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