生物無(wú)機(jī)化學(xué)5第四章含鐵氧載體第2節(jié)2課件

第二節(jié)蚯蚓血紅蛋白(Hr)自然界除了含具有血紅素輔基的血紅蛋白和肌紅蛋白氧載體之外，還有一類含有鐵但不含血紅素輔基的氧載體－－蚯蚓血紅蛋白(Hr)。血紅素氧載體Hb、Mb廣泛存在于動(dòng)物及部分植物體系中，而非血紅素氧載體Hr只存在于無(wú)脊椎動(dòng)物中。與血紅蛋白和肌紅蛋白相比，蚯蚓血紅蛋白的研究要晚得多，其晶體結(jié)構(gòu)直到20世紀(jì)90年代才見(jiàn)報(bào)道。目前從無(wú)脊椎動(dòng)物的肌肉中分離得到了蚯蚓血紅蛋白的單體，稱為肌蚯蚓血紅蛋白。從無(wú)脊椎動(dòng)物的血液中分離得到的是由八個(gè)亞基組成的分子質(zhì)量為108000Da的多聚體。晶體結(jié)構(gòu)顯示蚯蚓血紅蛋白每個(gè)亞基中含有一個(gè)由兩個(gè)鐵原子組成的活性中心，兩個(gè)鐵原子通過(guò)一個(gè)氧橋（氧合狀態(tài)）或羥橋（脫氧狀態(tài)）和兩個(gè)分別來(lái)自于蛋白鏈中天冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)側(cè)鏈的羧酸根橋聯(lián)在一起，稱為雙鐵活性中心。脫氧蚯蚓血紅蛋白的雙鐵活性中心氧合蚯蚓血紅蛋白的雙鐵活性中心疊氮高鐵蚯蚓血紅蛋白中鐵的空位被疊氮根離子占據(jù)，疊氮根離子以端式形式與鐵原子配位。由于一個(gè)活性中心有兩個(gè)鐵原子存在，所以根據(jù)鐵原子化合價(jià)的不同，蚯蚓血紅蛋白至少有三種狀態(tài)：(1)Fe(II)-Fe(II)脫氧情況下的還原態(tài)；(2)Fe(III)-Fe(III)高鐵蚯蚓血紅蛋白；(3)Fe(II)-Fe(III)半高鐵蚯蚓血紅蛋白。在半高鐵蚯蚓血紅蛋白中，因?yàn)閮蓚€(gè)鐵原子的配位環(huán)境不同，所以半高鐵蚯蚓血紅蛋白實(shí)際上包含F(xiàn)e1(II)-Fe2(III)和Fe1(III)-Fe2(II)兩種不同的狀態(tài)。Fe1Fe2在氧合和脫氧蚯蚓血紅蛋白的晶體結(jié)構(gòu)報(bào)道之前，科學(xué)家已經(jīng)利用化學(xué)和物理等方法研究蚯蚓血紅蛋白的氧合過(guò)程，例如利用共振拉曼光譜研究并推測(cè)了氧分子與雙鐵活性中心的結(jié)合方式以及結(jié)合后氧的存在形式。氧分子與雙鐵活性中心結(jié)合至少有五種方式，其中(a)、(b)、(c)三種方式中兩個(gè)氧原子是等價(jià)的，而(d)和(e)兩種方式中兩個(gè)氧原子是不等價(jià)的。利用16O18O不對(duì)稱標(biāo)記的氧分子與脫氧蚯蚓血紅蛋白作用，然后測(cè)其共振拉曼光譜。如果拉曼光譜中只有一種O－O振動(dòng)吸收，表明氧分子的配位方式是(a)、(b)、(c)三種方式中的一種。如果光譜中有兩種O－O振動(dòng)吸收，表明是(d)、(e)兩種方式中的一種。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果一致，說(shuō)明在氧合蚯蚓血紅蛋白中，氧分子以(d)或(e)的方式與雙鐵中心配位。結(jié)合其它光譜數(shù)據(jù)推測(cè)結(jié)合方式為(d)。從氧合蚯蚓血紅蛋白的共振拉曼光譜研究中也可以推測(cè)氧合后氧分子的存在方式。氧合蚯蚓血紅蛋白的O-O振動(dòng)吸收出現(xiàn)在846cm-1，是過(guò)氧負(fù)離子的特征振動(dòng)吸收。光譜分析表明，脫氧狀態(tài)下的蚯蚓血紅蛋白中鐵原子為二價(jià)高自旋，兩個(gè)鐵原子間通過(guò)羥橋存在弱的反鐵磁性相互作用。氧分子以端式方式結(jié)合到五配位鐵原子上后，生成了三價(jià)高自旋鐵的過(guò)氧配合物，過(guò)氧負(fù)離子從羥橋上接受一個(gè)質(zhì)子，羥橋變?yōu)檠鯓?。結(jié)論：在氧合蚯蚓血紅蛋白中，氧分子以過(guò)氧負(fù)離子的形式以端式配位方式與一個(gè)鐵離子配位。第三節(jié)重要模型化合物－合成氧載體除了對(duì)天然金屬蛋白本身的研究之外，模型化合物的研究也是生物無(wú)機(jī)化學(xué)研究中非常重要的組成部分。另一方面，通過(guò)模擬天然金屬蛋白的結(jié)構(gòu)和功能，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用天然蛋白及其模型化合物提供基礎(chǔ)。在氧載體研究中，模型化合物的合成及其結(jié)構(gòu)和功能間關(guān)系的研究特別重要，它可以為闡明載氧過(guò)程及載氧機(jī)理提供依據(jù)，并為合成具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的具有載氧功能的化合物（人造血液）等提供基礎(chǔ)。有關(guān)合成氧載體的研究很早就受到科學(xué)家的重視，早期工作主要集中在含席夫堿配體的非鐵配合物。如1938年就發(fā)現(xiàn)Co(II)的雙水楊醛縮乙二胺配合物可以結(jié)合分子氧，結(jié)合氧分子之后其顏色由紅棕色變?yōu)楹谏?。但是模擬氧載體的研究中更多的還是含鐵和卟啉以及含雙核鐵的配合物，分別模擬天然血紅蛋白、肌紅蛋白和蚯蚓血紅蛋白。從氧化還原電位可以看出，氧分子的氧化能力相當(dāng)強(qiáng)，當(dāng)其與還原態(tài)的血紅素鐵結(jié)合時(shí)，很容易將二價(jià)鐵氧化到三價(jià)鐵，并最終形成穩(wěn)定的通過(guò)氧橋聯(lián)的雙鐵物種。要實(shí)現(xiàn)可逆結(jié)合氧分子，并模擬血紅蛋白和肌紅蛋白的載氧功能，首先必須阻止氧化二聚反應(yīng)的發(fā)生，即如何避免雙核鐵配合物的形成是成功合成鐵－卟啉人工氧載體的關(guān)鍵。利用空間阻礙、低溫以及剛體支撐等方法可以成功地合成含鐵－卟啉的人工氧載體。1、空間阻礙方法空間阻礙方法就是設(shè)計(jì)和合成具有立體阻礙基團(tuán)的卟啉合鐵配合物PFe(II)，利用其空間位阻效應(yīng)使PFe(II)與O2反應(yīng)時(shí)只能生成PFe(II)O2，而阻礙橋聯(lián)雙核物種PFe(III)-O-O-Fe(III)P的生成。Collman等提出的籬笆式（或柵欄式）卟啉鐵模型：5,10,15,20-四（鄰三甲基乙酰胺苯基）卟啉合鐵[Fe(TpivPP)]以[Fe(TpivPP)]為基礎(chǔ)，合成的配合物[Fe(TpivPP)L]（L=咪唑及其衍生物），可以與O2可逆地加合，生成[Fe(TpivPP)LO2]。由于籬笆的保護(hù)，[Fe(TpivPP)LO2]不能發(fā)生二聚反應(yīng)，從而成功得到了第一個(gè)在室溫下的含鐵的合成氧載體。[Fe(TpivPP)LO2]具有和氧合血紅蛋白相同的抗磁性，相同的四極分裂穆斯堡爾譜，相同的υO(shè)-O拉曼吸收1159cm-1。該模型配合物很好地模擬了血紅蛋白和肌紅蛋白的載氧功能。

帽式鐵－卟啉配合物也可以利用空間位阻效應(yīng)來(lái)模擬載氧功能。由于帽子的存在可以有效地防止雙核鐵物種的形成，并提供一個(gè)口袋，使氧分子能與中心鐵離子作用。2、低溫方法利用低溫方法，可以穩(wěn)定雙氧配合物、降低不可逆氧合的速度。例如，四苯基卟啉（TPP）合鐵配合物在低溫（－45℃）下與氧分子反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)受動(dòng)力學(xué)控制，抑制了熱力學(xué)有利的二聚反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了可逆的載氧過(guò)程。提高溫度則生成不可逆氧化產(chǎn)物。3、剛體支撐方法剛體支撐方法是將容易發(fā)生氧化二聚反應(yīng)的卟啉合鐵配合物接在固體表面或高分子表面，使兩個(gè)鐵原子不能相互靠近，從而達(dá)到阻止二聚體形成的目的。將1-(2-苯乙基)咪唑血紅素埋入聚苯乙烯和1-(2-苯乙烯)咪唑的混合物的薄膜中，氧分子即可與固定的配合物可逆地結(jié)合。Fe(TPP)B2混在由3-咪唑丙基的改性硅膠中，加熱生成[(IPG)Fe(TPP)]后也可以與氧分子可逆結(jié)合。二、蚯蚓血紅蛋白的模擬研究因?yàn)轵球狙t蛋白的活性中心是由雙核鐵構(gòu)成的，所以模型化合物主要是各種含有羧酸根橋聯(lián)的雙核鐵配合物。根據(jù)活性中心鐵離子價(jià)態(tài)的不同，雙鐵活性中心有三種狀態(tài)：Fe3+-Fe3+（高鐵）、Fe3+-Fe2+（半高鐵）、Fe2+-Fe2+（還原態(tài)）。不同氧化態(tài)有不同的模型化合物。1、Fe3+-Fe3+高鐵模型化合物作為高鐵蚯蚓血紅蛋白雙鐵活性中心的模型，20世紀(jì)80年代Lippard和Wieghardt兩個(gè)課題組分別報(bào)道了含有Fe2IIIO(OOCR)2骨架的雙核鐵配合物。HBpz3-為氫化三(吡唑基)硼酸根圖4.14Fe2IIIO(OAc)2(HBpz3)2的晶體結(jié)構(gòu)這類模型化合物具有和高鐵蚯蚓血紅蛋白非常相似的特征吸收光譜，F(xiàn)e3+-Fe3+之間有強(qiáng)的反鐵磁性相互作用，很好地模擬了高鐵蚯蚓血紅蛋白雙鐵活性中心的結(jié)構(gòu)和譜學(xué)性質(zhì)。2、Fe2+-Fe2+還原型模型化合物作為還原型蚯蚓血紅蛋白模型的Fe2+-Fe2+配合物很少有報(bào)道。配合物Fe2IIO(OAc)2(TACN)2是其中的一例。其中TACN為N,N’,N’’-三甲基三氮雜環(huán)壬烷。3、Fe3+-Fe2+半高鐵模型化合物將Fe3+-Fe3+高鐵模型化合物進(jìn)行單電子還原，可以得到半高鐵蚯蚓血紅蛋白模型化合物，但由于具有氧橋或羥橋的Fe3+-Fe2+混合價(jià)的雙核鐵配合物非常不穩(wěn)定，到目前還沒(méi)有被合成并分離得到。盡管蚯蚓血紅蛋白模型化合物的結(jié)構(gòu)與天然蚯蚓血紅蛋白雙鐵活性中心的結(jié)構(gòu)、譜學(xué)性能非常接近，是好的結(jié)構(gòu)模型。但是這些模型化合物中鐵離子都是配位飽和的六配位八面體構(gòu)型，而天然蚯蚓血紅蛋白雙鐵活性中心在脫氧狀態(tài)下其中一個(gè)鐵離子為配位不飽和的五配位構(gòu)型，剩下的一個(gè)空位用于結(jié)合氧分子。因此這些模型化合物沒(méi)有結(jié)合氧分子的能力。第四節(jié)人造血液世界各國(guó)的化學(xué)家和生物學(xué)家很早就致力于合成類似血紅蛋白結(jié)構(gòu)并具有載氧生理功能的人造血液研究，以滿足外科手術(shù)、戰(zhàn)地救護(hù)、失血過(guò)多病人和血液病患者的需要。接近真血液功能的人造血液至今未能獲得成功，但是對(duì)一類氟碳化合物人造血液的研究取得了一定的進(jìn)展。這項(xiàng)研究始于20世紀(jì)60年代，美國(guó)科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)氟碳化合物具有良好的載氧功能。1979年日本率先在臨床應(yīng)用獲得成功。作為人造載氧血液主要成分的氟碳化合物有：全氟醚、全氟三丁基胺、全氟萘烷、全氟甲基萘烷等。此外，人造血液中還含有甘油、NaCl、KCl、CaCl2、Na2CO3和葡萄糖等物質(zhì)。經(jīng)大量動(dòng)物試驗(yàn)證明，在富氧條件下，氟碳化合物傳遞氧氣和二氧化碳的速度比血紅蛋白還要迅速，它的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒，不致癌。但由于它不含白血球、血小板、抗體、酶、蛋白質(zhì)、氨基酸等生物物質(zhì)，所以它沒(méi)有抗菌、凝血、免疫、營(yíng)養(yǎng)、輸送金屬離子等生理功能。我國(guó)自主研發(fā)的“