化學(xué)與生命第4章：天然含鐵

1、表表4-1 4-1 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FeFeFeCu金屬金屬O2FeO2FeO22FeO22CuO2金屬氧化態(tài)金屬氧化態(tài)(脫氧脫氧)自旋態(tài)自旋態(tài)(脫氧脫氧)自旋態(tài)自旋態(tài)(氧合氧合)Fe（II）HS(S=2)LS(S=0)Fe(II）HS(S=2)LS(S=0)Fe（II）HS(S=2)與溫度有關(guān)與溫度有關(guān)Cu（I）S=0(d10)S=0（抗磁）（抗磁）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)側(cè)鏈蛋白質(zhì)側(cè)鏈亞基數(shù)目亞基數(shù)目418可變可變相對分子質(zhì)量

2、相對分子質(zhì)量650001750010800(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1. 血紅蛋白：脊椎動物的紅細胞中。由球蛋白和亞鐵血紅素組成：四個亞單位通過靜電、氫鍵、疏水作用結(jié)合而成。每一個肽鏈連接一個亞鐵血紅素輔基。二個鏈，二個鏈。2. 肌紅蛋白： 主要存在于肌肉中。球蛋白和亞鐵血紅素輔基組成。只有一條肽鏈。血紅蛋白的結(jié)構(gòu)血紅蛋白的結(jié)構(gòu)肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)亞鐵血紅素為輔基的蛋白：亞鐵血紅素為輔基的蛋白： Hb和Mb都是以亞鐵血紅素為輔基的蛋白質(zhì)，他

3、們和氧分子的可逆即結(jié)合即依靠血紅素輔基.所謂血紅素指的是一類鐵卟啉(porphyrin)配合物. 根據(jù)金屬酶和金屬蛋白中卟啉環(huán)上取代基的不同卟啉可以分為以下幾種: 原卟啉 IX(protoporphyrin IX); 血卟啉( hematoporphyrin); 中卟啉( mesoporphyrin IX) 等.Fe(II)亞鐵亞鐵Fe(III)鐵鐵卟啉卟啉NNHNHNIIIIIIIV12345678NNHNHN237812131718510152014691114161921222423卟吩卟吩 NHNNNHCH3H3CH3CCH3CH=CH2CH=CH2CH2CH2CH2CH2COOHCO

4、OH原卟啉原卟啉 NNHNHNNNHNNNHNNN，-四苯基卟啉四苯基卟啉 酞酞 花花 菁菁 NNNNHNNNNHH(c) Corrin (咕啉咕啉)(d) Porphyrin(卟啉卟啉)Hb：FeII：HS t2g4eg2 5.44 B.M 順磁性順磁性 5配位（咪唑的作用）配位（咪唑的作用）HbO2：FeIII：LS 0 反磁性反磁性 6配位配位鍵合情況：鍵合情況： *協(xié)同效應(yīng)（協(xié)同效應(yīng)（cooperative effect） 構(gòu)象變化構(gòu)象變化 變構(gòu)作用（變構(gòu)作用（allosterism） 觸發(fā)機理觸發(fā)機理 （trigger mechamism） *Bohr效應(yīng)效應(yīng)4 氧鍵合的幾種理論模型

5、：氧鍵合的幾種理論模型：(1)Pauling 模型：模型：Fe(II) (O2) FeII O O雙氧和鐵都具有偶數(shù)電子，故呈反鐵磁。雙氧和鐵都具有偶數(shù)電子，故呈反鐵磁。Fe(II)對對O2空的空的軌道的反饋作用，又使軌道的反饋作用，又使FeO鍵具有鍵具有雙鍵性質(zhì)，故稱為超氧化物構(gòu)型。雙鍵性質(zhì)，故稱為超氧化物構(gòu)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 (2)Weiss model 模型：模型： O2在配位時，接受在配位時，接受Fe(II)的電子，形成的電子，形成Fe(III)的超的超氧配合物，即氧配合物，即: 配

6、位后的雙氧處于二重態(tài)配位后的雙氧處于二重態(tài), ,鐵處于低自旋鐵處于低自旋, ,都具有都具有單電子，單電子，S=1/2.S=1/2.這與生成的配合物不具有磁性相這與生成的配合物不具有磁性相矛盾。矛盾。 Fe(III) (O2)或 FeIII OO(3)Griffith 模型：模型： O2采取側(cè)基采取側(cè)基(side group)配位方式，即配位方式，即： OOFeII故稱為過氧化物構(gòu)型故稱為過氧化物構(gòu)型, 配位后的氧是單配位后的氧是單重態(tài)重態(tài)(S=0), Fe(II)是低自旋是低自旋(LS), 都是都是S=0.實驗證明實驗證明,脫氧血紅蛋白脫氧血紅蛋白(deoxyHb)和氧分子和氧分子(O2)都是

7、順磁性物質(zhì)都是順磁性物質(zhì), 而氧合血紅蛋白而氧合血紅蛋白(oxyHb)具有具有反磁性。反磁性。Fe(II)， d6， HS(high spin)， t2g4eg2 LS(low spin), t2g6eg0 而而Weiss模型中，模型中，F(xiàn)eIII，S = 1/2；O2，S = 1/2，這與這與HbO2的反磁性矛盾。但是的反磁性矛盾。但是Mssbauer數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)支持的觀點：支持的觀點： 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的電荷是球形的電荷是球形對稱的，對稱的，Q值較小。值較小。

8、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。 HbO2 和和MbO2紅外振動光譜紅外振動光譜O-O分別是分別是1107cm-1和和1103cm-1，與，與KO2的的1145cm-1很接近。很接近。 Lippard認為認為HbO2和和MbO2中中Fe為為+3價。價。玻爾效應(yīng)：電荷作用玻爾效應(yīng)：電荷作用pH低，低， 氧合蛋白失氧多氧合蛋白失氧多氫鍵作用氫鍵作用肺中吸氧肺中吸氧組織中放組織中放養(yǎng)養(yǎng)緊張態(tài)緊張態(tài)松弛態(tài)松弛態(tài)觸法機制觸法機制O2鍵合的影響因素：鍵合的影響因素： 分壓分壓/ /飽和度飽和度 pH值值 細胞的細胞的H+濃度是調(diào)節(jié)濃度是調(diào)節(jié)Hb功能的重要因素。功

9、能的重要因素。 pH CO2 Bohr effect: pH (or CO2) 對對Hb結(jié)合結(jié)合O2能力能力 的影響。的影響。 人血漿中人血漿中pH7.357.45HHb+O2HbO2+ H+pH 7.6pH 7.2肺肌肉 小分子：小分子： CO, NO 與與Hb結(jié)合力結(jié)合力NO CO O2組成組成：不含鐵卟啉，非血紅素鐵蛋白不含鐵卟啉，非血紅素鐵蛋白(non-heme)，只存在于無脊椎動物中。與血紅蛋，只存在于無脊椎動物中。與血紅蛋白和肌紅蛋白相比，蚯蚓血紅蛋白的研究要晚很多，其晶體結(jié)構(gòu)直到白和肌紅蛋白相比，蚯蚓血紅蛋白的研究要晚很多，其晶體結(jié)構(gòu)直到20世紀世紀90年年代才見報道。代才見報道

10、。8個亞單元，個亞單元，113 amino acid residue, 2Fe， deoxy Hr 無色，無色，oxy Hr 紫紅色，氧合過程中紫紅色，氧合過程中FeII FeIII,O2 O22-. FeII and FeIII HSFe(II)- Fe(III)Fe(II)- Fe(II)Fe(III)- Fe(III)Fe(III)- Fe(II)六、五配位六、五配位結(jié)構(gòu)特點：1 每個亞基含有一個由兩個鐵原子組成的活性中心；2 兩個鐵原子通過一個氧橋（氧合狀態(tài)）或一個羥橋（脫氧 狀態(tài)）以及來自蛋白鏈中天冬氨酸和谷氨酸側(cè)鏈的羧酸根聯(lián)在一起，稱之為雙鐵活性中心；3 除此之外，還與蛋白鏈中的組

11、氨酸的咪唑氮原子配位，其中一個鐵與三個咪唑氮原子配位形成六配位八面體構(gòu)型，另一個鐵只與兩個咪唑氮原子配位，為五配位，剩余一個空位 被水分子占據(jù)；4 現(xiàn)已證實，氧合作用即發(fā)生在該空位上。實際上，蚯蚓血紅蛋白至少有三種狀態(tài)： Fe(II)Fe(II), Fe(II)Fe(III), Fe(III)Fe(III)一、概況一、概況 為了弄清生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的氧載體與分子氧相互為了弄清生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的氧載體與分子氧相互作用的機制，特別是活性中心與氧的成鍵情況，人們除了直作用的機制，特別是活性中心與氧的成鍵情況，人們除了直接用天然載氧體作研究對象之外，還合成了許多結(jié)構(gòu)簡單并接用天然載氧體作研究對

12、象之外，還合成了許多結(jié)構(gòu)簡單并能可逆載氧的模型化合物進行研究。能可逆載氧的模型化合物進行研究。 目前，已知道目前，已知道Co2+, Fe2+, Mn2+, Rh+, Ir+, Ru0, Os0, Ni0, Pt0等過渡金屬的配合物具有可逆載氧性能。其中化學(xué)家最感等過渡金屬的配合物具有可逆載氧性能。其中化學(xué)家最感興趣的是鐵和鈷的配合物。前者可以直接模擬血紅蛋白和肌興趣的是鐵和鈷的配合物。前者可以直接模擬血紅蛋白和肌紅蛋白，后者能提供研究金屬鍵合分子氧的較簡單和有效的紅蛋白，后者能提供研究金屬鍵合分子氧的較簡單和有效的模型。模型。1852年，發(fā)現(xiàn)年，發(fā)現(xiàn)Co(II)鹽的氨水溶液在空氣中變色，鹽的氨水溶液在空氣中變色，1898年，證實變色的物種是年，證實變色的物種是(NH