肌红蛋白的结构、功能及其模型化合物的构建

肌红蛋白的结构、功能及其模型化合物的构建摘要肌红蛋白是肌肉中运载氧的蛋白质，由153个氨基酸残基组成，含有血红素，和血红蛋白同源，与氧的结合能力介于血红蛋白和细胞色素氧化酶之间，可帮助肌细胞将氧转运到线粒体。它是由一条肽链和一个血红素辅基组成的结合蛋白，是肌肉内储存氧的蛋白质，它的氧饱和曲线为双曲线型。在人体中起到十分重要的作用。关键词肌红蛋白、蛋白质、功能、模型化合物正文一、肌红蛋白的结构1、肌红蛋白的蛋白质结构肌红蛋白（MYOGLOBIN，MYO,MB）是肌肉中的一种贮氧蛋白。由153个氨基酸残基组成，含有血红素，和血红蛋白同源，与氧的结合能力介于血红蛋白和细胞色素氧化酶之间，可帮助肌细胞将氧转运到线粒体。肌红蛋白存在于肌肉中，心肌中含量特别丰富。抹香鲸肌红蛋白三级结构于1960年由KENDREW用X线衍射法阐明，这是世界上第一个被描述的蛋白质三级结。以抹香鲸肌红蛋白为例肌红蛋白由一条多肽链和一个辅基多肽链组成由153个氨基酸残基组成，辅基亚铁血红素辅基，分子量16700。形状呈紧密球形，多肽链中氨基酸残基上的疏水侧链大都在分子内部,亲水侧链多位于分子表面,因此其水溶性较好。三级结构有8段螺旋区，每个螺旋区含724个氨基酸残基，分别称为A、B、CG及H肽段。有18个螺旋间区，肽链拐角处为非螺旋区（亦称螺旋间区），包括N端有2个氨基酸残基，C端有5个氨基酸残基的非螺旋区，处在拐点上的氨基酸残基PRO,ILE,SER,THR,ASN等。极性氨基酸分布在分子表面，内部存在一口袋形空穴，血红素居于此空穴中。血红素是铁卟啉化合物，它由4个吡咯通过4个甲炔基相连成一个大环，FE2居于环中。铁与卟啉环及多肽链氨基酸残基的连接铁卟啉上的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连。血红素的FE2与4个咯环的氮原子形成配位键，另2个配位键1个与F8组氨酸结合，1个与O2结合，故血红素在此空穴中保持稳定位置。2、卟啉化合物的机构血红蛋白和肌红蛋白的载氧活性部位是血红素辅基铁卟啉。卟啉的骨架是卟吩。卟吩由四个吡咯环以次甲基相连而成，是具有多个双键的共轭大键体系。卟啉是卟吩的衍生物，在命名卟啉时需标出取代基的位置。存在于血红蛋白，肌红蛋白和多种细胞色素中的原卟啉，它为1，3，5，8四甲基2，4二乙烯基6，7二丙酸基卟吩。卟啉是重要的生物配体，它与FE形成铁卟啉。血红素是铁卟啉一类配合物的总称。血红素与相应的蛋白结合为血红素蛋白（血红蛋白）。卟啉分子中共有11个共軛双键，是一种具有大共轭环状结构的化合物。这个高度共軛体系极易受吡咯及次甲基的取代基的电子效应影响，表现为各不相同的电子光谱。卟啉环上的吡咯氮原子表现出酸碱两种性质，卟啉的四个吡咯氮原子均能与金属离子配位形成金属卟啉。卟吩分子中，从吡咯氮到环中心的距离是204PM。但卟啉与不同金属离子配位以后，吡咯氮原子与中心金属原子的距离各不相同，如高铁卟啉为210PM，镍卟啉为195PM。由于金属离子大小不同，卟啉环又具有一定程度刚性，因此中心离子不一定位于卟啉环平面上。如果金属离子大小合适，它会与四个吡咯氮原子形成严格的正方形结构，如四苯基卟啉锡（）。但也有很多中心离子位于卟啉环平面上方。比如高自旋FE卟啉，中心离子位于卟啉环平面上方75PM。在金属卟啉分子里，如果轴向配体不同，它的性质可能不同。血红蛋白中，FE与四个氮原子配位，在轴向第五位是蛋白质的氨基酸残基（组氨酸残基咪唑氮），第六配位位置便能可逆吸氧和放氧。细胞色素C的轴向配体是组氨酸残基咪唑氮和蛋氨酸的硫，它起传递电子的作用。二、肌红蛋白的功能1、肌红蛋白的功能肌红蛋白的主要功能是在肌肉中有运输氧和储氧功能肌红蛋白的三级结构，其作用机理主要是蛋白质的结构所决定的。由于铁与卟啉环及多肽链氨基酸残基的连接，这种构象非常有利于运氧和储氧功能，同时也使血红素在多肽链中保持稳定。但是过量运动、劳累、阳光辐射、空气污染、吸烟、农药等会产生过量的自由基。自由基，化学上也称为“游离基”，是含有一个不成对电子的原子团。由于原子形成分子时，化学键中电子必须成对出现，因此自由基就到处夺取其他物质的一个电子，使自己形成稳定的物质。在化学中，这种现象称为“氧化”。体内活性氧自由基具有一定的功能，如免疫和信号传导过程。但过多的活性氧自由基就会有破坏行为，导致人体正常细胞和组织的损坏，而肌红蛋白是富氧链蛋白，更容易遭到自由基的攻击。遭到自由基的攻击从而引起多种疾病，如心脏病、老年痴呆症、帕金森病和肿瘤，与肌红蛋白被氧化存在着密切的关系。此外，更多活性氧自由基，使核酸突变，这是人类衰老和患病的根源。2、血红素的铁与氧键合的几种理论模型血红蛋白的结构复杂，现还不能准确测定出血红蛋白中的FE与氧如何结合。很多科学家提出了多个理论模型，其中LPAULING,，JJWEISS和JSGRIFFITH提出的三种理论模型最重要。（1）PAULING模型O2提供端基电子对与FE2配位FEOOFE电子为3D6，偶数，反磁性，O2也为偶数电子，呈反磁性。O2提供端基电子与FE成配位键后，FE的D电子对反馈给氧的空的轨道，使FEO键具有双键性质，故称为超氧化物构型。（2）WEISS模型O2在配位时接受FE一个电子，双氧以O2与FE配位双氧和铁都有一个成单电子，形成配合物具有顺磁性。（3）GRIFFITH模型O2采取侧基配位，即反磁性FEOO以上几种模型都没有能真正反映血红蛋白与氧分子键合的本质，对这个问题的研究还有待进一步深入。三、肌红蛋白模型化合物的构建1、卟啉与金属卟啉化合物的制备（1）ROTHEMUND法四苯基卟啉最早由ROTHEMUND合成出来。其方法是将等摩尔的苯甲醛和吡咯以及吡啶溶剂置于密封容器中，在150反应2448小时，能得到产率很低的四苯基卟啉，并且在此条件下，能用来作反应物的取代苯甲醛极少。该法反应时间长，所需反应条件苛刻，且要求反应器密闭隔氧，底物浓度较低；后处理非常麻烦，反应收率低，仅有极少数芳醛可用于合成卟啉，因此该法逐渐为后人所改进。（2）ADLER法4524PHCHONTPHOMLTML丙酸回流有机溶剂回流1967年ADLER和他的助手采用苯甲醛和吡咯在回流141的丙酸中反应，反应时间为30MIN，冷却，过滤，滤饼分别以甲醇和热水洗涤，真空干燥，得蓝紫色四苯基卟啉晶体。此方法不必将反应器密封，产率达到20。用该方法合成时，反应原料除苯甲醛，还可用取代苯甲醛合成四苯基卟啉的衍生物。此法是目前应用最广泛的中位取代四苯基卟啉的合成方法，操作简单，原料浓度可较大。ADLER法大大丰富了合成中位四苯基卟啉化合物的内容。（3）LINDSEY法32BF452CHL4PHCHONTPO乙醚1987年LINDSEY进一步改进了四苯基卟啉的合成。采用苯甲醛和吡咯在氮气的保护下，在二氯甲烷中，以三氟化硼合乙醚络合物（C2H52OBF3）催化，室温下反应生成卟啉原，然后以二氯二氰基苯醌（DDQ）或四氯苯醌（TCQ）将卟啉原氧化得到最终产物卟啉，产率可达30。但是该方法反应原料浓度较低，以吡咯计仅为102MOLL，且反应步骤较多，反应条件较苛刻，难以进行大量合成。（4）微波合成法1992年法国化学家PETITA及其合作者首次报道了固相微波合成TPP，产率为95。1996年，胡文祥等用微波湿法合成TPP。继后，刘云、胡希明等也分别探讨了不同溶剂、不同催化剂条件下TPP的微波合成，但前者操作较繁琐，后者的产率较低（14以下）。陈年友等报道了以硝基苯为溶剂，氯乙酸为催化剂，以195W功率的微波辐射6MIN，四苯基卟啉的产率为36，且操作简单，反应条件温和，反应时间短，粗产物较易分离纯化。（5）其他合成方法2、重要模型化合物合成氧载体除了对天然金属蛋白本身的研究之外，模型化合物的研究也是生物无机化学研究中非常重要的组成部分。以卟啉与金属卟啉化合物为基础，关于其模拟化合物的构建，也随之发展起来，并取得了很重要的成果。一方面，由于金属蛋白等生物分子的相对分子质量一般较大、体系比较复杂，需要通过简化、设计合成模型化合物等方法来进行研究，可以得到一些通过直接研究金属蛋白分子本身不能得到的信息，揭示蛋白功能与结构之间的关系。另一方面，通过模拟天然金属蛋白的结构和功能，为进一步开发利用天然蛋白及其模型化合物提供基础。在氧载体研究中，模型化合物的合成及其结构和功能间关系的研究特别重要，它可以为阐明载氧过程及载氧机理提供依据，并为合成具有实际应用价值的具有载氧功能的化合物（人造血液）等提供基础。（1）血红蛋白和肌红蛋白的模拟研究为了模拟天然血红蛋白和肌红蛋白的活性中心，科学家合成了许多含铁的卟啉配合物。初期的研究主要集中在简单的铁卟啉配合物，如FETPPNMEIM，其中TPP为内消旋四苯基卟啉，NMEIM为N甲基咪唑。要实现可逆结合氧分子，并模拟血红蛋白和肌红蛋白的载氧功能，首先必须阻止氧化二聚反应的发生，即如何避免双核铁配合物的形成是成功合成铁卟啉人工氧载体的关键。利用空间阻碍、低温以及刚体支撑等方法可以成功地合成含铁卟啉的人工氧载体。A、空间阻碍方法空间阻碍方法就是设计和合成具有立体阻碍基团的卟啉合铁配合物PFEII，利用其空间位阻效应使PFEII与O2反应时只能生成PFEIIO2，而阻碍桥联双核物种PFEIIIOOFEIIIP的生成。以FETPIVPP为基础，合成的配合物FETPIVPPL（L咪唑及其衍生物），可以与O2可逆地加合，生成FETPIVPPLO2。由于篱笆的保护，FETPIVPPLO2不能发生二聚反应，从而成功得到了第一个在室温下的含铁的合成氧载体。FETPIVPPLO2具有和氧合血红蛋白相同的抗磁性，相同的四极分裂穆斯堡尔谱，相同的OO拉曼吸收1159CM1。该模型配合物很好地模拟了血红蛋白和肌红蛋白的载氧功能。B、低温方法利用低温方法，可以稳定双氧配合物、降低不可逆氧合的速度。例如，四苯基卟啉（TPP）合铁配合物在低温（45）下与氧分子反应时，反应受动力学控制，抑制了热力学有利的二聚反应，从而实现了可逆的载氧过程。提高温度则生成不可逆氧化产物。C、刚体支撑方法刚体支撑方法是将容易发生氧化二聚反应的卟啉合铁配合物接在固体表面或高分子表面，使两个铁原子不能相互靠近，从而达到阻止二聚体形成的目的。将12苯乙基咪唑血红素埋入聚苯乙烯和12苯乙烯咪唑的混合物的薄膜中，氧分子即可与固定的配合物可逆地结合。FETPPB2混在由3咪唑丙基的改性硅胶中，加热生成IPGFETPP后也可以与氧分子可逆结合。（2）蚯蚓血红蛋白的模拟研究因为蚯蚓血红蛋白的活性中心是由双核铁构成的，所以模型化合物主要是各种含有羧酸根桥联的双核铁配合物。根据活性中心铁离子价态的不同，双铁活性中心有三种状态FE3FE3（高铁）、FE3FE2（半高铁）、FE2FE2（还原态）。不同氧化态有不同的模型化合物。A、FE3FE3高铁模型化合物FE2IIIOOAC2HBPZ32的晶体结构，HBPZ3为氢化三吡唑基硼酸根这类模型化合物具有和高铁蚯蚓血红蛋白非常相似的特征吸收光谱，FE3FE3之间有强的反铁磁性相互作用，很好地模拟了高铁蚯蚓血红蛋白双铁活性中心的结构和谱学性质。B、FE2FE2还原型模型化合物作为还原型蚯蚓血红蛋白模型的FE2FE2配合物很少有报道。配合物FE2IIOOAC2TACN2是其中的一例。其中TACN为N,N,N三甲基三氮杂环壬烷。C、FE3FE2半高铁模型化合物将FE3FE3高铁模型化合物进行单电子还原，可以得到半高铁蚯蚓血红蛋白模型化合物，但由于具有氧桥或羟桥的FE3FE2混合价的双核铁配合物非常不稳定，到目前还没有被合成并分离得到。总之，尽管蚯蚓血红蛋白模型化合物的结构与天然蚯蚓血红蛋白双铁活性中心的结构、谱学性能非常接近，是好的结构模型。但是这些模型化合物中铁离子都是配位饱和的六配位八面体构型，而天然蚯蚓血红蛋白双铁活性中心在脱氧状态下其中一个铁离子为配位不饱和的五配位构型，剩下的一个空位用于结合氧分子。因此这些模型化合物没有结合氧分子的能力。参考文献1李业梅,刘传银血红蛋白在海藻酸钠膜中的电化学和类酶活性研究J化学世界,2010,