生物无机化学位于无机化学和生物化学的交叉点，研究金属离子如何在生物体中发挥作用。大约三分之一的酶需要金属离子才能发挥其活性。必需金属包括大量碱金属和碱土金属（Na⁺、K⁺、Mg2⁺、Ca2⁺）和微量过渡金属（Fe、Zn、Cu、Mn、Co、Mo、Ni、V、Cr）。这些金属发挥结构作用，充当路易斯酸催化剂，通过氧化还原循环促进电子转移，并能够活化 O2、N2 和 CO2 等小分子。生物体已经进化出复杂的吸收、运输、储存和调节机制来管理这些金属，同时避免毒性。

氧气运输和储存：血红蛋白和肌红蛋白

血红蛋白和肌红蛋白是用于研究结构-功能关系的典型金属蛋白。两者都含有血红素辅基：原卟啉 IX 配体通过四个吡咯氮与 Fe2+ 离子配位，组氨酸咪唑（近端组氨酸）占据第五个配位位点。第六个位点可逆地结合 O2。在血红蛋白中，协同 O2 结合源自 O2 与一个亚基结合时的结构变化，这增加了剩余亚基的亲和力（T → R 状态转变）。肌红蛋白存在于肌肉组织中，可储存氧气并促进其扩散，其氧气亲和力比血红蛋白更高。一氧化碳与血红素中 Fe2+ 的结合强度大约是 O2 的 200 倍，这解释了 CO 的毒性；协调 O2 的弯曲几何形状（相对于线性 CO）通过远端组氨酸的空间排斥降低了蛋白质中的实际结合常数。

电子转移：细胞色素和铁硫簇

生物系统中的电子转移很大程度上依赖于金属蛋白。细胞色素是含有血红素的蛋白质，通过可逆的 Fe2⁺/Fe3⁺ 氧化还原循环传递电子。细胞色素 c 位于线粒体膜间隙，将电子从电子传递链的复合体 III 转移到复合体 IV。细胞色素 c 中的血红素铁由组氨酸和蛋氨酸配体轴向配位。铁硫簇（“[2Fe-2S]”、“[4Fe-4S]”）是另一类主要的电子转移中心，存在于铁氧还蛋白和线粒体复合物 I、II 和 III 中。这些簇经历单电子氧化还原反应，其电势由蛋白质环境以及配位半胱氨酸残基的数量和类型调节。

光合作用和放氧复合物

植物、藻类和蓝藻中的光系统 II (PSII) 催化水氧化成双氧，这是一个热力学要求较高的四电子、四质子过程。活性位点是析氧络合物（OEC），这是一种具有扭曲立方烷结构的 Mn₄CaO₅ 簇。 OEC 在五个中间状态（S₀ 到 S₄）之间循环，在从两个配位的水分子中释放 O2 之前积累氧化当量。每个 S 态转变都涉及从团簇中移除一个电子，同时释放质子以维持电荷平衡。了解 OEC 机制激发了旨在可持续燃料生产的合成模型化合物和人工光合作用系统的灵感。

固氮和金属酶

固氮酶是唯一能够在环境条件下将大气中的氮气转化为氨的酶。 MoFe 固氮酶由两种蛋白组成：Fe 蛋白（具有“[4Fe-4S]”簇的二聚体）和 MoFe 蛋白（包含 P 簇“[8Fe-7S]”和 FeMo 辅因子“[Mo-7Fe-9S-C-homocitrate]”）。催化作用需要每还原 N2 至少水解 16 个 ATP 分子，其中 Fe 蛋白充当电子供体。该反应涉及通过二氮烯 (‘HN=NH’) 和肼 (‘H2N-NH2’) 中间体连续还原 N2。 N2 在 FeMo 辅因子上的结合和激活机制仍然存在激烈争论，目前的证据支持还原消除两个桥接氢化物以产生结合 N2 的高度还原态。

锌酶和金属药物

锌 (II) 具有氧化还原惰性，但在数百种酶中充当强效路易斯酸。碳酸酐酶含有由三个组氨酸残基和一个水分子配位的 Zn2+ 离子。锌结合水在生理 pH 值下去质子化为氢氧化物，然后与二氧化碳反应形成碳酸氢盐。该反应对于血液中二氧化碳的运输和 pH 值调节至关重要。乙醇脱氢酶利用 Zn²⁺ 结合并激活底物乙醇进行氧化。金属药物代表了生物无机化学的主要治疗应用。顺铂（cis-[Pt(NH₃)2Cl2]）可交联 DNA 鸟嘌呤碱基，抑制癌细胞中的复制和转录。 Auranofin 是一种金 (I) 膦复合物，用于治疗类风湿性关节炎。金属显像剂，例如钆（III）MRI造影剂和锝99m放射性药物，在医学诊断中是不可或缺的。

金属稳态和毒性

生物体通过专用的运输和储存蛋白质来严格控制金属离子浓度。转铁蛋白在血液中运输 Fe3+，而铁蛋白将铁储存在蛋白质纳米笼内（最多 4500 个 Fe3+ 离子作为水铁矿）。金属硫蛋白是富含半胱氨酸的蛋白质，可结合并缓冲 Zn2⁺、Cu⁺ 和有毒重金属。重金属毒性（Hg、Pb、Cd）由多种机制产生：汞与硒醇和硫醇基团结合，抑制硒酶；铅会破坏血红素生物合成和钙信号传导；镉取代金属酶中的锌并诱导氧化应激。了解这些机制有助于螯合治疗策略和环境监测生物传感器的设计。