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生物無機化學
自然科學門類
又稱生物無機化學或生物配位化學。是無機化學、生物化學、醫學等多種學科的交叉領域,20世紀60年代以來逐步形成的。其研究對象是生物體內的金屬(和少數非金屬)元素及其化合物,特別是痕量金屬元素和生物大分子配體形成的生物配合物,如各種金屬酶、金屬蛋白等。側重研究它們的結構-性質-生物活性之間的關係以及在生命環境內參與反應的機理。為便於研究,常用人工模似的方法合成具有一定生理功能的金屬配位化合物。
生物無機化學又稱無機生物化學和生物配位化學。為生物化學和無機化學間的交叉學科。
生物無機化學
生物無機化學醞釀於20世紀50年代,誕生於60年代。在短短的半個世紀有了很大發展。回顧這段歷史對於人們今後如何開展生命科學中的化學問題研究頗有啟發。早在化學與生物學融合而又分化出生物化學的時候,就孕育著從生物化學中再分化的問題。
生物化學研究的對象是各種生物功能分子,生物學家多注意功能,但是化學進入這個領域之後,注意結構與功能的關係。當時最為直接的結構測定方法是x-射線晶體結構分析,而獲得生物大分子單晶是一個難題。當Perutz因其對肌紅蛋白和血紅蛋白的結構和作用機理研究而獲得諾貝爾化學獎時生物無機化學就開始萌芽。於是在生物化學和結構化學之間開始結合,產生了一個以測定生物功能分子結構和闡明作用機理為內容的新領域。
與此同時,在生物化學深入到涉及金屬離子的生物過程時,必然地與當時正在迅速發展起來的配位化學結合。原來研究溶液配位化學的主要學者均紛紛研究生物配體和金屬離子的溶液化學。R.J.P.Williams,nD.Perrin,K.B.Yatzimirskh,D.R.Williams等等先後進人這個領域,使之成為生物無機化學的另外一個分支。
到後來人們認為,晶體結構與生物介質中的結構未必相同,應該研究溶液中的結構和構象。恰在此時,核磁共振技術大發展,為研究生物大分子的溶液結構創造了條件。於是開拓了結構化學和溶液化學結合、探索含金屬生物大分子結構與功能關係的新領域。生物無機化學的另外一個分支是通過合成模型化合物或結構修飾研究結構-機理關係,它是合成化學介人生物無機化學的結果。這三個分支構成了延續30多年的生物無機化學的主流。雖然研究思路和方法有所改變,但是這些研究都是以認識含無機元素的生物功能分子的結構和功能關係為目的,大都採取分離出單一生物分子,測定其結構,研究有關反應機理以及結構與功能關係的研究模式。雖然這樣的研究取得了許多重要成果,使人們對必需元素和含它們的生物分子認識更加深入。但是近幾年來,這種傳統生物無機化學研究受到一系列實際問題的挑戰。
歸結起來,這些實際問題大都涉及無機物的生物效應,或者說生物體對無機 物的應答問題。例如無機藥物的作用機理,無機物中毒機理、環境物質和能損傷生物體的機理等。在這類問題的研究中,共同的核心問題是從分子、細胞到整體三個層次回答構成藥理、毒理作用的基本化學反應和這些反應引起的生物事件。這類研究促使人們把生物無機化學提高到細胞層次,去研究細胞和無機物作用時細胞內外發生的化學變化。這些化學變化是生物效應的基礎。
不可忽視生物無機化學半個世紀的發展對無機化學的啟發和推動作用。例如,混合配體配合物化學、多金屬多配體體系的化學、金屬的異常價態、金屬-硫簇化學、分子內和分子間電子傳遞、自由基化學等等。顯然生物無機化學在未來既可以推動生物學發展,也可以促進化學向新的層次開拓。
1970年,在美國Virginia州舉行了國際生物無機化學討論會,僅19篇報告,並由R.F.Gould彙編“生物無機化學”。
1971年,美國著名化學家G.N.Schrazer主編的雜誌Bioinorganic Chemistry創刊,1979年更名為J.Inorganic BioChemistry
1995年,C.D.Garner和I.Betini再次發起成立國際生物無機化學學會(The Society of Biological Inorganic Chemistry)並於1996年出版會刊“J.of Biological Inorganic Chemistry”JBIC 僅僅幾年時間該刊已躍居國際上最有影響的刊物之一。
1983年起,由I.Bertini,H.B.Gray,B.G.Malmstrom and H.Sigel組成生物無機化學國際會議組織委員會,決定每兩年召開一次會議。
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.
生物無機化學
·金屬蛋白和金屬酶的結構和性質
· 金屬離子及其配合物與生物大分子的作用
DNA分子光開關
基因晶元
DNA生物感測器
生物礦物
生命過程的核心問題之一是能量轉換(如呼吸和光合作用),而能量轉換的中心過程是電子傳遞,因此在蛋白質和核酸介質中長程電子傳遞(long-range electron transfer)是近幾年來生物無機化學研究的熱門課題之一。
DNA究竟是一根分子導線還是絕緣體,是邇來激烈爭論的焦點。
金屬蛋白:
為一類含金屬元素的蛋白:
生物無機化學
② 藍銅蛋白是含銅的重要金屬蛋白,其中銅僅與蛋白鏈上的氨基酸殘基相結合,形成扭曲的四面體構型,呈顯著的藍色,如血漿藍銅蛋白和質體藍素,前者參與調節組織中銅的含量,後者是一系列生物過程中的重要電子傳遞體。
③ 鐵硫蛋白是含鐵、硫原子的天然原子簇金屬化合物與蛋白質鏈上半胱氨酸結合的金屬蛋白,如植物型鐵氧還蛋白是含原子簇的金屬蛋白,其中每個鐵原子分別與蛋白質鏈上兩個半胱氨酸相連;細菌鐵氧還蛋白含有原子簇,每個鐵原子分別與蛋白質鏈上一個半胱氨酸相連。鐵硫蛋白是生物體中重要的電子傳遞體,如鐵氧還蛋白在葉綠體的光合作用和固氮酶的固氮過程中起傳遞電子的作用。
生物無機化學
維生素B12和B12輔酶:
生物無機化學
具有類似於卟啉環的結構,含有鎂原子,其中鎂與環的四個氮原子結合。在植物光合作用中,葉綠素能起將光能轉變為化學能的作用。
為一類能與鹼金屬、鹼土金屬等元素結合,生成脂溶性配位化合物,從而增大金屬離子透過生物膜可能性的物質。離子載體有天然和合成的兩種:天然離子載體如纈氨酶素等,能使正常情況下不易通過線粒體內膜的鉀離子得以順利通過;合成的離子載體主要為冠醚,如二苯並18-冠-6為環狀多醚,其中央空穴的大小,決定與金屬離子配位的選擇性。二苯並18-冠-6的鹼金屬配位化合物的穩定性有以下次序:。
生物無機化合物的模擬
生物無機化學
生物無機化學
生物無機化學
金屬離子的生理功能