第9章生物体中的配合物

1、1 第九章第九章 生物体中的配合物生物体中的配合物9 90 0 概论概论 配合物是生物无机化学的核心配合物是生物无机化学的核心生物无机化学生物无机化学主要研究主要研究无机元素无机元素（尤其是金属（尤其是金属离子）在生命体中的存在形态，主要功能，离子）在生命体中的存在形态，主要功能，代谢过程，某些天然配体，重要的金属酶及代谢过程，某些天然配体，重要的金属酶及金属蛋白等生命物质的性质、结构和生物功金属蛋白等生命物质的性质、结构和生物功能。能。 例如研究例如研究 Na+, K+, Cl- 离子在细胞内外的灵巧离子在细胞内外的灵巧的电解质平衡作用。的电解质平衡作用。 钙对骨骼的重要性；碘缺乏引起的甲状

2、腺功能钙对骨骼的重要性；碘缺乏引起的甲状腺功能紊乱；紊乱；DDT对于鸟类和其他动物的毒害作用对于鸟类和其他动物的毒害作用等。等。 29-1 生命必需元素生命必需元素 1. 对生命必需的元素对生命必需的元素 一般认为对于活的生命体，有一般认为对于活的生命体，有26种元素是种元素是至关重要的，它们是至关重要的，它们是 10 种痕量金属种痕量金属: Fe, Cu, Mn, Zn, Co, Mo, Cr, Sn, V, Ni 4 种宏量金属元素种宏量金属元素: K, Na, Ca, Mg 12 种非金属元素种非金属元素: C, H, N, O, P, S, Cl, I, B, F, Si, Se 仍有

3、争议的元素仍有争议的元素: Li, Br, As, Pb, Cd 3 一个一个65公斤重的成年人体中无机元素的含量公斤重的成年人体中无机元素的含量 -无机物无机物 含量含量(g) 主要来源主要来源 每日需求量每日需求量(g) 形态和功能形态和功能 - 水 35000- 饮水, 1200 溶剂， 细胞液，传输介质 40000 固体食物 900 反应物, 电介质, 冷却剂 - 宏量元素 (每日需求量每日需求量100 mg) Na 100 食盐 1.1-3.3 调节渗透压，膜电位,无机 物代谢 K 150 蔬菜, 水果, 1.9-5.6 膜电位，无机物代谢l, 谷物 Ca 1300 牛奶, 奶制品

4、0.8 骨骼形成，凝血，信息分子, Mg 20 绿色蔬菜 0.35 骨骼形成, 酶的辅因子 4 无几元素无几元素 含量含量(g) 主要来源主要来源 每日需求量每日需求量(g) 形态与功能形态与功能 Cl 100 食盐 1.7-5.1 无机物代谢 P 650 肉类, 牛奶, 骨骼形成，能量代谢， 谷物,蔬菜 0.8 核酸代谢 S 200 含S-氨基酸 类脂物和碳水化合物 (半胱氨酸和 0.2 甲硫氨酸) 微量元素 (痕量元素痕量元素) (mg) Fe 4-5 肉类，肝，蛋，谷物, 10 （mg 以下同） 血红蛋白，肌红蛋白 蔬菜, 马铃薯 细胞色素，Fe/S原子簇 Zn 2-3 肉类，肝，谷物,

5、 15 锌酶 Mn 0.02 多种食品中 2-5 酶 Cu 0.1-0.2 肉类，蔬菜， 水果, 鱼 2-3 氧化酶 5 微量元素微量元素 (痕量元素痕量元素) (mg) Co 0.01 肉类 痕量 维生素 B12 Cr 0.01 0.05-0.2 尚不清楚 Mo 0.02 谷物，硬果，豆荚 , 0.15-0.5 氧化还原酶 Se 蔬菜, 肉类 0.05-0.2 硒酶 I 0.03 海鲜，加碘盐, 饮水 0.15 甲状腺素 F 加氟饮用水 茶, 牛奶 0.0015-0.004 骨骼，牙釉质 有机元素有机元素(C,H,O,N)占总量的占总量的 96%，宏量元素宏量元素 (Na, K, Ca, M

6、g, Cl, P, S) 占占 4%, 所有其余痕量元素仅占所有其余痕量元素仅占0.01%. 生命必需元素主要分布于周期表的第生命必需元素主要分布于周期表的第 14 周期中周期中，只只有有 Mo, Sn, I 位于第位于第5 周期中周期中.6 2. 生命体系中金属离子的功能生命体系中金属离子的功能 1). 金属蛋白质金属蛋白质 金属蛋白质包括金属蛋白质包括金属酶金属酶和和金属蛋白金属蛋白。金属酶。金属酶即生命体系中的即生命体系中的生物催化剂生物催化剂，例如碳酸酐酶，固，例如碳酸酐酶，固氮酶，超氧化物歧化酶氮酶，超氧化物歧化酶; ; 金属蛋白包括传输蛋白和储存蛋白，例如氧载金属蛋白包括传输蛋白和

7、储存蛋白，例如氧载体：血红蛋白和肌红蛋白；电子载体体：血红蛋白和肌红蛋白；电子载体: :细胞色素；细胞色素；金属贮运蛋白金属贮运蛋白: : 铁蛋白和运铁蛋白。铁蛋白和运铁蛋白。 2). 2). 作为结构材料和光氧化还原催化剂的非蛋白作为结构材料和光氧化还原催化剂的非蛋白质，例如生物结构材料质，例如生物结构材料 ( (Ca, Si) ) 和叶绿素和叶绿素 (Mg). 7 金属生物分子金属生物分子光氧还体光氧还体（羧肽酶）（羧肽酶）蛋白质蛋白质非蛋白质非蛋白质（叶绿素）（叶绿素）生命结构材料生命结构材料（羟基磷灰石）（羟基磷灰石）金属蛋白金属蛋白金属酶金属酶金属酶金属酶金属激金属激活酶活酶（镁离子

8、（镁离子激酶）激酶）调节蛋调节蛋白（锌白（锌指类蛋指类蛋白）白）小分子小分子载体蛋载体蛋白白（血红（血红蛋白）蛋白）（肌红（肌红蛋白）蛋白）金属贮金属贮运蛋白运蛋白（铁蛋（铁蛋白）白）（运铁（运铁蛋白）蛋白）电子电子载体载体蛋白蛋白（细（细胞色胞色素蛋素蛋白）白）8 72 宏量金属离子宏量金属离子 K+, Na+, Ca2+, Mg2+ Na+ 和和 Ca2+离子主要集中在离子主要集中在细胞外细胞外的体液中的体液中; 而而 K+ 和和 Mg2+离子主要集中在离子主要集中在细胞内部细胞内部. 1. Na+ 和和 K+ 在大多数动物细胞内部，在大多数动物细胞内部， K+的浓度大约为的浓度大约为 0

9、.15 M ，而而 Na+离子的浓度大约为离子的浓度大约为 0.01 M. 在细胞外在细胞外的体液中的体液中 Na+离子的浓度大约为离子的浓度大约为 0.15M，而而 K+离子的浓度小于离子的浓度小于 0.004M. 维持如此大的一个维持如此大的一个浓浓度梯度度梯度需要需要“离子泵离子泵”的作用。在的作用。在“离子泵离子泵” ” 机制中，离子机制中，离子转移的转移的能量由能量由 ATP的水解提供的水解提供.9membraneInside outside high K+ high Na+ low Na+ low K+Ion pump60100 mV inside outsideHigh K+ L

10、ow Na+ membranediffusionhigh Na+Low K+10 ATP的水解为离子的传输提供能量的水解为离子的传输提供能量： K+-P + ATP PP + ADP + K+ 细胞内 PP + Na+ NaPP NaPP + ADP P + ATP + Na+ 细胞外 在某些细胞中，每个在某些细胞中，每个ATP分子水解时从细胞内搬分子水解时从细胞内搬运出运出3个个Na+；同时搬运同时搬运2个个 K+(H+)进细胞内进细胞内。葡葡萄糖代谢，蛋白质合成和某些酶的活化都需要萄糖代谢，蛋白质合成和某些酶的活化都需要K+离子。离子。 葡萄糖和氨基酸转运入细胞内与葡萄糖和氨基酸转运入细胞

11、内与Na+的传的传输过程是互相耦合的，浓度梯度大有利于这种耦输过程是互相耦合的，浓度梯度大有利于这种耦合。合。112. Ca2+ 和和 Mg2+ Ca2+在细胞内的浓度在细胞内的浓度 (10-5 M) 小于细胞外小于细胞外 (10-3 M). 它也是通过离子泵机制传输到细胞外的它也是通过离子泵机制传输到细胞外的。 Ca2+的功能主要作为的功能主要作为结构生物材料结构生物材料，例如在骨，例如在骨骼和牙釉质中都是以羟基磷灰石骼和牙釉质中都是以羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2 的形式存在的形式存在。 Ca2+还有其他还有其他许多生物功能，如作为荷尔蒙作用的许多生物功能，如作为荷尔蒙作用的信使

12、信使，肌，肌肉收缩的肉收缩的触发器触发器，血凝的引发剂血凝的引发剂，蛋白质结构，蛋白质结构的的稳定剂稳定剂。这是由于正二价的。这是由于正二价的 Ca2+离子离子 影响蛋白质的折叠，借以改变蛋白质的结构和影响蛋白质的折叠，借以改变蛋白质的结构和功能。功能。12 且由于且由于Ca2+的活性提供了快速的结构变化。的活性提供了快速的结构变化。 生命体系中的一个最重要的氧化还原反应要算生命体系中的一个最重要的氧化还原反应要算下述下述光合成反应光合成反应（光合作用光合作用）： n H2O + nCO2 (CH2O)n + nO2 光合过程是生命的基础光合过程是生命的基础，在光合作用中存在两个，在光合作用中

13、存在两个光化学反应中心，即光化学反应中心，即“光体系光体系I” 和和“光体系光体系II” (PSI 和和 PSII). 前者为厌氧菌所利用，后者为所前者为厌氧菌所利用，后者为所有的绿色植物和藻类所利用。有的绿色植物和藻类所利用。 太阳光太阳光叶绿素叶绿素 a1 碳水化合物碳水化合物13 光合过程所需的能量通过镁大环光合过程所需的能量通过镁大环叶绿叶绿素素a1（一个镁二氢卟啉络合物）从一个镁二氢卟啉络合物）从太阳太阳光吸收。光吸收。 叶绿素叶绿素 a114 叶绿素叶绿素 a1 吸收光能，吸收光能， PSII 利用此光能生产利用此光能生产 O2.7-3 生命体中某些重要的痕量过渡金属元素生命体中某

14、些重要的痕量过渡金属元素 1. Zn 人体中锌的含量在人体中锌的含量在 1.42.3 g. 现已在生命体中发现已在生命体中发现现 200多种含多种含 Zn2+金属酶金属酶. 在人体中确认有在人体中确认有 18 种锌酶和种锌酶和 14种锌离子激活酶种锌离子激活酶. a). 碳酸酐酶碳酸酐酶 碳酸酐酶的分子量达到碳酸酐酶的分子量达到 30000 D（道尔顿道尔顿）. 它它由由259 个氨基酸残基组成。每个碳酸酐酶分子个氨基酸残基组成。每个碳酸酐酶分子仅含有仅含有一个一个锌离子锌离子。 15 该锌离子结合3个组氨酸残基，第四个配位位置开放给水分子和羟基阴离子. . ZnNNNNNNH2O969411

15、9Zn 碳酸酐酶的活性中心碳酸酐酶的活性中心16 在碳酸酐酶中， Zn2处于四配位的环境中，其中3个配位原子为3个组氨酸的咪唑氮原子，第四个配位原子为水分子或羟基阴离子的氧原子。 碳酸酐酶的作用就是催化下述重要的碳酸酐酶的作用就是催化下述重要的 CO2的的水水化脱水平衡化脱水平衡: : CO2(aq) + H2O(l) H2CO3(aq) 17 18 b). 羧肽酶羧肽酶 羧肽酶羧肽酶是另一种重要的含锌酶系，它是另一种重要的含锌酶系，它们的功能是催化蛋白质中们的功能是催化蛋白质中肽键的水解肽键的水解过过程：程： H O H H -O2CCNHCC NH -O2CCNH R R R H + -O

16、2CCNH R H2O3enzyme19 该酶系中一个研究得较充分的例子是牛羧肽该酶系中一个研究得较充分的例子是牛羧肽酶。它是一个含有酶。它是一个含有307个残基的蛋肽链结合个残基的蛋肽链结合与一个与一个Zn2+的金属酶，分子量大的金属酶，分子量大34300 D. . Zn2+ 处于四面体配位环境中，结合处于四面体配位环境中，结合2个组氨个组氨酸的酸的N原子，一个谷氨酸的原子，一个谷氨酸的O原子，而第四个原子，而第四个配位位置为水占据。配位位置为水占据。 2. Fe 人体中，人体中，Fe 是是最丰富的过渡金属最丰富的过渡金属，含量，含量4.26.1 g, 在哺乳动物中，大约在哺乳动物中，大约

17、70%的的 Fe以以卟啉配合物或血红素卟啉配合物或血红素的形式存在。例如血的形式存在。例如血红蛋白、肌红蛋白、过氧化氢酶、细胞色素红蛋白、肌红蛋白、过氧化氢酶、细胞色素c及色氨酸双加氧酶及色氨酸双加氧酶等。等。 20 卟啉的骨架结构是卟吩。卟吩的所有衍生物卟啉的骨架结构是卟吩。卟吩的所有衍生物总称为卟啉。而它们的金属衍生物称作金属总称为卟啉。而它们的金属衍生物称作金属卟啉。卟啉。 1). 血红蛋白血红蛋白Hb 与肌红蛋白与肌红蛋白 Mb - O2 的传输与贮存的传输与贮存 Hb 和和 Mb 的功能的功能 血红蛋白是我们最熟悉，分布最广的氧载体。血红蛋白是我们最熟悉，分布最广的氧载体。它存在于红

18、血细胞中，它存在于红血细胞中，脊椎动物利用血红蛋脊椎动物利用血红蛋白将氧气从肺或腮运送到各种机体组织中去白将氧气从肺或腮运送到各种机体组织中去，在那儿，在那儿，O2被用于生物氧化过程，并最后还被用于生物氧化过程，并最后还原成原成CO2。脊椎动物也利用脊椎动物也利用氧贮存蛋白肌氧贮存蛋白肌红蛋白，肌红蛋白对肌肉组织提供氧气以维红蛋白，肌红蛋白对肌肉组织提供氧气以维持肌肉活力。持肌肉活力。21 22 Hb 和和 Mb的结构的结构 血红蛋白血红蛋白 (Mr=64500 D) 由由4个蛋白质亚单元个蛋白质亚单元构成，每个亚单元含有构成，每个亚单元含有一个一个Fe(II)原卟啉配原卟啉配合物（血红素）。

19、合物（血红素）。其中两个亚单元具有相同其中两个亚单元具有相同的氨基酸序列，形成的氨基酸序列，形成-链链. . 另外两个亚单元另外两个亚单元形成形成-链链; 就是靠着血红素的这就是靠着血红素的这4个亚单元结个亚单元结构，发挥其重要的生物功能。构，发挥其重要的生物功能。 肌红蛋白肌红蛋白 (Mr=17000 D) 由一条由一条单一多肽链单一多肽链( (珠蛋白珠蛋白) )和一个和一个Fe(II)原卟啉配合物（血红原卟啉配合物（血红素）素）构成构成. . 去氧肌红蛋白的结构如下页所示。去氧肌红蛋白的结构如下页所示。注意其卟啉活性中心被多肽链所缠绕，藏于注意其卟啉活性中心被多肽链所缠绕，藏于这个疏水这个

20、疏水“袋袋”。 23 O2-结合模式结合模式 Fe(II)-原卟啉配合物中，原卟啉配合物中，Fe(II)结合结合O2的方式的方式经实验确定为经实验确定为 如下的如下的弯曲方式弯曲方式： O Fe(II)O 去氧去氧-Hb 是是Fe的一种五配位的高自旋配合物，的一种五配位的高自旋配合物，其中四个位置为卟啉环的其中四个位置为卟啉环的4个个N原子所占据，原子所占据，第五个位置为组氨酸的咪唑配体的第五个位置为组氨酸的咪唑配体的N原子占原子占据。通过它将血红素与蛋白质相连（见下页据。通过它将血红素与蛋白质相连（见下页图）。图）。 24 25 26 27 Fe(II) 的那样一个五配位的血红素络合物总的那

21、样一个五配位的血红素络合物总是是高自旋的高自旋的。高自旋。高自旋 t e Fe(II)离子半径稍离子半径稍大于卟啉环的中央孔腔，所以它高出卟啉环大于卟啉环的中央孔腔，所以它高出卟啉环平面平面约约0.4. 高自旋高自旋 Fe(II) 卟啉配合物包裹卟啉配合物包裹在血红蛋白和肌红蛋白中，从而引起卟啉大在血红蛋白和肌红蛋白中，从而引起卟啉大环的皱褶和卷曲，然而环的皱褶和卷曲，然而低自旋低自旋的的Fe(II)离子，离子，半径较小，故容易进入环中半径较小，故容易进入环中. . 当当O2参与配位参与配位时，变为六配位，该配合物便转变为低自旋时，变为六配位，该配合物便转变为低自旋的的( (t Fe(II)

22、)，Fe(II)离子稍有缩小，因而离子稍有缩小，因而能进入环平面。能进入环平面。 42g2g62g28 29 多肽链在血红蛋白和肌红蛋白中起了很重要多肽链在血红蛋白和肌红蛋白中起了很重要的作用，如果是裸露的的作用，如果是裸露的“血红素血红素”，即没有，即没有多肽链伴随的多肽链伴随的Fe-卟啉配合物容易被卟啉配合物容易被O2 不可不可逆地氧化成逆地氧化成Fe(III), ,最后生成稳定的最后生成稳定的 -O2-产产物，该产物便不再能携带物，该产物便不再能携带 O2。然而在血红蛋然而在血红蛋白和肌红蛋白中，多肽链围绕并保护着血红白和肌红蛋白中，多肽链围绕并保护着血红素，使它不被素，使它不被O2氧化

23、。故能抗御氧化。故能抗御 -O 二聚二聚体的形成，就是说，多肽链通过其带非极性体的形成，就是说，多肽链通过其带非极性侧基的氨基酸残基盘绕着血红素基团，形成侧基的氨基酸残基盘绕着血红素基团，形成一个围绕血红素的一个围绕血红素的“尖桩篱笆尖桩篱笆”圈，有效地圈，有效地防止了防止了Fe-O-Fe桥联物种的形成。因而能维桥联物种的形成。因而能维护血红蛋白可逆地络合护血红蛋白可逆地络合O2。 （见下页）见下页）30 31 合作效应合作效应 血红蛋白与肌红蛋白在传输血红蛋白与肌红蛋白在传输 O2 的过程中表现的过程中表现出一种所谓出一种所谓“合作效应合作效应”，即血红蛋白在高，即血红蛋白在高氧气分压下（肺

24、组织中）结合氧气分压下（肺组织中）结合 O2几乎无损几乎无损耗地通过血液释放给肌肉组织中的肌红蛋白。耗地通过血液释放给肌肉组织中的肌红蛋白。而肌红蛋白即使是在低氧压、低而肌红蛋白即使是在低氧压、低 pH 值（积值（积累较多的累较多的CO2 和乳酸的肌肉组织）下也能有和乳酸的肌肉组织）下也能有效地结合效地结合O2. . 血红蛋白与肌红蛋白在结合血红蛋白与肌红蛋白在结合 O2 的能力上的这一差别，的能力上的这一差别，有利于有利于 O2气由血气由血红蛋白向肌红蛋白传输。红蛋白向肌红蛋白传输。（见下页图）。（见下页图）。32 33 3. Co - 辅酶辅酶 B12 唯一已知含钴生物分子是辅酶唯一已知含

25、钴生物分子是辅酶 B12, 该辅酶含有一该辅酶含有一个个Co原子原子，Co原子周围的配为环境包括一个类原子周围的配为环境包括一个类似与卟啉环的似与卟啉环的咕啉环咕啉环，该咕啉环在钴的赤道平面，该咕啉环在钴的赤道平面上提供上提供4个个N配位原子，第五个配位位置也含有一配位原子，第五个配位位置也含有一个共轭的个共轭的N配位原子，第六个位置被一个腺苷配配位原子，第六个位置被一个腺苷配位体的位体的C原子占据。这一原子占据。这一Co-C键使该辅酶键使该辅酶B12成成为生物体中极罕见的为生物体中极罕见的金属有机化合物金属有机化合物的一个例子的一个例子（见下页图）。（见下页图）。 34 35 与辅酶与辅酶B

26、12密切相关的维生素密切相关的维生素B12 中中，一个一个CN- 基基取代了腺苷配位体。维生素取代了腺苷配位体。维生素B12是是 1929年从肝的年从肝的提取物中得到的，后来发现，如果人体缺乏维生提取物中得到的，后来发现，如果人体缺乏维生素素B12 或辅酶或辅酶 B12 将导致将导致恶性贫血症恶性贫血症. . 辅酶辅酶 B12 是一个多功能的酶，它的钴原子可从是一个多功能的酶，它的钴原子可从Co(III) 还原到还原到 Co（II）和和Co(I)，它容易发生甲基化反它容易发生甲基化反应，生成甲硫氨酸合成酶，甲硫氨酸合成酶是一应，生成甲硫氨酸合成酶，甲硫氨酸合成酶是一个甲基化试剂，例如它能催化重

27、金属离子在水溶个甲基化试剂，例如它能催化重金属离子在水溶液中的甲基化反应，生成毒性很高的物质如液中的甲基化反应，生成毒性很高的物质如 Hg(CH3)2 和和Pb(CH3)4 等。等。 364. Cu 1). 血蓝蛋白血蓝蛋白 - - 氧载体氧载体 血蓝蛋白是血蓝蛋白是第二种类型的氧载体第二种类型的氧载体， ( (见下图见下图),), 37 血蓝蛋白存在于血蓝蛋白存在于蜗牛（软体动物）和蜗牛（软体动物）和 螃蟹螃蟹（节足动物）中。（节足动物）中。 O2 结合部位含有两个结合部位含有两个Cu+ 离子，直接与蛋白质相连。氧合血蓝蛋白具离子，直接与蛋白质相连。氧合血蓝蛋白具有特征的深蓝色。有特征的深蓝

28、色。 2). 超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase SOD) SOD 是由是由 McCord 和和 Fridovich 在在 1968年年发现的发现的. .它是一个含它是一个含铜和锌的金属酶铜和锌的金属酶。晶体结。晶体结构测定显示构测定显示，Cu2+ 和和 Zn2+离子配位于一个组离子配位于一个组氨酸残基的同一个咪唑环上。（见下页图氨酸残基的同一个咪唑环上。（见下页图） 2238 39 据研究超氧离子据研究超氧离子 O2- 或由它产生的某些其他产物或由它产生的某些其他产物(如如 OH) 对细胞是有毒害的。而对细胞是有毒害的。而 SOD 能有效地能有效地催化超氧

29、离子的歧化反应催化超氧离子的歧化反应，使其转化为过氧化氢，使其转化为过氧化氢和氧气和氧气: : 2 O2- + 2H+ H2O2 + O2 由牛肝中分离得到的超氧化物歧化酶，对人体组由牛肝中分离得到的超氧化物歧化酶，对人体组织的织的消腫、消炎消腫、消炎特别有效。并发现在特别有效。并发现在治疗骨关节治疗骨关节炎症炎症有价值，并且是一种很有价值的有价值，并且是一种很有价值的抗衰老剂抗衰老剂。 生物化学研究表明蛋白质中的靠近铜原子的精生物化学研究表明蛋白质中的靠近铜原子的精氨酸残基在酶的催化过程中起了很重要的作用。氨酸残基在酶的催化过程中起了很重要的作用。 240 5. Mo - 固氮酶固氮酶 自然

30、界进化出一种完全不同的、自然界进化出一种完全不同的、不需要高温、高压不需要高温、高压的、更加精巧的合成氨的路线的、更加精巧的合成氨的路线，即自然界利用，即自然界利用ATP( (腺苷三磷酸腺苷三磷酸) )作为作为还原剂，依据下面的半反还原剂，依据下面的半反应（还原反应）来合成应（还原反应）来合成 NH3: N2 + 16 MgATP + 8e- + 8H+ 2NH3+ 16 MgADP + 16Pi + H2 该过程的特征，也是最诱人的地方是它可以在常温、该过程的特征，也是最诱人的地方是它可以在常温、常压的温和条件下进行。这一过程就是靠一种叫常压的温和条件下进行。这一过程就是靠一种叫“固氮酶固氮酶”的生物催化剂的作用。的生物催化剂的作用。41