第11章生物无机化学-习题答案
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第十一章 生物无机化学
【习题答案】
11.1 生物体内含有哪些必需元素？它们在周期表内的分布有什么特点？
解：一般认为，温血动物有26种必需元素，包括10种痕量金属元素：Fe、Cu、Mn、
Zn、Co、Mo、Cr、Sn、V、Ni；4种宏量金属元素：Na、K、Ca、Mg；12种非金属元素C、
H、O、N、P、S、Cl、I、B、F、Si、Se。
生命必需元素在周期表中的位置，绝大部分分布在第一至第四周期，只有Mo、Sn和I
位于第五周期。
11.2 什么叫“离子泵”？叙述在生命体中的作用。
解：“离子泵”是一种酶，其产生主动传递作用，使Na＋和K＋离子向着高浓度的方向扩
散，使细胞膜维持一定的电势差（60～100 mV）。一般认为，离子泵所需能量源自
ATP→ADP→ATP循环。
钠－钾“离子泵”产生的电势差在神经和肌肉细胞中主要负责神经脉冲的传递。
11.3 什么叫作酶？什么叫金属酶？什么叫金属激活酶？举例说明它们的主要区别。
解：酶是一类具有高度专一性、高效率催化作用的蛋白质，是生物体中的催化剂。
金属酶是酶中的一类，是以蛋白质大分子为配体的金属配合物。金属激活酶指需要由金
属离子或者金属配合物激活才能实现其催化功能的一类酶。
金属酶和金属激活酶的区别主要在于酶蛋白与金属离子的结合强度不同。金属酶一般含
有化学计量的金属离子作为辅因子，主要含有过渡金属离子Fe、Zn、Cu等，金属离子与蛋
白肽链之间的结合牢固。金属激活酶也需要金属离子的参与才能表现其活性，但金属离子或
金属配合物与蛋白肽链结合较弱。Mg2＋是金属激活酶的重要辅因子。
11.4 叙述金属离子在金属酶中的化学作用。
解：金属离子在金属酶中的化学作用包括：
（a）路易斯酸作用
带正电荷的金属离子通过吸电子效应使底物局部显正电性，使羟基或水分子易于对底物
1进行亲核攻击，导致底物分子水解。
（b）桥联作用
底物与酶蛋白同时结合于金属离子上，金属离子作为桥梁使得底物分子与酶分子更易接
近，便于各种酶促反应的进行。
（c）模板作用
金属离子通过立体化学特性，对酶或底物的空间构象进行调整，促使酶与底物具有相互
匹配的构象，从而激活或增强酶的活性。
（d）结构固定作用
金属离子能固定酶蛋白的特定几何构象，便于某一特定底物附着于其上，发生特定的催
化反应。
（e）电子传递作用
许多氧化还原酶中，金属离子通过氧化态的变化起到向底物传递电子的作用。
11.5 举例说明Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋离子在生物体内的一项重要功能。
解：Na＋能调节渗透压，以保持细胞中的最适水位，通过“钠泵”作用，将葡萄糖、氨
基酸等营养物质输入细胞。
K＋是某些细胞内酶的辅基，起着激活酶的作用，例如葡萄糖的新陈代谢作用就需要高浓
度的K＋。
Ca2＋形成各种生物体固体骨架的物质，如骨骼和生物壳体。大部分骨骼和壳体是由无机
物羟基磷灰石（Ca10（PO4）6（OH）2）组成。
Mg2＋是一种内部结构的稳定剂和细胞内酶的辅因子，细胞内的核苷酸以Mg2＋络合物形
式存在。
11.6 指出Fe、Co、Cu、Zn、Mo在生命过程中的一项重要作用。
解：生命体中血红蛋白、肌红蛋白中含有以卟啉配合物形式存在的Fe，靠血红蛋白和肌
红蛋白的共同作用把氧气从肺部输送到组织中。血红蛋白主要负责输送氧气，而肌红蛋白负
责储存氧气。
辅酶B12和维生素B12中均含有Co，人缺乏维生素B12或辅酶B12将导致恶性贫血症。
血蓝蛋白是含Cu酶，在某些动物（软体动物如蜗牛和节足动物如螃蟹）的血液中是氧
载体。
2碳酸酐酶是一类含Zn酶，其主要功能是可逆催化CO2的水合。
固氮酶中含有Mo，固氮酶在生命过程中的作用是生物固氮。
11.7 什么是血红蛋白？什么是肌红蛋白？它们在输送和贮存氧气中各起什么作用？
解：血红蛋白和肌红蛋白都是以Fe2＋－血红素作为辅基的金属蛋白。肌红蛋白由1条多
肽链和1个Fe2＋－血红素基团所组成，功能是贮存O2。血红蛋白由4条多肽链组成，每个亚
单元都含有1个Fe2＋－血红素辅基，功能是运输O2。血红蛋白和肌红蛋白的共同作用把氧气
从肺部输送到组织中。
11.8 试说明碳酸酐酶的化学功能以及它在动物体内的重要性。
解：碳酸酐酶是现今知道的催化效率最高的酶之一，其主要功能是催化CO2的水合和去
水合平衡：CO2（aq）＋ H2O ⇌ HCO3－（aq）＋ H＋，此外还具有一系列其他生物功能，包
括光合成、钙化过程、维持血液的pH、离子输送等。
11.9 简单铁－卟啉配合物为什么不能成为氧载体？
解：因为简单Fe－卟啉配合物中的Fe（II）容易被分子O2不可逆地氧化成Fe（III）配合
物，最终生成稳定的μ－O2－二聚体Fe－O－Fe，从而完全丧失携带O2的生物功能。
11.10 简述固氮酶的组成和它的辅因子的结构。
解：自然界存在的固氮酶由钼铁蛋白和铁蛋白两部分组成。钼铁蛋白的活性中心由两个
铁钼辅因子及两个铁硫簇（P簇）组成；铁蛋白的活性中心由两个铁硫簇组成。
铁钼辅因子结构中含有MoFe7S9，它由两个欠完整的类立方烷Fe4S3和MoFe3S3通过3个
S2－桥连接而成，其中Fe的配位数除了1个Fe原子外均为3。
11.11 简述固氮酶将N2还原为NH3的机理。
解：目前普遍认为固氮过程与钼铁蛋白与铁蛋白都有关系。铁蛋白结合2分子ATP，通
过ATP提供N2还原所需电子。钼铁蛋白结合N2分子，在钼铁辅酶处将N2还原为NH3。
固氮时，两个蛋白靠拢，铁蛋白的Fe4S4原子簇尾接钼铁蛋白的“P”簇合物。当这两个
蛋白结合在一起时，2个电子从ATP分子抽提到铁蛋白的Fe4S4原子簇，然后转移到钼铁蛋白
的“P”簇合物，最后输送到钼铁辅酶MoFe7S9。接下来，这两个蛋白分开，铁蛋白重新结
3合2个ATP分子。为了提供固氮反应所需的8个电子，这一过程必须重复4次。
11.12 举例说明汞、铅、镉等重金属毒害生命体的机理。
解：CH3Hg＋能跟蛋白质中半胱氨酸残基的巯基－SH结合，从而抑制SH－酶的活性，对
生命体的中枢神经造成不可逆转的损伤。
Pb2＋与Hg2＋相似，可以通过抑制SH－酶的活性而致毒。
由于Cd2＋在性质上与Zn2＋相似，它可能因在许多含锌酶中取代锌而抑制锌酶的活性。Cd2
＋也可以强烈地与一SH基团结合而抑制SH－酶的活性。
11.13 什么是“顺铂”？说明为什么它具有治疗癌症的功效？
解：顺铂即cis－[PtCl2（NH3）2]。一般认为顺铂因能进攻快速生长的肿瘤细胞的DNA而
具有治疗癌症的功效。
11.14 简述SOD催化分解离子的机理。
解：一种催化作用机理为：
Zn－(Im－)－CuII ＋ → Zn－（Im－）－CuI ＋ O2 Zn－（Im－）－CuI ＋ H+ → Zn－（ImH）＋ CuI
CuI ＋ → CuII···O22 −
CuII···O ＋ H−22＋ ＋ Zn－（ImH）→ Zn－（Im－）－CuII ＋ H2O2总反应：
2 ＋ 2H ＋ H2O2 ＋ O2SOD
11.15 O2既是σ碱又是π酸，CO也是这样的配体，试根据这一事实说明CO中毒的机理。
解：CO与O2的成键方式相同，但是σ－给与和π－接受能力均比O2强，在相同条件下，
CO对血红蛋白的配位能力强于O2，从而影响血红蛋白的载氧能力，使生命体缺氧，产生窒
息作用。
11.16 NO分子被美国化学会评为1992年的“明星分子”，试分析其理由。
4解：众多的动物体内含有一种一氧化氮合成酶，可以专门合成NO。这个小分子在所有
哺乳动物体内起着错综复杂的极其重要的作用，例如在神经功能、血压调控、血凝和免疫系
统反应等方面都发挥着一定的作用，在许多过程中充当信使。生物化学研究中的新发现重新
唤起了人们对这个“老分子”的浓厚兴趣。
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