第三章 天然氧载体及其化学模拟



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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