摘要：本文简要地回顾了现代无机化学的研究进展和生物化学的发展情况。在此基础上引出了金属酶，并对金属酶的种类、作用机理、金属酶在不同领域的作用以及金属酶的研究进展和发展趋势进行了较为详细的论述。
关键词：无机化学生物化学金属酶
Abstract:Thearticlebrieflyreviewsthedevelopmentofmoderninorganicchemistryandbiochemistry.Onthisbasis,thearticleintroducesthemetalloenzymes,andprovidesamoredetaileddiscussionaboutitsmechanismofaction,commontypesofenzymes,theroleofmetalloenzymesindifferentfieldsaswellastheresearchprogressanddevelopmenttrendofmetalloenzymes.
Keywords:InorganicChemistryBiochemistrymetalloenzymes
1.现代无机化学研究进展
无机化学是研究无机物质的组成、性质、结构和反应的科学，它是化学中最古老的分支学科。由于最初化学所研究的多为无机物，所以近代无机化学的建立就标志着近代化学的兴起。天然资源的开发利用，科学技术对合成新材料的迫切需求，尤其是本世纪40年代以来原子能、计算机、航天与信息技术的兴起，在很大程度上推动了无机化学的不断发展，而学科间的相互渗透为无机化学提供了新的发展空间。现代无机化学的发展具有如下几个特点:研究范围从宏观到微观，从分子到分子以上层次、研究手段从定性描述向定最化方向发展、研究领域既分化又交叉。
1.1研究范围从宏观到微观，从分子到分子以上层次
在功能性无机物的结构与性能关系研究中，不仅研究无机化合物的宏观性质，而且重视物质的微观结构的研究，即原子、分子内部结构特别是原子、分子中电子的行为和运动规律的研究，建立了以现代化学键理论为基础的化学结构理论体系。
另一方面，许多物质的宏观性质不仅决定于分子的性质，还与分子以上层次的结构、尺度有关。近年来兴起的超分子化学和无机纳米材料，成为无机化学研究的热点研究领域。
1.2研究手段从定性描述向定量化方向发展
1.3研究领域既分化又交叉
现代无机化学一方面是加速分化，另一方面又与其它学科相互交叉、渗透，形成了许多新兴的边缘学科。无机化学与有机化学的结合产生了金属有机化学，与生物化学的结合产生了生物无机化学，与固体物理的结合产生了无机固体化学;此外还有无机材料化学、物理无机化学、无机高分子化学等等。当前无机化学研究的发展趋势是:探索新的合成方法，运用分子设计和分子工程手段，制备新型结构和特殊功能的无机化合物;加强无机化学与材料科学、生命科学等的交叉、融合，开展无机功能材料的复合、组装及杂化的研究，探索新型金属元素结合生物大分子、无机仿生过程及分子以上层次生物无机化学的基础研究。
无机化学涉猎的范围不断扩展，研究手段不断提高，研究成果丰富多彩。我们相信，无机化学这一既古老又年青的学科，在化学工作者的努力下，一定能获得更快的发展。
2.生物化学的发展
2.1生物化学发展的三阶段
生物化学是一门年轻的学科，直到1903年才引进“生物化学”这个名词而成为一门独立的学科，纵观生物化学的发展史，可略划分为叙述生物化学、动态生物化学与机能生物化学三个阶段。
从1775年前后，舍勒研究生物体各种组织的化学组成，奠定了生物化学的基础，到1897年布克奈发现磨碎的酵母细胞的提取液仍能催化糖类的发酵，引进生物催化剂的概念，否定了巴斯德等人认为只有完整的微生物细胞所含的“活体酶”才可以引进发酵作用的错误推断，为酶学的发展奠定了基础。在这个期间可以视为生物化学阶段。
从20世纪初至50年代近半个世纪中生物化学迅速发展，许多科学工作者在己有的研究基础上，运用多种实验方法进一步研究生物体内各种组成物质的代谢变化及相互转换。从营养的角度研究了生物对蛋白质的需要，并发现了必需氨基酸、必需脂肪酸、各种维生素及生物生命活动不可缺少的微量元素;在酶学方面，确定了酶的蛋白本质，并研究了一些酶的功能。在酶促化学变化研究的基础上，又深入地研究出酶、维生素、激素等生物活性物质在代谢中的作用，尤其建立了有关发酵和三竣酸循环等生化途径。对糖、脂肪、蛋白质及其代谢中间产物在体内代谢的变化研究以及它们之间的相互联系和转换的研究，己经构成一幅较为完整的代谢图。可以看出，这一时期的生物化学主要是研究物质的代谢变化，所以被视为动态生物化学阶段。
近二、三十年来，生物化学研究成果日新月异。生化科学家对生物大分子的分解代谢、生物合成途径以及相互之间的关系了解得更加清楚。科学家在DNA分子的双螺旋结构假说被证实的基础上完善了DNA,RNA和蛋白质三者之间关系的“中心法则”；发现了在DNA位点上能够进行切割的限制性内切酶；由DNA链中的核苷酸顺序所决定的遗传秘码的破译及多种酶结构的发现催生了生物工程的诞生和迅速发展。科学家还测定了许多蛋白质中的氨基
酸的排列顺序并且以此为基础测定数以百计的蛋白质的空间结构和一些酶活性部位的结构；测定了许多核酸分子的结构，人工合成了多种具有生物化学活性蛋白质和基因；人类基因组计划的实施、克隆技术的成功、代谢调控和生物膜研究的纵深推进使生物化学发展到新时代。
2.2生物化学的研究方向
生物化学发展的最终目标是要解析包括人体在内的生命体的微观结构，体内生物化学反应机制以及复制生命体器官等，而目前生化所能达到的深度距此目标相差甚远，发展前途不可限制。其研究方向较为突出的有以下几个方面:
(1)生命大分子物质的合成、结构与功能的研究
构成生命的基本物质是核酸与蛋白质。蛋白质、核酸的合成、结构与功能及其关系的研究，是揭示生命奥秘的关键所在。尤其是空间结构的改变和活性的改变，了解其作用机制是生物化学一直要研究的方向。
(2)生物工程的研究
生物工程也称生物技术，包括基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和发酵工程。生物工程的每一步进展都与生化研究密不可分，如重组DNA技术将成为生化研究中的一项有力的常规技术，今后可能在实验室中复制出活性基因。细胞可以充分运用基因组的硬件创造出各种各样的生物分子、通过蛋白质合成表达各种生命现象，使人类最终揭开生命之迷。
(3)生物膜的研究
膜结构是生物体的基本结构之一，细胞间的物质交换信息传递都要通过质膜来进行。目前对生物膜的结构与功能的了解十分不够，提出的许多假设模型有待于科学家去证实。从分子水平阐明生物膜的组成、结构与功能具有很重要的意义。
(4)物质代谢调控的研究
生物细胞内进行的物质代谢是一系列由酶催化的极其复杂的生化过程，各个代谢途径相互联系、相互协调、有条不紊，这就是靠调节机构的精确调控。目前对代谢调控的认识还只限于一些调节因素对活体作用的后果，对其作用机制知之甚少。单纯地了解生物基因组的DNA顺序是远远不够的，在真核生物的发育过程中，基因表达的调控是细胞的分化、增殖和生物体是否发生病变的主要因素。对其关键机制目前还几乎一无所知，弄清其调控机制意义深远。人类面临着人口、能源、资源和环境问题的严重挑战，其解决办法离不开生物化学。生物化学的发展将产生不可估量的经济效益和社会效益。
此外，生物化学在金属酶和金属蛋白的结构功能金属离子和细胞之间的作用等方面都有比较多的研究，下文接着叙述作为大约占1/3总酶数的金属酶的发展情况。目前研究较多的主要集中在铁酶、锌酶、铜酶等方面。
3.金属酶
金属蛋白是指以蛋白质为配体的金属配合物。金属酶是具有生物催化功能的金属蛋白。大约三分之一的酶是金属酶，它是一种含有一种或几种金属离子作为辅基的结合酶，金属酶
纯化时仍保留着定量的功能金属离子。按照金属离子和酶蛋白结合的稳定程度又可分为金属酶和金属激活酶两类。在金属酶中，它们牢固地结合在一起，金属离子通常为活性中心。在金属激活酶中，它们松散地结合，但金属离子却是酶活性的激活剂。
3.1常见的金属蛋白质和金属酶
随着研究工作的深入，在生物体内发现的金属蛋白质和金属酶的种类越来越多。它们在生物体内承担重要的生物功能。目前发现的金属蛋白质和金属酶主要集中于Fe、Cu、Zn、Mn、Mo、Co等元素。
(1)铜蛋白及酶
在生物体内的微量金属元素中铜的含量较高，仅次于铁和锌。生物体内的铜大多数与蛋
白质和酶结合在一起，主要参与以下生命过程：氧的运输、电子传递、氧化还原、加氧反应。
(2)钼蛋白及酶
钼是必需元素中唯一属于第二长周期的过渡金属元素。已知的的钼酶广泛的分布于微生物直到高等动物中，它们大部分是氧化还原酶，在生物体内的氧化还原系统中起着重要作用。含钼酶中，研究得最多、也是最有意义的是固氮酶。
(3)锰蛋白及酶
生物体内含锰较少。但金属激活酶中，锰离子形成活化因子的例子很多，特别是激活酶和异构酶。
(4)钴蛋白和酶
生物体内的钴酶极少，现在已知的仅有转移羧化酶，以及由镰刀菌分离出来的脂肪氧合成酶等。尽管钴金属酶不多，但其它金属的金属酶用钴取代后，这些金属酶也不会失去活性。研究表明，生物体内的许多金属激活酶需要钴离子激活。
(5)其它金属蛋白
除了以上四种常见的金属蛋白酶之外，还有如下几种比较常见：钙蛋白（钙离子在一般的反应中常充当活化因子）、钒蛋白（在海洋动物海鞘的血红蛋白中存在着含有钒的蛋白质，由于它能与氧作可逆的结合，故命名为血钒蛋白。这种血钒蛋白有可能参与氧的运送）、镍蛋白（这是一种从兔的血清中得到的相对分子质量为70000的蛋白质，称为镍血纤维蛋白溶酶。其功能目前仍不很清楚）。
3.2金属酶的作用机理简介
(1)锁钥学说-刚性模板模式
琐钥学说最早是由提出的。这种学说把酶和底物的结合的专一性理解为锁和钥匙关系，认为酶分子像一把锁，底物像一把钥匙。当酶和底物的空间构象正好能相互完全弥合时，它们便有效地结合，并发生催化作用。这种作用过程，就像一把钥匙开一把锁一样，只有钥匙的形状和锁簧正好互相弥合时，钥匙才能将锁打开。琐钥学说能很好地解释一些酶对底物催化作用的高度选择性。
(2)诱导契合学说-挠性模式
实验证明，许多酶在催化底物反应的过程中，在与底物结合前和结合后，其空间构象会发生变化。一些学者提出了其它模式。其中比较有用的是诱导契合学说。该学说认为。酶的空间构象（主要是活性中心部位的空间构象）和底物的空间构象，特别是结合基团所处的空间位置，在它们结合以前并不是互相弥合得很好。但它们以一个结合点结合后，会引起其它结合点的空间位置发生变化，使它们能与底物的对应部分充分结合。也就是说，酶的结合部位的构象只是与底物结合部位的构象大体相符，在结合的过程中经过调整酶的空间构象使之与底物完全弥合。既经过诱导—空间的构象改变—契合这样一个连续过程。锁钥学说与诱导契合学说的本质区别在于，前者认为酶的构象是始终不变的，既活性中心被假设为预先定形的，像锁一样具有刚性；后者认为酶的活性中心是挠性的，具有可变性，刚中有柔。
(3)金属胶束水解酶模型
金属胶束是一种将水解金属酶的简单模型引入到胶束体系所形成的超分子体系，由表面活性剂配体金属配合物或亲脂性配体金属配合物与非功能化的表面活性剂构成。它利用金属离子的特殊作用催化底物的水解，而胶束所具有的疏水微环境则对底物进行包络，反应被认为仍然发生在Stern层。显然，金属胶束既模拟了水解金属酶的催化中心，又模拟了其疏水微环境，是模拟水解金属酶配位、疏水及静电作用方式的优良体系，已成为当前水解金属酶模拟最具潜力的体系，倍受国内外学者的重视。
3.3金属离子对酶功能的影响
金属离子作为金属酶的参加催化反应必要物质对酶主要有一下几个方面的影响：
(1)在酶促反应中，金属离子、酶和底物若以酶桥连接起来，金属离子所起的作用是使酶的活性中心位置发生变化，或是增加酶的活性，使其便于与底物结合。
(2)当金属离子、酶和底物通过金属桥结合时，金属离子起桥梁作用。它使酶和底物相
生物化学与医学篇二：生物化学
第一章．生物化学绪论
1.生命的生物化学定义：生命系统包含储藏遗传信息的核酸和调节代谢的酶蛋白。但是已知某种病毒生物却无核酸(朊病毒)。
2.生命（生物体）的基本特征：
（1）细胞是生物的基本组成单位（病毒除外）。
(2)新陈代谢、生长和运动是生命的基本功能。
(3)生命通过繁殖而延续，DNA是生物遗传的基本物质。
4.生物化学：运用化学的原理和方法，研究生物体的物质组成和生命过程中的化学变化，进而深入揭示生命活动的化学本质的一门科学。
5.生命体的元素组成：在地球上存在的92种天然元素中，只有28种元素在生物体内被发现。
第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是组成生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体总质量的99%以上。
第二类元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和Mg。这类元素也是组成生命体的基本元素。
第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生物体内存在的主要少量元素。
第四类元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si等。偶然存在的元素。
6.生命分子是碳的化合物：生命有机体的化学是围绕着碳骨架组织起来的。生物分子中共价连接的碳原子可以形成线状的、分支的或环状的结构。
7.生物（生命）分子是生物体和生命现象的结构基础和功能基础，是生物化学研究的基本对象。
生物分子的主要类型包括：多糖、聚脂、核酸和蛋白质等生物大分子。
维生素、辅酶、激素、核苷酸和氨基酸等小分子。
8.生物大分子的结构与功能：研究生物分子的结构和功能之间的关系，代表了现代生物化学与分子生物学发展的方向。
9.生物化学的内容：
静态生物化学：研究生物有机体的化学组成、结构、性质和功能。
动态生物化学：研究生命现象的物质代谢、能量代谢与代谢调节。
研究生物体的信息代谢。
运用生物化学原理和方法，为农业、工业、医药卫生、环境保护等服务，开拓富有经济价值的生物资源（酶制剂、药品、食品添加剂、杀虫剂……）。
10.生物化学学科热点：基因组学、蛋白质组学、克隆（组织、器官和个体）。
第二章．水
1.水的生物功能-----生命之母。
2．生物体中水的作用
介质：支持分子间相互作用；溶剂：生物体和细胞中营养、代谢物、荷尔蒙的分配；体温调节器；润滑剂；结构支撑剂：保持细胞形状；外力缓冲：如保护大脑。
3.人体中水的存在形式及生理功能
自由水（95%以上）：细胞中游离态的水，可以自由流动。
4.水分子的极性：共用电子对明显靠近氧原子一侧，导致氧原子附近形成负电荷中心，氢原子附近形成正电荷中心，这种现象称为水分子的极性。
5.水溶液的浓度：广义的浓度定义是：水溶液中的溶质相对于溶液或溶剂的相对量。近年来多采用的是：一定体积的溶液中溶质的“物质的量”。
6.溶解度：一定温度和压力下溶质在一定量溶剂中形成饱和溶液时，被溶解的溶质的量。按相平衡的角度，把溶液分为：不饱和溶液、饱和溶液、过饱和溶液。
7.气体溶解定律（享利定律）：在一定温度下，一定体积的液体中所溶解的气体质量与该气体的分压成正比。数学表达式：p=Kx(K——享利常数)。
8.相似相溶原理：(1)溶质分子与溶剂分子的结构越相似，相互溶解越容易；(2)溶质分子的分子间作用力与溶剂分子间作用力越相似，越易互溶。
9.酸碱理论：能在水溶液中电离出氢离子（H+）的含氢化合物称为酸，如：HCl、HNO3、H2SO4、H3PO4。能在水溶液中电离出氢氧根离子（OH）的氢氧化物称为碱，如：NaOH、KOH、Mg(OH)2。100%电离：强酸强碱；部分电离：弱酸弱碱。
10.溶液渗透压：所谓溶液渗透压，简单的说，是指溶液中溶质微粒对水的吸引力。溶液渗透压的大小取决于单位体积溶液中溶质微粒的数目：溶质微粒越多，即溶液浓度越高，对水的吸引力越大，溶液渗透压越高。
第三章．核酸化学基础
1.核素实质是一种核糖核蛋白复合体。
2.核酸以核苷酸为基本结构单位,按照一定的排列顺序,以3‘，5’-磷酸二酯键相连接,并通过折叠、卷曲形成具有特定生物学功能的线形或环形多聚核苷酸。核酸是生命遗传信息的携带者和传递者。
3.核酸的种类和分布
种类（RNA、DNA）：核糖核酸（ribonucleicacid-RNA）、脱氧核糖核酸
（deoxyribonucleicacid-DNA）。
分布：
4.DNA是主要的遗传物质。
RNA的功能：参与(控制)蛋白质的合成rRNA(75-80%)、tRNA(10-15%)、mRNA(2-5%)；遗传物质；具有生物催化剂功能；调节功能:如miRNA,siRNA等。
5.核酸的元素组成
基本元素：CHONP。核酸的元素组成有两个特点：一是一般不含S；二是P含量较多，并且恒定（9%-10%）。
6.核酸的分子组成
核酸（DNA和RNA）是一种线性（或环状）多聚核苷酸，它的基本结构单元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸组成。
而核苷则由戊糖和碱基形成。
7.核酸的分子结构
DNA的分子结构：DNA的一级结构指DNA分子中多个脱氧核苷酸的排列顺序。即数目庞大的四种碱基的排列顺序。DNA的二级结构指DNA的双螺旋结构。
RNA的分子结构：RNA的一级结构即核苷酸顺序。RNA的高级结构指单链RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构（类似A-DNA双螺旋结构），不能形成双螺旋的部分，则形成突环。在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。G除了可以和C配对外，也可以和U配对。G-U配对形成的氢键较弱。
第四章．DNA的复制
1.半保留复制机制
2.复制起点和方向
无论原核生物还是真核生物，DNA的复制是从固定起始点以双向等速的方式进行复制。
3.Okazaki(冈崎)片段
冈崎片段，相对比较短的DNA链（大约1000核苷酸残基），是在DNA的滞后链的不连续合成期间生成的片段。
4.DNA复制的几种模式
双向复制(Bidirectional)形(大肠杆菌等细菌DNA)线性染色体(真核细胞)
单向复制(Unidirectional)D型(病毒DNA)滚环式(噬菌体DNA)。
6.大肠杆菌中存在聚合酶I、II、III、IV和V
7.真核生物DNA的复制特点
真核生物DNA的复制与原核生物的有很多不同，如真核生物每条染色体上可以有多处复制起始点，原核生物只有一个；真核生物的染色体在全部完成复制之前，每个起始点上DNA的复制不能再开始。真核生物细胞中，DNA复制只是细胞周期的一部分，只在S期进行。真核生物的复制子相对较小，约在40-100kb。
8.端粒：真核细胞线性染色体末端的一组重复DNA序列。由以下两个部分DNA短的串联重复序列，不含功能基因。蛋白质：与单链富G端粒DNA结合的蛋白；与双链端粒DNA结合的蛋白。端粒作用：维持染色体的稳定性；起细胞分裂计时器的作用。
9.端粒酶：端粒酶是一种RNA与蛋白的复合体。组成：RNA（作为模板）蛋白质（反转录酶）。作用机制：在端粒DNA的复制时，端粒酶既有模板，又有逆转录酶这两方面的作用。
第五章．核苷酸代谢
1.核苷酸是核酸基本组成单位。
2.含一个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸(NMP)
两个磷酸基团的核苷酸称为核苷二磷酸(NDP)
三个磷酸基团的核苷酸称为核苷三磷酸(NTP)
脱氧核苷酸:dNMPdNDPdNTP。
3.核苷酸的生理功用
核酸合成的原料
细胞内能量的利用形式：如ATP
生理调节介质：cAMP、cGMP
辅酶的构成成分：FAD、NAD+、NADP＋
活化中间代谢物：UDPG、SAM
酶的变构调节剂：ATP、ADP、AMP等。
4．人体内的核苷酸主要由机体细胞自身合成，核苷酸不属于营养必需物质。
生物化学与医学篇三：医学生物化学答案
相互补充161.DNA复制时，不需要的酶是E限制性内切酶162.DNA复制时，模板序列5′-TAGA-3′，将合成的互补结构是A5′-TCTA-3′163.合成DNA的原料是BdNTP164.DNA复制中的引物是C以DNA为模板合成的RNA片段165.DNA复制时辨认复制起始点主要靠DDNA连接酶166.冈崎片段是指C.随从链上合成的DNA片段167.细胞中进行DNA复制的部位是C细胞核168.镰刀型红细胞性贫血其β链有关的突变是E点突变169.RNA合成的主要方式是B转录170.氯霉素可抑制C蛋白质生物合成