第七章 生物無機及超分子化學

1、1 第七章第七章 生物無機化學和超分子化學生物無機化學和超分子化學123生物無機化學生物無機化學 生命體的無機化學， 研究生物體內(nèi)的金屬元素和其它無機元素在生物體內(nèi)的形態(tài)、結構特征、特性和功能, 從分子水平上研究它們與生物分子相互作用的科學。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+, Zn2+, Cu2+，Con+ a. 金屬離子在生命體中的作用b. 金屬離子中毒和解毒 c. 生物固氮 主要方法：模擬主要方法：模擬無機離子同生物體內(nèi)各種酶的關系與作用。a.用大小相近配位類型相似離子取代生物體系中金屬離子。SalicylideneiminatoN,N-亞乙基二（水

2、揚醛縮亞胺）根 b.用簡單金屬配合作為生物原形的模型化合物研究原形某些特征，如卟啉鐵，Co(salen)等人工載氧體 c.用化學方法再現(xiàn)生物體系的某種功能，如用二（二丁二酮肟）合鈷()模擬維生素B12輔酶。3，4重要的生物配體重要的生物配體(1)氨氨基基酸酸455667蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)由氨基酸構成，氨基酸彼此以肽鍵結合成肽鏈，再由一條或多條肽鏈按特殊方式組合成蛋白質(zhì)分子。肽鍵是由一個氨基酸的氨基與另一個氨基酸的羧基結合失去一分子水而成多個氨基酸以這種方式首尾相接形成肽鏈，肽鏈中的氨基酸已經(jīng)不再是原來的完整的分子，稱為氨基酸殘基。超過十個殘基的肽稱為多肽。78以各種氨基酸按一定順序排列構成的肽

3、鍵骨架-蛋白質(zhì)的基本結構。蛋白質(zhì)的相對分子量可高達106，小的也有104以上。蛋白質(zhì)的一級結構在蛋白質(zhì)多肽鏈中，一個肽鍵的羰基氧可能和另一個肽鍵的亞胺氫形成氫鍵： 89通過氫鍵形成的多肽鏈的空間排布，即多肽鏈主干的構象。二級結構一般有兩種：螺旋結構和 折皺結構蛋白質(zhì)的二級結構螺旋結構910蛋白質(zhì)中常見的一種二級結構，肽鏈主鏈繞假想的中心軸盤繞成螺旋狀，一般都是右手螺旋結構，螺旋是靠鏈內(nèi)氫鍵維持的每個氨基酸殘基（第n個）的羰基氧與多肽鏈C端方向的第4個殘基（第n4個）的酰胺氮形成氫鍵。在典型的右手-螺旋結構中，螺距為0.54nm，每一圈含有3.6個氨基酸殘基，每個殘基沿著螺旋的長軸上升0.15n

4、m。-螺旋結構的主要特征為：肽鏈以螺旋狀盤卷前進，每圈螺旋由3.6個氨基酸構成，螺圈間距（螺距）為5.44埃；螺旋結構被規(guī)則排布的氫鍵所穩(wěn)定，氫鍵排布的方式是：每個氨基酸殘基的NH與其氨基側相間三個氨基酸殘基的CO形成氫鍵。這樣構成的由一個氫鍵閉合的環(huán)，包含13個原子。因此，-螺旋常被準確地表示為3.613螺旋。螺旋的盤繞方式一般有右手旋轉和左手旋轉，在蛋白質(zhì)分子中實際存在的是右手螺旋。11折皺結構1112蛋白質(zhì)三級結構1213蛋白質(zhì)四級結構1314氨基酸和金屬離子配位時，一方面利用分子中的-COO-基氧原子和金屬發(fā)生共價結合，另一方面是由-NH2基中的氮原子提供孤電子對與金屬離子形成配鍵。但

5、在絲氨酸，蘇氨酸和酪氨酸中的-OH基也能進行配位。另外，組氨酸的咪唑基，半胱氨酸的SH基以及蛋氨酸的-C-S-C-(硫醚)基都是重要的配位基團。 肽與金屬離子配位時，一般以肽分子中的O或N原子作為配位原子。 氨基酸，肽和蛋白質(zhì)和金屬離子的配合肽與金屬離子配位時，一般以肽分子中的O或N原子作為配位原子。蛋白質(zhì)與金屬離子結合與氨基酸或短肽鏈有所不同。在金屬蛋白質(zhì)分子中，兩個配位原子之間往往隔著數(shù)目很多的氨基殘基。起配位作用的氨基酸殘基有：半胱氨酸，蛋氨酸，酪氨酸，谷氨酸，天冬氨酸，賴氨酸，精氨酸和組氨酸。 1415核苷，核苷酸和核酸 腺苷酸的形成1516生物體內(nèi)的核苷酸可以游離存在，也可以進一步結

6、合成核酸。由核糖核苷酸連接成的是核糖核酸(RNA),由脫氧核糖核苷酸連接成的是脫氧核糖核酸(DNA). 16嘧啶和 嘌呤腺嘌呤 胸腺嘧啶 尿嘧啶 鳥嘌呤 氧氨嘧啶17171818腺嘌呤胸腺嘧啶氧氨嘧啶鳥嘌呤19含金屬離子的生物分子在生命體中的主要功能含金屬離子的生物分子在生命體中的主要功能191920金屬蛋白：含有金屬離子的蛋白質(zhì)。金屬酶：能執(zhí)行催化功能的金屬蛋白, 金屬酶之外的其它金屬蛋白：大致可分為電子載體蛋白, 小分子載體蛋白，金屬貯運蛋白, 金屬調(diào)節(jié)蛋白等四大類.金屬蛋白 a. 電子載體蛋白主要有三種, 含鐵血紅素的細胞色素類蛋白, 含F(xiàn)e-S簇合物的鐵硫類蛋白和含Cu的藍銅蛋白, 它

7、們利用具有氧化還原性的金屬離子Cu2+/Cu+, Fe3+/Fe2+作為生物體中電子接受的載體蛋白中心, 成為生物體中電子傳遞鏈的重要環(huán)節(jié)。a. b. 小分子載體蛋白主要包括O2, NO, CO等小分子的結合和運載蛋白, 其中氧運載蛋白有血紅蛋白-肌紅蛋白類, 血藍蛋白和蚯蚓血紅蛋白三類, 血紅蛋白是以血紅素為輔基的含鐵金屬蛋白, 蚯蚓血紅蛋白是含雙核鐵的金屬蛋白, 血藍蛋白是含銅中心離子的金屬蛋白。21 c. 金屬貯運蛋白主要是指一些承擔生命必須元素在體內(nèi)貯存和轉運作用的金屬蛋白, 主要有Fe, Zn, Cu蛋白, 如鐵蛋白(ferritin)是鐵的貯存蛋白, 每個蛋白分子內(nèi)腔可貯存4900

8、個無機鐵離子, 以避免過量鐵離子對其它生物分子的毒害作用, 而當生物體需要鐵時, 又可從中取出, 由運鐵蛋白(transferring)輸送到需要鐵的生物分子的合成過程中去。 d.金屬調(diào)節(jié)蛋白是近幾十年來發(fā)現(xiàn)的， 具有重要生物功能的一類金屬蛋白。生物體中某些蛋白質(zhì)能夠在金屬離子的調(diào)制下生成具有各種特定蛋白質(zhì)結構或結構域的金屬蛋白, 它們與其它蛋白質(zhì)或核酸作用, 結合于特定的部位, 從而啟動或調(diào)制一系列后續(xù)的生物化學反應, 或者控制和調(diào)節(jié)DNA和RNA的轉錄, 翻譯和表達, 其中最典型的有以Ca調(diào)蛋白(Calmodulin)為代表的鈣結合蛋白。 重金屬蛋白和近年來發(fā)現(xiàn)的各種鋅指類蛋白(zinc

9、finger proteins)。22金屬酶金屬酶 (metalloenzymes) 金屬酶是一種以三級結構的蛋白質(zhì)大分子為配體的金屬配合物, 它具有獨特的催化活性, 是生物體中廣泛存在的生物催化劑。 生物體中各種復雜的生物化學反應能在溫和條件下(室溫, 常壓, 中性介質(zhì))下迅速進行, 根本原因在于生物體中存在著各種具有高催化效率的酶。它的催化效率比一般普通的無機有機催化劑高7-13個數(shù)量級, 例: 1mol Fe3+在0C, 1秒內(nèi)可以催化分解10-5mol H2O2, 同樣條件下, 1mol H2O2酶可催化分解105 mol H2O2。 酶的催化作用具有高度專一性, 即一種酶只作用于某一

10、類或某一種特定的物質(zhì)(底物), 在現(xiàn)已知的2000多種酶中, 約有1/3酶在行使其催化活性時需要金屬離子作輔助因子, 這些金屬離子或是直接參與了催化活性部位的構成, 或是它的存在有利于底物和酶的結合, 或是通過穩(wěn)定的酶分子構象起到調(diào)控活性的作用。金屬離子與酶蛋白的結合強度也各不相同, 根據(jù)強度差異, 可分為金屬酶和金屬激活酶。23金屬酶一般含有化學計量的金屬離子作為輔因子(cofactor), 它們與蛋白肽鏈之間的結合相當牢固, 通常金屬-酶蛋白配合物的結合常數(shù)達到107-108mol-1 L。金屬激活酶雖然也需要金屬離子的參與才能表現(xiàn)出活性, 但金屬離子與酶蛋白并不牢固結合。金屬酶參與金屬酶

11、組成的主要是過渡金屬離子, Fe, Zn, Cu, Mn, Co, Mo, Ni等, 它們在氧化還原酶、 轉移酶、水解酶、聚合酶、異構酶和連接酶六大類酶中以金屬酶的形式存在, 并發(fā)揮著獨特的作用:A a. Lewis酸的作用, 帶正電荷的金屬離子通過吸電子誘導效應使底物局部顯正電性, 從而使羧基或水分子易于對底物進行親核攻擊, 導致底物分子水解, 如在許多水解酶(羧肽酶, 碳酸酐酶)中Zn2+ 的作用。24 c. 模板作用, 金屬離子通過立體化學特性, 對酶或底物的空間構象進行調(diào)整, 促使酶與底物具有相互匹配的構象, 從而激活或增強酶的活性, 例如: 某些金屬離子對以磷酸吡哆醛為輔因子的酶的活

12、性的增強作用, 就是這種模板效應的具體體現(xiàn).a. d. 結構固定作用: 金屬離子能固定酶蛋白的特定幾何構象, 以便于某一特定底物附著其上, 這種結構固定作用在肝醇脫氫酶中十分明顯。A b.橋聯(lián)作用, 底物與酶蛋白同時結合在金屬離子上, 以金屬離子為橋梁使得底物分子與酶分子更易接近, 甚至處于同一配位球體內(nèi), 便于各種酶促反應的進行, 如羧肽酶中Zn2+起底物肽鏈的錨柱作用, 在它的橋聯(lián)作用下, 才開始一系列的構象變化, 完成肽鏈上端氨基酸的水解反應.a. e.電子傳遞作用, 在許多氧化還原酶中, 金屬離子通過氧化態(tài)的變化起著電子傳遞的作用, 如細胞色素酶中Fe2+/Fe3+中心和超氧化物歧化酶

13、中Cu+/Cu2+ 中心等.25金屬激活酶金屬激活酶 (metal-activated enzymes)在生物體的眾多酶中, 有一種需要由金屬離子或金屬配合物激活其生物活性, 以實現(xiàn)其催化底物的生物反應的功能, 這一類酶稱為金屬激活酶。 輔因子若為金屬離子, 金屬離子稱為激活劑, 若為配合物, 配合物稱為輔酶。 在金屬激活酶中, 金屬離子或金屬配合物與蛋白質(zhì)肽鏈結合較弱, 金屬離子是作為此類酶的輔因子起作用的, 它們在酶促反應中,可以穩(wěn)定底物的構型, 使之適合于酶蛋白的結合, 或使底物的構型有利于它在蛋白質(zhì)上的取向和反應, 也可以因其結合, 改變蛋白質(zhì)的構象, 或通過電荷作用, 改變蛋白質(zhì)分子

14、的電荷分布, 使離域底物與其它分子結合。比如Mg2+可以激活許多酶, 所有作用在象ATP這些核苷上的酶都需要Mg2+作為輔酶, 典型的Mg2+激酶有己糖激酶, 葡糖激酶, 磷酸核糖激酶, 吡哆醛激酶等。 ATP ：腺苷三磷酸26宏量金屬元素宏量金屬元素 Na+, K+ Na+：體液中濃度最大和交換最快的陽離子。 血漿中Na+濃度達1.5210-3 molL-1主要功能：調(diào)節(jié)滲透壓，保持細胞中最適水位， 通過鈉泵作用 將葡萄糖、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)輸入細胞 參與神經(jīng)信息的傳遞；保持血液和腎中的酸堿平衡。 K+：半徑比Na+大，電荷密度較低，擴散通過脂質(zhì)蛋白細胞膜 時幾乎與水一樣容易。 細胞液中含K+

15、 濃度為1.5410-3 molL-1 主要功能：某些內(nèi)部酶的輔基，起激活酶的作用。 葡萄糖的新陳代謝作用需要高濃度的K+, 用核糖體進行蛋白質(zhì)合成也需要高濃度的K+ K+起著穩(wěn)定細胞內(nèi)部結構的作用。2627Na+, K+在細胞內(nèi)外分布不均勻細胞內(nèi)部：K+：15410-3 molL-1, Na+：1010-3 molL-1細胞外部：Na+：15210-3 molL-1，K+：510-3 molL-1離子泵的機制2728鈉泵的運行機理鈉泵的運行機理 實驗證實：實驗證實：濃度極低的VO43-(109mol L-1) 即可抑制ATP酶在ATP水解反應 中的催化反應。PO43- 形成的不穩(wěn)定的五配位中

16、間體容易斷鍵，完成水解，VO43- 形成的五配位物種既不斷鍵又不能發(fā)生后繼的構象轉化，K+仍然留在 細胞膜的外壁上。 ATP ：腺苷三磷酸28Na+擴散29Ca2+ Ca2+在細胞內(nèi)的濃度: 10-5mol-1L-1 , 在細胞外的濃度: 10-3molL-1 鈣也是依靠金屬泵機制維持這種濃度分布的，這種濃度分布可防止碳酸鹽和磷酸鹽在細胞內(nèi)沉淀， Ca2+的主要生物功能： (a) 穩(wěn)定蛋白質(zhì)構象，如 DNA酶和微生物蛋白酶中的Ca2+的作用 (b) 形成各種生物體的固體骨架物質(zhì)， 如骨骼和生物殼體, 大部分 是由羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)12組成的； (c) 促進血液凝固和調(diào)節(jié)心律

17、。 (d) 引發(fā)某些生理活動的功能，肌肉收縮的觸發(fā)器，釋放激素的 信史等； 2930鈣媒介蛋白與結合而被激活30羧基COO-刺激 Ca2+流入 與媒介蛋白結合 媒介蛋白激活 增加酶催化活性細胞外內(nèi)Ca2+受刺激31Mg2+ Mg2+是一種內(nèi)部結構的穩(wěn)定劑和細胞內(nèi)酶的輔因子, 細胞內(nèi)的核苷酸以Mg2+配合物的形式存在。 Mg2+傾向于與磷酸根結合, 所以Mg2+對于DNA復制和蛋白質(zhì)生物 合成是不可缺少的。 Mg2+在光合作用中具有重要功能。葉綠素a：Mg2+ 的大環(huán)化合物, 能吸收可見光區(qū)的紅光和藍至近紫外光, 為光合作用提供能量。3132Fe2+ Fe是人體中最豐富的過渡金屬元素，一般含量為

18、45g, 鐵在人體中的分布和功能是多樣的。3233 (a) 血紅蛋白血紅蛋白(Hb)和肌紅蛋白和肌紅蛋白(Mb) 血紅蛋白血紅蛋白(Hemoglobin Hb)：血液中紅細胞的主要成分，在成熟的紅細胞中，Hb占濕重的32，干重的97。血液中的紅色即是由紅細胞中的Hb造成的。主要功能：運輸和呼吸O2和CO2，人體肺部吸入的O2約有98是由紅細胞中的Hb運送到全身的組織中去，其余2溶解在血液中。肌紅蛋白肌紅蛋白(Myoglobin, Mb)：主要功能：肌肉中的載氧物質(zhì)，貯存和提供肌肉活動所需要的氧，在氧氣分壓較低的情況下，它與氧的結合能力比Hb強，在肌肉缺氧時，它便釋放O2以供肌肉收縮的需要，在人

19、的心肌，鳥的飛翔肌肉中，Mb的含量很高。3334Hb和Mb: 血紅素(heme)為活性中心的金屬蛋白血紅素: Fe()和原卟啉形成的金屬卟啉配合物Hb和和Mb的結構的結構卟吩卟吩血紅素血紅素卟啉卟啉3435以Fe()為中心離子的蛋白質(zhì)配合物，一條多肽鏈和一個Fe()-血紅素基團組成。分子量約為17000，肽鏈上的組氨酸殘基的咪唑側鏈和血紅素基團中的Fe()配位，使兩者連接在一起。Mb的結構不同生物的Mb蛋白的氨基酸數(shù)目和排列順序不完全相同。人體Mb含152個氨基酸，巨頭鯨含153個氨基酸, 但二級結構和三級結構是類似的，由八段螺旋和一些非螺旋松散肽鏈折疊纏繞而成特殊的空間構象。3536Hb 的

20、結構的結構 四個Mb的集合體, 相對分子量為65000， 含兩種亞單元: 和 每個亞單元含有一條多肽鏈和一個血紅素基團，鏈含有141個氨基酸，鏈含有146個氨基酸。亞單元之間不存在共價鍵。和亞單元中：Fe()是中心離子，6個配位基，4個被卟啉環(huán)中的N原子所占據(jù)，第五個位置被組氨酸(his) 殘基的咪唑側鏈的N原子所占據(jù)。3637I. 保護血紅素基團中Fe()不被氧化到Fe()Hb和Mb中蛋白質(zhì)鏈的功能II. 保證肌紅蛋白和血紅蛋白的可溶性III. 降低血紅素對CO的親和力3738血紅蛋白和肌紅蛋白的功能血紅蛋白和肌紅蛋白的功能 血紅蛋白：負責輸送，從肺部攝取O2然后通過血液循環(huán)將O2(Hb)

21、輸送到各組織中去； 肌紅蛋白：負責貯存，從血紅蛋白處接受氧氣，和肌紅蛋白結(Mb) 合的氧氣被貯存，以供細胞呼吸所用。Hb載輸送氧氣時， 與O2的結合和解離取決于O2的分壓22OPHbHbOK 氧飽和度：可結合氧的最高摩爾數(shù)實際結合氧的摩爾數(shù)Y2222OO22OOKHbPKPHbO YHbO HbKHbPHb1KP Hb + O2 = HbO2肺泡中氧氣的分壓約為100mmHg*, 高于靜脈血的氧氣分壓，血紅蛋白可從肺泡中攝取氧，形成氧合血紅蛋白。細胞組織中氧的分壓為40mmHg, 又低于動脈血氧的分壓，血液循環(huán)所帶來的氧可以釋放到組織中去，起輸送氧氣的作用。3839人體中血紅蛋白和肌紅蛋白的

22、氧合曲線曲線下部： P(O2)很小時, Y改變緩慢， P(O2)增大時，Y急劇上升曲線上部較平坦：P(O2)從100mmHg80mmHg時,Y降低0.02，當人從平原進入高山時，肺部的P(O2)變化較大，但肺部血液中Y變化較小，仍然保持著人體組織中O2的供應。曲線中部較陡：在P(O2)變化不大的情況下，也能保證血液流經(jīng)較低的組織時，釋放出足夠的氧氣以供組織需要。(Hb中的一個血紅素與O2結合后會引起亞單元構象的微妙變化，有利于其它三個血紅素基團與O2的結合 Y pH值有較大影響 39肌紅蛋白為單體蛋白,沒有合作效應,氧合程度與氧分壓之間具有正常關系，氧合曲線呈拋物線形。 MbPh Bohr效應

23、40氧合血紅蛋白和氧合肌紅蛋白中氧合血紅蛋白和氧合肌紅蛋白中FeO2的結構的結構 磁性 伸縮振動頻率 Fe-O-O鍵角 Fe-O鍵長自由O2分子 順磁性 1554.7cm-1 180 HbO2 反磁性 1107cm-1 156 167pm(183pm) MbO2 1103cm-1 115 183pm 超氧化物 1145 cm-1（以此對比提出模型）Pauling 模型：Weiss模型： 40O2與金屬配位，金屬上電子流到O2反鍵軌道鍵級變小，反磁性 所有電子配對d5低自旋單同O2-單電子配對41Hb和和Mb與與O2的結合的結合 第六個配位位置結合O2以后, Fe()變成低自旋, 離子半徑下降為

24、75pm, 被O2配位的Fe () 便移動到卟啉環(huán)的平面內(nèi)。41氧合作用中鐵原子的位置移動75pm.迫使軸向配體咪唑基相應地移動。這將帶動肽鏈作相當大的移動而引起亞基間的結合斷裂，四聚體結構變得松散，使血紅素的第六配位位置較為暴露而促使了血紅蛋白的氧合作用。因此有一個亞基結合氧以后，血紅蛋白的氧合能力迅速提高。這種效應稱為亞基間的合作效應。 未和O2配位前：Fe()為高自旋,半徑較大(92pm),不能插入卟啉環(huán)的四個氮原子之間，F(xiàn)e()高出血紅素的平面約60pm。42人工合成載氧體人工合成載氧體 載氧體的先決條件：可逆地結合O2第一個人工合成載氧體人工合成載氧體 ：Co()-schiff 堿的

25、螯合物Co(salen)軸向的第五個位置還可被其它配體所取代: Py, Mepy, PPh3, THF或NCS- 等苯環(huán)上的H也可被CH3, CH3O, Cl, Br等取代, -(CH2)2-可被-(CH2)3-NH-(CH2)3-, -(CH2)3-O-(CH2)3- 等取代42SalicylideneiminatoN,N-亞乙基二（水揚醛縮亞胺）根43 人工合成的Co()-Schiff 堿的螯合物載氧體的其它系列： 43Co(acacen) Co(acacen)(B)(Y) B=py,CN-py,DMF,H2OY=O2或空位 除此還有鈷的卟啉化合物如Co(TPP)(OCH3)以及其它大環(huán)化

26、合物四苯基卟啉44人工合成鐵載氧體 困難：Fe() O2 FeO2 Fe()-O- Fe() . 利用空間位阻效應，防止二聚體形成 解決方法：尖樁籬笆型Fe-卟啉的結構 Fe()遇氧不可逆地通過氧橋形成穩(wěn)定二聚體，失去結合氧的能力25C， 吡啶溶液中存在約20h 20C，穩(wěn)定存在數(shù)日氧合和脫氧平衡氧合和脫氧平衡4445具有載氧功能的帽狀Fe()-卟啉配合物頂部的孔隙可以讓親脂的氧分子自由地出入, 低溫使它形成二聚體的反應速率大大降低。 4546()利用低溫，減緩二聚體的形成速率 雖不具空間位阻，卻可在45低溫下，在溶液中可逆地結合O2。帶咪唑基團的Fe()-卟啉配合物4647() 利用剛性支撐

27、 將改性的硅膠通過3-咪唑丙基(IPG)把Fe(TPP)(B)2和表面的硅原子結合在一起,然后在氦氣中加熱, 脫去軸向的B配體(吡啶或哌啶), 產(chǎn)生活性配位位置, 形成類似于Hb和Mb中Fe()的五配位卟啉配合物(IPG)Fe(TPP), 該配合物活性位置能可逆地結合氧 。(IPG)Fe(TPP)(B)2 氧合脫氧平衡氧合脫氧平衡47TPP: 四苯基卟啉48細胞色素細胞色素P-450酶酶細胞色素：一類氧化還原酶，是卟啉型配體與Fe配位的一組血紅素蛋白，F(xiàn)e原子處于埋藏在蛋白質(zhì)分子內(nèi)的卟啉配位環(huán)境中， 通過活性部位上的Fe() 和Fe()之間的穿梭變化而起作用。 細胞色素P-450酶：一種單加氧

28、酶(monooxygenase)， 以Fe卟啉為活性中心， 能夠使氧通過催化作用加合于底物的一族酶的總稱。 RH + 1/2 O2 R-OH主要存在于動物的肝, 脾和腎的內(nèi)質(zhì)網(wǎng), 腎上腺皮質(zhì)的線粒體以及一些細菌中。取名為”P-450” 是因為它的卟啉在藍色至近紫外區(qū)所特有的吸收帶(Soret帶450 nm) 在這些分子的羰基配合物(該蛋白質(zhì)在還原型時形成CO配合物)中紅移至450 nm處。由397個氨基酸殘基組成, 相對分子質(zhì)量約為45000。4849P-450 的催化循環(huán) 49RH ROH 利于生物體排除毒品、類固醇前體和農(nóng)約等疏水化合物底物競爭反應50細胞色素細胞色素(cytochrome

29、) C 唯一可溶的細胞色素，最典型的氧化還原蛋白酶，在呼吸鏈的細胞色素還原酶和細胞色素氧化酶之間傳遞電子。 5051Zn2+ Zn 在人體中的含量為23g, 僅次于鐵，比Cu高6倍，人體中的Zn，大約1/31/4儲存在皮膚和骨骼中，血液中的鋅，12-20在血漿，75-80在紅細胞-，3在白細胞 每個紅細胞中的含鋅量是白細胞中的25倍以上。紅細胞中的鋅主要在碳酸酐酶中。Zn2+易與PO43結合，磷酸酯被堿性磷酸酯酶水解的過程與 Zn有密切的關系。Zn2+可以促進創(chuàng)口愈合，可以將視網(wǎng)膜固定在脈絡膜上，Zn還在遺傳學上，人體的骨骼發(fā)育等生理活動中起重要作用侏儒癥就是先天性缺鋅的結果。5152碳酸酐酶

30、碳酸酐酶(carbonic anhydrase) 催化反應： CO2+ H2O = H2CO3活性位置含一質(zhì)子傳遞基團，可以是氨基酸殘基(可能是His組氨酸64) 或某種緩沖分子，有復雜氫鍵系統(tǒng)和眾多H2O,在pH值較低的情況下，Zn()是四配位的，而當與之結合的水分子發(fā)生電離時，可能是五配位的。52 H O O: C Zn H O O H H O Zn H + HCO3- 組氨酸咪唑中N催化活性基團可能是Zn- H2O Zn()在pH較低時四配位pH較高時53羧肽酶羧肽酶 羧肽酶A(carboxypeptidase A, CPA): 催化蛋白質(zhì)羧端肽鍵的水解，含有一條307個氨基酸殘基的蛋白

31、質(zhì)鏈加上一個Zn()離子，分子量依賴于不同的來源，由3000035000。橢球形分子，大小為500042003800pm, 在晶體中含有45的水，而CPA的活性正和水有關。 5319654酸堿催化機理, 受谷氨酸270激活的水分子釋放出OH-, OH- 進攻肽鍵的羰基碳原子，同時，酪氨酸248的-OH基團提供一個質(zhì)子給肽鍵的氮原子。完成肽鍵的水解。它還是一種酯酶，催化活性比肽酶高約5103倍。CPA的催化機理5454極化作用Lewis酸谷氨酸酪氨酸精氨酸55Cu2+ 銅在人體中的含量為100150mg, 是一種重要的痕量元素，主要作用是進行氧化還原反應。銅存在于12種酶中，如血藍蛋白，超氧化物

32、歧化酶，藍銅蛋白等.(a) 血藍蛋白血藍蛋白(henocyanin) 血藍蛋白在某些動物的血液中是載氧體，比如蝸牛, 章魚,螃蟹等。天然的血藍蛋白分子量約78106。每個分子含120個亞單元，有著特征的深藍色，O2分子結合在兩個Cu+上, 55（組氨酸堿性基團）56 (b) 超氧化物歧化酶（超氧化物歧化酶（superoxide dismutase SOD） 牛超氧化物歧化酶結構示意圖牛超氧化物歧化酶結構示意圖 SOD 可以清除人體的超氧負離子自由基, 被譽為人體中的清道夫，具有防御氧的毒性，抗腐蝕損傷，延緩衰老，防治腫瘤等多種生物功能。56當單電子傳遞當單電子傳遞,O2得到一個電子產(chǎn)生超氧負離

33、子得到一個電子產(chǎn)生超氧負離子自由基自由基: O2 +e O2. O2. 高破壞高活性高破壞高活性,它能它能進一步產(chǎn)生其他有害機體的自由基進一步產(chǎn)生其他有害機體的自由基. O2. + H+ HO2. HO2. +HO2. O2 + H2O2H2O2 + e- OH- + HO . 羥基自由基具有更高的反應活性羥基自由基具有更高的反應活性,能夠與多種能夠與多種化合物反應化合物反應,產(chǎn)生有害的自由基產(chǎn)生有害的自由基.超氧化物歧化超氧化物歧化酶能催化酶能催化O2. 自由基的歧化反應自由基的歧化反應O2. + O2. + 2H+ H2O2 + O2生成的生成的H2O2再經(jīng)過過氧化氫酶催化分解為再經(jīng)過過氧

34、化氫酶催化分解為H2O 和和 O2 H2O2 + H 2O2 2H2O + O257牛超氧化物歧化酶牛超氧化物歧化酶Cu與與Zn的結合部位的結合部位Cu2Zn2SOD活性部位的喇叭筒結構活性部位的喇叭筒結構 喇叭筒結構可使 SOD能夠高效率地清除氧自由基57天門冬氨酸精氨酸蘇氨酸5859血漿中9095的銅結合在銅藍蛋白中，這是一種藍色的蛋白質(zhì)，分子量為151000，每個分子中含有8個銅原子，4個為Cu(), 四個為Cu()，藍色來源于Cu()。在鐵的新陳代謝中，F(xiàn)e()氧化成Fe()需要銅藍蛋白的催化氧化，以利于Fe()和蛋白質(zhì)的結合形成運鐵蛋白，然后將鐵輸運到骨髓合成血紅蛋白，銅藍蛋白還能在

35、肝臟中將Fe()還原到Fe()，用于合成血紅蛋白，可見，沒有銅，鐵氧氣就不能傳遞，不能結合在血紅素中，紅細胞就不能成熟，缺銅也會引起貧血癥。(c.)銅藍蛋白頭發(fā)和皮膚的顏色都與人體中的黑色素有關，黑色素是由酪氨酸氧化生成的，體內(nèi)有一種酶，叫酪氨酸酶，能夠催化這種氧化反應。而酪氨酸酶就是一種含銅酶， 遺傳性的白化癥就是由于先天性缺乏酪氨酸酶或黑色素而導致的。白癜風也和缺銅有關.5960Co2+ B12目前已知唯一含Co的生物分子, 是唯一含金屬離子的維生素。人體中Co的含量為25mg, 主要集中在肝臟中。B12 是一種反磁性的Co的配合物，B1 2 的結構是1957年Dorothy C. Hod

36、gkin和其合作者通過X-射線衍射確定的。Hodgkin也因此獲得了1964年的Nobel化學獎。60在B12輔酶中含有Co-C鍵，這是在生命系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的第一種有機金屬化合物，在自然界中是罕見的。 5-脫氧腺苷基維生素B12 ，B12輔酶61B12和B12輔酶形式參與多種重要的新陳代謝，具有多種生理功能，如參與蛋白質(zhì)的合成，葉酸的儲存，以及硫醇酶的活化，其主要功能是促使紅細胞成熟，缺少B12，血液中會出現(xiàn)一種沒有細胞核的巨紅細胞，引起惡性貧血癥。VB12可以發(fā)生1電子或2電子還原，分別生成Co()(VB12r)和Co()(VB12s)配合物，Co()配合物為強親核性，在VB12的生理功能中起重

37、要作用，它容易通過氧化加成甲基化，如：1212B3B3VCo(I)CH IVCo(II)CH I VB12(CoI)與三磷酸腺苷(ATP)反應，聯(lián)結上5-脫氧腺苷基（可以在腺苷與鈷之間形成CoC或Co-R鍵,）即生成B12輔酶。6162B12輔酶在某些特殊酶的存在下，可以催化某些異構化反應，如： B12輔酶也可以催化某些相鄰碳原子之間的取代基交換反應，如哺乳動物體內(nèi)在B12輔酶協(xié)助下的甲基丙二酰輔酶A轉變?yōu)槎《］o酶A的反應.這種催化反應可以概括為：即相鄰兩個碳原子之間的R與H交換。62632. 金屬中毒與解毒金屬中毒與解毒 (1) 金屬中毒金屬中毒 (a) 封閉了生物分子必要的功能基團, 使

38、生物分子喪失正常功能 例：親硫的Hg(), Pb(), Cd()容易和蛋白質(zhì)分子中 的Cys(半胱氨酸)殘基的巰基(-SH)結合, 而后者處于 很多酶的活性部位; (b) 置換了生物分子中必需的金屬離子 例：Be()能置換Mg() 進入激酶, 但Be()不能使這些酶 具有生物活性; (c) 改變了大生物分子的活性構象, 生物大分子的功能發(fā)揮取決于其特定的構象, 而不適當?shù)慕?屬離子可能改變甚至破壞這種構象。6364a. 汞中毒 主要的金屬離子中毒: 汞具有較高的蒸氣壓, 汞蒸氣能被肺吸收, 溶解于血液中, 然后進入大腦, 對中樞神經(jīng)造成不可逆轉的傷害。汞和汞的化合物在某些厭氧細菌的作用下, 轉

39、變?yōu)?CH3)2Hg和CH3Hg+, 在魚類和哺乳動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的汞化合物多為CH3HgX。RHgCl能和細胞膜作用, 改變細胞膜的通透性, 破壞血紅細胞. 汞對蛋白質(zhì)和酶的作用, 是由于它和蛋白質(zhì)中的半胱氨酸殘基的巰基結合, 堵塞了酶的-SH基團, 抑制了SH-酶的活性. 汞中毒的病癥是顫抖, 呆滯, 運動失調(diào), 嚴重時死亡. 最嚴重的汞中毒病例發(fā)生在日本的水俁, 被稱作”水俁病”, 是因為當?shù)氐臐O民吃了含CH3HgCl的魚, 患上了這種病.6465b. 鎘中毒 鎘中毒主要來自鎘金屬和Cd() 鹽以及它的螯合物, Cd()的毒性作用可能是因為Cd()和Zn() 性質(zhì)相似, 可以在許多含鋅酶中取

40、代鋅, 從而抑制了含鋅酶的活性. 如：堿性磷酸酯酶, 醇脫氫酶, 碳酸酐酶等含鋅酶都可以因為鎘的取代而失去活性. Cd()可以強烈地與蛋白質(zhì)地半胱氨酸殘基地-SH結合, 抑制-SH-酶的活性。由于Cd2+半徑與Ca2+ 半徑大小相近, 能取代骨骼中的Ca2+而引起骨痛病，但是飲食的性質(zhì)可以影響鎘的吸收, 當飲食中鈣的含量低時, 在肝和腎中積累的鎘含量比較高，說明鎘的代謝和鈣的代謝之間存在某種聯(lián)系, 鈣含量高時, 鎘吸收少。6566c. 鉛中毒 Pb和Hg() , Cd()相似, 會抑制-SH酶的活性, 鉛中毒的典型癥狀是貧血。 這是由于卟啉的代謝過程出現(xiàn)混亂造成的. 鉛實際上影響到血紅素合成的

41、各個階段, 常影響到鐵嵌入卟啉環(huán)的過程。 工業(yè)中有機鉛是一個重要的鉛來源, 如汽油中的抗爆劑Et4Pb, 在體內(nèi)會分解為無機Pb(), Pb()不僅影響卟啉的代謝過程, 而且還會在神經(jīng)組織中積累起來, 傷害腦和神經(jīng), 尤其影響兒童的智力發(fā)展。d. 鈹中毒 鈹已經(jīng)成為一個環(huán)境污染的嚴重問題, 鈹?shù)亩拘詸C制就是由于鈹能夠和Mg()競爭, 而且由于它具有更大的電荷/半徑比值, 它的結合能力強于Mg()。有好幾種酶的活性可被Be()抑制, 而且這種抑制一旦產(chǎn)生, 使用Mg()置換也難于失其再生, Be()也破壞DNA的合成, Be()特別容易在細胞核內(nèi)積累, 抑制核分裂能力。6667 硒是有益身體健康

42、的, 因為它能阻止過氧化氫的氧化作用, 但是過量的硒會引起器官畸變. 如在飲食中每克食物中的硒含量若大于5g, 會引起肝壞死和肌肉營養(yǎng)不良癥。家畜吃了富硒的飼料會患家畜暈倒癥(急性硒中毒). 但是, 如果每克食物中的硒含量為3g的日常劑量卻又可以促進羊的生長。 金槍魚體內(nèi)的汞含量很高, 但觀察不到金槍魚有任何中毒現(xiàn)象, 同時發(fā)現(xiàn)金槍魚體內(nèi)的硒含量也非常高, 而且當動物食用金槍魚肉時, 可以緩解汞中毒, 這說明硒的存在可以抑制汞的毒害作用.e. 硒中毒 6768f. 鋁中毒 鋁的毒性主要來自它的高Z/r值, 因此它與硬的氧配體(磷酸鹽)能形成比Ca2+, Mg2+離子更穩(wěn)定的配合物, 如果讓Al

43、3+穿透生物細胞, 它將是一個很強的毒素. 因為它干擾磷酸根離子正常的生理功能. 在生理pH條件下, 幾乎所有溶解的Al3+ 都是以Al(OH)4- 形式存在, 作為一個帶負電荷的物種, 不容易穿透生物膜, 也不象Al3+ 那樣結合磷酸根離子. 因此, Al3+ 通常不穿透人體的關鍵性器官如大腦的細胞。 如果消化系統(tǒng)和排泄系統(tǒng)的正常保護機制遭到破壞, 則會造成Al3+ 離子可能在體內(nèi)蓄積, 使骨骼敗壞(骨骼軟化癥)和大腦受損(導致癡呆癥)。 硅酸鹽在生理pH條件下, 生成可溶性的鋁硅酸鹽而促進Al的排泄。 鋁在人體中的吸收部位與鈣相同, 主要位于小腸的上部, 其吸收可能與Ca2+競爭可溶性蛋白

44、有關, 從而干擾Ca, P 的代謝, 鋁的毒性主要表現(xiàn)在對神經(jīng), 骨骼和細胞遺傳三個方面的毒害。6869(2) 解毒解毒 細菌發(fā)展了對有害離子(如Cd2+, Pb2+, Ag+, 汞及砷化物)的抵御能力, 包括用跨膜離子泵將這些離子運出細胞, 將它們氧化和還原成較大揮發(fā)性或較小毒性的物種, 或者利用簡單配體, 蛋白質(zhì)及細胞膜將這些離子結合或螯合除去:細菌清除重金屬的幾種機制細菌清除重金屬的幾種機制(a) 與外膜的結合作用，與外膜的結合作用， (b) 通過化學還原或甲基化通過化學還原或甲基化 作用形成易揮發(fā)物種，作用形成易揮發(fā)物種，(c) 被配體或蛋白質(zhì)結合，被配體或蛋白質(zhì)結合， (d) 用離子

45、通道運出細胞外用離子通道運出細胞外6970 酵母, 真菌, 高等植物以及動物體內(nèi)都含用來結合重金屬的金屬硫蛋白(MT), 它們是富含半胱氨酸的小分子蛋白, 它是參與銅, 鋅體內(nèi)平衡的重要蛋白質(zhì), 對于其它非必需金屬來說, MT的作用是解毒, MT對金屬吸收的順序是： Zn() Pb() Cd() 0.40 Cs+ 0.334可以看出18-冠-6 (0.260.32nm)的直徑內(nèi)腔與K+有最好的尺寸匹配，表現(xiàn)出最強的配位能力和最高的選擇性（是Na+的55倍，Cs+的42倍）9091為了提高冠醚對某一離子的識別能力和選擇性，人們對高度對稱性的冠醚進行修飾和引入功能性基團，側臂，手性等。一些低對稱性

46、的冠醚對某些特定離子的識別能力反而更高將18-冠-6中的兩個O被N代替后，提高了對Ag+的絡和能力，但對K+的識別能力降低了 (軟硬酸堿原理) 。例：9192剛性的冠醚分子中引入額外的亞甲基，改變分子對稱性, 是設計和合成高選擇性主體化合物的一條新途徑。例：冠醚 環(huán)腔尺寸 Li+/Na+選擇性12-冠-4 0.1614-冠-4 0.14nm 16.3Li+直徑：0.152nm9293例：兩種結構的冠醚, 相對于未引入剛性脂肪族環(huán)的15-冠-5, 對堿金屬離子的鍵合能力都有較大提高。在柔性的冠醚上引入剛性的脂肪族環(huán)可以使構型固定化, 提高對金屬離子的鍵合能力。三種不同結構的冠醚對若干一價金屬離子

47、的萃取率三種不同結構的冠醚對若干一價金屬離子的萃取率化合物化合物 萃取率萃取率 Na+ K+ Rb+ Cs+ Ag+ Tl+15-冠冠-5 4.52 4.40 4.29 3.74 5.00 5.08(a) 13.1 7.6 6.8 6.2 55.3 34.6(b) 41.0 14.5 12.7 6.2 65.0 45.09394b. 臂式冠醚臂式冠醚(lariat ethers) 在冠醚環(huán)上引入功能側臂，由于在臂中有供電子的原子，在配位過程中可以產(chǎn)生誘導的三維空間，因而增加了對金屬離子的配位能力和配位選擇性。 9495比如在低對稱性的冠狀化合物13-冠-4中引入具有給電子原子的側臂后，對Li+

48、的萃取率高達50，而母體只有0.8，順式的含環(huán)己基的冠醚為Li+/Na+ 的選擇性達到15.4 。9596臂式冠醚的冠醚環(huán)上具有雜原子硫時, 對Ag+, Hg2+ 等重金屬離子有強的鍵合能力 9697 (c)對Pr3+顯示了高的配位選擇性, 而(b)則對 Nd3+表現(xiàn)了高的選擇性, 尺寸匹配效應和供電子原子的取向可能是導致其特殊的選擇性的原因。臂式冠醚有碳支點和氮支點等不同類型，以氮為支點的臂式冠醚較之以碳為支點的臂式冠醚有一定的柔性, 在配位過程中可以調(diào)節(jié)誘導的三維空間, 對于稀土離子顯示了特殊的配位能力和配位選擇性。9798雙冠醚雙冠醚( bis-crown ethers) 在一個分子內(nèi)同

49、時有兩個冠醚冠醚單元的雙冠醚，可以通過形成夾心的配合物提高與金屬離子的配位能力 9899環(huán)尺寸小于Na+, K+直徑但可以形成2:1的開式夾心結構，對Na+的萃取率高于單冠醚。當n =2時比n =3時對Na+ 有更強的鍵合能力直鏈烷烴為橋鏈的比酮型雙冠醚對輕稀土離子有更大的鍵合強度99橋鏈100穴醚穴醚(dyptands) 大二環(huán)與金屬離子絡合的示意圖大二環(huán)與金屬離子絡合的示意圖按其結構可分成兩大類：大二環(huán)和大三環(huán)型筒狀三環(huán)大穴醚絡合金屬離子示意圖筒狀三環(huán)大穴醚絡合金屬離子示意圖100101當金屬離子的直徑與穴醚的空腔大小匹配時，兩者有較強的離子-偶極相互作用和離子鍵合能力，可形成高度穩(wěn)定的配

50、合物。幾種筒狀大三環(huán)穴醚幾種筒狀大三環(huán)穴醚101102球狀大三環(huán)穴醚空腔直徑為0.320.34 nm直徑 0.40nm三種穴醚對堿金屬，堿土金屬離子的配位穩(wěn)定常數(shù)三種穴醚對堿金屬，堿土金屬離子的配位穩(wěn)定常數(shù)(lgKs)(a)(b)(c)穴醚穴醚 Na+ K+ Rb+ Cs+ Ca2+ Sr2+ Ba2+(a) 1.6 3.4 4.2 3.4 4.1 6.7 8.2 (b) 1.8 2.5 3.3 2.8 2.4 2.8 5.3(c) - 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 3.7102103(2)環(huán)糊精分子識別（環(huán)糊精分子識別（cycoldextrins CD） a. 環(huán)糊精簡介環(huán)糊精簡介

51、 環(huán)糊精是一定數(shù)量的D-(+)-吡喃葡萄糖單元通過-1,4-苷鍵首尾相連成環(huán)的大環(huán)化合物, 常見的有、三種不同的類型, 分別含有6, 7, 8個葡萄糖單元。103104含含6、7、8個葡萄糖結構單位的環(huán)糊精分別稱個葡萄糖結構單位的環(huán)糊精分別稱為為、環(huán)糊精。環(huán)糊精。 類類 別別 孔徑孔徑 與與I2顯示的顏色顯示的顏色環(huán)糊精環(huán)糊精 +150.5 0.6nm 青色青色環(huán)糊精環(huán)糊精 +160.0 0.8nm 黃色黃色環(huán)糊精環(huán)糊精 +177.4 1.0nm 紫褐色紫褐色t105 環(huán)糊精由葡萄糖結構單位相互以環(huán)糊精由葡萄糖結構單位相互以1，4苷鍵相連苷鍵相連接組成。其構型象一個上大下小而無底的桶。頂部有接

52、組成。其構型象一個上大下小而無底的桶。頂部有來自來自C2、C3的的12個羥基（相互間以氫鍵相連是剛性結個羥基（相互間以氫鍵相連是剛性結構）；底部有來自構）；底部有來自C5的的6個羥甲基；分子空腔的內(nèi)壁個羥甲基；分子空腔的內(nèi)壁則由則由CH、CC、CO鍵形成，具有疏水性。鍵形成，具有疏水性。 環(huán)糊精具有極性的外側和非極性的內(nèi)側。它可以環(huán)糊精具有極性的外側和非極性的內(nèi)側。它可以與非極性的分子形成包合物（與非極性的分子形成包合物（Inclusion complex）而溶于極性溶劑。而溶于極性溶劑。106環(huán)糊精及其衍生物具有不同尺寸的疏水性內(nèi)腔和親水性表面，具有手性微環(huán)境，可選擇性地鍵合各種有機，無機以

53、及生物分子形成主客體或超分子化合物, 環(huán)糊精與客體分子形成配合物時, 存在著疏水相互作用, 范德華相互作用, 氫鍵, 靜電相互作用等106107環(huán)糊精在與客體分子包結形成配合物的過程是,其空腔內(nèi)溶劑分子的釋放，主客體之間弱鍵的形成，客體分子的脫溶劑化以及其溶劑分子重組的協(xié)同過程。 107108b. 天然環(huán)糊精的分子識別天然環(huán)糊精的分子識別 由于CD空腔邊緣-OH間的氫鍵網(wǎng)絡作用而具有一定的剛性，因此，客體分子與空腔間的尺寸匹配在決定主客體間所形成的配合物穩(wěn)定性中起重要作用。環(huán)糊精三種不同的類型的空腔尺寸分別為0.174，0.262，0.427 nm3。通過選用金剛烷甲酸作為模型底物分子, 考查

54、-, -, - 三種環(huán)糊精主體分子的包結配位能力, 發(fā)現(xiàn)-環(huán)糊精與之可以形成最穩(wěn)定的超分子配合物, 這可能是金剛烷骨架結構的直徑大約為0.7nm, 與-環(huán)糊精的空腔尺寸最匹配。最適合包結單環(huán)芳烴（苯，苯酚）等; 與萘環(huán)匹配, 適于和筒狀和球狀分子結合, 與金剛烷, 二茂鐵以及環(huán)狀二烯的過渡金屬配合物均能形成高度穩(wěn)定的配合物; 與蒽菲等三環(huán)芳烴結合最穩(wěn)定, 其空腔可容納芘和甾體化合物等大尺寸的客體分子, 可以與12-冠-4包結形成完美的晶體結構, 與C60, C70等富勒烯分子形成化學計量為2:1的包結物。 108109例：-CD與溴化十六烷基三甲基季胺鹽(CTABr)在水, 乙醇-水, 和N-

55、甲基乙酰胺(NMA)-水溶液中的包結配位作用不同溶劑對環(huán)糊精的包結配位作用的影響隨著體系中有機溶劑含量的增加, 超分子體系的穩(wěn)定性下降溶劑 KS/dm3mol-1 溶劑 KS/dm3mol-1 H2O 22401M EtOH 2000 0.5M NMA 11902M EtOH 1670 1M NMA 11403M EtOH 690 2M NMA 6204M EtOH 450 3M NMA 270-CD與與 CTABr 在不同溶劑中的配位作用在不同溶劑中的配位作用不同的溶劑對CD的包結配位能力有影響109110例：對4-羥基-偶氮基-4-甲酸與-環(huán)糊精在水溶液中和二甲基甲酰胺(DMF)中分別采用

56、軸向和赤道向兩種不同的配位模式。不同的溶劑甚至可以改變包結配位模式110111溶劑的酸度和離子強度也會對主客體配合物的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響, 如對硝基苯酚與環(huán)糊精的配位作用, 在pH = 9時最大, 因為對硝基苯酚在酸性和堿性條件下達成不同的平衡, 環(huán)糊精對堿性條件下的共軛形式包結能力更強。當使用強堿性的溶劑時, 環(huán)糊精羥基發(fā)生脫質(zhì)子作用或空腔疏水性遭到破壞, 喪失了對客體分子的包結配位能力。 酸性條件酸性條件 堿性條件 111112c. 化學修飾環(huán)糊精的分子識別化學修飾環(huán)糊精的分子識別 (a) 擁有電荷中心的化學修飾的環(huán)糊精擁有電荷中心的化學修飾的環(huán)糊精 擁有電荷中心的化學修飾的環(huán)糊精由于取代基團

57、可以與合適客體分子產(chǎn)生庫侖相互作用，使主客體間在范德華力和疏水相互作用的基礎上增加新的識別點，而在特定情況下使這種靜電力上升到形成配合物的主要驅(qū)動力，從而產(chǎn)生特殊的分子識別效果。1molL-1 NaOH下：-CD對芳香基氨基酸無包結能力，Cu2-CD 對色氨酸的包結能力比-CD提高了10倍,Cu2+電荷中心的引入可以對氨基酸陰離子產(chǎn)生靜電相互作用增加配合物的穩(wěn)定性。-環(huán)糊精雙銅配合物（Cu2-CD） 112113例：帶負電荷的磷?；?CD與帶正電荷的芳香客體分子通過磷酸-陽離子橋形成穩(wěn)定的超分子配合物, 如果CD上的磷酸基團被磷酸酶催化水解離去, 則主體對客體分子的鍵合能力下降, 在某種條件下

58、將從客體分子釋放出來。113114(b) 擁有生色基團的化學修飾的環(huán)糊精 對熒光物質(zhì)從極性環(huán)境進入到非極性環(huán)境中時，它們的量子產(chǎn)率一般會增加，熒光強度增加，環(huán)糊精的空腔為疏水性，當熒光客體進入環(huán)糊精空腔后，熒光強度會增加，因此，環(huán)糊精空腔可作為熒光增感劑。ab熒光大大增強，熒光發(fā)射峰藍移，表明其從水溶液中進入-CD疏水空腔cd熒光強度更高，藍移程度更大，表明取代基與-CD空腔的作用。a. N-甲基苯胺甲基苯胺b. N-甲基苯胺甲基苯胺-CDc.單單(6-苯胺苯胺-6-脫氧脫氧)-CDd.單單6-(間間-甲基苯胺甲基苯胺)-6-脫氧脫氧-CD 熒光客體與熒光客體與CD空腔作用時熒光光譜的變化空腔

59、作用時熒光光譜的變化114115熒光基團修飾的環(huán)糊精作為光譜探針115116帶有生物素(Biotin)的丹酰修飾-CD, 在與客體包結后, 熒光性質(zhì)發(fā)生了抗生物素蛋白(Avidin)效應, 116受Guost影響熒光強度下降非極性環(huán)境中極性環(huán)境中整體比上述熒光強度增，但受Guost影響不大1-二甲基氨基-5-萘磺酰基117在抗生物素蛋白的存在下, 修飾環(huán)糊精的熒光強度比沒有抗生素蛋白存在時的熒光強度高三倍。 熒光壽命研究表明, 在抗生素蛋白存在時, 丹?；鶊F并沒有暴露在大量水中, 而是在抗生素蛋白的疏水區(qū)域。沒有抗生素蛋白存在時, 加入脫氧膽酸客體后, 修飾環(huán)糊精的熒光強度下降, 表明丹酰基團

60、從環(huán)糊精疏水空腔中而進入水中，而有抗生素蛋白存在時, 加入脫氧膽酸客體后, 修飾環(huán)糊精的熒光強度沒有明顯下降, 表明抗生素蛋白擾亂環(huán)糊精衍生物的包結現(xiàn)象。1-二甲基氨基-5-萘磺酰氯(丹酰氯, Dansyl chloride), RCH COOHH2N+N(CH3)2SO2ClN(CH3)2SO2NHCHRCOOH+ HCl118(d) 橋聯(lián)環(huán)糊精的識別 將環(huán)糊精通過各種功能基團或特定的橋鏈基團連接后，相鄰CD空腔可能協(xié)同參與對形狀與尺寸適合的客體分子的包結配位作用，擴展分子鍵合能力形成高穩(wěn)定性的超分子配合物。 乙二胺雙橋聯(lián)乙二胺雙橋聯(lián)環(huán)糊精環(huán)糊精甲基橙分子甲基橙分子例：乙二胺雙橋聯(lián)-CD與甲