配位化学在生物化学方面的应用

张书铭，许慧聪，田超超西安科技大学能源学院

配位化学在生物化学方面的应用

张书铭，许慧聪，田超超
西安科技大学能源学院

配位化学是研究金属的原子或离子与无机、有机的离子或分子相互反应形成配位化合物的特点以及它们的成键、结构、反应、分类和制备的学科。配位化学是从无机化学发展而来。而生物化学则是利用化学的方法和理论研究生命物质的学科。本文简要论述了配位化学在生物化学研究中的应用。生物体内的金属离子本身是没有生物活性的，只有在和特定结构的生物配体结合形成生物配合化合物后，才具有了特定的生理功能。

配位化学；生物化学；应用

1　配位化学、生物配位化合物简述

1.1配位化学

配位化学是在无机化学基础上发展起来的一门重要化学分支学科。1893年，Werner创立了配位化学，从创立到现在，经过100多年的发展历程，配位化学取得了长足的发展，尤其在现代测试技术和量子力学理论技术应用到其中之后，配位化学更是获得了飞速发展，无论是纵向还是横向上，配位化学都有了显著的进步。中心原子更加丰富，由以前的过渡金属、稀土金属元素发展到主族及非金属元素；配体也从以前单纯的有机分子或离子发展到氢、氮、氧、二氧化碳等；研究内容更加复杂深入，以前只是停留在研究配合物的合成和结构上，现在研究更加深入，更注重研究配合物功能和应用；研究对象也有了显著变化，之前只是研究简单的配合物，随着技术的更加成熟，研究的配合物也更加复杂。

发展到现在，配位化学的发展已经超出了无机化学的范畴，逐渐独立成一个二级化学学科，同时配位化学在化学发展中还占据了重要地位，它既与化学中的分析化学、有机化学、生物化学、物理化学、高分子化学等联系紧密，同时也与很多学科密不可分，例如：生命科学、医药科学、材料科学、信息科学等。配位化学发展到这个状态，对配位化学工作者既是一个挑战，同时也是一个机遇，配位化学工作者应该抓住机遇迎接挑战，为配位化学的发展做出贡献。

1.2生物配位化学

生物配位化合物就是生物体内金属离子和生物配体形成的配位化合物。生物配体主要包括蛋白质、肽、核酸、糖、糖蛋白及脂蛋白等大分子，也包括一些有机、无机离子如有机酸根、碳酸氢根、磷酸氢根等，以及某些维生素和激素小分子配位体。在广义范围内，一氧化碳分子和氧分子也是生物配位体。生物体内的一些金属离子，如果单独来看，这些金属离子是没有任何活性和功能的，但是一旦与其他生物配体结合后，形成了生物配体，那么这个配体就会根据不同的金属离子、配位体、结合方式等的不同表现出不同的活性和功能。金属配合物在生物化学中以其重要作用因而占有重要地位，并广泛：存在生物体中，例如各种各样的酶，许多都是一些复杂的金属配合物。酶的作用非常大，由于它的催化作用，使很多无法在实验室中完成的实验，得以在生物体内完成了。经研究，生物体内的能量转换、各种代谢、氧气的输送等过程也都与金属配合物有着密切的联系。

2　生物配位化合物在生物体内的作用概述

血红素、叶绿素等都是生物体内复杂的金属配合物，它们在生物体内都发挥着重要作用。

叶绿素是以Mg2+为中心的复杂配合物，在植物进行光合作用时，叶绿素的作用非常关键，它将植物吸收的二氧化碳和水经过一些列的作用合成为复杂的糖类，以供植物生长需要，这个过程实现了太阳能转化为化学能的过程。

血红素是以Fe2+为中心的复杂配合物，血红素与有机大分子球蛋白相结合即为血红蛋白。血红蛋白自身是蓝色的，当与大量氧结合时则呈现鲜红的颜色，如果氧含量低则呈现蓝色，这也就解释了静脉血颜色暗，动脉血颜色鲜艳的原因了，因为动脉含氧量高，而静脉含氧量低。

血红蛋白H2O（暗色）+O2↔血红蛋白O2（鲜红色）+H2O，这个平衡对氧气的浓度很敏感。在肺的部位，由于氧气浓度较高，导致该平衡主要向右倾斜，氧气以血红蛋白配合物的形式被红血球吸收，通过血液的传送，输送到各个细胞组织，以满足各个组织新陈代谢所学氧气的需要。然而，CO或CN-这些分子或负离子，它们会优先与氧气分子，它们与血红蛋白会形成更加稳定的配合物，因此，血红蛋白会跟加容易与这些分子或负离子结合，这样就会造成血液对氧气输送量的不足，从而导致各个细胞组织缺氧，阻碍了各组织的新陈代谢，从而造成中毒现象，这也解释了煤气中毒和氰化物中毒的原因。

除了上述两种关键的生物配位化合物外，还有维生素B12、血清蛋白、固氮酶等都在生物体内发挥着重要作用。维生素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。维生素B12是人体代谢和生长所必需的维生素，血清单位起着重要的免疫作用，固氮酶是植物固氮菌中的重要活性酶。正由于人们越来越意识到这些生物配位化合物的重要性，世界各国对该领域的研究力度也逐渐加大，深入探索生物配位化合物的组成、结构、性能和一些反映机理，并进一步利用这些研究成果研发出一些仿生手段，该领域研究已逐步受到关注和重视。

除了上述的这些方面，在医疗药物方面，配合物也逐渐显现了它的优势，并已成功应用临床，取得了较好的效果。例如：EDTA可以作为Pb2+、Hg2+等中毒的解毒剂；顺式[Pt(NH3)2Cl2]也称为顺铂，由于其在抗癌方面效果表现较好，因此已用做治疗癌症的药物。

一段时间以来，人们深入研究了生物配位化合物尤其是金属配位化合物，主要目的是为了透彻了解金属配位化合物的作用机理和金属配位化合物生物体内机能的关系，从而能够更加明白生物体内复杂的运行机制，以便为一些病变的治疗提供更可靠、更有效的解决方法。然而由于生物配位化合物的复杂性和多样性，人们对于很多生物配位化合物还没有研究清楚，还有待于进一步探索、发现。

张书铭(1994-)，男，吉林抚松人，本科在读，西安科技大学能源学院，研究方向：采矿工程。