肌紅蛋白的結構功能及其模型化合物的構建

肌紅蛋白的結構、功能及其模型化合物的構建摘要：肌紅蛋白是肌肉中運載氧的蛋白質，由153個氨基酸殘基組成，含有血紅素，和血紅蛋白同源，與氧的結合能力介于血紅蛋白和細胞色素氧化酶之間，可幫助肌細胞將氧轉運到線粒體。它是由一條肽鏈和一個血紅素輔基組成的結合蛋白，是肌肉內儲存氧的蛋白質，它的氧飽和曲線為雙曲線型。在人體中起到十分重要的作用。關鍵詞：肌紅蛋白、蛋白質、功能、模型化合物正文一、肌紅蛋白的結構一、肌紅蛋白的結構1、肌紅蛋白的蛋白質結構肌紅蛋白（myoglobin，MYO,Mb）是肌肉中的一種貯氧蛋白。由153個氨基酸殘基組成，含有血紅素，和血紅蛋白同源，與氧的結合能力介于血紅蛋白和細胞色素氧化酶之間，可幫助肌細胞將氧轉運到線粒體。肌紅蛋白存在于肌肉中，心肌中含量特別豐富。抹香鯨肌紅蛋白三級結構于1960年由Kendrew用X線衍射法闡明，這是世界上第一個被描述的蛋白質三級結。以抹香鯨肌紅蛋白為例:肌紅蛋白由一條多肽鏈和一個輔基多肽鏈組成：由153個氨基酸殘基組成，輔基：亞鐵血紅素輔基，分子量：16700。形狀：呈緊密球形，多肽鏈中氨基酸殘基上的疏水側鏈大都在分子內部，親水側鏈多位于分子表面，因此其水溶性較好。三級結構有8段a-螺旋區(qū)，每個a-螺旋區(qū)含7?24個氨基酸殘基，分別稱為A、B、C...G及H肽段。有1?8個螺旋間區(qū)，肽鏈拐角處為非螺旋區(qū)（亦稱螺旋間區(qū)），包括N端有2個氨基酸殘基，C端有5個氨基酸殘基的非螺旋區(qū)，處在拐點上的氨基酸殘基Pro,Ile,Ser,Thr,Asn等。極性氨基酸分布在分子表面，內部存在一口袋形空穴，血紅素居于此空穴中。血紅素是鐵卟琳化合物，它由4個毗咯通過4個甲炔基相連成一個大環(huán)，F(xiàn)e2+居于環(huán)中。鐵與卟琳環(huán)及多肽鏈氨基酸殘基的連接：鐵卟琳上的兩個丙酸側鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個堿性氨基酸側鏈上的正電荷相連。血紅素的Fe2+與4個咯環(huán)的氮原子形成配位鍵，另2個配位鍵1個與F8組氨酸結合，1個與O2結合，故血紅素在此空穴中保持穩(wěn)定位置。2、卟琳化合物的機構血紅蛋白和肌紅蛋白的載氧活性部位是血紅素輔基——鐵卟琳。卟琳的骨架是卟吩。卟吩由四個毗咯環(huán)以次甲基相連而成，是具有多個雙鍵的共軛大n鍵體系。卟琳是卟吩的衍生物，在命名卟琳時需標出取代基的位置。存在于血紅蛋白，肌紅蛋白和多種細胞色素中的原卟琳IX，它為1，3,5,8一四甲基2,4二乙烯基6，7一二丙酸基卟吩。圖］iii⑶素的分r緒構卟琳是重要的生物配體，它與Fe(II)形成鐵(II)卟琳。血紅素是鐵卟琳一類配合物的總稱。血紅素與相應的蛋白結合為血紅素蛋白(血紅蛋白)。卟琳分子中共有11個共朝雙鍵，是一種具有大共軛環(huán)狀結構的化合物。這個高度共朝體系極易受毗咯及次甲基的取代基的電子效應影響，表現(xiàn)為各不相同的電子光譜。卟琳環(huán)上的毗咯氮原子表現(xiàn)出酸堿兩種性質，卟琳的四個毗咯氮原子均能與金屬離子配位形成金屬卟琳。卟吩分子中，從毗咯氮到環(huán)中心的距離是204pm。但卟琳與不同金屬離子配位以后，毗咯氮原子與中心金屬原子的距離各不相同，如高鐵卟琳為210pm，鎳卟琳為195pm。由于金屬離子大小不同，卟琳環(huán)又具有一定程度剛性，因此中心離子不一定位于卟琳環(huán)平面上。如果金屬離子大小合適，它會與四個毗咯氮原子形成嚴格的正方形結構，如：四苯基卟琳錫(W)。但也有很多中心離子位于卟琳環(huán)平面上方。比如高自旋Fe(II)卟琳，中心離子位于卟琳環(huán)平面上方75pm。在金屬卟琳分子里，如果軸向配體不同，它的性質可能不同。血紅蛋白中，F(xiàn)e(II)與四個氮原子配位，在軸向第五位是蛋白質的氨基酸殘基(組氨酸殘基一咪唑氮)，第六配位位置便能可逆吸氧和放氧。細胞色素c的軸向配體是組氨酸殘基咪唑氮和蛋氨酸的硫，它起傳遞電子的作用。肌紅蛋白的功能1、肌紅蛋白的功能肌紅蛋白的主要功能是在肌肉中有運輸氧和儲氧功能肌紅蛋白的三級結構，其作用機理主要是蛋白質的結構所決定的。由于鐵與卟琳環(huán)及多肽鏈氨基酸殘基的連接，這種構象非常有利于運氧和儲氧功能，同時也使血紅素在多肽鏈中保持穩(wěn)定。但是過量運動、勞累、陽光輻射、空氣污染、吸煙、農藥等會產生過量的自由基。自由基，化學上也稱為“游離基”，是含有一個不成對電子的原子團。由于原子形成分子時，化學鍵中電子必須成對出現(xiàn)，因此自由基就到處奪取其他物質的一個電子，使自己形成穩(wěn)定的物質。在化學中，這種現(xiàn)象稱為“氧化”。體內活性氧自由基具有一定的功能，如免疫和信號傳導過程。但過多的活性氧自由基就會有破壞行為，導致人體正常細胞和組織的損壞，而肌紅蛋白是富氧鏈蛋白，更容易遭到自由基的攻擊。遭到自由基的攻擊從而引起多種疾病，如心臟病、老年癡呆癥、帕金森病和腫瘤，與肌紅蛋白被氧化存在著密切的關系。此外，更多活性氧自由基，使核酸突變，這是人類衰老和患病的根源。2、血紅素的鐵與氧鍵合的幾種理論模型血紅蛋白的結構復雜，現(xiàn)還不能準確測定出血紅蛋白中的Fe(II)與氧如何結合。很多科學家提出了多個理論模型，其中L.Pauling,，J.J.Weiss和J.S.Griffith提出的三種理論模型最重要。Pauling模型：O2提供端基電子對與Fe2+配位+?FeOXFe(I)電子為3d6，偶數(shù)，反磁性，O2也為偶數(shù)電子，呈反磁性。。2提供端基電子與Fe(I)成配位鍵后，F(xiàn)e(I)的d電子對反饋給氧的空的n*軌道，使Fe-O鍵具有雙鍵性質，故稱為超氧化物構型。Weiss模型：O2在配位時接受Fe(II)一個電子，雙氧以O-2與Fe(III)配位雙氧和鐵都有一個成單電子，形成配合物具有順磁性。(3)Griffith模型：O2采取側基配位，即OFe(II)，VO反磁性以上幾種模型都沒有能真正反映血紅蛋白與氧分子鍵合的本質，對這個問題的研究還有待進一步深入。三、肌紅蛋白模型化合物的構建1、卟琳與金屬卟琳化合物的制備(1)Rothemund法四苯基口卜琳最早由Rothemund合成出來。其方法是將等摩爾的苯甲醛和毗咯以及毗啶溶劑置于密封容器中，在150°C反應24—48小時，能得到產率很低的四苯基卟琳，并且在此條件下，能用來作反應物的取代苯甲醛極少。該法反應時間長，所需反應條件苛刻，且要求反應器密閉隔氧，底物濃度較低；后處理非常麻煩，反應收率低，僅有極少數(shù)芳醛可用于合成卟琳，因此該法逐漸為后人所改進。(2)Adler法4PhCHO+4CHN丙酸>TPPH+HO45回流22ML+TPPH有機溶劑>M"TPP+2HL回流1967年Adler和他的助手采用苯甲醛和毗咯在回流(141°C)的丙酸中反應，反應時間為30min，冷卻，過濾，濾餅分別以甲醇和熱水洗滌，真空干燥，得藍紫色四苯基卟琳晶體。此方法不必將反應器密封，產率達到20%。用該方法合成時，反應原料除苯甲醛，還可用取代苯甲醛合成四苯基卟琳的衍生物。此法是目前應用最廣泛的中位取代四苯基卟琳的合成方法，操作簡單，原料濃度可較大。Adler法大大豐富了合成中位四苯基卟琳化合物的內容。Lindsey法4PhCHO+4CHNbf3乙醚>TPPH+HO45Ed?221987年Lindsey進一步改進了四苯基卟琳的合成。采用苯甲醛和毗咯在氮氣的保護下，在二氯甲烷中，以三氟化硼合乙醚絡合物((C2H5)2O?BF3)催化，室溫下反應生成卟琳原，然后以二氯二氤基苯醍(DDQ)或四氯苯醍(TCQ)將卟琳原氧化得到最終產物卟琳，產率可達30%。但是該方法反應原料濃度較低，以毗咯計僅為10-2molL，且反應步驟較多，反應條件較苛刻，難以進行大量合成。微波合成法1992年法國化學家PetitA及其合作者首次報道了固相微波合成TPP，產率為9.5%。1996年，胡文祥等用微波濕法合成TPP。繼后，劉云、胡希明等也分別探討了不同溶劑、不同催化劑條件下TPP的微波合成，但前者操作較繁瑣，后者的產率較低(14%以下)。陳年友等報道了以硝基苯為溶劑，氯乙酸為催化劑，以195W功率的微波輻射6min，四苯基卟琳的產率為36%，且操作簡單，反應條件溫和，反應時間短，粗產物較易分離純化。其他合成方法2、重要模型化合物一合成氧載體除了對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機化學研究中非常重要的組成部分。以卟啉與金屬卟啉化合物為基礎，關于其模擬化合物的構建，也隨之發(fā)展起來，并取得了很重要的成果。一方面，由于金屬蛋白等生物分子的相對分子質量一般較大、體系比較復雜，需要通過簡化、設計合成模型化合物等方法來進行研究，可以得到一些通過直接研究金屬蛋白分子本身不能得到的信息，揭示蛋白功能與結構之間的關系。另一方面，通過模擬天然金屬蛋白的結構和功能，為進一步開發(fā)利用天然蛋白及其模型化合物提供基礎。在氧載體研究中，模型化合物的合成及其結構和功能間關系的研究特別重要，它可以為闡明載氧過程及載氧機理提供依據，并為合成具有實際應用價值的具有載氧功能的化合物(人造血液)等提供基礎。(1)血紅蛋白和肌紅蛋白的模擬研究為了模擬天然血紅蛋白和肌紅蛋白的活性中心，科學家合成了許多含鐵的卟啉配合物。初期的研究主要集中在簡單的鐵一卟啉配合物，如［Fe(TPP)(N-MeIm)］，其中TPP為內消旋一四苯基卟啉，N-MeIm為N-甲基咪唑。要實現(xiàn)可逆結合氧分子，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的發(fā)生，即如何避免雙核鐵配合物的形成是成功合成鐵一卟啉人工氧載體的關鍵。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一卟啉的人工氧載體。A、空間阻礙方法空間阻礙方法就是設計和合成具有立體阻礙基團的卟啉合鐵配合物PFe(II)，利用其空間位阻效應使PFe(II)與O2反應時只能生成PFe(II)O2,而阻礙橋聯(lián)雙核物種PFe(III)-O-O-Fe(III)P的生成。以［Fe(TpivPP)］為基礎，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，［Fe(TpivPP)LO2］不能發(fā)生二聚反應，從而成功得到了第一個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bO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。B、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，四苯基卟琳（TPP）合鐵配合物在低溫（一45°C）下與氧分子反應時，反應受動力學控制，抑制了熱力學有利的二聚反應，從而實現(xiàn)了可逆的載氧過程。提高溫度則生成不可逆氧化產物。C、剛體支撐方法剛體支撐方法是將容易發(fā)生氧化二聚反應的卟琳合鐵配合物接在固體表面或高分子表面，使兩個鐵原子不能相互靠近，從而達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合。（2）蚯蚓血紅蛋白的模擬研究因為蚯蚓血紅蛋白的活性中心是由雙核鐵構成的，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。根據活性中心鐵離子價態(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。A、Fe3+-Fe3+高鐵模型化合物Fe2iiiO（OAc）2（HBpz3）2的晶體結構，HBpz3-為氫化三（毗唑基）硼酸根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構和譜學性質。

B、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。C、Fe3+-Fe2+半高鐵模型化合物將Fe3+-Fe3+高鐵模型化合物進行單電子還原，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+混合價的雙核鐵配合物非常不穩(wěn)定，到目前還沒有被合成并分離得到。總之，盡管蚯蚓血紅蛋白模型化合物的結構與天然蚯蚓血紅蛋白雙鐵活性