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生物无机化学 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望引引 言言 河南林县、四川盐亭、山西太行山的部分地河南林县、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（乏化学元素钼（Mo）所致。）所致。黑龙江克山县部分地区，以心肌损害为主要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（于缺乏化学元素硒（Se）所致。）所致。在某些内陆的边远山区，过去常见一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（发现是由于缺乏化学元素碘（I）所致。）所致。六十年代，在伊朗以谷物为主食的居六十年代，在伊朗以谷物为主食的居民中发现了民中发现了“侏儒症侏儒症”病例，进一步的研病例，进一步的研究证明是由于化学元素锌（究证明是由于化学元素锌（Zn）缺乏所致。）缺乏所致。日本神通川地区曾经有一种以骨痛为特征的日本神通川地区曾经有一种以骨痛为特征的疾病，被当地人称为疾病，被当地人称为“痛痛病痛痛病”。调查发现是。调查发现是 由于该地区水体中化学元素镉（由于该地区水体中化学元素镉（Cd）的浓度严）的浓度严重超标所致。重超标所致。日本部分地区曾经还有一种日本部分地区曾经还有一种“水俣水俣(yu)病病”，主要表现为手足麻木、听觉障碍、震颤及其情，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（绪失常。研究发现是由于化学元素汞（Hg）中）中毒所造成的。毒所造成的。20 世纪世纪 50 年代以来，痕量分析等新技术的出现，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。了早期认为与生命化学都是有机化学的观点。20 世纪世纪 70 年代初开始形成了由无机化学和生物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化学交叉、渗透而产生的生物无机化学(bioinorganic chemistry)。标志之一是。标志之一是 1970 年成立了国际生物无机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。在化学协会并召开了国际生物无机化学研讨会。在 1971 年又出版了名为年又出版了名为“Bioinorganic Chemistry”的学术刊的学术刊物物(1979 年被更名为现在的年被更名为现在的“Journal of Inorganic Biochemistry”杂志杂志)。1 概概 述述 1.1 生物无机化学的主要研究内容：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；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、生物体内金属离子及其金属酶、金属蛋白的结构、功能以及模功能以及模 拟研究；拟研究；无机元素在生物体内的循环、环境污染、含金属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。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：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用各种物理化学方法直接研究 生物体系中金属酶生物体系中金属酶和金属蛋白等含金属物种的结构、功能及其作用和金属蛋白等含金属物种的结构、功能及其作用机理；机理；用模拟的方法来研究重要生物过程和生物大分子用模拟的方法来研究重要生物过程和生物大分子配合物的结构以及结构与功能之间的关系。包括配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。修改对其结构、功能的影响等。2 必需元素与有毒元素必需元素与有毒元素 2.1 必需元素必需元素(essential elements)生物必需元素或生命元素，是维持生物体生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存所必需的元素,缺少会导致严重病态或者死亡。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，例如展而不断变化，例如 Ni、As 等以前认为不是生物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；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去除后会使生物有相同(似似)的生理上的异常的生理上的异常;(iii)恢复后可以消除或预防这些异常恢复后可以消除或预防这些异常;(iv)元素有专门生物化学上的功能。元素有专门生物化学上的功能。2.2 生物必需元素的分类生物必需元素的分类 按元素在生物体中的含量可分为按元素在生物体中的含量可分为:宏量结构元素宏量结构元素(bulk)：构成氨基酸、蛋白质、核酸、：构成氨基酸、蛋白质、核酸、多糖、脂质等化合物的多糖、脂质等化合物的 C、H、O、N、P、S;宏量矿物素宏量矿物素(macrominerals):主要有主要有 Na、K、Ca、Mg 等元素等元素;微量金属元素微量金属元素(trace metal):Fe、Zn、Cu 等等;超微量元素超微量元素(ultratrace)：Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Cd、Sn、Pb、Li 及及 I、F、Se、Si、As、B 等。等。生物无机化学研究中涉及的主要是微量和超微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。量金属元素。2.3 生物体选择特定元素的基本规律：生物体选择特定元素的基本规律：丰度规则：丰度规则：又称海生学说。根据生命起源于海洋的又称海生学说。根据生命起源于海洋的假说假说,在生物进化早期在生物进化早期,当生物体可以从能够完成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同样功能的几种元素中选取一种元素时,生物体选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。处的环境有关。有效规则：有效规则：当有几种元素当有几种元素(或化合物或化合物)可供选择时可供选择时,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。的必需元素。基本适应规则基本适应规则:这一规则认为这一规则认为 被选择的元素在热被选择的元素在热力学上必须具备完成某种功能的能力。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有效性和特异性规则:作为生物必需元素的金属离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。功能的能力。研究证实生物体系中金属酶、金属蛋白都具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有特定的结构和功能,尤其是其活性中心的结构一尤其是其活性中心的结构一般具有特定的扭曲畸变般具有特定的扭曲畸变,而不同于简单配合物中金而不同于简单配合物中金属离子周围的结构属离子周围的结构,而且正是因为这种特殊的扭曲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。畸变结构保证了金属酶和金属蛋白的特异性。2.4 有毒元素有毒元素(toxic elements)有毒元素又称有害元素有毒元素又称有害元素，是指那些存在于生物，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。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目前已知的明显有害的元素有元素有 Cd、Hg、Pb、Tl、As、Sb、Be、Ba、In、Te、Se、V、Cr、Nb 等等，其中其中 Cd、Hg、Pb、As 等为剧毒元素。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量是决定是否对生物体有益的关键因素,太少可能太少可能引起某些疾病和不正常，导致缺乏症。引起某些疾病和不正常，导致缺乏症。此外，有些金属离子在生物体内存在的价态等此外，有些金属离子在生物体内存在的价态等决定其是否有毒性。如适量的决定其是否有毒性。如适量的 Cr3+和和 Ni2+对生物对生物体都是有益的，但是体都是有益的，但是 CrO42 和和 Ni(CO)4 可致癌。可致癌。必需元素的量必需元素的量效关系效关系3 金属酶金属酶 3.1 金属酶金属酶 金属酶就是结合有金属离子的生物酶金属酶就是结合有金属离子的生物酶,也就是也就是说必须有金属离子参与才有活性的酶被称为金属酶说必须有金属离子参与才有活性的酶被称为金属酶(metalloenzyme 或或 metal-activated enzyme)。目前已经知道生物体系中约有三分之一的酶需目前已经知道生物体系中约有三分之一的酶需要有金属离子参与才能显示活性。这些金属酶实际要有金属离子参与才能显示活性。这些金属酶实际上是一种生物催化剂上是一种生物催化剂,在其作在其作 用下用下,生物体内许多生物体内许多复杂的或通常条件下难以发生的化学反应能够在温复杂的或通常条件下难以发生的化学反应能够在温和的生理条件下得以顺和的生理条件下得以顺 利进行。利进行。3.2 金属酶的分类金属酶的分类 天然金属酶根据其催化的反应类型可分为：天然金属酶根据其催化的反应类型可分为：氧化还原酶氧化还原酶(oxidoreductase)转移转移 酶酶(transferase)水解酶水解酶(hydrolase)异构化酶异构化酶(isomerase)裂解酶裂解酶(lyase)合成酶合成酶(synthetase,又称连接酶又称连接酶 ligase)3.3 金属酶的作用金属酶的作用 金属离子与蛋白链结合金属离子与蛋白链结合,从而使蛋白具有特定的从而使蛋白具有特定的高级结构高级结构(构象构象)和稳定性和稳定性,而且这种特定的结而且这种特定的结构和稳定性与其催化活性之间有密切关系；构和稳定性与其催化活性之间有密切关系；通过金属离子与底物分子间的相互作用通过金属离子与底物分子间的相互作用,使底物使底物分子定向分子定向,从而发生专一性强、选择性高的催化从而发生专一性强、选择性高的催化反应；反应；形成催化反应活性中心形成催化反应活性中心(active center ,从而为从而为酶提供催化反应的活性部位酶提供催化反应的活性部位(active site)。3.4 金属药物金属药物 金属药物是一类人为地引人生物体内的含金金属药物是一类人为地引人生物体内的含金属物种，目前该方面的研究主要集中在以下两个属物种，目前该方面的研究主要集中在以下两个方面：方面：设计合成新的配位化合物设计合成新的配位化合物,目的是从中筛选出有活目的是从中筛选出有活性的化合物性的化合物,为作进一步研究提供基础；为作进一步研究提供基础；研究金属药物分子与体内生物分子的作用、机理研究金属药物分子与体内生物分子的作用、机理以及药物分子在体内的代谢等以及药物分子在体内的代谢等,目的是探讨活性与目的是探讨活性与结构之间的关系结构之间的关系,从而为设计合成活性高、毒性低从而为设计合成活性高、毒性低的新型金属药物奠定基础。的新型金属药物奠定基础。金属药物的分类金属药物的分类 金属药物根据其作用不同可分为治疗类药物和金属药物根据其作用不同可分为治疗类药物和诊断类药物两大类。诊断类药物两大类。治疗类药物：治疗类药物：如如 1965 年年 Rosenberg 等人报道抗癌等人报道抗癌药物顺铂药物顺铂 cis-Pt(NH3)2Cl2(cisplatin)，到目前为止，到目前为止仍然是临床上广泛使用的一种抗癌药物仍然是临床上广泛使用的一种抗癌药物,说明顺铂说明顺铂是一种非常了不起的药物。是一种非常了不起的药物。顺铂等抗癌药物的作用机理是广大科学工作顺铂等抗癌药物的作用机理是广大科学工作者研究的热点问题之一，这不仅为了解决为什么者研究的热点问题之一，这不仅为了解决为什么顺铂有抗癌活性而反铂没有抗癌活性的问题顺铂有抗癌活性而反铂没有抗癌活性的问题,而且而且为阐明药物结构为阐明药物结构活性活性毒副作用之间的关系提供毒副作用之间的关系提供基础基础,从而为设计和筛选新的抗癌药物提供依据。从而为设计和筛选新的抗癌药物提供依据。DDP 的作用机理的作用机理 对对 DDP 抗肿瘤活性的作用机理的研究，目前抗肿瘤活性的作用机理的研究，目前公认为：公认为：(1).DDP 首先水解，首先水解，以以 H2O 分子取代分子取代 DDP 中的中的 Cl 离子，形成离子，形成 cis-Pt(NH3)2(OH)2。(2).DDP 的水解产物与的水解产物与 DNA 相互作用，相互作用，使肿瘤细胞使肿瘤细胞 DNA 的复制、转录受到抑制，迫使肿的复制、转录受到抑制，迫使肿瘤细胞凋亡或死亡。瘤细胞凋亡或死亡。1995年年 WHO 对上百种治癌药物进行排名，对上百种治癌药物进行排名，顺铂的综合评价（疗效，市场等）位居顺铂的综合评价（疗效，市场等）位居第第 2。另据。另据统计，在我国以顺铂为主或有顺铂参加配伍的化疗统计，在我国以顺铂为主或有顺铂参加配伍的化疗方案占所有化疗方案的方案占所有化疗方案的70%80。尽管尽管 DDP 作为抗肿瘤药物至今仍然使用，但作为抗肿瘤药物至今仍然使用，但它同时也有较它同时也有较严重的毒性和副作用。严重的毒性和副作用。对对 DDP 进行进行改良的研究改良的研究一直在进行，几个代一直在进行，几个代表性的该类配合物简述如下：表性的该类配合物简述如下：卡铂：卡铂：1 1，1 1环丁二酸二胺合铂（环丁二酸二胺合铂（II)II)二十世纪八十年代，由二十世纪八十年代，由美国施贵宝公司、美国施贵宝公司、英国肿瘤研究所以及英国肿瘤研究所以及 Johnson Mayyhey 公司联公司联合开发的合开发的第二代第二代铂系抗肿瘤药物。铂系抗肿瘤药物。Nedaplatin：顺式乙醇酸二氨合铂（：顺式乙醇酸二氨合铂（II)简称简称 CDGP，代号代号 254-S。已在。已在日本日本上市，上市，并进入并进入 III 其临床研究。其临床研究。乐铂：环丁烷乳酸盐二甲胺合铂（乐铂：环丁烷乳酸盐二甲胺合铂（II)II)由德国由德国 Asta Medica AG Frankfurt 公司开发，公司开发，目前在进行目前在进行乐伯与乐伯与 5-Fu 联合联合治疗食道系统肿瘤治疗食道系统肿瘤的临床试验。的临床试验。草草 酸酸 铂铂 Oxaiplatin,代号代号L-OHP，全称为，全称为草酸草酸-(反反式式-L-1,2-环己二胺合铂环己二胺合铂(II)。该要首先在日本及该要首先在日本及法国进行研究，现已在法国上市。法国进行研究，现已在法国上市。异丙异丙铂铂(Ipmplatin)化学名为化学名为:顺顺异丙异丙胺胺二氯二氯反式反式二二羟羟基基合铂合铂。是八面体构型的是八面体构型的铂铂配合物配合物,水溶性比顺铅高。异丙水溶性比顺铅高。异丙铂铂抗瘤谱比较广抗瘤谱比较广,主要用于肺癌、乳腺癌、淋巴肉瘤、主要用于肺癌、乳腺癌、淋巴肉瘤、白血病等的治疗。该药的肾毒性很低。白血病等的治疗。该药的肾毒性很低。对对铂铂类化合物抗肿瘤活性类化合物抗肿瘤活性的的研究研究,总结出总结出如下如下的的构效关系构效关系:中性中性配配合物比合物比配配离子具有更高的抗肿瘤活性。离子具有更高的抗肿瘤活性。烷烷基伯基伯胺胺或环或环烷烷基伯基伯胺胺取代顺取代顺铂铂中的氨中的氨,可明显增可明显增加其治疗指数。加其治疗指数。双齿配位体代替两个单齿配位体双齿配位体代替两个单齿配位体,一般可以增加其一般可以增加其抗肿瘤活性。因为双齿配位体化合物不像单齿配位抗肿瘤活性。因为双齿配位体化合物不像单齿配位体化合物那样容易转变为反式配合物而失活。体化合物那样容易转变为反式配合物而失活。取代的配位体要有足够快的水解速率取代的配位体要有足够快的水解速率,但也不能太但也不能太快快,以让配合物有足够的稳定性达到作用部位。以让配合物有足够的稳定性达到作用部位。平面正方形和八面体构型的平面正方形和八面体构型的铂铂配合物抗肿瘤活性配合物抗肿瘤活性高于其它构型的高于其它构型的铂铂配合物。配合物。在治疗类金属药物中除了顺在治疗类金属药物中除了顺铂铂类抗癌药物之外类抗癌药物之外,还有可用于治疗类风湿性关节炎的一价金还有可用于治疗类风湿性关节炎的一价金 Au(I)配配合物合物,包括注射用的硫代苹果酸包括注射用的硫代苹果酸Au(I)配合物配合物(a)和口和口服的三乙基服的三乙基膦膦和四和四O乙乙酰酰硫葡萄糖硫葡萄糖(b)两种不同配两种不同配体的体的 Au(I)配合物配合物 诊断类药物：诊断类药物：在实际临床中在实际临床中,对疾病及时、准确的发现和诊对疾病及时、准确的发现和诊断非常重要。目前在临床上使用或正在进行试验的诊断非常重要。目前在临床上使用或正在进行试验的诊断类金属药物有利用钆断类金属药物有利用钆 Gd(III)配合物作为核磁共振配合物作为核磁共振成像时使用的造影剂成像时使用的造影剂(a)、作为心脏造影剂的含有放、作为心脏造影剂的含有放射性同位素射性同位素 99Tc 的化合物的化合物(b)等。等。4 IA及及IIA金属的生物无机化学金属的生物无机化学 碱碱金金属属离离子子中中的的 Na+、K+以以及及碱碱土土金金属属离离子子中中的的Mg2+、Ca2+是是生生物物体体系系中中含含量量最最多多的的几几种种宏宏量量矿矿物物元元素素。它它们们在在生生物物体体内内一一方方面面作作为为电电解解质质起起到到平平衡衡电电荷荷、维维持持渗渗透透压压等等作作用用,另另一一方方面面,起起到到稳稳定定蛋蛋白白质质结结构构、激激活活酶酶等等作作用用。此此外外,镁镁和和钙钙还还是是骨骨髓髓、牙牙齿齿等等生生物物矿矿物物的的主主要要成成分分,镁镁还还参参与与光光合合作作用用。表表明明碱碱金金属属和和碱碱土土金金属属离离子子在在维维持持正正常常的的生生命命和和生生理理过过程程中中起起着着非非常常重重要要的的作作用用,也也因因此此引引起起了了广大生物无机化学工作者们的兴趣。广大生物无机化学工作者们的兴趣。4.1 离子泵和离子载体离子泵和离子载体 碱金属和碱土金属离子在细胞内外的浓度分布碱金属和碱土金属离子在细胞内外的浓度分布有很大的差别。例如有很大的差别。例如 Na+和和 K+离子离子,前者主要存前者主要存在于细胞外在于细胞外,而后者则主要存在于细胞内而后者则主要存在于细胞内,这种差这种差别在平衡细胞内外渗透压方面起着重要作用。而这别在平衡细胞内外渗透压方面起着重要作用。而这种浓度差的维持则依赖于一种被称之为种浓度差的维持则依赖于一种被称之为钠泵钠泵(sodium pump)的的 Na+/K+ATP 酶酶,它是一种跨膜蛋它是一种跨膜蛋白白,其功能是将细胞外的其功能是将细胞外的 K+离子泵入细胞内离子泵入细胞内,同时同时将细胞内的将细胞内的 Na+离子泵出到细胞外。有趣的是离子泵出到细胞外。有趣的是,泵泵入的入的 K+离子与泵出的离子与泵出的 Na+离子的比例并非离子的比例并非 1:1,而而是是 2:3。该过程所需要的能量由。该过程所需要的能量由 ATP 水解产生水解产生 ADP 和无机磷酸来提供。和无机磷酸来提供。Na+/K+ATP 酶中除了酶中除了 Na+和和 K+离子的参与离子的参与外外,还需要还需要 Mg2+的激活的激活,因此因此,也被称为也被称为 Na+/K+/Mg2+ATP 酶。与酶。与 Na+/K+ATP 酶相似的还酶相似的还有有 Ca2+ATP 酶酶,亦称钙泵亦称钙泵(caicium pump)。该酶该酶是在是在 Ca2+、Mg2+和和 K+离子的共同存在下离子的共同存在下 ATP 水水解产生解产生 ADP 和和 无机磷酸无机磷酸,利用利用 ATP 水解产生水解产生 ADP 和无机磷酸时释放的能量将和无机磷酸时释放的能量将 2 个个 Ca2+离子从细胞离子从细胞内运送到细胞外内运送到细胞外,从而使细胞内游离的从而使细胞内游离的 Ca2+离子浓离子浓度维持在度维持在 104 mmolL1 以下。以下。离子运输从低浓度运送到高浓度离子运输从低浓度运送到高浓度,也就是说是也就是说是逆浓度梯度逆浓度梯度进行的的运输称为进行的的运输称为主动运输主动运输(active transport)，这种运输过程需要消耗能量，这种运输过程需要消耗能量,例如上面例如上面提到的提到的 Na+、K+和和 Ca2+离子的运输所需的能量来离子的运输所需的能量来源于源于 ATP 的水解。的水解。顺着浓度梯度顺着浓度梯度(即从高浓度到低浓度即从高浓度到低浓度)进行的进行的运输称为运输称为被动运输被动运输(passive transport)。被动运输。被动运输可以是由于浓度差而产生的简单扩散可以是由于浓度差而产生的简单扩散,也可以是与也可以是与其他的载体或运送体结合后进行的促进扩散。其他的载体或运送体结合后进行的促进扩散。因为金属离子本身是亲水的因为金属离子本身是亲水的,而细胞膜内层则而细胞膜内层则是疏水的是疏水的,因此因此,金属离子本身难通过细胞膜。金金属离子本身难通过细胞膜。金属离子的跨膜运送需要借助其他的载体或运送体来属离子的跨膜运送需要借助其他的载体或运送体来完成完成,常见的载体或运送体有可以在膜内活动的小常见的载体或运送体有可以在膜内活动的小分子分子离子载体离子载体(ionophore)以及膜内存在固定的以及膜内存在固定的离离子通道子通道(ionic channel)载体。现在已知的天然离子载体。现在已知的天然离子载体都是抗生素载体都是抗生素,根据其结构可以分为环状和链状根据其结构可以分为环状和链状离子载体。离子载体。离子载体是通过与金属离子形成较为稳定的配离子载体是通过与金属离子形成较为稳定的配合物合物,从而携带金属离子通过生物膜从而携带金属离子通过生物膜,实现运送金实现运送金属离子的功能。属离子的功能。离子通道载体则不同与离子载体离子通道载体则不同与离子载体,它们不能与要它们不能与要通过的金属离子形成稳定的配合物通过的金属离子形成稳定的配合物,而是相对固定而是相对固定在生物膜上在生物膜上,形成可以让金属离子通过的孔道形成可以让金属离子通过的孔道,引引导金属离子过膜。导金属离子过膜。4.2 4.2 钙与凝血过程钙与凝血过程 人体内大部分人体内大部分 Ca2+除分布在硬组织中外，除分布在硬组织中外，主要存在于血液中，血液中游离的钙称为血钙，主要存在于血液中，血液中游离的钙称为血钙，其浓度有一定的正常值范围。其浓度有一定的正常值范围。血钙浓度过高会出现血钙浓度过高会出现高钙血症：高钙血症：可与血液中可与血液中的的 PO43-结合可形成尿结石；可使全身性骨骼变结合可形成尿结石；可使全身性骨骼变粗，软骨钙化。粗，软骨钙化。血钙浓度过低会出现血钙浓度过低会出现低钙血症：低钙血症：骨骼中的钙骨骼中的钙会游离出来而使骨软化，神经、肌肉兴奋性增高，会游离出来而使骨软化，神经、肌肉兴奋性增高，易发生痉挛。易发生痉挛。血液凝固是一个十分复杂的过程，一些无血液凝固是一个十分复杂的过程，一些无活性的活性的酶原必须被酶原必须被 Ca2+激活激活成为有活性的酶，成为有活性的酶，才能起凝血作用。才能起凝血作用。Ca2+在血液凝固过程中起着十分重要的在血液凝固过程中起着十分重要的作用，如果加入适当的配体如作用，如果加入适当的配体如 EDTA 则可使则可使血液不再凝固。血液不再凝固。当凝血活性较高时容易形成和血栓相关的当凝血活性较高时容易形成和血栓相关的疾病。研究表明，当加入能够和疾病。研究表明，当加入能够和 Ca2+竞争配竞争配位结合点的稀土离子位结合点的稀土离子 RE3+时，可降低凝血活时，可降低凝血活性。性。从化学角度考虑，从化学角度考虑，RE3+具有抗凝血作用。具有抗凝血作用。因此一些含稀土金属离子的配合物（如因此一些含稀土金属离子的配合物（如香豆素、香豆素、维生素维生素K 等）有潜在的治疗血栓病的可能性。等）有潜在的治疗血栓病的可能性。4.2 叶绿素和光合作用叶绿素和光合作用 叶绿素叶绿素(chlorophyll)主要存在于绿藻、蓝藻及主要存在于绿藻、蓝藻及高等植物的叶中，是一类含有部分被还原的二氢卟啉高等植物的叶中，是一类含有部分被还原的二氢卟啉环的镁配合物。由于叶绿素对可见光有很强的吸收能环的镁配合物。由于叶绿素对可见光有很强的吸收能力力,因此在植物光合作用的过程中起重要作用。因此在植物光合作用的过程中起重要作用。光合作用是以光合作用是以光为能源将水和二氧化碳转换为糖光为能源将水和二氧化碳转换为糖和氧气和氧气的反应的反应,该反应该反应一方面是将无机化合物转换为一方面是将无机化合物转换为有机的糖类有机的糖类,另一方面是在固定空气中的二氧化碳的另一方面是在固定空气中的二氧化碳的同时释放出氧气同时释放出氧气。该类反应从。该类反应从热力学热力学上来讲是一类很上来讲是一类很难发生的反应难发生的反应,它涉及二氧化碳的还原和水分子的氧它涉及二氧化碳的还原和水分子的氧化。化。叶叶绿绿素素分分子子中中Mg2离离子子扮扮演演着着结结构构中中心心和和活活性性中中心心的的作作用用,能能吸吸收收可可见见光光中中的的红红光光(680 nm)，为为光光合合作作用提供能量。用提供能量。R R叶绿素叶绿素a：CH3 C20H39叶绿素叶绿素b：CHO C20H39 C20H39:叶绿基叶绿基Mg2叶绿素分子叶绿素分子4.3 钙调蛋白钙调蛋白 钙结合蛋白钙结合蛋白(calcium-binding protein)是指细胞是指细胞内与钙离子有很强结合能力内与钙离子有很强结合能力(键合常数在键合常数在106 左右左右)的的一类蛋白。该类蛋白中的典型代表是人们所熟悉的一类蛋白。该类蛋白中的典型代表是人们所熟悉的钙钙调蛋白调蛋白(calmodulin，简称为，简称为CaM)。自。自 1971 年被发年被发现以来现以来,人们已经从动物和植物的多种组织中分离得人们已经从动物和植物的多种组织中分离得到了多种到了多种 CaM,研究发现不同来源研究发现不同来源 CaM 的一级结构的一级结构(氨基酸序列氨基酸序列)具有很强的保守性。具有很强的保守性。在生物体内在生物体内,当结合了钙离子的当结合了钙离子的 CaM 与没有活与没有活性的酶结合性的酶结合,可以激活酶可以激活酶,使酶显示活性使酶显示活性;相反相反,当当钙离子脱离钙离子脱离 CaM 时时,导致导致 CaM 与酶解离与酶解离,从而使酶从而使酶回到原来没有活性的状态。因此回到原来没有活性的状态。因此,CaM 通过结合钙通过结合钙离子前后其构象的变化来调节很多酶的活性。离子前后其构象的变化来调节很多酶的活性。氧载体是生物体内一类可以与分子氧进行可逆地氧载体是生物体内一类可以与分子氧进行可逆地配位结合的生物大分子配合物配位结合的生物大分子配合物,其功能是其功能是 储存或运储存或运送氧分子到生物体组织内需要氧的地方。送氧分子到生物体组织内需要氧的地方。生命体需要大量氧生命体需要大量氧(O2)以维持生命必需的各以维持生命必需的各种氧化作用。种氧化作用。O2 是非极性分子，是非极性分子，298K和标准压力下，在和标准压力下，在 1L 水中溶解水中溶解 6.59 mL O2，得到浓度为，得到浓度为 3 104 molL1 的溶液，自然溶解的氧远远不能满足正常的溶液，自然溶解的氧远远不能满足正常生理活动的需要。生理活动的需要。4.4 天然氧载体天然氧载体 血液输送血液输送 O2 是借助于氧载体进行的，生物是借助于氧载体进行的，生物体内的天然氧载体可使血液中的氧含量比水中增体内的天然氧载体可使血液中的氧含量比水中增大约大约 30 倍。倍。血红蛋白（血红蛋白（Hb）与肌红蛋白（）与肌红蛋白（Mb）都是人都是人体中的天然氧载体，其中体中的天然氧载体，其中 Hb 的作用为输送氧，的作用为输送氧，Mb 的作用为储存氧。一些天然氧载体见下表。的作用为储存氧。一些天然氧载体见下表。天然氧载体天然氧载体种 类Mr金属离子 主要功能 存在动物血红蛋白64,500Fe(II)输送 O2脊椎动物肌红蛋白17,800Fe(II)储存 O2肌 肉血兰蛋白105107Cu(I)输送 O2软体动物血钒蛋白27,500V(III)结合 O2海鞘类蚯蚓血红蛋白108,000Fe(II)储存 O2海洋蠕虫Hb与与Mb Hb 存在于与血液（红细胞）中，是输送存在于与血液（红细胞）中，是输送O2 的工具；的工具；Mb 存在于肌肉组织中，承担存在于肌肉组织中，承担 O2 的储存并运送的储存并运送 O2 穿过细胞膜。穿过细胞膜。Hb 和和 Mb 与与 O2 的结合是的结合是松弛的、可逆松弛的、可逆的，的，特点是既能迅速结合，又能迅速离解。特点是既能迅速结合，又能迅速离解。在在 Hb 和和 Mb 中，载中，载 O2 的活性中心均为的活性中心均为Fe2+。卟啉卟啉是小分子生物配体，是是小分子生物配体，是卟吩卟吩环上环上18位位置上氢原子被一些基团取代的的衍生物，和金置上氢原子被一些基团取代的的衍生物，和金属离子形成的配合物称为属离子形成的配合物称为金属卟啉。金属卟啉。卟啉环卟啉环是由是由 11 个共轭双键组成的高度共个共轭双键组成的高度共轭体系，其结构稳定并具有一定的刚性。轭体系，其结构稳定并具有一定的刚性。4 个个吡咯吡咯 N 配位原子形成配位腔，由环中心到每配位原子形成配位腔，由环中心到每个吡咯个吡咯 N 原子的距离为原子的距离为 204 pm。生物体系中最重要的两种金属卟啉是生物体系中最重要的两种金属卟啉是镁卟镁卟啉和铁卟啉。啉和铁卟啉。镁卟啉类衍生物是绿色植物中的镁卟啉类衍生物是绿色植物中的叶绿素叶绿素；铁卟啉类衍生物被称为；铁卟啉类衍生物被称为血红素血红素，血红，血红素为素为 Hb 和和 Mb 蛋白中所结合的辅基。蛋白中所结合的辅基。血红素中血红素中Fe(II)的配位结构的配位结构 在在脱氧的血红素中，脱氧的血红素中，Fe(II)为为高自旋状态高自旋状态，有四个成单电子。有四个成单电子。rFe(II)=78 pm B(Fe-N)=218 pm B(N-N)=408 pm Fe(II)为五配位结构，为五配位结构，如右图示。如右图示。Fe(II)处于处于卟啉环平面以上平均距离卟啉环平面以上平均距离 75 pm 处。处。血红素中血红素中Fe(II)的立体配位结构的立体配位结构 在氧合后的血红素中，在氧合后的血红素中，Fe(II)为低自旋状态，没为低自旋状态，没有成单电子。此时：有成单电子。此时：rFe(II)=61 pm B(Fe-N)=201 pm B(N-N)=408 pm Fe(II)为六配位结构，为六配位结构，如右图示。如右图示。Fe(II)处于处于卟啉环平面上。卟啉环平面上。O2 与与 CO 的配位能力比较的配位能力比较O2 分子中的分子中的 HOMO：(*2p)2CO分子中的分子中的 HOMO：(2p)2O2 分子可以形成分子可以形成三角形三角形的配位结构，的配位结构，CO 分子则倾向于形成分子则倾向于形成线型线型的配位结构。的配位结构。一般情况下，一般情况下，CO 的配位能力比的配位能力比 O2 分子分子要大要大 25,000 倍。倍。在在 Hb 和和 Mb 中，中，Fe(II)的第六配位的第六配位点附近存在组氨酸的残基点附近存在组氨酸的残基咪唑基团，咪唑基团，由于空由于空间位阻的影响，使间位阻的影响，使 Fe(II)的第六配位点不易的第六配位点不易形成线型的配位结构。形成线型的配位结构。所以使所以使 CO 的配位能力的配位能力下降到比下降到比O2 分子约大分子约大200倍。换言之，倍。换言之，CO 的配位优势降到了原来的的配位优势降到了原来的 1以下，这一点对以下，这一点对人类是特别重要的。人类是特别重要的。人工合成氧载体人工合成氧载体 从配位化学的角度出发，用一些分子量相对从配位化学的角度出发，用一些分子量相对较小的过渡金属配合物作为模型化合物来较小的过渡金属配合物作为模型化合物来模拟天模拟天然氧载体然氧载体的可逆氧合作用，在理论及实际应用上的可逆氧合作用，在理论及实际应用上都具有十分重要的意义。如对都具有十分重要的意义。如对人造血液人造血液的研究归的研究归根到底就是对人工合成氧载体的研究。根到底就是对人工合成氧载体的研究。至今已合成的至今已合成的氧载体模型化合物氧载体模型化合物比较多，最比较多，最具代表性的有下列几类：具代表性的有下列几类：“栅栏栅栏”型铁卟啉型铁卟啉 1973年由年由 Collman 等等采用空间位采用空间位阻效应技术阻效应技术合成，该模合成，该模型化合物在型化合物在苯溶剂中与苯溶剂中与室温下能够室温下能够与与 O2 可逆可逆结合。结合。“帽型帽型”铁卟啉铁卟啉 1975年年由由Baldwin等合成。等合成。该模型化该模型化合物中卟合物中卟啉环平面啉环平面上方好像上方好像一顶帽子。一顶帽子。对面型双（铁）卟啉对面型双（铁）卟啉20世纪世纪80年代年代合成的合成的代表性代表性氧载体氧载体模型。模型。脂质包埋型铁卟啉脂质包埋型铁卟啉由由日本学者日本学者土田英俊土田英俊等等合成，将其合成，将其用超声波分用超声波分散后，在生散后，在生理盐水中可理盐水中可形成具有可形成具有可逆载氧能力逆载氧能力的微球。的微球。5 副族元素的生物学效应副族元素的生物学效应(1)参与生物体内的氧化还原过程参与生物体内的氧化还原过程 具具有有可可变变氧氧化化态态的的过过渡渡金金属属，如如Fe(II、III)、Cu(I、II)、Co(I、II、III)、Mn(II、III)、Mo(IV、V、VI)等等，常常存存在在于于与与氧氧化化还还原原过过程程有有关关的的金金属属酶酶和和金金属属蛋白的活性部位，参与生物体内的氧化还原过程。蛋白的活性部位，参与生物体内的氧化还原过程。作作为为生生命命必必需需元元素素的的过过渡渡金金属属离离子子在在体体内内的的浓浓度度都都很很小小，它它们们的的许许多多确确切切作作用用还还未未被被人人们们所所知知晓晓。不不过过从从化化学学的的角角度度来来讲讲，它它们们的的生生物物功功能能可可概概括括为为三三类类:(2)作为作为Lewis酸酸 过过渡渡金金属属离离子子，由由于于体体积积小小和和电电荷荷高高，因因而而都都是是较较强强的的Lewis酸酸，易易接接受受底底物物的的电电子子发发生生配配位位作作用用而而使底物活化。使底物活化。不不同同的的金金属属离离子子有有不不同同的的路路易易斯斯酸酸强强度度，其其强强度度随着金属离子电荷的增加和离子半径的递减而增大。随着金属离子电荷的增加和离子半径的递减而增大。对对于于过过渡渡金金属属来来说说，配配位位场场强强度度等等其其他他因因素素的的影影响响也也是是重重要要的的，因因此此2价价离离子子的的配配合合物物的的稳稳定定性性也也呈现出呈现出Irving-Williams序列。序列。(3)稳定核酸构型稳定核酸构型 近近年年来来发发现现，核核酸酸的的合合成成涉涉及及到到许许多多金金属属离离子子。除除主主族族金金属属Mg、Ca、Sr、Ba、Al外外，还还包包括括过过渡渡金金属属Cr、Mn、Fe、Ni和和Zn。目目前前认认为为，这这些些金金属属都都与与核核酸酸构构型型的的稳稳定定性性有有关关。已已证证明明Zn可可在在DNA的的两两股股间间桥桥联联，在在Zn(II)存存在在时时，即即使使DNA熔熔化化，两两股股也也不不分分开开。但但Cu(II)的的存存在在则则