第五章 与生命过程相关的配位化学.ppt

* 第五章 与生命过程相关的配位化学 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。 5.1 生物体系中的元素 5.1.1 分类 已发现约30种元素与生物界的生存和发展关系密切。人们将这些元素称之为生物元素。根据体内功能的不同，又可将生物元素分为必需元素、有益元素及有害元素。 对元素在生物体中作用的“定位”是与生物体在自然进化过程中对元素的选择与演化的结果。例如，经过分析比较，生物必需元素在血浆中的百分组成与海水组成类似，从而强有力地支持了生命起源的海滩学说。 所谓必需元素是指维持生命正常活动不可缺少的元素，必需元素符合下述几个条件： ① 存在于生物的所有健康组织中； ② 在每个物种中有一个相对恒定的浓度范围； ③ 从体内过多排出这种元素会引起生理反常，但再补充后生理功能又恢复。 目前已发现的必需元素大致有18种。 必需元素又可分为宏量元素和微量元素两类。 有益元素是指那些存在不足时，生物体虽可维持生命但相当衰弱的元素。已发现的有益元素大致有8种。 有害元素是指因环境污染或饮食不洁而进入生物体内的元素，常见的有铅、镉、汞等，它们的存在往往有害于生物体正常功能的发挥。 还有约20～30种元素在生物体内也普遍存在，但存在浓度差别很大，生物学作用还不十分清楚，将这些元素称为沾污元素。 下表列出人体必需元素及有益元素在周期表中的分布。 人体必需的元素及有益元素 常量元素 微量元素 需要指出的是，必需元素与有益元素、有害元素之间并不存在截然的界限，相信随着人们认识水平和仪器测试水平的提高，生物元素的概念和内容还将不断修正和发展。事实上，许多元素在适当浓度、适当范围内对生物体是有益的，但当越过某一临界浓度时就有害了。它们完全遵循从“量变”到“质变”的事物发展规律。 5.1.2 最适营养浓度定律 法国科学家在研究了锰元素对植物生长的影响后，提出了最适营养浓度定律。内容是，植物缺少某种必需元素时就不能成活，当该元素含量适当时，植物就能茁壮成长，但过量时又会影响植物的生长。最适营养浓度定律也适用于人类。例如，硒是一种重要的生命必需元素，每人每天摄取10－4 g较为适宜，若长期日摄入低于5×10－5 g可引起癌症、心肌损害及贫血等疾患，而过多摄入又可导致腹泻和神经官能症等毒性反应。 A B C D E 元素浓度 健康程度 G 人体健康与元素浓度的关系曲线 图为人体健康与元素浓度的关系曲线，实线表示必需元素对人体健康状况的影响，虚线表示有害元素对人体的影响。 5.1.3 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。 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。 一 酶的分类 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。 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。