硅蛋白的发现导致了生物无机化学范式的转变,因为它是第一个可以催化无机单体合成无机聚合物分子的酶。分子生物学,生物化学和细胞生物学数据证实,两种硅质海绵动物,包括寻常海绵和六放海绵,它们的骨针都是由硅蛋白/酶催化合成的。这种酶不仅存在于硅质海绵骨针内部,而且也存在于硅质海绵骨针表面。在硅质海绵骨针生长过程中,它催化生物二氧化硅的合成而构建硅薄层,一层层的硅薄层逐步沉积从而形成硅质海绵骨针。寻常海绵动物Suberites domuncula体外实验获得的硅蛋白活性数据(催化生物二氧化硅的形成)反映了体内骨针生长所需的生物二氧化硅量。本文最后总结了在寻常海绵动物骨针生长和成熟过程中出现的生物熔合现象,即内部的硅薄层“烧结”在一起形成致密的硅棒。强壮的和坚硬的生物二氧化硅骨架的形成需要经历一个硬化过程,这个过程由海绵动物排水通道表面的细胞膜控制,排除生物二氧化硅缩聚反应过程中释放出的水分而使材料固化。

金属元素在整个生物界被广泛利用。生物体所必需的金属中除了钾、钙、钠和镁以外均属于微量元素。它们虽然在体内含量很少,但在各种生命活动中发挥着重要的作用。一直以来关于必需金属的研究工作主要集中在金属蛋白和相关代谢机制的实验研究上。随着近年来基因组、蛋白质组等组学数据的不断积累,为开展金属、金属组和金属蛋白质组等相关的生物信息学研究工作提供了重要的条件,让我们可以从系统的角度去进一步认识必需金属的利用、代谢及其生物学功能。本文将分别对若干必需金属(包括铜、钼、镍、钴、锌、铁和硒等)相关的生物信息学研究进展进行介绍,并结合当前离子组学相关的技术方法和研究现状。希望本文有助于我们进一步认识必需金属研究领域的重要问题和未来的发展方向。

在体液、组织、生物界面等生物介质中广泛存在着自发形成的金属基生物微粒, 其中包括在体内原位生成的和异位转化的内源性微粒,也包括外源性微粒在体内被修饰转化所产生的次生微粒。这些在体内形成的微粒的粒径在纳米至微米级之间,它们大都参与生理、病理和毒理过程。但是目前缺乏对它们的生物效应与其形成、结构、性质相关性的研究。本文列举了有关金属基生物微粒的诸多现象和对它们的初步认识, 提出了这方面有待解决的问题, 这方面的研究结果将对环境、健康、疾病控制等领域的研究提供新思路。

转化医学是进入21世纪以来国际生物医学及健康领域出现的新概念。它是基础研究到临床应用的双向过程,是临床实践与基础研究之间的循环式的研究体系, 它不是一门新的学科,只是强调一种理念,是特定时代背景的产物。目前, 转化医学研究主要涉及以下领域:肿瘤、心脑血管疾病、代谢疾病、精神疾病、运动系统疾病、遗传病、器官移植、组织工程、疾病诊断、药物研发、个体化治疗、干细胞研究、动物模型研究以及免疫学等。本文综述了在疾病诊断、组织工程领域、个体化治疗、新药研发以及发病机制中涉及到的生物无机化学问题。最后, 展望了该新领域今后的发展方向和亟待研究的重要问题。

硒蛋白M(SelM)是2002年应用生物信息学方法发现的一种内质网硒蛋白,其二级结构中含有一个氧化还原调节基序CXXU,且该蛋白在脑中大量表达。SelM因具有维持机体氧化还原水平、保护神经细胞和调节钙稳态平衡等重要作用,近年成为研究热点。本文结合本课题组的研究结果,对硒蛋白M的最新研究进展、生物功能、与重大疾病的关系及今后研究方向等方面进行了综述和展望。

糖尿病是危害人类健康的全球性重大疾病,胰岛素抵抗是诱发2型糖尿病的重要因素。微量必需元素硒与人体健康密切相关,通过硒蛋白发挥多种重要生物学功能。近年来硒与糖尿病的关系引人关注,早期研究表明硒具有类胰岛素作用,可望用于防治糖尿病,但近来的人群试验和动物研究却表明硒在糖尿病发生发展中的作用具有两面性,长期补充一定剂量的硒反而增加了胰岛素抵抗和2型糖尿病的发病率。而且,硒在糖尿病发生发展中的两面性被证实与几种硒蛋白密切相关,包括谷胱甘肽过氧化物酶1(GPx1)、硒蛋白S(SelS)和硒蛋白P(SelP)等。本文结合本课题组的工作介绍了硒在糖尿病中的两面性以及硒蛋白在糖尿病发生发展中的作用,并对未来的研究方向进行了展望。

含铜/镍金属酶的成熟需要一系列的铜/镍金属伴侣蛋白,这些铜/镍金属伴侣蛋白分别参与铜或者镍的转运,对维持细胞体内铜/镍金属平衡至关重要,同时金属酶完成金属催化活性中心的组装也依赖于这类伴侣蛋白。近年来关于铜/镍金属蛋白的研究取得可喜的进展,这些研究为进一步认识体内铜/镍平衡体系提供了重要依据。本文首先简要地介绍铜的摄取和细胞内平衡体系,接着着重介绍三个重要的铜转运蛋白Atox1、Cox17和CCS关于结构和功能的进展,以及这些铜转运蛋白和药物相互作用的机理。然后详细介绍在氢化酶和脲酶成熟路径中参与了镍的摄取、调节、转运和存储,维持细胞内镍金属平衡的镍伴侣蛋白,并介绍了脲酶、氢化酶这两条成熟路径之间的联系。

阿尔茨海默病(AD),俗称老年痴呆症,是一种老年神经退行性疾病,其病理特征为脑神经细胞间隙的老年斑(senile plaques, SP)、神经细胞内的神经纤维缠结(neurofibrillary tangles, NFTs)、神经元数量减少和颗粒空泡变性。尽管AD的发病机理十分复杂,但是淀粉样多肽(Aβ)、淀粉样前体蛋白(APP)、金属硫蛋白-3(MT3)及其所参与调节的金属离子内稳态平衡与 AD 的发生发展有着密切的联系。过渡金属离子如铜和锌,在人体正常的生理过程中发挥着重要的作用, 而在阿尔茨海默病患者的大脑内,金属内稳态失衡可能是阿尔茨海默病的主要诱因之一。金属内稳态的失衡会影响淀粉样多肽的聚集以及活性氧物种(ROS)的产生,进而产生细胞毒性;而金属硫蛋白-3(MT3)参与调节大脑金属稳态平衡,具有解聚淀粉样多肽,降低神经细胞毒性的作用。本文综述了大脑过渡金属铜、锌、铁稳态平衡及其调控机制有关的研究进展。

生命金属在生命过程中以不同的化学方式发挥着重要的作用。质膜、细胞器膜等使不同的生命金属在生物体系中有着不同的隔室化分布,相应的金属蛋白或金属伴侣蛋白在维持金属离子内稳态(homeostasis)中起着关键作用。生命体系中广泛存在着具有两个以上金属离子结合部位的金属蛋白。在确定的生理微环境下,由于金属离子结合热力学性质的不等价,该类金属蛋白的生物学功能取决于所结合金属离子的种类及多少。本文以伴刀豆球蛋白A、铜/锌超氧化物歧化酶、中心蛋白、锌指蛋白为例,介绍了金属离子在调控金属蛋白生物学功能中的作用。因此,深入研究金属离子与金属蛋白结合的热力学性质对于理解生命过程的无机化学基础具有重要意义。

人血清白蛋白是人体中一种最丰富的血浆蛋白质,是主要的脂肪酸和外源性分子如药物等的转运载体。由于大多数药物需要结合白蛋白被运输到靶组织和器官,白蛋白对于药物的代谢动力学和递送起到关键作用。40多年来,白蛋白与小分子化合物的相互作用一直是国内、外的研究热点。此外,白蛋白作为药物载体被广泛地研究和应用。因此,本文将从蛋白质结构层面上综述白蛋白和白蛋白复合物的相关知识,提出白蛋白相关研究领域的一些未来挑战。

通过小分子选择性靶向特殊基因,进而调节该基因所参与的生物学功能一直是生物无机化学领域十分活跃的研究课题。其中,DNA的手性识别引起了人们的高度重视,因为越来越多的研究表明,DNA的手性转化以及DNA构象的多样性与一系列重要的生命过程密切相关。此外,DNA的手性识别对于药物的合成以及DNA构象探针的设计也非常重要。在过去的几十年里,人们合成了大量的手性小分子和金属配合物,能够对B-DNA,Z-DNA以及G-四链DNA表现出特异性识别。由于独特的4fⁿ的电子结构,稀土配合物已经广泛地应用于生物荧光探针以及磁共振成像。另外,作为人工核酸酶,稀土配合物表现出高效的促进DNA和RNA的水解能力,并且不会造成氧化损伤。近年来,人们正努力发现能够选择性靶向DNA进而调制DNA性质的稀土手性配合物,并已经取得了显著的成果。本文总结了目前关于稀土手性配合物对核酸的手性识别及选择性调控等方面的研究进展。

DNA拓扑异构酶是一种广泛存在于真核细胞和原核细胞中的重要生物酶,对DNA转录、复制、染色体分离及基因表达等过程中的DNA拓扑结构起着重要的调控作用。研究发现,与正常细胞不同,DNA拓扑异构酶在肿瘤细胞中表现出不受其他因素影响的高水平表达,而许多抗肿瘤药物的作用机制也与DNA拓扑异构酶密切相关,因此它作为抗肿瘤药物的重要靶点引起了研究者的广泛关注。本文对DNA拓扑异构酶的结构、分类及生物功能进行了简要的归纳,总结了近年来DNA拓扑异构酶抑制剂的研究进展,并重点对金属配合物作为DNA拓扑异构酶抑制剂的研究现状进行了详细的介绍。

金属配合物与核酸相互作用的探讨对新型抗癌金属药物的设计、核酸结构的特异识别和核酸水解断裂的研究一直起着巨大的推动作用。不仅如此,配合物与核酸的相互作用已被引入细胞生物学研究中。本文利用一些典型的研究结果,对配合物与核酸相互作用应用于胞内DNA定位成像,对胞内信号转导和表观遗传的影响,以及金属配合物作为非病毒基因载体进行了总结。

人工光合成是受到植物光合作用启发而兴起的前沿科研领域,对于新型能源的探索具有重要的研究价值。本文首先从植物光合作用的原理和关键化学过程出发,介绍了人工光合成体系的构建原则与方法,着重阐述了过渡金属配合物光催化剂在人工光合成各半反应(水的光催化氧化分解与CO₂的还原转换)中的应用。其次,分析整理了近期国内外重点研究的过渡金属配合物光催化剂的种类,评价了各类过渡金属配合物光催化剂的结构特征及由其组成的不同光催化体系的特点和催化性能的差别,讨论了部分光催化剂的催化机理及优化其催化性能的方法。最后,展望了过渡金属配合物光催化剂在人工光合成领域的研究前景及发展方向。

金属酶催化的高效性和选择性来源于第一配位环境金属催化中心和第二配位环境非共价相互作用力的协同作用。针对金属催化中心构效关系的研究已有大量报道,相比之下,有关非共价相互作用的研究尚不够充分。金属酶的非共价作用力,包括氢键、静电相互作用、范德华力和疏水相互作用等产生于第二配位环境中的氨基酸残基。阐述第二配位环境中氨基酸残基作用的首要障碍来自于复杂并难以界定的分子内和分子间的相互作用网络。制备包含非共价相互作用的金属酶模拟物是攻克这一难题行之有效的方法,它不但有利于理解非共价相互作用和金属离子之间的协同作用,而且有助于发展可应用于工业、医药、生物技术等领域的仿生催化剂。本文按照非共价弱相互作用的类型,对近期报道的典型案例进行综述。文中阐述了基于简单多齿配体,如联吡啶、三联吡啶、环胺、卟啉等,和基于超分子配体,如功能化的环糊精和杯芳烃等的金属酶模型物。在讨论模型物之前,本文对天然金属酶中的非共价相互作用简略探讨。

从自然界汲取创新灵感,深层次解析生物材料的形成过程以及结构-功能关系是仿生材料研究的核心问题。生物矿物质是一类天然无机-有机界面复合材料,以复杂高级有序结构、多功能以及温和组装为特点,在复合生物大分子诱导调控下构建而成。天然多糖是一类特殊的碳水化合物,具有丰富的化学和结构特性,它们在众多生物矿物质的形成过程中扮演重要角色。科学家预言多糖在创新功能材料研究中举足轻重。文章以贝壳珍珠层、龙虾壳及硅藻为例,概述生物矿物质的形成过程和结构-功能关系,列举仿生先进材料研究代表性工作,扼要介绍多糖自组装特性、生物功能以及无机-多糖共组装化学,并列举该研究领域代表性前沿工作,评述多糖自组装体诱导构建功能界面材料的研究战略,提出对该研究领域未来发展的粗浅看法。期望以此文抛砖引玉,邀请跨学科合作,推动功能材料集成组装研究领域的发展。

诊断治疗药物作为一种新兴的治疗策略,展现出良好的应用前景。基于磁性氧化铁纳米粒的诊断治疗药物利用纳米技术将纳米粒与治疗性药物同时装载于纳米粒上,该纳米系统一般由三部分组成:磁性纳米粒核心、包覆层及功能区域。该系统可以用于影像诊断、实时监测药物输送、进行药效评价,并有望用于个体化医疗。本文介绍了磁性氧化铁纳米粒的合成、表面修饰、功能化及其生物医学应用等,重点介绍了磁性氧化铁纳米粒的表面修饰及功能化,经过表面修饰及功能化后,可制得多模式化、多功能化的诊断治疗药物,并对纳米诊断治疗药物在应用于个体化医疗所面临的挑战进行了初步的分析讨论。

蛋白质磷酸化是最为广泛的翻译后修饰之一。在生物体液或组织中,许多低丰度的磷酸化蛋白和磷酸化肽是具有高度临床灵敏性和特异性的生物标记物,这些生物分子对许多疾病的检测和病理的阐释可能提供重要的信息。因为蛋白质磷酸化动态可逆且磷酸化蛋白丰度很低,所以很难直接从复杂的生物样品中直接检测到磷酸化蛋白和磷酸化肽。纳米结构材料因其大比表面积、丰富的活性亲合位点和特殊结构,在磷酸化肽和磷酸化蛋白的分离和富集方面已经引起了特别的关注,并成为目前磷酸化蛋白质组学富集和鉴定方面的研究热点。许多介孔、磁性、杂化或化学修饰的亲合材料被研发并用于磷酸化蛋白/多肽的富集与分离;此外,一些多功能纳米结构材料也被研发并用于蛋白质组学中磷酸化蛋白/多肽的快速高效的富集提纯。在这篇综述中,我们专注于纳米结构材料在磷酸化蛋白/多肽富集和提纯方面的最新进展。

生物矿化是生物体制造生物矿物的过程。在自然界中,生物矿物是在有机基质控制下可控有序组装而成的,这就决定了它不同于实验室中合成的普通矿物。单细胞矿化以及生理和病理性矿化,对于人们开展硬组织生物学研究以及生物材料设计合成具有很好的借鉴和启发意义。作为骨骼、牙齿的基本构筑单元,以及其良好的生物相容性和优异的骨牙整合性,磷酸钙纳米颗粒在生物矿物的组装方面和生物硬组织修复、组织工程等方面扮演着重要的角色。另外,受单细胞生物矿化启发的细胞(或病毒)壳化,可以赋予细胞(或病毒)更好的抗逆境能力。本文综述了生物矿化,尤其是单细胞矿化和生理、病理性矿化对生物医学的启示。结合近年来国内外相关研究进展,我们从骨、牙组织修复,细胞(病毒)壳化两个方面分别阐述了生物矿化作为无机化学和生物医学的桥梁作用。深入研究生物矿化的机理以及基于生物矿化的材料合成,对于生理性矿化的仿生修复、病理性矿化的预防治疗以及细胞界面工程等方面都具有重要的启发和实践意义。

肾结石的主要组分是草酸钙(CaOxa)等晶体。目前肾结石只能在形成以后才能被诊断,这给患者带来了极大的痛苦。肾结石的形成与尿液中的纳米微晶性质密切相关,如果能在结石形成之前或形成初期早期检测,则可以有效地预防肾结石发生发展。本文结合本课题组的工作,从微晶尺寸、微晶的聚集程度、形貌、化学组分、Zeta电位和稳定性等方面综述了肾结石患者尿液中纳米微晶的性质差异及其与肾结石形成的关系,并与健康对照者进行了比较;讨论了CaOxa结石患者在服用防石药物柠檬酸钾后尿微晶的性质变化。研究结果表明尿液中的纳米微晶的聚集是导致微晶快速增大和结石形成的关键因素,说明通过调控纳米微晶的物理、化学性质,有可能抑制肾结石的形成和复发。

进入本世纪以来,无机药物及相关基础研究获得巨大的发展,同时也面临着巨大的困难。本文综述了两类金属药物——抗癌金属药物和抗糖尿病钒化合物的研究进展和目前存在的严重瓶颈问题,并提出未来发展应重视下列方面:(1)发现新的金属药物分子机制,在此基础上实现理性药物设计;(2)基于分子机理实现对金属药物毒性的控制;(3)理性设计和建立基于纳米、分子复合物和药物分子转运体的新的金属药物转运体系;(4)发展金属配合物的合成生物学。