2025年高考我國生物無機化學的發(fā)展

　　生物無機化學的蘊生和發(fā)展差不多經歷了半個世紀，而作為一個獨立學科的建立，卻是近30年的事情，通常人們把國際期刊JournalofInorganicBiochemistry的創(chuàng)立（1971年）作為標志。眾所周知，這個學科是在無機化學和生物學的相互交*、滲透中發(fā)展起來的一門邊沿學科。它的基本任務是從現(xiàn)象學上以及從分子、原子水平上研究金屬與生物配體之間的相互作用。而對這種相互作用的闡明有賴于無機化學和生物學兩門學科水平的高度發(fā)展。由于應用理論化學方法和近代物理實驗方法研究物質（包括生物分子）的結構、構象和分子能級的飛速進展，使得揭示生命過程中的生物無機化學行為成為可能，生物無機化學正是這個時候作為一門獨立學科應運而生。

　　生物無機化學在我國較早就有一些不同學科的研究者在如生物礦化等方面開展工作；但是作為一門學科的出現(xiàn)，似應以全國第一次生物無機化學會議（1984年，武漢）的召開為標志�？傊�，從80年代初，我國從事不同學科的化學家順應國際上這一新學科的發(fā)展，不少人紛紛轉到生物無機這塊園地進行耕耘。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合后，常常會發(fā)生明顯的生物化學效應。計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葡萄糖氧化酶（GOD）的活性有激活和抑制作用。

　　生物大分子結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，提出用競爭參數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的F值和穩(wěn)定常數。

　　分子識別是近年來國際上一個十分活躍的研究領域。計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。

　　應用金屬及其配合物對肽鍵的化學切割，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。蛋白質的水解機理是利用金屬配合物促進特定肽鍵的水解，以達到選擇性斷裂肽鍵的目的。

　　離子探針是一種研究生物體內無適當光、磁信號金屬離子的結合狀態(tài)的有效手段。楊頻研究組應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理

　　2．1順鉑的作用機理

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

　　2．2有機錫配合物的抗癌活性及其與DNA作用的分子機理

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

　　3稀土元素生物無機化學

　　我國科學工作者對稀土生物無機化學、稀土生物化學和稀土毒理學進行了研究。早期主要是進行了大量的環(huán)境調查及農用稀土毒理研究。８０年代開始從分子水平及細胞水平上開展稀土的生物無機化學研究，并已出版了專著。

　　鐘淑琳等從茶葉中分離出含稀土的成分，認為是一種類脂和多糖結合的大分子化合物。趙貴文等從福建稀土礦區(qū)采集到的鐵芒萁植物中測得含有較高的稀土，認為該植物對稀土具有富集作用。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，牙中稀土量逐漸積累；盧國埕等指出礦區(qū)居民的頭發(fā)中稀土含量明顯增高。盧國埕等還報道了三氯化釔對大鼠精子的毒性，可使精子運動速度明顯降低。牛春吉等用電位滴定法，測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，并用數學模型方法計算了當有稀土等金屬離子存在下，其物種的分布。

　　4金屬離子與細胞的作用

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

　　細胞對順鉑類配合物攝入的動力學和機理已進行了不少研究�？鼓[瘤配合物順鉑和它的類似物的細胞攝入不僅與這類配合物的抗癌活性密切相關，而且與其細胞毒性、抗藥性有關，對其攝入的機理仍存在爭論：一方面順鉑的細胞積累與接觸細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，這些事實符合被動擴散機制；而另一些實驗表明，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、鈣調蛋白的拮抗劑等的調節(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。

　　細胞膜的通透性與細胞對物質的攝取有密切關系。盧景芬的研究表明，順鉑對人體紅細胞膜的結合導致維生素C向內擴散及TEMPO向外擴散的增加；她們還利用自旋標記的順鉑等，研究了這些配合物從細胞流出的動力學，結果表明在初始階段藥物進入人體紅細胞的速率是最快的，但3h后胞內鉑濃度下降，這意味著流出的速率超過了進入的速率。

　　5金屬蛋白與金屬酶

　　細胞色素（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、以及能量轉換及儲存中有重要功能。

　　金屬硫蛋白（MT）是一類低分子、富含半胱氨酸酶的金屬結合蛋白，對它的研究和利用都必須進行分離提取。黃仲賢等分離到了兔、鼠、刺猬、熊貓等哺乳動物的金屬硫蛋白、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汞化合物引起的紅細胞溶血的抑制作用；黃仲賢等研究了Cu-MT清除·OH自由基的能力。然而，體內清除自由基的機制很復雜，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。

　　關于金屬酶的化學模擬，1990年羅勤慧得到了第一個咪唑橋聯(lián)的Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）異雙核配合物單晶結構，繼后唐雯霞等合成了結構類似的模擬物，。計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力學，軸向配體對催化作用的影響和羥化反應機理等。

　　關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共固定化，用于淀粉轉化于果糖，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，硒對人的健康有重要影響，國外研究已取得重要進展。我國也開展了不少研究。楊銘等從恩施富硒大蒜中分離出一中硒多糖。關于金屬輔酶，陳慧蘭研究組設計、合成了三個系列、近30個不同烷基、反應堿基及平面配體的烷基鈷西夫堿類模型化合物，測定了它們的Co-C鍵離解能，取得了新的結果。

　　6生物礦化

　　自然界生物利用礦物至少已有35億年歷史。從細菌、微生物到動物、植物的體內均可形成礦物。生物礦化的研究始于本世紀初。近些年來我國學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，對象牙從鈉米到厘米的分級做詳細的研究，結果表明象牙與人類的牙齒的牙本質相似，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，從而導致象牙中鈣的化學環(huán)境在比羥基磷灰石晶體中的更加復雜。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晶作用，發(fā)現(xiàn)當無膜存在時，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構的基礎上，進一步認識到，有機基質及有機-無機界面的分子識別，在晶體的成核、生長以及微結構的有序組裝方面起著關鍵作用。邰子厚建議今后應在以下幾個方面開展研究：（1）誘導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）微結構的構筑等。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，為進一步合成優(yōu)良的生物活性陶瓷、功程生物材料開辟一個新的研究天地。

　　7環(huán)境生物無機化學

　　環(huán)境生物無機化學從環(huán)境與生物體的相互作用出發(fā)，研究無機元素在環(huán)境中的存在形態(tài)、轉化及其效應和人體健康的關系。國內研究工作集中在：（1）與地方病和心血管病有關的碘、氟、鉛、鉻等；（2）結合動物和人體健康進行的汞、鎘、鉛、銅、鋅、砷、鋁和硒的研究；（3）結合作物生長開展的硼、錳、鋅和鉬的研究；（4）結合微量元素應用的潛在危害作用研究，如農用稀土研究等。已有多部專著問世。我國學者彭安、徐輝碧等對硒的化學開展了卓有成效的研究。研究側重中國低硒帶與健康的關系及低硒生態(tài)環(huán)境改良途徑。另一個與環(huán)境生態(tài)有關的重大問題是稀土微肥和稀土飼料的廣泛應用，會不會給人帶來長期毒害，對此國家已經組織了重大基金項目進行研究。汞是我國生態(tài)環(huán)境中突出的污染元素。國際上存在的金礦開采和燃煤帶來的污染在我國也同樣存在，已引起國內外的充分重視和研究新熱點。國際公認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)和轉化仍是我們需要切實解決的研究課題。非金屬元素碘、氟、砷對人的健康至關重要，要從必需和毒害兩個方面加以研究。在今后相當長的時期內，與地方病和區(qū)域健康有關的微量元素環(huán)境生物無機化學研究仍將是本學科研究的重點。環(huán)境生物無機化學是一個與人類生存和生活質量密切相關的分支學科，需要給以更多的關注。

　　8小結

　　從上述不難看出，我國生物無機化學是一個順應國際學術潮流、剛剛發(fā)展起來的新學科、在短短的近20年期間，從不同學科轉來的學者們，走進這片處女地、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，而且培養(yǎng)了一批愿意在這里獻身的年輕人才。今后我國的生物無機化學學科發(fā)展，應該進入生物大分子更深層次的研究，作出更多國際水平的成果。

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