第三章 天然氧載體及其化學模擬

1、第三章第三章 天然氧載體及其化學模擬天然氧載體及其化學模擬第一節(jié)第一節(jié) 天然氧載體天然氧載體第二節(jié)第二節(jié) 人工氧載體人工氧載體河河蚌蚌淡藍淡藍色血色血烏賊烏賊綠色血綠色血 蚯蚓蚯蚓玫瑰紅色血玫瑰紅色血蝦、河蟹蝦、河蟹淡青色血淡青色血蝸牛蝸牛透明的血透明的血昆蟲昆蟲綠色血綠色血大天蠶蛾大天蠶蛾 -胡蘿卜素、核黃胡蘿卜素、核黃素和黃素素和黃素- -核苷酸核苷酸 菜粉蝶菜粉蝶家蠶家蠶魚類魚類兩棲兩棲類類爬行爬行類類鳥類鳥類哺乳類哺乳類人類人類氧載體：是指在生物體系中具有儲存和運輸氧載體：是指在生物體系中具有儲存和運輸分子氧功能的一類生物分子。分子氧功能的一類生物分子?？諝庵醒醴肿釉谒械娜芙舛群艿?，

2、常溫?？諝庵醒醴肿釉谒械娜芙舛群艿停爻合聣合?0 ml/L；有了載氧體血液中氧的濃度比水；有了載氧體血液中氧的濃度比水中的氧濃度高出中的氧濃度高出10倍以上，達到倍以上，達到250 ml/L。生物體從外界將氧吸入體內(nèi)，為了運送和儲生物體從外界將氧吸入體內(nèi)，為了運送和儲存氧，各種生物選擇了不同的氧載體。存氧，各種生物選擇了不同的氧載體。目前，已知的天然載氧體有目前，已知的天然載氧體有5種，都是活性中種，都是活性中心含有金屬離子的蛋白質(zhì)心含有金屬離子的蛋白質(zhì)。 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，能把從外界吸入體內(nèi)的氧氣運送到各種組織，供細胞把從外

3、界吸入體內(nèi)的氧氣運送到各種組織，供細胞內(nèi)進行維持生命所需的各種氧化作用。按照蛋白質(zhì)內(nèi)進行維持生命所需的各種氧化作用。按照蛋白質(zhì)載氧的載氧的活性部位活性部位的化學本質(zhì)，的化學本質(zhì)，主要可以把天然氧載主要可以把天然氧載體分為三類體分為三類： 含血紅素含血紅素(heme)輔基的蛋白輔基的蛋白(70%): 血紅蛋白血紅蛋白(hemoglobin, Hb)和肌紅蛋白和肌紅蛋白(myoglobin, Mb)； 不含血紅素的鐵蛋白不含血紅素的鐵蛋白: 蚯蚓血紅蛋白蚯蚓血紅蛋白(hemerythrin, Hr)； 含銅蛋白含銅蛋白: 血藍蛋白血藍蛋白(hemocyanin, Hc)。其它天然氧載體血釩蛋白，血

4、釩蛋白，hemovanadin 含含釩釩的一種的一種蛋白蛋白。像這種含有釩色原的血細胞稱。像這種含有釩色原的血細胞稱為釩細胞。含有三氧化二釩的血液為綠色，含四氧為釩細胞。含有三氧化二釩的血液為綠色，含四氧化二釩的藍色，含五氧化二釩的為橙色?；C的藍色，含五氧化二釩的為橙色。 血釩蛋白是天然氧載體。存在于血釩蛋白是天然氧載體。存在于海鞘海鞘類類動物動物體內(nèi)。體內(nèi)。每原子釩可結(jié)合一個每原子釩可結(jié)合一個氧氧分子，載氧后呈綠色。分子，載氧后呈綠色。天然氧載體的若干性質(zhì)天然氧載體的若干性質(zhì)天然氧載體天然氧載體血紅蛋白血紅蛋白肌紅蛋白肌紅蛋白蚯蚓血紅蛋白蚯蚓血紅蛋白血藍蛋白血藍蛋白金屬金屬FeFeFeC

5、u金屬金屬O24Fe:4O2FeO22FeO22CuO2脫氧金屬氧化態(tài)脫氧金屬氧化態(tài)Fe（II）Fe（II）Fe（II）Cu（I）金屬鍵合部位金屬鍵合部位卟啉卟啉卟啉卟啉蛋白質(zhì)側(cè)鏈蛋白質(zhì)側(cè)鏈蛋白質(zhì)鏈蛋白質(zhì)鏈亞基數(shù)目亞基數(shù)目418可變可變相對分子質(zhì)量相對分子質(zhì)量6500017500108000(4-90)105載氧顏色載氧顏色紅紅紅紅紫紅紫紅藍藍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生物功能主要生物功能輸送氧輸送氧儲存氧儲存氧輸送氧輸送氧輸送氧輸送氧卟啉卟啉血紅蛋白和肌紅蛋白的載氧活性部位是血紅蛋白和肌紅蛋白的載氧活性部位是血紅素輔基血紅素輔基- -鐵鐵卟啉卟啉; ;卟啉的骨架是卟

6、吩。卟吩由四個吡咯環(huán)以次甲基相連而卟啉的骨架是卟吩。卟吩由四個吡咯環(huán)以次甲基相連而成，是具有多個雙鍵的成，是具有多個雙鍵的共軛大共軛大鍵體系鍵體系。某些常見的天然卟啉某些常見的天然卟啉 名名 稱稱取取 代代 基基12345678原卟啉原卟啉（protoporphyrin ）MVMVMPPM中卟啉中卟啉（mesoporphyrin ）MEMEMPPM次卟啉次卟啉（deutoroporphyrin ）MHMHMPMM血卟啉血卟啉（hematoporphyrin ）MBMBMPPM血綠卟啉（血綠卟啉（chlorocruoroporphyri ）MFMVMPPM糞卟啉糞卟啉（coporphyrin ）

7、MPMPMPPM本卟啉本卟啉（aetioporphyrin ）MEMEMEEM尿卟啉尿卟啉（uroporphyrin ）APAPAPPA注注 A：CH2COOH； B：CH(OH)CH3； E：C2H5； F：CHO； M：CH3； P：CH2CH2COOH； V：CH = CH2 卟啉是重要的生物配體卟啉是重要的生物配體,哺乳動物體內(nèi)約哺乳動物體內(nèi)約70%的鐵元的鐵元素與卟啉形成配合物。它與鐵形成鐵卟啉，素與卟啉形成配合物。它與鐵形成鐵卟啉，血紅素血紅素（heme）是鐵（）是鐵（II）卟啉一類配合物的總稱）卟啉一類配合物的總稱。血紅素與。血紅素與相應的蛋白結(jié)合為相應的蛋白結(jié)合為血紅素蛋白血紅

8、素蛋白。卟啉與血紅素卟啉與血紅素原卟啉原卟啉 卟啉骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)（鍵長單位：卟啉骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)（鍵長單位：nmnm） 四種不同的血紅素四種不同的血紅素heme aheme bheme cheme d金屬與卟啉平面的相對位置金屬與卟啉平面的相對位置金屬離子的半徑如合適，金屬離子的半徑如合適，可與卟啉形成可與卟啉形成平面型平面型配合物，配合物，否則為否則為變形變形配合物。空間構(gòu)配合物?？臻g構(gòu)型取決于金屬離子的半徑型取決于金屬離子的半徑是是否與卟啉環(huán)內(nèi)空腔大小匹配否與卟啉環(huán)內(nèi)空腔大小匹配。金屬卟啉金屬卟啉軸向配體軸向配體不同，不同，性質(zhì)不同，功能不同，性質(zhì)不同，功能不同，中心中心離子離子不同，功能也不同

9、。不同，功能也不同。血紅蛋白血紅蛋白 Hemoglobin(Hb) 功能：功能：輸送氧；輸送氧； 血液中含有紅細胞，它是血液中含有紅細胞，它是載氧的生物單元載氧的生物單元，紅細胞中含有血紅蛋白，它是載氧的紅細胞中含有血紅蛋白，它是載氧的生物化學單元生物化學單元。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：成人：成人： 2 2，95%以上；以上； 2 2，1.5-4.0%； 胎兒：胎兒： 2 2。 亞單位有亞單位有141141個氨基酸殘基，個氨基酸殘基，和和含含 146 146 個氨基個氨基酸殘基。酸殘基。 相對相對分子分子量是量是65000珠蛋白珠蛋白 globin Globins are a related family

10、of proteins, which are thought to share a common ancestor. These proteins all incorporate the globin fold, a series of eight alpha helical segments. 珠蛋白家族（珠蛋白家族（Globin familyGlobin family）是一類有相似）是一類有相似一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)和和三三級結(jié)構(gòu)級結(jié)構(gòu)（珠蛋白折疊珠蛋白折疊的的結(jié)構(gòu)模體結(jié)構(gòu)模體）的）的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)，它們都含有，它們都含有血血紅素紅素輔基輔基，都能可逆地與，都能可逆地與氧氣氧氣結(jié)合。結(jié)合。肌紅蛋白

11、肌紅蛋白，Myoglobin，Mb血紅蛋白血紅蛋白，Hemoglobin，Hb神經(jīng)珠蛋白神經(jīng)珠蛋白，Neuroglobin，Ngb細胞珠蛋白細胞珠蛋白， Cytoglobin, Cygb神經(jīng)珠蛋白神經(jīng)珠蛋白 神經(jīng)珠蛋白神經(jīng)珠蛋白, 一種屬于一種屬于血紅素蛋白血紅素蛋白類的類的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)，主要在脊椎動物的大，主要在脊椎動物的大腦和腦和視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜細胞中表達。它可與氧氣可逆結(jié)合，由一條肽鏈組成，鐵細胞中表達。它可與氧氣可逆結(jié)合，由一條肽鏈組成，鐵在未與氧氣結(jié)合時已為六配位，另一配體為遠端的在未與氧氣結(jié)合時已為六配位，另一配體為遠端的 His 殘基，因此氧殘基，因此氧氣或其他配體需要取代一咪唑殘基

12、后才能與血紅素結(jié)合。氣或其他配體需要取代一咪唑殘基后才能與血紅素結(jié)合。 2000年，由年，由 Burmester 等人首先發(fā)現(xiàn)。等人首先發(fā)現(xiàn)。Nature, 2000,407, 520.2003年，獲得人類神經(jīng)珠蛋白的年，獲得人類神經(jīng)珠蛋白的3D結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 Structure, 2003, 11,1087.2004年，獲得高分辨率的小鼠神經(jīng)珠蛋白年，獲得高分辨率的小鼠神經(jīng)珠蛋白3D結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu). Function, and Bioinformatics. 2004, 56, 85.血紅蛋白亞單元的螺旋區(qū)血紅蛋白亞單元的螺旋區(qū) 每個亞單位有每個亞單位有75%左右的部位形成左右的部位形成 -螺旋結(jié)構(gòu)

13、，主要螺旋結(jié)構(gòu)，主要分成八個螺旋區(qū)，用分成八個螺旋區(qū)，用A B C D E F G和和H標記。兩個螺旋區(qū)標記。兩個螺旋區(qū)之間存在長短不一的非螺旋區(qū)，之間存在長短不一的非螺旋區(qū)，AB,BC,CD,DE,EF,FG,和和GH標記。標記。鐵卟啉與蛋白鏈之間的作用力鐵卟啉與蛋白鏈之間的作用力肌紅蛋白肌紅蛋白 Myoglobin (Mb)Mb：一條：一條153 amino acid的多肽鏈，相對分子量的多肽鏈，相對分子量17500。 功能：功能：儲存氧儲存氧。肌紅蛋白是第一個被確定具有三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)肌紅蛋白是第一個被確定具有三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì) 它的三級結(jié)構(gòu)是它的三級結(jié)構(gòu)是由一簇八個由一簇八個 - -螺螺

14、旋組成的，螺旋旋組成的，螺旋之間通過一些片之間通過一些片段連接。段連接。多肽鏈第多肽鏈第93位組位組氨酸氨酸殘基殘基的側(cè)鏈的側(cè)鏈的咪唑氮原子與的咪唑氮原子與Fe()卟啉輔基卟啉輔基的的Fe()配位配位。第第6個配位位置一般由水分子個配位位置一般由水分子占據(jù)，氧合時則由氧分子取占據(jù)，氧合時則由氧分子取代水分子。代水分子。未載氧時血紅素中未載氧時血紅素中Fe的配位環(huán)境的配位環(huán)境FeII： 5配位，配位，四方錐構(gòu)型四方錐構(gòu)型; FeII ，HS , 5.44 B.M, 順磁性；順磁性；第第6配位位置是配位位置是空的，或由水分空的，或由水分子占據(jù)。子占據(jù)。特點特點疏水環(huán)境疏水環(huán)境u血紅素被肽鏈包圍，血

15、紅素被肽鏈包圍，形成疏水環(huán)境，形成疏水環(huán)境，可保持可保持Fe()氧化態(tài)氧化態(tài)存在，這對存在，這對可逆載氧或貯存氧具有可逆載氧或貯存氧具有重要意義。重要意義。u如血紅素中如血紅素中Fe()被氧被氧化為化為Fe()（在血紅蛋白（在血紅蛋白中稱為中稱為高鐵血紅蛋白高鐵血紅蛋白），），則失去載氧或貯存氧功則失去載氧或貯存氧功能。能。u細胞里，存在細胞里，存在大量還大量還原物質(zhì)原物質(zhì)，如，如NADPH2、抗、抗壞血酸等，可將壞血酸等，可將Fe()還還原為原為Fe()。不結(jié)合氧時，不結(jié)合氧時，F(xiàn)eFe突出平面突出平面結(jié)合氧時，結(jié)合氧時，F(xiàn)eFe被拉回平面被拉回平面載氧時血紅素中載氧時血紅素中Fe的配位環(huán)境

16、的配位環(huán)境O2 binding results in a change of coordination state (penta- to hexa-coordination) and spin state (HS-LS). The latter is induced by electronic repulsion between the electron density in O2 and electrons in d-orbitals. By populating the dxy-, dyx-, and dxz-orbitals, the metal ion shrinks in size

17、and is better accommodated in the center of the heme. Population of these orbitals also promotes -overlap with -acceptor ligand His. 協(xié)同效應（協(xié)同效應（cooperative effect） 一個亞基與其配體（一個亞基與其配體（Hb中的配體為中的配體為O2）結(jié)）結(jié)合后，能影響另一亞基與配體的結(jié)合能力，稱合后，能影響另一亞基與配體的結(jié)合能力，稱為協(xié)同效應。如果是為協(xié)同效應。如果是促進作用則稱為正協(xié)同效促進作用則稱為正協(xié)同效應應（positive cooperati

18、vity）；反之則為）；反之則為負協(xié)同負協(xié)同效應效應（negative cooperativity）。）。 血紅蛋白與血紅蛋白與O2結(jié)合呈現(xiàn)正協(xié)同作用，結(jié)合呈現(xiàn)正協(xié)同作用，即血紅即血紅蛋白分子中第一個亞基與蛋白分子中第一個亞基與O2結(jié)合后，促進了第結(jié)合后，促進了第二個及第三個亞基與二個及第三個亞基與O2的結(jié)合，當?shù)谌齻€亞基的結(jié)合，當?shù)谌齻€亞基與與O2結(jié)合后，又大大促進了第四個亞基與結(jié)合后，又大大促進了第四個亞基與O2結(jié)結(jié)合。合。 別構(gòu)效應別構(gòu)效應是是Hb與與O2結(jié)合發(fā)生正協(xié)同效應的結(jié)合發(fā)生正協(xié)同效應的結(jié)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)構(gòu)基礎(chǔ)。 別構(gòu)效應別構(gòu)效應(allosterism effect) u 別構(gòu)效應別構(gòu)

19、效應: 亦稱變構(gòu)效應，亦稱變構(gòu)效應，是指一個蛋白質(zhì)與它的配體結(jié)合后，蛋是指一個蛋白質(zhì)與它的配體結(jié)合后，蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生變化，使它更適合于功能的需要，這一類變化稱為白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生變化，使它更適合于功能的需要，這一類變化稱為別構(gòu)效應。別構(gòu)效應。u 別構(gòu)蛋白別構(gòu)蛋白：是指具有別構(gòu)效應的蛋白質(zhì)或酶。：是指具有別構(gòu)效應的蛋白質(zhì)或酶。u 別構(gòu)劑別構(gòu)劑：亦稱效應劑，是指凡能觸發(fā)蛋白質(zhì)或酶分子發(fā)生變構(gòu)效：亦稱效應劑，是指凡能觸發(fā)蛋白質(zhì)或酶分子發(fā)生變構(gòu)效應的物質(zhì)。應的物質(zhì)。2,3-二磷酸甘油酯二磷酸甘油酯(2,3-DPG) 2,3-DPG與血紅蛋白的結(jié)合部位與血紅蛋白的結(jié)合部位Hb的的4個亞基通過鹽鍵、疏水個亞

20、基通過鹽鍵、疏水鍵聚合在一起，在鍵聚合在一起，在2個個-亞基亞基之間夾著之間夾著1分子分子2,3-DPG, 2，3-DPG的的3個負電基團與個負電基團與-亞亞基的基的3個正電基團形成鹽個正電基團形成鹽鍵，鍵，此時此時Hb的構(gòu)象處于緊張態(tài)的構(gòu)象處于緊張態(tài)(tense state,T態(tài)態(tài))，各亞基對，各亞基對O2的親和力比較低，不易與的親和力比較低，不易與O2結(jié)合。結(jié)合。2,3-BPG2,3-BPG的作用的作用2,3-DPG的作用的作用 O2與鐵原子以配位鍵結(jié)合后，鐵的配位數(shù)由與鐵原子以配位鍵結(jié)合后，鐵的配位數(shù)由5變?yōu)樽優(yōu)?，鐵原子直徑減少，鐵原子直徑減少，能移動，能移動0.075nm進到卟啉環(huán)當

21、中的孔穴中，這一移動通過進到卟啉環(huán)當中的孔穴中，這一移動通過F8位組氨位組氨酸牽動了它所在的肽段，進而影響酸牽動了它所在的肽段，進而影響Hb亞基間的相互作用，亞基間的相互作用，破壞了鹽鍵破壞了鹽鍵和其它次級鍵，擠出了和其它次級鍵，擠出了-亞基間的亞基間的2,3-DPG，使亞基間的聚合變得疏，使亞基間的聚合變得疏松松，整個分子處于松弛態(tài)，整個分子處于松弛態(tài)(relaxed state,R態(tài)態(tài))，有利于與，有利于與O2的結(jié)合。的結(jié)合。 血紅蛋白的兩種構(gòu)象：血紅蛋白的兩種構(gòu)象：T T態(tài)和態(tài)和S S態(tài)態(tài) 血紅蛋白存在兩種構(gòu)象：血紅蛋白存在兩種構(gòu)象：T態(tài)（緊張態(tài)）和態(tài)（緊張態(tài)）和R態(tài)（松弛態(tài)（松弛態(tài)），

22、態(tài)）， T態(tài)和態(tài)和R態(tài)常用來由于配體結(jié)合引起的兩種可互換態(tài)常用來由于配體結(jié)合引起的兩種可互換狀態(tài)。在本節(jié)中配體指的是氧，狀態(tài)。在本節(jié)中配體指的是氧，T態(tài)指的是對氧親和力低態(tài)指的是對氧親和力低的狀態(tài)，而的狀態(tài)，而R態(tài)指的是對氧親和力高的狀態(tài)態(tài)指的是對氧親和力高的狀態(tài)。氧鍵合的幾種理論模型氧鍵合的幾種理論模型1Pauling 模型：模型： O2作為簡單的電子對給體，以端基作為簡單的電子對給體，以端基(terminal group)與與Fe(II)配位配位。 Fe()電子為電子為3d6，偶數(shù)，偶數(shù)，反磁性反磁性，O2也為偶數(shù)電子，呈也為偶數(shù)電子，呈反磁性，反磁性，O2提供端基電子與提供端基電子與Fe

23、()成配位鍵后，成配位鍵后，F(xiàn)e()的的d電子對反饋給氧的空的電子對反饋給氧的空的*軌道，使軌道，使Fe O鍵具有雙鍵性鍵具有雙鍵性質(zhì)，故稱為質(zhì)，故稱為超氧化物構(gòu)型超氧化物構(gòu)型。2. Weiss模型模型：O2在配位時接受在配位時接受Fe()一個電子，一個電子，雙氧以雙氧以O2-與與Fe()配位配位；雙氧和鐵都具有單電子，生成的配雙氧和鐵都具有單電子，生成的配合物合物不具有磁性不具有磁性。3. Griffith 模型：模型： O2采取側(cè)基采取側(cè)基(side group)配位方式配位方式, 又又稱稱過氧化物構(gòu)型過氧化物構(gòu)型。實驗數(shù)據(jù)驗證實驗數(shù)據(jù)驗證Weiss模型模型的正確性的正確性1. HbO2的

24、磁性測量：的磁性測量：抗磁性抗磁性2. HbO2的的Mssbauer數(shù)據(jù)數(shù)據(jù): FeIII Q = 1.872.24mms (nuclear quadrupole moment) Q反映核周圍電荷的對稱性。反映核周圍電荷的對稱性。LS FeII的電荷是球形對的電荷是球形對稱的，稱的，Q值較小。值較小。FeIII， LS電荷是非球形對稱的，電荷是非球形對稱的，Q值較大。值較大。3. HbO2與與 MbO2的共振拉曼光譜：的共振拉曼光譜：O2- 通過通過18O2標記實驗證實標記實驗證實:o-o振動分別在振動分別在1107和和1103 cm-1。與超氧負離子的振動值。與超氧負離子的振動值(1145

25、cm-1)非常接近；非常接近；結(jié)論：結(jié)論：氧分子以超氧負離子氧分子以超氧負離子(O2-)的形式與的形式與Hb或或Mb 鍵合，既鍵合，既 Weiss模型為合理模型。模型為合理模型。雙氧物種的共振拉曼光譜數(shù)據(jù)雙氧物種的共振拉曼光譜數(shù)據(jù)SpeciesO-O (cm-1)d O-O ()O2+1,9051.12O21,5801.21O21,0971.33O22-8021.49O2鍵合的影響因素鍵合的影響因素1.O2分壓的影響分壓的影響 1nnkpkp血紅蛋白血紅蛋白, 1 n 4,氧合曲線為氧合曲線為 S 形形肌紅蛋白肌紅蛋白, n=1,氧氧合曲線為雙曲線形合曲線為雙曲線形P50：50%蛋白結(jié)合氧氣蛋

26、白結(jié)合氧氣 對應的氧氣的分壓對應的氧氣的分壓Hill方程 人體肺部氧分壓人體肺部氧分壓PO2約為約為13Kpa，較高，有利于血紅蛋，較高，有利于血紅蛋白與氧結(jié)合。當白與氧結(jié)合。當靜脈血（靜脈血（PO26.5Kpa)流經(jīng)肺部時，血流經(jīng)肺部時，血紅蛋白大量氧合，氧的飽和度顯著增加。紅蛋白大量氧合，氧的飽和度顯著增加。 當血液離開肺部，流經(jīng)氧分壓較低的當血液離開肺部，流經(jīng)氧分壓較低的肌肉（肌肉（PO24.7 Kpa）組織時）組織時，血紅蛋白便釋出氧（供給肌紅蛋白）。，血紅蛋白便釋出氧（供給肌紅蛋白）。 當靜脈的氧分壓當靜脈的氧分壓低到低到550650pa時，肌紅蛋白供氧。時，肌紅蛋白供氧。2,3-B

27、PG 的存在，可使氧與全血中成熟的血紅蛋白結(jié)合的存在，可使氧與全血中成熟的血紅蛋白結(jié)合的的P50大約提高到大約提高到26torr。 換言之，換言之，紅細胞中的紅細胞中的2,3-BPG實質(zhì)上是降低了脫氧血紅實質(zhì)上是降低了脫氧血紅蛋白對氧的親和性蛋白對氧的親和性。在紅細胞中，在紅細胞中，2,3-BPG與血紅蛋白的濃度幾乎是等摩爾與血紅蛋白的濃度幾乎是等摩爾的。的。2.pH的影響的影響, Bohr effect，for Hb 肌紅蛋白無肌紅蛋白無Bohr effect 波耳效應波耳效應 人體內(nèi)，人血液正常生理人體內(nèi)，人血液正常生理pH為為7.35-7.45，但它會受，但它會受到到CO2與與H2O反應

28、的影響。在肌肉組織里由于反應的影響。在肌肉組織里由于CO2分壓較分壓較高，高，CO2就擴散到血漿和紅細胞里，使就擴散到血漿和紅細胞里，使pH變小，血紅蛋變小，血紅蛋白釋出白釋出O2，同時結(jié)合，同時結(jié)合H+，以維持正常生理，以維持正常生理pH值。相反，值。相反，CO2 從肺部排出，從肺部排出，CO2分壓降低，分壓降低，HCO3-結(jié)合結(jié)合H+，pH增增大大HHb+釋出釋出H+，結(jié)合氧。，結(jié)合氧。Fig. The role of erythrocyte CA in blood gas transport. When blood passes through the tissues, erythroc

29、yte CA catalyzes the CO2 hydration reaction3.某些小分子配體的作用某些小分子配體的作用u血紅蛋白（血紅素血紅蛋白（血紅素-Fe()卟啉）除與卟啉）除與O2結(jié)合外，結(jié)合外，還能與還能與CO，NO等結(jié)合。其結(jié)合能力等結(jié)合。其結(jié)合能力NOCOO2，這些小分子同樣可與血紅素中的，這些小分子同樣可與血紅素中的Fe()配位。配位。CO與與 Fe()配位能力為配位能力為O2的的200倍倍，NO更高。如更高。如人吸收人吸收CO，CO便與血紅蛋白結(jié)合，失去輸氧功便與血紅蛋白結(jié)合，失去輸氧功能。吸收能。吸收NO也有同樣結(jié)果，即使空氣中也有同樣結(jié)果，即使空氣中CO和和NO

30、甚微，由于積累，也會使人出現(xiàn)貧血癥狀。甚微，由于積累，也會使人出現(xiàn)貧血癥狀。u肌紅蛋白的血紅素輔基的肌紅蛋白的血紅素輔基的Fe()也能與也能與CO和和NO配位。配位。帶有咪唑基的游離帶有咪唑基的游離血紅素與血紅素與CO結(jié)合結(jié)合肌紅蛋白與肌紅蛋白與CO形成的復合物形成的復合物氧合肌紅蛋白氧合肌紅蛋白CO對對Fe的親和力遠遠高于氧！的親和力遠遠高于氧！ 在新鮮肉中存在著三種狀態(tài)的色素，在新鮮肉中存在著三種狀態(tài)的色素， 即即肌紅蛋白、氧合肌紅蛋白、氧合肌紅蛋白和高鐵肌紅蛋白肌紅蛋白和高鐵肌紅蛋白，它們能相互轉(zhuǎn)化，并且其色澤它們能相互轉(zhuǎn)化，并且其色澤也隨之變化，鮮肉中的紅色是由氧合肌紅蛋白呈現(xiàn)的顏色也

31、隨之變化，鮮肉中的紅色是由氧合肌紅蛋白呈現(xiàn)的顏色（紫紅色）。（紫紅色）。肉的呈色機理肉的呈色機理（1）氧合作用氧合作用：血紅素中的亞鐵與一分子氧以配位鍵結(jié)合：血紅素中的亞鐵與一分子氧以配位鍵結(jié)合，而亞鐵原子不被氧化，這種作用被稱為氧合作用。，而亞鐵原子不被氧化，這種作用被稱為氧合作用。（2）氧化作用氧化作用：血紅素中的亞鐵與氧發(fā)生氧化還原反應，：血紅素中的亞鐵與氧發(fā)生氧化還原反應，生成高鐵血紅素的作用被稱為氧化作用。生成高鐵血紅素的作用被稱為氧化作用。低氧壓時（低氧壓時（1-20mmHg),1-20mmHg),主主要為氧化作用；要為氧化作用；高氧壓時，主要為氧合作高氧壓時，主要為氧合作用。用。

32、 新鮮肉的紅色就是由于氧肌紅蛋存在而呈紅色，它可以通新鮮肉的紅色就是由于氧肌紅蛋存在而呈紅色，它可以通過兩個階段變?yōu)楹稚?。過兩個階段變?yōu)楹稚?。u其機理為其機理為:(a).動物屠宰放血后動物屠宰放血后,肌肉組織供養(yǎng)停止肌肉組織供養(yǎng)停止, ，此時，此時肌肉中的色素為肌肉中的色素為Mb而呈紫紅色。而呈紫紅色。u(b).當鮮肉放置于空氣中時表面的當鮮肉放置于空氣中時表面的Mb與氧氣結(jié)合而形成與氧氣結(jié)合而形成MbO2呈紅色，而其內(nèi)部仍處于還原狀因而仍呈紫紅色。呈紅色，而其內(nèi)部仍處于還原狀因而仍呈紫紅色。u(c).在有氧或氧化劑存在時亞鐵血紅素可被氧化為在有氧或氧化劑存在時亞鐵血紅素可被氧化為MetMb，

33、形成了棕褐色，所以只要肉中還有還原性物質(zhì)存在肌紅，形成了棕褐色，所以只要肉中還有還原性物質(zhì)存在肌紅蛋白就會保持紅色，當還原性物質(zhì)耗盡時高鐵肌紅蛋白的蛋白就會保持紅色，當還原性物質(zhì)耗盡時高鐵肌紅蛋白的褐色就會成為主要色澤褐色就會成為主要色澤。影響肉色澤的因素影響肉色澤的因素a.還原劑的影響還原劑的影響:例如當有還原性巰基例如當有還原性巰基(-SH)存在時肌紅蛋存在時肌紅蛋白會形成白會形成綠色綠色的硫肌紅蛋白的硫肌紅蛋白(SMb)；當有其它還原劑如；當有其它還原劑如Vc時可以生成膽肌紅蛋白時可以生成膽肌紅蛋白(ChMb)，并很快地被氧化生，并很快地被氧化生成球蛋白、鐵和四吡咯環(huán)，這個反應在成球蛋白

34、、鐵和四吡咯環(huán)，這個反應在PH=57的范圍的范圍內(nèi)發(fā)生。內(nèi)發(fā)生。b.加熱的影響加熱的影響:在加熱時球蛋白變性，在加熱時球蛋白變性，F(xiàn)e2+ 暴露出被氧化暴露出被氧化變?yōu)樽優(yōu)镕e3+，所以熟肉的色澤為，所以熟肉的色澤為褐色褐色，稱為高鐵血色原，稱為高鐵血色原(hemichrome)。c.護色劑的影響護色劑的影響:在對肉進行腌制時肌紅蛋白等會同亞硝酸在對肉進行腌制時肌紅蛋白等會同亞硝酸鹽的分解產(chǎn)物鹽的分解產(chǎn)物NO等發(fā)生反應，生成不太穩(wěn)定的亞硝酰等發(fā)生反應，生成不太穩(wěn)定的亞硝?；〖t蛋白基肌紅蛋白(NO-Mb)，它在加熱后可以形成穩(wěn)定的亞硝，它在加熱后可以形成穩(wěn)定的亞硝基血色原基血色原(Nitros

35、ylhemochrome)，這是腌肉中的主要色，這是腌肉中的主要色素素 。鐮刀形細胞貧血病是一種分子病！鐮刀形細胞貧血病是一種分子??！ 在正常細胞之中存在著許多異常的鐮刀形的細胞，這種在正常細胞之中存在著許多異常的鐮刀形的細胞，這種非正常血液病稱之鐮刀形細胞貧血病非正常血液病稱之鐮刀形細胞貧血病(sicklemia)。導致血紅導致血紅蛋白的結(jié)構(gòu)和功能的改變，其運輸氧氣的能力大大地降低，蛋白的結(jié)構(gòu)和功能的改變，其運輸氧氣的能力大大地降低，并且并且紅細胞呈鐮刀狀紅細胞呈鐮刀狀。鐮刀形細胞不能象正常細胞那樣通過鐮刀形細胞不能象正常細胞那樣通過毛細血管。因此血液循環(huán)被破壞，還可能發(fā)生嚴重的組織損毛細血

36、管。因此血液循環(huán)被破壞，還可能發(fā)生嚴重的組織損傷。鐮刀形細胞易破裂，導致紅細胞的減少。傷。鐮刀形細胞易破裂，導致紅細胞的減少。 鐮刀形細胞貧血病是血紅蛋白內(nèi)氨基酸替換的結(jié)果鐮刀形細胞貧血病是血紅蛋白內(nèi)氨基酸替換的結(jié)果。這。這是由于鐮刀形貧血病中的血紅蛋白（是由于鐮刀形貧血病中的血紅蛋白（Hb S）與正常的成熟）與正常的成熟的血紅蛋白（的血紅蛋白（Hb A ）的電泳行為不同，）的電泳行為不同，Hb A 比比Hb S泳動泳動得快，表明得快，表明Hb S比比Hb A帶有的正電荷多。帶有的正電荷多。 后來序列分析發(fā)現(xiàn)，后來序列分析發(fā)現(xiàn)，Hb S分子中的分子中的 鏈的第六個氨基酸殘鏈的第六個氨基酸殘基是

37、一個基是一個非極性的纈氨酸非極性的纈氨酸，而正常的，而正常的Hb A分子中的分子中的 鏈的鏈的第六個氨基酸殘基是第六個氨基酸殘基是谷氨酸谷氨酸，這一替換是由編碼，這一替換是由編碼 鏈的基鏈的基因中的單個核苷酸取代引起的因中的單個核苷酸取代引起的。地中海貧血癥地中海貧血癥（THALASSEMIA） 地中海貧血又稱海洋性貧血。是一組遺傳性溶血性貧地中海貧血又稱海洋性貧血。是一組遺傳性溶血性貧血。其共同特點是由于血。其共同特點是由于珠蛋白基因的缺陷使血紅蛋白中的珠蛋白基因的缺陷使血紅蛋白中的珠蛋白肽鏈有一種或幾種合成減少或不能合成珠蛋白肽鏈有一種或幾種合成減少或不能合成。導致血紅。導致血紅蛋白的組成

38、成分改變，大多表現(xiàn)為慢性進行性溶血性貧血蛋白的組成成分改變，大多表現(xiàn)為慢性進行性溶血性貧血。蚯蚓血紅蛋白蚯蚓血紅蛋白 (Hemerythrin,Hr)u蚯蚓血紅蛋白蚯蚓血紅蛋白,Hr分子中含有鐵分子中含有鐵,但不含鐵卟啉輔基但不含鐵卟啉輔基,是一種是一種非血紅素鐵蛋白非血紅素鐵蛋白(nonheme)。其生理功能是在低。其生理功能是在低等生物體內(nèi)等生物體內(nèi)輸送氧輸送氧。u對星蟲的對星蟲的Hr研究的比較詳細研究的比較詳細,它由它由 8個亞單位個亞單位組成組成,相相對分子量為對分子量為108000,每個亞單位含有每個亞單位含有113個氨基酸殘基個氨基酸殘基,和和2個個Fe離子離子.uHr分子中分子中

39、每兩個每兩個Fe離子結(jié)合一個離子結(jié)合一個O2。 其結(jié)合氧的能其結(jié)合氧的能力不受力不受pH影響影響。 在氧合過程中在氧合過程中,兩個兩個Fe(II)被氧化為被氧化為Fe(III), 而而O2被還原為被還原為O22-. Mssbares研究表明研究表明deoxyHr中的中的Fe(II) or oxyHr中的中的Fe(III)都處于都處于high spin。HrHr的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)HrHr的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)活性中心結(jié)構(gòu)活性中心結(jié)構(gòu)脫氧脫氧Hr亞單位的亞單位的兩個兩個Fe()距離為距離為0.3250.5 nm,被多肽鏈被多肽鏈的的7個氨基酸殘基配位個氨基酸殘基配位。3個組氨酸殘基（個組氨酸殘基（His-73、7

40、7、101）與其中一個鐵離子配位，另外）與其中一個鐵離子配位，另外2個組氨酸殘基（個組氨酸殘基（His-25、54）與另外一個鐵離子配位。一個谷氨酸殘基）與另外一個鐵離子配位。一個谷氨酸殘基（Glu-58）和一個天冬氨酸（）和一個天冬氨酸（Asp-106）作為橋連配體以）作為橋連配體以羧酸的兩個氧原子分別與兩個鐵離子配位。此外，連結(jié)羧酸的兩個氧原子分別與兩個鐵離子配位。此外，連結(jié)兩個鐵離子的還有一個橋聯(lián)氧原子。兩個鐵離子的還有一個橋聯(lián)氧原子。 ）脫氧脫氧HrHr中的橋聯(lián)氧原子是質(zhì)子化的（中的橋聯(lián)氧原子是質(zhì)子化的（稱為稱為- -羥橋羥橋）氧合氧合HrHr中的橋聯(lián)氧原子是未質(zhì)子化的（中的橋聯(lián)氧原子

41、是未質(zhì)子化的（稱為稱為- -氧橋氧橋蚯蚓血紅蛋白與蚯蚓血紅蛋白與O2的可能結(jié)合方式的可能結(jié)合方式Resonance Raman spectrum in the o-o region of oxyhemerythrin equilibrated with a mixture of the isotopic species 16O2, 16O18O, 18O2. The smooth curves used for fitting the central peak (16O18O) represent the deconvolution of the 822 cm-1 feature into t

42、wo discrete components (from Fe-16O-18O and Fe-18O-16O, respectively). The difference between observed and fitted curves is shown below the spectrum in the 822-cm-1 region. The vertical lines a-d show the calculated peak positions for models III and IV of Fe-16O (836 cm-1), Fe-16O-18O (825 cm-1), Fe

43、-18O-16O (819 cm-1), and Fe-18O (798 cm-1), respectively. Reprinted with permission from I. M. Klotz and D. M. Kurtz, Acc. Chem. Res., 17, 16-22; copyright (1984) American Chemical Society.蚯蚓血紅蛋白的兩種氧合機理蚯蚓血紅蛋白的兩種氧合機理血藍蛋白血藍蛋白(hemocyanin)存在于軟體動物（蝸牛，烏賊，章魚存在于軟體動物（蝸牛，烏賊，章魚 ）和節(jié)足動物（螃蟹，蝦，蜘蛛等）的血液中和節(jié)足動物（螃蟹，蝦，蜘

44、蛛等）的血液中。血藍蛋白的結(jié)構(gòu)血藍蛋白的結(jié)構(gòu)組成組成Hc的亞單位較多的亞單位較多, 每個亞單位含兩個每個亞單位含兩個Cu離子離子。 血藍蛋白是以一價銅（血藍蛋白是以一價銅（Cu+）為輔基的蛋白。亞）為輔基的蛋白。亞基數(shù)可變，每個亞基均含兩個基數(shù)可變，每個亞基均含兩個Cu+，相對分子量是，相對分子量是5000074000。血藍蛋白的生理功能是輸氧。氧合血。血藍蛋白的生理功能是輸氧。氧合血藍蛋白的銅是藍蛋白的銅是Cu()，呈藍色，脫氧血藍蛋白的銅，呈藍色，脫氧血藍蛋白的銅是是Cu+ ，無色。，無色。dioxygen as an 2, 2-peroxide 第二節(jié)第二節(jié) 人工氧載體人工氧載體u天然氧

45、載體在生物體內(nèi)輸送氧或貯存氧，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，銅等過主要是通過結(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現(xiàn)的。渡金屬與氧分子可逆配位來實現(xiàn)的。u為了為了弄清生物體內(nèi)載氧機理弄清生物體內(nèi)載氧機理，人們除了，人們除了研究天然氧載體外，還合成了許多模型化研究天然氧載體外，還合成了許多模型化合物。合物。 這些化合物稱之為人工氧載體這些化合物稱之為人工氧載體， Artificial Oxygen Carriers (AOC) 。u目前已知目前已知Fe2+, Co2+ , Mn2+ , Rh+, Ir+, Ru0, Os0, Ni0, Pt0 等

46、過渡金屬及其配合物具有可等過渡金屬及其配合物具有可逆載氧性質(zhì)；其中感興趣的是逆載氧性質(zhì)；其中感興趣的是Fe和和Co配合配合物。物。Co氧載體氧載體u早在早在1852年，人們就發(fā)現(xiàn)，年，人們就發(fā)現(xiàn)，Co（）鹽的氨水溶液在空）鹽的氨水溶液在空氣中會變成棕色。氣中會變成棕色。1898年年Werner等證實變色是由于生成了等證實變色是由于生成了氧合鈷氨配合物氧合鈷氨配合物， (NH3)5Co-(O-O)-Co(NH3)54+。 第一個公認的人工載氧體是日本化學家妻木第一個公認的人工載氧體是日本化學家妻木1938年報道年報道的的Co(salen)配合物。配合物。 他認為這種配合物暴露在空氣中他認為這種配

47、合物暴露在空氣中變色是由于對變色是由于對O2 的可逆吸收。的可逆吸收。 之后之后, Calvin等確定等確定Co(salen)和和O2形成形成1:1與與2:1兩種配合物。從那時起兩種配合物。從那時起,人們?nèi)藗兒铣闪嗽S多合成了許多Co(II)氧載體。氧載體。Co(salen)1:12:1u 1969年，年，F(xiàn)loriahi和和Caldenrazzo水揚醛亞胺合鈷配合物水揚醛亞胺合鈷配合物 Co(3-MeO Salen)Py.O2 1：1固體氧載固體氧載體。體。u 同時，同時，Basolo和和Crumbles 對對 Co(acacen) （N，N-雙乙酰丙雙乙酰丙酮乙二胺）進行了研究。酮乙二胺）進

48、行了研究。CoOONNCH3CH3CH3CH3Co(acacen)ONNOCoOCH3CH3OCo(3-MeO Salen)Co（）的配合物載氧，當在有）的配合物載氧，當在有第第5位配體配位后位配體配位后才可才可載氧，故配合物載氧，故配合物DMF/DMSO中可載氧。中可載氧。在苯、甲苯、三在苯、甲苯、三氯甲烷、丙酮、四氫呋喃等非配位溶劑中則不能吸氧。氯甲烷、丙酮、四氫呋喃等非配位溶劑中則不能吸氧。 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) C

49、o()配合物氧載體，配合物氧載體， 一般形成一般形成過氧橋過氧橋配合物配合物L-Co-O-O-Co-L；而以西佛堿（胺與醛或酮縮；而以西佛堿（胺與醛或酮縮合而成）、卟啉，咕啉為配體的，一般形成合而成）、卟啉，咕啉為配體的，一般形成超氧化物超氧化物LCoO2。過氧橋配合物過氧橋配合物: : (NH3)5Co(O2)Co(NH3)5(SO4)2 (NH3)5Co(O2)Co(NH3)5(SCN)4超氧配合物：超氧配合物：Co(salen)(DMF)O2 Co(salen)(DMSO)O2對鈷對鈷-過氧配合物的研究，為認識過氧配合物的研究，為認識2：1型載氧的蚯蚓血型載氧的蚯蚓血紅蛋白和血藍蛋白的載

50、氧機理提供了線索。紅蛋白和血藍蛋白的載氧機理提供了線索。 Fe氧載體氧載體上個世紀上個世紀50年代已經(jīng)開始研究人工合成鐵氧載體，但是直年代已經(jīng)開始研究人工合成鐵氧載體，但是直到到70年代才逐步找到恰當?shù)暮铣煞椒?。遇到的主要問題和年代才逐步找到恰當?shù)暮铣煞椒?。遇到的主要問題和困難是困難是Fe(II)配合物與配合物與O2生成不能可逆載氧的生成不能可逆載氧的FeIII-O-FeIII二聚體。二聚體。Key: 避免卟啉分子靠近，防止避免卟啉分子靠近，防止 生成生成FeIII-O-FeIII二聚體二聚體 血紅蛋白和肌紅蛋白的鐵卟啉基處于多肽鏈的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

51、間位阻能阻止兩個血紅素盤繞之中，正是這種空間位阻能阻止兩個血紅素的的Fe()離子相互靠近，抑制了離子相互靠近，抑制了 Fe()-O- Fe()的形成，可以可逆載氧。的形成，可以可逆載氧。 人們經(jīng)過大量研究，已找到防止人們經(jīng)過大量研究，已找到防止Fe()配合配合物形成物形成-O二聚體的二聚體的三種途徑三種途徑：1.在在Fe()配合物內(nèi)配合物內(nèi)設置空間位阻設置空間位阻；2.低溫低溫使形成使形成-O緩慢；緩慢；3.把把Fe()配合物配合物固定在一個剛性載體固定在一個剛性載體上上 。1. 在在Fe()配合物內(nèi)配合物內(nèi)設置空間位阻設置空間位阻；1973年年J.P.Collman合成了合成了帶圍柵的帶圍柵的Fe()卟啉配合卟啉配合物，可可逆載氧。該配合物，可可逆載氧。該配合物第物第5配位基為配位基為1-甲基咪唑甲基咪唑（1-MeIm）。由于卟啉）。由于卟啉環(huán)上帶有大的環(huán)上帶有大的豎起的基團豎起的基團，可有效可有效阻止阻止另一個鐵卟啉另一個鐵卟啉分子接近，生成分子接近，生成-O配合配合物物 。該配合物載氧后晶體。