我国生物无机化学的发展

我国生物无机化学的发展

生物无机化学的蕴生和发展差不多经历了半个世纪，而作为一个独立学科的建立，却是近30年的事情，通常人们把国际期刊Journal of Inorganic Biochemistry的创立（1971年）作为标志。众所周知，这个学科是在无机化学和生物学的相互交叉、渗透中发展起来的一门边沿学科。它的基本任 务是从现象学上以及从分子、原子水平上研究金属与生物配体之间的相互作用。而对这种相互作用的阐明有赖于无机化学和生物学两门学科水平的高度发展。由于应 用理论化学方法和近代物理实验方法研究物质（包括生物分子）的结构、构象和分子能级的飞速进展，使得揭示生命过程中的生物无机化学行为成为可能，生物无机 化学正是这个时候作为一门独立学科应运而生。

生物无机化学在我国较早就有一些不同学科的研究者在如生物矿化等方面开展工作；但是作为一门学科的出现，似应以全国第一次生物无机化学会议（1984年， 武汉）的召开为标志。总之，从80年代初，我国从事不同学科的化学家顺应国际上这一新学科的发展，不少人纷纷转到生物无机这块园地进行耕耘。近20年来， 这些耕耘者，的确作出了不少有意义的成果，以下分几个方面作概括介绍。

1 金属离子及其配合物与生物大分子的作用

金属离子与生物大分子结合后，常常会发生明显的生物化学效应。计亮年等观察到一些金属（碱和碱土金属）氯化物和葡萄糖酸盐对葡萄糖氧化酶（GOD）的活性有激活和抑制作用。

生物大分子结合的金属离子可被不同类型的螯合剂夺取。李荣昌等研究了牛血清白蛋白镉（Ⅱ）的这类反应，提出用竞争参数F来表征螯合剂从生物大分子金属配合物中夺取金属的能力，求得了多种螯合剂相应的F值和稳定常数。

分子识别是近年来国际上一个十分活跃的研究领域。计亮年等合成了一系列钌的平面配体配合物，研究了这些配合物与小牛胸腺DNA的作用。杨频等选用铁 （Ⅱ）、镍（Ⅱ）为中心离子，以phen、bipy、dppz等为配体，合成并分离出了手性金属配合物，研究了它们与B-DNA的作用。

应用金属及其配合物对肽键的化学切割，是作为金属水解肽酶的模拟物来加以研究的。朱龙根等发现，简单的Pb(Ⅱ)水配合物能选择性的与含蛋氨酸和甲硫半胱 氨酸残基小肽中的硫原子配位，进而快速地切割它们的羧基端的肽键。他们还发现氨基酸和二肽的配合物也能有效地水解肽键，活性配合物为双核配合物。蛋白质的 水解机理是利用金属

配合物促进特定肽键的水解，以达到选择性断裂肽键的目的。

离子探针是一种研究生物体内无适当光、磁信号金属离子的结合状态的有效手段。杨频研究组应用顺磁离子探针研究了人血清白蛋白与Gd（Ⅲ）的作用。

2 药物中的金属及抗癌活性配合物的作用机理

2．1 顺铂的作用机理

60年代末期，顺铂（cis-platin）抗癌作用的发现及其临床应用，开辟了金属配合物抗癌药物研究的新领域。顺铂抗癌作用的化学基础，如顺铂的靶分 子、顺铂的跨膜机制等，至今仍是人们致力研究的课题。王夔曾提出金属-细胞相互作用的多靶模型，为后来更多的实验事实所支持。他用实验证实了细胞膜是细胞 外金属配合物进攻的前沿，金属离子与膜分子的结合是首先发生的事件。

2．2 有机锡配合物的抗癌活性及其与DNA作用的分子机理

自80年代初，Crowe等人发现有机锡配合物有抗癌活性以来，已进行了大量合成和筛选工作。国内胡盛志等发现，由抗癌药物５-氟尿嘧啶（５-Ｆu）和Et２SnCl２Phen反应制得的Et２SnCl (Phen)（５-Ｆu），大大增强了原产品的抗癌活性。潘华德等合成了一系列有机锡甾醇化合物及碳环醇化合物，都具有很好的活性。

３ 稀土元素生物无机化学

我国科学工作者对稀土生物无机化学、稀土生物化学和稀土毒理学进行了研究。早期主要是进行了大量的环境调查及农用稀土毒理研究。８０年代开始从分子水平及细胞水平上开展稀土的生物无机化学研究，并已出版了专著。

钟淑琳等从茶叶中分离出含稀土的成分，认为是一种类脂和多糖结合的大分子化合物。赵贵文等从福建稀土矿区采集到的铁芒萁植物中测得含有较高的稀土，认为该 植物对稀土具有富集作用。郭繁清等从江西赣县大田地区的铁芒萁中分离出二种含稀土的糖结合蛋白。钟广涛等研究了牙体中的稀土含量，指出随着人们年龄增长， 牙中稀土量逐渐积累；卢国埕等指出矿区居民的头发中稀土含量明显增高。卢国埕等还报道了三氯化钇对大鼠精子的毒性，可使精子运动速度明显降低。牛春吉等用 电位滴定法，测定了在接近体液条件下的稀土-氨基酸二元、三元及多元配合物溶液中的稳定性，并用数学模型方法计算了当有稀土等金属离子存在下，其物种的分 布。

4 金属离子与细胞的作用

同一般物质跨膜传递的特征一样，细胞与重金属配合物传递的方式可分为三类：主动运送、被动扩散和细胞的吞吐作用。主动运送是膜上载体蛋白将物质逆电化学梯 度从低浓度侧经过膜运送到高浓度的过程。这一过程需要能量的供给才能实现，其能量来源于ATP的水解。被动扩散是顺物质浓度梯度由较浓一侧向较稀一侧的运 送。这是不需要能量供给的自发过程。某些亲水性物质，特别是金属离子或它们的配合物常常在载体或膜内通道蛋白的帮助下，顺浓度梯度进入细胞。此类过程由于 需要异性的载体，因此有选择性和饱和性。

细胞对顺铂类配合物摄入的动力学和机理已进行了不少研究。抗肿瘤配合物顺铂和它的类似物的细胞摄入不仅与这类配合物的抗癌活性密切相关，而且与其细胞毒 性、抗药性有关，对其摄入的机理仍存在争论：一方面顺铂的细胞积累与接触细胞的顺铂浓度成正比、且具有不饱和性、也不被其类似物所抑制，这些事实符合被动 扩散机制；而另一些实验表明，顺铂的摄入不仅受许多药物试剂、如两性霉素B、蛋白酶A 及C的激活剂、钙调蛋白的拮抗剂等的调节，而且还受胞外pH、渗透压、Na+ 及K+ 浓度的影响。因此，顺铂的传递似乎通过某种特定的通道。

细胞膜的通透性与细胞对物质的摄取有密切关系。卢景芬的研究表明，顺铂对人体红细胞膜的结合导致维生素C向内扩散及TEMPO向外扩散的增加；她们还利用 自旋标记的顺铂等，研究了这些配合物从细胞流出的动力学，结果表明在初始阶段药物进入人体红细胞的速率是最快的，但3h后胞内铂浓度下降，这意味着流出的 速率超过了进入的速率。

5 金属蛋白与金属酶

细胞色素（Cyt）是一类含血红素的电子传递蛋白，在生物氧化、固氮和光合作用、以及能量转换及储存中有重要功能。

金属硫蛋白（MT）是一类低分子、富含半胱氨酸酶的金属结合蛋白，对它的研究和利用都必须进行分离提取。黄仲贤等分离到了兔、鼠、刺猬、熊猫等哺乳动物的 金属硫蛋白、鱼类和蚯蚓的金属硫蛋白以及若干植物，如凤眼莲微生物的金属硫蛋白。王文清等研究了金属硫蛋白对汞化合物引起的红细胞溶血的抑制作用；黄仲贤 等研究了Cu-MT 清除·OH自由基的能力。然而，体内清除自由基的机制很复杂，金属硫蛋白在生理过程中，是否起清除自由基的作用，尚需更直接的证据。 关于金属酶的化学模拟，1990年罗勤慧得到了第一个咪唑桥联的Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）异双核配合物单晶结构，继后唐雯霞等合成了结构类似的模拟物，。计 亮年等研究了以苯基卟啉或酞菁为母体的铁配合

物的吸氧动力学，轴向配体对催化作用的影响和羟化反应机理等。

关于酶的修饰及固定化，李春华等将α-淀粉酶、糖化酶和葡萄糖异构共固定化，用于淀粉转化于果糖，取得了良好的效果。硒蛋白和硒多糖中人体重要的功能蛋 白，硒对人的健康有重要影响，国外研究已取得重要进展。我国也开展了不少研究。杨铭等从恩施富硒大蒜中分离出一中硒多糖。关于金属辅酶，陈慧兰研究组设 计、合成了三个系列、近30个不同烷基、反应碱基及平面配体的烷基钴西夫碱类模型化合物，测定了它们的Co-C键离解能，取得了新的结果。

6 生物矿化

自然界生物利用矿物至少已有35亿年历史。从细菌、微生物到动物、植物的体内均可形成矿物。生物矿化的研究始于本世纪初。近些年来我国学者也开展了这方面 的研究，并已有专著问世。崔福斋等采用X-射线分析等方法，对象牙从钠米到厘米的分级做详细的研究，结果表明象牙与人类的牙齿的牙本质相似，是由羟基磷灰 石晶体和胶原纤维所组成。然而，由于羟基磷灰石中的钙部分地被镁所取代，从而导致象牙中钙的化学环境在比羟基磷灰石晶体中的更加复杂。他们还用扫描电镜、 透射电镜和X-射线衍射等方法，研究了在硬脂酸单分子膜磷酸钙的控制结晶作用，发现当无膜存在时，磷酸八（OCP）晶体以20nm~50nm 的微小晶簇混 乱地从溶液中析出，且不具有择优取向。

随着生物矿化研究工作的开展，在充分比较生物矿物与纯矿物的形成过程及晶体结构的基础上，进一步认识到，有机基质及有机-无机界面的分子识别，在晶体的成 核、生长以及微结构的有序组装方面起着关键作用。邰子厚建议今后应在以下几个方面开展研究：（1）诱导分子膜作为分子膜板的定向成核；（2）利用超分子组 装体系合成纳米材料；（3）微结构的构筑等。生物矿化的研究使人们有希望获得既有确定大小、晶形和取向，又具有光、电、磁、声等功能的特殊晶体，为进一步 合成优良的生物活性陶瓷、功程生物材料开辟一个新的研究天地。

7 环境生物无机化学

环境生物无机化学从环境与生物体的相互作用出发，研究无机元素在环境中的存在形态、转化及其效应和人体健康的关系。国内研究工作集中在：（1）与地方病和 心血管病有关的碘、氟、铅、铬等；（2）结合动物和人体健康进行的汞、镉、铅、铜、锌、砷、铝和硒的研究；（3）结合作物生长开展的硼、锰、锌和钼的研 究；（4）结合微量元素应用的潜在危害作用研究，如农用稀土研究等。已有多部专著问世。

我国学者彭安、徐辉碧等对硒的化学开展了卓有成效的研究。研究侧重中国低硒带与健康的关系及低硒生态环境改良途径。另一个与环境生态有关的重大问题是稀土微肥和稀土饲料的广泛应用，会不会给人带来长期毒害，对此国家已经 组织了重大基金项目进行研究。汞是我国生态环境中突出的污染元素。国际上存在的金矿开采和燃煤带来的污染在我国也同样存在，已引起国内外的充分重视和研究 新热点。国际公认在全球最具潜在危害性的金属有镉、汞、铅、锡、锑、银、锌等。这些金属的形态和转化仍是我们需要切实解决的研究课题。非金属元素碘、氟、 砷对人的健康至关重要，要从必需和毒害两个方面加以研究。在今后相当长的时期内，与地方病和区域健康有关的微量元素环境生物无机化学研究仍将是本学科研究 的重点。环境生物无机化学是一个与人类生存和生活质量密切相关的分支学科，需要给以更多的关注。

8 小结

从上述不难看出，我国生物无机化学是一个顺应国际学术潮流、刚刚发展起来的新学科、在短短的近20年期间，从不同学科转来的学者们，走进这片处女地、一面 辛勤耕耘，一面培养新秀，不仅作出了令人瞩目的成绩，而且培养了一批愿意在这里献身的年轻人才。今后我国的生物无机化学学科发展，应该进入生物大分子更深 层次的研究，作出更多国际水平的成果。