2023年高等无机化学（教学课件）.ppt

第8章 生物无机化学 掌握生物无机化学根本概念 掌握金属蛋白的分类及其作用 掌握仿生合成根本概念及原理 了解金属中毒的原因及解毒机理 了解金属离子在生命体中的作用 了解生物固氮的意义及方法 目标&要求 引言 生物无机化学生物无机化学 生命体的无机化学。研究生物体内的金属元素和其它无机元素在生物体内的形态、结构特征、特性和功能,从分子水平上研究它们与生物分子相互作用的科学。一、金属离子在生命体中的作用 二、金属离子中毒和解毒 三、无机材料仿生合成 四、生物固氮 第一节 金属离子在生命体中的作用 1.1 金属离子在生命体中的存在形式金属离子在生命体中的存在形式 1.2 金属生物分子的分类及功能金属生物分子的分类及功能 1.3 金属离子在生命体中的作用金属离子在生命体中的作用 第一节 金属离子在生命体中的作用 1.1 金属离子在生命体中的存在形式金属离子在生命体中的存在形式 金属离子在生命体中通常不以游离态存在，而是与生物分子配合形成金属配合物。生命体中的生物分子包括氨基酸、肽和蛋白质，均可以和金属离子配合形成配合物。第一节 金属离子在生命体中的作用 1.氨基酸和金属离子配位 氨基酸和金属离子配位时，一方面利用分子中的-COO基氧原子和金属发生共价结合，另一方面是由-NH2基中的氮原子提供孤电子对与金属离子形成配键。1.1 金属离子在生命体中的存在形式金属离子在生命体中的存在形式 丙氨酸 氨基酸氨基酸 在丝氨酸，苏氨酸和酪氨酸中的在丝氨酸，苏氨酸和酪氨酸中的-OH基也能进行配基也能进行配位。另外，组氨酸的咪唑基，半胱氨酸的位。另外，组氨酸的咪唑基，半胱氨酸的SH基以及基以及蛋氨酸的蛋氨酸的-C-S-C-(硫醚硫醚)基都是重要的配位基团。基都是重要的配位基团。第一节 金属离子在生命体中的作用 2.肽和金属离子配位 肽与金属离子配位时，一般以肽分子中的O或N原子作为配位原子。1.1 金属离子在生命体中的存在形式金属离子在生命体中的存在形式 肽与多肽肽与多肽 氨基酸彼此以肽键结合成肽链，肽键是由一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基结合失去一分子水而成。多个氨基酸通过肽键首尾相接形成肽链，肽链中的氨基酸已经不再是原来的完整的分子，称为氨基酸残基。超过十个残基的肽称为多肽。第一节 金属离子在生命体中的作用 3.蛋白质和金属离子配位 蛋白质与金属离子结合与氨基酸或短肽链有所不同。在金属蛋白质分子中，两个配位原子之间往往隔着数目很多的氨基酸残基。起配位作用的氨基酸残基有：半胱氨酸，蛋氨酸，酪氨酸，谷氨酸，天冬氨酸，赖氨酸，精氨酸和组氨酸等。1.1 金属离子在生命体中的存在形式金属离子在生命体中的存在形式 蛋白质蛋白质 蛋白质由氨基酸构成，由一条或多条肽链按特殊方式组合成蛋白质分子。以各种氨基酸按一定顺序排列构成的肽键骨架-蛋白质的根本结构。蛋白质的相对分子量可高达106，小的也有104以上。蛋白质的一级结构 在蛋白质多肽链中，一个肽键的羰基氧可能 和另一个肽键的亚胺氢形成氢键：通过氢键形成的多肽链的空间排布，即多肽链主干的构象。二级结构一般有两种：螺旋结构和 折皱结构 蛋白质的二级结构 螺旋结构 折皱结构 蛋白质三级结构 蛋白质四级结构 第一节 金属离子在生命体中的作用 1.2 金属生物分子的分类及功能金属生物分子的分类及功能 含金属离子的生物分子金属生物分子的分类含金属离子的生物分子金属生物分子的分类 金属蛋白金属蛋白 其他金属蛋白其他金属蛋白 金属蛋白：含有金属离子的蛋白质 金属酶：能执行催化功能的金属蛋白 金属酶之外的其它金属蛋白：大致可分为四大类 电子载体蛋白 小分子载体蛋白 金属贮运蛋白 金属调节蛋白 1.电子载体蛋白 电子载体蛋白主要有三种：含铁血红素的细胞色素类蛋白,含Fe-S簇合物的铁硫类蛋白和含Cu的蓝铜蛋白。它们利用具有氧化复原性的金属离子Cu2+/Cu+,Fe3+/Fe2+作为生物体中电子接受的载体蛋白中心,成为生物体中电子传递链的重要环节。2.小分子载体蛋白 小分子载体蛋白主要包括O2,NO,CO等小分子的结合和运载蛋白。其中氧运载蛋白有血红蛋白-肌红蛋白类,血蓝蛋白和蚯蚓血红蛋白三类,血红蛋白是以血红素为辅基的含铁金属蛋白,蚯蚓血红蛋白是含双核铁的金属蛋白,血蓝蛋白是含铜中心离子的金属蛋白。3.金属贮运蛋白 金属贮运蛋白主要是指一些承担生命必须元素在体内贮存和转运作用的金属蛋白，主要有Fe,Zn,Cu蛋白。如铁蛋白是铁的贮存蛋白,每个蛋白分子内腔可贮存4900个无机铁离子,以防止过量铁离子对其它生物分子的毒害作用,而当生物体需要铁时,又可从中取出,由运铁蛋白输送到需要铁的生物分子的合成过程中去。4.金属调节蛋白 金属调节蛋白是近几十年来发现的具有重要生物功能的一类金属蛋白。生物体中某些蛋白质能够在金属离子的调制下生成具有各种特定蛋白质结构的金属蛋白,它们与其它蛋白质或核酸作用,结合于特定的部位,从而启动或调制一系列后续的生物化学反响,或者控制和调节DNA和RNA的转录,翻译和表达。其中最典型的有以Ca调蛋白为代表的钙结合蛋白,重金属蛋白和近年来发现的各种锌指类蛋白。5.5.金属酶金属酶 金属酶是一种以三级结构的蛋白质大分子为配体的金属配合物,它具有独特的催化活性,是生物体中广泛存在的生物催化剂。生物体中各种复杂的生物化学反响能在温和条件下(室温,常压,中性介质)下迅速进行,根本原因在于生物体中存在着各种具有高催化效率的酶。它的催化效率比一般普通的无机有机催化剂高7-13个数量级,例:1mol Fe3+在0 C,1秒内可以催化分解10-5mol H2O2,同样条件下,1mol H2O2酶可催化分解105 mol H2O2。酶的催化作用具有高度专一性,即一种酶只作用于某一类或某一种特定的物质(底物),在现的2000多种酶中,约有1/3酶在行使其催化活性时需要金属离子。这些金属离子或是直接参与了催化活性部位的构成,或是它的存在有利于底物和酶的结合,或是通过稳定的酶分子构象起到调控活性的作用。金属离子与酶蛋白的结合强度各不相同,根据强度差异,可分为金属酶和金属激活酶。金属酶一般含有化学计量的金属离子作为辅因子,它们与蛋白肽链之间的结合相当牢固,通常金属-酶蛋白配合物的结合常数到达107-108 mol-1 L。金属激活酶虽然也需要金属离子的参与才能表现出活性,但金属离子与酶蛋白的结合并不牢固。5a.金属酶 参与金属酶组成的主要是过渡金属离子Fe,Zn,Cu,Mn,Co,Mo,Ni等,它们在氧化复原酶、转移酶、水解酶、聚合酶、异构酶和连接酶六大类酶中以金属酶的形式存在,并发挥着独特的作用。a.Lewis酸的作用酸的作用 带正电荷的金属离子通过吸电子诱导效应使底物局部带正电荷的金属离子通过吸电子诱导效应使底物局部显正电性显正电性,从而使羧基或水分子易于对底物进行亲核攻击从而使羧基或水分子易于对底物进行亲核攻击,导致底物分子水解导致底物分子水解,如在许多水解酶如在许多水解酶(羧肽酶羧肽酶,碳酸酐酶碳酸酐酶)中中Zn2+的作用的作用。b.桥联作用桥联作用 底物与酶蛋白同时结合在金属离子上底物与酶蛋白同时结合在金属离子上,以金属离子为以金属离子为桥梁使得底物分子与酶分子更易接近桥梁使得底物分子与酶分子更易接近,甚至处于同一配位甚至处于同一配位球体内球体内,便于各种酶促反响的进行便于各种酶促反响的进行,如羧肽酶中如羧肽酶中Zn2+起底起底物肽链的锚柱作用物肽链的锚柱作用,在它的桥联作用下在它的桥联作用下,才开始一系列的才开始一系列的构象变化构象变化,完成肽链上端氨基酸的水解反响完成肽链上端氨基酸的水解反响.c.模板作用模板作用 金属离子通过立体化学特性金属离子通过立体化学特性,对酶或底物的空间构象进行对酶或底物的空间构象进行调整调整,促使酶与底物具有相互匹配的构象促使酶与底物具有相互匹配的构象,从而激活或增强酶从而激活或增强酶的活性的活性,例如例如:某些金属离子对以磷酸吡哆醛为辅因子的酶的某些金属离子对以磷酸吡哆醛为辅因子的酶的活性的增强作用活性的增强作用,就是这种模板效应的具体表达就是这种模板效应的具体表达。d.结构固定作用结构固定作用 金属离子能固定酶蛋白的特定几何构象金属离子能固定酶蛋白的特定几何构象,以便于某一特定以便于某一特定底物附着其上底物附着其上,这种结构固定作用在肝醇脱氢酶中十清楚显这种结构固定作用在肝醇脱氢酶中十清楚显。e.电子传递作用电子传递作用 在许多氧化复原酶中在许多氧化复原酶中,金属离子通过氧化态的变化起着电金属离子通过氧化态的变化起着电子传递的作用子传递的作用,如细胞色素酶中如细胞色素酶中Fe2+/Fe3+中心和超氧化物歧化中心和超氧化物歧化酶中酶中Cu+/Cu2+中心等中心等。5b.金属激活酶金属激活酶 在生物体的众多酶中,有一种需要由金属离子或金属配合物作为辅因子激活其生物活性,以实现其催化底物的生物反响的功能,这一类酶称为金属激活酶。辅因子假设为金属离子,金属离子称为激活剂,假设为配合物,配合物称为辅酶。在金属激活酶中,金属离子或金属配合物与蛋白质肽链结合较弱,金属离子是作为此类酶的辅因子起作用的。它们在酶促反响中可以稳定底物的构型,使之适合于酶蛋白的结合；或使底物的构型有利于它在蛋白质上的取向和反响；也可以因其结合,改变蛋白质的构象；或通过电荷作用,改变蛋白质分子的电荷分布,使离域底物与其它分子结合。第一节 金属离子在生命体中的作用 1.3 金属离子在生命体中的作用金属离子在生命体中的作用 宏量金属元素：宏量金属元素：Na,K,Ca,Mg 微量金属元素：微量金属元素：Fe,Zn,Cu 超微量痕量金属元素：超微量痕量金属元素：Mn,Co,Mo,Ni,Cr,V,Cd,Sn,Pb,Li 第一节 金属离子在生命体中的作用 1.宏量金属元素Na+和K+Na+：体液中浓度最大和交换最快的阳离子 血浆中Na+浓度达15210-3 mol L-1 主要功能：调节渗透压，保持细胞中最适水位，通过钠泵作用 将葡萄糖、氨基酸等营养物质输入细胞 参与神经信息的传递；保持血液和肾中的酸碱平衡。K+：半径比Na+大，电荷密度较低，扩散通过脂质蛋白细胞膜 时几乎与水一样容易。细胞液中含K+浓度为15410-3 mol L-1 主要功能：某些内部酶的辅基，起激活酶的作用。葡萄糖的新陈代谢作用需要高浓度的K+,用核糖体进行蛋白质合成也需要高浓度的K+K+起着稳定细胞内部结构的作用。Na+,K+在细胞内外分布不均匀 细胞内部：K+：15410-3 mol L-1,Na+：1010-3 mol L-1 细胞外部：Na+：15210-3 mol L-1，K+：510-3 mol L-1 离子泵的机制 离子泵的运行机理离子泵的运行机理 ATP：三磷酸腺苷 Na+内内 外外 第一节 金属离子在生命体中的作用 2.宏量金属元素Ca2+Ca2+在细胞内的浓度:10-5mol-1 L-1,在细胞外的浓度:10-3mol L-1 钙也是依靠金属泵机制维持这种浓度分布的，这种浓度分布可防止碳酸盐和磷酸盐在细胞内沉淀。Ca2+的主要生物功能：(a)稳定蛋白质构象，如 DNA酶和微生物蛋白酶中的Ca2+的作用 (b)形成各种生物体的固体骨架物质，如骨骼和生物壳体,大局部是由羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)12组成的 (c)促进血液凝固和调节心律 (d)引发某些生理活动的功能，肌肉收缩的触发器，释放激素的 信使等 钙媒介蛋白与Ca2结合而被激活 羧基COO-刺激 Ca2+流入 与媒介蛋白结合 媒介蛋白激活 增加酶催化活性 细胞外内Ca2+受刺激 Mg2+是一种内部结构的稳定剂和细胞内酶的辅因子,细胞内的核苷酸以Mg2+配合物的形式存在。Mg2+倾向于与磷酸根结合,所以Mg2+对于DNA复制和蛋白质生物 合成是不可缺少的。Mg2+在光合作用中具有重要功能。叶绿素a：Mg2+的大环化合物,能吸收可见光区的红光和蓝至近紫外光,为光合作用提供能量。第一节 金属离子在生命体中的作用 3.宏量金属元素Mg2+Fe是人体中最丰富的过渡金属元素，一般含量为