我国生物无机化学的发展
杨频
摘要 叙述了生物无机在我国的发展。着重从金属离子及其配合物与生物大分子的作
用、药物中的金属及抗癌活性配合物的作用机理、稀土元素生物无机化学、金属离子与细
胞的作用、金属蛋白与金属酶、生物矿化、环境生物无机化学等七个方面综述了我国已取
得的进展和成绩。
关键词 生物无机 生物大分子 细胞 金属离子 金属蛋白酶
Abstract This article is mainly about the development of biochemistry in
China.The Progresses and achievements made already include seven respects,they
are the interaction of metal ions and its complexes with biological macromole
cules,the metals in medicines and the interaction mechanism of the complexes w
ith anticancer activity,rare earth element bioinorganic chemistry,the interact
ion between metal ions and cells,metal protein and metal proteinase,biological
mineralization,environmental bioinorganic chemistry.
Key words Bioinorganic chemistry,Biological macromolecule,Cell,Metal ion,
Metal proteinase
生物无机化学的蕴生和发展差不多经历了半个世纪，而作为一个独立学科的建立，却
是近30年的事情，通常人们把国际期刊Journal of Inorganic Biochemistry的创立(1971
年)作为标志。众所周知，这个学科是在无机化学和生物学的相互交叉、渗透中发展起来的
一门边沿学科。它的基本任务是从现象学上以及从分子、原子水平上研究金属与生物配体
之间的相互作用。而对这种相互作用的阐明有赖于无机化学和生物学两门学科水平的高度
发展。由于应用理论化学方法和近代物理实验方法研究物质(包括生物分子)的结构、构象
和分子能级的飞速进展，使得揭示生命过程中的生物无机化学行为成为可能，生物无机化
学正是在这个时候作为一门独立学科应运而生。
生物无机化学在我国较早就有一些不同学科的研究者在如生物矿化等方面开展工作；
但是，作为一门学科的出现，似应以全国第一次生物无机化学会议(1984年，武汉)的召开
为标志。总之，从80年代初，我国从事不同学科的化学家顺应国际上这一新学科的发展，
不少人纷纷转到生物无机这块园地进行耕耘。近20年来，这些耕耘者，的确作出了不少有
意义的成果，以下分几个方面作概括介绍。
1 金属离子及其配合物与生物大分子的作用
在宏量金属与生物大分子的相互作用方面，王学荆等发现了钙调神经磷酸酶(Calcine
urin)［1］，它由大亚基A和小亚基B组成，复合分子量为80KD。A亚基是该酶的催化、调节
中心，包含有催化位点、对B亚基、钙调蛋白以及一些金属离子的结合位点，并指出该酶是
一多底物磷蛋白磷酸酶，它的活性还受Mn2+、Ni2+等多种离子的调节。在微量金属与生物
大分子的相互作用方面，孙册指出［2］，伴刀豆球蛋A能特异性地与某些糖结合，是研究
细胞和组织的化学试剂，可用于细胞分型、评估免疫状态、分析染色体等。杨频等的研究
指出［3］，金属离子Mn2+、Ca2+与蛋白质间的特异结合是该蛋白生物功能的基础，它对红
细胞的凝聚作用及与糖的结合都要求有Mn2+、Ca2+的存在，只有Mn2+占据蛋白质金属离子
结合部位S1后才形成Ca2+结合部位S2，只有Mn2+、Ca2+分别占据S1和S2后，才能形成糖结
合部位。
金属离子与生物大分子结合后，常常会发生明显的生物化学效应。计亮年等观察到一
些金属(碱和碱土金属)氯化物和葡萄糖酸盐对葡萄糖氧化酶(GOD)的活性有激活和抑制作用
［4］。陈荣三等在针刺镇痛［5］和硅肺病［6］研究中发现10种镧系离子对小鼠均有明显
的镇痛效应。周永洽等发现［7］，锌离子与人血清白蛋白结合能诱导其发生交联自缔合，
而在同样条件下牛血清白蛋白不发生缔合。他们还发现［8，9］，镍与人血清白蛋白或牛
血清白蛋白相互作用显示一系列新奇的效应，如滞后效应［8］、别构效应［9］和减色效
应［8］等。
生物大分子结合的金属离子可被不同类型的螯合剂夺取。李荣昌等研究了牛血清白蛋
白镉(II)的这类反应［10］，提出用竞争参数F来表征螯合剂从生物大分子金属配合物中夺
取金属的能力，求得了多种螯合剂相应的F值和稳定常数［10，11］。李荣昌等还研究了这
类反应的作用机理，提出了一套判断这类竞争反应的数学模型。［12］
分子识别是近年来国际上一个十分活跃的研究领域。计亮年等［13］合成了一系列钌
的平面配体配合物，研究了这些配合物与小牛胸腺DNA的作用。杨频等［14～16］选用铁(
II)、镍(II)为中心离子，以phen、bipy、dppz等为配体，合成并分离出了手性金属配合物
，研究了它们与B-DNA的作用。
双链及三链核酸结构是核酸生物学功能——复制、转录等的基础。内源或外源金属离
子对双链及三链结构的影响，会产生重要的生物效应。杨频研究组［17～19］应用CD等谱
学方法发现，Cu2+可以引起双链Poly(I:C)不可复性的解旋，而Cd2+则使Poly(I:C)的结构
发生紧缩。与Cd2+相似的有Ni2+、Co2+、Mn2+。另一个双链Poly(G:C),Cu2+可使其结构不
稳定，但此影响可由0.1 mol/L NaCl部分消除。Fe3+与Poly(G:C)形成了一种低旋光的配合
物。而Cd2+、Mn2+、Zn2+、Co2+和Ni2+则不同，它们对Poly(G:C)起到了稳定作用，而Cu2
+可使三链Poly(A:2I)的结构发生解旋、先变成双链Poly(A:I)和单链Poly(I),然后再转变
为单链Poly(A)和Poly(I)，最后形成一种低旋光的配合物，这种转变也是不可逆的。还发
现Cd2+、Ni2+、Mn2+、Zn2+和Co2+都能稳定三链Poly(A:2I)的结构。上述实验结果证实：
Cu2+能与双链或三链中的碱基发生作用，而Cd2+、Zn2+等离子只与核酸外部的磷酸根发生
静电作用。
核酸的断裂与基因重组技术是分子生物学和基因工程的核心技术，其中对DNA、RNA的
断裂又是该技术的关键。杨频研究组选用人血清白蛋白和牛血清白蛋白为DNA结合基，通过
phen的5位与蛋白的34位巯基相连，获得以蛋白质为识别结合系统的化学核酸酶，在Cu(II
)存在下实现了对-DNA和pBR322 DNA的断裂；此外，他们还用Mg(II)离子与配体Dien的一个
非常简单的体系，实现了对DNA的水解断裂其磷酸二脂键［20］。倪嘉缵等［21，22］研究
了铈对cAMP、cGMP和dcAMP的快速断裂作用，且具有较高的选择性。卜显和等［23］研究了
邻菲咯啉等配体的RuNi双核配合物对DNA的识别，发现它们具有诸如嵌插、变构、断裂等作
用。杨频研究组［24，25］报导了二氯二茂钛、二茂铁离子三氯乙酸盐等有机金属化合物
对质粒pBR322 DNA的断裂作用，探讨了它们之间的差别。
应用金属及其配合物对肽键的化学切割，是作为金属水解肽酶的模拟物来加以研究的
。朱龙根等［26］发现，简单的Pd(II)水配合物能选择性的与含蛋氨酸和甲硫半胱氨酸残
基小肽中的硫原子配位，进而快速地切割它们的羧基端的肽键。他们还发现［27］氨基酸
和二肽的配合物也能有效地水解肽键，活性配合物为双核配合物。蛋白质的水解机理是利
用金属配合物促进特定肽键的水解，以达到选择性断裂肽键的目的。朱龙根和Kostic［28
］在1994年首次发表了配合物选择性水解蛋白质的文章。
离子探针是一种研究生物体内无适当光、磁信号金属离子的结合状态的有效手段。杨
频研究组应用顺磁离子探针研究了人血清白蛋白与Gd(III)的作用［29］。在荧光探针方面
，杨频等对Scatchard方程进行了探讨、并应用白蛋白的内源荧光发色团为探针，研究了多
种药物与其相互作用，推导出了荧光加强效应用于给体-受体作用的新的理论公式［30］，
进而研究了在人生理条件下，曙红、罗丹明和亮绿与人血清和牛血清白蛋白和γ-球蛋白间
的相互作用［31］，得出了它们之间的生成常数、结合位置数和作用距离。杨频等还从荧
光淬灭的角度研究了药物与蛋白的作用，并从一个新的角度，推导了含有n个键合部位的生
物大分子与淬灭剂缔合的公式［32］，用以研究并得出了它们的解离常数、给体-受体间距
离，讨论了作用机理。宋心琦等［33］应用上述公式研究了四磺酸基锌酞青与牛血清白蛋
白的作用；童沈阳等［34］应用上述公式研究了白蛋白与荧光黄的作用。离子探针法还可
用来研究溶液体系的多体相互作用［35，36］。
随着配位化学研究领域的扩展，用于研究生物大分子结构-功能的离子探针，已发展成
为金属络离子探针。杨频等应用双氢锇胺探针［trans-en2Os(η2-H2)］2+、以一种竞争模
式来研究一系列抗肿瘤金属化合物在接近生理条件的溶液中是如何同单核苷酸dGMP及其二
聚体作用的［37～40］。由于探针与核苷酸的碱基或磷酸基结合后的双氢信号峰，位于远
离其它信号的负区(δ=0—-20ppm)这个特殊的窗口，从而，对竞争金属离子的结合位点可
以作出准确的判断。杨频等用此方法首次查明了Cp2TiCl2、Cp2ZrCl2、Me2SnCl2、Et2SnC
l2、Et2Sn(phen2)Cl2、cis-DDP和cis-RuIICl2(DMSO)4与AMP、dGMP及其二聚体的结合位点
、弄清了三元溶液中各组分的量、即多组分溶液化学，确定了金属抗癌剂与AMP、dGMP及其
二聚体的结合状态。结果表明，Ti既可与dGMP的磷酸氧、又可与碱基氮配位；而这三种Sn
则主要是同磷酸氧配位，进而阐明了他们的抗癌活性规律。这一实验结果为两极互补原理
［34］中的“作用方式的两极互补”提供了证据。
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