配位化學(xué)在生物化學(xué)方面的應(yīng)用

張書(shū)銘，許慧聰，田超超西安科技大學(xué)能源學(xué)院

配位化學(xué)在生物化學(xué)方面的應(yīng)用

張書(shū)銘，許慧聰，田超超
西安科技大學(xué)能源學(xué)院

配位化學(xué)是研究金屬的原子或離子與無(wú)機(jī)、有機(jī)的離子或分子相互反應(yīng)形成配位化合物的特點(diǎn)以及它們的成鍵、結(jié)構(gòu)、反應(yīng)、分類(lèi)和制備的學(xué)科。配位化學(xué)是從無(wú)機(jī)化學(xué)發(fā)展而來(lái)。而生物化學(xué)則是利用化學(xué)的方法和理論研究生命物質(zhì)的學(xué)科。本文簡(jiǎn)要論述了配位化學(xué)在生物化學(xué)研究中的應(yīng)用。生物體內(nèi)的金屬離子本身是沒(méi)有生物活性的，只有在和特定結(jié)構(gòu)的生物配體結(jié)合形成生物配合化合物后，才具有了特定的生理功能。

配位化學(xué)；生物化學(xué)；應(yīng)用

1　配位化學(xué)、生物配位化合物簡(jiǎn)述

1.1配位化學(xué)

配位化學(xué)是在無(wú)機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)重要化學(xué)分支學(xué)科。1893年，Werner創(chuàng)立了配位化學(xué)，從創(chuàng)立到現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展歷程，配位化學(xué)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，尤其在現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和量子力學(xué)理論技術(shù)應(yīng)用到其中之后，配位化學(xué)更是獲得了飛速發(fā)展，無(wú)論是縱向還是橫向上，配位化學(xué)都有了顯著的進(jìn)步。中心原子更加豐富，由以前的過(guò)渡金屬、稀土金屬元素發(fā)展到主族及非金屬元素；配體也從以前單純的有機(jī)分子或離子發(fā)展到氫、氮、氧、二氧化碳等；研究?jī)?nèi)容更加復(fù)雜深入，以前只是停留在研究配合物的合成和結(jié)構(gòu)上，現(xiàn)在研究更加深入，更注重研究配合物功能和應(yīng)用；研究對(duì)象也有了顯著變化，之前只是研究簡(jiǎn)單的配合物，隨著技術(shù)的更加成熟，研究的配合物也更加復(fù)雜。

發(fā)展到現(xiàn)在，配位化學(xué)的發(fā)展已經(jīng)超出了無(wú)機(jī)化學(xué)的范疇，逐漸獨(dú)立成一個(gè)二級(jí)化學(xué)學(xué)科，同時(shí)配位化學(xué)在化學(xué)發(fā)展中還占據(jù)了重要地位，它既與化學(xué)中的分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)、物理化學(xué)、高分子化學(xué)等聯(lián)系緊密，同時(shí)也與很多學(xué)科密不可分，例如：生命科學(xué)、醫(yī)藥科學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)等。配位化學(xué)發(fā)展到這個(gè)狀態(tài)，對(duì)配位化學(xué)工作者既是一個(gè)挑戰(zhàn)，同時(shí)也是一個(gè)機(jī)遇，配位化學(xué)工作者應(yīng)該抓住機(jī)遇迎接挑戰(zhàn)，為配位化學(xué)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1.2生物配位化學(xué)

生物配位化合物就是生物體內(nèi)金屬離子和生物配體形成的配位化合物。生物配體主要包括蛋白質(zhì)、肽、核酸、糖、糖蛋白及脂蛋白等大分子，也包括一些有機(jī)、無(wú)機(jī)離子如有機(jī)酸根、碳酸氫根、磷酸氫根等，以及某些維生素和激素小分子配位體。在廣義范圍內(nèi)，一氧化碳分子和氧分子也是生物配位體。生物體內(nèi)的一些金屬離子，如果單獨(dú)來(lái)看，這些金屬離子是沒(méi)有任何活性和功能的，但是一旦與其他生物配體結(jié)合后，形成了生物配體，那么這個(gè)配體就會(huì)根據(jù)不同的金屬離子、配位體、結(jié)合方式等的不同表現(xiàn)出不同的活性和功能。金屬配合物在生物化學(xué)中以其重要作用因而占有重要地位，并廣泛：存在生物體中，例如各種各樣的酶，許多都是一些復(fù)雜的金屬配合物。酶的作用非常大，由于它的催化作用，使很多無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中完成的實(shí)驗(yàn)，得以在生物體內(nèi)完成了。經(jīng)研究，生物體內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換、各種代謝、氧氣的輸送等過(guò)程也都與金屬配合物有著密切的聯(lián)系。

2　生物配位化合物在生物體內(nèi)的作用概述

血紅素、葉綠素等都是生物體內(nèi)復(fù)雜的金屬配合物，它們?cè)谏矬w內(nèi)都發(fā)揮著重要作用。

葉綠素是以Mg2+為中心的復(fù)雜配合物，在植物進(jìn)行光合作用時(shí)，葉綠素的作用非常關(guān)鍵，它將植物吸收的二氧化碳和水經(jīng)過(guò)一些列的作用合成為復(fù)雜的糖類(lèi)，以供植物生長(zhǎng)需要，這個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程。

血紅素是以Fe2+為中心的復(fù)雜配合物，血紅素與有機(jī)大分子球蛋白相結(jié)合即為血紅蛋白。血紅蛋白自身是藍(lán)色的，當(dāng)與大量氧結(jié)合時(shí)則呈現(xiàn)鮮紅的顏色，如果氧含量低則呈現(xiàn)藍(lán)色，這也就解釋了靜脈血顏色暗，動(dòng)脈血顏色鮮艷的原因了，因?yàn)閯?dòng)脈含氧量高，而靜脈含氧量低。

血紅蛋白H2O（暗色）+O2?血紅蛋白O2（鮮紅色）+H2O，這個(gè)平衡對(duì)氧氣的濃度很敏感。在肺的部位，由于氧氣濃度較高，導(dǎo)致該平衡主要向右傾斜，氧氣以血紅蛋白配合物的形式被紅血球吸收，通過(guò)血液的傳送，輸送到各個(gè)細(xì)胞組織，以滿足各個(gè)組織新陳代謝所學(xué)氧氣的需要。然而，CO或CN-這些分子或負(fù)離子，它們會(huì)優(yōu)先與氧氣分子，它們與血紅蛋白會(huì)形成更加穩(wěn)定的配合物，因此，血紅蛋白會(huì)跟加容易與這些分子或負(fù)離子結(jié)合，這樣就會(huì)造成血液對(duì)氧氣輸送量的不足，從而導(dǎo)致各個(gè)細(xì)胞組織缺氧，阻礙了各組織的新陳代謝，從而造成中毒現(xiàn)象，這也解釋了煤氣中毒和氰化物中毒的原因。

除了上述兩種關(guān)鍵的生物配位化合物外，還有維生素B12、血清蛋白、固氮酶等都在生物體內(nèi)發(fā)揮著重要作用。維生素B12是Co的配合物，血清蛋白是Cu和Zn的配合物，固氮酶是Fe和Mo的配合物。維生素B12是人體代謝和生長(zhǎng)所必需的維生素，血清單位起著重要的免疫作用，固氮酶是植物固氮菌中的重要活性酶。正由于人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到這些生物配位化合物的重要性，世界各國(guó)對(duì)該領(lǐng)域的研究力度也逐漸加大，深入探索生物配位化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性能和一些反映機(jī)理，并進(jìn)一步利用這些研究成果研發(fā)出一些仿生手段，該領(lǐng)域研究已逐步受到關(guān)注和重視。

除了上述的這些方面，在醫(yī)療藥物方面，配合物也逐漸顯現(xiàn)了它的優(yōu)勢(shì)，并已成功應(yīng)用臨床，取得了較好的效果。例如：EDTA可以作為Pb2+、Hg2+等中毒的解毒劑；順式[Pt(NH3)2Cl2]也稱(chēng)為順鉑，由于其在抗癌方面效果表現(xiàn)較好，因此已用做治療癌癥的藥物。

一段時(shí)間以來(lái)，人們深入研究了生物配位化合物尤其是金屬配位化合物，主要目的是為了透徹了解金屬配位化合物的作用機(jī)理和金屬配位化合物生物體內(nèi)機(jī)能的關(guān)系，從而能夠更加明白生物體內(nèi)復(fù)雜的運(yùn)行機(jī)制，以便為一些病變的治療提供更可靠、更有效的解決方法。然而由于生物配位化合物的復(fù)雜性和多樣性，人們對(duì)于很多生物配位化合物還沒(méi)有研究清楚，還有待于進(jìn)一步探索、發(fā)現(xiàn)。

張書(shū)銘(1994-)，男，吉林撫松人，本科在讀，西安科技大學(xué)能源學(xué)院，研究方向：采礦工程。