《高等无机化学》课件.ppt

第8章 生物无机化学,掌握生物无机化学基本概念 掌握金属蛋白的分类及其作用 掌握仿生合成基本概念及原理 了解金属中毒的原因及解毒机理 了解金属离子在生命体中的作用 了解生物固氮的意义及方法,目标&要求,引言,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,从分子水平上研究它们与生物分子相互作用的科学。,一、金属离子在生命体中的作用二、金属离子中毒和解毒三、无机材料仿生合成四、生物固氮,第一节 金属离子在生命体中的作用,1.1 金属离子在生命体中的存在形式 1.2 金属生物分子的分类及功能1.3 金属离子在生命体中的作用,第一节 金属离子在生命体中的作用,1.1 金属离子在生命体中的存在形式,金属离子在生命体中通常不以游离态存在，而是与生物分子配合形成金属配合物。生命体中的生物分子包括氨基酸、肽和蛋白质，均可以和金属离子配合形成配合物。,第一节 金属离子在生命体中的作用,1.氨基酸和金属离子配位 氨基酸和金属离子配位时，一方面利用分子中的-COO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。,1.1 金属离子在生命体中的存在形式,丙氨酸,氨基酸,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。,第一节 金属离子在生命体中的作用,2.肽和金属离子配位 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。,1.1 金属离子在生命体中的存在形式,肽与多肽,氨基酸彼此以肽键结合成肽链，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。,多个氨基酸通过肽键首尾相接形成肽链，肽链中的氨基酸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。,第一节 金属离子在生命体中的作用,3.蛋白质和金属离子配位 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酸残基。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，精氨酸和组氨酸等。,1.1 金属离子在生命体中的存在形式,蛋白质,蛋白质由氨基酸构成，由一条或多条肽链按特殊方式组合成蛋白质分子。,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,折皱结构,蛋白质三级结构,蛋白质四级结构,第一节 金属离子在生命体中的作用,1.2 金属生物分子的分类及功能,含金属离子的生物分子（金属生物分子）的分类,金属蛋白,其他金属蛋白,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：（大致可分为四大类）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,1.电子载体蛋白 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。,2.小分子载体蛋白 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-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。,3.金属贮运蛋白 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,由运铁蛋白输送到需要铁的生物分子的合成过程中去。,4.金属调节蛋白 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。,5.金属酶,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,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。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。金属离子与酶蛋白的结合强度各不相同,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,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107-108 mol-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的结合并不牢固。,5a.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.Lewis酸的作用 带正电荷的金属离子通过吸电子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。,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.,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。,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。,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。,5b.金属激活酶,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作为辅因子激活其生物活性,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。,第一节 金属离子在生命体中的作用,1.3 金属离子在生命体中的作用,宏量金属元素：Na,K,Ca,Mg微量金属元素：Fe,Zn,Cu超微量（痕量）金属元素：Mn,Co,Mo,Ni,Cr,V,Cd,Sn,Pb,Li,第一节 金属离子在生命体中的作用,1.宏量金属元素Na+和K+Na+：体液中浓度最大和交换最快的阳离子 血浆中Na+浓度达15210-3 molL-1主要功能：调节渗透压，保持细胞中最适水位，通过钠泵作用 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15410-3 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。,Na+,K+在细胞内外分布不均匀细胞内部：K+：15410-3 molL-1,Na+：1010-3 molL-1细胞外部：Na+：15210-3 molL-1，K+：510-3 molL-1,离子泵的机制,离子泵的运行机理,ATP：三磷酸腺苷,Na+,内 外,第一节 金属离子在生命体中的作用,2.宏量金属元素Ca2+,Ca2+在细胞内的浓度:10-5mol-1L-1,在细胞外的浓度:10-3molL-1 钙也是依靠金属泵机制维持这种浓度分布的，这种浓度分布可防止碳酸盐和磷酸盐在细胞内沉淀。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(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 信使等,钙媒介蛋白与Ca2结合而被激活,羧基COO-,刺激 Ca2+流入 与媒介蛋白结合 媒介蛋白激活 增加酶催化活性,细胞外内Ca2+,受刺激,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。,第一节 金属离子在生命体中的作用,3.宏量金属元素Mg2+,Fe是人体中最丰富的过渡金属元素，一般含量为45g,铁在人体中的分布和功能是多样的。,第一节 金属离子在生命体中的作用,4.微量金属元素Fe2+,血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素P-450酶、细胞色素c,(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，Mb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()和卟啉形成的金属卟啉配合物,Hb和Mb的结构,血红素,卟啉,高自旋亚铁脱氧 低自旋正铁氧合 Fe-N 218pm Fe-N 201pm,血红蛋白血红素,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，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。,人体中血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线,曲线上部较平坦：P(O2)从100mmHg80mmHg时,Y降低0.02，当人从平原进入高山时，肺部的P(O2)变化较大，但肺部血液中Y变化较小，仍然保持着人体组织中O2的供应。,曲线中部较陡：在P(O2)变化不大情况下，也能保证血液流经组织时，释放出足够的氧气以供组织需要。,血红蛋白中的一个血红素与O2结合后会引起亚单元构象的微妙变化，有利于其它三个血红素基团与O2的结合，这称为亚基间的合作效应。,Y pH值有较大影响,肌红蛋白为单体蛋白,没有合作效应,氧合程度与氧分压之间具有正常关系，氧合曲线呈抛物线形。,Mb,(b)细胞色素：一类氧化还原酶，是卟啉型配体与Fe配位的一组血红素蛋白，Fe原子处于埋藏在蛋白质分子内的卟啉配位环境中，通过活性部位上的Fe()和Fe()之间的穿梭变化而起作用。,细胞色素C,唯一可溶的细胞色素，最典型的氧化还原蛋白酶，在呼吸链的细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶之间传递电子。,第一节 金属离子在生命体中的作用,5.微量金属元素Se,克山病 Keshan disease 心脏肉眼观察 心脏体积增大，甚至呈球形心壁扩张 心壁可见许多弥漫分布、大小不等的土黄色 及白色 瘢痕；心室壁附壁血栓形成。,患克山病而半身瘫痪的彝族儿童,克山病患者主要病变在心肌，由于心肌细胞受损，心脏收缩能力减弱，最终导致心力衰竭而死亡。其机理是缺硒后脂质过氧化物酶活性增强造成脂质过氧化物增多、自由基代谢紊乱，引起心肌纤维坏死，心肌小动脉和毛细血管损伤。而含硒的谷胱甘肽过氧化物酶可使脂质过氧化物分解，从而保护了心肌细胞膜的完整。,不同人群硒的推荐摄入量(RNI)g/d,成年人硒的UL为40g/d,含硒较多的食物,谷类：豆及豆制品类，芝麻，麦芽等,肉类：瘦肉，海鲜（如龙虾，金枪鱼等），动物内脏（如肝，肾等）,蔬菜及其他：大蒜，蘑菇，海带，紫菜，木耳，坚果，葵花籽等,其症状为：胃肠障碍、腹水、贫血、毛发脱落、指甲及皮肤变形、肝脏受损。正常人如摄入超过800g/d硒有产生中毒的危险。,硒越多越好吗？,No!,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。红细胞中的锌主要在碳酸酐酶中。,Zn2+的主要生物功能：(1)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。(2)Zn2+可以促进创口愈合，可以将视网膜固定在脉络膜上。(3)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。,第一节 金属离子在生命体中的作用,6.微量金属元素Zn2+,铜在人体中的含量为100150mg,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。,第一节 金属离子在生命体中的作用,7.微量金属元素Cu2+,(a)血蓝蛋白,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分子结合在两个Cu+上。,(b)超氧化物歧化酶（SOD）,牛超氧化物歧化酶结构示意图,SOD 可以清除人体的超氧负离子自由基,被誉为人体中的清道夫，具有防御氧的毒性，抗腐蚀损伤，延缓衰老，防治肿瘤等多种生物功能。,牛超氧化物歧化酶Cu与Zn的结合部位,Cu2Zn2SOD活性部位的喇叭筒结构,喇叭筒结构可使 SOD能够高效率地清除氧自由基,血浆中9095的铜结合在铜蓝蛋白中，这是一种蓝色的蛋白质，分子量为151000，每个分子中含有8个铜原子，4个为Cu(),四个为Cu()，蓝色来源于Cu()。在铁的新陈代谢中，Fe()氧化成Fe()需要铜蓝蛋白的催化氧化，以利于Fe()和蛋白质的结合形成运铁蛋白，然后将铁疏运到骨髓合成血红蛋白，铜蓝蛋白还能在肝脏中将Fe()还原到Fe()，用于合成血红蛋白，可见，没有铜，铁就不能传递，不能结合在血红素中，红细胞就不能成熟，缺铜也会引起贫血症。,(c)铜蓝蛋白,B12目前已知唯一含Co的生物分子,是唯一含金属离子的维生素。人体中Co的含量为25mg,主要集中在肝脏中。B12 是一种反磁性的Co的配合物。,在B12辅酶中含有Co-C键，这是在生命系统中发现的第一种有机金属化合物，在自然界中是罕见的。,维生素B12，B12辅酶,第一节 金属离子在生命体中的作用,8.痕量金属元素Co2+,B12和B12辅酶可参与多种重要的新陈代谢，具有多种生理功能，如参与蛋白质的合成，叶酸的储存，以及硫醇酶的活化，其主要功能是促使红细胞成熟，缺少B12，血液中会出现一种没有细胞核的巨红细胞，引起恶性贫血症。,第二节 金属离子中毒和解毒,2.1 金属离子中毒2.2 解毒方法及原理,第二节 金属离子中毒和解毒,2.1 金属离子中毒,1.金属中毒的原因,(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。,2.汞中毒,汞具有较高的蒸气压,汞蒸气能被肺吸收,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。,3.镉中毒,镉中毒主要来自镉金属和Cd()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半胱氨酸残基的-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钙含量高50%,钙含量高时,镉吸收少，说明镉的代谢和钙的代谢之间存在某种联系。,4.铅中毒,Pb和Hg(),Cd()相似,会抑制-SH酶的活性,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。,5.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,Be()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.,6.硒中毒,7.铝中毒,铝的毒性主要来自它的高Z/r值,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。,第二节 金属离子中毒和解毒,2.2 解毒方法及原理,1.细菌解毒的几种机制,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等。,(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,细菌清除重金属的几种机制,酵母,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据作用是有限的。,2.金属硫蛋白(MT)的解毒机理,3.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：,Lewis气(Cl-CH=CH-AsCl2)是一种气体有机砷化合物,能引起人的肺及皮肤发生溃烂,在第二次世界大战中被纳粹用作化学武器,BAL可以有效地解除其毒性,此外,BAL还可以解除Hg,Au,Tl,Al中毒,但对Pb的效果较差,BAL有较好的水溶性和脂溶性,但选择性较差。,(a)2,3-二巯基丙醇(BAL,不列巅抗Lewis毒气剂),(b)二巯基丁二酸钠,与BAL相似,二巯基丁二酸钠也能与体内蛋白质和酶分子上的巯基竞争夺取重金属离子,从而发挥解毒作用,它对酒石酸锑钾的解毒效力是BAL的10倍,而毒性仅为BAL的3.5%,临床上用于治疗Sb,Pb,Hg,As 的中毒和预防Cd,Co和Ni中毒。,D-青酶胺是青霉素水解生成的水溶性物质,其结构是在半胱氨酸上附加两个甲基,D-青酶胺和N-乙酰-D-青酶胺分子中也含有形成螯合物的供体S,N,O,能牢固地螯合Cu2+,Cr3+,Au+,Pb2+,Hg2+等重金属离子,形成稳定而可溶性的配合物,由尿排出。青酶胺能排除人体中过量的铜,是治疗Wilson病的有效药物。,(c)D-青酶胺和N-乙酰-D-青酶胺,能和Be2+形成稳定的配合物,是治疗铍中毒的有效解毒剂,水杨酰胺(SAM)也具有同样的作用。,(d)金精三羧酸(ATA),(e)氨羧螯合剂 以EDTA为代表的氨羧螯合剂是成员最多的解毒剂系列,包括有乙二胺四乙酸(EDTA),环己烷二胺四乙酸(CDTA),二乙三胺五乙酸(DTPA),三乙四胺六乙酸(TTHA),双乙氨基硫醚四乙酸(BADS)等,均用于治疗重金属中毒,氨羧螯合剂因对多种金属离子具有强的螯合能力而著称,但这同时也带来了副作用,长期使用会导致人体内必须的金属离子的正常浓度的下降,影响诸多金属酶的活性,引起严重的后果。,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义3.2 仿生合成的技术原理3.3 仿生合成示例,3.1 仿生合成的发展及定义,l 仿生合成的发展及现状l 仿生合成的定义l 仿生合成材料,第三节 无机材料仿生合成,仿生合成的发展及现状,3.1 仿生合成的发展及定义,早在几百万年前,自然界就已经形成了结构高度有序的无机-有机复合材料,例如牙床、骨骼、贝壳等。20世纪中期，仿生合成的概念才被提出。在当代，随着研究的深入,仿生合成的概念被应用于更 多的领域,仿生合成在开辟合成新型材料的途径方面的前景不可限量。,第三节 无机材料仿生合成,仿生合成的定义,3.1 仿生合成的发展及定义,仿生合成(biomimetic synthesis)也称：有机模板法(organic template approach)模板合成(template synthesis),将生物矿化的机理引入无机材料合成，以有机物的组装体为模板，去控制无机物的形成，制备具有独特显微结构特点的无机材料，使材料具有优异的物理和化学性能。,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义,生物矿化,生物矿化是指在生物体内形成矿物质（生物矿物）的过程。,仿生合成的定义,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义,生物矿化的特征,生物矿化区别于一般矿化的显著特征是它通过有机大分子和无机物离子在界面处的相互作用从分子水平控制无机矿物相的析出，从而使生物矿物具有特殊的多级结构和组装方式。生物矿化中，由细胞分泌的自组装的有机物对无机物的形成起模板作用，使无机矿物具有一定的形状、尺寸、取向和结构。,仿生合成的定义,第三节 无机材料仿生合成,生物矿化的基本阶段,l 有机大分子预组织l 界面分子识别l 生长调制l 细胞加工,仿生合成的定义,3.1 仿生合成的发展及定义,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义,(1)有机大分子预组织,在矿物沉积前构造一个有组织的反应环境，该环境决定了无机物成核的位置。但在实际生物体内矿化中有机基质是处于动态的。,仿生合成的定义,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义,仿生合成的定义,(2)界面分子识别,在已形成的有机大分子组装体的控制下，无机物从溶液中在有机/无机界面处成核。分子识别表现为有机大分子在界面处通过晶格几何特征、静电势相互作用、极性、立体化学因素、空间对称性和基质形貌等方面影响和控制无机物成核的部位、结晶物质的选择、晶型、取向及形貌。,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义,仿生合成的定义,(3)生长调制,无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元，同时形态、大小、取向和结构受到有机分子组装体的控制。,第三节 无机材料仿生合成,3.1 仿生合成的发展及定义,仿生合成的定义,(4)细胞加工,在细胞参与下亚单元组装成高级的结构。该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因。,第三节 无机材料仿生合成,仿生合成材料,3.1 仿生合成的发展及定义,利用生物矿化或其他方法制备的类似生物矿物结构的，具有特殊的物理、化学性能的新型材料。,微米级仿生合成材料极好的隔热隔声材料;纳米级精细孔结构的分子筛,可以根据粒子大小对细颗粒进行准确的分类,如筛选细菌与病毒;仿生合成的磷灰石材料具有新骨组织构架,有望用于骨移植手术中。,第三节 无机材料仿生合成,3.2 仿生合成的技术原理,第三节 无机材料仿生合成,先形成有机物的自组装体，无机先驱物在自组装聚集体与溶液相的界面处发生化学反应，在自组装体的模板作用下，形成无机/有机复合体，将有机物模板去除后即得到有组织的具有一定形状的无机材料。,3.2 仿生合成的技术原理,模板 在仿生合成技术中起到举足轻重的地位，模板的千变万化，是制备结构、性能迥异的无机材料的前提。目前用作模板的物质主要是表面活性剂,因为它们在溶液中可以形成胶束、微乳、液晶和囊泡等自组装体。,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,l 纳米材料的仿生合成l 薄膜和涂层的仿生合成l 多孔材料的仿生合成l 类生物矿物结构的无机仿生材料的合成,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.1 纳米材料的仿生合成,利用表面活性剂在溶液中形成反相胶束、微乳或囊泡（这相当于生物矿化中有机大分子的预组织）。,其内部的纳米级水相区域限制了无机物成核的位置和空间（相当于纳米尺寸的反应器）。,目前已合成了半导体、催化剂和磁性材料的纳米粒子,如CdS、ZnS、Pt、Co、Al2O3和Fe3O4等。,在此反应器中发生化学反应即可合成出纳米微粒。,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.1 纳米材料的仿生合成,反胶束法合成一维无机纳米结构及其有序超结构,混合反胶束介质中合成的羽毛状BaWO4纳米线超结构,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.1 纳米材料的仿生合成,反胶束法合成一维无机纳米结构及其有序超结构,混合反胶束介质中合成的树状BaCrO4纳米带超结构,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.2 薄膜和涂层的仿生合成,使基片表面带上功能性基团（表面功能化），然后浸入过饱和溶液，无机物在功能化表面上发生异相成核生长，从而形成薄膜或涂层。,仿生合成可以制备一定图案的膜和涂层。在基质表面沉积惰性的有机分子层,将该有机分子层用离子或电子刻蚀成一定图案，然后将刻蚀的区域表面功能化，使无机物从溶液中析出时仅在刻蚀区域沉积。,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.2 薄膜和涂层的仿生合成,带活性头基X的三氯硅烷在具有表面羟基的玻璃片上的自组装单层,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.2 薄膜和涂层的仿生合成,l 可以在低温下以低的成本获得材料l 不用后续热处理就可能获得致密的晶态膜l 能够制备厚度均匀、形态复杂和多孔的膜l 基体不受限制，包括塑料和其它温度敏感材料l 微观结构易于控制l 可以直接制备一定图案的膜,仿生合成薄膜和涂层的优点,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.3 多孔材料的仿生合成,多孔材料仿生合成的机理,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.3 多孔材料的仿生合成,聚合物-表面活性剂混合胶束模板法合成的空壳球状CaCO3粒子,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.3 多孔材料的仿生合成,鸡蛋壳膜模板法合成的具有多级结构的TiO2大孔网状材料,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.3 多孔材料的仿生合成,l 孔尺寸可调l 可以在低温下一步合成材料l 可以制备一定形状的多孔材料,仿生合成多孔材料的优点,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.4 类生物矿物结构的无机仿生材料的合成,磷酸钙骨泥（Calciumphosphatecement，CPC）又称自固化磷酸钙。20世纪80年代中期，Brown和Chow首先发现了水化磷酸钙骨水泥，从而为磷酸钙在骨缺损方面的应用开辟了新的途径CPC在1991年获得美国食品与药物管理局批准用于临床,第三节 无机材料仿生合成,3.3 仿生合成示例,3.3.4 类生物矿物结构的无机仿生材料的合成,CPC是由固相和液相两种原料以一定的比例调成糊状后植入体内，在体内环境下自行固化的骨水泥。化学成份固相主要由各种磷酸钙盐组成，如磷酸四钙，磷酸三钙，磷酸二氢钙，无水磷酸氢钙等至少两种，一种偏酸性，一种偏碱性。液相可以使蒸馏水，稀酸，血清，血液等,第三节 无机材料仿生合成,第四节 生物固氮,生物固氮：在常温常压的温和条件下实现N2 到NH3的转化 生物固氮的机理很复杂，但最重要的原因是因为固氮酶的存在。,固氮 由游离N转化为硝态氮或氨态氮的过程,第四节 生物固氮,4.1 固氮酶及其机理模型4.2 化学模拟生物固氮,第四节 生物固氮,4.1 固氮酶及其机理模型,1.固氮酶,固氮酶含有两种非血红素铁硫蛋白：钼铁蛋白：M=220000270000，约含1200个氨基酸残基，每分子中含有2个Mo,2432个Fe,以及同数量的S,功能是结合底物N2,是固氮酶的主体。铁蛋白：M=5500070000，273个氨基酸残基，每分子中含有4个铁，4个硫，不与N2直接作用，起激活传递电子的作用，对氧很敏感。,两种酶单独存在时，均无活性，两者等摩尔比结合时活性最佳,2.固氮酶作用机理,ATP：三磷酸腺苷ADP：二磷酸腺苷,只有在Mg()的作用下,ATP才能和铁蛋白结合.,3.钼铁蛋白催化N2还原的机理,1973年，卢嘉锡等从结构化学和过渡金属原子簇的角度，提出了网兜结构模型,H型网兜结构模型 F 型福州模型 N2在网兜上的配位方式,N2采取投网方式与之结合，N2 进入网中，和底部的铁以端梢方式配位，同时与网口的两个铁，一个钼以侧基方式结合。N2分子被垫底原子的作用力顶住，N2分子的三键有1/3伸入兜口，2/3 仍然留在兜口外。底部的铁与N2作用，可拉长N2。网口的三个金属原子提供电子，与周围的H3O+一起，可实现加氢还原。,4.固氮酶活性中心模型,第四节 生物固氮,4.2 化学模拟生物固氮,1.水溶液中的固氮,固氮酶催化N2,N3-,N2O,C2H2,RCN和RNC等许多底物的还原反应是在水溶液中进行的。Schrauzer等用Na2Mo2O4(cys)2作催化剂，NaBH4还原剂，在常温常压在水溶液中开展了一系列固氮酶的模拟实验，发现Mo-cys体系能催化所有已知底物的反应,其催化效率可在加入人工合成的Fe4S4(SR)44-(R=n-C3H7)后得到提高，加入ATP也可提高活性。Mo-cys几乎再现了固氮酶的全部催化功能，再现了固氮酶中原子簇Fe4S4 的电子传递功能，但其催化活性很低，氨产量仅为0.007mol/Mo原子。除此之外，MoO(CN)4(H2O)2-也具有催化性能，它的催化效率比Mo2O4(cys)22-有显著提高，氨产率为0.29mol/Mo原子。,Cys 半胱胺酸,2.有机溶剂中的固氮体系,1965年，加拿大科学家A