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上篇 基本知识 3

第1章 生物元素 3

1.1 引言 3

1.2 生物元素概论 4

1.2.1 生物元素的分类与作用 4

1.2.2 最适营养浓度定律 5

1.2.3 生物元素的选择与演化 6

1.3 生物非金属元素 7

1.3.1 分区和结构特征 7

1.3.2 生物非金属元素的性质 7

1.4 生物金属元素 8

1.4.1 生物金属元素总论 8

1.4.2 碱金属与碱土金属 9

1.4.3 过渡金属元素 11

1.5.1 稀土的存在、性质及其与生物体的关系 15

1.5 稀土元素的生物无机化学 15

1.5.2 进入生物体中的稀土离子的功能和代谢 16

参考文献 17

第2章 生物配体及其金属配合物 18

2.1 水分子和水相中的阴离子 18

2.1.1 水分子在生物过程中的作用 18

2.1.2 水相中的阴离子 19

2.2 氨基酸 19

2.2.1 氨基酸的结构 19

2.2.2 氨基酸的分类 21

2.2.3 氨基酸的两性和等电点 21

2.2.4 非常见氨基酸 22

2.3 蛋白质 22

2.3.1 多肽 22

2.3.2 蛋白质的结构 23

2.4.2 蛋白质的金属配合物 26

2.4 氨基酸、多肽、蛋白质的金属配合物 26

2.4.1 氨基酸、多肽的金属配合物 26

2.4.3 金属特化单元和辅基 27

2.5 核酸 29

2.5.1 核酸的组成 29

2.5.2 DNA的结构 30

2.5.3 RNA的结构 33

2.6 金属-核酸配合物 34

2.6.1 金属离子与核苷酸的相互作用 34

2.6.2 金属离子与DNA、RNA的相互作用 34

参考文献 34

第3章 细胞生物学和分子生物学基础 35

3.1 生命的分子设计 35

3.1.1 核酸 35

3.1.2 蛋白质 35

3.1.3 酶 36

3.1.4 多糖 38

3.1.5 脂类 39

3.1.6 其他的生物小分子 41

3.2 细胞生物学 41

3.2.1 细胞的结构 41

3.2.2 生物膜 44

3.2.3 细胞核的结构 45

3.2.4 细胞的分裂和DNA复制 45

3.3 分子生物学 46

3.3.1 DNA的结构 47

3.3.2 RNA的结构 47

3.3.3 遗传信息的传递与表达 48

3.3.4 克隆 51

3.3.5 定位诱变 51

3.3.6 基因表达 52

参考文献 53

第4章 生物无机化学体系中的配位化学基础 54

4.1 生物金属配合物的生成及其热力学 54

4.1.1 金属离子及配位体的分类--软硬酸碱理论 54

4.1.2 生物金属离子的表观氧化态和配位几何 55

4.1.3 生物金属配合物的生成及其稳定性 55

4.2 金属配合物的反应动力学 60

4.2.1 取代反应 60

4.2.2 电子转移反应 61

4.3 金属配合物的化学键理论 63

4.3.1 生物金属配合物的分子几何和化学键 63

4.3.2 晶体场理论基本要点 64

4.3.3 配位场理论简介 66

4.3.4 双层点电荷配位场模型 66

4.4.1 配合物的颜色和光谱化学序列 67

4.4 金属配合物的光磁性质 67

4.4.2 过渡金属配合物的光谱和磁性 68

4.5 无机模型化学及瞬时自组装概念 68

参考文献 69

第5章 生物金属的输运与贮存 70

5.1 金属离子的生物利用度 70

5.2 金属离子的摄取和跨膜输运 72

5.2.1 被动输运与主动输运 72

5.2.2 阳离子跨膜的主动输运--离子泵 72

5.2.3 离子载体 74

5.3 铁载体 83

5.3.1 铁的利用 83

5.3.2 铁载体分类 84

5.3.3 铁载体性质 85

5.4 金属离子在体内的输运与贮存 88

5.4.1 铁的输运--运铁蛋白 89

5.4.2 金属的贮存 94

5.5 生物金属簇合物 97

5.5.1 铁硫簇合物 97

5.5.2 聚铁氧原子簇 102

5.6 其他特化单元 104

5.6.1 卟啉类 104

5.6.2 咕啉和氢化卟啉 104

5.6.3 金属-核苷酸配合物 105

5.6.4 钼结合辅基 106

5.7 生物矿化 106

5.7.1 生物矿物与生物矿化 106

5.7.2 矿化组织中的钙 107

参考文献 108

6.1 金属离子的有益效应及有毒效应 109

第6章 细胞内金属离子浓度的控制与利用 109

6.2 必需生物金属铁的严格调控 110

6.2.1 溶解、摄取和输运 110

6.2.2 吸收和贮存的金属调控 110

6.3 有毒金属一例：汞 111

6.3.1 汞解毒作用中的酶 111

6.3.2 汞解毒基因的金属调节 112

6.4 金属离子浓度梯度的产生与利用 113

6.4.1 离子梯度的产生 113

6.4.2 离子通道对离子的运送 113

6.4.3 乙酰胆碱受体 114

6.4.4 电位门控的钠通道 116

6.4.5 离子通道的合成模型 119

6.5 金属药物分配过程中的组织选择性 119

参考文献 120

7.1 核酸的结构 121

第7章 金属-核酸相互作用 121

7.2 金属与核酸的基本作用 123

7.2.1 金属与核酸的基本作用 123

7.2.2 金属及其配合物与核酸的基本反应 124

7.3 一种典型的DNA作用试剂--三(菲咯啉)金属配合物 127

7.3.1 与DNA的结合作用 128

7.3.2 监测结合作用的技术 130

7.4 可与核酸发生结合作用的金属配合物的应用 133

7.4.1 光谱探针 133

7.4.2 金属足迹图谱试剂 134

7.4.3 构象探针 136

7.4.4 其他技术 138

7.5 大自然对核酸-金属相互作用的利用 139

7.5.1 金属离子起结构作用--锌指结构域 139

7.5.2 金属离子起调节作用 140

7.5.3 金属离子在药物中起主导作用--博雷霉素 141

7.5.4 金属离子起催化作用 143

参考文献 143

第8章 金属离子对生物分子的折叠和交联作用 145

8.1 金属离子对蛋白质结构的稳定作用 145

8.1.1 天冬氨酸转氨甲酰酶 145

8.1.2 核酸结合蛋白中的锌结合域 146

8.1.3 钙离子对钙结合蛋白的结构稳定作用 149

8.2 金属离子对核酸结构的稳定作用 152

8.2.1 Mg2+对转移RNA(rRNA)的折叠作用 152

8.2.2 金属离子在催化性RNA分子中的作用 152

8.2.3 端粒 153

8.3 金属-DNA配合物与蛋白质的作用 154

8.3.1 铂抗癌药物引起的DNA解旋和弯曲作用 154

8.3.2 高速泳动族盒蛋白对含铂化d(GpG)或d(ApG)链间交联DNA的识别与结合作用 156

8.4.1 金属插入剂 157

8.4 金属组构的结构作为构象探针 157

8.4.2 构象识别 159

参考文献 159

第9章 金属离子在生物活性中心的结合 160

9.1 影响金属离子进入蛋白质上结合位点的因素 160

9.1.1 热力学因素 160

9.1.2 动力学因素 161

9.1.3 生物利用度 162

9.2 电中性原理 162

9.2.1 单金属离子位点 162

9.2.2 多核金属位点 162

9.3 金属离子及其配合物对核酸的结合作用 163

9.4 生物聚合物促进的金属-配体相互作用 164

9.4.1 铁螯合酶 164

9.4.2 DNA促进的反应过程 166

参考文献 167

第10章 生物电子传递 168

10.1 生物电子传递过程中的金属蛋白和金属酶 168

10.2 金属氧还蛋白及酶中的活性中心、辅基及辅酶 169

10.2.1 重要的氧还中心 169

10.2.2 其他的氧还辅因子和辅酶 177

10.3 呼吸代谢过程中的电子传递 180

10.3.1 线粒体呼吸 180

10.3.2 硝酸盐及硫酸盐还原细菌中的呼吸途径 180

10.3.3 产甲烷作用(CO2→CH4) 182

10.3.4 光合作用 182

10.4 非呼吸代谢过程中的电子传递 186

10.4.1 固氮酶 186

10.4.2 硝酸盐还原酶 188

10.5.1 生物电子传递(BET)的特征 189

10.5 生物电子传递的特征与速率 189

10.5.2 长程电子传递的实验研究方法 191

10.6 电子传递理论 192

10.6.1 基本概念 193

10.6.2 Macus理论 194

10.6.3 铜蓝蛋白的交叉反应 195

10.7 蛋白质中的长程电子传递 196

10.7.1 电子耦合作用和生物电子传递的隧道式传递途径 196

10.7.2 质体蓝素分子中的生物电子传递 197

10.7.3 钌修饰的肌红蛋白 198

10.7.4 蛋白-蛋白复合物 199

参考文献 200

第11章 以非氧还机理进行的底物结合和活化 201

11.1 含锌水解酶 201

11.1.1 羟肽酶A和嗜热菌蛋白酶 202

11.1.2 金属替代和光谱研究 204

11.1.3 动力学研究和酶作用机理 205

11.1.4 碱性磷酸酶 207

11.2 含铁水解酶 208

11.2.1 紫酸性磷酸酶 208

11.2.2 水解裂解酶--顺乌头酸酶 211

11.3 水合裂解酶 214

11.3.1 碳酸酐酶 214

11.4 脱氢酶 216

11.4.1 醇脱氢酶 216

11.4.2 其他脱氢酶 218

11.5 锌(Ⅱ)和钴(Ⅱ)的互换性 218

11.5.1 锌(Ⅱ)和钴(Ⅱ)互换的化学基础 218

11.5.2 锌(Ⅱ)和钴(Ⅱ)互换性的应用价值 219

11.6 核苷酸的活化 220

11.7.1 钙、镁激活蛋白 221

11.7 钙、镁激活蛋白和胞外钙结合蛋白 221

11.7.2 胞外钙结合蛋白 222

参考文献 224

第12章 原子、分子及基团的迁移 225

12.1 氧分子的输运 225

12.1.1 血红蛋白(Hb)和肌红蛋白(Mb) 226

12.1.2 蚯蚓血红蛋白(Hr) 234

12.1.3 血蓝蛋白(He) 238

12.2 氧原子迁移反应中的铁 240

12.2.1 细胞色素P-450 240

12.2.2 甲烷单加氧酶(MMO) 245

12.2.3 儿茶酚及其他双加氧酶 246

12.3 氧原子迁移反应中的钼 248

12.3.1 含钼的氧转移酶 248

12.3.2 含钼氧转移酶的模型化学 250

12.4.1 维生素B12及其衍生物的结构和生物学功能 252

12.4 辅酶B12 252

12.4.2 辅酶B12的催化反应及作用机理 253

12.4.3 辅酶B12的作用及其热力学 255

参考文献 255

第13章 蛋白质对金属性质的调节 256

13.1 金属中心性质的调节 256

13.2 通过蛋白质侧链控制金属配位位点 256

13.2.1 血红素蛋白 256

13.2.2 铁硫蛋白--顺乌头酸酶 257

13.2.3 锌蛋白 257

13.3 通过配体类型调节金属中心的性质 257

13.3.1 血红素蛋白 258

13.3.2 铁硫蛋白中的Rieske中心 259

13.4 配位几何对功能的调控--蓝铜蛋白 260

13.5.2 蛋白质分子表面电荷的调节作用 261

13.6 底物特异性 261

13.5.1 疏水作用和氢键效应对［Fe4S4(Cys)4］中心的影响 261

13.5 通过间接效应对功能进行调控 261

13.6.1 蛋白酶 262

13.6.2 樟脑-细胞色素P-450复合物 262

13.7 偶联作用 263

13.7.1 电子传递偶联--亚硫酸根氧化酶 264

13.7.2 化学反应与电子传递偶联--固氮酶 264

13.7.3 底物结合作用--细胞色素P-450 264

13.7.4 膜输运--光合作用中心 265

参考文献 265

第14章 金属离子对生物化学事件的调控 266

14.1 钙作为第二信使 266

14.1.1 钙作为第二信使的化学基础 266

14.1.2 肌肉收缩--肌钙蛋白C 268

14.1.3 EF手的化学性质 269

14.1.4 钙调蛋白和蛋白激活 270

14.1.5 钙通道作为调节单元 271

14.2 过渡金属在基因表达中的调控作用 271

14.2.1 金属调控蛋白 271

14.2.2 抗汞蛋白(MerR)与抗汞作用 272

14.2.3 离子传感器 274

14.2.4 真核细胞的铁调节蛋白 275

14.2.5 铁响应翻译调控 275

14.2.6 铜传感器 277

14.3 锌的结构作用和调控作用 279

14.3.1 基因表达过程中的锌蛋白 279

14.3.2 锌的结构支撑作用和金属调节作用 281

参考文献 282

15.1 氧的毒性 284

15.1.1 保护性金属酶－Cu-Zn超氧化物歧化酶 284

第15章 细胞毒性与化学治疗 284

15.1.2 Fe-SOD及Mn-SOD 291

15.1.3 过氧化氢酶和过氧化物酶 291

15.1.4 双氧自由基生成体系 294

15.2 金属毒性及解毒 295

15.2.1 特异性解毒机理 295

参考文献 299

中篇 实验方法 303

第16章 波谱学方法总论 303

16.1 生物无机化学的研究方法和时标 303

16.2 玻耳兹曼分布定律和驰豫过程 304

16.3 弗兰克-康登原理 306

16.4 波谱过程 306

16.4.1 辐射的吸收和发射 306

16.4.2 光谱的产生和光谱选律 307

16.4.3 波谱技术及其分辨率 308

16.4.4 谱线的特征 309

16.5 激光 309

参考文献 310

第17章 光谱学方法 311

17.1 紫外-可见-近红外吸收光谱 311

17.1.1 基本原理 311

17.1.2 实验方法 316

17.1.3 紫外-可见-近红外光谱法的应用 318

17.2 荧光光谱(FS) 322

17.2.1 基本原理 322

17.2.2 荧光光谱的实验方法 332

17.2.3 荧光光谱的应用 335

17.3 圆二色谱和磁圆二色谱(CD，MCD) 343

17.3.1 基本原理 343

17.3.2 实验测量方法 347

17.3.3 应用实例 349

17.4.1 基本原理 354

17.4 红外光谱(IR) 354

17.4.2 实验技术 357

17.4.3 红外光谱的应用 358

17.5 激光拉曼光谱(LR) 358

17.5.1 基本原理 358

17.5.2 激光拉曼光谱和激光拉曼光谱仪 361

17.5.3 激光拉曼光谱的应用 362

参考文献 363

第18章 磁共振方法 364

18.1 核磁共振谱 364

18.1.1 基本原理 364

18.1.2 实验技术 371

18.1.3 核磁共振谱在生物无机化学中的应用 380

18.2.1 基本原理 390

18.2 电子顺磁共振谱 390

18.2.2 实验技术 396

18.2.3 电子顺磁共振谱的应用 397

18.3 磁化率测量 399

18.3.1 物质的磁性和磁化率 399

18.3.2 磁化率和分子结构 400

18.3.3 磁化率的测量 401

参考文献 401

第19章 硬射线方法 402

19.1 X射线晶体结构分析 402

19.1.1 晶体结构的宏观对称性和微观对称性 402

19.1.2 晶体的X射线衍射 405

19.1.3 单晶衍射数据的收集和校正 411

19.1.4 系统消光的利用和空间群的测定 412

19.1.5 帕特森函数法 414

19.1.6 推引位相的直接法 417

19.1.7 晶体结构模型的修正和精化 428

19.1.8 晶体结构的描述 429

19.2 外延X射线吸收精细结构谱(EXAFS) 430

19.2.1 基本原理 430

19.2.2 实验方法 434

19.2.3 数据分析 436

19.2.4 应用 438

19.3 穆斯堡尔谱(MB) 442

19.3.1 基本原理 443

19.3.2 实验方法 447

19.3.3 穆斯堡尔谱的应用 448

参考文献 453

第20章 电化学方法 454

20.1 电化学中的若干基本概念 454

20.2 循环伏安法(CV) 456

20.3.1 基本原理 457

20.3 电泳 457

20.3.2 实验方法 458

20.4 电导法 459

20.4.1 基本原理 459

20.4.2 电导测定的应用 460

参考文献 461

第21章 理论化学方法 462

21.1 量子化学计算方法 462

21.1.1 分子量子力学 462

21.1.2 量子化学从头计算法 467

21.1.3 电子相关和组态相互作用 469

21.2 分子力学方法 471

21.2.1 分子力学原理概述 471

21.2.2 分子力学力场 473

21.2.3 分子力学计算方法 475

21.2.4 分子力学计算的应用举例 480

参考文献 483

下篇 研究专题 487

第22章 离子探针 487

22.1 顺磁探针 487

22.1.1 基本原理 487

22.1.2 利用第一次弛豫加强效应测顺磁离子与配位分子中质子的距离 487

22.1.3 利用第二次弛豫加强效应测生物大分子的金属离子结合位置数和结合常数 488

22.1.4 应用实例--人血清白蛋白与Gd3+的结合位置数和生成常数 488

22.2 荧光敏化和加强效应的理论方程及其应用 489

22.2.1 理论方程的导出 490

22.2.2 γ-球蛋白与氯原酸分子的结合 490

22.2.3 荧光染料探针与蛋白质结合的研究 491

22.3 荧光猝灭方程的导出和药物与蛋白的作用 492

22.3.1 理论方程的推导和验证 492

22.3.2 荧光给体-受体间距离的求取 494

22.3.3 猝灭荧光法和药物作用机理 495

22.4 配离子磁共振位移探针及其溶液化学 495

22.4.1 用锇胺分子氢1H NMR探针的竞争模式对抗癌金属配合物与核苷酸相互作用的研究 496

22.4.2 用锇胺分子氢配合物探针研究金属抗癌剂与靶分子的结合量和反应动力学 504

参考文献 504

第23章 金属离子与DNA/RNA的作用 505

23.1 金属配合物键合DNA研究的最新进展 505

23.1.1 DNA的分子结构特点 505

23.1.2 金属配合物键合DNA的研究现状 506

23.1.3 小分子配合物键合DNA研究的新动向 507

23.1.4 二维NMR谱和分子模拟研究药物与生物大分子的作用 511

23.2 手性金属配合物△，？-［Co(Phen)2dppz］3+与B-DNA作用的分子模拟 511

23.2.1 模拟方法 512

23.2.2 从大沟方向作用得出的相关结果 512

23.2.3 从小沟方向插入得出的相关结果 513

23.2.4 最佳位点和手性选择性 514

23.2.6 生成热 515

23.2.5 端基效应 515

23.2.7 小结 516

23.3 错配核酸及其与金属配合物的作用 516

23.3.1 错配核酸及其研究进展 516

23.3.2 ？-及△-［Ru(Phen)2dppz]n+对错配DNA识别机理的分子模拟 522

23.4 金属配合物与DNA的作用 526

23.4.1 具有混合平面配体金属配合物的合成及其与DNA的作用 526

23.4.2 金属配合物以水解机理识别切割DNA 528

参考文献 537

第24章 抗癌活性配合物的合成和作用机理 541

24.1 金属抗癌剂和两极互补原理 541

24.1.1 金属抗癌剂 541

24.1.2 两极互补原理和相似者相容原理 541

24.1.4 两极互补原理的应用 542

24.1.3 金属抗癌剂活性的两极互补原理(TPCP) 542

24.2 有机锡配合物的合成、抗癌活性及其与DNA作用的分子机理 544

24.2.1 抗癌活性有机锡衍生物的类型 544

24.2.2 有机锡化合物体内抗癌活性的研究 548

24.2.3 含芳香异羟肟酸类烷基苯基锡的合成和抗癌活性 549

24.2.4 有机锡化合物的抗癌作用机理 550

24.2.5 小结 551

24.3 金属茂类化合物的抗癌机理研究 551

24.3.1 研究背景及其科学意义 551

24.3.2 二氯二茂钛类化合物与单核苷酸及DNA的作用 553

24.3.3 二茂钛氨基酸衍生物与DNA的作用 556

24.3.4 二茂铁鎓离子三氯乙酸盐与DNA的作用 558

24.4 低氧选择性和特异断裂核酸金属配合物的抗癌活性 561

24.4.1 低氧选择性抗癌药物-钴(III)配合物的合成及活性 561

24.4.2 特异性断裂核酸的金属配合物作为抗癌剂研究 562

参考文献 563

24.4.3 展望 563

第25章 金属(稀土)离子及其化合物与细胞的作用 566

25.1 稀土元素能否通过细胞膜的研究方法及现状 566

25.2 荧光浓度指示剂法的基本原理 566

25.2.1 fura-2荧光指示剂法 566

25.2.2 fura-2测RE3+的定量表达式以及稀土与钙离子荧光的区别 568

25.3 Na+/La3+交换操纵的稀土离子La3+跨淋巴细胞膜的定量研究 568

25.3.1 淋巴细胞的分离制备 569

25.3.2 La3+-fura-2配合物的荧光性质 569

25.3.3 La3+跨淋巴细胞膜的行为及对Na+/Ca2+交换的影响 570

25.4 稀土对钙通道和胞内钙离子浓度的影响 572

25.4.1 膜片钳研究钙通道的原理 572

25.4.2 稀土对心肌细胞膜通道的影响 575

25.4.3 稀土对萝卜慢液泡(SV)通道的影响 578

25.4.4 荧光法研究稀土对红细胞钙内流的影响 580

25.4.5 Ce3+对细胞内游离Ca2+的影响 582

25.4.6 La3+和Gd3+对鼠肝癌H-35细胞钙内流的影响 584

25.5 金属配合物和无机药物与细胞的作用 584

25.5.1 金属配合物跨膜传递的特点 584

25.5.2 细胞对顺铂类配合物的摄入 585

25.5.3 细胞对稀土配合物的摄取 587

参考文献 588

第26章 无机药物化学 591

26.1 导论 591

26.2 放射性诊断和治疗试剂的设计 591

26.2.1 MRI对照试剂 591

26.2.2 放射性药物 593

26.2.3 抗感染试剂 594

26.2.4 超氧化物歧化酶模拟物 595

26.2.5 心血管系统 595

26.2.7 金属靶点有机药物 597

26.2.6 铬化合物的生物活性 597

26.2.8 光动力学疗法 599

26.3 抗癌铂试剂 599

26.3.1 已用于临床的铂配合物 599

26.3.2 含铂药物与DNA的作用 601

26.3.3 蛋白质的识别 603

26.3.4 活性反式配合物 603

26.3.5 生物转化 604

26.3.6 光反应活性 605

26.3.7 其他金属抗癌剂 605

26.4 金的抗关节炎药物 606

26.5 铋抗溃疡药物 607

26.6 作为胰岛素模拟物的金属钒化合物 608

26.6.1 金属钒化合物的胰岛素样活性 608

26.6.2 胰岛素样活性钒化合物的类型 609

26.6.3 金属钒化合物胰岛素样活性机理 612

26.6.4 金属钒化合物对糖尿病治疗的临床试验 613

26.7 小结 613

参考文献 614

第27章 我国生物无机化学的发展 619

27.1 金属离子及其配合物与生物大分子的作用 619

27.2 药物中的金属及抗癌活性配合物的作用机理 620

27.2.1 顺铂的作用机理 620

27.2.2 抗癌活性金属茂类化合物的作用机理 621

27.2.3 有机锡配合物的抗癌活性及其与DNA作用的分子机理 621

27.3 稀土元素生物无机化学 622

27.4 金属离子与细胞的作用 622

27.5 金属蛋白与金属酶 624

27.6 生物矿化 625

27.7 环境生物无机化学 625

27.8 小结 626

参考文献 626