西北大学：《中级无机化学》课程教学课件（PPT讲稿）第十一章 无机元素的生物学效应

第11章无机元素的生物学效应 生物分子 细胞 生物元素 无机元素的生物学效应

第11章 无机元素的生物学效应 生物分子 细胞 生物元素 无机元素的生物学效应

11.1生物分子 一个活的机体必须具有信息传递、生殖、新陈代谢、调 节和适应环境等功能。从化学角度上看，这些功能无非是生 物分子之间有组织的化学反应的表现，无机元素的生物学效 应大多是通过与生物分子的相互作用而发生的。在大多数情 况下，金属元素在生物体内不以自由离子形式存在，而是与 配体形成生物分子金属配位化合物。因此，在本质上金属元 素与生物分子的作用都属于配位化学范畴。那些存在于生物 体内、具有生物功能并与金属配位的配位体称为生物配体。 生物配体大体可分为三类： ()简单阴离子如F-、CI-、B-、I-、OH-、SO4-、 HC03-和HPO2-等； (2)小分子物质如水、氢气、氨、卟啉、咕啉、核苷酸 和氨基酸等； 3)大分子物质如蛋白质、多糖和核酸等

11.1 生物分子 一个活的机体必须具有信息传递、生殖、新陈代谢、调 节和适应环境等功能。从化学角度上看，这些功能无非是生 物分子之间有组织的化学反应的表现，无机元素的生物学效 应大多是通过与生物分子的相互作用而发生的。在大多数情 况下，金属元素在生物体内不以自由离子形式存在，而是与 配体形成生物分子金属配位化合物。因此，在本质上金属元 素与生物分子的作用都属于配位化学范畴。那些存在于生物 体内、具有生物功能并与金属配位的配位体称为生物配体。 生物配体大体可分为三类： (1) 简单阴离子如F－、Cl－、Br－、I－、OH－、SO4 2－、 HCO3 －和HPO4 2－等； (2) 小分子物质如水、氢气、氨、卟啉、咕啉、核苷酸 和氨基酸等； (3) 大分子物质如蛋白质、多糖和核酸等

11.1.1氨基酸、多肽和蛋白质 蛋白质是是由L型的a一氨基酸通过肽键一CONH一组合而 成。蛋白质可降解为较小的肽，肽进一步水解成为氨基酸。 在氨基酸分子HOOC一CH一R中，侧链R可以是羟基、巯 NH2 基、苯环、烃基和杂环等。正是具有不同特征侧链的氨基酸的不 同排列顺序，才形成了各种各样的具有不同生物功能的蛋白质。 个氨基酸的α一羧基与另一氨基酸的α一氨基通过脱水缩合 形成而使两个氨基酸连接起来： Ri H2N-CH-COOH H2N-CH-COOH- -H20 R2 HN-CH÷C-NCH-COOH 肽键 R, ●带年。年中单带年带单9

11.1.1 氨基酸、多肽和蛋白质 蛋白质是是由L型的α－氨基酸通过肽键－CONH－组合而 成。蛋白质可降解为较小的肽，肽进一步水解成为氨基酸。 在氨基酸分子HOOC－CH－R中，侧链R可以是羟基、巯 NH2 基、苯环、烃基和杂环等。正是具有不同特征侧链的氨基酸的不 同排列顺序，才形成了各种各样的具有不同生物功能的蛋白质。 一个氨基酸的α－羧基与另一氨基酸的α－氨基通过脱水缩合 一个氨基酸的 形成而使两个氨基酸连接起来 α-羧基与另一氨基酸的 ： α-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2N－CH－COOH ＋ H2N－CH－COOH H2N－CH－C－N－CH－COOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 －H2O R2 一个氨基酸的 α-羧基与另一氨基酸的 α-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2N－CH－COOH ＋ H2N－CH－COOH H2N－CH－C－N－CH－COOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 －H2O R1 O H R2 一个氨基酸的 α-羧基与另一氨基酸的 α-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2N－CH－COOH ＋ H2N－CH－COOH H2N－CH－C－N－CH－COOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 －H2O R1 O H R2 一个氨基酸的 α-羧基与另一氨基酸的 α-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2N－CH－COOH ＋ H2N－CH－COOH H2N－CH－C－N－CH－COOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 －H2O R1 O H R2 一个氨基酸的 α-羧基与另一氨基酸的 α-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2N－CH－COOH ＋ H2N－CH－COOH H2N－CH－C－N－CH－COOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 －H2O R1 O H R2

R H2N-CH-COOH H2N-CH-COOH-H2O R2 R :O HN-CH÷C-N:CH-COOH 肽键一→ 由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形 成的化合物的叫多肽。蛋白质就是由成百上千个氨基酸通过 肽键连接起来的多肽链。多肽链中相当于氨基酸的单元结构 称为氨基酸残基。 一个氨基酸至少有两种可电离的基团一氨基和羧基。 它们通常形成两性离子。在多肽和蛋白质分子中，除相邻氨 基酸残基之间所形成的肽键之外，还有末端一H3+基和 一COO一基及侧链基团。这些基团都有能键合金属离子的活 性。这是金属离子通过蛋白分子发挥自身生物学效应的基础 之一

由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形 成的化合物的叫多肽。蛋白质就是由成百上千个氨基酸通过 肽键连接起来的多肽链。多肽链中相当于氨基酸的单元结构 称为氨基酸残基。 一个氨基酸至少有两种可电离的基团——氨基和羧基。 它们通常形成两性离子。在多肽和蛋白质分子中，除相邻氨 基酸残基之间所形成的肽键之外，还有末端－NH3 ＋基和 －COO－基及侧链基团。这些基团都有能键合金属离子的活 性。这是金属离子通过蛋白分子发挥自身生物学效应的基础 之一。 一个氨基酸的 α-羧基与另一氨基酸的 α-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2N－CH－COOH ＋ H2N－CH－COOH H2N－CH－C－N－CH－COOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 －H2O R2 一个氨基酸的 α-羧基与另一氨基酸的 α-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2N－CH－COOH ＋ H2N－CH－COOH H2N－CH－C－N－CH－COOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 －H2O R1 O H R2 一个氨基酸的 α-羧基与另一氨基酸的 α-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2N－CH－COOH ＋ H2N－CH－COOH H2N－CH－C－N－CH－COOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 －H2O R1 O H R2 一个氨基酸的 α-羧基与另一氨基酸的 α-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2N－CH－COOH ＋ H2N－CH－COOH H2N－CH－C－N－CH－COOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 －H2O R1 O H R2 一个氨基酸的 α-羧基与另一氨基酸的 α-氨基通过脱水缩合形成肽键 R1 H2N－CH－COOH ＋ H2N－CH－COOH H2N－CH－C－N－CH－COOH 肽键 而使两个氨基酸连接起来。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽，由多个氨基酸形成的化合物的叫 －H2O R1 O H R2

由于蛋白质在几乎所有的生物过程中都起着极其重要 的作用，因此研究蛋白质的结构与功能的关系是从分子水 平上去认识生命现象的一个重要方面。 从氨基酸到肽，体现了从量变到质变的飞跃，从简单 的多肽到蛋白质又是一个飞跃。蛋白质已不是一种简单的 有机化合物。蛋白质的分子量可高达06，小的也在104以 上。蛋白质结构十分复杂，除氨基酸组成序列这种一级结 构之外，还有更高级的二级、三级以及四级结构

由于蛋白质在几乎所有的生物过程中都起着极其重要 的作用，因此研究蛋白质的结构与功能的关系是从分子水 平上去认识生命现象的一个重要方面。 从氨基酸到肽，体现了从量变到质变的飞跃，从简单 的多肽到蛋白质又是一个飞跃。蛋白质已不是一种简单的 有机化合物。蛋白质的分子量可高达l0 6 ，小的也在104以 上。蛋白质结构十分复杂，除氨基酸组成序列这种一级结 构之外，还有更高级的二级、三级以及四级结构

11.1.2酶 酶是一类特殊的具有专一催化活性的蛋白质。通常按 其所作用的底物的名称来命名，所谓底物是指与酶作用的 化合物。如催化H,O,分解的酶称为过氧化氢酶。与人工催 化剂相比，酶的催化效率高，具有高度的专一性，反应条 件温和。不同细胞内的酶系统不同，而且不同的酶系统又 有不同的生物控制系统，从而保证了生物体内的反应在规 定部位按规定程序和规定程度进行，确保生命活动的高度 有序性

11.1.2 酶 酶是一类特殊的具有专一催化活性的蛋白质。通常按 其所作用的底物的名称来命名，所谓底物是指与酶作用的 化合物。如催化H2O2分解的酶称为过氧化氢酶。与人工催 化剂相比，酶的催化效率高，具有高度的专一性，反应条 件温和。不同细胞内的酶系统不同，而且不同的酶系统又 有不同的生物控制系统，从而保证了生物体内的反应在规 定部位按规定程序和规定程度进行，确保生命活动的高度 有序性

一 酶的分类 酶分为两类： 单纯蛋白酶； 结合蛋白酶。 前者只含蛋白质； 后者由酶蛋白和辅基（或辅酶）两部分所组成。 酶蛋白指的是酶分子中的蛋白质部分； 辅基或辅酶是酶中的非蛋白质部分，它们可以是一些 小分子的有机物或金属离子，如维生素B12、血红素、Zn2+ 等。辅基与酶蛋白结合牢固，不易分离；而辅酶与酶蛋白 结合疏松，用透析的方法就可使其分离

酶分为两类： 单纯蛋白酶； 结合蛋白酶。 前者只含蛋白质； 后者由酶蛋白和辅基(或辅酶)两部分所组成。 酶蛋白指的是酶分子中的蛋白质部分； 辅基或辅酶是酶中的非蛋白质部分，它们可以是一些 小分子的有机物或金属离子，如维生素B12、血红素、Zn2＋ 等。辅基与酶蛋白结合牢固，不易分离；而辅酶与酶蛋白 结合疏松，用透析的方法就可使其分离。 一 酶的分类

在已发现的3000多种酶中，有1/4至1/3需要金属离子 参与才能充分发挥它们的催化功能。 按照酶对金属亲合力的大小，可以将这些酶划分为金 属酶和金属激活酶。 金属酶中的酶蛋白与金属离子结合得比较牢固且金属 离子处于酶的活性中心。 金属激活酶与金属离子的结合不如金属酶牢固，且金 属离子不在酶的活性中心处。 在提取分离过程中，金属酶一般不会发生金属离子的 解离丢失现象，而金属激活酶则常要发生金属离子的解离。 金属离子丢失会导致酶活性消失，不过在加入适当金属离 子后，酶的活性一般可以重新获得

在已发现的3 000多种酶中，有1/4至1/3需要金属离子 参与才能充分发挥它们的催化功能。 按照酶对金属亲合力的大小，可以将这些酶划分为金 属酶和金属激活酶。 金属酶中的酶蛋白与金属离子结合得比较牢固且金属 离子处于酶的活性中心。 金属激活酶与金属离子的结合不如金属酶牢固，且金 属离子不在酶的活性中心处。 在提取分离过程中，金属酶一般不会发生金属离子的 解离丢失现象，而金属激活酶则常要发生金属离子的解离。 金属离子丢失会导致酶活性消失，不过在加入适当金属离 子后，酶的活性一般可以重新获得

金属离子在活化各种酶时的功能大致可以归结为： ()固定酶蛋白的几何构型，以保证只有特定结构的 底物才可与之结合； (2)通过与底物和酶蛋白形成混合配合物而使底物与 酶蛋白相互靠近，从而有助于酶蛋白发生作用； (3)在反应中作为电子传递体，使底物被氧化或被还 原

金属离子在活化各种酶时的功能大致可以归结为： (1) 固定酶蛋白的几何构型，以保证只有特定结构的 底物才可与之结合； (2) 通过与底物和酶蛋白形成混合配合物而使底物与 酶蛋白相互靠近，从而有助于酶蛋白发生作用； (3) 在反应中作为电子传递体，使底物被氧化或被还 原

二酶的作用机理学说 1锁钥学说 锁钥学说认为酶与底物的关系如同锁和钥匙的关系一 样。酶分子像一把锁，而底物像一把钥匙。当酶和底物的 空间构像正好能相互完全弥合时，才能像钥匙将锁打开一 样，产生相互作用。 这种比喻一方面说明了酶催化的专一性，另一方面也 说明了酶与其作用的底物之间的复杂空间关系

二 酶的作用机理学说 1 锁钥学说 锁钥学说认为酶与底物的关系如同锁和钥匙的关系一 样。酶分子像一把锁，而底物像一把钥匙。当酶和底物的 空间构像正好能相互完全弥合时，才能像钥匙将锁打开一 样，产生相互作用。 这种比喻一方面说明了酶催化的专一性，另一方面也 说明了酶与其作用的底物之间的复杂空间关系