1、主族金属有机化合物的合成,(1) 金属与有机卤化物反应,用其它活泼金属(Mg, Al, Zn)时得到相应的金属有机卤化物,例：格氏剂的合成,例: 工业生产甲基锂,2M + RX MR + MX,8Li + 4CH3Cl 4Li(CH3)4 + LiCl,例: 苯基锂的制备,主族金属有机化合物,(2) 金属替换反应,M + MR MR + M ,金属置换次序判据： i. 电极电势较负的金属可将电极电势高的金属还原出来 ii. 电负性低的金属可将电负性高的金属置换出来,例：IA, A和A族所有金属的电极电势都比Hg负，都能与二甲基汞发生金属替换反应。,(3) 复分解反应,金属有机化合物MR与卤化物
2、EX之间的复分解反应MR + EX MX + ER (负碳离子R-和卤素离子X-交换),判断反应发生趋势： 电负性判据：烃基从电负性低的元素转向电负性高的元素烃基选择结合电负性高的元素形成共价键， 卤素选择电正性大的元素与之形成离子型化合物。,最常用的试剂: LiR, MgR 或AlR 和A，A, A族元素卤化物,例：Li4(CH3)4 + SiCl4 4LiCl + Si(CH3)4Al2(CH3)6 + 2BF3 2AlF3 + 2 B(CH3)3,较软（酸性强）的元素与有机基团相结合， 较硬（碱性强）的元素与Cl- 或F- 结合。,软硬酸碱原理：,(4) 加成反应,金属氢化物与烯烃的加成
3、反应可得到烷基金属化合物EH + CH2= CH2 EH2C-CH3 (E-C键强度一般大于E-H键),硼氢化反应,硅氢化反应,在不对称烯烃的硼(硅)氢化反应中， 体积较大的含B或Si基团一般加成到空间位阻较小的碳原子， 体积较小的氢原子加成到空间位阻较大的碳原子。,主族金属有机化合物的反应性,(1) 还原性：,金属有机化合物都可能是还原剂 价轨道未充满的电正性元素的金属有机化合物是强还原剂， 与空气接触即自发燃烧，接触大量氧化剂时可能发生爆炸。 如：Li4(CH3)4, Zn(CH3)2, B(CH3)3 , Al2(CH3)6 挥发性化合物(如烷基硼化物) 应在真空中操作， 挥发性小的空气
4、敏感化合物应在惰性气体氛围中操作，Si(CH3)4, Sn(CH3)4等没有低能级空轨道，提高温度才能引发燃烧，可在空气中操作。,合成有机金属化合物的手套箱(glove box),(2) 亲核性,连接于电正性金属之上的有机基团所带的部分负电荷使该基团成为强亲核试剂和Lewis碱。 烷基锂，烷基铝和格氏试剂是常用的亲核试剂, 用于有机合成。,(3) Lewis酸性,例2. Al2(CH3)6与叔胺反应时，甲基桥断裂生成Lewis酸碱配合物Al2(CH3)6 2 N(C2H5)3 2(CH3)3AlN(C2H5)3该反应说明了Al-CH3-Al的 3c-2e键是弱键,由于金属上存在空轨道， 缺电子
5、金属有机化合物都是Lewis酸,例1. B(C6H5)3 + Li(C6H5) LiB(C6H5)4 可看作是强碱C6H5-由弱Lewis酸Li+转移至较强的酸B(C6H5)3,金属有机化合物反应中有机桥的断裂,也可起到Lewis酸的作用,几种重要的主族金属有机化合物,(1) 碱金属有机化合物,制备:,a. 有机锂化合物,*非常有用的合成试剂*通常以溶液形式存在，甲基锂常在乙醚溶剂中操作，碳链较长的烷基锂溶于烃类溶剂* 性质与格氏试剂相似，但比格氏试剂更为活泼。,HgR2 + 2Li 2LiR +Hg,有机锂化合物的反应性,(1) 与碳碳双键的加成反应,(2) 与醛、酮加成,（4）与卤烷中的卤
6、素交换反应,（3）锂化反应,(2) 碱土金属有机化合物,BeR 和MgR：显著的共价性，CaR, SrR, BaR：较强的离子性,(以甲基为桥聚合成长链),体积较大的有机基团能降低聚合度： 苯溶液中的二乙基铍是二聚体，二叔丁基铍 不聚合。,二甲基铍和二甲基镁： 多聚结构，金属原子之间存着两个3c-2e键的甲基桥,醚合二烷基铍化合物的制备：格氏剂分解反应 BeCl2 + RMgX + (C2H5)2O ,二环戊二烯铍的制备：卤化铍与NaC5H5之间的复分解反应BeCl2 + 2NaC5H5 Be(C5H5)2 + 2NaCl,制备：,非醚合产物的制备： 二烷基汞的金属替换反应 Be + H3C-
7、Hg-CH3 ,Be的电负性比Mg高,BeR2O(C2H5)2 + 2MgXCl,Be 的电负性比Hg高,. Be(CH3)2 . + Hg,C5H5离子转移至电负性更高的Be(),(1) 简单的有机铍化合物能与氧，水或其它弱酸起反应：Be(CH3)2 + CH3OH (CH3)Be(OCH3) + CH4,铍的化合物由于毒性较高而没有广泛的工业应用,反应性：,(2) 二甲基铍容易与Lewis碱形成配合物,Be(CH3)2 + N(CH3)2 (CH3)2BeN(CH3)3,烷基镁卤化物：非常有用的亲核试剂,格氏试剂,制备：卤代烷与金属镁反应(乙醚溶剂) 由于镁表面的氧化膜有动力学势垒，通常加
8、入痕量碘作引发剂,格氏试剂只能用在制备Lewis碱性不太强的化合物的反应中， 如果产物为Lewis 酸，醚则与之形成不希望得到的配合物， 如：BF3 CH3MgX(乙醚溶剂)(CH3)3BO(C2H5)2应选用烷基铝或烷基锂作试剂， 这些试剂可在烃类溶液中使用,有机硅高聚物,硅二醇和硅三醇都不稳定，一旦生成即发生分子间脱水，形成具有硅氧链的缩聚物，称为多缩硅醇，又称聚硅醚或聚硅氧烷。由硅二醇失水可得线型缩聚物。,硅三醇缩聚则可得体型结构的缩聚物,硅油是无色透明的油状液体，不易燃烧，对金属没有腐蚀性，绝缘性及化学稳定性良好，常用作精密仪器的润滑剂，高级变压器油，还可作为热载体。表面张力小，是良好
9、的消泡剂。,(1)硅油,聚合度在2000以上，相对分子质量在4050万之间的高聚物是无色透明软糖状的弹性物质，称为硅橡胶。硅橡胶耐低温和高温，无毒，无味，化学稳定性好，近年来也用于制造人造心脏瓣膜和血管等。应用最广的为甲基硅橡胶。,(2)硅橡胶,硅树脂耐热，抗油，抗水，并具有高度的绝缘性，广泛应用于电器工业中。,(3)硅树脂,用(CH3)2SiCl2和一定比例的CH3SiCl3进行水解，生成的甲基硅三醇能与其他三分子硅醇进行分子间脱水，形成的体型结构的高聚物叫甲基硅树脂：,生物无机化学生命体的无机化学， 研究生物体内的金属元素和其它无机元素在生物体内的形态、结构特征、特性和功能, 从分子水平上
10、研究它们与生物分子相互作用的科学。,生物无机化学,生物学,无机化学,生物无机化学,研究生物体系内金属元素和其它无机元素 在生物体内的形态、结构、特性和功能 StructurePropertyActivity Relationship,生物无机化学,对处于生命环境中的无机离子进行研究的学科,机体中固有的无机元素环境接触中外来的以及 人为引入机体的无机元素,生物无机化学研究的内容,1. 研究人体及其它生物体，需要哪些金属元素和非金属元素，它们在各种器官组织中的分布状况、存在状态、作用机理和功能以及最佳摄取量等。为维持生物体（尤其人体）的正常生命活动和健康状态，还研究怎样去科学补充这些元素和如何防止
11、这些元素过量。,2. 研究地球化学环境，特别是污染对人类健康的影响，阐明污染元素在动物体内中毒和致病机理。指出减少污染，防治疾病增进健康的途径。,3. 探讨常见的疾病的发病与某些金属元素与非金属元素之间的关系，研究调节和控制这些元素来防止病变的发生。,4. 合成新的药物并且研究药理。如合成抗癌药物，抗艾滋病药物，研究其抗病机理；合成人造血液（输氧及机理）;合成解毒剂，用于清除重金属中毒;合成某些络合剂（药）去除有害细菌生存的某些金属元素。5. 研究金属离子与生物配体（氨基酸、蛋白质、核酸、卟啉等）所组成的配合物或人工合成的其中某些模拟化合物，揭示其结构、性质与生物功能之间的关系，以期为人类尽可
12、能多地积累有关生命本质的信息，并最终汇同其他学科共同阐明生命本质的问题。,生物无机化合物的类型,构成生物体的物质大致可分为结构物质和功能物质两类，用来构成生物体的形态和结构的物质为结构物质，如构成动物骨骼的磷酸钙。具有一定生物功能的物质为功能物质，如激素酶、血红素蛋白等。生物无机化学所研究的化合物，几乎全为生物体的功能物质，其中最主要的是金属离子与生物配体构成的配合物，主要包括以下几种类型：,1.氨基酸配合物： 已经从人体血清中分离出氨基酸配合物如L-谷氨酸胺铜（）、L-组氨酸-锌（）等。作用：参与体内金属离子输送也可发生体内分子间金属离子的交换。,2.卟啉配合物：最主要的是血红素和叶绿素。前
13、者为卟啉铁（）配合物，它是血红蛋白能实现载氧功能的基础。叶绿素是卟啉镁的配合物，起光合作用。,3.维生素B12族：通常称为钴胺素或钴维素。为一类含钴的多环配合物。在自然界中，维生素B12常以辅酶的形式存在，是最主要的辅酶之一。VB12对维持肌体正常生长以及红细胞的产生都是极其重要的。,4.铁色素：这是一类天然的非金属蛋白质六配位铁（）配合物的总称。它们在生物体内起着储存铁和运送铁的作用。,5.离子载体：许多物质（如Na+、K+及葡萄糖等）通过细胞膜时，都和膜上某种专一性的载体有关。一般来说，载体都是组成膜的某种蛋白质。载体的作用是“识别”离子或其它物质，和其形成配合物或复合物，并将其从膜的一侧
14、转运导膜的另一侧。对运载金属离子的载体，一般称它为离子载体。除蛋白质外，某些抗菌素如缬氨酶素，也是离子载体。,6.金属蛋白：这是金属离子或金属离子与小分子配体配合物（为血红素）和蛋白分子构成的配合物。金属蛋白的种类很多，生物的功能也各异，但都是生物体内重要的功能物质。为血红蛋白（输送氧），肌红蛋白（储存氧），细胞色素C（电子传递），铁蛋白（储存铁）和铁传递蛋白（输送铁）等，都是重要的金属蛋白。,7.金属酶：也是由金属离子或（金属离子与小分子配体而成）小分子配合物与蛋白质分子作用而成的配合物。是一类具有催化活性的金属蛋白。为锌酶、铜酶、铁酶、钼酶等，都是重要的金属酶。,8.核酸和核苷酸配合物：
15、核酸是生物的基本遗传物质。人们发现在核酸分子中含有多种金属离子，为锌（）、镁（）、钙（）等。核酸的生物功能可能和这些金属离子有关。核苷酸是核酸生物合成的前体。在生物合成核酸的过程中，也有金属离子参与。金属离子的存在可能与配位化学有关，因此研究核酸与核苷酸的金属配合物，对了解它们的性质、揭示核酸生物合成的规律和金属离子与核酸生物功能的关系，并进一步阐明遗传的本质和变异的原因，无疑都是重要的。,主要的生物配体有：蛋白质、氨基酸、卟啉、核酸、核苷酸以及酶。,生命元素,周期表中109种元素，其中稳定元素为90种左右。这些元素，均可在地球表面找到。人们把维持生命所需的元素称为生物体必须元素，简称生命元素
16、。,生命元素特征： （1）存在于正常组织中； （2）在各组织中有一定的浓度； （3）如果机体缺乏这种元素，将会引起生理或结构变化，重新引入这种元素，又会复原。,现发现，生物体中至少含有26种必需元素,随着研究的深化，其它微量元素还可能会被发现。表1-1列出了人体中的主要19种元素及含量。表1-1 体重70Kg的人的元素平均含量,生物体中元素分布, 99.95%,O, C, H, N, P, + S, Ca, Na, K, Cl, Mg,Fe, Zn, Cu, V, Cr,高量元素：H C N O P S 占比例大， 组成生物体中蛋白质、糖类、脂肪、核酸。,常量元素：Na K Ca Mg Cl
17、为常量元素，以离子形式在体内运动。,低量元素：Fe Zn Cu,微量元素：Mn Mo Co Cr V Ni Sn F I B Si Se,当然这26中必须元素也不是任何生物都必不可少的。 如钠，人和动物必需，而植物不是必需。 如硼，植物必需，而动物并非必需。 除了必需元素之外，生物体内还有一些其它元素，如Sr、Al等。功能尚未清楚，称为中性元素。,重要的生物配体,氨 基 酸,蛋白质,蛋白质由氨基酸构成，氨基酸彼此以肽键结合成肽链，再由一条或多条肽链按特殊方式组合成蛋白质分子。肽键是由一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基结合失去一分子水而成。,多个氨基酸以这种方式首尾相接形成肽链，肽链中的氨基酸
18、已经不再是原来的完整的分子，称为氨基酸残基。超过十个残基的肽称为多肽。,以各种氨基酸按一定顺序排列构成的肽键骨架-蛋白质的基本结构。蛋白质的相对分子量可高达106，小的也有104以上。,蛋白质的一级结构,在蛋白质多肽链中， 一个肽键的羰基氧可能 和另一个肽键的亚胺氢形成氢键：,通过氢键形成的多肽链的空间排布，即多肽链主干的构象。 二级结构一般有两种：螺旋结构和 折皱结构,蛋白质的二级结构,螺旋结构,39,蛋白质中常见的一种二级结构，肽链主链绕假想的中心轴盘绕成螺旋状，一般都是右手螺旋结构，螺旋是靠链内氢键维持的每个氨基酸残基（第n个）的羰基氧与多肽链C端方向的第4个残基（第n4个）的酰胺氮形成
19、氢键。在典型的右手-螺旋结构中，螺距为0.54nm，每一圈含有3.6个氨基酸残基，每个残基沿着螺旋的长轴上升0.15nm。-螺旋结构的主要特征为：肽链以螺旋状盘卷前进，每圈螺旋由3.6个氨基酸构成，螺圈间距（螺距）为5.44埃；螺旋结构被规则排布的氢键所稳定，氢键排布的方式是：每个氨基酸残基的NH与其氨基侧相间三个氨基酸残基的CO形成氢键。这样构成的由一个氢键闭合的环，包含13个原子。因此，-螺旋常被准确地表示为3.613螺旋。螺旋的盘绕方式一般有右手旋转和左手旋转，在蛋白质分子中实际存在的是右手螺旋。,折皱结构,蛋白质三级结构,蛋白质四级结构,氨基酸和金属离子配位时，一方面利用分子中的-CO
20、O-基氧原子和金属发生共价结合，另一方面是由-NH2基中的氮原子提供孤电子对与金属离子形成配键。但在丝氨酸，苏氨酸和酪氨酸中的-OH基也能进行配位。另外，组氨酸的咪唑基，半胱氨酸的SH基以及蛋氨酸的-C-S-C-(硫醚)基都是重要的配位基团。肽与金属离子配位时，一般以肽分子中的O或N原子作为配位原子。,氨基酸，肽和蛋白质和金属离子的配合,肽与金属离子配位时，一般以肽分子中的O或N原子作为配位原子。,蛋白质与金属离子结合与氨基酸或短肽链有所不同。在金属蛋白质分子中，两个配位原子之间往往隔着数目很多的氨基残基。起配位作用的氨基酸残基有：半胱氨酸，蛋氨酸，酪氨酸，谷氨酸，天冬氨酸，赖氨酸，精氨酸和组
21、氨酸。,含金属离子的生物分子在生命体中的主要功能,金属蛋白：含有金属离子的蛋白质。 金属酶：能执行催化功能的金属蛋白, 金属酶之外的其它金属蛋白：大致可分为电子载体蛋白, 小分子载体蛋白，金属贮运蛋白, 金属调节蛋白等四大类.,金属蛋白,a. 电子载体蛋白主要有三种, 含铁血红素的细胞色素类蛋白, 含Fe-S簇合物的铁硫类蛋白和含Cu的蓝铜蛋白, 它们利用具有氧化还原性的金属离子Cu2+/Cu+, Fe3+/Fe2+作为生物体中电子接受的载体蛋白中心, 成为生物体中电子传递链的重要环节。,a. b. 小分子载体蛋白主要包括O2, NO, CO等小分子的结合和运载蛋白, 其中氧运载蛋白有血红蛋白
22、-肌红蛋白类, 血蓝蛋白和蚯蚓血红蛋白三类, 血红蛋白是以血红素为辅基的含铁金属蛋白, 蚯蚓血红蛋白是含双核铁的金属蛋白, 血蓝蛋白是含铜中心离子的金属蛋白。,c. 金属贮运蛋白主要是指一些承担生命必须元素在体内贮存和转运作用的金属蛋白, 主要有Fe, Zn, Cu蛋白, 如铁蛋白(ferritin)是铁的贮存蛋白, 每个蛋白分子内腔可贮存4900个无机铁离子, 以避免过量铁离子对其它生物分子的毒害作用, 而当生物体需要铁时, 又可从中取出, 由运铁蛋白(transferring)输送到需要铁的生物分子的合成过程中去。,d.金属调节蛋白是近几十年来发现的， 具有重要生物功能的一类金属蛋白。生物
23、体中某些蛋白质能够在金属离子的调制下生成具有各种特定蛋白质结构或结构域的金属蛋白, 它们与其它蛋白质或核酸作用, 结合于特定的部位, 从而启动或调制一系列后续的生物化学反应, 或者控制和调节DNA和RNA的转录, 翻译和表达, 其中最典型的有以Ca调蛋白(Calmodulin)为代表的钙结合蛋白。 重金属蛋白和近年来发现的各种锌指类蛋白(zinc finger proteins)。,金属酶 (metalloenzymes),金属酶是一种以三级结构的蛋白质大分子为配体的金属配合物, 它具有独特的催化活性, 是生物体中广泛存在的生物催化剂。生物体中各种复杂的生物化学反应能在温和条件下(室温, 常压
24、, 中性介质)下迅速进行, 根本原因在于生物体中存在着各种具有高催化效率的酶。它的催化效率比一般普通的无机有机催化剂高7-13个数量级, 例: 1mol Fe3+在0C, 1秒内可以催化分解10-5mol H2O2, 同样条件下, 1mol H2O2酶可催化分解105 mol H2O2。 酶的催化作用具有高度专一性, 即一种酶只作用于某一类或某一种特定的物质(底物), 在现已知的2000多种酶中, 约有1/3酶在行使其催化活性时需要金属离子作辅助因子, 这些金属离子或是直接参与了催化活性部位的构成, 或是它的存在有利于底物和酶的结合, 或是通过稳定的酶分子构象起到调控活性的作用。金属离子与酶蛋
25、白的结合强度也各不相同, 根据强度差异, 可分为金属酶和金属激活酶。,金属酶一般含有化学计量的金属离子作为辅因子(cofactor), 它们与蛋白肽链之间的结合相当牢固, 通常金属-酶蛋白配合物的结合常数达到107-108mol-1 L。金属激活酶虽然也需要金属离子的参与才能表现出活性, 但金属离子与酶蛋白并不牢固结合。,金属酶,参与金属酶组成的主要是过渡金属离子, Fe, Zn, Cu, Mn, Co, Mo, Ni等, 它们在氧化还原酶、 转移酶、水解酶、聚合酶、异构酶和连接酶六大类酶中以金属酶的形式存在, 并发挥着独特的作用:,A a. Lewis酸的作用, 带正电荷的金属离子通过吸电子
26、诱导效应使底物局部显正电性, 从而使羧基或水分子易于对底物进行亲核攻击, 导致底物分子水解, 如在许多水解酶(羧肽酶, 碳酸酐酶)中Zn2+ 的作用。,c. 模板作用, 金属离子通过立体化学特性, 对酶或底物的空间构象进行调整, 促使酶与底物具有相互匹配的构象, 从而激活或增强酶的活性, 例如: 某些金属离子对以磷酸吡哆醛为辅因子的酶的活性的增强作用, 就是这种模板效应的具体体现.,a. d. 结构固定作用: 金属离子能固定酶蛋白的特定几何构象, 以便于某一特定底物附着其上, 这种结构固定作用在肝醇脱氢酶中十分明显。,A b.桥联作用, 底物与酶蛋白同时结合在金属离子上, 以金属离子为桥梁使得
27、底物分子与酶分子更易接近, 甚至处于同一配位球体内, 便于各种酶促反应的进行, 如羧肽酶中Zn2+起底物肽链的锚柱作用, 在它的桥联作用下, 才开始一系列的构象变化, 完成肽链上端氨基酸的水解反应.,a. e.电子传递作用, 在许多氧化还原酶中, 金属离子通过氧化态的变化起着电子传递的作用, 如细胞色素酶中Fe2+/Fe3+中心和超氧化物歧化酶中Cu+/Cu2+ 中心等.,金属激活酶 (metal-activated enzymes),在生物体的众多酶中, 有一种需要由金属离子或金属配合物激活其生物活性, 以实现其催化底物的生物反应的功能, 这一类酶称为金属激活酶。 辅因子若为金属离子, 金属
28、离子称为激活剂, 若为配合物, 配合物称为辅酶。 在金属激活酶中, 金属离子或金属配合物与蛋白质肽链结合较弱, 金属离子是作为此类酶的辅因子起作用的, 它们在酶促反应中,可以稳定底物的构型, 使之适合于酶蛋白的结合, 或使底物的构型有利于它在蛋白质上的取向和反应, 也可以因其结合, 改变蛋白质的构象, 或通过电荷作用, 改变蛋白质分子的电荷分布, 使离域底物与其它分子结合。比如Mg2+可以激活许多酶, 所有作用在象ATP这些核苷上的酶都需要Mg2+作为辅酶, 典型的Mg2+激酶有己糖激酶, 葡糖激酶, 磷酸核糖激酶, 吡哆醛激酶等。,ATP ： 腺苷三磷酸,宏量金属元素,Na+, K+ Na+
29、：体液中浓度最大和交换最快的阳离子。血浆中Na+浓度达1.5210-3 molL-1 主要功能：调节渗透压，保持细胞中最适水位；将葡萄糖、氨基酸等营养物质输入细胞；参与神经信息的传递；保持血液和肾中的酸碱平衡。K+：半径比Na+大，电荷密度较低，扩散通过脂质蛋白细胞膜时几乎与水一样容易。细胞液中含K+ 浓度为1.5410-3 molL-1主要功能：某些内部酶的辅基，起激活酶的作用。葡萄糖的新陈代谢作用需要高浓度的K+, 用核糖体进行蛋白质合成也需要高浓度的K+K+起着稳定细胞内部结构的作用。,Ca2+,Ca2+的主要生物功能：(a) 稳定蛋白质构象，如 DNA酶和微生物蛋白酶中的Ca2+的作用
30、(b) 形成各种生物体的固体骨架物质， 如骨骼和生物壳体, 大部分是由羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)12组成的；(c) 促进血液凝固和调节心律。(d) 引发某些生理活动的功能，肌肉收缩的触发器，释放激素的信史等；,Mg2+,Mg2+是一种内部结构的稳定剂和细胞内酶的辅因子, 细胞内的核苷酸以Mg2+配合物的形式存在。Mg2+倾向于与磷酸根结合, 所以Mg2+对于DNA复制和蛋白质生物 合成是不可缺少的。Mg2+在光合作用中具有重要功能。,叶绿素a： Mg2+ 的大环化合物, 能吸收可见光区的红光和蓝至近紫外光, 为光合作用提供能量。,Fe2+,Fe是人体中最丰富的过渡金属元素，一般含量
31、为45g, 铁在人体中的分布和功能是多样的。,(a) 血红蛋白(Hb)和肌红蛋白(Mb),血红蛋白(Hemoglobin Hb)： 血液中红细胞的主要成分，在成熟的红细胞中，Hb占湿重的32，干重的97。血液中的红色即是由红细胞中的Hb造成的。 主要功能：运输和呼吸O2和CO2，人体肺部吸入的O2约有98是 由红细胞中的Hb运送到全身的组织中去，其余2溶解在血液中。,肌红蛋白(Myoglobin, Mb)： 主要功能：肌肉中的载氧物质，贮存和提供肌肉活动所需要的 氧，在氧气分压较低的情况下，它与氧的结合能力比Hb强， 在肌肉缺氧时，它便释放O2以供肌肉收缩的需要，在人的心肌，鸟的飞翔肌肉中，M
32、b的含量很高。,Hb和Mb: 血红素(heme)为活性中心的金属蛋白 血红素: Fe()和原卟啉形成的金属卟啉配合物,Hb和Mb的结构,卟吩,血红素,卟啉,以Fe()为中心离子的蛋白质配合物， 一条多肽链和一个Fe()-血红素基团组成。分子量约为17000，肽链上的组氨酸残基的咪唑侧链和血红素基团中的Fe()配位，使两者连接在一起。,Mb的结构,不同生物的Mb蛋白的氨基酸数目和排列顺序不完全相同。 人体Mb含152个氨基酸，巨头鲸含153个氨基酸, 但二级结构和三级结构是类似的，由八段螺旋和一些非螺旋松散肽链折叠缠绕而成特殊的空间构象。,Hb 的结构,四个Mb的集合体, 相对分子量为65000
33、，含两种亚单元: 和 每个亚单元含有一条多肽链 和一个血红素基团， 链含有141个氨基酸， 链含有146个氨基酸。 亚单元之间不存在共价键。和亚单元中： Fe()是中心离子，6个配位基， 4个被卟啉环中的N原子所占据， 第五个位置被组氨酸(his) 残基的 咪唑侧链的N原子所占据。,I. 保护血红素基团中Fe()不被氧化到Fe(),Hb和Mb中蛋白质链的功能,II. 保证肌红蛋白和血红蛋白的可溶性,III. 降低血红素对CO的亲和力,血红蛋白和肌红蛋白的功能,血红蛋白：负责输送，从肺部摄取O2然后通过血液循环将O2 (Hb) 输送到各组织中去； 肌红蛋白：负责贮存，从血红蛋白处接受氧气，和肌红
34、蛋白结 (Mb) 合的氧气被贮存，以供细胞呼吸所用。,Hb载输送氧气时， 与O2的结合和解离取决于O2的分压,氧饱和度：,Hb + O2 = HbO2,肺泡中氧气的分压约为100mmHg*, 高于静脉血的氧气分压，血红蛋白可从肺泡中摄取氧，形成氧合血红蛋白。 细胞组织中氧的分压为40mmHg, 又低于动脉血氧的分压， 血液循环所带来的氧可以释放到组织中去，起输送氧气的作用。,Zn2+,Zn 在人体中的含量为23g, 仅次于铁，比Cu高6倍， 人体中的Zn，大约1/31/4储存在皮肤和骨骼中， 血液中的锌，12-20在血浆，75-80在红细胞-，3在白细胞每个白细胞中的含锌量是红细胞中的25倍以
35、上。 红细胞中的锌主要在碳酸酐酶中。,Zn2+易与PO43结合，磷酸酯被碱性磷酸酯酶水解的过程与Zn有密切的关系。 Zn2+可以促进创口愈合，可以将视网膜固定在脉络膜上， Zn还在遗传学上，人体的骨骼发育等生理活动中起重要作用 侏儒症就是先天性缺锌的结果。,Cu2+,铜在人体中的含量为100150mg, 是一种重要的痕量元素， 主要作用是进行氧化还原反应。 铜存在于12种酶中，如血蓝蛋白，超氧化物歧化酶，蓝铜蛋白等.,血蓝蛋白(henocyanin),血蓝蛋白在某些动物的血液中是载氧体，比如蜗牛, 章鱼,螃蟹等。天然的血蓝蛋白分子量约78106。每个分子含120个亚单元，有着特征的深蓝色，O2
36、分子结合在两个Cu+上,（组氨酸碱性基团）,2. 金属中毒与解毒,(1) 金属中毒,(a) 封闭了生物分子必要的功能基团, 使生物分子丧失正常功能例：亲硫的Hg(), Pb(), Cd()容易和蛋白质分子中的Cys(半胱氨酸)残基的巯基(-SH)结合, 而后者处于很多酶的活性部位; (b) 置换了生物分子中必需的金属离子例：Be()能置换Mg() 进入激酶, 但Be()不能使这些酶具有生物活性; (c) 改变了大生物分子的活性构象, 生物大分子的功能发挥取决于其特定的构象, 而不适当的金属离子可能改变甚至破坏这种构象。,a. 汞中毒,主要的金属离子中毒:,汞具有较高的蒸气压, 汞蒸气能被肺吸收
37、, 溶解于血液中, 然后进入大脑, 对中枢神经造成不可逆转的伤害。 汞和汞的化合物在某些厌氧细菌的作用下, 转变为(CH3)2Hg和CH3Hg+, 在鱼类和哺乳动物体内发现的汞化合物多为CH3HgX。 RHgCl能和细胞膜作用, 改变细胞膜的通透性, 破坏血红细胞. 汞对蛋白质和酶的作用, 是由于它和蛋白质中的半胱氨酸残基的巯基结合, 堵塞了酶的-SH基团, 抑制了SH-酶的活性. 汞中毒的病症是颤抖, 呆滞, 运动失调, 严重时死亡. 最严重的汞中毒病例发生在日本的水俣, 被称作”水俣病”, 是因为当地的渔民吃了含CH3HgCl的鱼, 患上了这种病.,b. 镉中毒,镉中毒主要来自镉金属和Cd
38、() 盐以及它的螯合物, Cd()的毒性作用可能是因为Cd()和Zn() 性质相似, 可以在许多含锌酶中取代锌, 从而抑制了含锌酶的活性. 如：碱性磷酸酯酶, 醇脱氢酶, 碳酸酐酶等含锌酶都可以因为镉的取代而失去活性. Cd()可以强烈地与蛋白质地半胱氨酸残基地-SH结合, 抑制-SH-酶的活性。 由于Cd2+半径与Ca2+ 半径大小相近, 能取代骨骼中的Ca2+而引起骨痛病，但是饮食的性质可以影响镉的吸收, 当饮食中钙的含量低时, 在肝和肾中积累的镉含量比较高，说明镉的代谢和钙的代谢之间存在某种联系, 钙含量高时, 镉吸收少。,c. 铅中毒,Pb和Hg() , Cd()相似, 会抑制-SH酶
39、的活性, 铅中毒的典型症状是贫血。 这是由于卟啉的代谢过程出现混乱造成的. 铅实际上影响到血红素合成的各个阶段, 常影响到铁嵌入卟啉环的过程。 工业中有机铅是一个重要的铅来源, 如汽油中的抗爆剂Et4Pb, 在体内会分解为无机Pb(), Pb()不仅影响卟啉的代谢过程, 而且还会在神经组织中积累起来, 伤害脑和神经, 尤其影响儿童的智力发展。,d. 铍中毒,铍已经成为一个环境污染的严重问题, 铍的毒性机制就是由于铍能够和Mg()竞争, 而且由于它具有更大的电荷/半径比值, 它的结合能力强于Mg()。有好几种酶的活性可被Be()抑制, 而且这种抑制一旦产生, 使用Mg()置换也难于失其再生, B
40、e()也破坏DNA的合成, Be()特别容易在细胞核内积累, 抑制核分裂能力。,硒是有益身体健康的, 因为它能阻止过氧化氢的氧化作用, 但是过量的硒会引起器官畸变.如在饮食中每克食物中的硒含量若大于5g, 会引起肝坏死和肌肉营养不良症。 家畜吃了富硒的饲料会患家畜晕倒症(急性硒中毒). 但是, 如果每克食物中的硒含量为3g的日常剂量却又可以促进羊的生长。金枪鱼体内的汞含量很高, 但观察不到金枪鱼有任何中毒现象, 同时发现金枪鱼体内的硒含量也非常高, 而且当动物食用金枪鱼肉时, 可以缓解汞中毒, 这说明硒的存在可以抑制汞的毒害作用.,e. 硒中毒,f. 铝中毒,铝的毒性主要来自它的高Z/r值,
41、因此它与硬的氧配体(磷酸盐)能形成比Ca2+, Mg2+离子更稳定的配合物, 如果让Al3+穿透生物细胞, 它将是一个很强的毒素. 因为它干扰磷酸根离子正常的生理功能. 在生理pH条件下, 几乎所有溶解的Al3+ 都是以Al(OH)4- 形式存在, 作为一个带负电荷的物种, 不容易穿透生物膜, 也不象Al3+ 那样结合磷酸根离子. 因此, Al3+ 通常不穿透人体的关键性器官如大脑的细胞。如果消化系统和排泄系统的正常保护机制遭到破坏, 则会造成Al3+ 离子可能在体内蓄积, 使骨骼败坏(骨骼软化症)和大脑受损(导致痴呆症)。 硅酸盐在生理pH条件下, 生成可溶性的铝硅酸盐而促进Al的排泄。 铝
42、在人体中的吸收部位与钙相同, 主要位于小肠的上部, 其吸收可能与Ca2+竞争可溶性蛋白有关, 从而干扰Ca, P 的代谢, 铝的毒性主要表现在对神经, 骨骼和细胞遗传三个方面的毒害。,(2) 解毒,细菌发展了对有害离子(如Cd2+, Pb2+, Ag+, 汞及砷化物)的抵御能力, 包括用跨膜离子泵将这些离子运出细胞, 将它们氧化和还原成较大挥发性或较小毒性的物种, 或者利用简单配体, 蛋白质及细胞膜将这些离子结合或螯合除去:,细菌清除重金属的几种机制,(a) 与外膜的结合作用， (b) 通过化学还原或甲基化作用形成易挥发物种， (c) 被配体或蛋白质结合， (d) 用离子通道运出细胞外,酵母,
43、 真菌, 高等植物以及动物体内都含用来结合重金属的金属硫蛋白(MT), 它们是富含半胱氨酸的小分子蛋白, 它是参与铜, 锌体内平衡的重要蛋白质, 对于其它非必需金属来说, MT的作用是解毒, MT对金属吸收的顺序是：Zn() Pb() Cd() Cu(), Ag(), Hg(), Bi()MT同时在体内还起到协调锌铜含量的稳态调控的作用。研究表明, MT是在体内过量金属离子的诱导下合成的, 实验发现, 如果动物饲料中Cd2+, Cu2+, Zn2+的量增加, 则动物肝, 肾等器官中合成的MT的量也会增加。如果事先给动物注射小剂量的有害金属Pb2+, 然后再注射大量Pb2+, 则不会发生中毒现象, 而一次性地注射大量Pb2+, 则引起动物中毒。原因是在少量Pb2+ 诱导下, 动物体内合成了一定量地MT, 起到了预防的作用, 增强了肌体抵御重金属离子毒性的机能。 MT所提供的生物体的自身解毒作用及某些元素对金属毒性的抗拮作用是有限的。,金属硫蛋白(MT)的解毒机理,解毒剂的解毒原理,利用配位能力更强的配体将有害金属离子从其结合部位夺取下来, 形成更稳定的而且对生物体无害的配合物, 并且能够迅速排出体外。 同时, 一个有效的解毒剂还应满足药理学要求, 如较好的水溶性, 能抗代谢降解, 容易通过细胞膜, 与有毒金属生成的配合物容易排出体外等。,常见的几种重要的金属中毒解毒剂：,
