《高等无机化学》PPT课件

第 8章 生物无机化学 掌握生物无机化学基本概念 掌握金属蛋白的分类及其作用 掌握仿生合成基本概念及原理 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 (b) 臵换了生物分子中必需的金属离子 例： Be( )能臵换 Mg( ) 进入激酶 , 但 Be( )不能使这些酶 具有生物活性 ; (c) 改变了大生物分子的活性构象 , 生物大分子的功能发挥取决于其特定的构象 , 而不适当的金 属离子可能改变甚至破坏这种构象 。 2. 汞中毒 汞具有较高的蒸气压 , 汞蒸气能被肺吸收 , 溶解于血液中 , 然后进入大脑 , 对中枢神经造成不可逆转的伤害 。 汞和汞的化合物在某些厌氧细菌的作用下 , 转变为 (CH3)2Hg和 CH3Hg+, 在鱼类和哺乳动物体内发现的汞化合物多 为 CH3HgX。 RHgCl能和细胞膜作用 , 改变细胞膜的通透性 , 破坏血红细 胞 。 汞对蛋白质和酶的作用 , 是由于它和蛋白质中的半胱氨酸 残基的巯基结合 , 堵塞了酶的 -SH基团 , 抑制了 SH-酶的活性 . 汞 中毒的病症是颤抖 , 呆滞 , 运动失调 , 严重时死亡 。 最严重的汞中毒病例发生在日本的水俣 , 被称作 ” 水俣病 ” , 是因为当地的渔民吃了含 CH3HgCl的鱼 , 患上了这种病 。 3. 镉中毒 镉中毒主要来自镉金属和 Cd( ) 盐以及它的螯合物 , Cd( )的毒性作用可能是因为 Cd( )和 Zn( ) 性质相似 , 可以 在许多含锌酶中取代锌 , 从而抑制了含锌酶的活性 . 如：碱性磷酸酯酶 , 醇脱氢酶 , 碳酸酐酶等含锌酶都可以因为镉 的取代而失去活性 . Cd( )可以强烈地与蛋白质半胱氨酸残基的 -SH结合 , 抑制 -SH- 酶的活性 。 由于 Cd2+半径与 Ca2+ 半径大小相近 , 能取代骨骼中的 Ca2+而引 起骨痛病 ， 但是饮食的性质可以影响镉的吸收 , 当饮食中钙的 含量低时 , 在肝和肾中积累的镉含量比 钙含量 高 50%,钙含量高 时 , 镉吸收少 ， 说明镉的代谢和钙的代谢之间存在某种联系 。 4. 铅中毒 Pb和 Hg( ) , Cd( )相似 , 会抑制 -SH酶的活性 , 铅中毒的 典型症状是贫血 。 这是由于卟啉的代谢过程出现混乱造成的 。 铅实际上影响到血红素合成的各个阶段 , 常影响到铁嵌入卟 啉环的过程 。 工业中有机铅是一个重要的铅来源 , 如汽油中的抗爆剂 Et4Pb, 在体内会分解为无机 Pb( ), Pb( )不仅影响卟啉的代 谢过程 , 而且还会在神经组织中积累起来 , 伤害脑和神经 , 尤 其影响儿童的智力发展 。 5. 铍中毒 铍已经成为一个环境污染的严重问题 , 铍的毒性机制 就是由于铍能够和 Mg( )竞争 , 而且由于它具有更大的电 荷 /半径比值 , 它的结合能力强于 Mg( )。 有好几种酶的 活性可被 Be( )抑制 , 而且这种抑制一旦产生 , 使用 Mg( ) 臵换也难于失其再生 , Be( )也破坏 DNA的合成 , Be( ) 特别容易在细胞核内积累 , 抑制核分裂能力 。 硒是有益身体健康的 , 因为它能阻止过氧化氢的氧化作用 , 但 是过量的硒会引起器官畸变 . 如在饮食中每克食物中的硒含量若大于 5g, 会引起肝坏死和 肌肉营养不良症 。 家畜吃了富硒的饲料会患家畜晕倒症 (急性硒中毒 ). 但是 , 如 果每克食物中的硒含量为 3g的日常剂量却又可以促进羊的生 长 。 金枪鱼体内的汞含量很高 , 但观察不到金枪鱼有任何中毒现 象 , 同时发现金枪鱼体内的硒含量也非常高 , 而且当动物食用 金枪鱼肉时 , 可以缓解汞中毒 , 这说明硒的存在可以抑制汞的 毒害作用 . 6. 硒中毒 7. 铝中毒 铝的毒性主要来自它的高 Z/r值 , 因此它与硬的氧配体 (磷酸盐 ) 能形成比 Ca2+, Mg2+离子更稳定的配合物 , 如果让 Al3+穿透生物 细胞 , 它将是一个很强的毒素 . 因为它干扰磷酸根离子正常的生 理功能 . 在生理 pH条件下 , 几乎所有溶解的 Al3+ 都是以 Al(OH)4- 形式 存在 , 作为一个带负电荷的物种 , 不容易穿透生物膜 , 也不象 Al3+ 那样结合磷酸根离子 . 因此 , Al3+ 通常不穿透人体的关键性器官 如大脑的细胞 。 如果消化系统和排泄系统的正常保护机制遭到破坏 , 则会造 成 Al3+ 离子可能在体内蓄积 , 使骨骼败坏 (骨骼软化症 )和大脑受 损 (导致痴呆症 )。 硅酸盐在生理 pH条件下 , 生成可溶性的铝硅 酸盐而促进 Al的排泄 。 铝在人体中的吸收部位与钙相同 , 主要位于小肠的上部 , 其吸 收可能与 Ca2+竞争可溶性蛋白有关 , 从而干扰 Ca, P 的代谢 , 铝的 毒性主要表现在对神经 , 骨骼和细胞遗传三个方面的毒害 。 第二节 金属离子中毒和解毒 2.2 解毒方法及原理 1. 细菌解毒的几种机制 细菌发展了对有害离子 (如 Cd2+, Pb2+, Ag+, 汞及砷化 物 )的抵御能力 , 包括用跨膜离子泵将这些离子运出细胞 , 将它们氧化和还原成较大挥发性或较小毒性的物种 , 或者 利用简单配体 , 蛋白质及细胞膜将这些离子结合或螯合除 去等 。 (a) 与外膜的结合作用 (b) 通过化学还原或甲基 化作用形成易挥发物 种 (c) 被配体或蛋白质结合 (d) 用离子通道运出细胞 外 细菌清除重金属的几种机制 酵母 , 真菌 , 高等植物以及动物体内都含用来结合重金属的 金属硫蛋白 (MT), 它们是富含半胱氨酸的小分子蛋白 , 它是参与 铜 , 锌体内平衡的重要蛋白质 , 对于其它非必需金属来说 , MT的 作用是解毒 , MT对金属吸收的顺序是： Zn( ) Pb( ) Cd( ) Cu( ), Ag( ), Hg( ), Bi( ) MT同时在体内还起到协调锌铜含量的稳态调控的作用 。 研 究表明 , MT是在体内过量金属离子的诱导下合成的 , 实验发现 , 如果动物饲料中 Cd2+, Cu2+, Zn2+的量增加 , 则动物肝 , 肾等器官中 合成的 MT的量也会增加 。 如果事先给动物注射小剂量的有害金属 Pb2+, 然后再注射大 量 Pb2+, 则不会发生中毒现象 , 而一次性地注射大量 Pb2+, 则引起 动物中毒 。 原因是在少量 Pb2+ 诱导下 , 动物体内合成了一定量 地 MT, 起到了预防的作用 , 增强了肌体抵御重金属离子毒性的 机能 。 MT所提供的生物体的自身解毒作用及某些元素对金属毒性 的抗据作用是有限的 。 2. 金属硫蛋白 (MT)的解毒机理 3. 解毒剂的解毒原理 利用配位能力更强的配体将有害金属离子从其结合部位夺 取下来 , 形成更稳定的而且对生物体无害的配合物 , 并且能够迅 速排出体外。 同时 , 一个有效的解毒剂还应满足药理学要求 , 如 较好的水溶性 , 能抗代谢降解 , 容易通过细胞膜 , 与有毒金属生成 的配合物容易排出体外等。 常见的几种重要的金属中毒解毒剂： Lewis气 (Cl-CH=CH-AsCl2)是 一种气体有机砷化合物 , 能引起人的 肺及皮肤发生溃烂 , 在第二次世界大 战中被纳粹用作化学武器 , BAL可 以有效地解除其毒性 , 此外 , BAL还 可以解除 Hg, Au, Tl, Al中毒 , 但对 Pb 的效果较差 , BAL有较好的水溶性和 脂溶性 , 但选择性较差 。 (a) 2,3-二巯基丙醇 (BAL, 不列巅抗 Lewis毒气剂 ) (b) 二巯基丁二酸钠 与 BAL相似 , 二巯基丁二酸钠 也能与体内蛋白质和酶分子上的 巯基竞争夺取重金属离子 , 从而发 挥解毒作用 , 它对酒石酸锑钾的解 毒效力是 BAL的 10倍 , 而毒性仅为 BAL的 3.5%, 临床上用于治疗 Sb, Pb, Hg, As 的中毒和预防 Cd, Co和 Ni中毒 。 D-青酶胺是青霉素水解生成的水溶性物质 , 其结构是在半 胱氨酸上附加两个甲基 , D-青酶胺和 N-乙酰 -D-青酶胺分子中 也含有形成螯合物的供体 S, N, O, 能牢固地螯合 Cu2+, Cr3+, Au+, Pb2+, Hg2+等重金属离子 , 形成稳定而可溶性的配合物 , 由 尿排出 。 青酶胺能排除人体中过量的铜 , 是治疗 Wilson病的有 效药物 。 (c) D-青酶胺和 N-乙酰 -D-青酶胺 能和 Be2+形成稳定的配合物 , 是治疗铍中毒的有 效解毒剂 , 水杨酰胺 (SAM)也具有同样的作用 。 (d) 金精三羧酸 (ATA) (e) 氨羧螯合剂 以 EDTA为代表的氨羧螯合剂是成员最多的解毒剂系 列 , 包括有乙二胺四乙酸 (EDTA), 环己烷二胺四乙酸 (CDTA), 二乙三胺五乙酸 (DTPA), 三乙四胺六乙酸 (TTHA), 双乙氨基硫醚四乙酸 (BADS)等 , 均用于治疗重金属中毒 , 氨 羧螯合剂因对多种金属离子具有强的螯合能力而著称 , 但这 同时也带来了副作用 , 长期使用会导致人体内必须的金属离 子的正常浓度的下降 , 影响诸多金属酶的活性 , 引起严重的 后果 。 第三节 无机材料仿生合成 3.1 仿生合成的发展及定义 3.2 仿生合成的技术原理 3.3 仿生合成示例 3.1 仿生合成的发展及定义 l 仿生合成的发展及现状 l 仿生合成的定义 l 仿生合成材料 第三节 无机材料仿生合成 3.1.1 仿生合成的发展及现状 3.1 仿生合成的发展及定义 l 早在几百万年前 ,自然界就已经形成了结构高度有序的 无机 -有机复合材料 ,例如牙床、骨骼、贝壳等。 l 20世纪中期，仿生合成的概念才被提出。 l 在当代，随着研究的深入 ,仿生合成的概念被应用于更 多的领域 ,仿生合成在开辟合成新型材料的途径方面的 前景不可限量。 第三节 无机材料仿生合成 3.1.2 仿生合成的定义 3.1 仿生合成的发展及定义 仿生合成 (biomimetic synthesis) 也称：有机模板法 (organic template approach) 模板合成 (template synthesis) 将 生物矿化 的机理引入无机材料合成 ， 以有机物 的组装体为模板 ， 去控制无机物的形成 ， 制备具有独 特显微结构特点的无机材料 ， 使材料具有优异的物理 和化学性能 。 第三节 无机材料仿生合成 3.1 仿生合成的发展及定义 生物矿化 生物矿化是指在生物体内形成矿物质（生物矿物） 的过程。 3.1.2 仿生合成的定义 第三节 无机材料仿生合成 3.1 仿生合成的发展及定义 生物矿化的特征 生物矿化区别于一般矿化的显著特征是它通过有机 大分子和无机物离子在界面处的相互作用从分子水平控 制无机矿物相的析出，从而使生物矿物具有特殊的多级 结构和组装方式。 生物矿化中，由细胞分泌的自组装的有机物对无机 物的形成起模板作用，使无机矿物具有一定的形状、尺 寸、取向和结构。 3.1.2 仿生合成的定义 第三节 无机材料仿生合成 生物矿化的基本阶段 l 有机大分子预组织 l 界面分子识别 l 生长调制 l 细胞加工 3.1.2 仿生合成的定义 3.1 仿生合成的发展及定义 第三节 无机材料仿生合成 3.1 仿生合成的发展及定义 (1) 有机大分子预组织 在矿物沉积前构造一个有组织的反应环境，该环 境决定了无机物成核的位臵。但在实际生物体内矿化 中有机基质是处于动态的。 3.1.2 仿生合成的定义 第三节 无机材料仿生合成 3.1 仿生合成的发展及定义 3.1.2 仿生合成的定义 (2) 界面分子识别 在已形成的有机大分子组装体的控制下，无机物从 溶液中在有机 /无机界面处成核。分子识别表现为有机大 分子在界面处通过晶格几何特征、静电势相互作用、极 性、立体化学因素、空间对称性和基质形貌等方面影响 和控制无机物成核的部位、结晶物质的选择、晶型、取 向及形貌。 第三节 无机材料仿生合成 3.1 仿生合成的发展及定义 3.1.2 仿生合成的定义 (3) 生长调制 无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元，同 时形态、大小、取向和结构受到有机分子组装体的 控制。 第三节 无机材料仿生合成 3.1 仿生合成的发展及定义 3.1.2 仿生合成的定义 (4) 细胞加工 在细胞参与下亚单元组装成高级的结构。 该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差 别的主要原因。 第三节 无机材料仿生合成 3.1.3 仿生合成材料 3.1 仿生合成的发展及定义 利用生物矿化或其他方法制备的类似生物矿物结 构的 ， 具有特殊的物理 、 化学性能的新型材料 。 微米级仿生合成材料极好的隔热隔声材料 ; 纳米级精细孔结构的分子筛 ,可以根据粒子大小对细颗粒进 行准确的分类 ,如筛选细菌与病毒 ; 仿生合成的磷灰石材料具有新骨组织构架 ,有望用于骨移植 手术中。 第三节 无机材料仿生合成 3.2 仿生合成的技术原理 有机物的 自组装体 在相界面反应 面发生化学 形成无机有机 复合体 去除有机 物 模板 特定形状及组 织的无机材料 模仿无机物在有 机物调制下的形 成机理 第三节 无机材料仿生合成 先形成有机物的自组装体，无机先驱物在自组装聚集体与 溶液相的界面处发生化学反应，在自组装体的模板作用下，形 成无机 /有机复合体，将有机物模板去除后即得到有组织的具有 一定形状的无机材料。 3.2 仿生合成的技术原理 模板 在仿生合成技术中起到举足轻重的地位，模板的千变 万化，是制备结构、性能迥异的无机材料的前提。 目前用作模板的物质主要是表面活性剂 ,因为它们在溶 液中可以形成胶束、微乳、液晶和囊泡等自组装体。 第三节 无机材料仿生合成 3.3 仿生合成示例 l 纳米材料的仿生合成 l 薄膜和涂层的仿生合成 l 多孔材料的仿生合成 l 类生物矿物结构的无机仿生材料的合成 第三节 无机材料仿生合成 3.3 仿生合成示例 3.3.1 纳米材料的仿生合成 利用表面活性剂在溶液 中形成反相胶束、微乳 或囊泡（这相当于生物 矿化中有机大分子的预 组织）。 其内部的纳米级水 相区域限制了无机 物成核的位置和空 间（相当于纳米尺 寸的反应器）。 目前已合成了半导体、催化 剂和磁性材料的纳米粒子 ,如 CdS、 ZnS、 Pt、 Co、 Al2O3和 Fe3O4等。 在此反应器中发生 化学反应即可合成 出纳米微粒。 第三节 无机材料仿生合成 3.3 仿生合成示例 3.3.1 纳米材料的仿生合成 反胶束法合成一维无机纳米结构及其有序超结构 混合反胶束介质中合成的羽毛状 BaWO4纳米线超结构 第三节 无机材料仿生合成 3.3 仿生合成示例 3.3.1 纳米材料的仿生合成 反胶束法合成一维无机纳米结构及其有序超结构 混合反胶束介质中合成的树状 BaCrO4纳米带超结构 第三节 无机材料仿生合成 3.3 仿生合成示例 3.3.2 薄膜和涂层的仿生合成 使基片表面带上功能性基团 （ 表面功能化 ） ， 然后 浸入过饱和溶液 ， 无机物在功能化表面上发生异相成核 生长 ， 从而形成薄膜或涂层 。 仿生合成可以制备一定图案的膜和涂层。在基质表 面沉积惰性的有机分子层 ,将该有机分子层用离子或电子 刻蚀成一定图案，然后将刻蚀的区域表面功能化，使无 机物从溶液中析出时仅在刻蚀区域沉积。 第三节 无机材料仿生合成 3.3 仿生合成示例 3.3.2 薄膜和涂层的仿生合成 带活性头基 X的三氯硅烷在具有表面羟基的玻璃片上的自组装单层 第三节 无机材料仿生合成 3.3 仿生合成示例 3.3.2 薄膜和涂层的仿生合成 l 可以在低温下以低的成本获得材料 l 不用后续热处理就可能获得致密的晶态膜 l 能够制备厚度均匀、形态复杂和多孔的膜 l 基体不受限制，包括塑料和其它温度敏感材料 l 微观结构易于控制 l 可以直接制备一定图案的膜 仿生合成薄膜和涂层的优点 第三节 无机材料仿生合成 3.3 仿生合成示例 3.3.3 多孔材料的仿生合成 多孔材料仿生合成的机理 第三节 无机材料仿生合成 3.3 仿生合成示例 3.3.3 多孔材料的仿生合成 聚合物 -表面活性剂混合胶束模板法合成的空壳球状 CaCO3粒子 第三节 无机材料仿生合成 3.3 仿生合成示例 3.3.3 多孔材料的仿生合成 鸡蛋壳膜模板法合成的具有多级结构的 TiO2大孔网状材料 第三节 无机材料仿生合成 3.3 仿生合成示例 3.3.3 多孔材料的仿生合成 l 孔尺寸可调 l 可以在低温下一步合成材料 l 可以制备一定形状的多孔材料 仿生合成多孔材料的优点 第三节 无机材料仿生合成 3.3 仿生合成示例 3.3.4 类生物矿物结构的无机仿生材料的合成 磷酸钙骨泥（ Calcium phosphate cement， CPC） 又称自固化磷酸钙。 l 20世纪 80年代中期， Brown和 Chow首先发现了水化磷 酸钙骨水泥，从而为磷酸钙在骨缺损方面的应用开辟 了新的途径 l CPC在 1991年获得美国食品与药物管理局批准用于临 床 第三节 无机材料仿生合成 3.3 仿生合成示例 3.3.4 类生物矿物结构的无机仿生材料的合成 CPC是由固相和液相两种原料以一定的比例调成糊 状后植入体内，在体内环境下自行固化的骨水泥。 化学成份 l 固相主要由各种磷酸钙盐组成，如磷酸四钙，磷酸三 钙，磷酸二氢钙，无水磷酸氢钙等至少两种，一种偏 酸性，一种偏碱性。 l 液相可以使蒸馏水，稀酸，血清，血液等 第三节 无机材料仿生合成 第四节 生物固氮 生物固氮： 在常温常压的温和条件下实现 N2 到 NH3的转化 生物固氮的机理很复杂 ， 但最重要的原因是因 为固氮酶的存在 。 固氮 由游离 N转化为硝态氮或氨态氮的过程 第四节 生物固氮 4.1 固氮酶及其机理模型 4.2 化学模拟生物固氮 第四节 生物固氮 4.1 固氮酶及其机理模型 1. 固氮酶 固氮酶含有两种非血红素铁硫蛋白： 钼铁蛋白： M=220000 270000， 约含 1200个氨基酸残基 ， 每分子中含有 2个 Mo, 24 32个 Fe, 以及同数量的 S, 功能是结合底物 N2, 是固氮酶的主体 。 铁蛋白： M=55000 70000， 273个氨基酸残基 ， 每分子中含有 4个铁 ， 4个硫 ， 不与 N2直接作用 ， 起激活传递电子的作用 ， 对氧很敏感 。 两种酶单独存在时，均无活性，两者等摩尔比结合时活性最佳 2. 固氮酶作用机理 ATP：三磷酸腺苷 ADP：二磷酸腺苷 只有在 Mg( ) 的作用下 , ATP才能和铁蛋白结合 . 3. 钼铁蛋白催化 N2还原的机理 1973年，卢嘉锡等从结构化学和过渡金属原子簇的角度，提出了 网兜结构模型 H型网兜结构模型 F 型福州模型 N2在网兜上的配位方式 N2采取投网方式与之结合， N2 进入网中，和底部的铁以端梢方式 配位，同时与网口的两个铁，一个钼以侧基方式结合。 N2分子被 垫底原子的作用力顶住， N2分子的三键有 1/3伸入兜口， 2/3 仍然 留在兜口外。底部的铁与 N2作用，可拉长 N2。网口的三个金属原 子提供电子，与周围的 H3O+一起，可实现加氢还原。 4. 固氮酶活性中心模型 第四节 生物固氮 4.2 化学模拟生物固氮 1. 水溶液中的固氮 固氮酶催化 N2, N3-, N2O, C2H2, RCN和 RNC等许多底物的还原反 应是在水溶液中进行的 。 Schrauzer等用 Na2Mo2O4(cys)2作催化剂 ， NaBH4还原剂 ， 在常 温常压在水溶液中开展了一系列固氮酶的模拟实验 ， 发现 Mo-cys 体系能催化所有已知底物的反应 , 其催化效率可在加入人工合成 的 Fe4S4(SR)44-(R= n-C3H7)后得到提高 ， 加入 ATP也可提高活性 。 Mo-cys几乎再现了固氮酶的全部催化功能 ， 再现了固氮酶中原 子簇 Fe4S4 的电子传递功能 ， 但其催化活性很低 ， 氨产量仅为 0.007mol /Mo原子 。 除此之外， MoO(CN)4(H2O)2- 也具有催化性能，它的催化效率 比 Mo2O4(cys)22-有显著提高，氨产率为 0.29mol/Mo原子。 Cys 半胱胺酸 2. 有机溶剂中的固氮体系 1965年 ， 加拿大科学家 Allen等在用水合肼还原 RuCl3时 ， 意外得 到了一种双氮配合物 Ru(N2)(NH3)5Cl2。 双氮配合物的出现 ， 引 起了人们很大的兴趣 ， 人们期望通过氮分子与过渡金属的配位 ， 削弱氮分子中的三键 ， 活化 N2分子 ， 有利于将氮还原成氨 ， 以达 到固氮的目的 。 但是目前所得到的双氮配合物中很少能还原得到 氨或联氨的稳定的过渡金属双氮配合物 1975年合成的顺 M(N2)2(PMe2Ph)4和反 M(N2)2(PMe2Ph)4 (M=Mo或 W)等的氨产率较高。在 20C 无氧的条件下，用硫酸在 甲醇溶液中，处理顺 M(N2)2(PMe2Ph)4可产生氨。 当 M=Mo或 W时，氨的产量及其它产物均不相同，当 M=W时， 氨的产率接近 90，产量为 1.86mol W原子，其它的主要产物为 W( )的氧化物，当 M=Mo时，氨的产率较低，接近 30 , 产量为 0.64mol/Mo原子，而其它的产物的组成尚不清楚。 日本科学家用铁 ， 钼 ， 钛和钴等过渡金属原子取代酞菁分子中 与两个氮原子相连的氢原子 ， 得到电子授受体配合物催化剂 在此配合物的表面上，氮气和氢气能在比较温和的条件下产生 氨，后来又发现活性碳三氯化钌钾体系在常压 290 C的条 件下合成氨的效率比相同工业条件下的催化剂提高了将近 10倍。 MPc的结构 (M=Fe, Mo, Ti, Co)等