课件：生物体中的配合物案例.ppt

1,第九章 生物体中的配合物 90 概论 配合物是生物无机化学的核心,生物无机化学主要研究无机元素（尤其是金属离子）在生命体中的存在形态，主要功能，代谢过程，某些天然配体，重要的金属酶及金属蛋白等生命物质的性质、结构和生物功能。 例如研究 Na+, K+, Cl- 离子在细胞内外的灵巧的电解质平衡作用。 钙对骨骼的重要性；碘缺乏引起的甲状腺功能紊乱；DDT对于鸟类和其他动物的毒害作用等。,2,9-1 生命必需元素 1. 对生命必需的元素 一般认为对于活的生命体，有26种元素是至关重要的，它们是 10 种痕量金属: Fe, Cu, Mn, Zn, Co, Mo, Cr, Sn, V, Ni 4 种宏量金属元素: K, Na, Ca, Mg 12 种非金属元素: C, H, N, O, P, S, Cl, I, B, F, Si, Se 仍有争议的元素: Li, Br, As, Pb, Cd,3,一个65公斤重的成年人体中无机元素的含量 - 无机物 含量(g) 主要来源 每日需求量(g) 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 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,4,5,有机元素(C,H,O,N)占总量的 96%，宏量元素 (Na, K, Ca, Mg, Cl, P, S) 占 4%, 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 14 周期中，只有 Mo, Sn, I 位于第5 周期中.,6,2. 生命体系中金属离子的功能 1). 金属蛋白质 金属蛋白质包括金属酶和金属蛋白。金属酶即生命体系中的生物催化剂，例如碳酸酐酶，固氮酶，超氧化物歧化酶; 金属蛋白包括传输蛋白和储存蛋白，例如氧载体：血红蛋白和肌红蛋白；电子载体:细胞色素；金属贮运蛋白: 铁蛋白和运铁蛋白。 2). 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 (Ca, Si) 和叶绿素 (Mg).,7,金属生物分子,光氧还体,（羧肽酶）,8,72 宏量金属离子 K+, Na+, Ca2+, Mg2+ Na+ 和 Ca2+离子主要集中在细胞外的体液中; 而 K+ 和 Mg2+离子主要集中在细胞内部. 1. Na+ 和 K+ 在大多数动物细胞内部， K+的浓度大约为 0.15 M ，而 Na+离子的浓度大约为 0.01 M. 在细胞外的体液中 Na+离子的浓度大约为 0.15M，而 K+离子的浓度小于 0.004M. 维持如此大的一个浓度梯度需要“离子泵”的作用。在“离子泵” 机制中，离子转移的能量由 ATP的水解提供.,9,membrane,Inside outside,high K+,high Na+,low Na+,low K+,Ion pump,60100 mV,inside outside,High K+,Low Na+,membrane,diffusion,high Na+,Low K+,10,ATP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ATP分子水解时从细胞内搬运出3个Na+；同时搬运2个 K+(H+)进细胞内。葡萄糖代谢，蛋白质合成和某些酶的活化都需要K+离子。 葡萄糖和氨基酸转运入细胞内与Na+的传输过程是互相耦合的，浓度梯度大有利于这种耦合。,11,2. Ca2+ 和 Mg2+ Ca2+在细胞内的浓度 (10-5 M) 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。 Ca2+的功能主要作为结构生物材料，例如在骨骼和牙釉质中都是以羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2 的形式存在。 Ca2+还有其他许多生物功能，如作为荷尔蒙作用的信使，肌肉收缩的触发器，血凝的引发剂，蛋白质结构的稳定剂。这是由于正二价的 Ca2+离子 影响蛋白质的折叠，借以改变蛋白质的结构和功能。,12,且由于Ca2+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下述光合成反应（光合作用）： n H2O + nCO2 (CH2O)n + nO2 光合过程是生命的基础，在光合作用中存在两个光化学反应中心，即“光体系I” 和“光体系II” (PSI 和 PSII). 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。,太阳光 叶绿素 a1,碳水化合物,13,光合过程所需的能量通过镁大环叶绿素a1（一个镁二氢卟啉络合物）从太阳光吸收。,叶绿素 a1,14,叶绿素 a1 吸收光能， PSII 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 1. Zn 人体中锌的含量在 1.42.3 g. 现已在生命体中发现 200多种含 Zn2+金属酶. 在人体中确认有 18 种锌酶和 14种锌离子激活酶. a). 碳酸酐酶 碳酸酐酶的分子量达到 30000 D（道尔顿）. 它由259 个氨基酸残基组成。每个碳酸酐酶分子仅含有一个锌离子。,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.,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 CO2的水化脱水平衡: CO2(aq) + H2O(l) H2CO3(aq),17,18,b). 羧肽酶 羧肽酶是另一种重要的含锌酶系，它们的功能是催化蛋白质中肽键的水解过程： H O H H -O2CCNHCC NH -O2CCNH R R R H + -O2CCNH R,H2O,enzyme,19,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307个残基的蛋肽链结合与一个Zn2+的金属酶，分子量大34300 D. Zn2+ 处于四面体配位环境中，结合2个组氨酸的N原子，一个谷氨酸的O原子，而第四个配位位置为水占据。 2. Fe 人体中，Fe 是最丰富的过渡金属，含量4.26.1 g, 在哺乳动物中，大约 70%的 Fe以卟啉配合物或血红素的形式存在。例如血红蛋白、肌红蛋白、过氧化氢酶、细胞色素c及色氨酸双加氧酶等。,20,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卟啉。 1). 血红蛋白Hb 与肌红蛋白 Mb - O2 的传输与贮存 Hb 和 Mb 的功能 血红蛋白是我们最熟悉，分布最广的氧载体。它存在于红血细胞中，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，在那儿，O2被用于生物氧化过程，并最后还原成CO2。脊椎动物也利用氧贮存蛋白肌红蛋白，肌红蛋白对肌肉组织提供氧气以维持肌肉活力。,21,22,Hb 和 Mb的结构 血红蛋白 (Mr=64500 D) 由4个蛋白质亚单元构成，每个亚单元含有一个Fe(II)原卟啉配合物（血红素）。其中两个亚单元具有相同的氨基酸序列，形成-链. 另外两个亚单元形成-链; 就是靠着血红素的这4个亚单元结构，发挥其重要的生物功能。 肌红蛋白 (Mr=17000 D) 由一条单一多肽链(珠蛋白)和一个Fe(II)原卟啉配合物（血红素）构成. 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，藏于这个疏水“袋”。,23,O2-结合模式 Fe(II)-原卟啉配合物中，Fe(II)结合O2的方式经实验确定为 如下的弯曲方式： O Fe(II)O 去氧-Hb 是Fe的一种五配位的高自旋配合物，其中四个位置为卟啉环的4个N原子所占据，第五个位置为组氨酸的咪唑配体的N原子占据。通过它将血红素与蛋白质相连（见下页图）。,24,2019/8/30,25,可编辑,26,27,28,Fe(II) 的那样一个五配位的血红素络合物总是高自旋的。高自旋 t e Fe(II)离子半径稍大于卟啉环的中央孔腔，所以它高出卟啉环平面约0.4. 高自旋 Fe(II) 卟啉配合物包裹在血红蛋白和肌红蛋白中，从而引起卟啉大环的皱褶和卷曲，然而低自旋的Fe(II)离子，半径较小，故容易进入环中. 当O2参与配位时，变为六配位，该配合物便转变为低自旋的(t Fe(II)，Fe(II)离子稍有缩小，因而能进入环平面。,29,30,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“血红素”，即没有多肽链伴随的Fe-卟啉配合物容易被O2 不可逆地氧化成Fe(III),最后生成稳定的 -O2-产物，该产物便不再能携带 O2。然而在血红蛋白和肌红蛋白中，多肽链围绕并保护着血红素，使它不被O2氧化。故能抗御 -O 二聚体的形成，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，形成一个围绕血红素的“尖桩篱笆”圈，有效地防止了Fe-O-Fe桥联物种的形成。因而能维护血红蛋白可逆地络合O2。 （见下页）,31,32,合作效应 血红蛋白与肌红蛋白在传输 O2 的过程中表现出一种所谓“合作效应”，即血红蛋白在高氧气分压下（肺组织中）结合 O2几乎无损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 pH 值（积累较多的CO2 和乳酸的肌肉组织）下也能有效地结合O2. 血红蛋白与肌红蛋白在结合 O2 的能力上的这一差别，有利于 O2气由血红蛋白向肌红蛋白传输。（见下页图）。,33,34,3. Co - 辅酶 B12 唯一已知含钴生物分子是辅酶 B12, 该辅酶含有一个Co原子，Co原子周围的配为环境包括一个类似与卟啉环的咕啉环，该咕啉环在钴的赤道平面上提供4个N配位原子，第五个配位位置也含有一个共轭的N配位原子，第六个位置被一个腺苷配位体的C原子占据。这一Co-C键使该辅酶B12成为生物体中极罕见的金属有机化合物的一个例子（见下页图）。,35,36,与辅酶B12密切相关的维生素B12 中，一个CN- 基取代了腺苷配位体。维生素B12是 1929年从肝的提取物中得到的，后来发现，如果人体缺乏维生素B12 或辅酶 B12 将导致恶性贫血症. 辅酶 B12 是一个多功能的酶，它的钴原子可从Co(III) 还原到 Co（II）和Co(I)，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 Hg(CH3)2 和Pb(CH3)4 等。,37,4. Cu 1). 血蓝蛋白 - 氧载体 血蓝蛋白是第二种类型的氧载体， (见下图),38,血蓝蛋白存在于蜗牛（软体动物）和 螃蟹（节足动物）中。 O2 结合部位含有两个Cu+ 离子，直接与蛋白质相连。氧合血蓝蛋白具有特征的深蓝色。 2). 超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase SOD) SOD 是由 McCord 和 Fridovich 在 1968年发现的.它是一个含铜和锌的金属酶。晶体结构测定显示，Cu2+ 和 Zn2+离子配位于一个组氨酸残基的同一个咪唑环上。（见下页图）,39,40,据研究超氧离子 O2- 或由它产生的某些其他产物(如 OH) 对细胞是有毒害的。而 SOD 能有效地催化超氧离子的歧化反应，使其转化为过氧化氢和氧气: 2 O2- + 2H+ H2O2 + O2 由牛肝中分离得到的超氧化物歧化酶，对人体组织的消腫、消炎特别有效。并发现在治疗骨关节炎症有价值，并且是一种很有价值的抗衰老剂。 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。,41,5. Mo - 固氮酶 自然界进化出一种完全不同的、不需要高温、高压的、更加精巧的合成氨的路线，即自然界利用ATP(腺苷三磷酸)作为还原剂，依据下面的半反应（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、常压的温和条件下进行。这一过程就是靠一种叫“固氮酶”的生物催化剂的作用。,42,固氮酶广泛存在于与豆科植物（苜蓿、紫花苜蓿、大豆、豌豆）共生的根瘤菌中，存在于土壤中的细菌如克雷白氏杆菌、固氮菌、蓝藻细菌以及赤杨树上生长的固氮根瘤中。 固氮酶的固氮作用，要求厌氧条件，非常不稳定，在空气中容易失活。固氮酶的分子量高达220000 D，自然界存在的固氮酶由两部分即钼铁蛋白（MoFepr）和铁蛋白（Fepr）组成。钼铁蛋白的活性中心由两个铁钼辅因子（FeMoco）及两个铁硫簇（P簇）组成，铁蛋白的活性中心由两个铁硫簇组成（见下页图） 固氮机理的细节至今不详，但知道其关键问题是如何去克服NN 分子的极大惰性。知道固氮酶靠着这两种蛋白的协同作用，催化还原,43,44,N2 生成NH3.铁蛋白是催化还原N2时的电子给与体。而铁钼辅因子是底物络合还原的活性部位。 生物化学家已分离出该催化过程中的含金属辅酶。该领域近年来取得的一个重要突破是获得了辅酶MoFe7S8(b)和与之相关的“P”簇合物（a）的晶体，并用X-射线单晶衍射法测定了它们的结构。 “ P”簇含有两个 Fe4S4 簇通过S 原子连接 (图.