1、.,1,生物無機(jī)化學(xué),Bioinorganic chemistry,主講教師 霍涌前,.,2,計(jì)亮年院士簡介,著名生物無機(jī)化學(xué)家。1934年4月20日出生于上海市。1956年畢業(yè)于山東大學(xué)化學(xué)系。畢業(yè)后曾先后在北京大學(xué)、南京大學(xué)、核工業(yè)部衡陽工程學(xué)院、廣東工業(yè)大學(xué)、中山大學(xué)、美國西北大學(xué)、瑞士巴塞爾大學(xué)、香港科技大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等任訪問學(xué)者、教授、訪問教授、兼職教授和化學(xué)院院長等工作。2003年11月當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。1986年至1991年當(dāng)選為中國化學(xué)會(huì)第22屆和23屆理事會(huì)理事，在國際3種刊物和國內(nèi)4種刊物擔(dān)任編委。,勤奮勞動(dòng)是一種生命的享受，它也是尋求生命快樂的探索， 人必需通過自己的

2、勤奮努力挖掘自己的命運(yùn)和追求幸福 計(jì)亮年,科學(xué)團(tuán)隊(duì)研究了許多金屬酶的生物合成和純化,酶的化學(xué)修飾、結(jié)構(gòu)、功能和酶活性之間規(guī)律及其應(yīng)用。,.,3,16周 32課時(shí),課程進(jìn)程安排,腦底模型與腦癡呆,鉻中毒,DNA熒光顯微鏡,.,4,DNA圖像,.,5,根瘤菌,鉬鐵蛋白,.,6,河蚌,淡藍(lán)色血,烏賊,綠色血,蚯蚓,玫瑰紅色血,動(dòng)物血液顏色,.,7,蝦、河蟹,淡青色血,蝸牛,透明的血,昆蟲,綠色血,大天蠶蛾,-胡蘿卜素、核黃素和黃素-核苷酸,菜粉蝶,家蠶,.,8,魚類,兩棲類,爬行類,鳥類,哺乳類,人類,紅色血液,西方貴族的藍(lán)色血液是否真實(shí),一個(gè)謊言,.,9,離子通道,.,10,跨膜運(yùn)輸,.,11,考

3、 勤：缺勤3次以上，無成績。 平時(shí)作業(yè)：一定全做。期末交。 學(xué)習(xí)委員排好學(xué)號(hào)。 課堂筆記：每章不少于3頁。 開卷考試：筆記30%、教材50%。 期末成績：考勤20%、作業(yè)20%、 筆記30%、考試30%,考核辦法,.,12,第一節(jié),第一章 緒論,生物無機(jī)化學(xué)一門新興的邊緣學(xué)科,第二節(jié),生物無機(jī)化學(xué)在發(fā)展中的研究課題,第三節(jié),生物體中的無機(jī)元素及其生物功能,.,13,在分子水平上研究生物體內(nèi)與無機(jī)元素有關(guān)的各種相互作用的學(xué)科。,生物無機(jī)化學(xué)定義,第一節(jié) 生物無機(jī)化學(xué) 一門新興的邊緣學(xué)科,從分子、原子水平上研究金屬與生物配體之間的相互作用。,基本任務(wù),Bioinorganic chemistry,

4、.,14,初期階段,18世紀(jì)中葉至20世紀(jì)初。主要研究生物體的化學(xué)組成。,發(fā)展階段,20世紀(jì)初至20世紀(jì)下葉。生物體內(nèi)主要物質(zhì)的代謝途徑基本確定。,20世紀(jì)下葉至今。蛋白質(zhì)與核酸成為研究的焦點(diǎn)。相繼獲得了多種基因工程的產(chǎn)品，大大推動(dòng)了醫(yī)藥工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展。,一、生物無機(jī)化學(xué)發(fā)展史,分子生物學(xué)階段,.,15,17世紀(jì)以前，主要煉丹、煉金、醫(yī) 用化學(xué)。特點(diǎn)：沒有形成理論體系。 17世紀(jì)中葉到19世紀(jì)末，明確了化 學(xué)的科學(xué)性。 從19世紀(jì)末至今。主要成果：化學(xué) 鍵理論、現(xiàn)代檢測儀器的完善。 環(huán)境化學(xué)、功能材料化學(xué)、生命化 學(xué)、能源化學(xué)等熱點(diǎn)領(lǐng)域。,三個(gè)時(shí)期,古代化學(xué),現(xiàn)代化學(xué),近代化學(xué),未來化學(xué),化

5、學(xué)發(fā)展簡史,.,16,阿瑟柯南道爾爵士，1859年生于蘇格蘭愛丁堡。曾入愛丁堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院就讀，后定居倫敦。由于并不熱衷醫(yī)務(wù)，使他有許多空閑時(shí)間從事福爾摩斯探案的書寫工作。柯南道爾一生曲折離奇。他是個(gè)歷史學(xué)家、捕鯨者、運(yùn)動(dòng)員、戰(zhàn)地通訊記者。曾親自參與兩件審判不公的案子，并運(yùn)用他的偵探技巧證實(shí)那罪犯其實(shí)是清白的。1902年，柯南道爾因在布爾戰(zhàn)爭中于南非野戰(zhàn)醫(yī)院的優(yōu)異表現(xiàn)榮封爵士。逝于1930年。,血液的實(shí)驗(yàn)-死尸 的皮膚顏色 煙絲的化學(xué)實(shí)驗(yàn) 土壤的化學(xué)實(shí)驗(yàn) 毒品的實(shí)驗(yàn),福爾摩斯的知識(shí),.,17,20世紀(jì)中葉初期階段。著名的化學(xué)家Kendrew 和Perutz解答了肌紅蛋白和血紅蛋白的X射線結(jié)構(gòu)的問

6、題。 1970年美國加州Virginia州舉行的國際生物無機(jī)化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)。 1970年生物無機(jī)化學(xué)在美國創(chuàng)刊。 1977年成立了國際生物無機(jī)化學(xué)協(xié)會(huì)。 1995年成立了國際生物無機(jī)化學(xué)學(xué)會(huì)。,生物無機(jī)化學(xué)發(fā)展里程碑,四種不同的螺旋,.,18,1970年，美國，無機(jī)化學(xué)與模型研究方法 1976年，英國，無機(jī)化學(xué)和生物交叉學(xué)科 1991年，英國，金屬識(shí)別、儲(chǔ)存、輸送 1993年，美國，固氮酶結(jié)構(gòu)、作用機(jī)理 1995年，德國，金屬離子對基因調(diào)節(jié)影響 2001年，意大利，神經(jīng)系統(tǒng)生物無機(jī)化學(xué) 2003年，澳大利亞，金屬離子在細(xì)胞的交通圖交通干線的劃分和金屬離子的走向,國際生物無機(jī)化學(xué)會(huì)議簡介,.,1

7、9,二、生物無機(jī)化學(xué)發(fā)展的推動(dòng)力,蛋白質(zhì)和其他生物分子高分辨結(jié)構(gòu)的迅速測定。,用于結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)測定的高效光譜儀器的應(yīng)用。,生物工程在創(chuàng)造新的生物相關(guān)結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，如基因定點(diǎn)突變技術(shù)等。,.,20,2003年，美國科學(xué)家彼得阿格雷和羅德里克麥金農(nóng)，分別因?qū)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,Peter Agre Roderick MacKinnon,諾貝爾獎(jiǎng),.,21,Diverse transport processes maintain the cell in a steady state that is not in equilibrium.,.,22,Atomic

8、 Force Microscope,1.原子力顯微鏡,1986年Binnig、Quate和Gerber發(fā)明了第一臺(tái)原子力顯微鏡。,AFM工作原理圖,原子力：以探針掃描觀察樣品表面，當(dāng)二者接近時(shí)產(chǎn)生范德華力或靜電排斥力 。,觀察活的生命樣品,.,23,2.X射線光電子能譜,光電子的能量分布曲線 采用特定元素某一X光譜線作為入射光，實(shí)驗(yàn)測定待測元素激發(fā)出一系列具有不同結(jié)合能的電子能譜圖。,元素定性分析,元素定量分析,維生素B12的X射線光電子能譜圖,可從B12中180個(gè)原子中檢測出其中的一個(gè)Co原子,X-ray photoelectron spectroscopy,.,24,四種不同的螺旋,折疊片

9、,蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的鑒定,多肽鏈借助氫鏈排列成沿一個(gè)方向上具有周期性結(jié)構(gòu)的構(gòu)象。,a)鯨腦球肌球素的結(jié)構(gòu) b)鯨腦球肌球素的吸收光譜 c)血紅素的環(huán)呼吸振動(dòng)引起的吸收,.,25,4.熒光顯微鏡,Fluorescence microscope,The concentration of free Ca2+ is represented by different colors, red being the highest and blue the lowest.,.,26,1982年，IBM瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的葛賓尼和海羅雷爾研制出世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡。1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金

10、。,a hair cell in the inner ear of a bullfrog,5.Scanning electron microscope (SEM),.,27,Figure. X-ray crystallography.,Protein structure,6.X-ray crystallography,.,28,第二節(jié) 生物無機(jī)化學(xué)在發(fā)展中的研究課題,一、金屬酶和金屬蛋白的結(jié)構(gòu)和功能,二、金屬離子及其配合物與生物大分子的相互作用,三、生物礦化,四、電子傳遞方法,五、金屬離子和細(xì)胞的相互作用,六、離子載體,八、金屬酶和模擬酶的應(yīng)用,七、探針和金屬藥物,.,29,一、金屬酶和金屬蛋

11、白的結(jié)構(gòu)和功能,葉綠素結(jié)構(gòu),金屬蛋白,細(xì)胞色素,金屬硫蛋白,金屬酶的化學(xué)模擬,酶的修飾及固定化,.,30,血紅蛋白,.,31,離子通道、離子載體,二、金屬離子及其配合物與生物大分子的相互作用,金屬離子與生物大分子結(jié)合后，發(fā)生明顯的生物化學(xué)效應(yīng)。,分子識(shí)別,金屬配合物對肽鍵的化學(xué)切割,離子探針,.,32,三、生物礦化,生物礦物材料（骨頭、牙齒、軟骨、蛋殼等）是由礦物與基質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合材料，具有高度的裝配有序性，又特殊的理化性質(zhì)、可控的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。,誘導(dǎo)分子膜作為分子膜板的定向成核。 利用超分子組裝體系合成納米材料。 微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑等。,.,33,四、電子傳遞方法,電子傳遞著生物大分子的活性 生命中的電

12、子能量傳遞鏈 電子激發(fā)鏈調(diào)節(jié)著生命大分子的構(gòu)象,.,34,五、金屬離子和細(xì)胞的相互作用,金屬的攝入、轉(zhuǎn)運(yùn)、分布以及它們表現(xiàn)的生物效應(yīng)得化學(xué)基礎(chǔ)。,載體蛋白,膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,通道蛋白,協(xié)助擴(kuò)散,.,35,六、離子載體,離子載體是一些能夠極大提高膜對某些離子通透性的載體分子。,Na+-K+泵的結(jié)構(gòu)與工作模式示意圖,:MW=120,000Da :MW=50000Da,結(jié)構(gòu),功能,維持細(xì)胞內(nèi)低Na+高K+的離子環(huán)境。,.,36,七、探針和金屬藥物,例如，用半徑與鋅相近的鈷離子作探針，代替羧肽酶中的鋅，從而根據(jù)含鈷酶的光譜推斷羧肽酶中鋅的配位環(huán)境。 用錳離子做探針，根據(jù)含錳羧肽酶的核磁共振譜確定了羧肽酶中鋅

13、和一水分子或羥基相連。,用一些其他的金屬元素替代生物無機(jī)化合物中的原有金屬元素，從而用各種波譜方法來研究和確定體系的結(jié)構(gòu)和作用。,.,37,金屬藥物,用無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)的理論和方法合成具有特定功能的藥物，研究各種反應(yīng)以了解藥物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)生物效應(yīng)關(guān)系。 無機(jī)抗癌藥：二氯茂鉄、卡鉑等。 解毒劑：EDTA的鈣鹽。 治療糖尿病藥：釩化合物。 治療白血病藥：砷化合物。,無機(jī)化學(xué)與藥物,無機(jī)化學(xué)的開發(fā)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要,.,38,八、金屬酶和模擬酶的應(yīng)用,一種立方烷型Mo-Fe-S簇合物的結(jié)構(gòu)示意圖,兩種線型Mo-Fe-S簇合物的結(jié)構(gòu)示意圖,研究金屬酶的結(jié)構(gòu)與功能合成它們的模擬物，以推動(dòng)它們在生產(chǎn)中的

14、應(yīng)用。,固氮酶模擬研究,.,39,第三節(jié) 生物體中的無機(jī)元素及其生物功能,生命必需元素,生物體的必須元素存在于正常組織之中。 在各物體中有一定的濃度范圍。 如果從機(jī)體排除這種元素將會(huì)引起特殊的生物化學(xué)變化，重新引入這種元素，上述變態(tài)將可以消失。 至少有26種生物體的必須元素。,.,40,占人體總重量低于0.01的元素,人體中 的元素,常量元素,微量元素,C、H、O、N、P、S、Cl、Na、Mg、K和Ca等11種，約占體重的99.25。,Rb、As、B、Ti、Al、Ba、Nb和Zr等8種。,Bi、Sb、Be、Cd、Hg和Sb等6種。,必需微量元素,非必需微量元素,有毒微量元素,占人體總重量高于0

15、.01的元素,鐵、鋅、銅、鉻、錳、硒、鎳、鈷、氟、碘、鉬、釩、錫、硅、溴等15種。,.,41,表1.常見微量元素對人體健康的影響,.,42,表2.微量元素引起的地方病,.,43,表2.微量元素引起的地方病(續(xù)),.,44,微量元素引起的地方病,地方性甲狀腺腫,碘缺乏,地方性克汀病,呆小聾啞癱,.,45,侏儒、先天畸形,厭食、生長障礙，骨畸形,鋅缺乏,六旬母親肩背侏儒兒子30載，用壞20個(gè)背篼,.,46,硒缺乏,克山病,心律不齊，心臟擴(kuò)大，心率衰竭，休克,大骨節(jié)病,肌肉萎縮、發(fā)育障礙、行動(dòng)蹣跚,地方性硒中毒,硒過量,脫發(fā)脫甲，皮膚潮紅、神經(jīng)、牙齒損害,.,47,微量元素引起的地方病(續(xù)),黑皮病

16、,慢性砷中毒,皮膚色素過渡沉著、神經(jīng)性皮炎，致癌。,水俁病,慢性甲基汞中毒,感覺障礙、共濟(jì)失調(diào)，語言、智力障癌。,.,48,鋁過量引起的腦癡呆,鎘中毒,37歲的女工陳麒穗,在重慶市巴南區(qū)渝南鑫光燈具有限公司電鍍車間打工四個(gè)月，體內(nèi)鉻含量竟然超標(biāo)一萬倍!,元素的中毒,骨痛病,易骨折、骨質(zhì)疏松、軟化變形，疼痛,.,49,鬼剃頭,鉈中毒,脫發(fā)、頭暈、乏力、食欲不振，視物模糊。,清華女生“鉈”中毒后無望掙扎11年,直面鉈中毒的攀升,.,50,中國礦業(yè)大學(xué)鉈中毒案,souhu網(wǎng)：檢察日報(bào)2007年08月08日 19歲的常宇慶在大學(xué)讀書期間，對三名同學(xué)心懷不滿，產(chǎn)生報(bào)復(fù)之心。07年5月，常宇慶與陳剛聯(lián)系購買到230克硝酸鉈。 5月29日常宇慶乘同學(xué)上課之機(jī)，將硝酸鉈晶體放入一瓶礦泉水中溶解，用注射器分別向三個(gè)同學(xué)的杯中各注入2毫升。三名同學(xué)喝水后出現(xiàn)鉈中毒反應(yīng)。,.,51,An apple a day keeps the doctor away. He who has heal