第三章天然氧載體及其化學(xué)模擬

1、第三章天然氧載體及其化學(xué)模擬河河蚌蚌淡藍(lán)淡藍(lán)色血色血綠色血綠色血 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。空氣中氧分子在水中的溶解度很低，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

2、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(dá)到倍以上，達(dá)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，能把生物體內(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(xì)胞內(nèi)從外界吸入體內(nèi)的氧氣運送到各種組織，供細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行維持生命所需的各種氧化作用。按照蛋白質(zhì)載進(jìn)行維持生命所需的

3、各種氧化作用。按照蛋白質(zhì)載氧的氧的活性部位活性部位的化學(xué)本質(zhì)，的化學(xué)本質(zhì)，主要可以把天然氧載體主要可以把天然氧載體分為三類分為三類： 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(lán)蛋白血藍(lán)蛋白(hemocyanin, Hc)。其它天然氧載體血釩蛋白，血釩蛋白，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(xì)胞稱。像這種含有釩色

4、原的血細(xì)胞稱為釩細(xì)胞。含有三氧化二釩的血液為綠色，含四氧為釩細(xì)胞。含有三氧化二釩的血液為綠色，含四氧化二釩的藍(lán)色，含五氧化二釩的為橙色?；C的藍(lán)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(lán)蛋白血藍(lán)蛋白金屬金屬FeFeFeCu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（I

5、I）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(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素輔基血紅蛋白和肌紅蛋白的載氧活性部位是血紅素輔基- -鐵鐵卟啉卟啉; ;卟啉的骨架是卟吩。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，是具有多個雙鍵的共

6、軛大成，是具有多個雙鍵的共軛大鍵體系。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 ）MPMPMPPM本卟啉本卟啉（aetioporphyrin ）MEMEMEEM尿卟啉尿卟啉（uropo

7、rphyrin ）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，血紅素素與卟啉形成配合物。它與鐵形成鐵卟啉，血紅素（heme）是鐵（）是鐵（II）卟啉一類配合物的總稱。血紅素與）卟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。相應(yīng)的蛋白結(jié)合為血紅素蛋白。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

8、：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，可與卟啉形成平面型配合物，可與卟啉形成平面型配合物，否則為變形配合物?？臻g構(gòu)否則為變形配合物?？臻g構(gòu)型取決于金屬離子的半徑是型取決于金屬離子的半徑是否與卟啉環(huán)內(nèi)空腔大小匹配。否與卟啉環(huán)內(nèi)空腔大小匹配。金屬卟啉軸向配體不同，金屬卟啉軸向配體不同，性質(zhì)不同，功能不同，中心性質(zhì)不同，功能不同，中心離子不同，功能也不同。離子不同，功能也不同。血紅蛋白血紅蛋白 Hemoglobin(Hb) 功能：輸送氧；功能：輸送氧；

9、血液中含有紅細(xì)胞，它是載氧的生物單元，血液中含有紅細(xì)胞，它是載氧的生物單元，紅細(xì)胞中含有血紅蛋白，它是載氧的生物化學(xué)單元。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)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 of proteins, which are thought to share a commo

10、n 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

11、蛋白，Neuroglobin，Ngb細(xì)胞珠蛋白細(xì)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(xì)胞中表達(dá)。它可與氧氣可逆結(jié)合，由一條肽鏈組成，鐵細(xì)胞中表達(dá)。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(yuǎn)端的在未與氧氣結(jié)合時已為六配位，另一配體為遠(yuǎn)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

12、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)，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(biāo)記。

13、兩個螺旋區(qū)標(biāo)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(biāo)記。標(biāo)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：儲存氧。功能：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

14、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占據(jù)，氧合時則由氧分子取個配位位置一般由水分子占據(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，血紅素被肽鏈包圍，形成疏水環(huán)境，可保持形成疏水環(huán)境，可保持Fe()氧化態(tài)存在，這對氧化態(tài)存在，

15、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（在血紅蛋白中稱為高鐵血紅蛋白），中稱為高鐵血紅蛋白），則失去載氧或貯存氧功則失去載氧或貯存氧功能。能。u細(xì)胞里，存在大量還細(xì)胞里，存在大量還原物質(zhì)，如原物質(zhì)，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)境的配位環(huán)境O2 binding results in a change of coordin

16、ation 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 and is better accommodated in the center of th

17、e heme. Population of these orbitals also promotes -overlap with -acceptor ligand His. 協(xié)同效應(yīng)（協(xié)同效應(yīng)（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(yīng)。如果是促進(jìn)作用則稱為正協(xié)同效為協(xié)同效應(yīng)。如果是促進(jìn)作用則稱為正協(xié)同效應(yīng)（應(yīng)（positive cooperativity）；反之則為負(fù)協(xié)同）；反之則為負(fù)協(xié)同效應(yīng)（效應(yīng)（negative cooperat

18、ivity）。）。 血紅蛋白與血紅蛋白與O2結(jié)合呈現(xiàn)正協(xié)同作用，即血紅結(jié)合呈現(xiàn)正協(xié)同作用，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(jìn)了第結(jié)合后，促進(jìn)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(dāng)?shù)谌齻€亞基的結(jié)合，當(dāng)?shù)谌齻€亞基與與O2結(jié)合后，又大大促進(jìn)了第四個亞基與結(jié)合后，又大大促進(jìn)了第四個亞基與O2結(jié)結(jié)合。合。 別構(gòu)效應(yīng)是別構(gòu)效應(yīng)是Hb與與O2結(jié)合發(fā)生正協(xié)同效應(yīng)的結(jié)結(jié)合發(fā)生正協(xié)同效應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。構(gòu)基礎(chǔ)。 別構(gòu)效應(yīng)別構(gòu)效應(yīng)(allosterism effect) u 別構(gòu)效應(yīng)別構(gòu)效應(yīng): 亦稱變構(gòu)效應(yīng)，是指一個蛋白質(zhì)與它的配體結(jié)合后，蛋亦稱變構(gòu)效應(yīng)，是指一個蛋白質(zhì)與

19、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(yīng)。別構(gòu)效應(yīng)。u 別構(gòu)蛋白：是指具有別構(gòu)效應(yīng)的蛋白質(zhì)或酶。別構(gòu)蛋白：是指具有別構(gòu)效應(yīng)的蛋白質(zhì)或酶。u 別構(gòu)劑：亦稱效應(yīng)劑，是指凡能觸發(fā)蛋白質(zhì)或酶分子發(fā)生變構(gòu)效別構(gòu)劑：亦稱效應(yīng)劑，是指凡能觸發(fā)蛋白質(zhì)或酶分子發(fā)生變構(gòu)效應(yīng)的物質(zhì)。應(yīng)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

20、分子2,3-DPG, 2，3-DPG的的3個負(fù)電基團(tuán)與個負(fù)電基團(tuán)與-亞亞基的基的3個正電基團(tuán)形成鹽個正電基團(tuán)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(jìn)到卟啉環(huán)當(dāng)中的孔穴中，這一移動通過進(jìn)到卟啉環(huán)當(dāng)中的孔穴中，這一移動通過F8位組氨位組氨酸牽動了它

21、所在的肽段，進(jìn)而影響酸牽動了它所在的肽段，進(jìn)而影響Hb亞基間的相互作用，破壞了鹽鍵亞基間的相互作用，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，整個分子處于松弛態(tài)松，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)），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

22、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)，反磁性，偶數(shù)，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()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

23、*軌道，使軌道，使Fe O鍵具有雙鍵性鍵具有雙鍵性質(zhì)，故稱為超氧化物構(gòu)型。質(zhì)，故稱為超氧化物構(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，雙氧以一個電子，雙氧以O(shè)2-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，生成的配合物不具有磁性。合物不具有磁性。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, 又又稱過氧化物構(gòu)型。稱過氧化物構(gòu)型。實驗數(shù)據(jù)驗證實驗數(shù)據(jù)驗證Weiss模型的正確性模型的正確性1. HbO2的磁性測量：抗磁性的磁性測量：抗磁性2. HbO2的的Mssbauer數(shù)據(jù)

24、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(biāo)記實驗證實標(biāo)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(fù)離子的振動值。與超氧負(fù)離子的振動值(1145 cm-1)非常接近；非常接近；結(jié)論：氧分子以超氧負(fù)離子結(jié)論：氧分子以超氧

25、負(fù)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)合氧氣蛋白結(jié)合氧氣 對應(yīng)的氧氣的分壓對應(yīng)的氧氣的分壓Hill方程 人體肺部氧分壓

26、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(dāng)靜脈血（白與氧結(jié)合。當(dāng)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(dāng)血液離開肺部，流經(jīng)氧分壓較低的肌肉（當(dāng)血液離開肺部，流經(jīng)氧分壓較低的肌肉（PO24.7 Kpa）組織時，血紅蛋白便釋出氧（供給肌紅蛋白）。）組織時，血紅蛋白便釋出氧（供給肌紅蛋白）。 當(dāng)靜脈的氧分壓低到當(dāng)靜脈的氧分壓低到550650pa時，肌紅蛋白供氧。時，肌紅蛋白供氧。2,3-BPG 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

27、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，紅細(xì)胞中的換言之，紅細(xì)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(xì)胞中，在紅細(xì)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(yīng)波耳效應(yīng) 人體內(nèi)，人血液正常生理人體內(nèi)，人血液正常生理pH為，但它會受到為，但它會受到CO2與與H2O反應(yīng)的影響。在肌肉組織里由于反應(yīng)的影響。在肌肉組織里由于CO2分壓較高，分壓較高，CO2就擴(kuò)

28、散到血漿和紅細(xì)胞里，使就擴(kuò)散到血漿和紅細(xì)胞里，使pH變小，血紅蛋白釋出變小，血紅蛋白釋出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 從肺從肺部排出，部排出，CO2分壓降低，分壓降低，HCO3-結(jié)合結(jié)合H+，pH增大增大HHb+釋釋出出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, erythrocyte CA catalyzes the CO2 hydration reaction3

29、.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

30、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(fù)合物形成的復(fù)合物氧合肌紅蛋白氧合肌紅蛋白CO對對Fe的親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氧！的親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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， 即肌紅蛋白、氧合即肌紅蛋白、氧合肌紅蛋白和高鐵肌紅蛋白，它們能相互轉(zhuǎn)化，并且其色澤肌紅蛋白和高鐵肌紅蛋白，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(jī)理

31、肉的呈色機(jī)理（1）氧合作用：血紅素中的亞鐵與一分子氧以配位鍵結(jié)合）氧合作用：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：血紅素中的亞鐵與氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)，）氧化作用：血紅素中的亞鐵與氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)，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。 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

32、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(jī)理為其機(jī)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(dāng)鮮肉放置于空氣中時表面的當(dāng)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，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

33、還原性物質(zhì)存在肌紅蛋白就會保持紅色，當(dāng)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(dāng)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(dāng)有還原性巰基例如當(dāng)有還原性巰基(-SH)存在時肌紅蛋存在時肌紅蛋白會形成綠色的硫肌紅蛋白白會形成綠色的硫肌紅蛋白(SMb)；當(dāng)有其它還原劑如；當(dāng)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(yīng)在成球蛋白、鐵和四吡咯環(huán)，這個反應(yīng)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

34、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+，所以熟肉的色澤為褐色，稱為高鐵血色原，所以熟肉的色澤為褐色，稱為高鐵血色原(hemichrome)。c.護(hù)色劑的影響護(hù)色劑的影響:在對肉進(jìn)行腌制時肌紅蛋白等會同亞硝酸在對肉進(jìn)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(yīng)，生成不太穩(wěn)定的亞硝酰等發(fā)生反應(yīng)，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(Nitrosylhemochrome)，這是腌肉中的主要色，這是腌肉中的主要色素素 。鐮刀形

35、細(xì)胞貧血病是一種分子病！鐮刀形細(xì)胞貧血病是一種分子??！ 在正常細(xì)胞之中存在著許多異常的鐮刀形的細(xì)胞，這種在正常細(xì)胞之中存在著許多異常的鐮刀形的細(xì)胞，這種非正常血液病稱之鐮刀形細(xì)胞貧血病非正常血液病稱之鐮刀形細(xì)胞貧血病(sicklemia)。導(dǎo)致血紅導(dǎo)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，并且紅細(xì)胞呈鐮刀狀。并且紅細(xì)胞呈鐮刀狀。鐮刀形細(xì)胞不能象正常細(xì)胞那樣通過鐮刀形細(xì)胞不能象正常細(xì)胞那樣通過毛細(xì)血管。因此血液循環(huán)被破壞，還可能發(fā)生嚴(yán)重的組織損毛細(xì)血管。因此血液循環(huán)被破壞，還可能發(fā)生嚴(yán)重的組織損傷。鐮刀形細(xì)胞易破裂，導(dǎo)致紅細(xì)胞

36、的減少。傷。鐮刀形細(xì)胞易破裂，導(dǎo)致紅細(xì)胞的減少。 鐮刀形細(xì)胞貧血病是血紅蛋白內(nèi)氨基酸替換的結(jié)果。這鐮刀形細(xì)胞貧血病是血紅蛋白內(nèi)氨基酸替換的結(jié)果。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一個非極性的纈氨酸，而正常的基是一個非極性的纈氨酸，而正常的Hb A分子中的分

37、子中的 鏈的鏈的第六個氨基酸殘基是谷氨酸，這一替換是由編碼第六個氨基酸殘基是谷氨酸，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。其共同特點是由于珠蛋白基因的缺陷使血紅蛋白中的血。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肽鏈有一種或幾種合成減少或不能合成。導(dǎo)致血紅珠蛋白肽鏈有一種或幾種合成減少或不能合成。導(dǎo)致血紅蛋白的組成成分改變，大多表現(xiàn)為慢性進(jìn)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(jìn)

38、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,是一種非血紅素鐵蛋白是一種非血紅素鐵蛋白(nonheme)。其生理功能是在低。其生理功能是在低等生物體內(nèi)輸送氧。等生物體內(nèi)輸送氧。u對星蟲的對星蟲的Hr研究的比較詳細(xì)研究的比較詳細(xì),它由它由 8個亞單位組成個亞單位組成,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分子中每兩個分子中每兩個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

39、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亞單位的兩個亞單位的兩個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、77、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

40、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（稱為中的橋聯(lián)氧原子是質(zhì)子化的（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（稱為中的橋聯(lián)氧原子是未質(zhì)子化的（稱為- -氧橋氧橋蚯蚓血紅蛋白與蚯蚓血紅蛋白與O2

41、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 two discrete components (from Fe-16

42、O-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-18O-16O (819 cm-1), and Fe-18O (7

43、98 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(jī)理蚯蚓血紅蛋白的兩種氧合機(jī)理血藍(lán)蛋白血藍(lán)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，蜘蛛等）的血液中。血藍(lán)蛋白的結(jié)構(gòu)血藍(lán)蛋白的結(jié)構(gòu)組成組成Hc的亞單位較多

44、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(lán)蛋白是以一價銅（血藍(lán)蛋白是以一價銅（Cu+）為輔基的蛋白。亞基）為輔基的蛋白。亞基數(shù)可變，每個亞基均含兩個數(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(lán)蛋白的生理功能是輸氧。氧合血。血藍(lán)蛋白的生理功能是輸氧。氧合血藍(lán)蛋白的銅是藍(lán)蛋白的銅是Cu()，呈藍(lán)色，脫氧血藍(lán)蛋白的銅，呈藍(lán)色，脫氧血藍(lán)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

45、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為了弄清生物體內(nèi)載氧機(jī)理，人們除了為了弄清生物體內(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

46、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(rèn)的人工載氧體是日本化學(xué)家妻木第一個公認(rèn)的人工載氧體是日本化學(xué)家妻木1938年報道年報道的的Co(salen)配合物。配合物。 他認(rèn)為這種配合物暴露在空氣中他認(rèn)為這種配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

47、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(jìn)行了研究。酮乙二胺）進(jìn)行了研究。CoOONNCH3CH3CH3CH3Co(acacen

48、)ONNOCoOCH3CH3OCo(3-MeO Salen)Co（）的配合物載氧，當(dāng)在有第）的配合物載氧，當(dāng)在有第5位配體配位后才可位配體配位后才可載氧，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) Co()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

49、配合物配合物L(fēng)-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，一般形成超氧化物合而成）、卟啉，咕啉為配體的，一般形成超氧化物L(fēng)CoO2。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(rèn)識過氧配合物的研究，為認(rèn)識2：1型載氧的蚯蚓血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。紅蛋白和血藍(lán)蛋白的載氧機(jī)理提供了線索。 Fe氧

50、載體氧載體上個世紀(jì)上個世紀(jì)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(dāng)?shù)暮铣煞椒?。遇到的主要問題和年代才逐步找到恰當(dāng)?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二聚體的三種途徑：二聚體的三種途徑：