2004全国化学竞赛预测-生物无机

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第七章 生物无机化学,70,概论,-,什么是生物无机化学,?,生物无机化学,主要研究,无机元素,（尤其是金属离子）在生命体中的存在形态，主要功能，代谢过程，某些天然配体，重要的金属酶及金属蛋白等生命物质的性质、结构和生物功能。,例如研究,Na,+,K,+, Cl,-,离子在细胞内外的灵巧的电解质平衡作用。,钙对骨骼的重要性；碘缺乏引起的甲状腺功能紊乱；,DDT,对于鸟类和其他动物的毒害作用等。,1,7-1 生命必需元素,1.,对生命必需的元素,一般认为对于活的生命体，有,26,种元素是至关重要的，它们是,10,种痕量金属,:,Fe, Cu, Mn, Zn, Co, Mo, Cr, Sn, V, Ni,4,种宏量金属元素,:,K, Na, Ca, Mg,12,种非金属元素,:,C, H, N, O, P, S, Cl, I, B, F, Si, Se,仍有争议的元素,:,Li, Br, As, Pb, Cd,2,一个65公斤重的成年人体中无机元素的含量,-,无机物,含量,(g),主要来源,每日需求量,(g),形态和功能,-,水,35000-,饮水, 1200,溶剂， 细胞液，传输介质,40000,固体食物,900,反应物,电介质,冷却剂,-,宏量元素,(,每日需求量,100 mg),Na 100,食盐,1.1-3.3,调节渗透压，膜电位,无机,物代谢,K 150,蔬菜,水果, 1.9-5.6,膜电位，无机物代谢,l,谷物,Ca 1300,牛奶,奶制品,0.8,骨骼形成，凝血，信息分子,Mg 20,绿色蔬菜,0.35,骨骼形成,酶的辅因子,3,无几元素,含量,(g),主要来源,每日需求量,(g),形态与功能,Cl 100,食盐,1.7-5.1,无机物代谢,P 650,肉类,牛奶,骨骼形成，能量代谢，,谷物,蔬菜,0.8,核酸代谢,S 200,含,S-,氨基酸,类脂物和碳水化合物,(,半胱氨酸和 0.2,甲硫氨酸,),微量元素,(,痕量元素,) (mg),Fe 4-5,肉类，肝，蛋，谷物, 10 （mg,以下同）,血红蛋白，肌红蛋白,蔬菜,马铃薯,细胞色素，,Fe/S,原子簇,Zn 2-3,肉类，肝，谷物, 15,锌酶,Mn 0.02,多种食品中,2-5,酶,Cu 0.1-0.2,肉类，蔬菜，,水果,鱼,2-3,氧化酶,4,微量元素,(,痕量元素,) (mg),Co 0.01,肉类,痕量,维生素,B,12,Cr 0.01 0.05-0.2,尚不清楚,Mo 0.02,谷物，硬果，豆荚, 0.15-0.5,氧化还原酶,Se,蔬菜,肉类,0.05-0.2,硒酶,I 0.03,海鲜，加碘盐,饮水,0.15,甲状腺素,F,加氟饮用水,茶,牛奶 0.0015-0.004 骨骼，牙釉质,有机元素,(C,H,O,N),占总量的,96%,，,宏量元素,(Na, K, Ca, Mg, Cl, P, S),占,4%,所有其余痕量元素仅占,0.01%,.,生命必需元素主要分布于周期表的第,14,周期中,，,只有,Mo, Sn, I,位于第,5,周期中,.,5,2.,生命体系中金属离子的功能,1).,金属蛋白质,金属蛋白质包括,金属酶,和,金属蛋白,。金属酶即生命体系中的,生物催化剂,，例如碳酸酐酶，固氮酶，超氧化物歧化酶,;,金属蛋白包括传输蛋白和储存蛋白，例如氧载体：血红蛋白和肌红蛋白；电子载体,:,细胞色素；金属贮运蛋白,:,铁蛋白和运铁蛋白。,2).,作为结构材料和光氧化还原催化剂的非蛋白质，例如生物结构材料,(,Ca, Si,),和叶绿素,(,Mg,).,6,金属生物分子,光氧还体,（羧肽酶）,蛋白质,非蛋白质,（叶绿素）,生命结构材料,（羟基磷灰石）,金属蛋白,金属酶,金属酶,金属激活酶,（镁离子,激酶）,调节蛋白（锌指类蛋白）,小分子载体蛋白,（血红蛋白）（肌红蛋白）,金属贮运蛋白,（铁蛋白）（运铁蛋白）,电子载体蛋白（细胞色素蛋白）,7,72 宏量金属离子,K,+, Na,+, Ca,2+, Mg,2+,Na,+,和,Ca,2+,离子主要集中在,细胞外,的体液中,;,而,K,+,和,Mg,2+,离子主要集中在,细胞内部,.,1.,Na,+,和,K,+,在大多数动物细胞内部，,K,+,的浓度大约为,0.15 M ，,而,Na,+,离子的浓度大约为,0.01 M.,在细胞外的体液中,Na,+,离子的浓度大约为,0.15M，,而,K,+,离子的浓度小于,0.004M.,维持如此大的一个,浓度梯度,需要“,离子泵,”的作用。在“,离子泵,” 机制中，离子,转移的,能量由,ATP,的水解提供,.,8,membrane,Inside outside,high,K,+,high,Na,+,low,Na,+,low,K,+,Ion pump,60100,mV,inside,outside,High,K,+,Low,Na,+,membrane,diffusion,high,Na,+,Low,K,+,9,ATP,的水解为离子的传输提供能量,：,K,+,-P + ATP PP + ADP + K,+,细胞内,PP + Na,+,NaPP,NaPP + ADP P + ATP + Na,+,细胞外,在某些细胞中，每个,ATP,分子水解时从细胞内搬运出,3,个,Na,+,；,同时搬运,2,个,K,+,(H,+,),进细胞内,。,葡萄糖代谢，蛋白质合成和某些酶的活化都需要,K,+,离子。,葡萄糖和氨基酸转运入细胞内与,Na,+,的传输过程是互相耦合的，浓度梯度大有利于这种耦合。,10,2.,Ca,2+,和,Mg,2+,Ca,2+,在细胞内的浓度,(10,-5,M),小于细胞外,(10,-3,M).,它也是通过离子泵机制传输到细胞外的,。,Ca,2+,的功能主要作为,结构生物材料,，例如在骨骼和牙釉质中都是以羟基磷灰石,Ca,10,(PO,4,),6,(OH),2,的形式存在,。,Ca,2+,还有其他许多生物功能，如作为荷尔蒙作用的,信使,，肌肉收缩的,触发器,，,血凝的引发剂,，蛋白质结构的,稳定剂,。这是由于正二价的,Ca,2+,离子,影响蛋白质的折叠，借以改变蛋白质的结构和功能。,11,且由于,Ca,2+,的活性提供了快速的结构变化。,生命体系中的一个最重要的氧化还原反应要算下述,光合成反应,（,光合作用,）,：,n H,2,O,+ nCO,2,(CH,2,O),n,+ nO,2,光合过程是生命的基础,，在光合作用中存在两个光化学反应中心，即“光体系,I”,和“光体系,II” (PSI,和,PSII).,前者为厌氧菌所利用，后者为所有的绿色植物和藻类所利用。,太阳光,叶绿素,a,1,碳水化合物,12,光合过程所需的能量通过镁大环,叶绿素,a,1,（,一个镁二氢卟啉络合物）从,太阳光吸收。,叶绿素,a,1,13,叶绿素,a,1,吸收光能，,PSII,利用此光能生产,O,2,.,7-3,生命体中某些重要的痕量过渡金属元素,1.,Zn,人体中锌的含量在,1.42.3 g.,现已在生命体中发现,200,多种含,Zn,2+,金属酶. 在人体中确认有,18,种锌酶和,14,种锌离子激活酶,.,a).,碳酸酐酶,碳酸酐酶的分子量达到,30000 D,（,道尔顿,）.,它由,259,个氨基酸残基组成。每个碳酸酐酶分子仅含有,一个,锌离子,。,14,该锌离子结合,3,个组氨酸残基,，,第四个,配位位置开放给水分子和羟基阴离子,.,碳酸酐酶的活性中心,15,在碳酸酐酶中，,Zn,2,处于四配位的环境中，其中,3,个配位原子为,3,个组氨酸的咪唑氮原子，第四个配位原子为水分子或羟基阴离子的氧原子。,碳酸酐酶的作用就是催化下述重要的,CO,2,的,水化脱水平衡:,CO,2,(aq) + H,2,O(l), H,2,CO,3,(aq),16,17,b).,羧肽酶,羧肽酶,是另一种重要的含锌酶系，它们的功能是催化蛋白质中,肽键的水解,过程：,H O H H,-,O,2,CCNHCC NH,-,O,2,CCNH,R R,R,H,+,-,O,2,CCNH,R,H,2,O,enzyme,18,该酶系中一个研究得较充分的例子是牛羧肽酶。它是一个含有,307,个残基的蛋肽链结合与一个,Zn,2+,的金属酶，分子量大,34300,D,.,Zn,2+,处于四面体配位环境中，结合,2,个组氨酸的,N,原子，一个谷氨酸的,O,原子，而第四个配位位置为水占据。,2.,Fe,人体中，,Fe,是,最丰富的过渡金属,，含量,4.26.1 g,在哺乳动物中，大约,70%,的,Fe,以,卟啉配合物或血红素,的形式存在。例如血红蛋白、肌红蛋白、过氧化氢酶、细胞色素,c,及色氨酸双加氧酶,等。,19,卟啉的骨架结构是卟吩。卟吩的所有衍生物总称为卟啉。而它们的金属衍生物称作金属卟啉。,1).,血红蛋白,Hb,与肌红蛋白,Mb,- O,2,的传输与贮存,Hb,和,Mb,的功能,血红蛋白是我们最熟悉，分布最广的氧载体。它存在于红血细胞中，,脊椎动物利用血红蛋白将氧气从肺或腮运送到各种机体组织中去,，在那儿，,O,2,被用于生物氧化过程，并最后还原成,CO,2,。,脊椎动物也利用,氧贮存蛋白肌红蛋白，肌红蛋白对肌肉组织提供氧气以维持肌肉活力。,20,21,Hb,和,Mb,的结构,血红蛋白,(M,r,=64500 D),由,4,个蛋白质亚单元,构成，每个亚单元含有,一个,Fe(II),原卟啉配合物（血红素）。,其中两个亚单元具有相同的氨基酸序列，形成,-,链,.,另外两个亚单元,形成,-,链,;,就是靠着血红素的这,4,个亚单元结构，发挥其重要的生物功能。,肌红蛋白,(M,r,=17000 D),由一条,单一多肽链,(,珠蛋白)和一个,Fe(II),原卟啉配合物（血红素）,构成,.,去氧肌红蛋白的结构如下页所示。注意其卟啉活性中心被多肽链所缠绕，藏于这个疏水“袋”。,22,O,2,-,结合模式,Fe(II)-,原卟啉配合物中，,Fe(II),结合,O,2,的方式经实验确定为 如下的,弯曲方式,：,O,Fe(II)O,去氧,-Hb,是,Fe,的一种五配位的高自旋配合物，其中四个位置为卟啉环的,4,个,N,原子所占据，第五个位置为组氨酸的咪唑配体的,N,原子占据。通过它将血红素与蛋白质相连（见下页图）。,23,24,25,26,Fe(II),的那样一个五配位的血红素络合物总是,高自旋的,。高自旋,t e,Fe(II),离子半径稍大于卟啉环的中央孔腔，所以它高出卟啉环平面,约,.,高自旋,Fe(II),卟啉配合物包裹在血红蛋白和肌红蛋白中，从而引起卟啉大环的皱褶和卷曲，然而,低自旋,的,Fe(II),离子，半径较小，故容易进入环中,.,当,O,2,参与配位时，变为六配位，该配合物便转变为低自旋的,(,t,Fe(II),)，,Fe(II),离子稍有缩小，因而能进入环平面。,27,28,多肽链在血红蛋白和肌红蛋白中起了很重要的作用，如果是裸露的“血红素”，即没有多肽链伴随的,Fe-,卟啉配合物容易被,O,2,不可逆地氧化成,Fe(III),最后生成稳定的,-O,2-,产物，该产物便不再能携带,O,2,。,然而在血红蛋白和肌红蛋白中，多肽链围绕并保护着血红素，使它不被,O,2,氧化。故能抗御,-O,二聚体的形成，就是说，多肽链通过其带非极性侧基的氨基酸残基盘绕着血红素基团，形成一个围绕血红素的“,尖桩篱笆,”圈，有效地防止了,Fe-O-Fe,桥联物种的形成。因而能维护血红蛋白可逆地络合,O,2,。 （,见下页）,29,30,合作效应,血红蛋白与肌红蛋白在传输,O,2,的过程中表现出一种所谓“,合作效应,”，即血红蛋白在高氧气分压下（肺组织中）结合,O,2,几乎无损耗地通过血液释放给肌肉组织中的肌红蛋白。而肌红蛋白即使是在低氧压、低,pH,值（积累较多的,CO,2,和乳酸的肌肉组织）下也能有效地结合,O,2,.,血红蛋白与肌红蛋白在结合,O,2,的能力上的这一差别，,有利于,O,2,气由血红蛋白向肌红蛋白传输。,（见下页图）。,31,32,3.,Co,-,辅酶,B,12,唯一已知含钴生物分子是辅酶,B,12,该辅酶含有一个,Co,原子,，,Co,原子周围的配为环境包括一个类似与卟啉环的,咕啉环,，该咕啉环在钴的赤道平面上提供,4,个,N,配位原子，第五个配位位置也含有一个共轭的,N,配位原子，第六个位置被一个腺苷配位体的,C,原子占据。这一,Co-C,键使该辅酶,B,12,成为生物体中极罕见的,金属有机化合物,的一个例子（见下页图）。,33,34,与辅酶,B,12,密切相关的维生素,B,12,中,，,一个,CN,-,基取代了腺苷配位体。维生素,B,12,是,1929,年从肝的提取物中得到的，后来发现，如果人体缺乏维生素,B,12,或辅酶,B,12,将导致,恶性贫血症,.,辅酶,B,12,是一个多功能的酶，它的钴原子可从,Co(III),还原到,Co（II）,和,Co(I)，,它容易发生甲基化反应，生成甲硫氨酸合成酶，甲硫氨酸合成酶是一个甲基化试剂，例如它能催化重金属离子在水溶液中的甲基化反应，生成毒性很高的物质如,Hg(CH,3,),2,和,Pb(CH,3,),4,等。,35,4.,Cu,1).,血蓝蛋白,-,氧载体,血蓝蛋白是,第二种类型的氧载体,，,(,见下图,),36,血蓝蛋白存在于,蜗牛（软体动物）和 螃蟹,（节足动物）中。,O,2,结合部位含有两个,Cu,+,离子，直接与蛋白质相连。氧合血蓝蛋白具有特征的深蓝色。,2).,超氧化物歧化酶,（,Superoxide dismutase SOD),SOD,是由,McCord,和,Fridovich,在,1968,年,铜和锌的金属酶,。晶体结构测定显示,，,Cu,2+,和,Zn,2+,离子配位于一个组氨酸残基的同一个咪唑环上。（见下页图,）,37,38,据研究超氧离子,O,2,-,或由它产生的某些其他产物,(,如,OH),对细胞是有毒害的。而,SOD,能有效地催化超氧离子的歧化反应,，使其转化为过氧化氢和氧气,:,2,O,2,-,+ 2H,+,H,2,O,2,+ O,2,由牛肝中分离得到的超氧化物歧化酶，对人体组织的,消腫、消炎,特别有效。并发现在,治疗骨关节炎症,有价值，并且是一种很有价值的,抗衰老剂,。,生物化学研究表明蛋白质中的靠近铜原子的精氨酸残基在酶的催化过程中起了很重要的作用。,39,5.,Mo,-,固氮酶,自然界进化出一种完全不同的、,不需要高温、高压的、更加精巧的合成氨的路线,，即自然界利用,ATP,(,腺苷三磷酸,)作为,还原剂，依据下面的半反应（还原反应）来合成,NH,3,:,N,2,+ 16 MgATP + 8e,-,+ 8H,+,2NH,3,+ 16 MgADP + 16P,i,+ H,2,该过程的特征，也是最诱人的地方是它可以在常温、常压的温和条件下进行。这一过程就是靠一种叫“,固氮酶,”的生物催化剂的作用。,40,固氮酶广泛存在于与,豆科植物,（苜蓿、紫花苜蓿、大豆、豌豆）共生的,根瘤菌,中，存在于土壤中的,细菌,如克雷白氏杆菌、固氮菌、蓝藻细菌以及赤杨树上生长的,固氮根瘤,中。,固氮酶的固氮作用，要求厌氧条件，非常不稳定，在空气中容易失活。固氮酶的分子量高达,220000,D,，,自然界存在的固氮酶由,两部分,即,钼铁蛋白,（,MoFepr）,和,铁蛋白,（,Fepr）,组成,。,钼铁蛋白的活性中心由两个铁钼辅因子（,FeMoco,）,及两个铁硫簇（,P,簇）组成，铁蛋白的活性中心由两个铁硫簇组成（见下页图,）,固氮机理的细节至今不详，但知道其关键问题是如何去,克服,NN,分子的极大惰性,。知道固氮酶,靠着这两种蛋白的协同作用,，催化还原,41,42,N,2,生成,NH,3,.,铁蛋白是催化还原,N,2,时的电子给与体。,而,铁钼辅因子是底物络合还原的活性部位,。 生物化学家已分离出该催化过程中的含金属辅酶。该领域近年来取得的一个重要突破是获得了辅酶,MoFe,7,S,8,(b),和与之相关的“,P,”,簇合物,（,a）,的晶体，并用,X,-,射线单晶衍射法测定了它们的结构。 “,P,”,簇含有两个,Fe,4,S,4,簇通过,S,原子连接,(,图,. a,).,Mo-Fe-S,簇含有一个开放的部位，,N,2,的还原就发生在这个,Mo-Fe-S,簇上,.,N,2,可能进入它的中心孔腔中并按图,b,中,Y,的方式与铁原子结合，,NN,被削弱，进而发生还原与加氢作用,。,43,44,