分子水平分子水平上研究生物體內與無上研究生物體內與無機元素有關的各種相互作用的學科。機元素有關的各種相互作用的學科。生物無機化學定義生物無機化學定義第一節第一節 生物無機化學生物無機化學一門新興的邊緣學科一門新興的邊緣學科 從分子、原子水平上研究金屬與從分子、原子水平上研究金屬與生物配體之間的相互作用。生物配體之間的相互作用。 基基本本任任務務Bioinorganic chemist

7、ry初期階段初期階段 18世紀中葉至世紀中葉至20世紀初。主世紀初。主要研究生物體的化學組成。要研究生物體的化學組成。發展階段發展階段 20世紀初至世紀初至20世紀下葉。世紀下葉。生物體內主要物質的代謝生物體內主要物質的代謝途徑基本確定。途徑基本確定。 20世紀下葉至今。蛋白質世紀下葉至今。蛋白質與核酸成為研究的焦點。相與核酸成為研究的焦點。相繼獲得了多種基因工程的產繼獲得了多種基因工程的產品，大大推動了醫藥工業和品，大大推動了醫藥工業和農業的發展。農業的發展。一、生物無機化學發展史一、生物無機化學發展史分子生物分子生物學階段學階段 1717世紀以前，主要煉丹、煉金、醫世紀以前，主要煉丹、煉金

8、、醫 用化學。特點：沒有形成理論體系。用化學。特點：沒有形成理論體系。 1717世紀中葉到世紀中葉到1919世紀末，明確了化世紀末，明確了化 學的科學性。學的科學性。 從從1919世紀末至今。主要成果：化學世紀末至今。主要成果：化學 鍵理論、現代檢測儀器的完善。鍵理論、現代檢測儀器的完善。 環境化學、功能材料化學、生命化環境化學、功能材料化學、生命化 學、能源化學等熱點領域。學、能源化學等熱點領域。三個時期三個時期古代古代化學化學現代現代化學化學近代近代化學化學未來未來化學化學化學發展簡史化學發展簡史阿瑟阿瑟柯南道爾爵士柯南道爾爵士，1859年生于蘇格蘭年生于蘇格蘭愛丁堡。曾入愛丁堡。曾入愛丁

9、堡大學愛丁堡大學醫學院就讀，醫學院就讀，后定居倫敦。由于并不熱衷醫務，使他后定居倫敦。由于并不熱衷醫務，使他有許多空閑時間從事有許多空閑時間從事福爾摩斯探案福爾摩斯探案的書的書寫工作。柯南寫工作。柯南道爾一生曲折離奇。他是道爾一生曲折離奇。他是個個歷史學家、捕鯨者、運動員、戰地通歷史學家、捕鯨者、運動員、戰地通訊記者訊記者。曾親自參與兩件審判不公的案。曾親自參與兩件審判不公的案子，并運用他的偵探技巧證實那罪犯其子，并運用他的偵探技巧證實那罪犯其實是清白的。實是清白的。1902年，柯南道爾因在年，柯南道爾因在布布爾戰爭爾戰爭中于南非野戰醫院的優異表現榮中于南非野戰醫院的優異表現榮封封爵士爵士。逝

10、于。逝于1930年。年。血液的實驗血液的實驗-死尸死尸 的皮膚顏色的皮膚顏色煙絲的化學實驗煙絲的化學實驗土壤的化學實驗土壤的化學實驗毒品的實驗毒品的實驗福爾摩斯的知識福爾摩斯的知識20世紀中葉世紀中葉初期階段。著名的化學家初期階段。著名的化學家Kendrew 和和Perutz解答了肌紅蛋白和血紅蛋解答了肌紅蛋白和血紅蛋白的白的X射線結構的問題。射線結構的問題。1970年年美國加州美國加州Virginia州舉行的國際州舉行的國際生物無機化學學術討論會。生物無機化學學術討論會。1970年年生物無機化學生物無機化學在美國創刊。在美國創刊。1977年年成立了國際生物無機化學協會。成立了國際生物無機化學

11、協會。1995年年成立了國際生物無機化學學會。成立了國際生物無機化學學會。生物無機化學發展里程碑生物無機化學發展里程碑 四種不同的四種不同的 螺旋螺旋1970年，年，美國美國，無機化學與模型研究方法，無機化學與模型研究方法1976年，年，英國英國，無機化學和生物交叉學科，無機化學和生物交叉學科1991年，年，英國英國，金屬識別、儲存、輸送，金屬識別、儲存、輸送1993年，年，美國美國，固氮酶結構、作用機理，固氮酶結構、作用機理1995年，年，德國德國，金屬離子對基因調節影響，金屬離子對基因調節影響2001年，年，意大利意大利，神經系統生物無機化學，神經系統生物無機化學2003年，年，澳大利亞澳

12、大利亞，金屬離子在細胞的交，金屬離子在細胞的交通圖交通干線的劃分和金屬離子的走向通圖交通干線的劃分和金屬離子的走向二、生物無機化學發展的推動力二、生物無機化學發展的推動力 蛋白質和其他生物分子高分辨蛋白質和其他生物分子高分辨結構的迅速測定。結構的迅速測定。 用于結構及動力學測定的高效用于結構及動力學測定的高效光譜儀器的應用。光譜儀器的應用。 生物工程在創造新的生物相關結生物工程在創造新的生物相關結構中的廣泛應用，如基因定點突變構中的廣泛應用，如基因定點突變技術等。技術等。 2003年，美國科學家彼得年，美國科學家彼得阿格雷和羅德阿格雷和羅德里克里克麥金農，分別因對細胞膜水通道，離子麥金農，分別

13、因對細胞膜水通道，離子通道結構和機理研究而獲諾貝爾化學獎。通道結構和機理研究而獲諾貝爾化學獎。 Peter Agre Roderick MacKinnon 諾貝爾獎諾貝爾獎 Diverse transport processes maintain the cell in a steady state that is not in equilibrium.Atomic Force Microscope Atomic Force Microscope 1.1.原子力顯微鏡原子力顯微鏡 1986年年Binnig、Quate和和Gerber發明了第一發明了第一臺原子力顯微鏡。臺原子力顯微鏡。AFM工作

14、原理圖工作原理圖u原子力：以探針掃原子力：以探針掃描觀察樣品表面，當描觀察樣品表面，當二者接近時產生范德二者接近時產生范德華力或靜電排斥力華力或靜電排斥力 。v觀察活的生命樣品觀察活的生命樣品2.X射線光電子能譜射線光電子能譜光電子的能量分布曲線光電子的能量分布曲線 采用特定元素某一采用特定元素某一X光光譜線作為入射光，實驗測定譜線作為入射光，實驗測定待測元素激發出一系列具有待測元素激發出一系列具有不同結合能的電子能譜圖。不同結合能的電子能譜圖。元素定性分析元素定性分析 元素定量分析元素定量分析 維生素維生素B12的的X射線光電子能譜圖射線光電子能譜圖可從可從B12中中180個原子中檢個原子中

15、檢測出其中的一個測出其中的一個Co原子原子hX-ray photoelectron spectroscopyX-ray photoelectron spectroscopy四種不同的四種不同的 螺旋螺旋 折疊片折疊片3.3.共振拉曼光譜共振拉曼光譜蛋白質二級結構的鑒定蛋白質二級結構的鑒定 多肽鏈借助氫鏈排多肽鏈借助氫鏈排列成沿一個方向上具有列成沿一個方向上具有周期性結構的構象。周期性結構的構象。a)鯨腦球肌球素的結構鯨腦球肌球素的結構b)鯨腦球肌球素的吸收光譜鯨腦球肌球素的吸收光譜c)血紅素的環呼吸振動引起血紅素的環呼吸振動引起的吸收的吸收4.熒光顯微鏡熒光顯微鏡Fluorescence mi

16、croscopeFluorescence microscope 用于觀察能激發出熒用于觀察能激發出熒光的結構。光的結構。 用途：免疫熒光觀察、用途：免疫熒光觀察、基因定位、疾病診斷。基因定位、疾病診斷。Fluorescence image, DNA in blue and Microtubules in greenThe concentration of free Ca2+ is represented by different colors, red being the highest and blue the lowest. 1982年，年，IBM瑞士蘇黎瑞士蘇黎士 實 驗 室 的 葛士

17、實 驗 室 的 葛 賓 尼 和賓 尼 和海海羅雷爾研制出世界上第羅雷爾研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡。一臺掃描隧道顯微鏡。1986年賓尼和羅雷爾被授年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學獎金。予諾貝爾物理學獎金。a hair cell in the inner ear of a bullfrog5.Scanning electron microscope (SEM) Figure. X-ray crystallography. Protein structure6.X-ray crystallography第二節第二節 生物無機化學生物無機化學在發展中的研究課題在發展中的研究課題一、金屬酶和金屬蛋

18、白的結構和功能一、金屬酶和金屬蛋白的結構和功能二、金屬離子及其配合物與生物大分子的相互作用二、金屬離子及其配合物與生物大分子的相互作用 三、生物礦化三、生物礦化四、電子傳遞方法四、電子傳遞方法五、金屬離子和細胞的相互作用五、金屬離子和細胞的相互作用六、離子載體六、離子載體八、金屬酶和模擬酶的應用八、金屬酶和模擬酶的應用七、探針和金屬藥物七、探針和金屬藥物一、金屬酶和金屬蛋白的結構和功能一、金屬酶和金屬蛋白的結構和功能葉綠素結構葉綠素結構金屬蛋白金屬蛋白 細胞色素細胞色素 金屬硫蛋白金屬硫蛋白 金屬酶的化學模擬金屬酶的化學模擬 酶的修飾及固定化酶的修飾及固定化 血紅蛋白血紅蛋白離子通道、離子載體

19、離子通道、離子載體二、金屬離子及其配合物與二、金屬離子及其配合物與生物大分子的相互作用生物大分子的相互作用 金屬離子與生物金屬離子與生物大分子結合后，發大分子結合后，發生明顯的生物化學生明顯的生物化學效應。效應。 分子識別分子識別 金屬配合物對肽金屬配合物對肽鍵的化學切割鍵的化學切割 離子探針離子探針 三、生物礦化三、生物礦化 生物礦物材料（骨頭、牙齒、生物礦物材料（骨頭、牙齒、軟骨、蛋殼等）是由礦物與基質構軟骨、蛋殼等）是由礦物與基質構成的復合材料，具有高度的裝配有成的復合材料，具有高度的裝配有序性，又特殊的理化性質、可控的序性，又特殊的理化性質、可控的動態性質。動態性質。l誘導分子膜作為分

20、子膜板誘導分子膜作為分子膜板的定向成核。的定向成核。l利用超分子組裝體系合成利用超分子組裝體系合成納米材料。納米材料。l微結構的構筑等。微結構的構筑等。 四、電子傳遞方法四、電子傳遞方法u 電子傳遞著生物大分子的活性電子傳遞著生物大分子的活性 u 生命中的電子能量傳遞鏈生命中的電子能量傳遞鏈 u 電子激發鏈調節著生命大分子的構象電子激發鏈調節著生命大分子的構象 五、金屬離子和細胞的相互作用五、金屬離子和細胞的相互作用 金屬的攝入、轉運、分布以及它們表金屬的攝入、轉運、分布以及它們表現的生物效應得化學基礎。現的生物效應得化學基礎。 載體蛋白載體蛋白膜轉運蛋白膜轉運蛋白通道蛋白通道蛋白協助擴散協助

21、擴散六、離子載體六、離子載體 離子載體是一些能夠極大提高離子載體是一些能夠極大提高膜對某些離子通透性的載體分子。膜對某些離子通透性的載體分子。 NaNa+ +-K-K+ +泵的結構與工泵的結構與工作模式示意圖作模式示意圖:M:MW W=120,000Da=120,000Da:M:MW W=50000Da=50000Da結結構構功功能能 維持細胞內低維持細胞內低NaNa+ +高高K K+ +的離子環的離子環境。境。七、探針和金屬藥物七、探針和金屬藥物例如，用半徑與鋅相近的鈷離子作探針，例如，用半徑與鋅相近的鈷離子作探針，代替羧肽酶中的鋅，從而根據含鈷酶的光代替羧肽酶中的鋅，從而根據含鈷酶的光譜推

22、斷羧肽酶中鋅的配位環境。譜推斷羧肽酶中鋅的配位環境。用錳離子做探針，根據含錳羧肽酶的核磁用錳離子做探針，根據含錳羧肽酶的核磁共振譜確定了羧肽酶中鋅和一水分子或羥共振譜確定了羧肽酶中鋅和一水分子或羥基相連。基相連。 用一些其他的金屬元素替代生物用一些其他的金屬元素替代生物無機化合物中的原有金屬元素，從無機化合物中的原有金屬元素，從而用各種波譜方法來研究和確定體而用各種波譜方法來研究和確定體系的結構和作用。系的結構和作用。金屬藥物金屬藥物u 用無機化學和有機化學的理論和方法合用無機化學和有機化學的理論和方法合成具有特定功能的藥物，研究各種反應以成具有特定功能的藥物，研究各種反應以了解藥物的結構了解

23、藥物的結構性質性質生物效應關系。生物效應關系。u 無機抗癌藥：二氯茂鉄、卡鉑等。無機抗癌藥：二氯茂鉄、卡鉑等。u 解毒劑：解毒劑：EDTAEDTA的鈣鹽。的鈣鹽。u 治療糖尿病藥：釩化合物。治療糖尿病藥：釩化合物。u 治療白血病藥：砷化合物。治療白血病藥：砷化合物。無機化學與藥物無機化學與藥物無機化學的開發是現代醫學發展的需要無機化學的開發是現代醫學發展的需要八、金屬酶和模擬酶的應用八、金屬酶和模擬酶的應用鉬鐵硫原子簇鉬鐵硫原子簇鉬硫醇鉬硫醇鉬二硫代氨基甲酸鉬二硫代氨基甲酸鉬氰負離子鉬氰負離子一種立方烷型一種立方烷型Mo-Fe-S簇合物的結構示意圖簇合物的結構示意圖兩種線型兩種線型Mo-Fe-

24、S簇合簇合物的結構示意圖物的結構示意圖 研究金屬酶的結構與功研究金屬酶的結構與功能合成它們的模擬物，以推能合成它們的模擬物，以推動它們在生產中的應用。動它們在生產中的應用。固氮酶模擬研究固氮酶模擬研究第三節第三節 生物體中的無機生物體中的無機元素及其生物功能元素及其生物功能 生命必需元素生命必需元素 生物體的必須元素存在于正常組織之中。生物體的必須元素存在于正常組織之中。 在各物體中有一定的濃度范圍。在各物體中有一定的濃度范圍。 如果從機體排除這種元素將會引起特殊的如果從機體排除這種元素將會引起特殊的生物化學變化，重新引入這種元素，上述生物化學變化，重新引入這種元素，上述變態將可以消失。變態將

25、可以消失。 至少有至少有2626種生物體的必須元素。種生物體的必須元素。 占人體總重量低于占人體總重量低于0.010.01的元素的元素人人體體中中的的元元素素常量常量元素元素微量微量元素元素 C、H、O、N、P、S、Cl、Na、Mg、K和和Ca等等11種，約占體重的種，約占體重的99.25。Rb、As、B、Ti、Al、Ba、Nb和和Zr等等8種。種。Bi、Sb、Be、Cd、Hg和和Sb等等6種。種。必需微必需微量元素量元素非必需微非必需微量元素量元素有毒微有毒微量元素量元素占人體總重量高占人體總重量高于于0.01的元素的元素鐵、鋅、銅、鉻、錳、鐵、鋅、銅、鉻、錳、硒、鎳、鈷、氟、碘、硒、鎳、鈷

26、、氟、碘、鉬、釩、錫、硅、溴等鉬、釩、錫、硅、溴等1515種種。元素元素主要功能主要功能缺乏癥缺乏癥過量癥過量癥Fe參與多種新參與多種新陳代謝過程陳代謝過程貧血、齲齒、貧血、齲齒、無力無力智力發育緩智力發育緩慢、肝硬化慢、肝硬化Cu血漿蛋白和多血漿蛋白和多種酶的重要成分種酶的重要成分低蛋白血癥、低蛋白血癥、貧血、冠心病貧血、冠心病肝硬化、類肝硬化、類風濕風濕Zn控制酶的代謝活性控制酶的代謝活性部位等部位等貧血、高血壓、貧血、高血壓、侏儒癥侏儒癥頭昏、腸胃頭昏、腸胃炎、皮膚病炎、皮膚病Ca傳遞神經脈沖、肌傳遞神經脈沖、肌肉收縮、釋放激素、肉收縮、釋放激素、心律調節心律調節軟骨畸形、軟骨畸形、痙攣

27、痙攣膽結石、膽結石、粥樣硬化粥樣硬化Mg蛋白質生物合成蛋白質生物合成驚厥驚厥麻木癥麻木癥表表1.常見微量元素對人體健康的影響常見微量元素對人體健康的影響克汀病克汀病碘缺乏碘缺乏呆、小、聾、啞、癱呆、小、聾、啞、癱侏儒侏儒先天畸形先天畸形鋅缺乏鋅缺乏厭食、生長障礙，骨厭食、生長障礙，骨畸形畸形克山病克山病硒缺乏硒缺乏心律不齊，心臟擴大，心律不齊，心臟擴大，心率衰竭，休克心率衰竭，休克大骨節病大骨節病硒缺乏有關硒缺乏有關肌肉萎縮、發育障礙，肌肉萎縮、發育障礙，行動蹣跚行動蹣跚硒中毒硒中毒硒過量硒過量脫發脫甲，皮膚潮紅、脫發脫甲，皮膚潮紅、神經、牙齒損害神經、牙齒損害表表2.2.微量元素引起的地方病

28、微量元素引起的地方病 黑皮病黑皮病慢性砷中毒慢性砷中毒皮膚色素過渡沉著、皮膚色素過渡沉著、神經性皮炎，致癌神經性皮炎，致癌水俁水俁(yu)(yu)病病慢性甲基慢性甲基汞中毒汞中毒感覺障礙、共濟失調，感覺障礙、共濟失調，語言、智力障癌語言、智力障癌骨痛病骨痛病慢性鎘中毒慢性鎘中毒易骨折、骨質疏松、易骨折、骨質疏松、軟化變形，疼痛軟化變形，疼痛地方性地方性氟中毒氟中毒水中氟過量水中氟過量氟斑釉齒、氟骨病、氟斑釉齒、氟骨病、心臟病心臟病鬼剃頭鬼剃頭鉈中毒鉈中毒脫發、頭暈、乏力、脫發、頭暈、乏力、食欲不振，視物模糊食欲不振，視物模糊表表2.2.微量元素引起的地方病微量元素引起的地方病( (續續) ) 微量元素引起的地方病微量元素引起的地方病 地方性甲地方性甲狀腺腫狀腺腫碘缺乏碘缺乏地方性地方性克汀病克汀病呆呆小小聾聾啞啞癱癱侏儒、先天畸形侏儒、先天畸形厭食、生長障礙，骨畸形厭食、生長障礙，骨畸形鋅缺乏鋅缺乏六旬母親肩背侏儒兒子六旬母親肩背侏儒兒子3030載，用壞載，用壞2020個背篼個背篼 硒缺乏硒缺乏克山病克山病心律不齊，心心律不齊，心臟擴大，心率臟擴大，心率衰竭，休克衰竭，休克大骨節病大骨節病 肌肉萎縮、發育肌肉萎縮、發育障礙、行動蹣跚障礙、行動蹣跚地方性硒中毒地方性硒中毒硒過量硒過量脫發脫甲，皮膚潮紅、神經、牙齒損害脫發脫甲，皮膚潮紅、神經、牙齒損害微量元素引起的地方病