苟日新，日日新，又日新——值王夔教授八十寿诞侧记我国生物无机化学研究

苟日新，日日新，又日新——值王夔教授八十寿诞侧记我国生物无机化学研究 苟日新，日日新，又日新——值王夔教授八 十寿诞侧记我国生物无机化学研究 第20卷第5期 2008年5月 化学进展 PROGRESSINCHEMISTRY Vo1.20No.5 May,2008 苟日新,日日新,又日新 —— 值王夔教授八十寿诞侧记 我国生物无机化学研究 徐辉碧杨晓达 (1.华中科技大学化学系武汉430074; 2.北京大学药学院化学生物学系北京100083) 摘要1984年中国化学会第一届全国生物无机化学会议在武汉召 开,标志了我国生物无机化学研究的开始.作为我国生物无机化学研究的重要开创者之一,王夔教授积极倡 导并开展了细胞生物无机化学研究.本文以王夔教授的研究为主,侧记了我国细胞层次的生物无机化学的 某些重要进展. 关键词王夔生物无机化学稀土 中图分类号:O6.09;Q5;O614.33文献标识码:A文章编号:1005.281X(2008)05.0625.04 ForeverInnovative —— ASidelightofResearchesofInorganicBiochemistryinChina forCelebratingthe8O出BirthdayofProfessorWangKui XuHuibiYangXiaoda (1.DepartmentofChemistry,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China; 2.DepartmentofChemicalBiology,SchoolofPharmaceuticalSciences,PekingUniversity HealthScienceCenter,Beijing100083,China) AbstractIn1984.the1ChineseChemicalSocietyNationalConferenceonInorganicBiochemistrywasheldin Wuhan,announcingthestartofresearchesofinorganicbiochemistryinChina.Asoneofthefoundersforinorganic biochemicalresearchesinChina,professorWangKuiinitiatedandmadegreatcontributionstothedevelopmentof inorganiccytochemistry.Thispaperpresentsabriefreviewonthestudiesofinteractionofinorganiccompoundswithcells withfocusingontheworksdonebyProf.Wang'Sgroup. KeywordsWangKui;bioinorganicchemistry;rareearths 1984年在武汉,中国化学会第一届全国生物无 机化学会议召开.全国从事生物无机化学研究的精 英,同时也是我国生物无机化学研究的倡导者和先 行者们第一次齐聚一堂,交流研究成果和探讨未来 发展.其中的重要人物包括了当时在长春应化所的 倪嘉缵教授,中山大学的计亮年教授,华中理工大学 的徐辉碧教授,山西大学的杨频教授,南京大学的唐 收稿:2008年4月(特约) *通讯联系人e—mail:xyang@bimu.edu.cn 文霞教授,复旦大学的黄仲贤教授和北京医学院的 王夔教授. 王夔教授1984年时任北京医学院(即后来的北 京医科大学,现在为北京大学医学部)药学系主任, 他出身于津门的一个书香门第,在北京大学前身之 一 的燕京大学化学系完成了理学学士和研究生的学 习.自1953年北京医学院建院起,王夔教授一直在 ? 626?化学进展第2O卷 该校从事教学和科研工作.1991年以在无机化学 领域的卓越贡献当选为中国科学院院士. 生物无机化学是生命科学和无机化学的交叉学 科前沿.国际上生物无机化学研究开始于20世纪 70年代.中国那时正处于文革十年的动乱和封闭 时期.十年一觉醒来,当中国再次打开国门,走向世 界之际,以王夔,倪嘉缵,计亮年,徐辉碧,杨频,唐雯 霞和黄仲贤等教授为代的中国无机化学家们,敏 感地抓住了这一学科发展方向.如何在与生命科学 交叉领域开展无机化学研究,确立中国生物无机化 学的发展方向呢?1987年中国化学会召开了"生命 科学中的化学问题研讨会".会上王夔教授作了题 为"现代生命科学向化学提出的问题"的大会报 告….他指出定向化学(生命过程中的有序反应,如 细胞信号转导的化学),生物系统的化学,反应的组 合和配合,组织化反应物参与的化学反应(如生物指 导或生物启发的化学合成),生物介质效应,生物大 分子和生物材料的结构和超分子组装,生物活性分 子与合成,生物体系中的物质输运过程是未来 值得重视的工作领域.王夔教授和提出的思想 对我国生物无机化学过去20多年来的工作方向产 生了深远的影响. 我国生物无机化学研究工作者一开始就是一个 团结协作的群体.与王夔教授同时一起开创中国生 物无机化学研究的老一代优秀科学家倪嘉缵院士在 稀土生物化学和金属催化抗体等方面获得了重大的 成果;计亮年院士在人工核酸酶体系,氧化酶模型化 合物等领域,解决了国际学术界一直未能解决的多 项难题,提出了某些模型化合物的结构和功能之间 关系的规律性以及发现了钌的多吡啶配合物等许多 具有应用前景的体系;徐辉碧教授在硒与活性氧作 用化学和硒蛋白等领域的工作中做出了贡献;杨频 教授深入研究了金属抗癌剂与核酸分子的结合作 用,发现了能有效水解DNA磷酸二酯键新金属配合 物体系;唐雯霞教授在金属蛋白和金属酶的溶液结 构的NMR研究,cu,Zn—SOD及某些锰酶,zn酶的模 拟及作用机理研究以及抗癌配合物的作用机理研究 等方面取得了丰硕的成果;黄仲贤教授在金属蛋白 与金属酶的结构和功能之间关系和化学生物学等领 域作出了重大的贡献,等等.他们以及他们所代表 的科学工作者团体为中国特色的生物无机化学研究 确定了发展的主体方向. 王夔教授则倡导并开展了细胞生物无机化学研 究,即在细胞层次上研究生物效应的无机化学基础, 跟踪细胞应答过程中发生的化学事件,研究它们与 病理和毒理过程的关系.在上个世纪80年代和90 年代前期,王夔教授领导的课题组先后进行了生物 矿化有关的自由基化学和大骨节病病理化学过程的 研究,发现了致病因子黄腐酸通过自由基机理引起 软骨细胞胶原蛋白基因表达由?型转为I型,使基 质异常,骨矿物形成异常.在此基础上,提出了异常 细胞一异常基质一异常矿化的理论,同时提出软骨细 胞的去分化是由氧自由基引发的,而自由基清除剂 可抑制去分化的新结论.这一理论不仅把已有的3 种大骨节病病因说统一起来,而且为防治大骨节病 提供了理论基础.此项工作获中科院科技进步二等 奖,三等奖及"八五"攻关重大成果奖.在色素型胆 结石形成的化学过程的研究中,发现了胆红素自由 基的形成,传递以及与之有关的胆红素聚合的现象, 同时还发现了二羟基和三羟基胆汁酸与胆红素作用 时的手性选择性和二者在抑制胆红素钙沉淀形成方 面的差异,该研究获国家教委科技进步二等奖. 不断创新是王夔教授的科研追求.20世纪90 年代中后期,王夔教授的研究集中于金属离子的细 胞生物效应及其作用的化学基础,阐明金属离子生 物效应的非线性和两面性.细胞是一个复杂体系, 与较为纯净的溶液系统有着较大的差别;同时,细胞 中存在的必需离子和外来(或过载)离子间存在相互 作用关系.对此,王夔教授提出了着名的"无机离子 的相似性作用规律"l2来指导复杂细胞体系中金属 离子作用的研究;指出非必需元素或离子一般是通 过干预某种必需元素或离子的功能而发挥作用,其 生物效应是它们与相应必需元素/离子性质的相似 性或偏离性的综合——无机离子的正向生物效应可 以归因于它们和体内必需离子的化学相似性,而其 毒性则源于它们和体内必需离子的化学相似方面的 偏离.因此可以根据无机离子的结构与参照必需元 素/离子的比较,对其生物效应进行有效的预测.例 如AsO和VO与PO类似,稀土离子与Ca2, Mg2类似,三价金属(AJ?,Ga"和稀土离子等)与 Fe类似等等.在这一研究思路的指导下,王夔教 授领导的课题组在不同层次上开展了对稀土,钒, 铂,砷和汞等金属离子与细胞作用的系统研究. 稀土是我国的特有资源之一,稀土在工业,农业 和生物医药等领域得到了广泛的应用,特别是稀土 农用在我国已经成功大范围地推广,其生物效应和 生态毒理作用受到世界的关注.从90年代后期起, 王夔和倪嘉缵院士等联手对稀土的生物效应及其化 第5期苟日新,日日新,又日新——值王夔教授八十寿诞侧记我国生物无机化学研 究 学机制进行了深入研究.首当其冲的一个问题是稀 土离子如何进行跨细胞膜的转运.在一个相当长的 时期中,人们认为三价稀土离子不能跨越细胞膜被 细胞吸收,这使得稀土的许多生物效应变得难以理 解.王夔教授课题组的研究系统地揭示了稀土离子 可以通过多种途径跨膜细胞吸收:中性的稀土配合 物可以通过被动扩散进入红细胞;稀土络阴离子可 以利用红细胞阴离子通道载体转运进入红细胞内; 稀土离子可以与运铁蛋白(Tf)结合,利用运铁蛋白 受体(T瓜)介导的细胞铁吸收途径进入细胞;高浓度 的稀土阳离子则可以诱导细胞膜渗透性变化而通过 自助扩散的途径进入细胞,这种方式对三价金属离 子可能具有普遍意义.这些结果为稀土生物效应的 研究确定了可行的基础. 在细胞亚结构及某些重要功能蛋白与稀土离子 的作用上,研究发现了:(1)稀土离子与细胞表面的 负电荷的磷脂和膜蛋白结合,引起膜脂和膜蛋白的 构象改变.膜脂双层因此发生相转变(形成六角 相),局部形成特殊的结构域.与稀土离子作用的蛋 白质发生构象改变,并借由稀土离子电价桥而发生 交联,聚集.这些作用的结果最终导致细胞膜上产 生用原子力显微镜(AFM)可观察的"孔洞"结构,使 细胞膜的通透性增强.这种作用可引起红细胞的可 逆性溶血和细胞聚集现象.(2)稀土与分离的细胞 线粒体作用,可导致线粒体膜流动性增加,并促进线 粒体发生肿胀和线粒体膜电位降低,这些都可能是 稀土诱导线粒体通透性转换孔道(PTP)开放的结 果.稀土离子(IJa?,Gd?,Yb?,)的作用均能降低线 粒体Hz0的生成速度,对超氧阴离子(?0一)存在 清除作用.但是在高浓度(>2×10,mol?L)时, 除了Ce?外的其它稀土对线粒体膜脂质过氧化,膜 蛋白氧化均有明显的促进作用.(3)细胞核是稀土 离子的重要分布区之一.用2--200mg/kg剂量的混 合硝酸稀土以灌胃方式饲养大鼠4个月后,观察到 肝细胞核的稀土含量显着升高.体外实验表明,对 于Hz0诱导的大鼠肝细胞核的脂质过氧化,IJa?和 ce均表现出一定的浓度依赖的抑制作用.(4)从 分子,细胞和动物3个层次的研究表明稀土离子可 以与血红蛋白及其辅基2,3-DPG作用,诱导血红蛋 白的构象变化和2,3-DPG的水解,从而导致血红蛋 白载氧能力改变.这种作用可能与在稀土矿区的公 共卫生调查中显示的人群某些缺氧现象有关. 在稀土对细胞信号转导作用的研究中,王夔教 授领导的工作集中于3个方面:(1)细胞生长相关的 MAPK(mitogenactivatedproteinkinase)途径.研究发 现稀土离子可以启动一些细胞膜上的金属感应机 制,从而启动细胞外信号调节激酶(extmcellular signal-regulatedkinase,ERK)的细胞生长信号.(2) 细胞钙.钙调蛋白相关信号转导途径.研究发现稀 土离子可以诱导细胞膜钙通道开放,引起钙内流;或 者在某些条件下促进磷脂酰肌醇水解,产物为三磷 酸肌醇IP3和二酰甘油DAG,这可能导致细胞内钙 释放.进入细胞内的稀土或通过上述两种方式引起 的细胞内钙水平升高,均有可能激活钙调蛋白,引起 后续的信号和细胞过程.但含稀土的钙调蛋白对钙 调蛋白靶蛋白的激活作用与钙激活钙调蛋白是不同 的.(3)稀土离子可以通过与过氧键配位抑制活性 氧物种的转化和扩增;顺磁性稀土离子还能够通过 与自由基的自旋.自旋相互作用掩蔽自由基.所以 稀土化合物可能具有自由基猝灭和抗氧化作用,对 自由基信号转导和细胞氧化还原具有调节作用. 动物的骨骼是稀土和各种金属离子的重要分布 器官.观察稀土离子对实验大鼠骨结构生物矿化的 作用是理解稀土毒理作用的关键问题之一.王夔教 授课题组的研究发现,以LaCI3灌胃饲养大鼠3个月 后,腿骨结构发生了变化,结晶度增加,骨小梁变细, 胶原纤维交联增加,骨密度降低;饲养6个月后,腿 骨中IJa含量明显高于对照组,Ca/P值下降.通过 研究稀土离子对破骨细胞和成骨细胞功能的影响及 其机制,表明IJa?对体外破骨细胞性骨吸收功能具 有两面性,其抑制作用可能通过降低破骨细胞胞内 游离钙离子浓度,进而影响细胞运动和附着功能从 而影响骨吸收活性.而稀土离子成骨细胞的增殖和 分化表现出低浓度(1.00×10一--1.00×10mol/L) 促进,高浓度(1.00×10"mol/L)抑制的双向作用. 这些作用稀土离子可能在骨质疏松中具有 意义. 上述研究结果揭示了稀土的促生长效应与促进 细胞增殖有关.稀土离子是一种非独立的类促生长 因子,并且稀土离子同时促进细胞增殖与凋亡,这种 双重效应是一个时间过程的两个阶段.稀土的作用 是一个"促生促死"的特殊模式,稀土促进增殖的细 胞较正常生长细胞更快凋亡,可能是稀土离子的抗 肿瘤机制的基础.这些结果为深入阐明稀土生物效 应的机理,为稀土的合理应用提供了依据.王夔教 授的这一成果获得了北京市科技进步奖. 理论联系实际和解决具体问题是王夔教授治学 的特色之一.他不仅仅醉心于基础研究,而且也大 化学进展第20卷 力倡导生物无机化学的实际应用.王夔教授是"国 际应用生物无机化学会议"的主要发起人之一.结 合课题组基础研究的特色和在药学院的工作背景, 王夔教授把应用基础研究定位于金属离子的病理, 毒理和药理过程的化学基础和新无机药物设计.王 夔教授提出,对无机物来说细胞作为多靶反应系统 表现应答,而无机物的生物效应与其生物利用度有 关.在上述理论的指导下,王夔教授课题组系统研 究了顺铂类抗癌药物与细胞的相互作用,在此基础 上找到了几种毒性低,抗癌活性强的铂络合物,并申 请专利.该工作获教育部科技进步一等奖.在抗糖 尿病钒化合物的研究上,王夔教授课题组与国内外 多家研究机构合作,系统研究了不同氧化值和配体 结构类型的钒化合物的吸收机制,提出了基于钒化 合物吸收,分布,代谢,排出和毒性(ADMET)药物性 质与结构关系的药物设计新思路. 对于一直致力研究的稀土,王夔教授也不断地 设计和推动稀土化合物的药用研究.他指出大 量研究工作已经显示稀土有许多潜在药理作用,因 此稀土药用具有广大的发展空间.而要实现这一目 的,研究者还需要:(1)转变研究模式,以全面精确 认识病理过程为基础,研究干预调节病理环节的方 法;(2)从负面生理作用探讨药理作用,潜在药理作 用可能是在正常情况下表现的负面生物效应;(3)从 细胞信号网络中寻找作用路径;(4)辩证地考察和利 用毒副作用;(5)根据稀土间的差异,配体和溶解度 等性质合理选择稀土化合物. 实际上,与王夔教授一起,许多老一代生物无机 化学家如倪嘉缵院士,徐辉碧教授,杨频教授等也在 各自的工作中先后开拓在细胞层次上研究无机离子 生物效应及其机理的工作.在过去十几年的工作 中,逐渐形成了具有中国特色的研究内容,研究思路 和研究方法,并获得了国内外同行的认可. 2007年,中国化学会第九届全国生物无机化学 会议在桂林召开.会议以"学科交叉推动生物无机 化学的创新"为主题,来自内地,香港及海外约250 名同行参加了交流讨论;工作内容涵盖了金属蛋白, 金属酶,细胞无机化学,无机小分子探针,无机分子 和生物大分子相互作用,生物矿化与仿生材料,无机 药物及其作用机理,具有生物活性的配合物,生物无 机化学中的研究新方法等相关研究领域.除了老一 代科学家们继续保持青春活力外,在国家自然科学 基金委,老一代科学家和有关领导的扶持下,年轻一 代的生物无机化学工作者已经成长起来.他们中间 的佼佼者如香港大学的支志明院士和孙红哲教授, 南京大学的郭子建教授,中国科技大学的俞书宏教 授,中山大学的毛宗万教授,中国科学院长春应化所 的曲晓刚教授,中科院化学所的江雷教授……等等. 标志了中国生物无机化学研究的不断创新和持续 进步. 让我们以一副对联结束本篇侧记,也借此祝福 王夔教授80寿诞,祝福我国生物无机化学研究未来 日新月异,在科学创新上"生物无穷机": 小小离子,都是金属担大任 重重谜题,总自无机得开通 参考文献 [1]王夔主编(ed.WangK).现代生命科学向化学提出的问题, 生命科学中的化学问题(ChemicalIssuesinLifeSciences).北 京:北京大学出版社(Beijing:PekingUniv.Press),1990. 64—74 [2]WangK.Tydskr.Chem.,1997,50(4):232—238 [3]WangK,LiRC,ChengY,ZhuB.Coord.Chem.Rev.,1999, 190,192:297—308 [4]杨晓改(YaIlgXG),杨晓达(YaIlgXD),王夔(WangK).化 学进展(Pros.Chem.),2007,19:201--204