生物無機(jī)化學(xué)4

1、第四章第四章 氧載體氧載體 第一節(jié)第一節(jié) 天然氧載體天然氧載體生物體內(nèi)的天然氧載體具有可逆載氧能力，能生物體內(nèi)的天然氧載體具有可逆載氧能力，能把從外界吸收入的氧運(yùn)送到身體的各種組織，把從外界吸收入的氧運(yùn)送到身體的各種組織，供細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行維持生命所必需的各種氧化作用供細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行維持生命所必需的各種氧化作用。按照蛋白質(zhì)載氧的活性部位的不同，可把天。按照蛋白質(zhì)載氧的活性部位的不同，可把天然氧載體分為三類：然氧載體分為三類：含血紅素輔基的蛋白（含血紅素輔基的蛋白（heme）血紅蛋白血紅蛋白(hemoglobin) 肌紅蛋白肌紅蛋白(myoglobin) 不 含 血 紅 素 的 鐵 蛋 白不 含 血 紅

2、素 的 鐵 蛋 白 蚯 蚓 血 紅 蛋 白蚯 蚓 血 紅 蛋 白(hemerythrin)含銅的蛋白含銅的蛋白 血藍(lán)蛋白血藍(lán)蛋白 (hemocyanin)表表41天然氧載體的若干性質(zhì)天然氧載體的若干性質(zhì)天然氧載天然氧載體體血紅蛋白血紅蛋白 肌紅蛋肌紅蛋 白白 蚯蚓血紅蚯蚓血紅蛋白蛋白血藍(lán)蛋白血藍(lán)蛋白金屬金屬FeFeFeCu金屬：金屬：O2Fe: O2Fe: O22 Fe: O22 Cu: O2脫氧金屬脫氧金屬氧化態(tài)氧化態(tài)Fe()Fe()Fe()Cu()載氧金屬載氧金屬氧化態(tài)氧化態(tài)Fe()Fe()Fe()Cu ()金屬鍵合金屬鍵合部位部位卟啉卟啉卟啉卟啉蛋白質(zhì)側(cè)蛋白質(zhì)側(cè)鏈鏈蛋白質(zhì)側(cè)蛋白質(zhì)側(cè)鏈鏈亞

3、基數(shù)亞基數(shù)418可變可變相對(duì)分子相對(duì)分子量量6500017500108000（4-90）*105載氧顏色載氧顏色紅紅紅紅紫紅紫紅藍(lán)藍(lán)脫氧顏色脫氧顏色紫紅紫紅紫紅紫紅無色無色無色無色主要功能主要功能輸送氧輸送氧貯存氧貯存氧輸送氧輸送氧輸送氧輸送氧天然氧載天然氧載體體血紅蛋白血紅蛋白 肌紅蛋白肌紅蛋白 蚯蚓血紅蚯蚓血紅蛋白蛋白血藍(lán)蛋白血藍(lán)蛋白一 、 卟啉卟啉血紅蛋白和肌紅蛋白的載氧活性部位是血紅素血紅蛋白和肌紅蛋白的載氧活性部位是血紅素輔基輔基鐵卟啉。即血紅蛋白載氧靠鐵卟啉。鐵卟啉。即血紅蛋白載氧靠鐵卟啉。卟啉的骨架是卟吩。卟吩由四個(gè)吡咯環(huán)以次甲卟啉的骨架是卟吩。卟吩由四個(gè)吡咯環(huán)以次甲基相連而成，

4、是具有多個(gè)雙鍵的共軛大基相連而成，是具有多個(gè)雙鍵的共軛大鍵體鍵體系。系。卟吩的衍生物統(tǒng)稱為卟啉，它的金屬配合卟吩的衍生物統(tǒng)稱為卟啉，它的金屬配合物稱為金屬卟啉。物稱為金屬卟啉。卟啉化合物的命名原則是卟啉化合物的命名原則是1926年由年由H.Fisher提出提出的，他把卟吩的四個(gè)吡咯環(huán)編為的，他把卟吩的四個(gè)吡咯環(huán)編為、，環(huán)的八個(gè)頂點(diǎn)一次為，環(huán)的八個(gè)頂點(diǎn)一次為1，28；四個(gè)次甲基；四個(gè)次甲基分別為分別為、和和。HH408 pm卟啉是卟吩的衍生物，在命名卟啉時(shí)需標(biāo)卟啉是卟吩的衍生物，在命名卟啉時(shí)需標(biāo)出取代基的位置。卟啉是重要的生物配體，出取代基的位置。卟啉是重要的生物配體，它與它與Fe() 形成鐵形

5、成鐵()卟啉，血紅素是鐵卟卟啉，血紅素是鐵卟啉一類配合物的總稱。血紅素與相應(yīng)的蛋白啉一類配合物的總稱。血紅素與相應(yīng)的蛋白結(jié)合為血紅素蛋白（血紅蛋白）。結(jié)合為血紅素蛋白（血紅蛋白）。卟啉的四個(gè)氮原子均能與金屬離子配位形成金卟啉的四個(gè)氮原子均能與金屬離子配位形成金屬卟啉。金屬離子的半徑如合適，可與卟啉形屬卟啉。金屬離子的半徑如合適，可與卟啉形成平面型配合物，否則為變形配合物。成平面型配合物，否則為變形配合物。在金屬卟啉里，如果軸向配體不同，它的性質(zhì)在金屬卟啉里，如果軸向配體不同，它的性質(zhì)可能不同。血紅蛋白中，可能不同。血紅蛋白中，F(xiàn)e() 與四個(gè)氮原子與四個(gè)氮原子配位（平面配位），在軸向第五位是蛋

6、白質(zhì)的配位（平面配位），在軸向第五位是蛋白質(zhì)的氨基酸殘基（組氨酸殘基氨基酸殘基（組氨酸殘基咪唑氮），第六配咪唑氮），第六配位位置便能可逆吸氧和放氧。位位置便能可逆吸氧和放氧。細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c的軸的軸向配體是組氨酸殘基咪唑氮和蛋氨酸的硫，起向配體是組氨酸殘基咪唑氮和蛋氨酸的硫，起傳遞電子的作用。傳遞電子的作用。 金屬卟啉軸向配體不同，性質(zhì)不同，功能不同，金屬卟啉軸向配體不同，性質(zhì)不同，功能不同，中心離子不同，功能也不同。中心離子不同，功能也不同。二、二、 血紅蛋白和肌紅蛋白血紅蛋白和肌紅蛋白血紅蛋白的功能是輸送氧，肌紅蛋白的功能是血紅蛋白的功能是輸送氧，肌紅蛋白的功能是儲(chǔ)存氧。儲(chǔ)存氧。1.

7、1.血紅蛋白和肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)血紅蛋白和肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)血液中含有紅細(xì)胞，紅細(xì)胞中含有血紅蛋白，血液中含有紅細(xì)胞，紅細(xì)胞中含有血紅蛋白，它是載氧的生物化學(xué)單元。結(jié)構(gòu)測(cè)試表明，哺它是載氧的生物化學(xué)單元。結(jié)構(gòu)測(cè)試表明，哺乳動(dòng)物的血紅蛋白是由四個(gè)亞單位組成的四聚乳動(dòng)物的血紅蛋白是由四個(gè)亞單位組成的四聚體，相對(duì)分子量是體，相對(duì)分子量是65000。 正常人的紅細(xì)胞里含有兩種血紅蛋白分子。一種正常人的紅細(xì)胞里含有兩種血紅蛋白分子。一種為兩個(gè)為兩個(gè)亞單位和兩個(gè)亞單位和兩個(gè)亞單位（亞單位（22），），占血紅占血紅蛋白總量的蛋白總量的95%，另一種為，另一種為22，占血紅蛋白總占血紅蛋白總量的量的5%。亞單位有亞單

8、位有141個(gè)氨基酸殘基，個(gè)氨基酸殘基，和和含含146個(gè)氨基酸殘基。個(gè)氨基酸殘基。，亞單位的氨基酸的順亞單位的氨基酸的順序見表序見表4 43 3。這些亞單位有。這些亞單位有75%75%左右的部位形成左右的部位形成螺旋結(jié)構(gòu)，主要分成八個(gè)螺旋區(qū)，用螺旋結(jié)構(gòu)，主要分成八個(gè)螺旋區(qū)，用A B C A B C D E F GD E F G和和H H標(biāo)記。兩個(gè)螺旋區(qū)之間存在長(zhǎng)短不一標(biāo)記。兩個(gè)螺旋區(qū)之間存在長(zhǎng)短不一的非螺旋區(qū)，以的非螺旋區(qū)，以AB,BC,CD,DE,EF,FG,AB,BC,CD,DE,EF,FG,和和GHGH標(biāo)記。標(biāo)記。每個(gè)亞基單位都鍵合著一個(gè)亞鐵卟啉輔基（血紅每個(gè)亞基單位都鍵合著一個(gè)亞鐵卟啉輔

9、基（血紅素輔基）。素輔基）。 亞單位是通過氨基酸鏈的第亞單位是通過氨基酸鏈的第87位組氨酸殘基的位組氨酸殘基的側(cè)鏈的咪唑氮原子與側(cè)鏈的咪唑氮原子與Fe()配位鍵合，而配位鍵合，而鏈則鏈則通過第通過第92位組氨酸殘基側(cè)鏈的咪唑氮原子相連于位組氨酸殘基側(cè)鏈的咪唑氮原子相連于Fe()。整個(gè)整個(gè)Fe()卟啉輔基被包圍在卟啉輔基被包圍在或或亞單亞單位形成的口袋狀空腔中。位形成的口袋狀空腔中。肌紅蛋白是由一條有肌紅蛋白是由一條有153153個(gè)氨基酸殘基形成的多個(gè)氨基酸殘基形成的多肽鏈構(gòu)成，相對(duì)分子量肽鏈構(gòu)成，相對(duì)分子量1750017500。多肽鏈第。多肽鏈第9393位組位組氨酸殘基的側(cè)鏈的咪唑氮原子與氨酸

10、殘基的側(cè)鏈的咪唑氮原子與Fe(Fe() )卟啉輔基卟啉輔基的的Fe(Fe() )配位。第配位。第6 6個(gè)配位位置一般由水分子占個(gè)配位位置一般由水分子占據(jù)，氧合時(shí)則由氧分子取代水分子。據(jù)，氧合時(shí)則由氧分子取代水分子。 血紅素被肽鏈包圍，形成疏水環(huán)境，使血紅素被肽鏈包圍，形成疏水環(huán)境，使Fe()（在血紅蛋白和肌紅蛋白中）保持在血紅蛋白和肌紅蛋白中）保持Fe()氧化態(tài)氧化態(tài)存在，這對(duì)可逆載氧或貯存氧具有重要意義。如存在，這對(duì)可逆載氧或貯存氧具有重要意義。如血紅素中血紅素中Fe()被氧化為被氧化為Fe()（在血紅蛋白中在血紅蛋白中稱為高鐵血紅蛋白），則失去載氧或貯存氧功能。稱為高鐵血紅蛋白），則失去載

11、氧或貯存氧功能。但在細(xì)胞里，存在大量還原物質(zhì)，如但在細(xì)胞里，存在大量還原物質(zhì)，如NADpH2（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）、抗壞血酸等，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）、抗壞血酸等，可將可將Fe()還原為還原為Fe()。2 血紅蛋白的主要功能血紅蛋白的主要功能主要功能為運(yùn)送主要功能為運(yùn)送O2和和CO2 Hb + O2 HbO2 K= HbO2/ Hb O2 血紅蛋白中，多肽單鏈（珠蛋白）的自由氨基能血紅蛋白中，多肽單鏈（珠蛋白）的自由氨基能與與CO2結(jié)合成氨基甲酰血紅蛋白，將組織中結(jié)合成氨基甲酰血紅蛋白，將組織中CO2的運(yùn)送到肺部呼出。的運(yùn)送到肺部呼出。 HbNH2 + CO2 HbNHCOOH (氨

12、基甲酰血紅蛋白氨基甲酰血紅蛋白)血液循環(huán)依靠血紅蛋白這一特性，把氧從肺部運(yùn)血液循環(huán)依靠血紅蛋白這一特性，把氧從肺部運(yùn)送到組織，再把送到組織，再把CO2運(yùn)送到肺部排出。運(yùn)送到肺部排出。v脫氧血紅蛋白的脫氧血紅蛋白的Fe()Fe()離子配位數(shù)為離子配位數(shù)為5 5，四個(gè)，四個(gè)吡咯氮原子（卟啉環(huán)）和一個(gè)組氨酸側(cè)鏈的吡咯氮原子（卟啉環(huán)）和一個(gè)組氨酸側(cè)鏈的咪唑氮原子，形成高自旋咪唑氮原子，形成高自旋t t4 42g2ge e2 2g g配合物。當(dāng)配合物。當(dāng)結(jié)合氧時(shí)，氧占居第結(jié)合氧時(shí)，氧占居第6 6配位位置，此時(shí)配位位置，此時(shí)Fe()Fe()為低自旋為低自旋t t6 62g2ge e0 0g gv亞基組氨酸

13、（亞基組氨酸（-87-87，-92-92位）側(cè)鏈的咪唑位）側(cè)鏈的咪唑氮與血紅素氮與血紅素Fe()Fe()配位，使二者結(jié)合牢固。配位，使二者結(jié)合牢固。v研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)亞基與亞基與O O2 2結(jié)合后，增加了結(jié)合后，增加了-亞基與亞基與O O2 2結(jié)合力，當(dāng)一對(duì)結(jié)合力，當(dāng)一對(duì)亞基單位與亞基單位與O2O2結(jié)合后，又提高另一對(duì)結(jié)合后，又提高另一對(duì)和和亞基單位與亞基單位與O2O2結(jié)合力，這種現(xiàn)象稱為協(xié)同效應(yīng)。有人認(rèn)為結(jié)合力，這種現(xiàn)象稱為協(xié)同效應(yīng)。有人認(rèn)為是結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。是結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。 3 血紅素的鐵與氧鍵合的幾種理論血紅素的鐵與氧鍵合的幾種理論模型模型 v血紅蛋白的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)還不能準(zhǔn)確測(cè)定出

14、血紅蛋白的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)還不能準(zhǔn)確測(cè)定出血紅蛋白中的血紅蛋白中的Fe()與氧如何結(jié)合。很多科與氧如何結(jié)合。很多科學(xué)家提出了多個(gè)理論模型，其中有學(xué)家提出了多個(gè)理論模型，其中有L.pauling,J.J.Weiss和和J.S.Griffith提出的三種理論模型提出的三種理論模型最重要。最重要。v pauling模型：模型：O2提供端基電子對(duì)與提供端基電子對(duì)與Fe2+配位配位 Fe()（O2）或）或 vFe()電子為電子為3d6，偶數(shù)，反磁性，偶數(shù)，反磁性，O2也為偶也為偶數(shù)電子，呈反磁性，數(shù)電子，呈反磁性，O2提供端基電子與提供端基電子與Fe()成配位鍵后，成配位鍵后，F(xiàn)e()的的d電子對(duì)反饋給氧的

15、空電子對(duì)反饋給氧的空的的*軌道，使軌道，使Fe O鍵具有雙鍵性質(zhì)，故稱鍵具有雙鍵性質(zhì)，故稱為超氧化物構(gòu)型。為超氧化物構(gòu)型。FeOOv Weiss模型：模型：O2在配位時(shí)接受在配位時(shí)接受Fe()一一個(gè)電子，雙氧以個(gè)電子，雙氧以O(shè)2與與Fe()配位，形成配位，形成Fe()的超氧化物的超氧化物 Fe() （O2） 或或 雙氧和鐵都有一個(gè)成單電子，形成配合物不雙氧和鐵都有一個(gè)成單電子，形成配合物不具磁性。具磁性。 FeOOv Griffith模型：模型：O2采取側(cè)基配位，即采取側(cè)基配位，即 反磁性。反磁性。 由電子光譜數(shù)據(jù)顯示，由電子光譜數(shù)據(jù)顯示，HbO和和HbCO相似，相似，HbCO的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，

16、為低自旋的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，為低自旋Fe()和和線型結(jié)構(gòu)線型結(jié)構(gòu)FeC-O。因此。因此pauling端基配位端基配位模型獲得支持。模型獲得支持。Fe( )OO4 影響血紅蛋白和肌紅蛋白與影響血紅蛋白和肌紅蛋白與O2鍵鍵合的因素合的因素v O2分壓的影響分壓的影響v血紅蛋白和肌紅蛋白與氧結(jié)合的程度，常用血紅蛋白和肌紅蛋白與氧結(jié)合的程度，常用氧飽和度氧飽和度表示表示v=氧合血紅蛋白氧合血紅蛋白HbO2/血紅蛋白血紅蛋白HbO2+Hb pO2升高，升高，增加增加v 人體肺部氧分壓人體肺部氧分壓pO2約為約為13Kpa，較高，有，較高，有利于血紅蛋白與氧結(jié)合。當(dāng)靜脈血（利于血紅蛋白與氧結(jié)合。當(dāng)靜脈血（pO

17、26.5Kpa)流經(jīng)肺部時(shí)，血紅蛋白大量氧合，氧流經(jīng)肺部時(shí)，血紅蛋白大量氧合，氧的飽和度顯著增加。當(dāng)血液離開肺部，流經(jīng)的飽和度顯著增加。當(dāng)血液離開肺部，流經(jīng)氧分壓較低的肌肉（氧分壓較低的肌肉（pO24.7 Kpa）組織時(shí)，）組織時(shí)，血紅蛋白便釋出氧（供給肌紅蛋白）。當(dāng)靜血紅蛋白便釋出氧（供給肌紅蛋白）。當(dāng)靜脈的氧分壓低到脈的氧分壓低到550650pa時(shí)，肌紅蛋白供時(shí)，肌紅蛋白供氧。氧。vpHpH值的影響值的影響vpHpH或或COCO2 2分壓可改變血紅蛋白氧合能力的現(xiàn)象分壓可改變血紅蛋白氧合能力的現(xiàn)象稱為稱為BohrBohr效應(yīng)。效應(yīng)。vpHpH氧合能力氧合能力: :隨隨pHpH升高，升高，升

18、高。脊椎動(dòng)物升高。脊椎動(dòng)物COCO2 2增加增加pHpH下降，血紅蛋白氧合能力下降。下降，血紅蛋白氧合能力下降。v在人體內(nèi)，人血液正常生理在人體內(nèi)，人血液正常生理pHpH為為7.357.357.457.45，但它會(huì)受到但它會(huì)受到COCO2 2與與H H2 2O O反應(yīng)的影響，在肌肉組反應(yīng)的影響，在肌肉組織里由于織里由于COCO2 2分壓較高，分壓較高，COCO2 2就擴(kuò)散到血漿和就擴(kuò)散到血漿和紅細(xì)胞里，使紅細(xì)胞里，使pHpH變小，血紅蛋白釋出變小，血紅蛋白釋出O O2 2，同，同時(shí)結(jié)合時(shí)結(jié)合H H+ +，以維持正常生理，以維持正常生理pHpH值。相反，值。相反，COCO2 2從肺部排出，從肺部

19、排出，COCO2 2分壓降低，分壓降低，HCOHCO3 3- -結(jié)合結(jié)合H H+ +，pHpH增大增大HHbHHb+ +釋出釋出H H+ +，結(jié)合氧。，結(jié)合氧。 肺pH=7.6 HHb+ + O2 HbO2 + H+ 肌肉pH=7.2 肌肉pH=7.2 CO2 + H2O HCO3 - + H+肌紅蛋白無以上效應(yīng)（Bohr效應(yīng)）v某些小分子配體的作用某些小分子配體的作用v 血紅蛋白（血紅素血紅蛋白（血紅素-Fe()-Fe()卟啉）除與卟啉）除與O O2 2結(jié)結(jié)合外，還能與合外，還能與COCO，NONO等結(jié)合。其結(jié)合能力等結(jié)合。其結(jié)合能力NONOCOCOO O2 2，這些小分子同樣可與血紅素中的

20、，這些小分子同樣可與血紅素中的Fe()Fe()配位。配位。COCO與與 Fe()Fe()配位能力為配位能力為O O2 2的的200200倍，倍，NONO更高。如人吸收更高。如人吸收COCO，COCO便與血紅蛋便與血紅蛋白結(jié)合，失去輸氧功能。吸收白結(jié)合，失去輸氧功能。吸收NONO也有同樣結(jié)也有同樣結(jié)果，即使空氣中果，即使空氣中COCO和和NONO甚微，由于積累，也甚微，由于積累，也會(huì)使人出現(xiàn)貧血癥狀。會(huì)使人出現(xiàn)貧血癥狀。v肌紅蛋白的血紅素輔基的肌紅蛋白的血紅素輔基的Fe()Fe()也能與也能與COCO和和NONO配位。配位。三三 、 蚯蚓血紅蛋白蚯蚓血紅蛋白 v存在于無脊椎動(dòng)物中。蚯蚓血紅蛋白是

21、一種存在于無脊椎動(dòng)物中。蚯蚓血紅蛋白是一種非血紅素鐵蛋白。含鐵，但不含鐵卟啉（血非血紅素鐵蛋白。含鐵，但不含鐵卟啉（血紅素輔基）。含紅素輔基）。含8個(gè)亞基（血紅蛋白個(gè)亞基（血紅蛋白4個(gè)，肌個(gè)，肌紅蛋白紅蛋白1個(gè)），每個(gè)亞基含個(gè)），每個(gè)亞基含113個(gè)氨基酸殘基個(gè)氨基酸殘基和兩個(gè)鐵離子，相對(duì)分子量是和兩個(gè)鐵離子，相對(duì)分子量是108000。 v 主要生理功能是在低等動(dòng)物體內(nèi)輸送氧。每主要生理功能是在低等動(dòng)物體內(nèi)輸送氧。每?jī)蓚€(gè)鐵離子結(jié)合一個(gè)氧分子，氧合過程中，兩個(gè)鐵離子結(jié)合一個(gè)氧分子，氧合過程中，兩個(gè)兩個(gè)Fe()Fe()被氧化為二個(gè)被氧化為二個(gè)Fe()Fe()，O O2 2還原為還原為O O2 22-

22、2-，載氧方式與血紅蛋白及肌紅蛋白均不同。，載氧方式與血紅蛋白及肌紅蛋白均不同。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：脫氧蚯蚓血紅蛋白的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：脫氧蚯蚓血紅蛋白的Fe()Fe()和氧合蚯蚓血紅蛋白和氧合蚯蚓血紅蛋白Fe()Fe()均屬于高自旋態(tài)均屬于高自旋態(tài)(t(t4 42g2ge e2 2g g，和，和t t2g2ge e2 2g g) )。脫氧蚯蚓血紅蛋白在。脫氧蚯蚓血紅蛋白在室溫下磁化率表明有室溫下磁化率表明有4 4個(gè)未成對(duì)電子，也說明個(gè)未成對(duì)電子，也說明Fe()Fe()是高自旋的。是高自旋的。 v脫氧蚯蚓血紅蛋白亞單位的兩個(gè)脫氧蚯蚓血紅蛋白亞單位的兩個(gè)Fe()距離距離為為0.3250.5 nm,被多肽鏈

23、的被多肽鏈的7個(gè)氨基酸殘基個(gè)氨基酸殘基配位。配位。3個(gè)組氨酸殘基（個(gè)組氨酸殘基（His-73、77、101）與其中一個(gè)鐵離子配位，另外與其中一個(gè)鐵離子配位，另外2個(gè)組氨酸殘基個(gè)組氨酸殘基（His-25、54）與另外一個(gè)鐵離子配位。一）與另外一個(gè)鐵離子配位。一個(gè)谷氨酸殘基（個(gè)谷氨酸殘基（Glu-58）和一個(gè)天冬氨酸）和一個(gè)天冬氨酸（Asp-106）作為橋連配體以羧酸的兩個(gè)氧）作為橋連配體以羧酸的兩個(gè)氧原子分別與兩個(gè)鐵離子配位。此外，連結(jié)兩原子分別與兩個(gè)鐵離子配位。此外，連結(jié)兩個(gè)鐵離子的還有一個(gè)橋聯(lián)氧原子。個(gè)鐵離子的還有一個(gè)橋聯(lián)氧原子。 v脫氧蚯蚓血紅蛋白中的橋聯(lián)氧原子是質(zhì)子化脫氧蚯蚓血紅蛋白中的

24、橋聯(lián)氧原子是質(zhì)子化的（稱為的（稱為-羥橋），氧合蚯蚓血紅蛋白中的羥橋），氧合蚯蚓血紅蛋白中的橋聯(lián)氧原子是未質(zhì)子化的（稱為橋聯(lián)氧原子是未質(zhì)子化的（稱為-氧橋）。氧橋）。脫氧蚯蚓血紅蛋白中，一個(gè)鐵離子處于近似脫氧蚯蚓血紅蛋白中，一個(gè)鐵離子處于近似八面體配位場(chǎng)中，配體有八面體配位場(chǎng)中，配體有3 3個(gè)組氨酸（個(gè)組氨酸（7373、7777、101101），），3 3個(gè)橋聯(lián)配體：一個(gè)谷氨酸殘基個(gè)橋聯(lián)配體：一個(gè)谷氨酸殘基（Glu-58Glu-58）、一個(gè)天冬氨酸（）、一個(gè)天冬氨酸（Asp-106Asp-106）和橋）和橋聯(lián)氧原子（聯(lián)氧原子（-羥橋）；羥橋）；v另外一個(gè)鐵離子處于近似三角雙錐配位另外一個(gè)鐵離子

25、處于近似三角雙錐配位場(chǎng)中，配體有場(chǎng)中，配體有2 2個(gè)組氨酸（個(gè)組氨酸（2525、5454、），、），3 3個(gè)橋聯(lián)配體：一個(gè)谷氨酸殘基（個(gè)橋聯(lián)配體：一個(gè)谷氨酸殘基（Glu-Glu-5858）、一個(gè)天冬氨酸（）、一個(gè)天冬氨酸（Asp-106Asp-106）和橋）和橋聯(lián)氧原子（聯(lián)氧原子（-羥橋）。羥橋）。v氧合時(shí)，分子氧是以過氧陰離子形式通過端氧合時(shí)，分子氧是以過氧陰離子形式通過端基方式鍵合到五配位的鐵離子上的，這種成基方式鍵合到五配位的鐵離子上的，這種成鍵模式使兩個(gè)鐵離子都為鍵模式使兩個(gè)鐵離子都為6配位，結(jié)構(gòu)大致都配位，結(jié)構(gòu)大致都為八面體。為八面體。 四四 、 血藍(lán)蛋白血藍(lán)蛋白 v存在于軟體動(dòng)物（

26、章魚存在于軟體動(dòng)物（章魚 ，烏賊，蝸牛）和節(jié)，烏賊，蝸牛）和節(jié)足動(dòng)物（螃蟹，蝦，蜘蛛等）的血液中。血足動(dòng)物（螃蟹，蝦，蜘蛛等）的血液中。血藍(lán)蛋白是以一價(jià)銅（藍(lán)蛋白是以一價(jià)銅（Cu+）為輔基的蛋白。）為輔基的蛋白。亞基數(shù)可變，每個(gè)亞基均含兩個(gè)亞基數(shù)可變，每個(gè)亞基均含兩個(gè)Cu+，相對(duì)，相對(duì)分子量是分子量是5000074000。血藍(lán)蛋白的生理功。血藍(lán)蛋白的生理功能是輸氧。氧合血藍(lán)蛋白的銅是能是輸氧。氧合血藍(lán)蛋白的銅是Cu()，呈，呈藍(lán)色，脫氧血藍(lán)蛋白的銅是藍(lán)色，脫氧血藍(lán)蛋白的銅是Cu（），無色。），無色。v氧合和釋氧可表示為 2 Cu（）+ O2 Cu2 O2 第二節(jié)第二節(jié) 氧載體的模型化合物氧載體

27、的模型化合物 一一 、 氧載體模型化合物研究概況氧載體模型化合物研究概況 v天然氧載體在生物體內(nèi)輸送氧或貯存氧，主天然氧載體在生物體內(nèi)輸送氧或貯存氧，主要是通過結(jié)合到蛋白質(zhì)上的鐵，銅等過渡金要是通過結(jié)合到蛋白質(zhì)上的鐵，銅等過渡金屬與氧分子可逆配位來實(shí)現(xiàn)的。為了弄清生屬與氧分子可逆配位來實(shí)現(xiàn)的。為了弄清生物體內(nèi)載氧機(jī)理，人們除了研究天然氧載體物體內(nèi)載氧機(jī)理，人們除了研究天然氧載體外，還合成了許多模型化合物。外，還合成了許多模型化合物。 v現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，很多過渡金屬配合物具有可逆載現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，很多過渡金屬配合物具有可逆載氧性能。其中尤以氧性能。其中尤以FeFe（）和）和CoCo（）配合）配合物。物。v早

28、在早在18521852年，人們就發(fā)現(xiàn)，年，人們就發(fā)現(xiàn)，CoCo（）鹽的氨）鹽的氨水溶液在空氣中會(huì)變成棕色。水溶液在空氣中會(huì)變成棕色。18981898年年WernerWerner等證實(shí)變色是由于生成了氧合鈷氨配合物等證實(shí)變色是由于生成了氧合鈷氨配合物(NH(NH3 3) )5 5Co(OCo(O2 2)Co(NH)Co(NH3 3) )5 5 4+4+，(NH(NH3 3) )5 5Co-(O-O)-Co-(O-O)-Co(NHCo(NH3 3) )5 5 4 4+。v公認(rèn)的第一個(gè)人工氧載體是日本化學(xué)家于公認(rèn)的第一個(gè)人工氧載體是日本化學(xué)家于1938年報(bào)道的年報(bào)道的Co（）與）與N,N-雙水揚(yáng)醛乙

29、雙水揚(yáng)醛乙二胺配合物二胺配合物Co(Salen)，。該配合物可吸收，。該配合物可吸收和釋放氧氣分子（可逆吸收）。隨后發(fā)現(xiàn)，和釋放氧氣分子（可逆吸收）。隨后發(fā)現(xiàn)，該配合物可與氧氣形成該配合物可與氧氣形成1：1和和2：1（-O2）配合物。故在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們把研究配合物。故在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們把研究的重點(diǎn)放在的重點(diǎn)放在Co（）配合物上。主要集中在）配合物上。主要集中在固體配合物（固態(tài)氧載體）；另外固體配合物（固態(tài)氧載體）；另外Ir+,pt+配配合物也可逆載氧。合物也可逆載氧。v1969年，年，F(xiàn)loriahi和和Caldenrazzo水揚(yáng)醛亞胺合鈷水揚(yáng)醛亞胺合鈷配合物配合物 Co(3-MeO

30、 Salen)py.O2 1：1固體氧固體氧載體。載體。v同時(shí)，同時(shí)，Basolo和和Crumbles 對(duì)對(duì)Co(acacen) （N，N-雙乙酰丙酮乙二胺）行了研究。雙乙酰丙酮乙二胺）行了研究。v對(duì)對(duì)Co（）的配合物載氧，當(dāng)在有第）的配合物載氧，當(dāng)在有第5位配體配位位配體配位后才可載氧，故該配合物后才可載氧，故該配合物DMF,DMSO中可載氧。中可載氧。二、二、 鈷（鈷（）氧載體）氧載體1、Co（）配合物的載氧反應(yīng)和結(jié)構(gòu)）配合物的載氧反應(yīng)和結(jié)構(gòu)vCo（）可和很多配體形成配合物，其中）可和很多配體形成配合物，其中一些可載氧一些可載氧vLCo（）+ O2 LCo（）O2- 1:1超氧化物超氧化物

31、O2- vLCo（）O2- + LCo（） LCo（）O2 Co（）L 2:1過氧離子O22- -O-O- 含含Co（）氧載體中）氧載體中,配位原子一般為配位原子一般為N,O,S原子。以原子。以N原子為配位原子的原子為配位原子的(NH3、 NH2、 氨基酸，肽配體含氨基酸，肽配體含N配位原子配位原子) Co（）配）配合物氧載體，合物氧載體， 一般形成一般形成過氧橋配合物過氧橋配合物L(fēng) Co-O-O-Co-L；而以西佛堿（胺與醛或酮縮合而；而以西佛堿（胺與醛或酮縮合而成）、卟啉，咕啉為配體的，一般形成超氧成）、卟啉，咕啉為配體的，一般形成超氧化物化物L(fēng)CoO2v（N，N-雙（苯乙酰丙酮乙二胺）與

32、雙（苯乙酰丙酮乙二胺）與O2形形成加合物，成加合物，Co（bzacen）py O2 ，配體與，配體與Co（）處于平面，）處于平面，py作為第作為第5配體，配體，O2作作為第為第6配位。近似為超氧化物。但改變條件配位。近似為超氧化物。但改變條件（為（為T）可形成）可形成2：1過氧配合物。過氧配合物。vCo（）配合物，因有一成單）配合物，因有一成單d電子電子Co（）3d7，故表現(xiàn)為順磁性。，故表現(xiàn)為順磁性。v西佛堿Co（）配合物在DMSO溶液中吸氧,當(dāng)體系氧分壓較高時(shí)，初始階段吸氧迅速，在很短時(shí)間內(nèi)n0.5，達(dá)到最大吸氧時(shí)又較快下降，然后接近n=0.5（2：1-過氧配合物L(fēng) Co-O-O-Co-L

33、），當(dāng)po2較小，初始n0.5，漸接近n=0.5。表明po2大時(shí)，開始可能形成超氧化物L(fēng)CoO2，隨后LCoO2 + LCo L Co-O-O-Co-L 形成過氧配合物；po2小時(shí)，不形成超氧配合物L(fēng)CoO2。 v無論是超氧還是無論是超氧還是-過氧配合物，升溫或減壓過氧配合物，升溫或減壓均會(huì)釋出均會(huì)釋出O2，在一定條件下還會(huì)載氧。對(duì)于，在一定條件下還會(huì)載氧。對(duì)于人工合成的人工合成的Co（）配合物，放氧或載氧反）配合物，放氧或載氧反復(fù)多次后，載氧能力下降，表明合成的復(fù)多次后，載氧能力下降，表明合成的Co（）配合物部分分解。對(duì)鈷）配合物部分分解。對(duì)鈷-過氧配合物過氧配合物的研究，為認(rèn)識(shí)的研究，為認(rèn)

34、識(shí)2：1型載氧的蚯蚓血紅蛋白型載氧的蚯蚓血紅蛋白和血藍(lán)蛋白的載氧機(jī)理提供了線索。和血藍(lán)蛋白的載氧機(jī)理提供了線索。 2、配體性質(zhì)對(duì)、配體性質(zhì)對(duì)Co（）配合物載氧）配合物載氧的影響的影響vCo（）配合物能否載氧及其載氧方式（為2：1過氧及1：1超氧配合物）受中心離子，配體，溫度，溶劑 ，po2等影響。在此介紹配體L的影響 v 位阻效應(yīng)的影響位阻效應(yīng)的影響 v配體的位阻會(huì)影響Co（）配合物鍵合 O2分子，不利于-過氧配合物的形成，L Co-O-O-Co-L。 v若配體為L(zhǎng)，位阻較L大，則不利形成-過氧配合物（L Co-O-O-Co-L 在O-O兩端體積太大，擁擠），只能形成超氧配合物。 v平面配體的

35、影響平面配體的影響 平面配體對(duì)Co（）配合物鍵合 O2的影響 從以下兩方面來看。一是配位原子的電負(fù)性，形成反饋鍵的能力；二是中心離子的電子密度在整個(gè)平面上的離域性。當(dāng)中心離子與平面配體L形成反饋鍵時(shí)，中心離子的電子密度下降，導(dǎo)致載氧能力下降； v中心離子電子密度離域性大，電子密度下降，載氧能力下降。前者為當(dāng)配體acacen中的氧被 S取代形成Sacacen時(shí)，由于d-d*,M的電子密度下降，載氧下降；后者金屬卟啉電子離域程度比金屬西佛堿大，故金屬西佛堿載氧能力大。 （ 3）軸向配體的影響）軸向配體的影響 軸向配體可活化Co（）配合物。軸向配體共軛酸的pKa可作為配位能力強(qiáng)弱的標(biāo)志。Co（）配合

36、物的載氧能力隨軸向配體pKa的增大而增大。vM的電子密度大，載氧能力大。如M與L能形成鍵，則M電子密度大，載氧能力強(qiáng)。 vCo（）與 比與配合物載氧能力大，后者有cl拉電子。 NNMeNNMecl三、三、 鐵（鐵（）氧載體）氧載體v血紅蛋白和肌紅蛋白載氧為1：1型，蚯蚓血紅蛋白為2：1，血藍(lán)蛋白為 Cu()蛋白，載氧為2：1； 1：1為超氧配合物L(fēng)MO2；2：1為過氧配合物L(fēng)M-O-O-ML。早期人工合成的鐵（）氧載體，不能可逆載氧，主要是形成-O二聚體，設(shè)L為平面配體， py為吡啶 。 vLFepy +O2 LpyFe-O-O-FepyL LpyFe-O-FepyL 由于生成-O二聚體Lpy

37、Fe-O-FepyL，不能可逆載氧。LPyFeOOFePyLv機(jī)制：LpyFe() + O2 LpyFe()(O2-) LpyFe()(O2-) + LpyFe( ) LpyFe()-O-O- LpyFe() 過氧配合物 LpyFe()-O-O- LpyFe() LpyFe()-O- LpyFe() -Ov如要載氧，關(guān)鍵要控制最后一步：即由-O2 -Ov 血紅蛋白和肌紅蛋白的鐵卟啉基處于多肽鏈的盤繞之中，正是這種空間位阻能阻止兩個(gè)血紅素的Fe()離子相互靠近，抑制了 Fe()-O- Fe()的形成，可以可逆載氧。 v 人們經(jīng)過大量研究，已找到防止Fe()配合物形成-O二聚體的三種途徑：v、在F

38、e()配合物內(nèi)設(shè)置空間位阻；空間位阻；v、低溫低溫使形成-O緩慢；v、把Fe()配合物固定在一個(gè)剛性載體上固定在一個(gè)剛性載體上 。v1973年J.p.Collman合成了帶圍柵的Fe()卟啉配合物，可可逆載氧。該配合物第5配位基為1-甲基咪唑（1-MeIm）。由于卟啉環(huán)上帶有大的豎起的基團(tuán)，可有效阻止另一個(gè)鐵卟啉分子接近，生成-O配合物 。該配合物載氧后晶體為反磁性，一些鍵參數(shù)（鍵角，長(zhǎng)）與熱力學(xué)參數(shù)（生成熱H，熵S等）與肌紅蛋白相似。載氧也與肌紅蛋白相似。v1975年J.E.Baldwin合成帽式Fe()卟啉配合物 圖4-26；吊帶Fe()卟啉配合物 圖4-27；袋式Fe()卟啉配合物 ；王

39、冠Fe()卟啉配合物 ；拖尾Fe()卟啉配合物v以上是從配合物的空間位阻來解決由于生成-O二聚體而失去可逆載氧功能這一問題。對(duì)于某些人工合成載氧體，降低溫度可有效的阻止其形成-O二聚體。但低溫體系給應(yīng)用帶來不便。 v解決低氧化態(tài)金屬配合物可逆載氧的第3種方法是把配合物固定在固體表面（剛性表面），使兩個(gè)配合不易靠攏，即不易生成-O二聚體。四四. Vaska型氧載體型氧載體 1963年年, Vaska合成了合成了IrCl(CO)(PPh3)氧載氧載體體, Ir+: d8; PPh3: 三苯基膦三苯基膦. IrCl(CO)(PPh3)具有可逆載氧行為具有可逆載氧行為:IrClPPh3PPh3OC+O

40、2IrPPh3PPh3OCClOObenzenesolution: yellowsolution: redVaska型氧載體型氧載體形狀為三角雙錐形狀為三角雙錐IrClPPh3PPh3OC+O2IrPPh3PPh3OCClOObenzenesolution: yellowsolution: red X射線衍射技術(shù)證實(shí)射線衍射技術(shù)證實(shí):Vaska型氧載體的氧加合型氧載體的氧加合物為三角雙錐構(gòu)型物為三角雙錐構(gòu)型.O2以側(cè)基和以側(cè)基和Ir+配位配位,O-O鍵長(zhǎng)鍵長(zhǎng)為為130 pm, Ir-O鍵長(zhǎng)為鍵長(zhǎng)為209 pm,紅外光譜測(cè)得氧分紅外光譜測(cè)得氧分子的伸縮振動(dòng)頻率為子的伸縮振動(dòng)頻率為O-O為為858 cm-1.說明說明O2具具有有過氧基的性質(zhì)過氧基的性質(zhì).由此可以推測(cè)由此可以推測(cè): Ir+需要反饋兩個(gè)需要反饋兩個(gè) 電子給電子給O2。 Ir+與與O2鍵合時(shí)形成兩個(gè)三中心配鍵，鍵合時(shí)形成兩個(gè)三中心配鍵，其中一個(gè)是其中一個(gè)是O2的成鍵的成鍵電子提供給電子提供