03章 物理化学方法

,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,*,第三章 生物无机化学中的,物理化学方法,物理化学方法在生物无机化学中具有举足轻重的作用，它们所提供的一系列重要线索为生物无机化学家绘制一幅完整的生物体系中金属离子的图画奠定了基础。所有的生物无机化学工作者都需要了解如何运用物理化学方法对各种金属生物体系进行分析。,分子的各种运动具有不同的能级，从基态吸收特定能量的电磁波跃迁到高能级，可以得到对应的,波谱,。通过对所得到的谱图进行分析，即可得到分子的结构、组成等有关信息。,（,8,）,红外光谱,（,9,）,拉曼光谱,(10),磁性,生物无机化学研究中的重要仪器方法包括：,（,1,）,X,射线单晶衍射法,（,2,）,X,射线吸收光谱,（,3,）,核磁共振谱,（,4,）,质谱,（,5,）,电子顺磁共振光谱,（,6,）,圆二色性谱,（,7,）,紫外可见光谱,（,11,）电化学分析方法（,12,）毛细管电泳技术,第一节 配位化学基础,第二节,X,射线单晶衍射法,第一节 配位化学基础,生物体系中的金属离子主要以配合物形式存在，因此,配位化学,知识是生物无机化学研究的基础。配合物的组成、类型、结构、性质以及配位场理论等内容不可或缺。,一、配合物的组成和分类：,配合物,内界,外界,中心原子,(,离子,),配体,单齿配体,多齿配体,中心离子,配体,配位原子,配位数,配离子的电荷,螯合效应,简单配合物,螯合物,在生物无机化学中，金属主要采取配位数为,3,6,的几何构型。,二、配合物的几何构型,配合物的几何构型与配合物的,配位数,有关，配位数不同，配合物的几何构型也不同。,配位数 空间构型,2,直线,3,平面三角形,4,四面体、平面正方形,5,三角双锥、四方锥,6,八面体,7,五角双锥,配位数与配合物空间构型的关系,配位数,3,配位数,4,配位数,5,配位数,6,三、配位理论,价键理论,晶体场理论,配位理论,固态是物质的一种聚集态形式，一般可以分为晶态与非晶态两种状态。非晶态物质的分子或原子排列没有明显的规律。而晶态物质中，原子或分子的排列有明显的规律性。晶体,(crystal),是一种原子有规律地重复排列的固体物质。,第二节,X,射线单晶衍射法,1895,年，伦琴发现,X,射线,(X-ray),20,世纪初，德国科学家劳埃开始对晶体进行,研究，提出劳埃方程,1912,年，布拉格提出布拉格方程，测定,NaCl,和,KCl,晶体结构,X,射线衍射方法用于研究生物大分子的结构开始于,20,世纪,60,年代。,1957,年，,M.Perutz,研究组确定了第一个,肌红蛋白,的三维晶体结构，因此获得了,1962,年的诺贝尔化学奖,。,我国的生物大分子晶体学研究几乎同时起步，并于,20,世纪,70,年代初测定了猪胰岛素的空间结构。,当今仪器设计和软件技术的发展日趋完善，,X,射线衍射方法,成为蛋白质、核酸等生物分子空间结构测定中,最为重要,的方法。,X,射线晶体结构测定的精确度取决于数据的质量和分辨率。低分辨率条件下，通常只能分辨出整个分子的形态。在高分辨率条件下，可以完全分辨出,原子的精确位置,。,在晶体结构分析中应用的,X,射线是波长在,0.1 nm,左右的电磁波。由于这一波长与晶体内原子间的距离具有同一数量级，且晶体结构内分子排列的规则性，当,X,射线入射到晶体上时，晶体中的每一个原子都发射出次生的,X,射线，并相互干涉，形成衍射花样。,衍射花样内衍射点的排列方式、点间距离的大小与晶体内生物大分子的排列方式与重复周期大小有关，而衍射点的强度分布与生物大分子结构本身的特点有关。,因此，可以通过分析衍射点的排列方式和测量点间距离的大小来推算分子在晶体结构中的排列方式和重复周期的大小，以及通过测量衍射点的强度来测定分子内每个原子在空间的,坐标,，从而测定整个分子的结构和晶体结构。,蚯蚓血红蛋白的模拟配合物,Cu,生物大分子,X,射线晶体结构的测定工作可以分为几个主要步骤：,培养大的、质量好的,晶体,，进行初步,的,X,射线衍射分析；,衍射,数据,的收集和整理；,相位,的计算；,电子密度图的,计算,和解释以及分子,模型的修正。,要进行,X,射线晶体结构分析，首先要得到具有一定大小和形状的单晶。一般来说，相对分子质量为,5,万左右的蛋白质分子，需要,0.3 mm,3,甚至更大的晶体，才能做高分辨率的结构分析。,生物大分子的结晶过程与小分子一样，是一个有序化过程，即在溶液中处于随机状态的分子转变成有规则排列状态的固体。,生物大分子的结晶比一般小分子化合物的结晶要困难的多，这是因为大分子的相对分子质量很高，几何形状复杂，同时结晶时必须,保持在水合状态,，或者在生理条件下。,蛋白质晶体数据库,（,PDB,）是目前国际上收录生物大分子结构最全、最权威的数据库，对全世界免费开放，该库所收录的生物大分子结构数据绝大部分都是由,X,射线单晶衍射方法测定的。,网址：,http:/,www.rcsb.org,部分可提供晶体学数据的金属蛋白,本章小结：,通过对各种物理化学方法的原理和应用的简单了解，能理解各种物理化学方法在生物分子,结构测定和表征,方面所提供的有用,信息,，理解金属离子在生物体中的存在方式、结构及生物功能的体现。,