2025年高考我國(guó)生物無機(jī)化學(xué)的發(fā)展

　　生物無機(jī)化學(xué)的蘊(yùn)生和發(fā)展差不多經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)，而作為一個(gè)獨(dú)立學(xué)科的建立，卻是近30年的事情，通常人們把國(guó)際期刊JournalofInorganicBiochemistry的創(chuàng)立（1971年）作為標(biāo)志。眾所周知，這個(gè)學(xué)科是在無機(jī)化學(xué)和生物學(xué)的相互交*、滲透中發(fā)展起來的一門邊沿學(xué)科。它的基本任務(wù)是從現(xiàn)象學(xué)上以及從分子、原子水平上研究金屬與生物配體之間的相互作用。而對(duì)這種相互作用的闡明有賴于無機(jī)化學(xué)和生物學(xué)兩門學(xué)科水平的高度發(fā)展。由于應(yīng)用理論化學(xué)方法和近代物理實(shí)驗(yàn)方法研究物質(zhì)（包括生物分子）的結(jié)構(gòu)、構(gòu)象和分子能級(jí)的飛速進(jìn)展，使得揭示生命過程中的生物無機(jī)化學(xué)行為成為可能，生物無機(jī)化學(xué)正是這個(gè)時(shí)候作為一門獨(dú)立學(xué)科應(yīng)運(yùn)而生。

　　生物無機(jī)化學(xué)在我國(guó)較早就有一些不同學(xué)科的研究者在如生物礦化等方面開展工作；但是作為一門學(xué)科的出現(xiàn)，似應(yīng)以全國(guó)第一次生物無機(jī)化學(xué)會(huì)議（1984年，武漢）的召開為標(biāo)志。總之，從80年代初，我國(guó)從事不同學(xué)科的化學(xué)家順應(yīng)國(guó)際上這一新學(xué)科的發(fā)展，不少人紛紛轉(zhuǎn)到生物無機(jī)這塊園地進(jìn)行耕耘。近20年來，這些耕耘者，的確作出了不少有意義的成果，以下分幾個(gè)方面作概括介紹。

　　1金屬離子及其配合物與生物大分子的作用

　　金屬離子與生物大分子結(jié)合后，常常會(huì)發(fā)生明顯的生物化學(xué)效應(yīng)。計(jì)亮年等觀察到一些金屬（堿和堿土金屬）氯化物和葡萄糖酸鹽對(duì)葡萄糖氧化酶（GOD）的活性有激活和抑制作用。

　　生物大分子結(jié)合的金屬離子可被不同類型的螯合劑奪取。李榮昌等研究了牛血清白蛋白鎘（Ⅱ）的這類反應(yīng)，提出用競(jìng)爭(zhēng)參數(shù)F來表征螯合劑從生物大分子金屬配合物中奪取金屬的能力，求得了多種螯合劑相應(yīng)的F值和穩(wěn)定常數(shù)。

　　分子識(shí)別是近年來國(guó)際上一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域。計(jì)亮年等合成了一系列釕的平面配體配合物，研究了這些配合物與小牛胸腺DNA的作用。楊頻等選用鐵（Ⅱ）、鎳（Ⅱ）為中心離子，以phen、bipy、dppz等為配體，合成并分離出了手性金屬配合物，研究了它們與B-DNA的作用。

　　應(yīng)用金屬及其配合物對(duì)肽鍵的化學(xué)切割，是作為金屬水解肽酶的模擬物來加以研究的。朱龍根等發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的Pb(Ⅱ)水配合物能選擇性的與含蛋氨酸和甲硫半胱氨酸殘基小肽中的硫原子配位，進(jìn)而快速地切割它們的羧基端的肽鍵。他們還發(fā)現(xiàn)氨基酸和二肽的配合物也能有效地水解肽鍵，活性配合物為雙核配合物。蛋白質(zhì)的水解機(jī)理是利用金屬配合物促進(jìn)特定肽鍵的水解，以達(dá)到選擇性斷裂肽鍵的目的。

　　離子探針是一種研究生物體內(nèi)無適當(dāng)光、磁信號(hào)金屬離子的結(jié)合狀態(tài)的有效手段。楊頻研究組應(yīng)用順磁離子探針研究了人血清白蛋白與Gd（Ⅲ）的作用。

　　2藥物中的金屬及抗癌活性配合物的作用機(jī)理

　　2．1順鉑的作用機(jī)理

　　60年代末期，順鉑（cis-platin）抗癌作用的發(fā)現(xiàn)及其臨床應(yīng)用，開辟了金屬配合物抗癌藥物研究的新領(lǐng)域。順鉑抗癌作用的化學(xué)基礎(chǔ)，如順鉑的靶分子、順鉑的跨膜機(jī)制等，至今仍是人們致力研究的課題。王夔曾提出金屬-細(xì)胞相互作用的多靶模型，為后來更多的實(shí)驗(yàn)事實(shí)所支持。他用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了細(xì)胞膜是細(xì)胞外金屬配合物進(jìn)攻的前沿，金屬離子與膜分子的結(jié)合是首先發(fā)生的事件。

　　2．2有機(jī)錫配合物的抗癌活性及其與DNA作用的分子機(jī)理

　　自80年代初，Crowe等人發(fā)現(xiàn)有機(jī)錫配合物有抗癌活性以來，已進(jìn)行了大量合成和篩選工作。國(guó)內(nèi)胡盛志等發(fā)現(xiàn)，由抗癌藥物５-氟尿嘧啶（５-Ｆu）和Et２SnCl２Phen反應(yīng)制得的Et２SnCl(Phen)（５-Ｆu），大大增強(qiáng)了原產(chǎn)品的抗癌活性。潘華德等合成了一系列有機(jī)錫甾醇化合物及碳環(huán)醇化合物，都具有很好的活性。

　　3稀土元素生物無機(jī)化學(xué)

　　我國(guó)科學(xué)工作者對(duì)稀土生物無機(jī)化學(xué)、稀土生物化學(xué)和稀土毒理學(xué)進(jìn)行了研究。早期主要是進(jìn)行了大量的環(huán)境調(diào)查及農(nóng)用稀土毒理研究。８０年代開始從分子水平及細(xì)胞水平上開展稀土的生物無機(jī)化學(xué)研究，并已出版了專著。

　　鐘淑琳等從茶葉中分離出含稀土的成分，認(rèn)為是一種類脂和多糖結(jié)合的大分子化合物。趙貴文等從福建稀土礦區(qū)采集到的鐵芒萁植物中測(cè)得含有較高的稀土，認(rèn)為該植物對(duì)稀土具有富集作用。郭繁清等從江西贛縣大田地區(qū)的鐵芒萁中分離出二種含稀土的糖結(jié)合蛋白。鐘廣濤等研究了牙體中的稀土含量，指出隨著人們年齡增長(zhǎng)，牙中稀土量逐漸積累；盧國(guó)埕等指出礦區(qū)居民的頭發(fā)中稀土含量明顯增高。盧國(guó)埕等還報(bào)道了三氯化釔對(duì)大鼠精子的毒性，可使精子運(yùn)動(dòng)速度明顯降低。牛春吉等用電位滴定法，測(cè)定了在接近體液條件下的稀土-氨基酸二元、三元及多元配合物溶液中的穩(wěn)定性，并用數(shù)學(xué)模型方法計(jì)算了當(dāng)有稀土等金屬離子存在下，其物種的分布。

　　4金屬離子與細(xì)胞的作用

　　同一般物質(zhì)跨膜傳遞的特征一樣，細(xì)胞與重金屬配合物傳遞的方式可分為三類：主動(dòng)運(yùn)送、被動(dòng)擴(kuò)散和細(xì)胞的吞吐作用。主動(dòng)運(yùn)送是膜上載體蛋白將物質(zhì)逆電化學(xué)梯度從低濃度側(cè)經(jīng)過膜運(yùn)送到高濃度的過程。這一過程需要能量的供給才能實(shí)現(xiàn)，其能量來源于ATP的水解。被動(dòng)擴(kuò)散是順物質(zhì)濃度梯度由較濃一側(cè)向較稀一側(cè)的運(yùn)送。這是不需要能量供給的自發(fā)過程。某些親水性物質(zhì)，特別是金屬離子或它們的配合物常常在載體或膜內(nèi)通道蛋白的幫助下，順濃度梯度進(jìn)入細(xì)胞。此類過程由于需要異性的載體，因此有選擇性和飽和性。

　　細(xì)胞對(duì)順鉑類配合物攝入的動(dòng)力學(xué)和機(jī)理已進(jìn)行了不少研究。抗腫瘤配合物順鉑和它的類似物的細(xì)胞攝入不僅與這類配合物的抗癌活性密切相關(guān)，而且與其細(xì)胞毒性、抗藥性有關(guān)，對(duì)其攝入的機(jī)理仍存在爭(zhēng)論：一方面順鉑的細(xì)胞積累與接觸細(xì)胞的順鉑濃度成正比、且具有不飽和性、也不被其類似物所抑制，這些事實(shí)符合被動(dòng)擴(kuò)散機(jī)制；而另一些實(shí)驗(yàn)表明，順鉑的攝入不僅受許多藥物試劑、如兩性霉素B、蛋白酶A及C的激活劑、鈣調(diào)蛋白的拮抗劑等的調(diào)節(jié)，而且還受胞外pH、滲透壓、Na+及K+濃度的影響。因此，順鉑的傳遞似乎通過某種特定的通道。

　　細(xì)胞膜的通透性與細(xì)胞對(duì)物質(zhì)的攝取有密切關(guān)系。盧景芬的研究表明，順鉑對(duì)人體紅細(xì)胞膜的結(jié)合導(dǎo)致維生素C向內(nèi)擴(kuò)散及TEMPO向外擴(kuò)散的增加；她們還利用自旋標(biāo)記的順鉑等，研究了這些配合物從細(xì)胞流出的動(dòng)力學(xué)，結(jié)果表明在初始階段藥物進(jìn)入人體紅細(xì)胞的速率是最快的，但3h后胞內(nèi)鉑濃度下降，這意味著流出的速率超過了進(jìn)入的速率。

　　5金屬蛋白與金屬酶

　　細(xì)胞色素（Cyt）是一類含血紅素的電子傳遞蛋白，在生物氧化、固氮和光合作用、以及能量轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)存中有重要功能。

　　金屬硫蛋白（MT）是一類低分子、富含半胱氨酸酶的金屬結(jié)合蛋白，對(duì)它的研究和利用都必須進(jìn)行分離提取。黃仲賢等分離到了兔、鼠、刺猬、熊貓等哺乳動(dòng)物的金屬硫蛋白、魚類和蚯蚓的金屬硫蛋白以及若干植物，如鳳眼蓮微生物的金屬硫蛋白。王文清等研究了金屬硫蛋白對(duì)汞化合物引起的紅細(xì)胞溶血的抑制作用；黃仲賢等研究了Cu-MT清除·OH自由基的能力。然而，體內(nèi)清除自由基的機(jī)制很復(fù)雜，金屬硫蛋白在生理過程中，是否起清除自由基的作用，尚需更直接的證據(jù)。

　　關(guān)于金屬酶的化學(xué)模擬，1990年羅勤慧得到了第一個(gè)咪唑橋聯(lián)的Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）異雙核配合物單晶結(jié)構(gòu)，繼后唐雯霞等合成了結(jié)構(gòu)類似的模擬物，。計(jì)亮年等研究了以苯基卟啉或酞菁為母體的鐵配合物的吸氧動(dòng)力學(xué)，軸向配體對(duì)催化作用的影響和羥化反應(yīng)機(jī)理等。

　　關(guān)于酶的修飾及固定化，李春華等將α-淀粉酶、糖化酶和葡萄糖異構(gòu)共固定化，用于淀粉轉(zhuǎn)化于果糖，取得了良好的效果。硒蛋白和硒多糖中人體重要的功能蛋白，硒對(duì)人的健康有重要影響，國(guó)外研究已取得重要進(jìn)展。我國(guó)也開展了不少研究。楊銘等從恩施富硒大蒜中分離出一中硒多糖。關(guān)于金屬輔酶，陳慧蘭研究組設(shè)計(jì)、合成了三個(gè)系列、近30個(gè)不同烷基、反應(yīng)堿基及平面配體的烷基鈷西夫堿類模型化合物，測(cè)定了它們的Co-C鍵離解能，取得了新的結(jié)果。

　　6生物礦化

　　自然界生物利用礦物至少已有35億年歷史。從細(xì)菌、微生物到動(dòng)物、植物的體內(nèi)均可形成礦物。生物礦化的研究始于本世紀(jì)初。近些年來我國(guó)學(xué)者也開展了這方面的研究，并已有專著問世。崔福齋等采用X-射線分析等方法，對(duì)象牙從鈉米到厘米的分級(jí)做詳細(xì)的研究，結(jié)果表明象牙與人類的牙齒的牙本質(zhì)相似，是由羥基磷灰石晶體和膠原纖維所組成。然而，由于羥基磷灰石中的鈣部分地被鎂所取代，從而導(dǎo)致象牙中鈣的化學(xué)環(huán)境在比羥基磷灰石晶體中的更加復(fù)雜。他們還用掃描電鏡、透射電鏡和X-射線衍射等方法，研究了在硬脂酸單分子膜磷酸鈣的控制結(jié)晶作用，發(fā)現(xiàn)當(dāng)無膜存在時(shí)，磷酸八（OCP）晶體以20nm~50nm的微小晶簇混亂地從溶液中析出，且不具有擇優(yōu)取向。

　　隨著生物礦化研究工作的開展，在充分比較生物礦物與純礦物的形成過程及晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，有機(jī)基質(zhì)及有機(jī)-無機(jī)界面的分子識(shí)別，在晶體的成核、生長(zhǎng)以及微結(jié)構(gòu)的有序組裝方面起著關(guān)鍵作用。邰子厚建議今后應(yīng)在以下幾個(gè)方面開展研究：（1）誘導(dǎo)分子膜作為分子膜板的定向成核；（2）利用超分子組裝體系合成納米材料；（3）微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑等。生物礦化的研究使人們有希望獲得既有確定大小、晶形和取向，又具有光、電、磁、聲等功能的特殊晶體，為進(jìn)一步合成優(yōu)良的生物活性陶瓷、功程生物材料開辟一個(gè)新的研究天地。

　　7環(huán)境生物無機(jī)化學(xué)

　　環(huán)境生物無機(jī)化學(xué)從環(huán)境與生物體的相互作用出發(fā)，研究無機(jī)元素在環(huán)境中的存在形態(tài)、轉(zhuǎn)化及其效應(yīng)和人體健康的關(guān)系。國(guó)內(nèi)研究工作集中在：（1）與地方病和心血管病有關(guān)的碘、氟、鉛、鉻等；（2）結(jié)合動(dòng)物和人體健康進(jìn)行的汞、鎘、鉛、銅、鋅、砷、鋁和硒的研究；（3）結(jié)合作物生長(zhǎng)開展的硼、錳、鋅和鉬的研究；（4）結(jié)合微量元素應(yīng)用的潛在危害作用研究，如農(nóng)用稀土研究等。已有多部專著問世。我國(guó)學(xué)者彭安、徐輝碧等對(duì)硒的化學(xué)開展了卓有成效的研究。研究側(cè)重中國(guó)低硒帶與健康的關(guān)系及低硒生態(tài)環(huán)境改良途徑。另一個(gè)與環(huán)境生態(tài)有關(guān)的重大問題是稀土微肥和稀土飼料的廣泛應(yīng)用，會(huì)不會(huì)給人帶來長(zhǎng)期毒害，對(duì)此國(guó)家已經(jīng)組織了重大基金項(xiàng)目進(jìn)行研究。汞是我國(guó)生態(tài)環(huán)境中突出的污染元素。國(guó)際上存在的金礦開采和燃煤帶來的污染在我國(guó)也同樣存在，已引起國(guó)內(nèi)外的充分重視和研究新熱點(diǎn)。國(guó)際公認(rèn)在全球最具潛在危害性的金屬有鎘、汞、鉛、錫、銻、銀、鋅等。這些金屬的形態(tài)和轉(zhuǎn)化仍是我們需要切實(shí)解決的研究課題。非金屬元素碘、氟、砷對(duì)人的健康至關(guān)重要，要從必需和毒害兩個(gè)方面加以研究。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，與地方病和區(qū)域健康有關(guān)的微量元素環(huán)境生物無機(jī)化學(xué)研究仍將是本學(xué)科研究的重點(diǎn)。環(huán)境生物無機(jī)化學(xué)是一個(gè)與人類生存和生活質(zhì)量密切相關(guān)的分支學(xué)科，需要給以更多的關(guān)注。

　　8小結(jié)

　　從上述不難看出，我國(guó)生物無機(jī)化學(xué)是一個(gè)順應(yīng)國(guó)際學(xué)術(shù)潮流、剛剛發(fā)展起來的新學(xué)科、在短短的近20年期間，從不同學(xué)科轉(zhuǎn)來的學(xué)者們，走進(jìn)這片處女地、一面辛勤耕耘，一面培養(yǎng)新秀，不僅作出了令人矚目的成績(jī)，而且培養(yǎng)了一批愿意在這里獻(xiàn)身的年輕人才。今后我國(guó)的生物無機(jī)化學(xué)學(xué)科發(fā)展，應(yīng)該進(jìn)入生物大分子更深層次的研究，作出更多國(guó)際水平的成果。

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