结构生物化学/过渡金属

过渡金属是指周期表中d区3-12族的元素。它们已知具有2个或更多个氧化态。

一般性质

过渡元素的一般性质包括

高熔点
多个氧化态
有色化合物

其他性质包括高沸点、高电导率和延展性。过渡金属还具有松散结合的d轨道。第一行过渡金属通常形成高自旋配合物。第二行和第三行过渡金属通常形成低自旋配合物。过渡金属也能够吸收光。在低能级吸收红光，而在高能级吸收紫光。

铁

乳铁蛋白

铁是一种生物学上重要的过渡金属，它对生命至关重要——它是生物体维持生命所需的少数几种微量元素之一。它具有三个主要的生物学作用：1. 将氧气从肺部运输到细胞它用于结合到贯穿全身的酶，例如在血红蛋白中运输血液中的人体内的氧气。 2. 能量产生铁用于将糖、脂肪和蛋白质转化为三磷酸腺苷，即ATP。 3. 催化酶的产生铁参与催化酶的产生，这很重要，因为催化酶可以保护人体免受自由基损伤。

食物中富含铁的食物包括：红肉、大豆、白面粉制品、海鲜和葵花籽尽管铁在生物系统中有所用，但过量的铁对人体有害。首先，铁可以通过取代其他重要矿物质导致酶功能障碍。所有这些必需矿物质都竞争酶中的结合位点，当铁取代竞争性矿物质时，会导致酶功能障碍。其次，当铁取代体内其他元素时，也会引起炎症。铁吸引氧气，过量时，自由基氧气会破坏周围的组织。此外，作为氧气的载体，铁通过提供氧气来促进细菌生长，从而导致慢性感染。铁主要存在于胰腺、关节、肝脏和肠道中。

与铁相关的身体疾病

[1]

糖尿病
神经系统疾病：帕金森病、阿尔茨海默病和行为异常，包括暴力、反社会行为、注意力缺陷多动症和自闭症特征。
高血压和心脏病
肾脏问题

铜

[2]

铜在人体中起着多种作用。

结缔组织和骨骼

铜修复骨骼和结缔组织中的钙。不足或过量会导致骨质疏松症、骨刺和脊柱侧弯等疾病。

免疫系统

在免疫系统中，铜必须与锌保持平衡。当这两种元素不平衡时，身体容易感染，尤其是酵母菌和真菌感染。由于铜是需氧代谢的关键元素，因此铜含量不当会使真菌有机体大量繁殖。

生殖系统

铜也在生殖系统中发挥作用，因为它对怀孕和生育至关重要。铜含量不平衡会导致经前期综合征、卵巢囊肿、流产和性功能障碍。研究表明，雌激素和铜含量不足的女性流产风险更高。通过食用更多肉类、鸡蛋、家禽、坚果、种子和谷物来纠正铜含量可以帮助正常怀孕。

神经系统

在神经系统中，铜在触发神经递质肾上腺素、去甲肾上腺素和多巴胺的产生中起作用。因此，铜含量不平衡可能与人类的心理、神经和情绪问题有关。

铜用于结合贯穿全身的酶。它用于保护身体免受自由基损伤。含铜食物包括贝类（如螃蟹、龙虾等）、干豆类和坚果。

文件：血蓝蛋白颜色.gif

血蓝蛋白

血蓝蛋白是蛋白质用途的绝佳示例。血蓝蛋白是一种替代的 O₂ 运输蛋白，它涉及 O₂ 与两个 Cu²⁺ 的结合，然后在结合后被氧化为 Cu³⁺。它与血红蛋白不同，因为它不“伴随”红细胞，而是包含在血淋巴中。

锌

锌是一种无机化合物，在生物环境中起着积极作用。它能够适应各种配位几何形状，以及它作为路易斯酸和氧化还原惰性的性质，使其成为结构和催化生物化学中的重要化合物。

锌经历快速的配体交换，并受细胞信号传导中的几种蛋白质的调节。例如，在中枢神经系统中，锌从一些谷氨酸能神经末梢的突触小泡中释放出来，以触发影响突触可塑性、增强作用和细胞死亡等生理功能的信号通路。此外，糖尿病研究表明，锌与胰岛素一起释放以控制血糖水平。

除了受到调节外，锌还能够通过改变其浓度来调节其他蛋白质。锌可以影响一氧化氮的生产力，从而改变免疫系统。体内缺乏锌会削弱免疫系统，使身体容易受到感染。在前列腺腺上皮中，正常浓度水平的变化会导致前列腺并发症。在神经系统中，过高的锌浓度可能意味着线粒体功能障碍。

移动锌和一氧化氮的生物化学通过荧光传感器揭示 Michael D. Pluth、Elisa Tomat 和 Stephen J. Lippard 生物化学年度回顾，第 80 卷：333 -355（卷出版日期 2011 年 7 月）

钴

[3] [4]

钴是 B₁₂ 维生素的核心。它的结构基于钴卟啉环。它用于治疗贫血，因为它刺激红细胞生成素的产生，从而生成红细胞。与任何其他元素一样，高浓度的钴对人体有害。过量摄入钴会导致呕吐、恶心、视力问题、心脏问题和甲状腺损伤。我们主要通过呼吸空气、饮用水和食用含钴食物（如肉类、乳制品和绿叶蔬菜）从环境中获得钴。

放射性钴也会引起健康问题。这种类型的辐射有时用于治疗癌症患者。暴露的影响包括脱发、腹泻和呕吐。

有几种酶含有钴，并使用它作为配体来结合甲基和腺苷。据认为，钴通过抑制参与氧化代谢的酶发挥作用，并且反应是组织缺氧的结果。更具体地说，钴阻断了丙酮酸转化为乙酰辅酶 A (coA) 以及 α-酮戊二酸转化为琥珀酸^[1]。

汞

几个世纪以来，汞一直是药物的重要组成部分——作为许多利尿剂、抗菌剂、防腐剂、皮肤软膏和泻药的成分。由于汞对人体的毒性作用，如恶心、呕吐、腹痛、血便、肾损伤和死亡，汞在医药制剂中的使用已大幅减少。汞很容易与硫形成共价键，正是这种性质解释了该金属的大多数生物学特性。当硫以巯基形式存在时，二价汞取代氢原子形成硫醇盐，X-Hg-SR 和 Hg(SR)2，其中 X 是一个负电性基团，R 是一个蛋白质。有机汞化合物形成 RHg-SR' 型的硫醇盐。即使浓度很低，汞化合物也能够使巯基酶失活，从而干扰细胞代谢和功能。汞还会与其他具有生理重要性的配体结合，例如磷酰基、羧基、酰胺基和胺基[1]。

铬

[5]

在哺乳动物中，铬是一种微量营养素，生物系统只需要少量。虽然铬在体内的确切作用尚不清楚，但研究表明铬有助于维持正常的碳水化合物和脂类代谢。在 20 世纪 50 年代后期，Schwarz 和 Mertz 通过大鼠饮食实验表明了铬的重要性。当大鼠喂食缺乏铬的酵母菌，它们无法有效地从血液中清除葡萄糖。然后，当大鼠喂食富含铬的食物时，它们能够维持正常的血糖水平。这个实验成为铬依赖胰岛素的证据。

在 20 世纪 80 年代，Wada 和 Yamamoto 成功分离出与铬结合的寡肽。这种肽被称为铬调节蛋白。铬调节蛋白是一个大约 1500 Da 的小分子，可以结合 4 个当量的铬离子。铬调节蛋白最重要的特征是它能够通过将葡萄糖转化为二氧化碳或脂类来影响胰岛素。

此外，还有一些研究表明铬和铬调节蛋白在信号转导中发挥作用。对铬调节蛋白如何激活或抑制大鼠脂肪细胞中磷酸酶和激酶活性的分析表明，它对膜磷酸酪氨酸磷酸酶有轻微的激活作用，并且显着刺激了胰岛素受体酪氨酸激酶活性。

锰

[6]

人体平均含有 10 到 20 毫克的锰，主要集中在胰腺、骨骼、肝脏和肾脏。锰在作为线粒体中重要酶的辅因子和糖蛋白合成中起作用。它还可以作为参与脂肪酸和胆固醇合成中的酶过程的催化剂。在骨骼和结缔组织发育中，锰参与粘多糖合成过程，这对骨骼和软骨结构基质很重要。缺乏锰会导致异常软骨和骨骼组织形成、结缔组织受损、肌肉协调性差以及葡萄糖耐受性和血糖水平管理受损。在肝脏中，锰有助于酶将精氨酸转化为尿素。此外，锰伴随丙酮酸羧化酶，丙酮酸羧化酶将各种非碳水化合物物质转化为葡萄糖，以备后用。