(理学)生物无机化学

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1、生物无机化学6稀土生物无机化学1概述2必需元素与有毒元素3金属酶4IA及IIA金属的生物无机化学5副族元素的生物学效应引言河南林县、四川盐亭、山西太行山的部分地区，食道管肿瘤发病率较高，研究发现是由于缺乏化学元素钼（Mo）所致。黑龙江克山县部分地区，以心肌损害为主要病变的地方性心脏病发病率较高，研究发现是由于缺乏化学元素硒（Se）所致。在某些内陆的边远山区，过去常见一种发病率较高的地方病甲状腺肿大，研究发现是由于缺乏化学元素碘（I）所致。六十年代，在伊朗以谷物为主食的居民中发现了“侏儒症”病例，进一步的研究证明是由于化学元素锌（Zn）缺乏所致。日本神通川地区曾经有一种以骨痛为特征

2、的疾病，被当地人称为“痛痛病”。调查发现是由于该地区水体中化学元素镉（Cd）的浓度严重超标所致。日本部分地区曾经还有一种“水俣(yu)病”，主要表现为手足麻木、听觉障碍、震颤及其情绪失常。研究发现是由于化学元素汞（Hg）中毒所造成的。20世纪50年代以来，痕量分析等新技术的出现，使人们认识到生命过程与无机化学也密切相关，打破了早期认为与生命化学都是有机化学的观点。20世纪70年代初开始形成了由无机化学和生物化学交叉、渗透而产生的生物无机化学(bioinorganicchemistry)。标志之一是1970年成立了国际生物无机化学协会并召开了国际生物无机化学研讨会。在1971年又出

3、版了名为“BioinorganicChemistry”的学术刊物(1979年被更名为现在的“JournalofInorganicBiochemistry”杂志)。1概述1.1生物无机化学的主要研究内容：生物体内物质及相关化合物与各种无机元素，尤其是微量金属离子之间的相互作用；生物体内金属离子及其金属酶、金属蛋白的结构、功能以及模拟研究；无机元素在生物体内的循环、环境污染、含金属药物等对生物体、生命生理过程的影响等。1.2生物无机化学的主要研究方法：用各种物理化学方法直接研究生物体系中金属酶和金属蛋白等含金属物种的结构、功能及其作用机理；用模拟的方法来研究重要生物过程和生物大分子配

4、合物的结构以及结构与功能之间的关系。包括活性中心的结构模拟、功能模拟以及利用基因突变等方法对原型化合物进行局部修改，从而观测修改对其结构、功能的影响等。2必需元素与有毒元素2.1必需元素(essentialelements)生物必需元素或生命元素，是维持生物体生存所必需的元素,缺少会导致严重病态或者死亡。生物必需元素的种类和个数随着研究的深入和发展而不断变化，例如Ni、As等以前认为不是生物必需元素的元素后来被证实为生物必需元素。必需元素需同时具备以下四个条件:(i)元素在不同的生物组织内均有一定的浓度；(ii)去除后会使生物有相同(似)的生理上的异常;(iii)恢复后可以消除或

5、预防这些异常;(iv)元素有专门生物化学上的功能。2.2生物必需元素的分类按元素在生物体中的含量可分为:宏量结构元素(bulk)：构成氨基酸、蛋白质、核酸、多糖、脂质等化合物的C、H、O、N、P、S;宏量矿物素(macrominerals):主要有Na、K、Ca、Mg等元素;微量金属元素(tracemetal):Fe、Zn、Cu等;超微量元素(ultratrace)：Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Cd、Sn、Pb、Li及I、F、Se、Si、As、B等。生物无机化学研究中涉及的主要是微量和超微量金属元素。2.3生物体选择特定元素的基本规律：丰度规则：又称海生学说。根据生命起源于

6、海洋的假说,在生物进化早期,当生物体可以从能够完成同样功能的几种元素中选取一种元素时,生物体选择了海洋中丰度较大的一种。这一假说认为生物体选择某一元素作为生物必需元素是与当时生物体所处的环境有关。有效规则：当有几种元素(或化合物)可供选择时,生物体一般从中选取最为有效的一种元素作为自身的必需元素。基本适应规则:这一规则认为被选择的元素在热力学上必须具备完成某种功能的能力。有效性和特异性规则:作为生物必需元素的金属离子还必须具备在酶或蛋白的特定结构中完成特定功能的能力。研究证实生物体系中金属酶、金属蛋白都具有特定的结构和功能,尤其是其活性中心的结构一般具有特定的扭曲畸变,而不同于简

7、单配合物中金属离子周围的结构,而且正是因为这种特殊的扭曲畸变结构保证了金属酶和金属蛋白的特异性。2.4有毒元素(toxicelements)有毒元素又称有害元素，是指那些存在于生物体内会影响正常的代谢、生命和生理过程的元素。目前已知的明显有害的元素有Cd、Hg、Pb、Tl、As、Sb、Be、Ba、In、Te、Se、V、Cr、Nb等，其中Cd、Hg、Pb、As等为剧毒元素。无论是必需元素还是有毒元素，在生物体内的量是决定是否对生物体有益的关键因素,太少可能引起某些疾病和不正常，导致