結構生物化學/無機化學

無機化學在生物化學中的重要性：生物無機化學

雖然生物化學通常關注體內生物和有機分子的反應和相互作用，但各種無機分子與體內大分子的作用和相互作用同樣重要。在所有已知的元素中，只有少數對生物體是必需的：氫 (H)、碳 (C)、氮 (N)、氧 (O)、鈉 (Na)、磷 (P)、硫 (S)、氯 (Cl)、鉀 (K) 和鈣 (Ca)。此外，少量的微量元素對某些生物體的子集是必需的。這些元素包括鋰 (Li)、鈹 (Be)、過渡金屬釩 (V)、鉻 (Cr)、錳 (Mn)、鐵 (Fe)、鈷 (Co)、鎳 (Ni)、銅 (Cu)、鋅 (Zn) 和鉬 (Mo)，以及非金屬硒 (Se) 和碘 (I)。

總體而言，金屬離子在體內具有不同的作用。以下是金屬離子作用的一些例子：

1) 連線氨基酸中蛋白質的遠端殘基或部分。2) 調節蛋白質配體之間的相互作用。3) 將自己定位在大分子的活性位點，作為親核催化劑或電子傳遞鏈的關鍵組成部分。

有六種主要的元素很重要。它們提供了核酸、蛋白質、脂類等的構建塊。它們是：

• 硫：是一種化學元素，符號為 S，原子序數為 16。它是一種丰度高、多價的非金屬。在正常條件下，硫原子形成化學式為 S8 的環狀八原子分子。
• 磷：是一種化學元素，符號為 P，原子序數為 15。它也是氮族的一種多價非金屬。作為礦物質的磷幾乎總是以其最大氧化態存在，即無機磷酸鹽岩石。
• 氮：是一種化學元素，符號為 N，原子序數為 7。元素氮在標準條件下是一種無色、無味、無味且大部分惰性的雙原子氣體，佔地球大氣體積的 78.09%。
• 氧：是一種化學元素，符號為 O，原子序數為 8。
• 碳：是一種化學元素，符號為 C，原子序數為 6。作為週期表中第 14 族的一員，它是非金屬的，並且是四價的——使其可以形成四個共價鍵。
• 氫：是一種化學元素，符號為 H，原子序數為 1。平均原子質量為 1.00794 u，氫是最輕的元素，其單原子形式是最豐富的化學物質。

從邏輯上講，許多金屬離子能夠實現生物過程。然而，由於它們獨特的性質組合，例如特定的晶體場穩定能、複雜的構象和電子躍遷狀態，生物過程需要特定的金屬才能進行。例如：

• 凝血級聯：Ca²⁺ 離子
• 蛋白質生物合成：Mg²⁺ 離子
• 生物礦化（產生礦物質以使現有組織硬化）：Ca²⁺、鎂、鐵等
• 能量儲存：磷以無機磷酸鹽 P_i、Na⁺、K⁺、鐵等形式存在
• 訊號傳導：Ca²⁺、硼、氮、氧
• 路易斯酸鹼催化：鋅、鐵、錳
• 眾多蛋白質、氧化過程和酶：Zn²⁺ 離子

大分子

大分子是一種非常大的分子，具有多肽鏈結構。蛋白質、橡膠、基因、多糖和合成聚合物都由大分子組成。大分子相互作用，並與小分子相互作用。所有相互作用都反映了相互作用物種之間的互補性。有時，互補性是通用的，例如疏水基團的締合，但更常見的是涉及尺寸、形狀和化學親和力的精確匹配。

無機大分子可以分為幾類，例如由於共價鍵形成的固體、有機矽烷、矽氧烷和有機矽氧烷。無機分子通常很簡單，通常不在生物體中發現。雖然所有有機物質都含有碳，但一些含有碳的物質，如金剛石，被認為是無機的。

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例子

由共價鍵形成的固體

金剛石、石墨、矽和鍺是大型無機大分子的一些例子。然而，硫化鋅有兩種形式/相：纖鋅礦和閃鋅礦。
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纖鋅礦是一種礦物，包括硫化鋅 (Fe,Zn)S。ZnO、SiC、AlN、CaSe、BN、C(六方金剛石)在鍵合、對稱性和堆積順序方面都具有相同的晶體結構。

閃鋅礦是立方體。它的結構與金剛石結構具有相同的鍵合骨架。

纖鋅礦和閃鋅礦結構是無機大分子兩種常見的結構型別。

彈性硫

當液態硫倒入冷水中時，會形成一條長鏈 -S-S-S-S-S-。這種相被稱為彈性硫相。

核酸

核酸 是一種由核苷酸透過磷酸-糖骨架連線而成的聚合物。 核酸有兩種型別：核糖核酸 (RNA) 和脫氧核糖核酸 (DNA)。 核苷酸由一個 5 元環 糖（核糖或脫氧核糖）組成，該糖與一個含氮鹼基 (鳥嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、尿嘧啶) 和磷酸基團連線。 DNA 由含有鳥嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶鹼基的核苷酸組成。 RNA 由含有鳥嘌呤、腺嘌呤、尿嘧啶和胞嘧啶鹼基的核苷酸組成。 核苷酸透過糖的 5'-3' 碳側的磷酸基團連線在一起。 此外，DNA 通常是雙鏈分子，而 RNA 通常是單鏈分子。

"鋅指" 蛋白與 DNA 形成複合物

脫氧核糖核酸 (DNA)

DNA 是由兩條 DNA 鏈相互纏繞形成的雙螺旋結構，其中磷酸基團位於分子的外部，而含氮鹼基位於結構內部，並透過 氫鍵 連線，並由 範德華力、疏水效應 和電荷-電荷排斥力穩定。 DNA 將金屬離子結合到磷酸基團和含氮鹼基中的電子給體基團。 透過結合到帶負電的磷酸基團，金屬離子中和 DNA 上的負電荷，從而穩定 DNA 的雙螺旋結構。 高濃度的金屬離子可能是有害的。 如果金屬離子濃度很高，則含氮鹼基之間的氫鍵所需的穩定性就更少，這會導致鹼基配對錯誤和轉錄過程中的錯誤。

核糖核酸 (RNA)

使用鎂離子²⁺ 將 RNA 聚合酶與 DNA 和 RNA 結合。

金屬離子不僅與 DNA 結合，也與 RNA 結合。 金屬離子與 RNA 分子中的磷酸基團和電子給體基團相互作用。 這種相互作用很重要，因為它賦予 RNA 結構穩定性。 除此貢獻外，金屬離子還與核酶相互作用。 就其本質而言，RNA 緊湊、穩定且摺疊。 它們由

1) 核糖體 RNA (rRNA) --- 它們的職責是催化和調節蛋白質合成。 此外，它還具有肽醯基轉移酶活性，是核糖體結構的一部分。 2) 小核 RNA 分子 --- 參與細胞核中的剪接。 3) 訊號識別顆粒 --- 將蛋白質轉移到細胞膜中。 基本上，它是一個蛋白質靶標。

在所有這些 RNA 中，金屬離子在 RNA 的結構、形成和催化機制中起著至關重要的作用。 這些資訊將在下面更詳細地解釋：RNA 摺疊方式的途徑如下：首先，RNA 從線團轉變為二級結構。 第二步是發展到三級結構。 在三級結構中，長程相互作用決定了核酸的三級結構。

由於磷酸糖骨架的存在，金屬離子在 RNA 摺疊和發揮功能所經歷的相互作用中發揮著重要作用。 具有不同電荷的不同金屬離子在轉變的各種角色中發揮著不同的作用。 帶 +1 電荷的離子參與電荷遮蔽。 這使得 RNA 分子可以轉變為二級結構。 RNA 分子的三級結構不是由單價離子穩定，而是由帶兩個電荷的金屬離子穩定。

從整體上講，RNA 三級結構的形成取決於四個不同的標準：(a) RNA 序列，(b) 金屬離子身份，(c) 金屬離子濃度，以及 (d) RNA 結合蛋白的存在。 優選的金屬是 Mg²⁺，因為 Mg²⁺ 不僅有助於穩定三級結構，還有助於 RNA 結合到高親和力位點。 但是，其他金屬如 K⁺、Ca²⁺、Mn²⁺、Cd²⁺、Na⁺ 和 Li⁺ 也能滿足要求。 但是，它們的作用範圍僅適用於某些 RNA。 但是，它們對於 RNA 代謝至關重要。 除有機質子化離子外，三價離子不用於此。

已知 RNA 中存在幾種型別的金屬離子結合
(a) 擴散結合 --- 由陽離子完成。 它們對於形成二級和三級結構至關重要。
(b) 六水合鎂離子的位點結合外球結合：水配體將金屬離子與 RNA 核鹼基或骨架上的配位原子連線起來。
(c) Mg²⁺ 對 RNA 的位點結合內球結合 --- 內球結合的金屬離子（如 Mg²⁺）參與 RNA 的形成和功能。

蛋白質

蛋白質 蛋白質是執行細胞維持生命的重要功能的分子。 無機分子和離子是許多蛋白質及其與其他分子相互作用的關鍵組成部分。 金屬離子可以影響許多重要蛋白質的摺疊過程和最終結構。

例子

血紅蛋白和肌紅蛋白

血紅蛋白中的鐵絡合物

血紅蛋白[[|]]和肌紅蛋白[[|]]都是氧氣運輸蛋白，它們使用金屬離子來幫助完成其功能。 在它們的肽鏈被測序後，它們與 Fe²⁺ 離子結合形成最終結構。

• 維基百科-血紅蛋白
• 維基百科-肌紅蛋白

鈉鉀離子泵

鈉鉀離子泵用於將鈉離子泵出細胞，同時將鉀離子泵入細胞。 這種功能可以調節許多重要的細胞特性，包括細胞的大小和細胞內部相對於外部的正電荷量（稱為 靜息電位）。

• 維基百科-鈉鉀離子泵

葉綠素

替代文字

血紅素和葉綠素結構

葉綠素是許多植物中賦予其綠色並使其能夠從陽光中獲取食物的色素。 葉綠素使用 Mg²⁺ 離子來啟動光合作用的光反應。 葉綠素 a 和葉綠素 b 是植物中存在的兩種不同型別的葉綠素。 它們的結構包括一個卟啉環，環中心有一個鎂離子，還有一個長疏水側鏈。 側鏈的差異使得葉綠素能夠吸收不同波長的光。 附著在卟啉環上的碳氫化合物尾部使葉綠素脂溶性，不溶於水。

• 維基百科-葉綠素

更多含有金屬的蛋白質

Fe（血紅素）：過氧化物酶、過氧化氫酶、細胞色素 P450、細胞色素 c

Fe（無血紅素）：鐵氧還蛋白、血紅蛋白

無血紅素的血紅蛋白

Cu：酪氨酸酶、亞硝酸還原酶、胺氧化酶

ZnII：碳酸酐酶、羧肽酶、DNA 聚合酶

MgII：DNA 聚合酶

更多資訊 ---> Miessler 和 Tarr。無機化學。第 3 版。Pearson Prentice Hall：2004 年。

碳水化合物

碳水化合物與許多金屬離子形成複合物。 羥基帶有輕微的負電荷，如果氫原子被去質子化，則負電荷會增加。這使得碳水化合物能夠透過離子相互作用[[|]]連線到帶有正電荷的金屬離子。^[5]

無機離子還可以氧化或還原碳水化合物，從而決定其反應活性。碳水化合物可以放置在硫酸銅溶液中。能夠發生反應的碳水化合物可以存在於酮或醛形式，稱為還原糖。這些糖容易與許多分子發生反應。不能發生反應的糖是非還原糖。^[6]

示例

鈣

在生物系統中，已經觀察到碳水化合物與鈣結合。研究表明，在水溶液中，鈣與離子或非帶電碳水化合物結合。雖然沒有確鑿的證據，但許多人認為碳水化合物可能在鈣的轉運、鈣化或鈣的儲存中發揮作用。

脂類

脂類是疏水分子，在脂肪和油的情況下，其組成單位是脂肪酸和甘油三酯。其他脂類包括類固醇。蠟。磷酸化脂類是血漿膜的主要成分。連結標籤 頁面文字。^[7]

無機化合物，如PO₄^3-和NaOH，在理解涉及大分子及其用途的反應中起著重要作用。

例子

1）磷脂中的磷酸鹽。

磷酸鹽在形成血漿膜的脂質雙層中起著重要作用。與脂肪酸相連，它們形成雙層的親水端，而脂質部分形成疏水端。

2）肥皂的形成：不同脂肪酸的鈉鹽的混合物。如果脂肪酸鹽是鉀而不是鈉，則會產生更軟的泡沫。

Soap is produced by a saponification or basic hydrolysis reaction of a fat or oil. Currently, sodium carbonate or sodium hydroxide is used to neutralize the fatty acid and convert it to salt.

一般的整體水解反應

脂肪 + NaOH ---> 甘油 + 脂肪酸的鈉鹽

^[8] http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/images/554hydrolysistrigly.gif