第三章天然氧载体及其化学模拟

1、第三章第三章 天然氧载体及其化学模拟天然氧载体及其化学模拟第一节第一节 天然氧载体天然氧载体第二节第二节 人工氧载体人工氧载体河河蚌蚌淡蓝淡蓝色血色血乌贼乌贼绿色血绿色血 蚯蚓蚯蚓玫瑰红色血玫瑰红色血虾、河蟹虾、河蟹淡青色血淡青色血蜗牛蜗牛透明的血透明的血昆虫昆虫绿色血绿色血大天蚕蛾大天蚕蛾 -胡萝卜素、核黄胡萝卜素、核黄素和黄素素和黄素- -核苷酸核苷酸 菜粉蝶菜粉蝶家蚕家蚕鱼类鱼类两栖两栖类类爬行爬行类类鸟类鸟类哺乳类哺乳类人类人类氧载体：是指在生物体系中具有储存和运输氧载体：是指在生物体系中具有储存和运输分子氧功能的一类生物分子。分子氧功能的一类生物分子。空气中氧分子在水中的溶解度很低，

2、常温常空气中氧分子在水中的溶解度很低，常温常压下压下20 ml/L；有了载氧体血液中氧的浓度比水；有了载氧体血液中氧的浓度比水中的氧浓度高出中的氧浓度高出10倍以上，达到倍以上，达到250 ml/L。生物体从外界将氧吸入体内，为了运送和储生物体从外界将氧吸入体内，为了运送和储存氧，各种生物选择了不同的氧载体。存氧，各种生物选择了不同的氧载体。目前，已知的天然载氧体有目前，已知的天然载氧体有5种，都是活性中种，都是活性中心含有金属离子的蛋白质心含有金属离子的蛋白质。 生物体内的天然氧载体具有可逆载氧能力，能生物体内的天然氧载体具有可逆载氧能力，能把从外界吸入体内的氧气运送到各种组织，供细胞把从外

3、界吸入体内的氧气运送到各种组织，供细胞内进行维持生命所需的各种氧化作用。按照蛋白质内进行维持生命所需的各种氧化作用。按照蛋白质载氧的载氧的活性部位活性部位的化学本质，的化学本质，主要可以把天然氧载主要可以把天然氧载体分为三类体分为三类： 含血红素含血红素(heme)辅基的蛋白辅基的蛋白(70%): 血红蛋白血红蛋白(hemoglobin, Hb)和肌红蛋白和肌红蛋白(myoglobin, Mb)； 不含血红素的铁蛋白不含血红素的铁蛋白: 蚯蚓血红蛋白蚯蚓血红蛋白(hemerythrin, Hr)； 含铜蛋白含铜蛋白: 血蓝蛋白血蓝蛋白(hemocyanin, Hc)。其它天然氧载体血钒蛋白，血

4、钒蛋白，hemovanadin 含含钒钒的一种的一种蛋白蛋白。像这种含有钒色原的血细胞称。像这种含有钒色原的血细胞称为钒细胞。含有三氧化二钒的血液为绿色，含四氧为钒细胞。含有三氧化二钒的血液为绿色，含四氧化二钒的蓝色，含五氧化二钒的为橙色。化二钒的蓝色，含五氧化二钒的为橙色。 血钒蛋白是天然氧载体。存在于血钒蛋白是天然氧载体。存在于海鞘海鞘类类动物动物体内。体内。每原子钒可结合一个每原子钒可结合一个氧氧分子，载氧后呈绿色。分子，载氧后呈绿色。天然氧载体的若干性质天然氧载体的若干性质天然氧载体天然氧载体血红蛋白血红蛋白肌红蛋白肌红蛋白蚯蚓血红蛋白蚯蚓血红蛋白血蓝蛋白血蓝蛋白金属金属FeFeFeC

5、u金属金属O24Fe:4O2FeO22FeO22CuO2脱氧金属氧化态脱氧金属氧化态Fe（II）Fe（II）Fe（II）Cu（I）金属键合部位金属键合部位卟啉卟啉卟啉卟啉蛋白质侧链蛋白质侧链蛋白质链蛋白质链亚基数目亚基数目418可变可变相对分子质量相对分子质量6500017500108000(4-90)105载氧颜色载氧颜色红红红红紫红紫红蓝蓝脱氧颜色脱氧颜色紫红紫红紫红紫红无色无色无色无色主要生物功能主要生物功能输送氧输送氧储存氧储存氧输送氧输送氧输送氧输送氧卟啉卟啉血红蛋白和肌红蛋白的载氧活性部位是血红蛋白和肌红蛋白的载氧活性部位是血红素辅基血红素辅基- -铁铁卟啉卟啉; ;卟啉的骨架是卟

6、吩。卟吩由四个吡咯环以次甲基相连而卟啉的骨架是卟吩。卟吩由四个吡咯环以次甲基相连而成，是具有多个双键的成，是具有多个双键的共轭大共轭大键体系键体系。某些常见的天然卟啉某些常见的天然卟啉 名名 称称取取 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血绿卟啉（血绿卟啉（chlorocruoroporphyri ）MFMVMPPM粪卟啉粪卟啉（coporphyrin ）

7、MPMPMPPM本卟啉本卟啉（aetioporphyrin ）MEMEMEEM尿卟啉尿卟啉（uroporphyrin ）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体卟啉是重要的生物配体,哺乳动物体内约哺乳动物体内约70%的铁元的铁元素与卟啉形成配合物。它与铁形成铁卟啉，素与卟啉形成配合物。它与铁形成铁卟啉，血红素血红素（heme）是铁（）是铁（II）卟啉一类配合物的总称）卟啉一类配合物的总称。血红素与。血红素与相应的蛋白结合为相应的蛋白结合为血红素蛋白血红

8、素蛋白。卟啉与血红素卟啉与血红素原卟啉原卟啉 卟啉骨架结构参数（键长单位：卟啉骨架结构参数（键长单位：nmnm） 四种不同的血红素四种不同的血红素heme aheme bheme cheme d金属与卟啉平面的相对位置金属与卟啉平面的相对位置金属离子的半径如合适，金属离子的半径如合适，可与卟啉形成可与卟啉形成平面型平面型配合物，配合物，否则为否则为变形变形配合物。空间构配合物。空间构型取决于金属离子的半径型取决于金属离子的半径是是否与卟啉环内空腔大小匹配否与卟啉环内空腔大小匹配。金属卟啉金属卟啉轴向配体轴向配体不同，不同，性质不同，功能不同，性质不同，功能不同，中心中心离子离子不同，功能也不同

9、。不同，功能也不同。血红蛋白血红蛋白 Hemoglobin(Hb) 功能：功能：输送氧；输送氧； 血液中含有红细胞，它是血液中含有红细胞，它是载氧的生物单元载氧的生物单元，红细胞中含有血红蛋白，它是载氧的红细胞中含有血红蛋白，它是载氧的生物化学单元生物化学单元。 结构结构：成人：成人： 2 2，95%以上；以上； 2 2，1.5-4.0%； 胎儿：胎儿： 2 2。 亚单位有亚单位有141141个氨基酸残基，个氨基酸残基，和和含含 146 146 个氨基个氨基酸残基。酸残基。 相对相对分子分子量是量是65000珠蛋白珠蛋白 globin Globins are a related family

10、of proteins, which are thought to share a common 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）是一类有相似）是一类有相似一级结构一级结构和和三三级结构级结构（珠蛋白折叠珠蛋白折叠的的结构模体结构模体）的）的蛋白质蛋白质，它们都含有，它们都含有血血红素红素辅基辅基，都能可逆地与，都能可逆地与氧气氧气结合。结合。肌红蛋白

11、肌红蛋白，Myoglobin，Mb血红蛋白血红蛋白，Hemoglobin，Hb神经珠蛋白神经珠蛋白，Neuroglobin，Ngb细胞珠蛋白细胞珠蛋白， Cytoglobin, Cygb神经珠蛋白神经珠蛋白 神经珠蛋白神经珠蛋白, 一种属于一种属于血红素蛋白血红素蛋白类的类的蛋白质蛋白质，主要在脊椎动物的大，主要在脊椎动物的大脑和脑和视网膜视网膜细胞中表达。它可与氧气可逆结合，由一条肽链组成，铁细胞中表达。它可与氧气可逆结合，由一条肽链组成，铁在未与氧气结合时已为六配位，另一配体为远端的在未与氧气结合时已为六配位，另一配体为远端的 His 残基，因此氧残基，因此氧气或其他配体需要取代一咪唑残基

12、后才能与血红素结合。气或其他配体需要取代一咪唑残基后才能与血红素结合。 2000年，由年，由 Burmester 等人首先发现。等人首先发现。Nature, 2000,407, 520.2003年，获得人类神经珠蛋白的年，获得人类神经珠蛋白的3D结构。结构。 Structure, 2003, 11,1087.2004年，获得高分辨率的小鼠神经珠蛋白年，获得高分辨率的小鼠神经珠蛋白3D结构结构. Function, and Bioinformatics. 2004, 56, 85.血红蛋白亚单元的螺旋区血红蛋白亚单元的螺旋区 每个亚单位有每个亚单位有75%左右的部位形成左右的部位形成 -螺旋结构

13、，主要螺旋结构，主要分成八个螺旋区，用分成八个螺旋区，用A B C D E F G和和H标记。两个螺旋区标记。两个螺旋区之间存在长短不一的非螺旋区，之间存在长短不一的非螺旋区，AB,BC,CD,DE,EF,FG,和和GH标记。标记。铁卟啉与蛋白链之间的作用力铁卟啉与蛋白链之间的作用力肌红蛋白肌红蛋白 Myoglobin (Mb)Mb：一条：一条153 amino acid的多肽链，相对分子量的多肽链，相对分子量17500。 功能：功能：储存氧储存氧。肌红蛋白是第一个被确定具有三级结构的蛋白质肌红蛋白是第一个被确定具有三级结构的蛋白质 它的三级结构是它的三级结构是由一簇八个由一簇八个 - -螺螺

14、旋组成的，螺旋旋组成的，螺旋之间通过一些片之间通过一些片段连接。段连接。多肽链第多肽链第93位组位组氨酸氨酸残基残基的侧链的侧链的咪唑氮原子与的咪唑氮原子与Fe()卟啉辅基卟啉辅基的的Fe()配位配位。第第6个配位位置一般由水分子个配位位置一般由水分子占据，氧合时则由氧分子取占据，氧合时则由氧分子取代水分子。代水分子。未载氧时血红素中未载氧时血红素中Fe的配位环境的配位环境FeII： 5配位，配位，四方锥构型四方锥构型; FeII ，HS , 5.44 B.M, 顺磁性；顺磁性；第第6配位位置是配位位置是空的，或由水分空的，或由水分子占据。子占据。特点特点疏水环境疏水环境u血红素被肽链包围，血

15、红素被肽链包围，形成疏水环境，形成疏水环境，可保持可保持Fe()氧化态氧化态存在，这对存在，这对可逆载氧或贮存氧具有可逆载氧或贮存氧具有重要意义。重要意义。u如血红素中如血红素中Fe()被氧被氧化为化为Fe()（在血红蛋白（在血红蛋白中称为中称为高铁血红蛋白高铁血红蛋白），），则失去载氧或贮存氧功则失去载氧或贮存氧功能。能。u细胞里，存在细胞里，存在大量还大量还原物质原物质，如，如NADPH2、抗、抗坏血酸等，可将坏血酸等，可将Fe()还还原为原为Fe()。不结合氧时，不结合氧时，FeFe突出平面突出平面结合氧时，结合氧时，FeFe被拉回平面被拉回平面载氧时血红素中载氧时血红素中Fe的配位环境

16、的配位环境O2 binding results in a change of coordination 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

17、and is better accommodated in the center of the heme. Population of these orbitals also promotes -overlap with -acceptor ligand His. 协同效应（协同效应（cooperative effect） 一个亚基与其配体（一个亚基与其配体（Hb中的配体为中的配体为O2）结）结合后，能影响另一亚基与配体的结合能力，称合后，能影响另一亚基与配体的结合能力，称为协同效应。如果是为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效促进作用则称为正协同效应应（positive cooperati

18、vity）；反之则为）；反之则为负协同负协同效应效应（negative cooperativity）。）。 血红蛋白与血红蛋白与O2结合呈现正协同作用，结合呈现正协同作用，即血红即血红蛋白分子中第一个亚基与蛋白分子中第一个亚基与O2结合后，促进了第结合后，促进了第二个及第三个亚基与二个及第三个亚基与O2的结合，当第三个亚基的结合，当第三个亚基与与O2结合后，又大大促进了第四个亚基与结合后，又大大促进了第四个亚基与O2结结合。合。 别构效应别构效应是是Hb与与O2结合发生正协同效应的结合发生正协同效应的结结构基础构基础。 别构效应别构效应(allosterism effect) u 别构效应别构

19、效应: 亦称变构效应，亦称变构效应，是指一个蛋白质与它的配体结合后，蛋是指一个蛋白质与它的配体结合后，蛋白质的构象发生变化，使它更适合于功能的需要，这一类变化称为白质的构象发生变化，使它更适合于功能的需要，这一类变化称为别构效应。别构效应。u 别构蛋白别构蛋白：是指具有别构效应的蛋白质或酶。：是指具有别构效应的蛋白质或酶。u 别构剂别构剂：亦称效应剂，是指凡能触发蛋白质或酶分子发生变构效：亦称效应剂，是指凡能触发蛋白质或酶分子发生变构效应的物质。应的物质。2,3-二磷酸甘油酯二磷酸甘油酯(2,3-DPG) 2,3-DPG与血红蛋白的结合部位与血红蛋白的结合部位Hb的的4个亚基通过盐键、疏水个亚

20、基通过盐键、疏水键聚合在一起，在键聚合在一起，在2个个-亚基亚基之间夹着之间夹着1分子分子2,3-DPG, 2，3-DPG的的3个负电基团与个负电基团与-亚亚基的基的3个正电基团形成盐个正电基团形成盐键，键，此时此时Hb的构象处于紧张态的构象处于紧张态(tense state,T态态)，各亚基对，各亚基对O2的亲和力比较低，不易与的亲和力比较低，不易与O2结合。结合。2,3-BPG2,3-BPG的作用的作用2,3-DPG的作用的作用 O2与铁原子以配位键结合后，铁的配位数由与铁原子以配位键结合后，铁的配位数由5变为变为6，铁原子直径减少，铁原子直径减少，能移动，能移动0.075nm进到卟啉环当

21、中的孔穴中，这一移动通过进到卟啉环当中的孔穴中，这一移动通过F8位组氨位组氨酸牵动了它所在的肽段，进而影响酸牵动了它所在的肽段，进而影响Hb亚基间的相互作用，亚基间的相互作用，破坏了盐键破坏了盐键和其它次级键，挤出了和其它次级键，挤出了-亚基间的亚基间的2,3-DPG，使亚基间的聚合变得疏，使亚基间的聚合变得疏松松，整个分子处于松弛态，整个分子处于松弛态(relaxed state,R态态)，有利于与，有利于与O2的结合。的结合。 血红蛋白的两种构象：血红蛋白的两种构象：T T态和态和S S态态 血红蛋白存在两种构象：血红蛋白存在两种构象：T态（紧张态）和态（紧张态）和R态（松弛态（松弛态），

22、态）， T态和态和R态常用来由于配体结合引起的两种可互换态常用来由于配体结合引起的两种可互换状态。在本节中配体指的是氧，状态。在本节中配体指的是氧，T态指的是对氧亲和力低态指的是对氧亲和力低的状态，而的状态，而R态指的是对氧亲和力高的状态态指的是对氧亲和力高的状态。氧键合的几种理论模型氧键合的几种理论模型1Pauling 模型：模型： O2作为简单的电子对给体，以端基作为简单的电子对给体，以端基(terminal group)与与Fe(II)配位配位。 Fe()电子为电子为3d6，偶数，偶数，反磁性反磁性，O2也为偶数电子，呈也为偶数电子，呈反磁性，反磁性，O2提供端基电子与提供端基电子与Fe

23、()成配位键后，成配位键后，Fe()的的d电子对反馈给氧的空的电子对反馈给氧的空的*轨道，使轨道，使Fe O键具有双键性键具有双键性质，故称为质，故称为超氧化物构型超氧化物构型。2. Weiss模型模型：O2在配位时接受在配位时接受Fe()一个电子，一个电子，双氧以双氧以O2-与与Fe()配位配位；双氧和铁都具有单电子，生成的配双氧和铁都具有单电子，生成的配合物合物不具有磁性不具有磁性。3. Griffith 模型：模型： O2采取侧基采取侧基(side group)配位方式配位方式, 又又称称过氧化物构型过氧化物构型。实验数据验证实验数据验证Weiss模型模型的正确性的正确性1. HbO2的

24、磁性测量：的磁性测量：抗磁性抗磁性2. HbO2的的Mssbauer数据数据: FeIII Q = 1.872.24mms (nuclear quadrupole moment) Q反映核周围电荷的对称性。反映核周围电荷的对称性。LS FeII的电荷是球形对的电荷是球形对称的，称的，Q值较小。值较小。FeIII， LS电荷是非球形对称的，电荷是非球形对称的，Q值较大。值较大。3. HbO2与与 MbO2的共振拉曼光谱：的共振拉曼光谱：O2- 通过通过18O2标记实验证实标记实验证实:o-o振动分别在振动分别在1107和和1103 cm-1。与超氧负离子的振动值。与超氧负离子的振动值(1145

25、cm-1)非常接近；非常接近；结论：结论：氧分子以超氧负离子氧分子以超氧负离子(O2-)的形式与的形式与Hb或或Mb 键合，既键合，既 Weiss模型为合理模型。模型为合理模型。双氧物种的共振拉曼光谱数据双氧物种的共振拉曼光谱数据SpeciesO-O (cm-1)d O-O ()O2+1,9051.12O21,5801.21O21,0971.33O22-8021.49O2键合的影响因素键合的影响因素1.O2分压的影响分压的影响 1nnkpkp血红蛋白血红蛋白, 1 n 4,氧合曲线为氧合曲线为 S 形形肌红蛋白肌红蛋白, n=1,氧氧合曲线为双曲线形合曲线为双曲线形P50：50%蛋白结合氧气蛋

26、白结合氧气 对应的氧气的分压对应的氧气的分压Hill方程 人体肺部氧分压人体肺部氧分压PO2约为约为13Kpa，较高，有利于血红蛋，较高，有利于血红蛋白与氧结合。当白与氧结合。当静脉血（静脉血（PO26.5Kpa)流经肺部时，血流经肺部时，血红蛋白大量氧合，氧的饱和度显著增加。红蛋白大量氧合，氧的饱和度显著增加。 当血液离开肺部，流经氧分压较低的当血液离开肺部，流经氧分压较低的肌肉（肌肉（PO24.7 Kpa）组织时）组织时，血红蛋白便释出氧（供给肌红蛋白）。，血红蛋白便释出氧（供给肌红蛋白）。 当静脉的氧分压当静脉的氧分压低到低到550650pa时，肌红蛋白供氧。时，肌红蛋白供氧。2,3-B

27、PG 的存在，可使氧与全血中成熟的血红蛋白结合的存在，可使氧与全血中成熟的血红蛋白结合的的P50大约提高到大约提高到26torr。 换言之，换言之，红细胞中的红细胞中的2,3-BPG实质上是降低了脱氧血红实质上是降低了脱氧血红蛋白对氧的亲和性蛋白对氧的亲和性。在红细胞中，在红细胞中，2,3-BPG与血红蛋白的浓度几乎是等摩尔与血红蛋白的浓度几乎是等摩尔的。的。2.pH的影响的影响, Bohr effect，for Hb 肌红蛋白无肌红蛋白无Bohr effect 波耳效应波耳效应 人体内，人血液正常生理人体内，人血液正常生理pH为为7.35-7.45，但它会受，但它会受到到CO2与与H2O反应

28、的影响。在肌肉组织里由于反应的影响。在肌肉组织里由于CO2分压较分压较高，高，CO2就扩散到血浆和红细胞里，使就扩散到血浆和红细胞里，使pH变小，血红蛋变小，血红蛋白释出白释出O2，同时结合，同时结合H+，以维持正常生理，以维持正常生理pH值。相反，值。相反，CO2 从肺部排出，从肺部排出，CO2分压降低，分压降低，HCO3-结合结合H+，pH增增大大HHb+释出释出H+，结合氧。，结合氧。Fig. The role of erythrocyte CA in blood gas transport. When blood passes through the tissues, erythroc

29、yte CA catalyzes the CO2 hydration reaction3.某些小分子配体的作用某些小分子配体的作用u血红蛋白（血红素血红蛋白（血红素-Fe()卟啉）除与卟啉）除与O2结合外，结合外，还能与还能与CO，NO等结合。其结合能力等结合。其结合能力NOCOO2，这些小分子同样可与血红素中的，这些小分子同样可与血红素中的Fe()配位。配位。CO与与 Fe()配位能力为配位能力为O2的的200倍倍，NO更高。如更高。如人吸收人吸收CO，CO便与血红蛋白结合，失去输氧功便与血红蛋白结合，失去输氧功能。吸收能。吸收NO也有同样结果，即使空气中也有同样结果，即使空气中CO和和NO

30、甚微，由于积累，也会使人出现贫血症状。甚微，由于积累，也会使人出现贫血症状。u肌红蛋白的血红素辅基的肌红蛋白的血红素辅基的Fe()也能与也能与CO和和NO配位。配位。带有咪唑基的游离带有咪唑基的游离血红素与血红素与CO结合结合肌红蛋白与肌红蛋白与CO形成的复合物形成的复合物氧合肌红蛋白氧合肌红蛋白CO对对Fe的亲和力远远高于氧！的亲和力远远高于氧！ 在新鲜肉中存在着三种状态的色素，在新鲜肉中存在着三种状态的色素， 即即肌红蛋白、氧合肌红蛋白、氧合肌红蛋白和高铁肌红蛋白肌红蛋白和高铁肌红蛋白，它们能相互转化，并且其色泽它们能相互转化，并且其色泽也随之变化，鲜肉中的红色是由氧合肌红蛋白呈现的颜色也

31、随之变化，鲜肉中的红色是由氧合肌红蛋白呈现的颜色（紫红色）。（紫红色）。肉的呈色机理肉的呈色机理（1）氧合作用氧合作用：血红素中的亚铁与一分子氧以配位键结合：血红素中的亚铁与一分子氧以配位键结合，而亚铁原子不被氧化，这种作用被称为氧合作用。，而亚铁原子不被氧化，这种作用被称为氧合作用。（2）氧化作用氧化作用：血红素中的亚铁与氧发生氧化还原反应，：血红素中的亚铁与氧发生氧化还原反应，生成高铁血红素的作用被称为氧化作用。生成高铁血红素的作用被称为氧化作用。低氧压时（低氧压时（1-20mmHg),1-20mmHg),主主要为氧化作用；要为氧化作用；高氧压时，主要为氧合作高氧压时，主要为氧合作用。用。

32、 新鲜肉的红色就是由于氧肌红蛋存在而呈红色，它可以通新鲜肉的红色就是由于氧肌红蛋存在而呈红色，它可以通过两个阶段变为褐色。过两个阶段变为褐色。u其机理为其机理为:(a).动物屠宰放血后动物屠宰放血后,肌肉组织供养停止肌肉组织供养停止, ，此时，此时肌肉中的色素为肌肉中的色素为Mb而呈紫红色。而呈紫红色。u(b).当鲜肉放置于空气中时表面的当鲜肉放置于空气中时表面的Mb与氧气结合而形成与氧气结合而形成MbO2呈红色，而其内部仍处于还原状因而仍呈紫红色。呈红色，而其内部仍处于还原状因而仍呈紫红色。u(c).在有氧或氧化剂存在时亚铁血红素可被氧化为在有氧或氧化剂存在时亚铁血红素可被氧化为MetMb，

33、形成了棕褐色，所以只要肉中还有还原性物质存在肌红，形成了棕褐色，所以只要肉中还有还原性物质存在肌红蛋白就会保持红色，当还原性物质耗尽时高铁肌红蛋白的蛋白就会保持红色，当还原性物质耗尽时高铁肌红蛋白的褐色就会成为主要色泽褐色就会成为主要色泽。影响肉色泽的因素影响肉色泽的因素a.还原剂的影响还原剂的影响:例如当有还原性巯基例如当有还原性巯基(-SH)存在时肌红蛋存在时肌红蛋白会形成白会形成绿色绿色的硫肌红蛋白的硫肌红蛋白(SMb)；当有其它还原剂如；当有其它还原剂如Vc时可以生成胆肌红蛋白时可以生成胆肌红蛋白(ChMb)，并很快地被氧化生，并很快地被氧化生成球蛋白、铁和四吡咯环，这个反应在成球蛋白

34、、铁和四吡咯环，这个反应在PH=57的范围的范围内发生。内发生。b.加热的影响加热的影响:在加热时球蛋白变性，在加热时球蛋白变性，Fe2+ 暴露出被氧化暴露出被氧化变为变为Fe3+，所以熟肉的色泽为，所以熟肉的色泽为褐色褐色，称为高铁血色原，称为高铁血色原(hemichrome)。c.护色剂的影响护色剂的影响:在对肉进行腌制时肌红蛋白等会同亚硝酸在对肉进行腌制时肌红蛋白等会同亚硝酸盐的分解产物盐的分解产物NO等发生反应，生成不太稳定的亚硝酰等发生反应，生成不太稳定的亚硝酰基肌红蛋白基肌红蛋白(NO-Mb)，它在加热后可以形成稳定的亚硝，它在加热后可以形成稳定的亚硝基血色原基血色原(Nitros

35、ylhemochrome)，这是腌肉中的主要色，这是腌肉中的主要色素素 。镰刀形细胞贫血病是一种分子病！镰刀形细胞贫血病是一种分子病！ 在正常细胞之中存在着许多异常的镰刀形的细胞，这种在正常细胞之中存在着许多异常的镰刀形的细胞，这种非正常血液病称之镰刀形细胞贫血病非正常血液病称之镰刀形细胞贫血病(sicklemia)。导致血红导致血红蛋白的结构和功能的改变，其运输氧气的能力大大地降低，蛋白的结构和功能的改变，其运输氧气的能力大大地降低，并且并且红细胞呈镰刀状红细胞呈镰刀状。镰刀形细胞不能象正常细胞那样通过镰刀形细胞不能象正常细胞那样通过毛细血管。因此血液循环被破坏，还可能发生严重的组织损毛细血

36、管。因此血液循环被破坏，还可能发生严重的组织损伤。镰刀形细胞易破裂，导致红细胞的减少。伤。镰刀形细胞易破裂，导致红细胞的减少。 镰刀形细胞贫血病是血红蛋白内氨基酸替换的结果镰刀形细胞贫血病是血红蛋白内氨基酸替换的结果。这。这是由于镰刀形贫血病中的血红蛋白（是由于镰刀形贫血病中的血红蛋白（Hb S）与正常的成熟）与正常的成熟的血红蛋白（的血红蛋白（Hb A ）的电泳行为不同，）的电泳行为不同，Hb A 比比Hb S泳动泳动得快，表明得快，表明Hb S比比Hb A带有的正电荷多。带有的正电荷多。 后来序列分析发现，后来序列分析发现，Hb S分子中的分子中的 链的第六个氨基酸残链的第六个氨基酸残基是

37、一个基是一个非极性的缬氨酸非极性的缬氨酸，而正常的，而正常的Hb A分子中的分子中的 链的链的第六个氨基酸残基是第六个氨基酸残基是谷氨酸谷氨酸，这一替换是由编码，这一替换是由编码 链的基链的基因中的单个核苷酸取代引起的因中的单个核苷酸取代引起的。地中海贫血症地中海贫血症（THALASSEMIA） 地中海贫血又称海洋性贫血。是一组遗传性溶血性贫地中海贫血又称海洋性贫血。是一组遗传性溶血性贫血。其共同特点是由于血。其共同特点是由于珠蛋白基因的缺陷使血红蛋白中的珠蛋白基因的缺陷使血红蛋白中的珠蛋白肽链有一种或几种合成减少或不能合成珠蛋白肽链有一种或几种合成减少或不能合成。导致血红。导致血红蛋白的组成

38、成分改变，大多表现为慢性进行性溶血性贫血蛋白的组成成分改变，大多表现为慢性进行性溶血性贫血。蚯蚓血红蛋白蚯蚓血红蛋白 (Hemerythrin,Hr)u蚯蚓血红蛋白蚯蚓血红蛋白,Hr分子中含有铁分子中含有铁,但不含铁卟啉辅基但不含铁卟啉辅基,是一种是一种非血红素铁蛋白非血红素铁蛋白(nonheme)。其生理功能是在低。其生理功能是在低等生物体内等生物体内输送氧输送氧。u对星虫的对星虫的Hr研究的比较详细研究的比较详细,它由它由 8个亚单位个亚单位组成组成,相相对分子量为对分子量为108000,每个亚单位含有每个亚单位含有113个氨基酸残基个氨基酸残基,和和2个个Fe离子离子.uHr分子中分子中

39、每两个每两个Fe离子结合一个离子结合一个O2。 其结合氧的能其结合氧的能力不受力不受pH影响影响。 在氧合过程中在氧合过程中,两个两个Fe(II)被氧化为被氧化为Fe(III), 而而O2被还原为被还原为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)都处于都处于high spin。HrHr的结构的结构HrHr的结构的结构活性中心结构活性中心结构脱氧脱氧Hr亚单位的亚单位的两个两个Fe()距离为距离为0.3250.5 nm,被多肽链被多肽链的的7个氨基酸残基配位个氨基酸残基配位。3个组氨酸残基（个组氨酸残基（His-73、7

40、7、101）与其中一个铁离子配位，另外）与其中一个铁离子配位，另外2个组氨酸残基（个组氨酸残基（His-25、54）与另外一个铁离子配位。一个谷氨酸残基）与另外一个铁离子配位。一个谷氨酸残基（Glu-58）和一个天冬氨酸（）和一个天冬氨酸（Asp-106）作为桥连配体以）作为桥连配体以羧酸的两个氧原子分别与两个铁离子配位。此外，连结羧酸的两个氧原子分别与两个铁离子配位。此外，连结两个铁离子的还有一个桥联氧原子。两个铁离子的还有一个桥联氧原子。 ）脱氧脱氧HrHr中的桥联氧原子是质子化的（中的桥联氧原子是质子化的（称为称为- -羟桥羟桥）氧合氧合HrHr中的桥联氧原子是未质子化的（中的桥联氧原子

41、是未质子化的（称为称为- -氧桥氧桥蚯蚓血红蛋白与蚯蚓血红蛋白与O2的可能结合方式的可能结合方式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 t

42、wo discrete components (from Fe-16O-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

43、-18O-16O (819 cm-1), and Fe-18O (798 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.蚯蚓血红蛋白的两种氧合机理蚯蚓血红蛋白的两种氧合机理血蓝蛋白血蓝蛋白(hemocyanin)存在于软体动物（蜗牛，乌贼，章鱼存在于软体动物（蜗牛，乌贼，章鱼 ）和节足动物（螃蟹，虾，蜘蛛等）的血液中和节足动物（螃蟹，虾，蜘

44、蛛等）的血液中。血蓝蛋白的结构血蓝蛋白的结构组成组成Hc的亚单位较多的亚单位较多, 每个亚单位含两个每个亚单位含两个Cu离子离子。 血蓝蛋白是以一价铜（血蓝蛋白是以一价铜（Cu+）为辅基的蛋白。亚）为辅基的蛋白。亚基数可变，每个亚基均含两个基数可变，每个亚基均含两个Cu+，相对分子量是，相对分子量是5000074000。血蓝蛋白的生理功能是输氧。氧合血。血蓝蛋白的生理功能是输氧。氧合血蓝蛋白的铜是蓝蛋白的铜是Cu()，呈蓝色，脱氧血蓝蛋白的铜，呈蓝色，脱氧血蓝蛋白的铜是是Cu+ ，无色。，无色。dioxygen as an 2, 2-peroxide 第二节第二节 人工氧载体人工氧载体u天然氧

45、载体在生物体内输送氧或贮存氧，天然氧载体在生物体内输送氧或贮存氧，主要是通过结合到蛋白质上的铁，铜等过主要是通过结合到蛋白质上的铁，铜等过渡金属与氧分子可逆配位来实现的。渡金属与氧分子可逆配位来实现的。u为了为了弄清生物体内载氧机理弄清生物体内载氧机理，人们除了，人们除了研究天然氧载体外，还合成了许多模型化研究天然氧载体外，还合成了许多模型化合物。合物。 这些化合物称之为人工氧载体这些化合物称之为人工氧载体， Artificial Oxygen Carriers (AOC) 。u目前已知目前已知Fe2+, Co2+ , Mn2+ , Rh+, Ir+, Ru0, Os0, Ni0, Pt0 等

46、过渡金属及其配合物具有可等过渡金属及其配合物具有可逆载氧性质；其中感兴趣的是逆载氧性质；其中感兴趣的是Fe和和Co配合配合物。物。Co氧载体氧载体u早在早在1852年，人们就发现，年，人们就发现，Co（）盐的氨水溶液在空）盐的氨水溶液在空气中会变成棕色。气中会变成棕色。1898年年Werner等证实变色是由于生成了等证实变色是由于生成了氧合钴氨配合物氧合钴氨配合物， (NH3)5Co-(O-O)-Co(NH3)54+。 第一个公认的人工载氧体是日本化学家妻木第一个公认的人工载氧体是日本化学家妻木1938年报道年报道的的Co(salen)配合物。配合物。 他认为这种配合物暴露在空气中他认为这种配

47、合物暴露在空气中变色是由于对变色是由于对O2 的可逆吸收。的可逆吸收。 之后之后, Calvin等确定等确定Co(salen)和和O2形成形成1:1与与2:1两种配合物。从那时起两种配合物。从那时起,人们人们合成了许多合成了许多Co(II)氧载体。氧载体。Co(salen)1:12:1u 1969年，年，Floriahi和和Caldenrazzo水扬醛亚胺合钴配合物水扬醛亚胺合钴配合物 Co(3-MeO Salen)Py.O2 1：1固体氧载固体氧载体。体。u 同时，同时，Basolo和和Crumbles 对对 Co(acacen) （N，N-双乙酰丙双乙酰丙酮乙二胺）进行了研究。酮乙二胺）进

48、行了研究。CoOONNCH3CH3CH3CH3Co(acacen)ONNOCoOCH3CH3OCo(3-MeO Salen)Co（）的配合物载氧，当在有）的配合物载氧，当在有第第5位配体配位后位配体配位后才可才可载氧，故配合物载氧，故配合物DMF/DMSO中可载氧。中可载氧。在苯、甲苯、三在苯、甲苯、三氯甲烷、丙酮、四氢呋喃等非配位溶剂中则不能吸氧。氯甲烷、丙酮、四氢呋喃等非配位溶剂中则不能吸氧。 含含Co()氧载体中氧载体中,配位原子一般为配位原子一般为N,O,S原子。以原子。以N原子为配位原子的原子为配位原子的(NH3、- NH2、 氨基酸，肽配体含氨基酸，肽配体含N配位原子配位原子) C

49、o()配合物氧载体，配合物氧载体， 一般形成一般形成过氧桥过氧桥配合物配合物L-Co-O-O-Co-L；而以西佛碱（胺与醛或酮缩；而以西佛碱（胺与醛或酮缩合而成）、卟啉，咕啉为配体的，一般形成合而成）、卟啉，咕啉为配体的，一般形成超氧化物超氧化物LCoO2。过氧桥配合物过氧桥配合物: : (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对钴对钴-过氧配合物的研究，为认识过氧配合物的研究，为认识2：1型载氧的蚯蚓血型载氧的蚯蚓血红蛋白和血蓝蛋白的载

50、氧机理提供了线索。红蛋白和血蓝蛋白的载氧机理提供了线索。 Fe氧载体氧载体上个世纪上个世纪50年代已经开始研究人工合成铁氧载体，但是直年代已经开始研究人工合成铁氧载体，但是直到到70年代才逐步找到恰当的合成方法。遇到的主要问题和年代才逐步找到恰当的合成方法。遇到的主要问题和困难是困难是Fe(II)配合物与配合物与O2生成不能可逆载氧的生成不能可逆载氧的FeIII-O-FeIII二聚体。二聚体。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二聚体二聚体 血红蛋白和肌红蛋白的铁卟啉基处于多肽链的血红蛋白和肌红蛋白的铁卟啉基处于多肽链的盘绕之中，正是这种空

51、间位阻能阻止两个血红素盘绕之中，正是这种空间位阻能阻止两个血红素的的Fe()离子相互靠近，抑制了离子相互靠近，抑制了 Fe()-O- Fe()的形成，可以可逆载氧。的形成，可以可逆载氧。 人们经过大量研究，已找到防止人们经过大量研究，已找到防止Fe()配合配合物形成物形成-O二聚体的二聚体的三种途径三种途径：1.在在Fe()配合物内配合物内设置空间位阻设置空间位阻；2.低温低温使形成使形成-O缓慢；缓慢；3.把把Fe()配合物配合物固定在一个刚性载体固定在一个刚性载体上上 。1. 在在Fe()配合物内配合物内设置空间位阻设置空间位阻；1973年年J.P.Collman合成了合成了带围栅的带围栅的Fe()卟啉配合卟啉配合物，可可逆载氧。该配合物，可可逆载氧。该配合物第物第5配位基为配位基为1-甲基咪唑甲基咪唑（1-MeIm）。由于卟啉）。由于卟啉环上带有大的环上带有大的竖起的基团竖起的基团，可有效可有效阻止阻止另一个铁卟啉另一个铁卟啉分子接近，生成分子接近，生成-O配合配合物物 。该配合物载氧后晶体。