配位化學在生物化學方面的應用

張書銘，許慧聰，田超超西安科技大學能源學院

配位化學在生物化學方面的應用

張書銘，許慧聰，田超超
西安科技大學能源學院

配位化學是研究金屬的原子或離子與無機、有機的離子或分子相互反應形成配位化合物的特點以及它們的成鍵、結構、反應、分類和制備的學科。配位化學是從無機化學發展而來。而生物化學則是利用化學的方法和理論研究生命物質的學科。本文簡要論述了配位化學在生物化學研究中的應用。生物體內的金屬離子本身是沒有生物活性的，只有在和特定結構的生物配體結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；生物化學；應用

1　配位化學、生物配位化合物簡述

1.1配位化學

配位化學是在無機化學基礎上發展起來的一門重要化學分支學科。1893年，Werner創立了配位化學，從創立到現在，經過100多年的發展歷程，配位化學取得了長足的發展，尤其在現代測試技術和量子力學理論技術應用到其中之后，配位化學更是獲得了飛速發展，無論是縱向還是橫向上，配位化學都有了顯著的進步。中心原子更加豐富，由以前的過渡金屬、稀土金屬元素發展到主族及非金屬元素；配體也從以前單純的有機分子或離子發展到氫、氮、氧、二氧化碳等；研究內容更加復雜深入，以前只是停留在研究配合物的合成和結構上，現在研究更加深入，更注重研究配合物功能和應用；研究對象也有了顯著變化，之前只是研究簡單的配合物，隨著技術的更加成熟，研究的配合物也更加復雜。

發展到現在，配位化學的發展已經超出了無機化學的范疇，逐漸獨立成一個二級化學學科，同時配位化學在化學發展中還占據了重要地位，它既與化學中的分析化學、有機化學、生物化學、物理化學、高分子化學等聯系緊密，同時也與很多學科密不可分，例如：生命科學、醫藥科學、材料科學、信息科學等。配位化學發展到這個狀態，對配位化學工作者既是一個挑戰，同時也是一個機遇，配位化學工作者應該抓住機遇迎接挑戰，為配位化學的發展做出貢獻。

1.2生物配位化學

生物配位化合物就是生物體內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、肽、核酸、糖、糖蛋白及脂蛋白等大分子，也包括一些有機、無機離子如有機酸根、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，一氧化碳分子和氧分子也是生物配位體。生物體內的一些金屬離子，如果單獨來看，這些金屬離子是沒有任何活性和功能的，但是一旦與其他生物配體結合后，形成了生物配體，那么這個配體就會根據不同的金屬離子、配位體、結合方式等的不同表現出不同的活性和功能。金屬配合物在生物化學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，使很多無法在實驗室中完成的實驗，得以在生物體內完成了。經研究，生物體內的能量轉換、各種代謝、氧氣的輸送等過程也都與金屬配合物有著密切的聯系。

2　生物配位化合物在生物體內的作用概述

血紅素、葉綠素等都是生物體內復雜的金屬配合物，它們在生物體內都發揮著重要作用。

葉綠素是以Mg2+為中心的復雜配合物，在植物進行光合作用時，葉綠素的作用非常關鍵，它將植物吸收的二氧化碳和水經過一些列的作用合成為復雜的糖類，以供植物生長需要，這個過程實現了太陽能轉化為化學能的過程。

血紅素是以Fe2+為中心的復雜配合物，血紅素與有機大分子球蛋白相結合即為血紅蛋白。血紅蛋白自身是藍色的，當與大量氧結合時則呈現鮮紅的顏色，如果氧含量低則呈現藍色，這也就解釋了靜脈血顏色暗，動脈血顏色鮮艷的原因了，因為動脈含氧量高，而靜脈含氧量低。

血紅蛋白H2O（暗色）+O2?血紅蛋白O2（鮮紅色）+H2O，這個平衡對氧氣的濃度很敏感。在肺的部位，由于氧氣濃度較高，導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，通過血液的傳送，輸送到各個細胞組織，以滿足各個組織新陳代謝所學氧氣的需要。然而，CO或CN-這些分子或負離子，它們會優先與氧氣分子，它們與血紅蛋白會形成更加穩定的配合物，因此，血紅蛋白會跟加容易與這些分子或負離子結合，這樣就會造成血液對氧氣輸送量的不足，從而導致各個細胞組織缺氧，阻礙了各組織的新陳代謝，從而造成中毒現象，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發揮著重要作用。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。正由于人們越來越意識到這些生物配位化合物的重要性，世界各國對該領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、結構、性能和一些反映機理，并進一步利用這些研究成果研發出一些仿生手段，該領域研究已逐步受到關注和重視。

除了上述的這些方面，在醫療藥物方面，配合物也逐漸顯現了它的優勢，并已成功應用臨床，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]也稱為順鉑，由于其在抗癌方面效果表現較好，因此已用做治療癌癥的藥物。

一段時間以來，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理和金屬配位化合物生物體內機能的關系，從而能夠更加明白生物體內復雜的運行機制，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雜性和多樣性，人們對于很多生物配位化合物還沒有研究清楚，還有待于進一步探索、發現。

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