生物无机化学.pptx

生物无机化学Bioinorganic chemistry,计亮年，莫庭焕；生物无机化学导论，中山大学出版社。杨频，高飞；生物无机化学原理，科学出版社。,3.Lippard，席振峰（译）；生物无机化学原理，北京大学出版社。4.郭子建，孙为银；生物无机化学，科学出版社。,What is Bioinorganic Chemistry?Bioinorganic chemistry constitutes the discipline at the interface of the more classical areas of inorganic chemistry and biology.Bioinorganic chemistry has two major components:the study of naturally occurring inorganic elements in biology and the introduction of metals into biological systems as probes and drugs.,Bioinorganic Chemistry or Inorganic Biochemistry？,生物化学家、医学家研究无机生物化学和无机化学家研究生物无机化学的角度有些差异。,前者研究金属离子及其化合物对生物体的生理和病理作用。,后者研究金属离子及其化合物与生物体系的相互作用。,J.Inorg.Biochem.(IF=3.287),J.Bio.Inorg.Chem.(IF=3.317),Scientific journals,，,第一章 概述及相关基础知识,一、生物无机化学发展史二、生物无机化学的研究内容三、生命元素四、生命配体,一、生物无机化学发展史,上世纪五十年代，肯德鲁和佩鲁茨解析了肌红蛋白和血红蛋白的结构，两者分享1962年的诺贝尔化学奖。,Kendrew,John Cowdery,MaxFerdinand Perutz,1970年，在美国Virginia州举行了国际生物无机化学讨论会，仅19篇报告，并由R.F.Gould汇编“生物无机化学”。1971年，D.R.Willams出版专著生命金属“The Metal of Life”。1971年，美国著名化学家G.N.Schrazer主编的杂志Bioinorganic Chemistry创刊，1979年更名为Journal of Inorganic BioChemistry。1973年，H.Sigel等主编丛书Metal ions in Biological Systems,系统收集金属离子在生物体中的结构和功能数据。,1977年，G.N.Schrazer发起成立了国际生物无机化学协会.1983年起，由I.Bertini，H.B.Gray，B.Malmstrom and H.Sigel 组成生物无机化学国际会议组织委员会,决定每两年召开一次会议.1995年，C.D.Garner和I.Betini再次发起成立国际生物无机化学学会(The Society of Biological Inorganic Chemistry，简称SBIC)，并于1996年出版会刊“Journal of Biological Inorganic Chemistry”。,2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。,Peter Agre Roderick MacKinnon,诺贝尔奖,生物无机化学发展的推动力,蛋白质和其他生物分子高分辨结构的迅速测定。,用于结构及动力学测定的高效光谱仪器的应用。,生物工程在创造新的生物相关结构中的广泛应用，如基因定点突变技术等。,国际生物无机化学会议（ICBIC）International Conference on Biological Inorganic Chemistry,ICBIC-1 1983年 意大利 ICBIC-2 1985年 葡萄牙ICBIC-3 1987年 荷兰ICBIC-4 1989年 美国ICBIC-5 1991年 英国 金属识别、储存、输送和组装ICBIC-6 1993年 美国 固氮酶的结构及催化及其机理ICBIC-7 1995年 德国 金属离子对基因调节影响ICBIC-8 1997年 日本 丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺ICBIC-9 1999年 美国,ICBIC LOGO,ICBIC-10 2001年 意大利 中枢神经系统的生物无机化学ICBIC-11 2003年 澳大利亚 金属离子在细胞的交通图ICBIC-12 2005年 美国ICBIC-13 2007年 奥地利ICBIC-14 2009年 日本ICBIC-15 2011年 加拿大ICBIC-16 2013年 法国ICBIC-17 2015年 中国,国际生物无机化学会议（ICBIC）,ICBIC LOGO,http:/,ICBIC LOGO,Session Topics for ICBIC 14,Bioenergetics Small Molecules Activation Traffic and Storage of Metal Ions Metalloproteins Biogenesis of Metalloproteins Molecular Design of Metalloproteins Metal-DNA/RNA Interaction Metal Ions in Drug Design,Neuroscience,and Disease Bioorganometallic Chemistry Bionanomaterials New Trends in Bioinorganic Chemistry,国际应用生物无机化学学术讨论会（ISABC）International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry,ISABC-1 1990年 武汉 ISABC-2 1992年 广州 ISABC-3 1994年 澳大利亚 ISABC-4 1997年 南非 ISABC-5 1999年 希腊 ISABC-6 2001年 英国ISABC-7 2003年 墨西哥 ISABC-8 2004年 香港 ISABC-9 2006年 阿根廷 ISABC-10 2009年 匈牙利ISABC-11 2011年 西班牙,亚洲生物无机化学学术会议（AsBic）The Asian Biological Inorganic Chemistry Conference,全国生物无机化学学术会(CBIC),第十一届会议议题(2011年,保定,河北大学)无机物与生物大分子的相互作用无机药物化学及其作用机理 金属蛋白与金属酶、细胞生物无机化学生物矿化与仿生无机材料 纳米材料与生物效应 金属和小分子探针 稀土生物无机化学 环境生物无机化学 生物无机化学研究中新方法、新技术 生物无机化学理论或应用相关的其它研究,王夔,计亮年,倪嘉缵,生物无机化学家，中科院院士,二、生物无机化学的研究内容,金属酶和金属蛋白的结构和功能金属离子及其配合物与生物大分子的相互作用 生物矿化电子传递反应金属离子和细胞的相互作用离子载体探针和金属药物金属酶和模拟酶的应用,金属酶和金属蛋白的结构和功能,（a）金属离子的成键位置（b）活性中心周围微环境（c）蛋白链在保证金属离子正常工作的贡献（d）蛋白链与底物的结合方式,金属离子及其配合物与生物大分子的相互作用,共价结合 非共价结合,生物矿化（biomineralization）,生物矿物材料（骨头、牙齿、蛋壳等）是由矿物与基质构成的复合材料，具有高度的装配有序性，又特殊的理化性质、可控的动态性质和特殊的生物功能。,定义：有机物质在微生物作用下分解，释放能量，转化为简单无机物质的过程。,电子传递反应,生命过程的核心是能量传递，而能量传递的中心过程是电子传递。生物体内电子传递与化学反应中的电子传递有着重要的区别。,金属离子和细胞的相互作用,细胞是生命活动的基本单位；金属及其化合物与细胞的相互作用是其表现的生物效应得化学基础；如化合物与细胞相互作用时，细胞化学组成、结构、功能方面的变化和无机物结构变化机理；化合物和自由基对细胞增殖、分化和凋亡过程中的作用位点、干预方式、作用机理与化合物性质的关系；cellular bioinorganic chemistry,离子载体,ionophore,可有选择地结合专一离子，并携带其穿过不透性膜的脂溶性小分子。,探针和金属药物,用一些其他的金属元素替代生物无机化合物中的原有金属元素，从而用各种波谱方法来研究和确定体系的结构和作用。,例如，用半径与锌相近的钴离子作探针，代替羧肽酶中的锌，从而根据含钴酶的光谱推断羧肽酶中锌的配位环境。用锰离子做探针，根据含锰羧肽酶的核磁共振谱确定了羧肽酶中锌和一水分子或羟基相连。,金属酶和模拟酶的应用,研究金属酶的结构与功能合成它们的模拟物，以推动它们在生产中的应用。,探讨常见的疾病的发病与某些金属元素与非金属元素之间的关系，研究调节和控制这些元素来防止病变的发生。,硒：地方性疾病,克山病心脏损伤性疾病,大骨节病慢性对称性畸形骨关节病,三、生命元素,生物体的必须元素存在于正常组织之中。在各物体中有一定的浓度范围。如果从机体排除这种元素将会引起特殊的生物化学变化，重新引入这种元素，上述变态将可以消失。至少有26种生物体的必须元素。,占人体总重量低于0.01的元素,人体中的元素,常量元素,微量元素,C、H、O、N、P、S、Cl、Na、Mg、K和Ca等11种，约占体重的99.25。,Rb、As、B、Ti、Al、Ba、Nb和Zr等8种。,Bi、Sb、Be、Cd、Hg和Sb等6种。,必需微量元素,非必需微量元素,有毒微量元素,占人体总重量高于0.01的元素,铁、锌、铜、铬、锰、硒、镍、钴、氟、碘、钼、钒、锡、硅、溴等15种。,Biological function of selected metal ions,Non-essential but valuable elements,A few elements have become of marked clinical value.,Clinical value of some elements,最适营养浓度定律,浓度，明显地影响着它对生物体是“必需”、“有益”还是“有害”。法国科学家G.Bertrand 在研究锰对植物生长的影响后，提出了一个最适营养定律：植物缺少某种必需元素时不能成活，当该元素适量时就能茁壮成长，但过量时又转为有害。,表1.常见微量元素对人体健康的影响,表2.微量元素引起的地方病,表2.微量元素引起的地方病(续),微量元素引起的地方病,地方性甲状腺肿,碘缺乏,地方性克汀病,呆小聋哑瘫,侏儒、先天畸形,厌食、生长障碍，骨畸形,锌缺乏,六旬母亲肩背侏儒儿子30载，用坏20个背篼,硒缺乏,克山病,心律不齐，心脏扩大，心率衰竭，休克,大骨节病,肌肉萎缩、发育障碍、行动蹒跚,地方性硒中毒,硒过量,脱发脱甲，皮肤潮红、神经、牙齿损害,微量元素引起的地方病(续),黑皮病,慢性砷中毒,皮肤色素过渡沉着、神经性皮炎，致癌。,水俣病,慢性甲基汞中毒,感觉障碍、共济失调，语言、智力障癌。,元素的中毒,骨痛病,易骨折、骨质疏松、软化变形，疼痛,铝过量引起的脑痴呆,电镀时吸入铬酸雾，产生的六价铬化物，可损害人体皮肤及呼吸道，形成很深的溃疡既铬疮。铬疮出现后，铬毒素进入人体血液沉淀。,女工陈麒穗,在重庆市巴南区渝南鑫光灯具有限公司电镀车间打工四个月，体内铬含量竟然超标一万倍!,鬼剃头,铊中毒,脱发、头晕、乏力、食欲不振，视物模糊。,清华女生“铊”中毒后无望挣扎十多年,四、生命配体,蛋白质：蛋白质是生命体系中最重要的一类生物大分子，是生命活动的主要承载者以及生命现象的主要物质基础。核酸：核酸是生物遗传的物质基础，与生物的生长，发育等呈长生命活动以及癌变等异常生命活动相关。酶:具有生物催化功能的生物大分子,大多数由蛋白质组成（少数为RNA）。,蛋白质可以被酸碱或蛋白酶催化水解完全水解得到各种氨基酸的混合物，部分水解通常得到多肽片段。最后得到各种氨基酸的混合物。所以，氨基酸是蛋白质的基本结构单元。大多数的蛋白质都是由20种氨基酸组成。这20种氨基酸被称为基本氨基酸。,蛋白质,L-氨基酸,UV 特征吸收：260280 nm,构成蛋白质的20种氨基酸在可见光区都没有光吸收，但在远紫外区(220 nm)均有光吸收。在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。,氨基酸残基可能的配位方式,重要的不常见氨基酸,在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为不常见蛋白质氨基酸,这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。,非蛋白氨基酸,除了上述构成蛋白质的氨基酸以外，自然界还存在一些并不是蛋白质组分的氨基酸，这些氨基酸通常被称为非蛋白氨基酸，至今已经发现200多种以上，它们具有不同的功能。,高半胱氨酸：甲硫氨酸生物合成的中间产物,蛋白质的结构,将蛋白质结构层次进一步细分，可在二、三级结构之间增加超二级结构和结构域两个层次。,The Structures of Proteins,蛋白质结构,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,超二级结构,结构域,低,高,蛋白质的一级结构,蛋白质的一级结构(Primary structure)包括组成蛋白质的多肽链数目.多肽链的氨基酸顺序，以及多肽链内或链间二硫键的数目和位置。其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。,牛胰核糖核酸酶的一级结构,蛋白质的一级结构,蛋白质的一级结构(Primary structure)包括组成蛋白质的多肽链数目.多肽链的氨基酸顺序，以及多肽链内或链间二硫键的数目和位置。其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。,牛胰核糖核酸酶的一级结构,蛋白质的二级结构,肽链的主链在空间的排列。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。,蛋白质中的几种超二级结构,motif,motif,hairpin,相邻的二级结构单元经常按照一定规律、规则地组合在一起，彼此相互作用，形成在空间构象上特征的二级结构组合单位。,结构域（structural domain）,对于一些相当大的蛋白质分子，一条长的多肽链，有时要先分别折叠成几个相对独立的区域，再组装成球状或颗粒状的复杂构象（三级结构）。这种在二级结构或超二级结构基础上形成的特定区域称为结构域（structural domain）。每个结构域自身都是紧密装配的，但结构域之间的联系是比较松散的，因此在两个结构域间常常形成空穴。不同的蛋白质，其结构域的数目各不相同。蛋白质分子分成几个结构域的现象，通常与蛋白质的功能有关。,疏水 相互作用,静电相互作用,金属离子配位作用,折叠结构链间氫健,螺旋结构链内氫健,二硫健,侧链之间氫健,稳定蛋白质三级结构的主要作用力,蛋白质的四级结构(Quaternary Structure)是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。,四级结构,核酸（Nucleic acid）,核酸分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸（RNA)两种。DNA是染色体的主要成份。DNA是所有生物的遗传物质基础，生物体的遗传信息都贮存在DNA中。RNA主要存在于细胞质中。有三种RNA，即信使核糖核酸(mRNA)核糖体核糖核酸(rRNA)和转运核糖核酸(tRNA)。有一类被称为核糖酶（ribozyme）的RNA分子具有酶学功能，有关核糖酶中金属离子的作用是目前生物无机化学领域的一个热点研究内容。,五种碱基,嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine)鸟嘌呤(guanine)(DNA only,A)(DNA only,G),(1)嘌呤碱,(2)嘧啶碱,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),(2)嘧啶碱,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine,C),尿嘧啶(uracil,U),胸腺嘧啶(thymine,T),(3)核 苷,腺嘌呤脱氧核苷,(4)胞嘧啶脱氧核苷,(5)5-腺嘌呤核苷酸,磷酸腺苷,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material,Francis H.C.Crick,Maurice H.F.Wilkins,James D.Watson,两条链以相反方向绕同一轴形成右旋双螺旋,直径2nm,转一周高度3.4nm,含10个核苷酸,大沟槽,小沟槽。内侧base基以H band相连,维持double helix。A=T,G C base complementary base stacking force 碱基堆积力 内疏水，外亲水，静电作用。double-stranded cyclic DNA 双链环型DNA Superhelix 超螺旋 Supercoil 超卷曲,DNA双螺旋结构要点,Helical forms of DNA,1 turn 10b 11b 12b1 rise 3.4 2.3 3.8,Structure of a G-quartet,Different strand orientations for 4-strand intermolecular quadruplexes,International Journal of Mass Spectrometry 253(2006)225237,G-四链体结构（G-quadruplex）由富含G的DNA链形成的特殊二级结构,RNA的结构,大肠杆菌16S rRNA,tRNA,酶,非蛋白质部分辅基 Prosthetic group,酶结合蛋白，需要有非蛋白质组分才表现出活性。,酶蛋白质无催化活性 apoenzyme,辅因子（cofactor）非蛋白部分：辅酶（coenzyme）辅基（Prosthetic）,全酶 酶蛋白辅因子,酶的分类（酶促反应）：oxidoreductase transferase hydrolase lyases（裂解酶）isomerase ligases（链接酶）,第二章 天然氧载体及其化学模拟,第一节 天然氧载体第二节 人工氧载体,河蚌,淡蓝色血,乌贼,绿色血,蚯蚓,玫瑰红色血,动物血液颜色,虾、河蟹,淡青色血,蜗牛,透明的血,昆虫,绿色血,大天蚕蛾,-胡萝卜素、核黄素和黄素-核苷酸,菜粉蝶,家蚕,鱼类,两栖类,爬行类,鸟类,哺乳类,人类,红色血液,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。空气中氧分子在水中的溶解度很低，常温常压下20 ml/L；有了载氧体血液中氧的浓度比水中的氧浓度高出10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5种，都是活性中心含有金属离子的蛋白质。,第一节 天然氧载体 natural oxygen carriers,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，供细胞内进行维持生命所需的各种氧化作用。按照蛋白质载氧的活性部位的化学本质，主要可以把天然氧载体分为三类：含血红素(heme)辅基的蛋白(70%):血红蛋白(hemoglobin,Hb)和肌红蛋白(myoglobin,Mb)；不含血红素的铁蛋白:蚯蚓血红蛋白(hemerythrin,Hr)；含铜蛋白:血蓝蛋白(hemocyanin,Hc)。,其它天然氧载体,血钒蛋白，hemovanadin 含钒的一种蛋白。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。存在于海鞘类动物体内。每原子钒可结合一个氧分子，载氧后呈绿色。,天然氧载体的若干性质,卟啉,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。,某些常见的天然卟啉,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,哺乳动物体内约70%的铁元素与卟啉形成配合物。它与铁形成铁卟啉，血红素（heme）是铁（II）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。,卟啉与血红素,原卟啉,卟啉骨架结构参数（键长单位：nm）,四种不同的血红素,heme a,heme b,heme c,heme d,金属与卟啉平面的相对位置,金属离子的半径如合适，可与卟啉形成平面型配合物，否则为变形配合物。空间构型取决于金属离子的半径是否与卟啉环内空腔大小匹配。金属卟啉轴向配体不同，性质不同，功能不同，中心离子不同，功能也不同。,血红蛋白 Hemoglobin(Hb),功能：输送氧；血液中含有红细胞，它是载氧的生物单元，红细胞中含有血红蛋白，它是载氧的生物化学单元。结构：成人：2 2，95%以上；22，1.5-4.0%；胎儿：22。亚单位有141个氨基酸残基，和含 146 个氨基酸残基。,相对分子量是65000,珠蛋白 globin,Globins are a related family 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（Globin family）是一类有相似一级结构和三级结构（珠蛋白折叠的结构模体）的蛋白质，它们都含有血红素辅基，都能可逆地与氧气结合。,肌红蛋白，Myoglobin，Mb血红蛋白，Hemoglobin，Hb神经珠蛋白，Neuroglobin，Ngb细胞珠蛋白，Cytoglobin,Cygb,神经珠蛋白,神经珠蛋白,一种属于血红素蛋白类的蛋白质，主要在脊椎动物的大脑和视网膜细胞中表达。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 Burmester 等人首先发现。Nature,2000,407,520.2003年，获得人类神经珠蛋白的3D结构。Structure,2003,11,1087.2004年，获得高分辨率的小鼠神经珠蛋白3D结构.Function,and Bioinformatics.2004,56,85.,血红蛋白亚单元的螺旋区,每个亚单位有75%左右的部位形成-螺旋结构，主要分成八个螺旋区，用A B C D E F G和H标记。两个螺旋区之间存在长短不一的非螺旋区，AB,BC,CD,DE,EF,FG,和GH标记。,铁卟啉与蛋白链之间的作用力,肌红蛋白 Myoglobin(Mb),Mb：一条153 amino acid的多肽链，相对分子量17500。功能：储存氧。,肌红蛋白是第一个被确定具有三级结构的蛋白质,它的三级结构是由一簇八个-螺旋组成的，螺旋之间通过一些片段连接。,多肽链第93位组氨酸残基的侧链的咪唑氮原子与Fe()卟啉辅基的Fe()配位。,第6个配位位置一般由水分子占据，氧合时则由氧分子取代水分子。,未载氧时血红素中Fe的配位环境,FeII：5配位，四方锥构型;FeII，HS,5.44 B.M,顺磁性；第6配位位置是空的，或由水分子占据。,特点,疏水环境,血红素被肽链包围，形成疏水环境，可保持Fe()氧化态存在，这对可逆载氧或贮存氧具有重要意义。如血红素中Fe()被氧化为Fe()（在血红蛋白中称为高铁血红蛋白），则失去载氧或贮存氧功能。细胞里，存在大量还原物质，如NADPH2、抗坏血酸等，可将Fe()还原为Fe()。,不结合氧时，Fe突出平面,结合氧时，Fe被拉回平面,载氧时血红素中Fe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 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（cooperative effect）,一个亚基与其配体（Hb中的配体为O2）结合后，能影响另一亚基与配体的结合能力，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应（positive cooperativity）；反之则为负协同效应（negative cooperativity）。,血红蛋白与O2结合呈现正协同作用，即血红蛋白分子中第一个亚基与O2结合后，促进了第二个及第三个亚基与O2的结合，当第三个亚基与O2结合后，又大大促进了第四个亚基与O2结合。,别构效应是Hb与O2结合发生正协同效应的结构基础。,别构效应(allosterism effect),别构效应: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。别构蛋白：是指具有别构效应的蛋白质或酶。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应的物质。,2,3-二磷酸甘油酯(2,3-DPG),2,3-DPG与血红蛋白的结合部位,Hb的4个亚基通过盐键、疏水键聚合在一起，在2个-亚基之间夹着1分子2,3-DPG,2，3-DPG的3个负电基团与-亚基的3个正电基团形成盐键，此时Hb的构象处于紧张态(tense state,T态)，各亚基对O2的亲和力比较低，不易与O2结合。,2,3-BPG的作用,2,3-DPG的作用,O2与铁原子以配位键结合后，铁的配位数由5变为6，铁原子直径减少，能移动0.075nm进到卟啉环当中的孔穴中，这一移动通过F8位组氨酸牵动了它所在的肽段，进而影响Hb亚基间的相互作用，破坏了盐键和其它次级键，挤出了-亚基间的2,3-DPG，使亚基间的聚合变得疏松，整个分子处于松弛态(relaxed state,R态)，有利于与O2的结合。,血红蛋白的两种构象：T态和S态,血红蛋白存在两种构象：T态（紧张态）和R态（松弛态），T态和R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，T态指的是对氧亲和力低的状态，而R态指的是对氧亲和力高的状态。,氧键合的几种理论模型,1Pauling 模型：O2作为简单的电子对给体，以端基(terminal group)与Fe(II)配位。Fe()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Fe O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；双氧和铁都具有单电子，生成的配合物不具有磁性。,3.Griffith 模型：O2采取侧基(side group)配位方式,又称过氧化物构型。,实验数据验证Weiss模型的正确性,1.HbO2的磁性测量：抗磁性2.HbO2的Mssbauer数据:FeIII Q=1.872.24mms(nuclear quadrupole moment)Q反映核周围电荷的对称性。LS FeII的电荷是球形对称的，Q值较小。FeIII，LS电荷是非球形对称的，Q值较大。3.HbO2与 MbO2的共振拉曼光谱：O2-通过18O2标记实验证实:o-o振动分别在1107和1103 cm-1。与超氧负离子的振动值(1145 cm-1)非常接近；,结论：氧分子以超氧负离子(O2-)的形式与Hb或Mb 键合，既 Weiss模型为合理模型。,双氧物种的共振拉曼光谱数据,O2键合的影响因素,1.O2分压的影响,血红蛋白,1n4,氧合曲线为 S 形,肌红蛋白,n=1,氧合曲线为双曲线形,P50：50%蛋白结合氧气 对应的氧气的分压,Hill方程,人体肺部氧分压PO2约为13Kpa，较高，有利于血红蛋白与氧结合。当静脉血（PO26.5Kpa)流经肺部时，血红蛋白大量氧合，氧的饱和度显著增加。当血液离开肺部，流经氧分压较低的肌肉（PO24.7 Kpa）组织时，血红蛋白便释出氧（供给肌红蛋白）。当静脉的氧分压低到550650pa时，肌红蛋白供氧。,2,3-BPG 的存在，可使氧与全血中成熟的血红蛋白结合的P50大约提高到26torr。换言之，红细胞中的2,3-BPG实质上是降低了脱氧血红蛋白对氧的亲和性。在红细胞中，2,3-BPG与血红蛋白的浓度几乎是等摩尔的。,2.pH的影响,Bohr effect,肌红蛋白无Bohr effect,波耳效应,人体内，人血液正常生理pH为7.35-7.45，但它会受到CO2与H2O反应的影响。在肌肉组织里由于CO2分压较高，CO2就扩散到血浆和红细胞里，使pH变小，血红蛋白释出O2，同时结合H+，以维持正常生理pH值。相反，CO2 从肺部排出，CO2分压降低，HCO3-结合H+，pH增大HHb+释出H+，结合氧。,Fig.The role of erythrocyte CA in blood gas transport.When blood passes through the tissues,erythrocyte CA catalyzes the CO2 hydration reaction,3.某些小分子配体的作用,血红蛋白（血红素-Fe()卟啉）除与O2结合外，还能与CO，NO等结合。其结合能力NOCOO2，这些小分子同样可与血红素中的Fe()配位。CO与 Fe()配位能力为O2的200倍，NO更高。如人吸收CO，CO便与血红蛋白结合，失去输氧功能。吸收NO也有同样结果，即使空气中CO和NO甚微，由于积累，也会使人出现贫血症状。肌红蛋白的血红素辅基的Fe()也能与CO和NO配位。,带有咪唑基的游离血红素与CO结合,肌红蛋白与CO形成的复合物,氧合肌红蛋白,CO对Fe的亲和力远远高于氧！,在新鲜肉中存在着三种状态的色素，即肌红蛋白、氧合肌红蛋白和高铁肌红蛋白，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（紫红色）。,肉的呈色机理,（1）氧合作用：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。（2）氧化作用：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。,低氧压时（1-20mmHg),主要为氧化作用；高氧压时，主要为氧合作用。,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。其机理为:(a).动物屠宰放血后,肌肉组织供养停止,，此时肌肉中的色素为Mb而呈紫红色。(b).当鲜肉放置于空气中时表面的Mb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。(c).在有氧或氧化剂存在时亚铁血红素可被氧化为MetMb，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褐色就会成为主要色泽。,影响肉色泽的因素,a.还原剂的影响:例如当有还原性巯基(-SH)存在时肌红蛋白会形成绿色的硫肌红蛋白(SMb)；当有其它还原剂如Vc时可以生成胆肌红蛋白(ChMb)，并很快地被氧化生成球蛋白、铁和四吡咯环，这个反应在PH=57的范围内发生。b.加热的影响:在加热时球蛋白变性，Fe2+暴露出被氧化变为Fe3+，所以熟肉的色泽为褐色，称为高铁血色原(hemichrome)。c.护色剂的影响:在对肉进行腌制时肌红蛋白等会同亚硝酸盐的分解产物NO等发生反应，生成不太稳定的亚硝酰基肌红蛋白(NO-Mb)，它在加热后可以形成稳定的亚硝基血色原(Nitrosylhemochrome)，这是腌肉中的主要色素。,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，这种非正常血液病称之镰刀形细胞贫血病(sicklemia)。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，并且红细胞呈镰刀状。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。这是由于镰刀形贫血病中的血红蛋白（Hb S）与正常的成熟的血红蛋白（Hb A）的电泳行为不同，Hb A 比Hb S泳动得快，表明Hb S比Hb A带有的正电荷多。后来序列分析发现，Hb S分子中的链的第六个氨基酸残基是一个非极性的缬氨酸，而正常的Hb A分子中的链的第六个氨基酸残基是谷氨酸，这一替换是由编码链的基因中的单个核苷酸取代引起的。,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肽链有一种或几种合成减少或不能合成。导致血红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(Hemerythrin,Hr),蚯蚓血红蛋白,Hr分子中含有铁,但不含铁卟啉辅基,是一种非血红素铁蛋白(nonheme)。其生理功能是在低等生物体内输送氧。对星虫的Hr研究的比较详细,它由 8个亚单位组成,相对分子量为108000,每个亚单位含有113个氨基酸残基,和2个Fe离子.Hr分子中每两个Fe离子结合一个O2。其结合氧的能力不受pH影响。在氧合过程中,两个Fe(II)被氧化为Fe(III),而O2被还原为O22-.Mssbares研究表明deoxyHr中的Fe(II)or oxyHr中的Fe(III)都处于high spin。,Hr的结构,Hr的结构,活性中心结构,脱氧Hr亚单位的两个Fe()距离为0.3250.5 nm,被多肽链的7个氨基酸残基配位。3个组氨酸残基（His-73、77、101）与其中一个铁离子配位，另外2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（Glu-58）和一个天冬氨酸（Asp-106）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，连结两个铁离子的还有一个桥联氧原子。,）脱氧Hr中的桥联氧原子是质子化的（称为-羟桥）氧合Hr中的桥联氧原子是未质子化的（称为-氧桥,蚯蚓血红蛋白与O2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 deconvol