生物無機化學(xué)

生物無機化學(xué)Bioinorganicchemistry田金磊化學(xué)樓北樓414tiant@———12/12/2023計亮年，莫庭煥；生物無機化學(xué)導(dǎo)論，中山大學(xué)出版社。楊頻，高飛；生物無機化學(xué)原理，科學(xué)出版社。———12/12/20233.Lippard，席振峰（譯）；生物無機化學(xué)原理，北京大學(xué)出版社。4.郭子建，孫為銀；生物無機化學(xué)，科學(xué)出版社?！?2/12/2023WhatisBioinorganicChemistry?

Bioinorganicchemistryconstitutesthedisciplineattheinterfaceofthemoreclassicalareasofinorganicchemistryandbiology.Bioinorganicchemistryhastwomajorcomponents:thestudyofnaturallyoccurringinorganicelementsinbiologyandtheintroductionofmetalsintobiologicalsystemsasprobesanddrugs.———12/12/2023

BioinorganicChemistryorInorganicBiochemistry？生物化學(xué)家、醫(yī)學(xué)家研究無機生物化學(xué)和無機化學(xué)家研究生物無機化學(xué)的角度有些差異。前者研究金屬離子及其化合物對生物體的生理和病理作用。后者研究金屬離子及其化合物與生物體系的相互作用。

———12/12/2023J.Inorg.Biochem.(IF=3.287)J.Bio.Inorg.

Chem.(IF=3.317)Scientificjournals———12/12/2023———12/12/2023，第一章概述及相關(guān)基礎(chǔ)知識一、生物無機化學(xué)發(fā)展史二、生物無機化學(xué)的研究內(nèi)容三、生命元素四、生命配體———12/12/2023一、生物無機化學(xué)發(fā)展史

上世紀(jì)五十年代，肯德魯和佩魯茨解析了肌紅蛋白和血紅蛋白的結(jié)構(gòu)，兩者分享1962年的諾貝爾化學(xué)獎。

Kendrew,John

CowderyMaxFerdinand

Perutz

———12/12/20231970年，在美國Virginia州舉行了國際生物無機化學(xué)討論會，僅19篇報告，并由R.F.Gould匯編“生物無機化學(xué)”。1971年，

D.R.Willams出版專著《生命金屬》“TheMetalofLife”。1971年，美國著名化學(xué)家G.N.Schrazer主編的雜志BioinorganicChemistry創(chuàng)刊，1979年更名為Journalof

InorganicBioChemistry。1973年，H.Sigel等主編叢書MetalionsinBiologicalSystems,系統(tǒng)收集金屬離子在生物體中的結(jié)構(gòu)和功能數(shù)據(jù)。———12/12/20231977年，G.N.Schrazer發(fā)起成立了國際生物無機化學(xué)協(xié)會.1983年起，由I.Bertini，H.B.Gray，B.Ｇ．MalmstromandH.Sigel組成生物無機化學(xué)國際會議組織委員會,決定每兩年召開一次會議.1995年，C.D.Garner和I.Betini再次發(fā)起成立國際生物無機化學(xué)學(xué)會(TheSocietyofBiologicalInorganicChemistry，簡稱SBIC)，并于1996年出版會刊“Journal

ofBiologicalInorganicChemistry”?！?2/12/2023

2003年，美國科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機理研究而獲諾貝爾化學(xué)獎。

PeterAgreRoderickMacKinnon

諾貝爾獎

———12/12/2023生物無機化學(xué)發(fā)展的推動力蛋白質(zhì)和其他生物分子高分辨結(jié)構(gòu)的迅速測定。用于結(jié)構(gòu)及動力學(xué)測定的高效光譜儀器的應(yīng)用。生物工程在創(chuàng)造新的生物相關(guān)結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，如基因定點突變技術(shù)等?！?2/12/2023國際生物無機化學(xué)會議（ICBIC）

InternationalConferenceonBiologicalInorganicChemistryICBIC-11983年意大利ICBIC-21985年葡萄牙ICBIC-31987年荷蘭ICBIC-41989年美國ICBIC-51991年英國金屬識別、儲存、輸送和組裝ICBIC-61993年美國固氮酶的結(jié)構(gòu)及催化及其機理ICBIC-71995年德國金屬離子對基因調(diào)節(jié)影響ICBIC-81997年日本丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺ICBIC-91999年美國———12/12/2023ICBICLOGO———12/12/2023ICBIC-102001年意大利中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生物無機化學(xué)ICBIC-112003年澳大利亞金屬離子在細(xì)胞的交通圖ICBIC-122005年美國ICBIC-132007年奧地利ICBIC-142009年日本ICBIC-152011年加拿大ICBIC-162013年法國ICBIC-172015年中國

國際生物無機化學(xué)會議（ICBIC）———12/12/2023ICBICLOGO———12/12/2023

/

ICBICLOGO———12/12/2023SessionTopicsforICBIC14BioenergeticsSmallMoleculesActivationTrafficandStorageofMetalIonsMetalloproteinsBiogenesisofMetalloproteinsMolecularDesignofMetalloproteinsMetal-DNA/RNAInteractionMetalIonsinDrugDesign,Neuroscience,andDiseaseBioorganometallicChemistryBionanomaterialsNewTrendsinBioinorganicChemistry———12/12/2023國際應(yīng)用生物無機化學(xué)學(xué)術(shù)討論會（ISABC）InternationalSymposiumonAppliedBioinorganicChemistryISABC-11990年武漢

ISABC-21992年廣州

ISABC-31994年澳大利亞

ISABC-41997年南非

ISABC-51999年希臘

ISABC-62001年英國ISABC-72003年墨西哥

ISABC-82004年香港

ISABC-92006年阿根廷

ISABC-102009年

匈牙利ISABC-112011年西班牙

———12/12/2023亞洲生物無機化學(xué)學(xué)術(shù)會議（AsBic）TheAsianBiologicalInorganicChemistryConference

———12/12/2023全國生物無機化學(xué)學(xué)術(shù)會(CBIC)

第十一屆會議議題(2011年,保定,河北大學(xué))無機物與生物大分子的相互作用無機藥物化學(xué)及其作用機理金屬蛋白與金屬酶、細(xì)胞生物無機化學(xué)生物礦化與仿生無機材料納米材料與生物效應(yīng)金屬和小分子探針稀土生物無機化學(xué)環(huán)境生物無機化學(xué)生物無機化學(xué)研究中新方法、新技術(shù)生物無機化學(xué)理論或應(yīng)用相關(guān)的其它研究———12/12/2023王夔計亮年倪嘉纘

生物無機化學(xué)家，中科院院士———12/12/2023二、生物無機化學(xué)的研究內(nèi)容金屬酶和金屬蛋白的結(jié)構(gòu)和功能金屬離子及其配合物與生物大分子的相互作用生物礦化電子傳遞反應(yīng)金屬離子和細(xì)胞的相互作用離子載體探針和金屬藥物金屬酶和模擬酶的應(yīng)用———12/12/2023金屬酶和金屬蛋白的結(jié)構(gòu)和功能（a）金屬離子的成鍵位置（b）活性中心周圍微環(huán)境（c）蛋白鏈在保證金屬離子正常工作的貢獻（d）蛋白鏈與底物的結(jié)合方式———12/12/2023金屬離子及其配合物與生物大分子的相互作用共價結(jié)合非共價結(jié)合———12/12/2023生物礦化（

biomineralization）

生物礦物材料（骨頭、牙齒、蛋殼等）是由礦物與基質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合材料，具有高度的裝配有序性，又特殊的理化性質(zhì)、可控的動態(tài)性質(zhì)和特殊的生物功能。定義：有機物質(zhì)在微生物作用下分解，釋放能量，轉(zhuǎn)化為簡單無機物質(zhì)的過程?！?2/12/2023電子傳遞反應(yīng)生命過程的核心是能量傳遞，而能量傳遞的中心過程是電子傳遞。生物體內(nèi)電子傳遞與化學(xué)反應(yīng)中的電子傳遞有著重要的區(qū)別?！?2/12/2023金屬離子和細(xì)胞的相互作用細(xì)胞是生命活動的基本單位；金屬及其化合物與細(xì)胞的相互作用是其表現(xiàn)的生物效應(yīng)得化學(xué)基礎(chǔ)；如化合物與細(xì)胞相互作用時，細(xì)胞化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、功能方面的變化和無機物結(jié)構(gòu)變化機理；化合物和自由基對細(xì)胞增殖、分化和凋亡過程中的作用位點、干預(yù)方式、作用機理與化合物性質(zhì)的關(guān)系；cellularbioinorganicchemistry

———12/12/2023離子載體,ionophore可有選擇地結(jié)合專一離子，并攜帶其穿過不透性膜的脂溶性小分子。———12/12/2023探針和金屬藥物用一些其他的金屬元素替代生物無機化合物中的原有金屬元素，從而用各種波譜方法來研究和確定體系的結(jié)構(gòu)和作用。例如，用半徑與鋅相近的鈷離子作探針，代替羧肽酶中的鋅，從而根據(jù)含鈷酶的光譜推斷羧肽酶中鋅的配位環(huán)境。用錳離子做探針，根據(jù)含錳羧肽酶的核磁共振譜確定了羧肽酶中鋅和一水分子或羥基相連?！?2/12/2023———12/12/2023金屬酶和模擬酶的應(yīng)用研究金屬酶的結(jié)構(gòu)與功能合成它們的模擬物，以推動它們在生產(chǎn)中的應(yīng)用?！?2/12/2023探討常見的疾病的發(fā)病與某些金屬元素與非金屬元素之間的關(guān)系，研究調(diào)節(jié)和控制這些元素來防止病變的發(fā)生。硒：地方性疾病克山病——心臟損傷性疾病大骨節(jié)病——慢性對稱性畸形骨關(guān)節(jié)病———12/12/2023三、生命元素生物體的必須元素存在于正常組織之中。在各物體中有一定的濃度范圍。如果從機體排除這種元素將會引起特殊的生物化學(xué)變化，重新引入這種元素，上述變態(tài)將可以消失。至少有26種生物體的必須元素?！?2/12/2023占人體總重量低于0.01％的元素人體中的元素常量元素微量元素C、H、O、N、P、S、Cl、Na、Mg、K和Ca等11種，約占體重的99.25％。Rb、As、B、Ti、Al、Ba、Nb和Zr等8種。Bi、Sb、Be、Cd、Hg和Sb等6種。必需微量元素非必需微量元素有毒微量元素占人體總重量高于0.01％的元素鐵、鋅、銅、鉻、錳、硒、鎳、鈷、氟、碘、鉬、釩、錫、硅、溴等15種?！?2/12/2023

BiologicalfunctionofselectedmetalionsMetalFunctionSodiumChargecarrier;osmoticbalancePotassiumChargecarrier;osmoticbalanceMagnesiumStructure;hydrolase;isomeraseCalciumStructure;trigger;chargecarrierVanadiumNitrogenfixation;oxidaseChromiumUnknown,possibleinvolvementinglucosetoleranceMolybdenumNitrogenfixation;oxidase;oxotransferManganesePhotosynthesis;oxidase;structureIronOxidase;dioxygentransportandstorage;electrontransfer;nitrogenfixation;CobaltOxidase;alkylgrouptransferNickelHydrogenase;hydrolaseCopperOxidase;dioxygentransfer;electrontransfer;ZincStructure;hydrolase———12/12/2023Non-essentialbutvaluableelementsAfewelementshavebecomeofmarkedclinicalvalue.Clinicalvalueofsomeelements

ValueElementPsychotropicdrugformanic-depressiveillness（狂躁抑郁類精神類藥物）LiDiagnosticimaging（診斷成像）Tc-99mMagneticresonanceimagingenhancementGdCytotoxicdrugPtAntiarthriticdrug（治療風(fēng)濕病類藥物）Au———12/12/2023最適營養(yǎng)濃度定律濃度，明顯地影響著它對生物體是“必需”、“有益”還是“有害”。法國科學(xué)家G.Bertrand在研究錳對植物生長的影響后，提出了一個最適營養(yǎng)定律：植物缺少某種必需元素時不能成活，當(dāng)該元素適量時就能茁壯成長，但過量時又轉(zhuǎn)為有害?！?2/12/2023表1.常見微量元素對人體健康的影響元素主要功能缺乏癥過量癥Fe參與多種新陳代謝過程貧血、齲齒、無力智力發(fā)育緩慢、肝硬化Cu血漿蛋白和多種酶的重要成分低蛋白血癥、貧血、冠心病肝硬化、類風(fēng)濕Zn控制酶的代謝活性部位等貧血、高血壓、侏儒癥頭昏、腸胃炎、皮膚病Ca傳遞神經(jīng)脈沖、肌肉收縮、釋放激素、心律調(diào)節(jié)軟骨畸形、痙攣膽結(jié)石、粥樣硬化Mg蛋白質(zhì)生物合成驚厥麻木癥———12/12/2023克汀病碘缺乏呆、小、聾、啞、癱侏儒先天畸形鋅缺乏厭食、生長障礙，骨畸形克山病硒缺乏心律不齊，心臟擴大，心率衰竭，休克大骨節(jié)病硒缺乏有關(guān)肌肉萎縮、發(fā)育障礙，行動蹣跚硒中毒硒過量脫發(fā)脫甲，皮膚潮紅、神經(jīng)、牙齒損害表2.微量元素引起的地方病———12/12/2023黑皮病慢性砷中毒皮膚色素過渡沉著、神經(jīng)性皮炎，致癌水俁(yu)病慢性甲基汞中毒感覺障礙、共濟失調(diào)，語言、智力障癌骨痛病慢性鎘中毒易骨折、骨質(zhì)疏松、軟化變形，疼痛地方性氟中毒水中氟過量氟斑釉齒、氟骨病、心臟病鬼剃頭鉈中毒脫發(fā)、頭暈、乏力、食欲不振，視物模糊表2.微量元素引起的地方病(續(xù))———微量元素引起的地方病地方性甲狀腺腫碘缺乏地方性克汀病呆小聾啞癱———12/12/2023侏儒、先天畸形厭食、生長障礙，骨畸形鋅缺乏六旬母親肩背侏儒兒子30載，用壞20個背篼———12/12/2023硒缺乏克山病心律不齊，心臟擴大，心率衰竭，休克大骨節(jié)病

肌肉萎縮、發(fā)育障礙、行動蹣跚地方性硒中毒硒過量脫發(fā)脫甲，皮膚潮紅、神經(jīng)、牙齒損害———微量元素引起的地方病(續(xù))黑皮病慢性砷中毒

皮膚色素過渡沉著、神經(jīng)性皮炎，致癌。水俁病慢性甲基汞中毒

感覺障礙、共濟失調(diào)，語言、智力障癌?！氐闹卸竟峭床?/p>

易骨折、骨質(zhì)疏松、軟化變形，疼痛鋁過量引起的腦癡呆———12/12/2023

電鍍時吸入鉻酸霧，產(chǎn)生的六價鉻化物，可損害人體皮膚及呼吸道，形成很深的潰瘍既鉻瘡。鉻瘡出現(xiàn)后，鉻毒素進入人體血液沉淀。女工陳麒穗,在重慶市巴南區(qū)渝南鑫光燈具有限公司電鍍車間打工四個月，體內(nèi)鉻含量竟然超標(biāo)一萬倍!———12/12/2023鬼剃頭鉈中毒脫發(fā)、頭暈、乏力、食欲不振，視物模糊。清華女生“鉈”中毒后無望掙扎十多年

———12/12/2023四、生命配體蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)是生命體系中最重要的一類生物大分子，是生命活動的主要承載者以及生命現(xiàn)象的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。核酸：核酸是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，與生物的生長，發(fā)育等呈長生命活動以及癌變等異常生命活動相關(guān)。酶:具有生物催化功能的生物大分子,大多數(shù)由蛋白質(zhì)組成（少數(shù)為RNA）?！?2/12/2023蛋白質(zhì)可以被酸堿或蛋白酶催化水解完全水解得到各種氨基酸的混合物，部分水解通常得到多肽片段。最后得到各種氨基酸的混合物。所以，氨基酸是蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元。大多數(shù)的蛋白質(zhì)都是由20種氨基酸組成。這20種氨基酸被稱為基本氨基酸。蛋白質(zhì)L-

-氨基酸———12/12/2023———12/12/2023———12/12/2023UV特征吸收：260－280nm———12/12/2023構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種氨基酸在可見光區(qū)都沒有光吸收，但在遠(yuǎn)紫外區(qū)(<220nm)均有光吸收。在近紫外區(qū)(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力?！?2/12/2023———12/12/2023———12/12/2023

氨基酸殘基可能的配位方式

———12/12/2023重要的不常見氨基酸

在少數(shù)蛋白質(zhì)中分離出一些不常見的氨基酸，通常稱為不常見蛋白質(zhì)氨基酸,這些氨基酸都是由相應(yīng)的基本氨基酸衍生而來的。———12/12/2023非蛋白氨基酸

除了上述構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸以外，自然界還存在一些并不是蛋白質(zhì)組分的氨基酸，這些氨基酸通常被稱為非蛋白氨基酸，至今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)200多種以上，它們具有不同的功能。

高半胱氨酸：甲硫氨酸生物合成的中間產(chǎn)物———12/12/2023蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)———12/12/2023將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次進一步細(xì)分，可在二、三級結(jié)構(gòu)之間增加超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域兩個層次。TheStructuresofProteins蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域低高———12/12/2023蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(Primarystructure)包括組成蛋白質(zhì)的多肽鏈數(shù)目.多肽鏈的氨基酸順序，以及多肽鏈內(nèi)或鏈間二硫鍵的數(shù)目和位置。其中最重要的是多肽鏈的氨基酸順序，它是蛋白質(zhì)生物功能的基礎(chǔ)。牛胰核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)

———12/12/2023蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(Primarystructure)包括組成蛋白質(zhì)的多肽鏈數(shù)目.多肽鏈的氨基酸順序，以及多肽鏈內(nèi)或鏈間二硫鍵的數(shù)目和位置。其中最重要的是多肽鏈的氨基酸順序，它是蛋白質(zhì)生物功能的基礎(chǔ)。牛胰核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)

———12/12/2023蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

肽鏈的主鏈在空間的排列。它只涉及肽鏈主鏈的構(gòu)象及鏈內(nèi)或鏈間形成的氫鍵?！?2/12/2023蛋白質(zhì)中的幾種超二級結(jié)構(gòu)motif

motifhairpin相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元經(jīng)常按照一定規(guī)律、規(guī)則地組合在一起，彼此相互作用，形成在空間構(gòu)象上特征的二級結(jié)構(gòu)組合單位。———12/12/2023結(jié)構(gòu)域（structuraldomain）對于一些相當(dāng)大的蛋白質(zhì)分子，一條長的多肽鏈，有時要先分別折疊成幾個相對獨立的區(qū)域，再組裝成球狀或顆粒狀的復(fù)雜構(gòu)象（三級結(jié)構(gòu)）。這種在二級結(jié)構(gòu)或超二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成的特定區(qū)域稱為結(jié)構(gòu)域（structuraldomain）。每個結(jié)構(gòu)域自身都是緊密裝配的，但結(jié)構(gòu)域之間的聯(lián)系是比較松散的，因此在兩個結(jié)構(gòu)域間常常形成空穴。不同的蛋白質(zhì)，其結(jié)構(gòu)域的數(shù)目各不相同。蛋白質(zhì)分子分成幾個結(jié)構(gòu)域的現(xiàn)象，通常與蛋白質(zhì)的功能有關(guān)?！?2/12/2023

疏水相互作用靜電相互作用金屬離子配位作用折疊結(jié)構(gòu)鏈間氫健螺旋結(jié)構(gòu)鏈內(nèi)氫健二硫健側(cè)鏈之間氫健穩(wěn)定蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的主要作用力———12/12/2023

蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)(QuaternaryStructure)是指由多條各自具有一、二、三級結(jié)構(gòu)的肽鏈通過非共價鍵連接起來的結(jié)構(gòu)形式；各個亞基在這些蛋白質(zhì)中的空間排列方式及亞基之間的相互作用關(guān)系。四級結(jié)構(gòu)———12/12/2023核酸（Nucleicacid）核酸分為脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸（RNA)兩種。DNA是染色體的主要成份。DNA是所有生物的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)，生物體的遺傳信息都貯存在DNA中。RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中。有三種RNA，即信使核糖核酸(mRNA)核糖體核糖核酸(rRNA)和轉(zhuǎn)運核糖核酸(tRNA)。有一類被稱為核糖酶（ribozyme）的RNA分子具有酶學(xué)功能，有關(guān)核糖酶中金屬離子的作用是目前生物無機化學(xué)領(lǐng)域的一個熱點研究內(nèi)容。———12/12/2023———12/12/2023五種堿基

嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine)鳥嘌呤(guanine)(DNAonly,A)(DNAonly,G)

(1)嘌呤堿

———12/12/2023(2)嘧啶堿

嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)

———12/12/2023(2)嘧啶堿

嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)

———12/12/2023(3)核苷

腺嘌呤脫氧核苷———12/12/2023(4)胞嘧啶脫氧核苷(5)5’-腺嘌呤核苷酸

———12/12/2023磷酸腺苷

———12/12/2023TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"FrancisH.C.CrickMauriceH.F.WilkinsJamesD.Watson———12/12/2023①兩條鏈以相反方向繞同一軸形成右旋雙螺旋,直徑2nm,轉(zhuǎn)一周高度3.4nm,含10個核苷酸,大溝槽,小溝槽。②內(nèi)側(cè)base基以Hband相連,維持doublehelix。③A=T,G≡Cbasecomplementarybasestackingforce堿基堆積力內(nèi)－疏水，外－親水，靜電作用。④double-strandedcyclicDNA雙鏈環(huán)型DNASuperhelix超螺旋

Supercoil超卷曲DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)要點———12/12/2023HelicalformsofDNA1turn10b11b12b1rise3.4?2.3?3.8?———12/12/2023StructureofaG-quartetDifferentstrandorientationsfor4-strandintermolecularquadruplexesInternationalJournalofMassSpectrometry253(2006)225–237G-四鏈體結(jié)構(gòu)（G-quadruplex）由富含G的DNA鏈形成的特殊二級結(jié)構(gòu)———12/12/2023RNA的結(jié)構(gòu)大腸桿菌16SrRNAtRNA———12/12/2023酶非蛋白質(zhì)部分－輔基Prostheticgroup

酶－結(jié)合蛋白，需要有非蛋白質(zhì)組分才表現(xiàn)出活性。酶蛋白質(zhì)－無催化活性apoenzyme輔因子（cofactor）－非蛋白部分：輔酶（coenzyme）＋輔基（Prosthetic）全酶＝酶蛋白＋輔因子———12/12/2023酶的分類（酶促反應(yīng)）：

①

oxidoreductase

②transferase

③hydrolase

④lyases（裂解酶）

⑤

isomerase

⑥ligases（鏈接酶）———12/12/2023第二章天然氧載體及其化學(xué)模擬第一節(jié)

天然氧載體第二節(jié)人工氧載體———-河蚌淡藍(lán)色血烏賊綠色血蚯蚓玫瑰紅色血動物血液顏色———12/12/2023蝦、河蟹淡青色血蝸牛透明的血昆蟲綠色血大天蠶蛾α-胡蘿卜素、核黃素和黃素-核苷酸菜粉蝶家蠶———12/12/2023魚類兩棲類爬行類鳥類哺乳類人類紅色血液———12/12/2023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?？諝庵醒醴肿釉谒械娜芙舛群艿?，常溫常壓下20ml/L；有了載氧體血液中氧的濃度比水中的氧濃度高出10倍以上，達到250ml/L。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。目前，已知的天然載氧體有5種，都是活性中心含有金屬離子的蛋白質(zhì)。

第一節(jié)天然氧載體naturaloxygencarriers———12/12/2023

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)進行維持生命所需的各種氧化作用。按照蛋白質(zhì)載氧的活性部位的化學(xué)本質(zhì)，主要可以把天然氧載體分為三類：

①含血紅素(heme)輔基的蛋白(70%):

血紅蛋白(hemoglobin,Hb)和肌紅蛋白(myoglobin,Mb)；

②不含血紅素的鐵蛋白:

蚯蚓血紅蛋白(hemerythrin,Hr)；

③含銅蛋白:血藍(lán)蛋白(hemocyanin,Hc)?！?2/12/2023其它天然氧載體血釩蛋白，hemovanadin含釩的一種蛋白。像這種含有釩色原的血細(xì)胞稱為釩細(xì)胞。含有三氧化二釩的血液為綠色，含四氧化二釩的藍(lán)色，含五氧化二釩的為橙色。血釩蛋白是天然氧載體。存在于海鞘類動物體內(nèi)。每原子釩可結(jié)合一個氧分子，載氧后呈綠色?！?2/12/2023天然氧載體的若干性質(zhì)天然氧載體血紅蛋白肌紅蛋白蚯蚓血紅蛋白血藍(lán)蛋白金屬FeFeFeCu金屬﹕O24Fe:4O2Fe﹕O22Fe﹕O22Cu﹕O2脫氧金屬氧化態(tài)Fe（II）Fe（II）Fe（II）Cu（I）金屬鍵合部位卟啉卟啉蛋白質(zhì)側(cè)鏈蛋白質(zhì)鏈亞基數(shù)目418可變相對分子質(zhì)量6500017500108000(4-90)×105載氧顏色紅紅紫紅藍(lán)脫氧顏色紫紅紫紅無色無色主要生物功能輸送氧儲存氧輸送氧輸送氧———12/12/2023卟啉血紅蛋白和肌紅蛋白的載氧活性部位是血紅素輔基-鐵卟啉;卟啉的骨架是卟吩。卟吩由四個吡咯環(huán)以次甲基相連而成，是具有多個雙鍵的共軛大π鍵體系?！?2/12/2023某些常見的天然卟啉

名稱取代基12345678原卟啉Ⅸ（protoporphyrinⅨ）MVMVMPPM中卟啉Ⅸ（mesoporphyrinⅨ）MEMEMPPM次卟啉Ⅸ（deutoroporphyrinⅨ）MHMHMPMM血卟啉Ⅸ（hematoporphyrinⅨ）MBMBMPPM血綠卟啉（chlorocruoroporphyriⅨ）MFMVMPPM糞卟啉Ⅲ（coporphyrinⅢ）MPMPMPPM本卟啉Ⅲ（aetioporphyrinⅢ）MEMEMEEM尿卟啉Ⅲ（uroporphyrinⅢ）APAPAPPA[注]

A：－CH2COOH；B：－CH(OH)CH3；E：－C2H5；F：－CHO；

M：―CH3；P：―CH2CH2COOH；V：―CH=CH2———12/12/2023

卟啉是重要的生物配體,哺乳動物體內(nèi)約70%的鐵元素與卟啉形成配合物。它與鐵形成鐵卟啉，血紅素（heme）是鐵（II）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。卟啉與血紅素原卟啉Ⅸ

卟啉骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)（鍵長單位：nm）

———12/12/2023四種不同的血紅素hemeahemebhemechemed———12/12/2023金屬與卟啉平面的相對位置金屬離子的半徑如合適，可與卟啉形成平面型配合物，否則為變形配合物?？臻g構(gòu)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。金屬卟啉軸向配體不同，性質(zhì)不同，功能不同，中心離子不同，功能也不同?！?2/12/2023血紅蛋白Hemoglobin(Hb)功能：輸送氧；

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。

結(jié)構(gòu)：成人：

2

2，95%以上；

2

2，1.5-4.0%；胎兒：

2

2。

亞單位有141個氨基酸殘基，β和δ含146個氨基酸殘基。

相對分子量是65000———12/12/2023珠蛋白globin

Globinsarearelatedfamilyofproteins,whicharethoughttoshareacommonancestor.Theseproteinsallincorporatetheglobinfold,aseriesofeightalphahelicalsegments.珠蛋白家族（Globinfamily）是一類有相似一級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)（珠蛋白折疊的結(jié)構(gòu)模體）的蛋白質(zhì)，它們都含有血紅素輔基，都能可逆地與氧氣結(jié)合。肌紅蛋白，Myoglobin，Mb血紅蛋白，Hemoglobin，Hb神經(jīng)珠蛋白，Neuroglobin，Ngb細(xì)胞珠蛋白，

Cytoglobin,Cygb———12/12/2023神經(jīng)珠蛋白

神經(jīng)珠蛋白,一種屬于血紅素蛋白類的蛋白質(zhì)，主要在脊椎動物的大腦和視網(wǎng)膜細(xì)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(yuǎn)端的His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。

2000年，由Burmester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3D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3D結(jié)構(gòu).Function,and

Bioinformatics.2004,56,85.———12/12/2023

血紅蛋白亞單元的螺旋區(qū)

每個亞單位有75%左右的部位形成

-螺旋結(jié)構(gòu)，主要分成八個螺旋區(qū)，用ABCDEFG和H標(biāo)記。兩個螺旋區(qū)之間存在長短不一的非螺旋區(qū)，AB,BC,CD,DE,EF,FG,和GH標(biāo)記。———12/12/2023鐵卟啉與蛋白鏈之間的作用力———12/12/2023肌紅蛋白Myoglobin(Mb)Mb：一條153aminoacid的多肽鏈，相對分子量17500。功能：儲存氧。———12/12/2023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)是由一簇八個

-螺旋組成的，螺旋之間通過一些片段連接。多肽鏈第93位組氨酸殘基的側(cè)鏈的咪唑氮原子與Fe(Ⅱ)卟啉輔基的Fe(Ⅱ)配位。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代水分子。?！?2/12/2023未載氧時血紅素中Fe的配位環(huán)境FeII：5配位，四方錐構(gòu)型;FeII，HS,μ＝5.44B.M,順磁性；第6配位位置是空的，或由水分子占據(jù)。特點———12/12/2023疏水環(huán)境血紅素被肽鏈包圍，形成疏水環(huán)境，可保持Fe(Ⅱ)氧化態(tài)存在，這對可逆載氧或貯存氧具有重要意義。如血紅素中Fe(Ⅱ)被氧化為Fe(Ⅲ)（在血紅蛋白中稱為高鐵血紅蛋白），則失去載氧或貯存氧功能。細(xì)胞里，存在大量還原物質(zhì)，如NADPH2、抗壞血酸等，可將Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)?！?2/12/2023不結(jié)合氧時，F(xiàn)e突出平面結(jié)合氧時，F(xiàn)e被拉回平面載氧時血紅素中Fe的配位環(huán)境———12/12/2023O2bindingresultsinachangeofcoordinationstate(penta-tohexa-coordination)andspinstate(HS-LS).ThelatterisinducedbyelectronicrepulsionbetweentheelectrondensityinO2andelectronsind-orbitals.Bypopulatingthedxy-,dyx-,anddxz-orbitals,themetalionshrinksinsizeandisbetteraccommodatedinthecenteroftheheme.Populationoftheseorbitalsalsopromotesπ-overlapwithπ-acceptorligandHis.

———12/12/2023協(xié)同效應(yīng)（cooperativeeffect）

一個亞基與其配體（Hb中的配體為O2）結(jié)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)。如果是促進作用則稱為正協(xié)同效應(yīng)（positivecooperativity）；反之則為負(fù)協(xié)同效應(yīng)（negativecooperativity）。

血紅蛋白與O2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O2結(jié)合后，促進了第二個及第三個亞基與O2的結(jié)合，當(dāng)?shù)谌齻€亞基與O2結(jié)合后，又大大促進了第四個亞基與O2結(jié)合。別構(gòu)效應(yīng)是Hb與O2結(jié)合發(fā)生正協(xié)同效應(yīng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

———12/12/2023別構(gòu)效應(yīng)(allosterismeffect)

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)蛋白：是指具有別構(gòu)效應(yīng)的蛋白質(zhì)或酶。

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)。2,3-二磷酸甘油酯(2,3-DPG)

———12/12/20232,3-DPG與血紅蛋白的結(jié)合部位Hb的4個亞基通過鹽鍵、疏水鍵聚合在一起，在2個β-亞基之間夾著1分子2,3-DPG,

2，3-DPG的3個負(fù)電基團與β-亞基的3個正電基團形成鹽鍵，此時Hb的構(gòu)象處于緊張態(tài)(tensestate,T態(tài))，各亞基對O2的親和力比較低，不易與O2結(jié)合。———12/12/20232,3-BPG的作用2,3-DPG的作用———12/12/2023

O2與鐵原子以配位鍵結(jié)合后，鐵的配位數(shù)由5變?yōu)?，鐵原子直徑減少，能移動0.075nm進到卟啉環(huán)當(dāng)中的孔穴中，這一移動通過F8位組氨酸牽動了它所在的肽段，進而影響Hb亞基間的相互作用，破壞了鹽鍵和其它次級鍵，擠出了β-亞基間的2,3-DPG，使亞基間的聚合變得疏松，整個分子處于松弛態(tài)(relaxedstate,R態(tài))，有利于與O2的結(jié)合。———12/12/2023

血紅蛋白的兩種構(gòu)象：T態(tài)和S態(tài)

血紅蛋白存在兩種構(gòu)象：T態(tài)（緊張態(tài)）和R態(tài)（松弛態(tài)），T態(tài)和R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，T態(tài)指的是對氧親和力低的狀態(tài)，而R態(tài)指的是對氧親和力高的狀態(tài)?！?2/12/2023氧鍵合的幾種理論模型1．Pauling模型：

O2作為簡單的電子對給體，以端基(terminalgroup)與Fe(II)配位。

Fe(Ⅱ)電子為3d6，偶數(shù)，反磁性，O2也為偶數(shù)電子，呈反磁性，O2提供端基電子與Fe(Ⅱ)成配位鍵后，F(xiàn)e(Ⅱ)的d電子對反饋給氧的空的π*軌道，使Fe—O鍵具有雙鍵性質(zhì)，故稱為超氧化物構(gòu)型?！?2/12/20232.

Weiss模型：O2在配位時接受Fe(Ⅱ)一個電子，雙氧以O(shè)2-與Fe(Ⅲ)配位；雙氧和鐵都具有單電子，生成的配合物不具有磁性。3.Griffith模型：O2采取側(cè)基(sidegroup)配位方式,

又稱過氧化物構(gòu)型?！?2/12/2023實驗數(shù)據(jù)驗證Weiss模型的正確性1.HbO2的磁性測量：抗磁性2.

HbO2的M?ssbauer數(shù)據(jù):FeIII

Q=1.87~2.24mms(nuclearquadrupolemoment)Q反映核周圍電荷的對稱性。LSFeII的電荷是球形對稱的，Q值較小。FeIII，LS電荷是非球形對稱的，Q值較大。3.HbO2與MbO2的共振拉曼光譜：O2-通過18O2標(biāo)記實驗證實:μo-o振動分別在1107和1103cm-1。與超氧負(fù)離子的振動值(1145cm-1)非常接近；結(jié)論：氧分子以超氧負(fù)離子(O2-)的形式與Hb或Mb鍵合，既Weiss模型為合理模型?！?2/12/2023雙氧物種的共振拉曼光譜數(shù)據(jù)SpeciesνO-O(cm-1)dO-O(?)O2+1,9051.12O21,5801.21O2￣1,0971.33O22-8021.49———O2鍵合的影響因素1.O2分壓的影響

血紅蛋白,1

n4,氧合曲線為S形肌紅蛋白,n=1,氧合曲線為雙曲線形P50：50%蛋白結(jié)合氧氣對應(yīng)的氧氣的分壓Hill方程———2023/12/12

人體肺部氧分壓PO2約為13Kpa，較高，有利于血紅蛋白與氧結(jié)合。當(dāng)靜脈血（PO2＜6.5Kpa)流經(jīng)肺部時，血紅蛋白大量氧合，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（PO2~4.7Kpa）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550~650pa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P50大約提高到26torr。換言之，紅細(xì)胞中的2,3-BPG實質(zhì)上是降低了脫氧血紅蛋白對氧的親和性。在紅細(xì)胞中，2,3-BPG與血紅蛋白的濃度幾乎是等摩爾的?！?2/12/20232.pH的影響,Bohreffect肌紅蛋白無Bohreffect———12/12/2023波耳效應(yīng)人體內(nèi)，人血液正常生理pH為7.35-7.45，但它會受到CO2與H2O反應(yīng)的影響。在肌肉組織里由于CO2分壓較高，CO2就擴散到血漿和紅細(xì)胞里，使pH變小，血紅蛋白釋出O2，同時結(jié)合H+，以維持正常生理pH值。相反，CO2從肺部排出，CO2分壓降低，HCO3-結(jié)合H+，pH增大HHb+釋出H+，結(jié)合氧。Fig.TheroleoferythrocyteCAinbloodgastransport.Whenbloodpassesthroughthetissues,erythrocyteCAcatalyzestheCO2hydrationreaction———12/12/20233.某些小分子配體的作用血紅蛋白（血紅素-Fe(Ⅱ)卟啉）除與O2結(jié)合外，還能與CO，NO等結(jié)合。其結(jié)合能力NO＞CO＞O2，這些小分子同樣可與血紅素中的Fe(Ⅱ)配位。CO與Fe(Ⅱ)配位能力為O2的200倍，NO更高。如人吸收CO，CO便與血紅蛋白結(jié)合，失去輸氧功能。吸收NO也有同樣結(jié)果，即使空氣中CO和NO甚微，由于積累，也會使人出現(xiàn)貧血癥狀。肌紅蛋白的血紅素輔基的Fe(Ⅱ)也能與CO和NO配位。———12/12/2023帶有咪唑基的游離血紅素與CO結(jié)合肌紅蛋白與CO形成的復(fù)合物氧合肌紅蛋白CO對Fe的親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氧！———12/12/2023

在新鮮肉中存在著三種狀態(tài)的色素，

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）。肉的呈色機理———12/12/2023（1）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。（2）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。低氧壓時（1-20mmHg),主要為氧化作用；高氧壓時，主要為氧合作用。———12/12/2023———12/12/2023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?。其機理為:(a).動物屠宰放血后,肌肉組織供養(yǎng)停止,，此時肌肉中的色素為Mb而呈紫紅色。(b).當(dāng)鮮肉放置于空氣中時表面的Mb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。(c).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?！?2/12/2023影響肉色澤的因素a.還原劑的影響:例如當(dāng)有還原性巰基(-SH)存在時肌紅蛋白會形成綠色的硫肌紅蛋白(SMb)；當(dāng)有其它還原劑如Vc時可以生成膽肌紅蛋白(ChMb)，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PH=5～7的范圍內(nèi)發(fā)生。b.加熱的影響:在加熱時球蛋白變性，F(xiàn)e2+

暴露出被氧化變?yōu)镕e3+，所以熟肉的色澤為褐色，稱為高鐵血色原(hemichrome)。c.護色劑的影響: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NO等發(fā)生反應(yīng)，生成不太穩(wěn)定的亞硝?；〖t蛋白(NO-Mb)，它在加熱后可以形成穩(wěn)定的亞硝基血色原(Nitrosylhemochrome)，這是腌肉中的主要色素?！?2/12/2023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，這種非正常血液病稱之鐮刀形細(xì)胞貧血病(sicklemia)。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，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)胞的減少?！?2/12/2023

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（HbS）與正常的成熟的血紅蛋白（HbA）的電泳行為不同，HbA比HbS泳動得快，表明HbS比HbA帶有的正電荷多。后來序列分析發(fā)現(xiàn)，HbS分子中的

鏈的第六個氨基酸殘基是一個非極性的纈氨酸，而正常的HbA分子中的

鏈的第六個氨基酸殘基是谷氨酸，這一替換是由編碼

鏈的基因中的單個核苷酸取代引起的。———12/12/2023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。———12/12/2023蚯蚓血紅蛋白(Hemerythrin,Hr)蚯蚓血紅蛋白,Hr分子中含有鐵,但不含鐵卟啉輔基,是一種非血紅素鐵蛋白(nonheme)。其生理功能是在低等生物體內(nèi)輸送氧。對星蟲的Hr研究的比較詳細(xì),它由8個亞單位組成,相對分子量為108000,每個亞單位含有113個氨基酸殘基,和2個Fe離子.Hr分子中每兩個Fe離子結(jié)合一個O2。其結(jié)合氧的能力不受pH影響。在氧合過程中,兩個Fe(II)被氧化為Fe(III),而O2被還原為O22-.M?ssbares研究表明deoxyHr中的Fe(II)oroxyHr中的Fe(III)都處于highspin?！?2/12/2023Hr的結(jié)構(gòu)———12/12/2023Hr的結(jié)構(gòu)———12/12/2023活性中心結(jié)構(gòu)脫氧Hr亞單位的兩個Fe(Ⅱ)距離為0.325~0.5nm,被多肽鏈的7個氨基酸殘基配位。3個組氨酸殘基（His-73、77、101）與其中一個鐵離子配位，另外2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（Glu-58）和一個天冬氨酸（Asp-106）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)兩個鐵離子的還有一個橋聯(lián)氧原子。———12/12/2023）脫氧Hr中的橋聯(lián)氧原子是質(zhì)子化的（稱為μ-羥橋）氧合Hr中的橋聯(lián)氧原子是未質(zhì)子化的（稱為μ-氧橋———12/12/2023蚯蚓血紅蛋白與O2的可能結(jié)合方式———12/12/2023ResonanceRamanspectrumintheνo-oregionofoxyhemerythrinequilibratedwithamixtureoftheisotopicspecies16O2,16O18O,18O2.Thesmoothcurvesusedforfittingthecentralpeak(16O18O)representthedeconvolutionofthe822cm-1featureintotwodiscretecomponents(fromFe-16O-18OandFe-18O-16O,respectively).Thedifferencebetweenobservedandfittedcurvesisshownbelowthespectruminthe822-cm-1region.Theverticallinesa-dshowthecalculatedpeakpositionsformodelsIIIandIVofFe-16O(836cm-1),Fe-16O-18O(825cm-1),Fe-18O-16O(819cm-1),andFe-18O(798cm-1),respectively.[ReprintedwithpermissionfromI.M.KlotzandD.M.Kurtz,Acc.Chem.Res.,17,16-22;copyright(1984)AmericanChemicalSociety.]———12/12/2023蚯蚓血紅蛋白的兩種氧合機理———12/12/2023血藍(lán)蛋白(hemocyanin)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?！?2/12/2023血藍(lán)蛋白的結(jié)構(gòu)組成Hc的亞單位較多,每個亞單位含兩個Cu離子?！?2/12/2023

血藍(lán)蛋白是以一價銅（Cu+）為輔基的蛋白。亞基數(shù)可變，每個亞基均含兩個Cu+，相對分子量是50000~74000。血藍(lán)蛋白的生理功能是輸氧。氧合血藍(lán)蛋白的銅是Cu(Ⅱ)，呈藍(lán)色，脫氧血藍(lán)蛋白的銅是Cu+，無色。dioxygenasanη2,η2-peroxide———12/12/2023第二節(jié)人工氧載體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，銅等過渡金屬與氧分子可逆配位來實現(xiàn)的。為了弄清生物體內(nèi)載氧機理，人們除了研究天然氧載體外，還合成了許多模型化合物。這些化合物稱之為人工氧載體，ArtificialOxygenCarriers

(AOC)

。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逆載氧性質(zhì)；其中感興趣的是Fe和Co配合物?！?2/12/2023Co氧載體早在1852年，人們就發(fā)現(xiàn)，Co（Ⅱ）鹽的氨水溶液在空氣中會變成棕色。1898年Werner等證實變色是由于生成了氧合鈷氨配合物，[(NH3)5Co-(O-O)-Co(NH3)5]4+?！?2/12/2023

第一個公認(rèn)的人工載氧體是日本化學(xué)家妻木1938年報道的[Co(salen)]配合物。他認(rèn)為這種配合物暴露在空氣中變色是由于對O2

的可逆吸收。之后,Calvin等確定[Co(salen)]和O2形成1:1與2:1兩種配合物。從那時起,人們合成了許多Co(II)氧載體。[Co(salen)]1:12:1———12/12/20231969年，F(xiàn)loriahi和Caldenrazzo水揚醛亞胺合鈷配合物[Co(3-MeOSalen)]Py.O21：1固體氧載體。

同時，Basolo和Crumbles對[Co(acacen)]（N，N’-雙乙酰丙酮乙二胺）進行了研究。[Co(acacen)][Co(3-MeOSalen)]Co（Ⅱ）的配合物載氧，當(dāng)在有第5位配體配位后才可載氧，故配合物DMF/DMSO中可載氧。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。

———12/12/2023

含Co(Ⅱ)氧載體中,配位原子一般為N,O,S原子。以N原子為配位原子的(NH3、-NH2、氨基酸，肽配體含N配位原子)Co(Ⅱ)配合物氧載體，一般形成μ過氧橋配合物L(fēng)Co-O-O-Co-L；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[LCoO2]。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：Co(salen)(DMF)O2

Co(salen)(DMSO)O2對鈷μ-過氧配合物的研究，為認(rèn)識2：1型載氧的蚯蚓血紅蛋白和血藍(lán)蛋白的載氧機理提供了線索。———12/12/2023Fe氧載體上個世紀(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?。遇到的主要問題和困難是Fe(II)配合物與O2生成不能可逆載氧的FeIII-O-FeIII二聚體。Key:避免卟啉分子靠近，防止生成FeIII-O-FeIII二聚體———12/12/2023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的Fe(Ⅱ)離子相互靠近，抑制了Fe(Ⅲ)-O-Fe(Ⅲ)的形成，可以可逆載氧。

人們經(jīng)過大量研究，已找到防止Fe(Ⅲ)配合物形成μ-O二聚體的三種途徑：在Fe(Ⅱ)配合物內(nèi)設(shè)置空間位阻；低溫使形成μ-O緩慢；把Fe(Ⅱ)配合物固定在一個剛性載體上。———12/12/20231.在Fe(Ⅱ)配合物內(nèi)設(shè)置空間位阻；1973年J.P.Collman合成了帶圍柵的Fe(Ⅱ)卟啉配合物，可可逆載氧。該配合物第5配位基為1-甲基咪唑（1-MeIm）。由于卟啉環(huán)上帶有大的豎起的基團，可有效阻止另一個鐵卟啉分子接近，生成μ-O配合物。該配合物載氧后晶體為反磁性，一些鍵參數(shù)與熱力學(xué)參數(shù)與肌紅蛋白相似。載氧也與肌紅蛋白相似。hemoglobinmodelcompound———12/12/2023hemoglobinmodelcompounds———12/12/20232.低溫使形成μ-O緩慢

F.Basolo等在這方面作了很好的工作他們研究了四苯基卟啉鐵配合物[Fe(TPP)(B2)]與氧反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)這種配合物在-78C二氯甲烷中載氧性能良好。反應(yīng)的化學(xué)計量式：Fe(TPP)(B2)+O2

Fe(TPP)(B)(O2)+B———12/12/20233.把Fe(Ⅱ)配合物固定在一個剛性載體上。嵌入聚苯乙烯和1-(2-苯乙基)咪唑中的1-(2-苯乙基)咪唑血紅素二乙酯。A：聚苯乙烯B：亞鐵血紅素二乙酯C：1-(2-苯乙基)咪唑———12/12/20231963年L.Vaska合成了具有三角雙錐型的IrCl(CO)(PPh3)2氧載體。該配合物在苯溶液中能可逆鍵合氧分子，生成1：1的雙氧配合物。Vaska型氧載體

Vaska's+O2:2015cm?1———12/12/2023蚯蚓血紅蛋白的模型物根據(jù)活性中心鐵離子價態(tài)的不同，雙鐵活性中心至少有三種價態(tài)，即Fe3+

Fe3+,Fe3+

Fe2+,Fe2+

Fe2+。作為還原型蚯蚓血紅蛋白的Fe2+-Fe2+配合物很少有報道。盡管已報道配合物的結(jié)構(gòu)與天然蚯蚓血紅蛋白雙核鐵活性中心的結(jié)構(gòu)，譜學(xué)性能都非常接近，是很好的結(jié)構(gòu)模型。但是天然酶中鐵離子配位環(huán)境是不同的，(一個鐵是5配位)。因此報道的模型化合物沒有結(jié)合氧的功能。目前有人嘗試設(shè)計合成具有5配位構(gòu)型的二價鐵模型化合物，但是沒有成功的報道。———12/12/2023Fe2IIO(OAc)2(TACN)2的晶體結(jié)構(gòu)———12/12/2023血藍(lán)蛋白的模型化合物1978年M.G.Simmons和L.J.Wilson合成了以咪唑作為配體的Cu(I)配合物，在室溫下無論是溶液或固體都能可逆載氧。他們用2，6-二乙?；拎づc組胺縮合，得到配體，然后在氮氣保護下得到暗紅色的配合物。在室溫下露置于空氣中，溶液迅速從紅色變?yōu)榫G色?！?2/12/2023人造載氧血液組成：氟碳化合物(perfluorocarbons，PFCs)，除此以外，還有加入甘油,NaCl,Na2CO3,葡萄糖等物質(zhì);應(yīng)用：外科手術(shù)，戰(zhàn)地救護，失血過多病人，血液病患者等;優(yōu)點：無毒，不致癌，性質(zhì)穩(wěn)定，使用時不用檢查血型;缺點：不含白血球，血小板，抗體，酶，蛋白質(zhì)，氨基酸等生物活性物質(zhì)無抗菌，凝血，輸送金屬離子等功能。載氧機理：物理溶解氧過程———12/12/2023生物體的氧化還原反應(yīng)生物氧化與呼吸鏈細(xì)胞色素細(xì)胞色素P450甲烷單加氧酶鐵蛋白與鐵傳遞蛋白鐵蛋白與鐵傳遞蛋白鐵硫蛋白銅蛋白與銅酶固氮酶氫化酶光合作用第三章生物氧化還原反應(yīng)中的金屬蛋白和金屬酶———12/12/2023EnzymenomenclatureEnzymeclassificationSixmajorclassesTransferasesOxidoreductasesHydrolasesLyasessIsomeraseLigases酶的分類酶———12/12/2023

EnzymeclassificationEnzymesareclassifiedintooneofsixgeneralclasses:(1)

oxidoreductase,oxidation/reduction;(2)transferase,transferofagroupfromonecompoundtoanother;(3)hydrolase,hydrolysis;(4)lyase,nonhydrolyticadditionorremovalofgroups;(5)isomerase,conversionofasubstanceintoanisome