第四章 氧载体,第一节 天然氧载体 生物体内的天然氧载体具有可逆载氧能力，能把从外界吸收入的氧运送到身体的各种组织，供细胞内进行维持生命所必需的各种氧化作用按照蛋白质载氧的活性部位的不同，可把天然氧载体分为三类： ⑴含血红素辅基的蛋白（heme）血红蛋白(hemoglobin) 肌红蛋白(myoglobin) ⑵不含血红素的铁蛋白 蚯蚓血红蛋白(hemerythrin) ⑶含铜的蛋白 血蓝蛋白 (hemocyanin),表4—1天然氧载体的若干性质,一 、 卟啉 血红蛋白和肌红蛋白的载氧活性部位是血红素辅基——铁卟啉即血红蛋白载氧靠铁卟啉 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π键体系卟吩的衍生物统称为卟啉，它的金属配合物称为金属卟啉卟啉化合物的命名原则是1926年由H.Fisher提出的，他把卟吩的四个吡咯环编为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，环的八个顶点一次为1，2~8；四个次甲基分别为α、β、γ和δ卟啉是卟吩的衍生物，在命名卟啉时需标出取代基的位置卟啉是重要的生物配体，它与Fe(Ⅱ) 形成铁(Ⅱ)卟啉，血红素是铁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（血红蛋白）。
卟啉的四个氮原子均能与金属离子配位形成金属卟啉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 在金属卟啉里，如果轴向配体不同，它的性质可能不同血红蛋白中，Fe(Ⅱ) 与四个氮原子配位（平面配位），在轴向第五位是蛋白质的氨基酸残基（组氨酸残基—咪唑氮），第六配位位置便能可逆吸氧和放氧细胞色素c的轴向配体是组氨酸残基咪唑氮和蛋氨酸的硫，起传递电子的作用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 二、 血红蛋白和肌红蛋白 血红蛋白的功能是输送氧，肌红蛋白的功能是储存氧 1.血红蛋白和肌红蛋白的结构 血液中含有红细胞，红细胞中含有血红蛋白，它是载氧的生物化学单元结构测试表明，哺乳动物的血红蛋白是由四个亚单位组成的四聚体，相对分子量是65000正常人的红细胞里含有两种血红蛋白分子一种为两个α亚单位和两个β亚单位（α2β2），占血红蛋白总量的95%，另一种为α2δ2，占血红蛋白总量的5%α亚单位有141个氨基酸残基，β和δ含146个氨基酸残基α，β亚单位的氨基酸的顺序见表4—3这些亚单位有75%左右的部位形成α—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，以AB,BC,CD,DE,EF,FG,和GH标记每个亚基单位都键合着一个亚铁卟啉辅基（血红素辅基）α亚单位是通过氨基酸链的第87位组氨酸残基的侧链的咪唑氮原子与Fe(Ⅱ)配位键合，而β链则通过第92位组氨酸残基侧链的咪唑氮原子相连于Fe(Ⅱ)整个Fe(Ⅱ)卟啉辅基被包围在α或β亚单位形成的口袋状空腔中 肌红蛋白是由一条有153个氨基酸残基形成的多肽链构成，相对分子量17500多肽链第93位组氨酸残基的侧链的咪唑氮原子与Fe(Ⅱ)卟啉辅基的Fe(Ⅱ)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血红素被肽链包围，形成疏水环境，使Fe(Ⅱ)（在血红蛋白和肌红蛋白中）保持Fe(Ⅱ)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(Ⅱ)被氧化为Fe(Ⅲ)（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但在细胞里，存在大量还原物质，如NADpH2（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）、抗坏血酸等，可将Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ) 2． 血红蛋白的主要功能 主要功能为运送O2和CO2,Hb + O2 HbO2 K= [HbO2]/ [Hb] [O2],血红蛋白中，多肽单链（珠蛋白）的自由氨基能与CO2结合成氨基甲酰血红蛋白，将组织中CO2的运送到肺部呼出。
HbNH2 + CO2 HbNHCOOH (氨基甲酰血红蛋白) 血液循环依靠血红蛋白这一特性，把氧从肺部运送到组织，再把CO2运送到肺部排出脱氧血红蛋白的Fe(Ⅱ)离子配位数为5，四个吡咯氮原子（卟啉环）和一个组氨酸侧链的咪唑氮原子，形成高自旋t42ge2g配合物当结合氧时，氧占居第6配位位置，此时Fe(Ⅱ)为低自旋t62ge0g 亚基组氨酸（α-87，β-92位）侧链的咪唑氮与血红素Fe(Ⅱ)配位，使二者结合牢固 研究发现，当α亚基与O2结合后，增加了β-亚基与O2结合力，当一对αβ亚基单位与O2结合后，又提高另一对α和β亚基单位与O2结合力，这种现象称为协同效应有人认为是结构发生改变3． 血红素的铁与氧键合的几种理论模型,血红蛋白的结构复杂，现还不能准确测定出血红蛋白中的Fe(Ⅱ)与氧如何结合很多科学家提出了多个理论模型，其中有L.pauling, J.J.Weiss和J.S.Griffith提出的三种理论模型最重要⑴ pauling模型：O2提供端基电子对与Fe2+配位 Fe(Ⅱ)（O2）或 Fe(Ⅱ)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(Ⅱ)成配位键后，Fe(Ⅱ)的d电子对反馈给氧的空的π*轨道，使Fe— O键具有双键性质，故称为超氧化物构型。
⑵ Weiss模型：O2在配位时接受Fe(Ⅱ)一个电子，双氧以O－2与Fe(Ⅲ)配位，形成Fe(Ⅲ)的超氧化物 Fe(Ⅲ) （O－2） 或 双氧和铁都有一个成单电子，形成配合物不具磁性⑶ Griffith模型：O2采取侧基配位，即 反磁性 由电子光谱数据显示，HbO２和HbCO相似，HbCO的结构已经确定，为低自旋Fe(Ⅱ)和线型结构FeⅡ－C-O因此pauling端基配位模型获得支持4． 影响血红蛋白和肌红蛋白与O2键合的因素,⑴ O2分压的影响 血红蛋白和肌红蛋白与氧结合的程度，常用氧饱和度θ表示 θ=氧合血红蛋白HbO2/血红蛋白HbO2+Hb pO2升高，θ增加,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（pO2＜6.5Kpa)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（pO2~4.7 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550~650pa时，肌红蛋白供氧⑵ pH值的影响 pH或CO2分压可改变血红蛋白氧合能力的现象称为Bohr效应。
pH~氧合能力:随pH升高，θ升高脊椎动物CO2增加pH下降，血红蛋白氧合能力下降 在人体内，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+，结合氧肺pH=7.6 HHb+ + O2 HbO2 + H+ 肌肉pH=7.2 肌肉pH=7.2 CO2 + H2O HCO3 - + H+ 肌红蛋白无以上效应（Bohr效应）,,,⑶ 某些小分子配体的作用 血红蛋白（血红素-Fe(Ⅱ)卟啉）除与O2结合外，还能与CO，NO等结合其结合能力NO＞CO＞O2，这些小分子同样可与血红素中的Fe(Ⅱ)配位CO与 Fe(Ⅱ)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(Ⅱ)也能与CO和NO配位。
三 、 蚯蚓血红蛋白,存在于无脊椎动物中蚯蚓血红蛋白是一种非血红素铁蛋白含铁，但不含铁卟啉（血红素辅基）含8个亚基（血红蛋白4个，肌红蛋白1个），每个亚基含113个氨基酸残基和两个铁离子，相对分子量是108000主要生理功能是在低等动物体内输送氧每两个铁离子结合一个氧分子，氧合过程中，两个Fe(Ⅱ)被氧化为二个Fe(Ⅲ)，O2还原为O22-，载氧方式与血红蛋白及肌红蛋白均不同实验测试表明：脱氧蚯蚓血红蛋白的Fe(Ⅱ)和氧合蚯蚓血红蛋白Fe(Ⅲ)均属于高自旋态(t42ge2g，和 t３2ge2g)脱氧蚯蚓血红蛋白在室温下磁化率表明有4个未成对电子，也说明Fe(Ⅱ)是高自旋的脱氧蚯蚓血红蛋白亚单位的两个Fe(Ⅱ)距离为0.325~0.5 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蚯蚓血红蛋白中的桥联氧原子是质子化的（称为µ-羟桥），氧合蚯蚓血红蛋白中的桥联氧原子是未质子化的（称为µ-氧桥）。
脱氧蚯蚓血红蛋白中，一个铁离子处于近似八面体配位场中，配体有3个组氨酸（73、77、101），3个桥联配体：一个谷氨酸残基（Glu-58）、一个天冬氨酸（Asp-106）和桥联氧原子（µ-羟桥）；,另外一个铁离子处于近似三角双锥配位场中，配体有2个组氨酸（25、54、），3个桥联配体：一个谷氨酸残基（Glu-58）、一个天冬氨酸（Asp-106）和桥联氧原子（µ-羟桥） 氧合时，分子氧是以过氧阴离子形式通过端基方式键合到五配位的铁离子上的，这种成键模式使两个铁离子都为6配位，结构大致都为八面体四 、 血蓝蛋白,存在于软体动物（章鱼 ，乌贼，蜗牛）和节足动物（螃蟹，虾，蜘蛛等）的血液中血蓝蛋白是以一价铜（Cu+）为辅基的蛋白亚基数可变，每个亚基均含两个Cu+，相对分子量是50000~74000血蓝蛋白的生理功能是输氧氧合血蓝蛋白的铜是Cu(Ⅱ)，呈蓝色，脱氧血蓝蛋白的铜是Cu（Ⅰ），无色氧合和释氧可表示为 2 Cu（Ⅰ）+ O2 Cu2 O2,,第二节 氧载体的模型化合物,一 、 氧载体模型化合物研究概况 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，铜等过渡金属与氧分子可逆配位来实现的。
为了弄清生物体内载氧机理，人们除了研究天然氧载体外，还合成了许多模型化合物现已发现，很多过渡金属配合物具有可逆载氧性能其中尤以Fe（Ⅱ）和Co（Ⅱ）配合物 早在1852年，人们就发现，Co（Ⅱ）盐的氨水溶液在空气中会变成棕色1898年Werner等证实变色是由于生成了氧合钴氨配合物[(NH3)5Co(O2)Co(NH3)5]4+，[(NH3)5Co-(O-O)-Co(NH3)5]4+公认的第一个人工氧载体是日本化学家于1938年报道的Co（Ⅱ）与N,N’-双水扬醛乙二胺配合物[Co(Salen)]，该配合物可吸收和释放氧气分子（可逆吸收）随后发现，该配合物可与氧气形成1：1和2：1（μ-O2）配合物故在很长一段时间内，人们把研究的重点放在Co（Ⅱ）配合物上主要集中在固体配合物（固态氧载体）；另外Ir+,pt+配合物也可逆载氧1969年，Floriahi和Caldenrazzo水扬醛亚胺合钴配合物 [Co(3-MeO Salen)]py.O2 1：1固体氧载体 同时，Basolo和Crumbles 对[Co(acacen)] （N，N’-双乙酰丙酮乙二胺）行了研究 对Co（Ⅱ）的配合物载氧，当在有第5位配体配位后才可载氧，故该配合物DMF,DMSO中可载氧。
二、 钴（Ⅱ）氧载体,1、Co（Ⅱ）配合物的载氧反应和结构 Co（Ⅱ）可和很多配体形成配合物，其中一些可载氧 LCo（Ⅱ）+ O2 LCo（。