結構生物化學/過渡金屬

過渡金屬是指週期表中d區3-12族的元素。它們已知具有2個或更多個氧化態。

一般性質

過渡元素的一般性質包括

高熔點
多個氧化態
有色化合物

其他性質包括高沸點、高電導率和延展性。過渡金屬還具有鬆散結合的d軌道。第一行過渡金屬通常形成高自旋配合物。第二行和第三行過渡金屬通常形成低自旋配合物。過渡金屬也能夠吸收光。在低能級吸收紅光，而在高能級吸收紫光。

鐵

乳鐵蛋白

鐵是一種生物學上重要的過渡金屬，它對生命至關重要——它是生物體維持生命所需的少數幾種微量元素之一。它具有三個主要的生物學作用：1. 將氧氣從肺部運輸到細胞它用於結合到貫穿全身的酶，例如在血紅蛋白中運輸血液中的人體內的氧氣。 2. 能量產生鐵用於將糖、脂肪和蛋白質轉化為三磷酸腺苷，即ATP。 3. 催化酶的產生鐵參與催化酶的產生，這很重要，因為催化酶可以保護人體免受自由基損傷。

食物中富含鐵的食物包括：紅肉、大豆、白麵粉製品、海鮮和葵花籽儘管鐵在生物系統中有所用，但過量的鐵對人體有害。首先，鐵可以透過取代其他重要礦物質導致酶功能障礙。所有這些必需礦物質都競爭酶中的結合位點，當鐵取代競爭性礦物質時，會導致酶功能障礙。其次，當鐵取代體內其他元素時，也會引起炎症。鐵吸引氧氣，過量時，自由基氧氣會破壞周圍的組織。此外，作為氧氣的載體，鐵透過提供氧氣來促進細菌生長，從而導致慢性感染。鐵主要存在於胰腺、關節、肝臟和腸道中。

與鐵相關的身體疾病

[1]

糖尿病
神經系統疾病：帕金森病、阿爾茨海默病和行為異常，包括暴力、反社會行為、注意力缺陷多動症和自閉症特徵。
高血壓和心臟病
腎臟問題

銅

[2]

銅在人體中起著多種作用。

結締組織和骨骼

銅修復骨骼和結締組織中的鈣。不足或過量會導致骨質疏鬆症、骨刺和脊柱側彎等疾病。

免疫系統

在免疫系統中，銅必須與鋅保持平衡。當這兩種元素不平衡時，身體容易感染，尤其是酵母菌和真菌感染。由於銅是需氧代謝的關鍵元素，因此銅含量不當會使真菌有機體大量繁殖。

生殖系統

銅也在生殖系統中發揮作用，因為它對懷孕和生育至關重要。銅含量不平衡會導致經前期綜合徵、卵巢囊腫、流產和性功能障礙。研究表明，雌激素和銅含量不足的女性流產風險更高。透過食用更多肉類、雞蛋、家禽、堅果、種子和穀物來糾正銅含量可以幫助正常懷孕。

神經系統

在神經系統中，銅在觸發神經遞質腎上腺素、去甲腎上腺素和多巴胺的產生中起作用。因此，銅含量不平衡可能與人類的心理、神經和情緒問題有關。

銅用於結合貫穿全身的酶。它用於保護身體免受自由基損傷。含銅食物包括貝類（如螃蟹、龍蝦等）、幹豆類和堅果。

檔案：血藍蛋白顏色.gif

血藍蛋白

血藍蛋白是蛋白質用途的絕佳示例。血藍蛋白是一種替代的 O₂ 運輸蛋白，它涉及 O₂ 與兩個 Cu²⁺ 的結合，然後在結合後被氧化為 Cu³⁺。它與血紅蛋白不同，因為它不“伴隨”紅細胞，而是包含在血淋巴中。

鋅

鋅是一種無機化合物，在生物環境中起著積極作用。它能夠適應各種配位幾何形狀，以及它作為路易斯酸和氧化還原惰性的性質，使其成為結構和催化生物化學中的重要化合物。

鋅經歷快速的配體交換，並受細胞訊號傳導中的幾種蛋白質的調節。例如，在中樞神經系統中，鋅從一些穀氨酸能神經末梢的突觸小泡中釋放出來，以觸發影響突觸可塑性、增強作用和細胞死亡等生理功能的訊號通路。此外，糖尿病研究表明，鋅與胰島素一起釋放以控制血糖水平。

除了受到調節外，鋅還能夠透過改變其濃度來調節其他蛋白質。鋅可以影響一氧化氮的生產力，從而改變免疫系統。體內缺乏鋅會削弱免疫系統，使身體容易受到感染。在前列腺腺上皮中，正常濃度水平的變化會導致前列腺併發症。在神經系統中，過高的鋅濃度可能意味著線粒體功能障礙。

移動鋅和一氧化氮的生物化學透過熒光感測器揭示 Michael D. Pluth、Elisa Tomat 和 Stephen J. Lippard 生物化學年度回顧，第 80 卷：333 -355（卷出版日期 2011 年 7 月）

鈷

[3] [4]

鈷是 B₁₂ 維生素的核心。它的結構基於鈷卟啉環。它用於治療貧血，因為它刺激紅細胞生成素的產生，從而生成紅細胞。與任何其他元素一樣，高濃度的鈷對人體有害。過量攝入鈷會導致嘔吐、噁心、視力問題、心臟問題和甲狀腺損傷。我們主要透過呼吸空氣、飲用水和食用含鈷食物（如肉類、乳製品和綠葉蔬菜）從環境中獲得鈷。

放射性鈷也會引起健康問題。這種型別的輻射有時用於治療癌症患者。暴露的影響包括脫髮、腹瀉和嘔吐。

有幾種酶含有鈷，並使用它作為配體來結合甲基和腺苷。據認為，鈷透過抑制參與氧化代謝的酶發揮作用，並且反應是組織缺氧的結果。更具體地說，鈷阻斷了丙酮酸轉化為乙醯輔酶 A (coA) 以及 α-酮戊二酸轉化為琥珀酸^[1]。

汞

幾個世紀以來，汞一直是藥物的重要組成部分——作為許多利尿劑、抗菌劑、防腐劑、皮膚軟膏和瀉藥的成分。由於汞對人體的毒性作用，如噁心、嘔吐、腹痛、血便、腎損傷和死亡，汞在醫藥製劑中的使用已大幅減少。汞很容易與硫形成共價鍵，正是這種性質解釋了該金屬的大多數生物學特性。當硫以巰基形式存在時，二價汞取代氫原子形成硫醇鹽，X-Hg-SR 和 Hg(SR)2，其中 X 是一個負電性基團，R 是一個蛋白質。有機汞化合物形成 RHg-SR' 型的硫醇鹽。即使濃度很低，汞化合物也能夠使巰基酶失活，從而干擾細胞代謝和功能。汞還會與其他具有生理重要性的配體結合，例如磷醯基、羧基、醯胺基和胺基[1]。

鉻

[5]

在哺乳動物中，鉻是一種微量營養素，生物系統只需要少量。雖然鉻在體內的確切作用尚不清楚，但研究表明鉻有助於維持正常的碳水化合物和脂類代謝。在 20 世紀 50 年代後期，Schwarz 和 Mertz 透過大鼠飲食實驗表明了鉻的重要性。當大鼠餵食缺乏鉻的酵母菌，它們無法有效地從血液中清除葡萄糖。然後，當大鼠餵食富含鉻的食物時，它們能夠維持正常的血糖水平。這個實驗成為鉻依賴胰島素的證據。

在 20 世紀 80 年代，Wada 和 Yamamoto 成功分離出與鉻結合的寡肽。這種肽被稱為鉻調節蛋白。鉻調節蛋白是一個大約 1500 Da 的小分子，可以結合 4 個當量的鉻離子。鉻調節蛋白最重要的特徵是它能夠透過將葡萄糖轉化為二氧化碳或脂類來影響胰島素。

此外，還有一些研究表明鉻和鉻調節蛋白在訊號轉導中發揮作用。對鉻調節蛋白如何啟用或抑制大鼠脂肪細胞中磷酸酶和激酶活性的分析表明，它對膜磷酸酪氨酸磷酸酶有輕微的啟用作用，並且顯著刺激了胰島素受體酪氨酸激酶活性。

錳

[6]

人體平均含有 10 到 20 毫克的錳，主要集中在胰腺、骨骼、肝臟和腎臟。錳在作為線粒體中重要酶的輔因子和糖蛋白合成中起作用。它還可以作為參與脂肪酸和膽固醇合成中的酶過程的催化劑。在骨骼和結締組織發育中，錳參與粘多糖合成過程，這對骨骼和軟骨結構基質很重要。缺乏錳會導致異常軟骨和骨骼組織形成、結締組織受損、肌肉協調性差以及葡萄糖耐受性和血糖水平管理受損。在肝臟中，錳有助於酶將精氨酸轉化為尿素。此外，錳伴隨丙酮酸羧化酶，丙酮酸羧化酶將各種非碳水化合物物質轉化為葡萄糖，以備後用。