《肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)功能及其模型化合物的構(gòu)建》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)功能及其模型化合物的構(gòu)建（10頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)、功能及其模型化合物的構(gòu)建 摘要：肌紅蛋白是肌肉中運(yùn)載氧的蛋白質(zhì)，由153個(gè)氨基酸殘基組成，含有血紅素，和血紅蛋白同源，與氧的結(jié)合能力介于血紅蛋白和細(xì)胞色素氧化酶之間，可幫助肌細(xì)胞將氧轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體。它是由一條肽鏈和一個(gè)血紅素輔基組成的結(jié)合蛋白，是肌肉內(nèi)儲(chǔ)存氧的蛋白質(zhì)，它的氧飽和曲線為雙曲線型。在人體中起到十分重要的作用。 關(guān)鍵詞：肌紅蛋白、蛋白質(zhì)、功能、模型化合物 正文 一、 肌紅蛋白的結(jié)構(gòu) 1、肌紅蛋白的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 肌紅蛋白（myoglobin，MYO,Mb）是肌肉中的一種貯氧蛋白。由153個(gè)氨基酸殘基組成，含有血紅素，和血紅蛋白同源，與氧的結(jié)合能力介于血紅蛋白

2、和細(xì)胞色素氧化酶之間，可幫助肌細(xì)胞將氧轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體。肌紅蛋白存在于肌肉中，心肌中含量特別豐富。抹香鯨肌紅蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)于1960年由Kendrew用X線衍射法闡明，這是世界上第一個(gè)被描述的蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)。以抹香鯨肌紅蛋白為例： 肌紅蛋白由一條多肽鏈和一個(gè)輔基多肽鏈組成：由153個(gè)氨基酸殘基組成，輔基：亞鐵血紅素輔基，分子量：16 700。形狀：呈緊密球形，多肽鏈中氨基酸殘基上的疏水側(cè)鏈大都在分子內(nèi)部,親水側(cè)鏈多位于分子表面,因此其水溶性較好。 　　 三級(jí)結(jié)構(gòu)有8段α-螺旋區(qū)，每個(gè)α-螺旋區(qū)含7～24個(gè)氨基酸殘基，分別稱(chēng)為A、B、C…G及H肽段。有1～8個(gè)螺旋間區(qū)，肽鏈拐角處為非螺旋區(qū)（亦稱(chēng)

3、螺旋間區(qū)），包括N端有2個(gè)氨基酸殘基，C端有5個(gè)氨基酸殘基的非螺旋區(qū)， 處在拐點(diǎn)上的氨基酸殘基Pro, Ile, Ser, Thr, Asn等。極性氨基酸分布在分子表面，內(nèi)部存在一口袋形空穴，血紅素居于此空穴中。 血紅素是鐵卟啉化合物，它由4個(gè)吡咯通過(guò)4個(gè)甲炔基相連成一個(gè)大環(huán)，F(xiàn)e2+居于環(huán)中。鐵與卟啉環(huán)及多肽鏈氨基酸殘基的連接：鐵卟啉上的兩個(gè)丙酸側(cè)鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個(gè)堿性氨基酸側(cè)鏈上的正電荷相連。血紅素的Fe2+與4個(gè)咯環(huán)的氮原子形成配位鍵，另2個(gè)配位鍵1個(gè)與F8組氨酸結(jié)合，1個(gè)與O2結(jié)合，故血紅素在此空穴中保持穩(wěn)定位置。 2、卟啉化合物的機(jī)構(gòu) 血紅蛋白和肌紅蛋白的載氧活性部位

4、是血紅素輔基——鐵卟啉。卟啉的骨架是卟吩。卟吩由四個(gè)吡咯環(huán)以次甲基相連而成，是具有多個(gè)雙鍵的共軛大π鍵體系。 卟啉是卟吩的衍生物，在命名卟啉時(shí)需標(biāo)出取代基的位置。存在于血紅蛋白 ，肌紅蛋白和多種細(xì)胞色素中的原卟啉Ⅸ，它為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體，它與Fe(Ⅱ) 形成鐵(Ⅱ)卟啉。血紅素是鐵卟啉一類(lèi)配合物的總稱(chēng)。血紅素與相應(yīng)的蛋白結(jié)合為血紅素蛋白（血紅蛋白）。卟啉分子中共有11個(gè)共軛雙鍵，是一種具有大共軛環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物。這個(gè)高度共軛體系極易受吡咯及次甲基的取代基的電子效應(yīng)影響，表現(xiàn)為各不相同的電子光譜。 卟啉環(huán)上的

5、吡咯氮原子表現(xiàn)出酸堿兩種性質(zhì)，卟啉的四個(gè)吡咯氮原子均能與金屬離子配位形成金屬卟啉。卟吩分子中，從吡咯氮到環(huán)中心的距離是204pm。但卟啉與不同金屬離子配位以后，吡咯氮原子與中心金屬原子的距離各不相同，如高鐵卟啉為210pm，鎳卟啉為195pm。由于金屬離子大小不同，卟啉環(huán)又具有一定程度剛性，因此中心離子不一定位于卟啉環(huán)平面上。如果金屬離子大小合適，它會(huì)與四個(gè)吡咯氮原子形成嚴(yán)格的正方形結(jié)構(gòu)，如：四苯基卟啉錫（ Ⅳ）。但也有很多中心離子位于卟啉環(huán)平面上方。比如高自旋Fe(Ⅱ)卟啉，中心離子位于卟啉環(huán)平面上方75pm。 在金屬卟啉分子里，如果軸向配體不同，它的性質(zhì)可能不同。血紅蛋白中，F(xiàn)e(Ⅱ)

6、與四個(gè)氮原子配位，在軸向第五位是蛋白質(zhì)的氨基酸殘基（組氨酸殘基—咪唑氮），第六配位位置便能可逆吸氧和放氧。細(xì)胞色素c的軸向配體是組氨酸殘基咪唑氮和蛋氨酸的硫，它起傳遞電子的作用。 二、 肌紅蛋白的功能 1、 肌紅蛋白的功能 肌紅蛋白的主要功能是在肌肉中有運(yùn)輸氧和儲(chǔ)氧功能肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)，其作用機(jī)理主要是蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)所決定的。 由于鐵與卟啉環(huán)及多肽鏈氨基酸殘基的連接，這種構(gòu)象非常有利于運(yùn)氧和儲(chǔ)氧功能，同時(shí)也使血紅素在多肽鏈中保持穩(wěn)定。但是過(guò)量運(yùn)動(dòng)、勞累、陽(yáng)光輻射、空氣污染、吸煙、農(nóng)藥等會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的自由基。自由基，化學(xué)上也稱(chēng)為“游離基”，是含有一個(gè)不成對(duì)電子的原子團(tuán)。由于原子形成分子

7、時(shí)，化學(xué)鍵中電子必須成對(duì)出現(xiàn)，因此自由基就到處奪取其他物質(zhì)的一個(gè)電子，使自己形成穩(wěn)定的物質(zhì)。在化學(xué)中，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“氧化”。體內(nèi)活性氧自由基具有一定的功能，如免疫和信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程。但過(guò)多的活性氧自由基就會(huì)有破壞行為，導(dǎo)致人體正常細(xì)胞和組織的損壞，而肌紅蛋白是富氧鏈蛋白，更容易遭到自由基的攻擊。遭到自由基的攻擊從而引起多種疾病，如心臟病、老年癡呆癥、帕金森病和腫瘤，與肌紅蛋白被氧化存在著密切的關(guān)系。此外，更多活性氧自由基，使核酸突變，這是人類(lèi)衰老和患病的根源。 2、 血紅素的鐵與氧鍵合的幾種理論模型 血紅蛋白的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)還不能準(zhǔn)確測(cè)定出血紅蛋白中的Fe(Ⅱ)與氧如何結(jié)合。很多科學(xué)家提

8、出了多個(gè)理論模型，其中L.Pauling,，J.J.Weiss和J.S.Griffith提出的三種理論模型最重要。 （1）Pauling模型：O2提供端基電子對(duì)與Fe2+配位 Fe(Ⅱ)電子為3d6，偶數(shù)，反磁性，O2也為偶數(shù)電子，呈反磁性。O2提供端基電子與Fe(Ⅱ)成配位鍵后，F(xiàn)e(Ⅱ)的d電子對(duì)反饋給氧的空的π*軌道，使Fe— O鍵具有雙鍵性質(zhì)，故稱(chēng)為超氧化物構(gòu)型。 （2）Weiss模型：O2在配位時(shí)接受Fe(Ⅱ)一個(gè)電子，雙氧以O(shè)－2與Fe(Ⅲ)配位 雙氧和鐵都有一個(gè)成單電子，形成配合物具有順磁性。 （3）Griffith模型：O2采取側(cè)基配位，即 反磁性 以上幾種模

9、型都沒(méi)有能真正反映血紅蛋白與氧分子鍵合的本質(zhì)，對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究還有待進(jìn)一步深入。 三、 肌紅蛋白模型化合物的構(gòu)建 1、卟啉與金屬卟啉化合物的制備 （1）Rothemund法 四苯基卟啉最早由Rothemund 合成出來(lái)。其方法是將等摩爾的苯甲醛和吡咯以及吡啶溶劑置于密封容器中，在150℃反應(yīng)24 —48 小時(shí)，能得到產(chǎn)率很低的四苯基卟啉，并且在此條件下，能用來(lái)作反應(yīng)物的取代苯甲醛極少。該法反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，所需反應(yīng)條件苛刻，且要求反應(yīng)器密閉隔氧，底物濃度較低；后處理非常麻煩，反應(yīng)收率低，僅有極少數(shù)芳醛可用于合成卟啉，因此該法逐漸為后人所改進(jìn)。 （2）Adler法 1967 年

10、Adler 和他的助手采用苯甲醛和吡咯在回流(141℃)的丙酸中反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為30min，冷卻，過(guò)濾，濾餅分別以甲醇和熱水洗滌，真空干燥，得藍(lán)紫色四苯基卟啉晶體。此方法不必將反應(yīng)器密封，產(chǎn)率達(dá)到20%。用該方法合成時(shí)，反應(yīng)原料除苯甲醛，還可用取代苯甲醛合成四苯基卟啉的衍生物。此法是目前應(yīng)用最廣泛的中位取代四苯基卟啉的合成方法，操作簡(jiǎn)單，原料濃度可較大。Adler法大大豐富了合成中位四苯基卟啉化合物的內(nèi)容。 （3）Lindsey法 1987 年Lindsey 進(jìn)一步改進(jìn)了四苯基卟啉的合成。采用苯甲醛和吡咯在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，在二氯甲烷中，以三氟化硼合乙醚絡(luò)合物（(C2H5)2O·BF3）催

11、化，室溫下反應(yīng)生成卟啉原，然后以二氯二氰基苯醌（DDQ）或四氯苯醌（TCQ）將卟啉原氧化得到最終產(chǎn)物卟啉，產(chǎn)率可達(dá)30%。但是該方法反應(yīng)原料濃度較低，以吡咯計(jì)僅為10-2mol?L，且反應(yīng)步驟較多，反應(yīng)條件較苛刻，難以進(jìn)行大量合成。 （4）微波合成法 1992 年法國(guó)化學(xué)家PetitA 及其合作者首次報(bào)道了固相微波合成TPP，產(chǎn)率為9.5%。1996 年，胡文祥等用微波濕法合成TPP。繼后，劉云、胡希明等也分別探討了不同溶劑、不同催化劑條件下TPP 的微波合成，但前者操作較繁瑣，后者的產(chǎn)率較低（14%以下）。陳年友等報(bào)道了以硝基苯為溶劑，氯乙酸為催化劑，以195W 功率的微波輻射6min，

12、四苯基卟啉的產(chǎn)率為36%，且操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)時(shí)間短，粗產(chǎn)物較易分離純化。 （5）其他合成方法 2、重要模型化合物－合成氧載體 除了對(duì)天然金屬蛋白本身的研究之外，模型化合物的研究也是生物無(wú)機(jī)化學(xué)研究中非常重要的組成部分。以卟啉與金屬卟啉化合物為基礎(chǔ)，關(guān)于其模擬化合物的構(gòu)建，也隨之發(fā)展起來(lái)，并取得了很重要的成果。 一方面，由于金屬蛋白等生物分子的相對(duì)分子質(zhì)量一般較大、體系比較復(fù)雜，需要通過(guò)簡(jiǎn)化、設(shè)計(jì)合成模型化合物等方法來(lái)進(jìn)行研究，可以得到一些通過(guò)直接研究金屬蛋白分子本身不能得到的信息，揭示蛋白功能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。 另一方面，通過(guò)模擬天然金屬蛋白的結(jié)構(gòu)和功能，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)

13、利用天然蛋白及其模型化合物提供基礎(chǔ)。在氧載體研究中，模型化合物的合成及其結(jié)構(gòu)和功能間關(guān)系的研究特別重要，它可以為闡明載氧過(guò)程及載氧機(jī)理提供依據(jù)，并為合成具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的具有載氧功能的化合物（人造血液）等提供基礎(chǔ)。 （1）血紅蛋白和肌紅蛋白的模擬研究 為了模擬天然血紅蛋白和肌紅蛋白的活性中心，科學(xué)家合成了許多含鐵的卟啉配合物。初期的研究主要集中在簡(jiǎn)單的鐵－卟啉配合物，如[Fe(TPP)(N-MeIm)]，其中TPP為內(nèi)消旋－四苯基卟啉，N-MeIm為N-甲基咪唑。 要實(shí)現(xiàn)可逆結(jié)合氧分子，并模擬血紅蛋白和肌紅蛋白的載氧功能，首先必須阻止氧化二聚反應(yīng)的發(fā)生，即如何避免雙核鐵配合物的形成是成功

14、合成鐵－卟啉人工氧載體的關(guān)鍵。利用空間阻礙、低溫以及剛體支撐等方法可以成功地合成含鐵－卟啉的人工氧載體。 A、空間阻礙方法 空間阻礙方法就是設(shè)計(jì)和合成具有立體阻礙基團(tuán)的卟啉合鐵配合物PFe(II)，利用其空間位阻效應(yīng)使PFe(II)與O2反應(yīng)時(shí)只能生成PFe(II)O2，而阻礙橋聯(lián)雙核物種PFe(III)-O-O-Fe(III)P的生成。 以[Fe(TpivPP)]為基礎(chǔ)，合成的配合物[Fe(TpivPP)L]（L=咪唑及其衍生物），可以與O2可逆地加合，生成[Fe(TpivPP)LO2]。由于籬笆的保護(hù)，[Fe(TpivPP)LO2]不能發(fā)生二聚反應(yīng)，從而成功得到了第一個(gè)在室溫下的含鐵

15、的合成氧載體。[Fe(TpivPP)LO2]具有和氧合血紅蛋白相同的抗磁性，相同的四極分裂穆斯堡爾譜，相同的υO(shè)-O拉曼吸收1159 cm-1。該模型配合物很好地模擬了血紅蛋白和肌紅蛋白的載氧功能。 B、低溫方法 利用低溫方法，可以穩(wěn)定雙氧配合物、降低不可逆氧合的速度。例如，四苯基卟啉（TPP）合鐵配合物在低溫（－45 ℃）下與氧分子反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)受動(dòng)力學(xué)控制，抑制了熱力學(xué)有利的二聚反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了可逆的載氧過(guò)程。提高溫度則生成不可逆氧化產(chǎn)物。 C、剛體支撐方法 剛體支撐方法是將容易發(fā)生氧化二聚反應(yīng)的卟啉合鐵配合物接在固體表面或高分子表面，使兩個(gè)鐵原子不能相互靠近，從而達(dá)到阻止二聚體形成

16、的目的。將1-(2-苯乙基)咪唑血紅素埋入聚苯乙烯和1-(2-苯乙烯)咪唑的混合物的薄膜中，氧分子即可與固定的配合物可逆地結(jié)合。Fe(TPP)B2混在由3-咪唑丙基的改性硅膠中，加熱生成[(IPG)Fe(TPP)]后也可以與氧分子可逆結(jié)合。 （2）蚯蚓血紅蛋白的模擬研究 因?yàn)轵球狙t蛋白的活性中心是由雙核鐵構(gòu)成的，所以模型化合物主要是各種含有羧酸根橋聯(lián)的雙核鐵配合物。根據(jù)活性中心鐵離子價(jià)態(tài)的不同，雙鐵活性中心有三種狀態(tài)：Fe3+-Fe3+（高鐵）、Fe3+-Fe2+（半高鐵）、Fe2+-Fe2+（還原態(tài)）。不同氧化態(tài)有不同的模型化合物。 A、 Fe3+-Fe3+ 高鐵模型化合物

17、 Fe2IIIO(OAc)2(HBpz3)2的晶體結(jié)構(gòu)，HBpz3-為氫化三(吡唑基)硼酸根 這類(lèi)模型化合物具有和高鐵蚯蚓血紅蛋白非常相似的特征吸收光譜， Fe3+-Fe3+之間有強(qiáng)的反鐵磁性相互作用，很好地模擬了高鐵蚯蚓血紅蛋白雙鐵活性中心的結(jié)構(gòu)和譜學(xué)性質(zhì)。 B、Fe2+-Fe2+ 還原型模型化合物 作為還原型蚯蚓血紅蛋白模型的Fe2+-Fe2+配合物很少有報(bào)道。配合物Fe2IIO(OAc)2(TACN)2是其中的一例。其中TACN為N,N’,N’’-三甲基三氮雜環(huán)壬烷。 C、Fe3+-Fe2+ 半高鐵模型化合物 將Fe3+-Fe3+高鐵模型化合物進(jìn)行單電子還原，可以得

18、到半高鐵蚯蚓血紅蛋白模型化合物，但由于具有氧橋或羥橋的Fe3+-Fe2+ 混合價(jià)的雙核鐵配合物非常不穩(wěn)定，到目前還沒(méi)有被合成并分離得到。 總之，盡管蚯蚓血紅蛋白模型化合物的結(jié)構(gòu)與天然蚯蚓血紅蛋白雙鐵活性中心的結(jié)構(gòu)、譜學(xué)性能非常接近，是好的結(jié)構(gòu)模型。但是這些模型化合物中鐵離子都是配位飽和的六配位八面體構(gòu)型，而天然蚯蚓血紅蛋白雙鐵活性中心在脫氧狀態(tài)下其中一個(gè)鐵離子為配位不飽和的五配位構(gòu)型，剩下的一個(gè)空位用于結(jié)合氧分子。因此這些模型化合物沒(méi)有結(jié)合氧分子的能力。 參考文獻(xiàn) [1] 李業(yè)梅,劉傳銀. 血紅蛋白在海藻酸鈉膜中的電化學(xué)和類(lèi)酶活性研究[J]. 化學(xué)世界, 2010,(

19、11) [2] Klibanov A M. Enzymatic catalysis in anhydrous organic solvents .Trends in Biochemical Sciences, 1989, 14 (4) :141-144 . [3] 金松子,田文莉,沈含熙,張春煦. 肌紅蛋白在磷脂-月桂酸修飾的玻碳電極上的電化學(xué)行為及其分析應(yīng)用[J]. 分析測(cè)試學(xué)報(bào), 2004,(02) [4] 劉慧宏,萬(wàn)永清,陳顯堂,鄒國(guó)林. 固定化辣根過(guò)氧化物酶在有機(jī)溶劑/水混合溶液中的電化學(xué)[J]. 物理化學(xué)學(xué)報(bào), 2006,(07) . [5] 李曉魯 ,尤淑玲 ,邢啟崇. 急性心肌梗死中腦鈉肽的臨床應(yīng)用(文獻(xiàn)綜述)[J]. 放射免疫學(xué)雜志, 2004,(01)