（分析化学专业论文）半胱氨酸、组氨酸钴镍配合物的合成及其圆二色性研究.pdf

南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 中文摘要 本论文研究的是含杂原子的氨基酸与钴、镍配合物的合成，以及氨基酸的 圆二色性质。本论文分为三部分。 第一部分： 综述了微量元素钴、镍的性质及其生化功能，氨基酸的一般性质和生物体 中金属配合物的分析方法，总结了圆二色光谱法分析手性分子构象的方法及研 究进展。 第二部分： 使用c o c l 2 6 h 2 0 和n i c l 2 6 h 2 0 为原料，h 2 q 为氧化剂，合成了 ( c 3 h 4 n 0 2 s ) 2 c o 和( c 3 h 4 n 0 2 s ) 2 n i 配合物，推定为两配体六配位的配合物。随后 对半胱氨酸的圆二色性进行了研究，它在2 1 1n m 有一个羧基贡献的正吸收峰， 在2 6 0 衄处有一个二硫键贡献的负吸收峰。加入c 0 2 + 、n i 2 + 对吸收峰会有不同 程度的影响。( c 3 h 4 n 0 2 s ) 2 c o 和( c 3 h 4 n 0 2 s ) 2 n i 合成产物的c d 图都与半胱氨酸 的c d 图形类似，表明半胱氨酸的钴、镍配位物的构型与半胱氨酸的构型类似。 第三部分： 使用 c o ( n h 3 ) 6 】c 1 3 和碱式碳酸镍为原料，和组氨酸配位合成了 【c o ( c 6 h 8 n 3 0 2 ) 2 】c l 3 h 2 0 和n i ( c 6 1 8 n 3 0 2 ) 2 h 2 0 配合物，并初步研究了它们的结 构和配位比，推定它们是两配体两配位的配合物，由组氨酸咪唑环上的三级氮 原子与金属进行配位。随后对组氨酸的圆二色性进行了研究，它在2 1 3 呦和2 8 0 n m 处分别有一正一负两个吸收峰。加入钴( i i ) 时，会对2 1 3i l i n 的正吸收峰产 生影响。加入镍( u ) 后，由于咪唑的氮原子与镍( ) 配位，使得2 1 3 姗的吸 收峰转负。【c o ( c 6 h 8 n 3 0 2 ) 2 】c l 3 h 2 0 配合物的c d 性质与组氨酸完全不同，表明 合成产物的结构不再以组氨酸的构型为基础。 关键词：圆二色、半胱氨酸、组氨酸、钴、镍 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 a b s t r a c t s e v e r a lc o b a l t 锄di l i c k e lc o m p i e x e so fc y s t e i ma i l d1 l i s t i d i i l ew c s y n t h e s i z c d 锄dc h a r a c t e r i z c di nm et h e s i s t h ec i r c u l a rd i c h r o i s ms p e c 臼_ ap r o p n i 船w e r e d i s c u s s e d t h i sd i s s e 眦i o ni sd e v i d e di r 哟t t l r c ep a r t s p a r t i t h ep r o p e n i e sa r i db i o c h 锄i s n y 劬c t i o no f 乜a c ee l e m e n tc o b a j t 柚dn i c k e la r e r e v i e 、e d t h ec o i m n o np r o p e n i e so f 弧i n oa c i d sa i l dn l ea n a l y s i sl e c h 芏l i c so fm e t a l c o o r d i n a t i o nc o m p o l l n d sa r es u 姗【1 1 撕z e d t h ec 矾u kd i c h r o i s mm e t h o d sf o r c o i l f b 加a t i o na i l a l y s i so f c h i r a lm o l e c u l a ra r er c v i e 、e d p a n n c o c l 2 6 h 2 0a n dn i c l 2 。6 h 2 0w 弘c o o r d i n a t e dw i m 鲫她m e ，h 2 0 2w 罄u d 笛 o x i d a r l t n i e i rm o i e c u l a rf o 咖u l a 、e r ed e d u c e ( c 3 h 4 n 0 2 s ) 2 c oa n d ( c 3 h 小0 2 s ) 2 n i 行o mi rs p e c t r a ，r a s 锄dc h e m i c a lc o m p o s i t i o na 玎a l y s is c i r c u l a rd i c h r o i s m0 f c y s t e i n ew a ss t u d i e di 1 1 血e1 a t t c rp a r t ap o s i t i v ec o t t o ne 丘毫c tw 硒o b s e r v e d a ：t2 1 ln m ， a s s i 驴e dt 0t h ec a r b o x y l an e g a t i v ec o t t o ne 任毫c tp r e s e i 吐e dt o2 6 0n m 勰s i 弘e dt ot 1 1 e d i s u l f i d eb o n d ar e ds h mo fm ep e a ka t2 l l 砌、v 8 sb r o u 咖w h e nc 0 2 + 锄dn i 2 + 、 ，盯ea d d e d t h ec ds p e c 慨o f ( c 3 h 4 n 0 2 s ) 2 c oa n d ( c 3 h i n 0 2 s ) 2 n iw e r cs i i n i l a rt o t i l e s p e c 订ao fc y s t c i n e ，访d i c a t e dm et 、】l ，op r o d l l c t sh a v et h es 锄es 咖曲【】r 鹤嬲 c y s t e i n ea c c o r d i n 垂y p a r t i i i 【c o ( n h 3 ) 6 】c b 姐dn i c 0 3 2 n i ( 0 h ) 2 。4 h 2 0w 鹊c o o r d i 删刚w i mh i s t i d 硫m i r m o l e c u l a rf o n n u l aw 盯cd e d u c e 【c o ( c 6 h 8 n 3 0 2 瑚c l 3 h 2 0a n dn i ( c 6 h d 如o 如h 2 0 台o mi rs p e c t r a ，f a a sa n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o n 锄a l y s i s t h ec o b a l t 趴dn i c k e la r e 塑墅奎堂堡主堕壅圭望些! 堂堡! 丝奎一 c o o r d i n a t e d 嘶t l lt w ob j s t i d i n ei i g 锄d sa t 仔i en 如缸d d a z o l e c 酞m 簦d i c o i s mo f c v s t e mw 鹪咖越e di nm el 眦e rp 砒a p o s m v ec o t t o ne 位c t 、v 够o b s e r v e da t2 1 3 蛳，鹞s i g n e d t o t h ec a r b o x y l an e g a ；c i v ec o 仕o ne 旋c tp r e s e n t e d t o2 6 0 眦a s s i 印e d t o 吐l ed i s u m d eb o n d 耽et ，op e a l ( sw e r er e l a t e dt o ，卜oa n dn 吲，缸a n s 衔o no f i n l i d a z o ie t h e 口e a l 【a t2 1 3 咖w a st i l n l e dt 0n e g a t - v ew h e nc o ”w 硒a d d e d ，b y r c a s 0 no ft l l ec o o r d i i l a t i o no fc ot oi i i l i d a z o l e ，b u tm ep e a l 【w o n f tt 哪p o s i 曲e w b e n e x c e s s i v e n i 2 + w 蠲甜d e d 讯c ds p 。咖o f 【c o ( l 城湖c l w 够d i 任酿n t 筋m m e s p e c t r ao fh i s t i d i n e ，i n d i c a 湖m ep r o d u c t s 仃u c t u r e sw e r e n b a s e do nh i s t i d m k e y w o r d ：c i r c u l a rd i c h r o i s m ，c y s t e i n e ，h i s t i d i n e ，c o b 批n i c k e l i l l 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 第一章文献综述 1 1 人体必须的微量元素及其生化功能 含量少于人体质量o 0 1 的元素称为微量元素。必需微量元素是为维持生命 活动所需的元素，作为生物体中元素必需性的判别条件是：( 1 ) 在所有生物的 切正常组织中均存在；( 2 ) 在不同的生物体中浓度颇为恒定；( 3 ) 若生物体 中失去这种元素，不管原因如何，常会产生生理上或构造上的异常；( 4 ) 若添 加这种元素，则可防止异常产生或使异常复原；( 5 ) 由于缺乏这种元素产生的 异常，常伴随有特定的生物化学变化；( 6 ) 防止元素缺乏或添加这种元素，也 能防止上述生物化学变化或使这种变化复原u 司。 微量元素在机体代谢中的生物活性主要表现在以下几个方面：( 1 ) 在酶系 统中，微量元素固定在酶的活性部位并控制其几何构型，使得只有特定构型的 底物爿能和它起作用，如铁、铜、锌、镍等金属酶；( 2 ) 在辅酶中，通过微量 元素的配位作用，能够激活酶的底物，如有机钴制剂维生素b 1 2 ( 3 ) 在激素中， 参与调节机体的生理功能，如铬可增加葡萄糖对胰岛素的敏感性；( 4 ) 在核酸 中，影响核酸代谢，如锰能激活脱氧核糖核酸酶。 微量元素在生物体内作用的特点主要有：( 1 ) 数量小而作用大，同时依靠 着生物体内的动态平衡，将其数量维持在一个狭小的正常范围内；( 2 ) 在体内 多以结合状态存在，并以结合状态形式参与体内生物学过程；( 3 ) 微量元素同 与其相结合的生物配体分子协同地发挥其正常功能，而微量元素之间，微量元 素与生物配体以及其它营养物质之间也有相互协同或拮抗作用。 一个元素既可以对生物体是必不可少的，也可能是有毒的，元素的这种二 重性与它们在体内的浓度水平有关。在不同浓度水平下，可分为5 个等级：( 1 ) 绝对缺乏时，生物体无法生存而死亡；( 2 ) 临界缺乏时，生物体可以存活，但 显示出与缺乏该种元素相应的功能障碍；( 3 ) 随着生物体摄入元素量的增加， 生物体的功能达最佳状态；( 4 ) 继续增加元素的摄入量，出现与该种元素过剩 相关的毒性反应；( 5 ) 元素摄入量超过临界水平时，毒性急剧增加，使生物体 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 中毒而死亡。因此对每一种元素，在生物体内都有一个安全的最佳的浓度范围， 在这一浓度范围内，生物体通过体内平衡机制维持体内组织的元素水平为最佳 状态，并且产生有益的生物效应。机体内微量元素缺乏、过剩或平衡失调，都 会影响机体内很多物质的代谢，影响各器官组织的结构和功能，干扰免疫机制， 影响生长发育，加速衰老过程，产生病理变化，引发各种病状阳】 1 2 钴的化学和生化性质及研究进展 1 2 1 钴的元素化学 钻( c o b a l t ) ，元素符号c o ，原子序数2 7 ，属于元素周期表中v i n 族的铁 系元素。 表1 1 钴的基本物理性质嘲 t a b l e l 1p h y s i c a lp r o p e r t j e so f c o b a l t 性质价电子层结主要氧化共价半径m 2 + 离子第一电离 元亲 原子量 电负性 构 态(pm)半径( p m ) 势( k j ，m o n c o 5 8 9 3 【a r 】3 j 7 4 s 2+ n ，+ i h 1 1 67 4 7 5 81 8 8 钴存在六种6 种氧化态：i ，o ，i ，i i ，。其中，只有c o ( 田和c o ( i i d 在溶液中能够存在。维生素b 1 2 中的钴为c o ( i i d ，它对生命活动极为重要，在 一定条件下，各种价态的钴可以相互转换。 1 2 2 钴配合物的性质 c o ( i i ) 是唯一常见的d7 离子，它既能形成简单的盐，又能形成配合物。由 钴形成的配合物立体结构种类很多，最常见的结构是八面体和四面体，其中的 c o ( i i ) 处于高自旋态。钴也存在相当数量的平面正方形、三角双锥形和六配位 的化合物，其中的c o ( i d 通常处于低自旋态。与其他任何过渡金属离子相比， c o ( i i ) 更容易形成四面体配合物，这可以根据配位场稳定化能进行解释。 c o ( u i ) 的简单盐不多，相反，其配合物则是广泛存在的。c o ( i i d 对含氮配 体具有很强的亲和性，因此大多数配体含有氮、胺、硝基和异氰根等。c o ( i i i ) 的六配位化合物常为八面体型，与c o ( i d 化合物所不同的是，它们具有很大的 2 一 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 化学稳定性。 在生物体中，钴和蛋白质反应几乎全都生成高自旋钻的衍生物，只有当配 位原子处于平面结构如钴啉和卟啉，或者有一个以上的氰根与c o ( i d 离子作用 时，才出现低自旋钴衍生物结构i 们，研究高自旋c o ( i i ) 配合物的电子特征，有 助于阐明生物体系的某些机制。 钴配合物是最初合成的人工合成载氧模型体系，也是公认的血红蛋白和其 他天然氧载体的可行的模型化合物之一【7 棚。第一个人工合成的钴载氧体 c o ( s a l e n ) 是c o ( i i ) 一s c h 谢碱的螯合物，c o ( s a l e n ) 能可逆地结合氧。 锌酶中的锌大多可被c o ( 1 i ) 取代而保持一定活性，锌酶中的z 矿是无光学 活性的，而用具有光学活性的c o ( i i ) 代替锌酶中的z n ( ) ，以此作为跟踪、检测 酶活性中心的构象变化和微环境改变的探针，这对研究酶的结构和作用机理方 面具有重大意义。由于c o ( i i ) 配合物的电子吸收光谱与结构对称性的依赖关系 研究得比较透彻，因此根据c o ( i d 配合物的吸收光谱，可对酶中金属结合部位 的几何构型提供有价值的信息。 表1 2 c o ( i i ) 取代z n ( 1 i ) 中的z n 的数据 t a b l e l 2d a 土ao f z n ( i i ) s u b s t i t i i t c db yc o o d 酶 相对活性参考文献 碳酸酐酶z n ( i i ) l o o ，c o ( i i ) 5 0 9 】 羧肽酶z n ( i i ) 1 0 0 ，c o ( i i ) 1 6 0 ，n i ( i i ) 1 6 0 【1 0 】 碱性磷酸酶z n ( i i ) 1 0 0 ，c o ( i i ) 1 2【1 1 1 ，1 2 】 醇脱氢酶z n ( i d l o o ，c o ( i d 有效【1 3 】 乳酸脱氢酶 z n ( i i ) 1 0 0 ，c o ( i i ) 有效 【1 4 】 很多文献报道了钴配合物的性质：y o s h i m 吼，乃m gh u i ，h a m m c r s h o e i ， p a v e l c i k ，h e r a k ，h a r r i s ，c e i a p ，g i l l a r d ，j u r s i kb o n i l i o l ，m a l i l 【掣1 5 堋研究了 c o ( i i i ) 与氨基酸配合物的合成、分离、溶解性、立体选择性及其它性质；g o m e z ， s p a c a ，m i c h a i l i d i s 等【2 7 - 2 9 】研究了c o ( i i ) 与氨基酸配合物的磁性、氧化性及红外光 谱。j e z o w s k a ，i s m a j l o v ，m s t s m a 等f 3 2 1 研究了c o ( i i ) 与氨基酸在溶液中的稳 定常数n m r 等性质 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 1 2 3 钴的营养作用 从1 9 4 8 年证明钴是维生素b 1 2 的组成部分以来。已肯定钴为人体所必需。 但远在这之前，1 8 7 9 年已有人报告了钻在造血方面的功能。人体含钴1 1m g ， 含量最高的组织是肝、肾和骨。血液中红细胞的钴含量高于血浆，每毫升血浆 约含钴6 0 8 0p g ，全血约含钴8 0 3 0 0p g 。 表1 3 人体组织的钴含量( 岭g 湿重) p 1 a b l e l 3c o b a l tc o n t e n to f h u m 锄廿s s u e s 心 肝脾肺。肾鼻咽子宫头皮乳腺胸肌 c o 含量0 0 7o 0 1o 1 0o 0 5o 0 8 o 1 0 o 0 7 o 0 8o 1 2o 0 6 人和动物摄入的钴必须经肠内细菌合成维生素b 1 2 才能吸收利用。牛羊等反 刍动物的细菌合成维生素b 1 2 发生于小肠上段，可较好地吸收，而在人体，细菌 合成维生素b 1 2 只发生于结肠，吸收量很小。因此，钻只有以维生素b 1 2 的形式 摄入，才能吸收利用。钴的主要排出途径是经过肾脏。尿中浓度约为o 1 4n g l 1 。 体内的钴主要作为维生素b 1 2 的成分而存在，因此，钴的作用主要体现在维生素 b 1 2 的作用中促进红细胞的正常成熟。钴除了作为维生素b 1 2 成分外，是否 有单独的必需的生物学作用，现在还只观察到如下一些现象。药理剂量的无机 钴盐，在包括人在内的许多动物中，可引起红细胞生成增加。但诱发这种反应 需要大剂量的钴，其毒性作用限制了钴在贫血中的治疗作用。此外，有迹象显 示钴会影响甲状腺代谢，并可能为合成大鼠甲状腺激素所必需。在地方性甲状 腺肿和水、土壤和食物中的含钴量之间存在着某种联系如某些居民中甲状腺 功能紊乱，不仅由于环境中的碘和钴含量低，并且还决定于这些元素的比值刚。 1 2 4 钴与生物物质的结合 1 2 4 1 氨基酸 钴很容易和氨基酸反应。通常认为这种结合是通过氮原子或巯基进行的， 前者的例子如钴与组氨酸的咪唑环反应，产生一种非常稳定的配合物。在二氢 硫辛酸中，钴能和巯基不可逆地结合形成配合物。钴也能与半胱氨酸和胱氨酸 形成配合物。 4 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 1 2 - 4 2 蛋白质 钴与蛋白质的反应依赖于p h 值的变化，根据研究的蛋白质不同，在p h 值 7 9 之间某点，这种亲合能力最大。如与胰岛素在p h = 8 时亲合力最大，而对还 原角蛋白，则p h = 9 。在血清中，二价钴与清蛋白组分牢固地结合在一起，两者 的亲合力在p h = 6 7 8 6 之间有一个明显的增长1 5 1 ，清蛋白被认为是血清中的钴的 转移蛋白。钴也能与血浆蛋白如a 球蛋白，p 球蛋白和血纤维蛋白原结合，在血 纤维蛋白中，钴能引起其构象的改变，导致正常血凝的紊乱。 1 2 4 3 钴在生物体液里的溶解度 金属钴和钴盐可以在体液和组织液中溶解。颗粒状的金属钴容易溶解，当 有氧存在时，溶解度急剧增加。在体外，溶解了的钴离子与蛋白质和一些弥散 的小分子( 可能是氨基酸和肽) 结合。钴能与肌肉中和其他组织匀浆中的小分 子牢固地结合，9 0 的钴离子可以在这个组分中发现。在血清中，钴也能与蛋白 质结合。体液中小分子与钴结合的倾向可能影响着钻对细胞膜的渗透性。 1 3 镍的化学和生化性质及研究进展 1 3 1 镍的元素化学 镍( n i c k e l ) ，元素符号n i ，原子序数2 8 ，属于元素周期表中v 族的铁系 元素。镍与铁、钴比较，只是次外层2 d 电子数不同，所以它们的性质十分相似。 表1 4 镍的基本物理性质嘲 t 曲l e l 4p h y s i c a lp r o p e r t i e so f n i c k e l 慕 原子价电子层 共价半电负 主受钒化态 舍届原子半径( a )离子半径( a ) 量结构 符( p m )性 c o5 8 7 l 【a r 】3 d | 4 s 2 + i i + l i i ，+ i v1 1 5 1 3 2 ( h ) - 1 2 4 ( c ) o 7 0 ( n i 2 加6 2 ( n i l 1 8 0 1 ) 为六方晶体，( c ) 为立方晶体 天然存在的镍只有稳定同位素，已知镍的人工放射性同位素有5 6 n i 、5 7 n i 、 5 9 n i 、6 3 n i 、6 5 n i 、6 6 n i 、6 7 n i 七个，其中6 n i 的半衰期为9 2 年，常用于镍的生 物及医学示踪研究。 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 1 3 2 镍配合物的性质 镍的大多数配合物配位数是4 、5 、6 ，所有n i ) 配合物主要结构类型是八 面体、三角双锥、四方锥、四面体和四方形等；而n i ( i i ) 配合物的特征是在这 些结构类型之间存在着复杂的平衡【3 5 】。正是这些众多形态的镍配合物在生物体 中起着复杂的作用。 镍的六配位八面体配合物，常见的有六水合n i ( i i ) 离子及一些配体( 如胺) 与n i ( i i ) 形成的配合物。五配体的n i ( i i ) 配合物较常见。观察到的n i ( i i ) 五配 体配合物最普通的立体构型是三角双锥，只有少量的是四方锥形，如n i ( ) 与 人血清蛋白形成的五配体络合物是四方锥形结构【3 6 】。镍的四配体络合物最多， 常有两种构型：四面体和平面四边形，如狗血清蛋白与n i ( ) 结合形成的就是 四面体络合物1 3 。”。n i ( i d 的配合物最稳定，数量最多，因而在生物体中常见n i ( i i ) 的配合物起作用。n i ( i i d ( d 7 ) 和n i ( i v ) ( d 6 ) 的配合物不常见，因为不稳定。 n i ( 0 ) 可以与体内的磷酸酯形成类似与一氧化碳形成的一系列多核络合物。 很多文献报道了镍配合物的性质：z i l b c r n l 锄y ae 。，h 鲫i d a ，b o t t a r i ， m o n t g 伽1 e 】弘s o v a g o ，l a r c h e r ，g e l b a 哪，h a i n e s ，她m ，i s m a i l o v ，c h i d a m _ b a r a m ， s i m o n e ，k a l a p 、m 等【3 3 1 研究了n i ( i d 与氨基酸在水溶液中的稳定常数、熵、 焓、自由能、核磁共振谱、圆二色性、超声性质等行为；s a i l d h u ，g o m e x 掣昝5 5 】 研究了n i ( i i ) 与氮基酸固体配合物的合成及结构。 1 3 3 镍的营养作用 现代人和原始人含镍均为o 1p p m ，说明镍在人体内的贮存并不明显f 矧。但 由于世界镍排放量的增加，人体通过各种途径吸收的镍也在增加。肺，脑、心 脏、肾是主要的储镍器官，皮肤中也贮存了一部分镍，只有部分镍在骨及其它 造血组织中被利用。 表1 5 正常成年人组织器官中的镍含量( 峙幢湿重) 嘲 1 - a l b e l 5n i c k c lc o n t e mo f h 啪舳t i s s s 心肝 脾 肺 骨鼻咽全血子宫头皮乳腺腮肌胸肌 n i o 0 3o 0 90 0 9o 1 5o 2 0o 1 0 - o 1 5o 1 5o 2 1o 4 21 0 4 6 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 人体含镍总量约为6 1 0m g ，其中以骨骼中的浓度较高。血清的镍含量约 为1 1 4 6 “g l 1 。镍的吸收部位在小肠，吸收率很低，吸收后经代谢主要从粪 便排出，尿中排出量较少，每天约为2 2 0 岖。n i e l s e n 等根据动物试验资料推 断，成人每天须由膳食提供约3 0 “g 的镍。由于植物性食物含镍较高，因此一般 混合膳食能供应足够的镍。人们通常每日可从膳食中得到1 0 0 2 0 0 昭的镍。现 在还没有人体因缺乏镍而引起的营养缺乏的综合征的证据，只是在一些疾病中， 如肝硬化、慢性肾功能不全的病人血清中含镍量降低。 1 3 4 镍与生物物质的结合 经消化道和呼吸道吸收的镍进入血液后，主要是与血清蛋白、氨基酸和巨 球蛋白结合的形式存在【5 引。然后通过血液输送到各个代谢器官中【3 7 】。 s a r k 缸等用交联葡聚糖g 1 5 0 分级分馏测定了n i ( i d 在人血液中的运输方 式，人血清蛋白( h s a ) 结合了总镍量的9 5 7 ，4 2 的n i 2 + 与组氨酸络合，另 外o 1 的则与高分子量的a 2 巨球蛋白结合。n i ( i i ) 与h s a 的亲合力比n i ( i i ) 同 l 一组氨酸的亲合力僻引，低浓度的组氨酸近似于生理状态，即可夺取h s a 中的 n i ( i i ) ，有利于低分子量的镍络合物p 6 l 平衡的存在，可以解释肾脏中镍的高吸收 以及在注射i c l 2 后，n i ( i d 从尿中的快速排出等现象【5 9 l 。在牛、狗、家兔和 大鼠中，血清蛋白也是n i ( i d 的主要运输蛋白1 1 研，它们与n i ( i i ) 的作用机理同 人血清与n i ( i i ) 的作用机理相似。对于狗血清蛋白( d s a ) ，由于在其第三个结 合位置上缺少组氨酸残基，因而d s a 不像h s a 那样具有运输n i ( i d 的专一性。 在人体血清中，发现氨基酸主要是与n i ( i i ) 键合的氨基酬叫，在体液p h 条 件下，镍在咪唑氮存在的情况下能与组氨酸配位络合。在兔血清中，半胱氨酸、 组氨酸和天冬氨酸也可以与n i ”键合或配位镍还存在于细胞膜和细胞核中，已 有证据表吲“】，l 州a 和d n a 中含有n i ( i i ) ，其主要作用可能是使核酸处于稳 定状态。镍存在于些微生物和酶中【配删，参与一些微生物过程、参与一些酶 的组成，或作为酶的辅助因子 7 t 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 1 4 1 氨基酸的结构特征 1 4 氨基酸的一般性质 氨基酸是蛋白质的基本结构单位或构件分子。生物体内构成蛋白质的氨基 酸只有二十种左右，除脯氨酸是一种a 亚氨基酸外，其余的都是a 氨基酸，除 没有手性碳原子的甘氨酸外，其它蛋白质氨基酸均为l 型氨基酸。氨基酸同时 含有氨基和羧基，是两性电解质，在水溶液或结晶中基本上均以两性离子或偶 极离子的形式存在。氨基酸的两性离子在酸性溶液中可接受质子形成阳离子， 在碱性溶液中则释放质子形成负离子【删。 根据氨基酸分子中所含氨基和羧基数目的不同，可将组成蛋白质的2 0 种氨 基酸分成三大类：( 1 ) 中性氨基酸，分子中含一个氨基，一个羧基；( 2 ) 酸性 氨基酸，分子中含一个氨基，两个羧基；( 3 ) 碱性氨基酸，分子中含一个羧基， 两个氨基。 根掘氮基酸和羧酸的关系，氨基酸可分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和 杂环氨基酸。 根据氨基酸分子中侧链r 的物理性质，特别是与水的相互作用，可将2 0 种 氨基酸分为亲水氨基酸和疏水氨基酸。 根据侧链r 的极性性质，又可分为非极性r 侧链的氨基酸、在生理p h 条 件下，极性带电荷的氨基酸和在生理p h 条件下，极性但不带电荷的氨基酸。 8 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 表1 6 二十种编码氨基酸的分类及结构式舻日 t a b l e l 6s t 兀l c t u 他a i l ds p e c i e so f e s s 凹石a l 锄i 1 1 0 i d s 分类名称英文名简称分子量等屯点分子结构 h _ g ，c o 伽 甘氨酸g l v c i n e o l y 7 55 9 7 l n 丙氨酸 a l i n ea i a8 96 0 2 下 c 焉塔h c h c o 。h 缬氨酸 、，a l i n ev a l1 1 75 9 7i n h 2 ( c 两厦懈h f h c o 洲 亮氨酸 l e u c i n el e u1 3 15 9 8i n 拖 异亮氨 隅c 非极 i s 0 1 e u c i n ei l e 1 3 l 6 0 2 i c h c h c o o h 酸 ，i 性r h # h #n h 2 侧链 c 驺c 吨c 域h c h 蛋氨酸 m e t l l i o n i n em e c1 4 95 7 5i 的氨 n 蝻 基酸 ：釜n 脯氨酸 p m l i p m1 1 56 1 0 h - 半胱氨 h c ”埘n ec y s 1 2 15 0 2 嘴1 一渊 酸 苯丙氨 9 一铲n p h e n y l a l a l l i n e p h e1 6 55 4 8 酸 酪氨酸 d r o s i n e研 1 8 l5 6 5 d 等一 岫 色氨酸 t 卯l o p h e唧 2 0 45 8 8 呷“f “ 9 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 续表：表1 6 二十种编码氨基酸的分类及结构式嘲 n h 2 i 精氦酸 a 唱i n i n ea f g 1 7 41 0 7 6c n h c h ：c h 正h 】d h c o o h ii n ：h n h 2 极性 c h c h c h c h h 。o h 赖氨酸l y s i n el y s 1 4 69 7 4 ii n h 2n h j 带电 荷的 岳增删 组氨酸 h i s t i d i n ch i s1 5 57 5 8 氮基 酸 天门冬 a s p a ca c j da s p 1 3 22 8 7 啪喇一 氨酸毗 谷氦酸 g l u t a m i ca c dg l u 1 4 7 3 2 2 一盲计一 船乜 h - 丝氨酸 s e r i n es e r1 0 55 6 8 哗1 一 哪 极性 c h l c h c h c 。h 不带 苏氨酸 t h r e o n i n et h 1 1 9 5 6 3 ii h o n h 2 电荷 天门冬 h 的氨 a s 雕l r a 唔i n e a s n1 3 25 0 7 m 盲r 一 酰胺树 基酸 谷氨酰 纠 g l u t a m i n eg 1 n1 4 65 5 6 w 一一 胺 m 七 1 4 2 氨基酸的物理性质 氨基酸均为无色结晶体或粉末状，每种氮基酸都有自己特有的结晶形状， 可用于鉴定。与相应的有机酸相比，氨基酸熔点较高，一般都大于2 0 0 。 在可见光区氨基酸均无吸收。在近紫外区( 2 2 0 3 0 0 姗) ，苯丙氨酸、酪氨 酸和色氨酸都有吸收，酪氨酸的最大吸收波长为2 7 5 也7 8n m ，色氨酸为2 7 9 - 2 8 0 i o 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 衄，苯丙氨酸为2 5 7 - 2 5 9n i n 。 组成蛋白质的氨基酸，除甘氨酸外，均含有不对称碳原予，故具有旋光性。 在一定的温度和溶剂系统中，不同的氮基酸都有各自的比旋光值，可用于定性 鉴定。 除胱氨酸、半胱氨酸、酪氨酸外，氨基酸一般都溶于水，但在稀酸、稀碱 中溶解度最好。除脯氨酸溶于乙醇、乙醚外，绝大多数氨基酸都不溶于有机溶 剂，故可用有机溶剂沉淀法生产氨基酸。脯氨酸极易溶解于水，故易潮解不易 制成结晶。 1 4 3 氨基酸的生化功能 氨基酸不仅是构成蛋白质分子的基本单位，也是构成其它许多生物分子的 前身，并参与人体的能量代谢，体液中游离的氨基酸来源于食物蛋白的消化吸 收和体内组织蛋白分解以及其它物质的代谢转变。不同来源的氨基酸混在一起， 通过血液循环分布于全身各组织细胞内，血液氨基酸不断地从消化道或其它组 织处获得补充，也不断地被有关组织细胞吸收利用，这些氨基酸在体内通过以 下几个方面实现其生物功能：( 1 ) 合成蛋白质和多肽。各组织细胞摄取的氨基 酸除合成它们的结构蛋白满足其蛋白更新、修补组织及细胞生长增殖的需要外， 还要合成某些分泌性蛋白质或多肽，如血浆白蛋白和免疫球蛋白，消化液的消 化酶，蛋白质多肽激素，细胞生长因子及生物活性肽等；( 2 ) 合成或转变成其 它具有特殊生物活性的含氮化合物。如嘌呤、嘧啶、卟啉化合物、肌酸、谷光 甘肽、甲状素、肾上腺素等：( 3 ) 氧化供能。氨基酸经脱氨基作用后生成的洳 酮酸可进一步氧化分解，供给能量i 删。 1 5 生物体系中金属配合物的研究 1 5 1 金属配合物的生化意义 现代生物科学从分子和亚分子水平研究生命过程，进而探索用生物科学解 决生产、生活实际问题的途径。从这个观点看，生命活动是许多活性物质所参 与的各种化学反应的总结果。这些反应在规定部位、按规定程序和程度进行， ftfkrb 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 它们之间是相互关联和制约的。在这些生物活性物质中，有不少就是含无机元 素( 特别是含金属元素) 的络合物( 金属蛋白、核酸络合物、辅酶中的一部分 等) 。它们在圆碳、圃氮、载氧、生物矿化、细胞调节、神经传导、免疫应答等 生物过程中起着关键作用。这些活性络合物起着开关、调节、控制、传递、放 大等作用，因此它们参加的反应具有高选择性、高效率和高收率的特点。 金属离子( 或其水合离子) 本身常常并没有某种生物活性，或者活性不够， 只有与具有特定结构的配体结合成配位化合物以后，才表现出特定的活性。例 如，f e ”不能与氧配位结合，只有它与原卧啉和具有特定结构的蛋白链结合 成血红蛋白才能氧合。因此研究生命科学中的金属，实际上主要是研究与特定 生物配体结合的金属。在考察生物分子的结构性质活性的关系时，也必须研究 配体的影响。生物配体包括蛋白质、肽、核酸，糖以及糖蛋白、脂蛋白等大分 子配体，也包括一些有机、无机离子( 如氨基酸、核苷酸、有机酸酸根、c r 、 h c 0 3 。、h p o 铲等) 、某些维生素和激素等小分子配体。广义地说，0 2 分子，c o 分子也是生物配体。不同配体所含的各种配位基团决定了对金属的配位能力和 配位方式，从而决定了生物功能。表1 7 中列出了蛋白质中不同可配位的基团1 5 1 。 表1 7 蛋白质中参与金属配位的可解离基团 t 曲l e l 7m e 忸lc 0 0 r d i n 呶i dg r o u p si np r o 试璐 配位解离基团氨基酸或残基 p k a c o o h羧酸末端3 4 - 4 b j - c o o h天冬氨酸、谷氨酸 4 5 眯唑组氨酸 6 - 7 n - n h 3 +氨基末端7 5 8 巯基半胱氨酸 1 0 8 n h 3 +赖氨酸 1 0 酚o h 酪氨酸9 5 - 1 0 5 胍基精氨酸1 2 1 5 2 含金属生物分子的构效研究中常用的物理化学方法 对复杂的生物活性分子的研究中，主要研究目的是了解结构与生物活性的 关系，以便有可能从分子水平上理解微量元素参与的生命化学过程。表1 8 中列 1 2 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 出了含金属生物分子的构效研究中有用的物理化学方法【5 】 表1 8 研究含金属生物分子构效的主要分析方法 1 曲| c 1 8a n a l ”i c a lt e c i l l l c si nm e t a li i l c l u d i n gb i o m o i c c u l a rc o n f o 皿a l i o ns t u d y 生物学上要研究的重 方法参数得到的信息数据 要物质 1 h 、5 7 c o ，3 l p 、4 3 c a 、 化学位移成键特征 n m r ( 核磁共振)超精细结构键结构 k 、n a 驰豫时间距离反应速率等 超精细结构 结构 游离基m n ( i d 、g 值 能级 f e ( i i ) 、c o ( i i ) 、 超精细结构 成键特征( 共价性等) e p r ( 电子顺磁共振)速率进程 m o ( v ) 、c i l ( i i ) 驰豫时间 蛋白质构型，结合自 自旋标记驰豫时间 旋标记的物质的氧化 ( 线宽) 态 m n ( i d 、f i d ， 磁矩 键结构 磁化率 g 值 能级 f e ( 1 1 1 ) 、c o ( i i ) 、c u o i ) 成键特征、反铁磁性 与温度的关系 偶合 穆斯堡尔谱 同质异能移( i s ) 氧化态 ( m 6 s s b a 憾r ) f c ，k 、l电场的对称性( 自旋 四极距分裂( q s ) 状态) 能级 吸收光谱 x 。吸光系数 跃迁类型( d - d 、c t 、 m 等) 金属蛋白的不对称性 o r d ( 旋光色散)非本征的c o t t o n 效应相似化合物的相互作 用、比较 光谱的补充( 重叠谱 c d ( 圆二色) ( c l - c r ) 与九的关系 带的分辨) m c d ( 磁圆二色) ( 法拉第效应) 转动角0 与九的关系光谱的补充 这种方法可用于非旋光化合物 1 3 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 1 6 圆二色基本原理及研究方法 圆二色性是研究分子立体构型和构象的有力手段，早在1 9 世纪末，c o t t o n 在研究c u ( i i ) 和c “i i ) 的酒石酸配合物时，发现在可见光吸收带区域内有旋光 异常色散和圆偏振光二色性( c 讹i i l 缸d i c i o i s m ，简称c d ) ，这两种现象后被称 为c o t t o n 效应且广泛地用于配位化合物的研究。直到1 9 6 0 年，c d 光谱仪阿世， 有关c d 的研究应用才得以广泛开展，在金属有机化学、配位化学、生物化学、 药物化学等领域起着越来越重要的作用。 1 6 1 圆二色光谱的基本原理 一束平面偏振光可以分解成两柬位相相同、振幅绝对值相同、旋转方向相 反的圆偏振光，一个光学活性物质对两束圆偏振的吸收率8 l 和r 不相等，对于 圆偏振所表现的光吸收的各项异性称为圆二色性。 乎i l - r o 可以用来定量描述圆二色性。将对波长作图，即可得到该物质的圆二 色光谱。 当两束旋转方向相反，位相相同而振幅绝对值相等的圆偏振光透过一光学 活性物质，其波长正好能产生圆二色性时，透射的两柬圆偏振光有两点变化： 一是位相变化，其改变量与n l - n r 有关( n l 和n r 分别是左旋圆偏振光和右旋圆 偏振光在介质中的折射率) ；其次是振幅改变。但是这两束圆偏振的频率即波长 不变。设两个长度不等的矢量蜀，历，它们有共同的原点，如这两个矢量以相 等的角速度和相反的旋转方向进行旋转，矢量的端点各扫出两个圆的轨迹，它 们的合成端点轨迹是椭圆。椭圆的长轴是le 1j + | 易i ，短轴是i 蜀l - l 历j 。因此如前 所述，从光学各向异性物质透射的两束圆偏振迭加的结果不再是平面偏振光， 而是椭圆偏振。此椭圆的长轴与入射的平面偏振光的夹角即是该时刻的旋光角。 由此可见，物质的圆二色性既可以直接用萨l - r 来表示，也可以用入射的一 束平面偏振光分解成的两束圆偏振光透射迭加成的椭圆的特征来表示，用椭圆 度0 或摩尔椭圆度 e 】度量。 从l a m v e r t b e 钌定律和泰勒展开级数可以推得【e 】= 3 3 0 0 ( e l e r ) ，此式说明， 表示圆二色性的椭圆值或8 两者是等价的，只是相差一个系数3 3 0 0 。【o 】的单位 是度厘米2 分摩尔在论文中报告的数据的单位常根据实验体系而定，圆二色 1 4 南开大学硕士研究生毕业( 学位) 论文 的单位与吸收率的单位相同，对一般化合物来讲，浓度用摩尔浓度，但对生物 高分子来说，蛋白质用摩尔残基浓度，核酸用摩尔核苷浓度。 1 6 2 旋光谱的基本原理 非对称的有机化合物分子能使平面偏振光的偏振平面发生旋转，这就是所 谓的旋光性( o p t i c a lr o t 哟r yd i s p e r s i ，简称o r d ) 。其原因是由于组成平面 偏振光的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，在非对称的有机化合物的介质中传播 的速率不同，结果导致了平面偏振光的偏振平面的旋转。同时，又因为不同波 长的光的折射率不同，所以引起的偏振平面的旋转程度，即旋转角a 也不相同， 其关系可以表示为a 瓢( n l n r ) 肌，其中九是波长，n 是旋转角，单位是船肌m 。 因为旋转角a 随光的波长变化而变化，所以如果以旋光率m 或摩尔旋光率嗍 为纵坐标，以波长为横坐标进行作图，既可以得到一条曲线，即旋光谱的曲线。 1 6 3 旋光谱和圆二色光谱的关系和比较 c d 谱与o r d 谱的关系：c d 和o r d 现象正好是同一基本行为的不同表现。 就是说，使入射光偏振面旋转的一个样品，在它的吸收带中必然显出圆二色性； 而一个具有圆二色性的样品也必然使偏振光的偏振面旋转。二者的关系可以通 过k r o i l i g k r