生物无机化学

又称无机生物化学和生物配位化学。为生物化学和无机化学间的边缘学科。主要研究生物体内存在的各种元素,尤其是微量金属元素与体内有机配体所形成的配位化合物的组成、结构、形成、转化,以及在一系列重要生命活动中的作用。生物体内存在有钠、钾、钙、镁、铁、铜、钼、锰、钴、锌等十几种元素,它们能与体内存在的糖、脂肪、蛋白质、核酸等大分子配体和氨基酸、多肽、核苷酸、有机酸根、O2、Cl-、HCO婣等小分子配体形成化合物,主要是配位化合物。

生物无机化合物的类型

金属蛋白

为一类含金属元素的蛋白:

(1)含铁蛋白有血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素C等,其中铁除与卟啉结合成血红素基外(见金属卟啉),并与蛋白质链上某一个或两个氨基酸连接。血红蛋白和肌红蛋白分子中的血红素铁只与蛋白质链上一个组氨酸相连,尚有一个空的配位位置,能可逆地结合一个氧分子,具有运载和贮存氧分子的功能。细胞色素C中血红素基的铁原子与蛋白链上两个氨基酸残基相连,无载氧能力,是重要的电子传递体。

(2)蓝铜蛋白是含铜的重要金属蛋白,其中铜仅与蛋白链上的氨基酸残基相结合,形成扭曲的四面体构型,呈显著的蓝色,如血浆蓝铜蛋白和质体蓝素,前者参与调节组织中铜的含量,后者是一系列生物过程中的重要电子传递体。

(3)铁硫蛋白是含铁、 硫原子的天然原子簇金属化合物与蛋白质链上半胱氨酸结合的金属蛋白,如植物型铁氧还蛋白是含Fe2S2原子簇的金属蛋白,其中每个铁原子分别与蛋白质链上两个半胱氨酸相连;细菌铁氧还蛋白含有Fe4S4原子簇,每个铁原子分别与蛋白质链上一个半胱氨酸相连。铁硫蛋白是生物体中重要的电子传递体,如铁氧还蛋白在叶绿体的光合作用和固氮酶的固氮过程中起传递电子的作用。

金属酶

许多金属蛋白能催化体内的化学反应,是生物体中的催化剂。金属原子与蛋白质结合较强的称金属酶,较弱的称金属激活酶。金属酶中金属原子常是活性中心的组成部分,如羧肽酶和碳酸酐酶都是锌酶,前者能催化肽和蛋白质分子羧端氨基酸的水解,后者能催化体内代谢产生的二氧化碳的水合反应。一系列的金属酶还含其他金属离子,许多氧化还原酶含价态可变的铁、铜、钼、钴等过渡金属元素,如固氮酶是含铁、钼原子的酶,由铁蛋白和铁钼蛋白组成,在生物体中能催化氮合成氨的反应。

维生素B12和B12辅酶

维生素B12是钴原子和可啉的配位化合物,钴原子与可啉环中四个氮原子结合,在轴向又与连结于可啉环的一个核苷酸的苯并咪唑基相连,此外还与一个氰根配位。当氰根被另一个腺苷基代替时,即为B12辅酶。B12对机体的正常生长和营养、细胞和红细胞的生成以及神经骨髓系统的功能有重要作用。B12的生理功能均以辅酶形式实现。

叶绿素

具有类似于卟啉环的结构,含有镁原子,其中镁与环的四个氮原子结合。在植物光合作用中,叶绿素能起将光能转变为化学能的作用。

离子载体

为一类能与碱金属碱土金属等元素结合,生成脂溶性配位化合物,从而增大金属离子透过生物膜可能性的物质。离子载体有天然和合成的两种:天然离子载体如缬氨酶素等,能使正常情况下不易通过线粒体内膜的钾离子得以顺利通过;合成的离子载体主要为冠醚,如二苯并18-冠-6为环状多醚,其中央空穴的大小,决定与金属离子配位的选择性。二苯并18-冠-6的碱金属配位化合物的稳定性有以下次序:K+>Na+>Cs+>Li+

研究方法

生物无机化合物的模拟

含金属元素的生物无机化合物的功能常能用较简单的金属配合物或类似物来模拟,此种化合物称模型化合物。模型化合物常具有被模拟体系的结构特点或有一定的有关生物活性。通过模型化合物的研究,常能了解复杂的被模拟体系的结构与其功能间的关系。例如,曾合成一系列篱笆式、帽式、尾巴碱式的血红素,它们并无肽链,但能像血红蛋白、肌红蛋白一样可逆地结合和放出氧分子。通过模型化合物的研究,了解到血红素必须存在于疏水环境中,周围的位阻效应是保证血红蛋白、肌红蛋白可逆结合氧分子的条件,而其中的二价铁必须具有不被氧化成三价的必要结构因素。又如,通过对一系列铜与多肽配位化合物的结构和性质研究,了解到蓝铜蛋白分子中铜原子周围有扭曲的四面体配位,使蓝铜蛋白具有显著的蓝色和高的还原电势。模拟体系与天然体系总有差别,用模拟体系的研究结果来说明天然体系的结构、功能和机理时必须谨慎。

无机离子生物探针

用一些其他的金属元素替代生物无机化合物中的原有金属元素,从而用各种波谱方法来研究和确定体系的结构和作用。所用的金属离子称生物探针。用作探针的金属离子应与原有离子有相近的半径,并能保持原有体系的结构特点和一定的生物活性。例如,用半径与锌相近的钴离子作探针,代替羧肽酶中的锌,从而根据含钴酶的光谱推断羧肽酶中锌的配位环境;用锰离子做探针,根据含锰羧肽酶的核磁共振谱确定了羧肽酶中锌和一水分子或羟基相连。

金属离子的生理功能

在生物体中金属离子尚有许多重要的生理功能。金属离子参与细胞分裂、肌肉收缩、神经脉冲的传递等过程。金属离子对维持细胞壁结构、对脂蛋白膜加固有重要作用;金属离子还直接影响核糖体的结构,从而影响蛋白质的正常合成过程。

体内金属离子的种类及浓度失调,将影响正常的生命活动,如体内缺乏铁、铜、钴会引起贫血;镉离子过量与心血管病的发病有关;硒过量对肌体有毒,但过低能引起病毒诱发癌;先天性铜代谢障碍能引起威尔逊氏病。

为控制体内金属元素的正常含量,常用一些金属螯合剂(见螯合作用)来排除体内过量的金属元素。例如,1、2-二巯基丙醇可排除汞、铅、锑等元素;EDTA(乙二胺四乙酸)可排除多种有害元素及过量金属;青霉胺可治疗威尔逊氏病等等。某些金属配合物具有杀菌、抗病毒和抗癌等生物活性。其中顺式 -二氯二氨合铂对生殖泌尿系统癌有较好疗效,它能抑制癌细胞中DNA(脱氧核糖核酸)的复制。