章含铁氧载体第节.ppt

什么是贫血?,不少人以为贫血是一种疾病，其实贫血并不是疾病，它只是伴随各种疾病的一种症状。,所谓贫血是指循环血液单位容积内的血红蛋白、红细胞计数或红细胞比容低于正常值的下限。,这个正常值因不同的性别、年龄、生活地区海拔高度的不同以及生理性血浆容量的变化而有所差异。,一般地，婴儿和青春期前儿童的血红蛋白比成人低；女性在青春期后与男性的差异明显；妊娠期的妇女由于血容量的增加，血红蛋白相对减少；久居海拔高的居民的血红蛋白比海平面居民的正常值高。,根据血红蛋白含量的不同，贫血的严重程度可分为以下四级：,轻度，症状轻微。中度，体力劳动后心慌气短。重度，休息时已感心慌气短。极度，常合并贫血性心脏病。,缺铁性贫血(IDA)是全世界发病率最高的营养缺乏性疾病之一。世界50亿人口中约有13的人贫血，而缺铁性贫血或铁营养不良的人群约占5亿。在发展中国家铁缺乏发生率是发达国家的4倍。在我国大约有20的人口存在缺铁性贫血或铁营养不良，其中妇女和儿童发生率较高。,人体的铁营养缺乏，除导致缺铁性贫血外，还会影响其它组织的正常生理活动：,1、成人缺铁时精神不振，易疲劳，劳动耐力和体力下降，记忆力减退，易得病。,2、儿童缺铁时，大脑易聚集铅等重金属引起中毒，理解和学习能力下降，学习成绩不佳，不喜运动，行动缓慢，不愿与人交往，体格瘦小，易得病。,3、婴幼儿缺铁时反应迟钝，认知能力差，能动性差，易恐惧，身体发育不良等。,另外缺铁还会引起其它的一系列功能障碍，如血糖升高，甲状腺素水平升高，免疫功能受阻等。,4、孕妇缺铁时引起胎儿发育迟滞，智力发育障碍，并且易早产；孕妇自身身体虚弱，易疲劳，食欲不佳，面色苍白，易头晕。,女性贫血症状：,与男性相比，女性更容易患贫血症。,1、面色苍白或者萎黄、唇无血色；2、头发枯黄无光泽；3、头痛、头晕、耳鸣；4、食欲差、失眠；5、容颜憔悴、黄褐斑滋生；6、烦躁易怒；7、易疲倦。,（1）铁摄入不足。（2）铁需要量增加。（3）吸收障碍。（4）体内铁分布失调。,缺铁性贫血产生的主要原因是：,从营养专家那里了解到，女性营养性贫血的比例也在增高，经济条件好的女性反而贫血率高，主要与饮食结构不合理有关系。一些女士为了减肥，不吃肉，也会导致贫血。为了避免此类贫血，每天的肉类摄入量要达到200克。,目前公认的补血食物是动物血制品和动物肝脏。黑木耳、海带、紫菜、芝麻酱、蛋黄、豆类等，特别是动物性食物中的铁，不但铁含量高且不易受其他膳食因素的影响，吸收率高，是膳食铁的很好来源。科学的补血产品有阿胶、当归、熟地、龙眼肉、首乌、白芍等。,为了改善缺铁性贫血，并进行合理，安全有效的补铁，新一代补铁剂的研究十分重要。通常铁以亚铁的形式吸收，而以三价铁的形式起作用，临床主要用于治疗缺铁性贫血。,国际上允许使用的补铁药约有30余种，主要分为无机铁和有机铁两种，按在人体的存在形式可分为血红素铁和非血红素铁两大类。一般来说，有机铁比无机铁对肠胃刺激性小、易吸收，血红素铁较非血红素易于吸收。,富马酸亚铁；富马铁；富血铁本品用于各种原因引起的缺铁性贫血，其特点为含铁量较高(33)，奏效较快，恶心、呕吐、便秘等副作用较少。,常见的补铁剂：,主要成分：葡萄糖酸亚铁【功能主治】用于各种原因引起的慢性失血，营养不良、妊娠、儿童发育期等引起的缺铁性贫血。,本品是以葡萄糖酸亚铁、葡萄糖酸锌、柠檬酸、白砂糖、纯化水为主要原料制成的保健食品，具有补铁、补锌的保健功能。,蛋白琥珀酸铁【适应症】绝对和相对缺铁性贫血。由于铁摄入量不足或吸收障碍、急性或慢性失血以及感染所引起的隐性或显性缺铁性贫血，妊娠与哺乳期贫血。,【适应症】用于各种原因引起的缺铁性贫血，如慢性失血、营养不良、妊娠、儿童发育期等。,枸橼酸铁铵维B1糖浆，含枸橼酸铁铵为补铁剂。,目前，对补铁药的研究还只停留在食品添加剂和营养保健品上。当然，这对改善我国国民的铁缺乏状况是一种有效途径。但是，我国的补铁药品种较少。如果把几种新型的铁营养补充剂如氨基酸螫合铁，EDTA铁钠等开发成口服制剂或药品等，这无疑是对医药界的贡献。,第四章天然含铁氧载体及其模拟物,动物摄取食物后在体内通过一系列的氧化、代谢反应，把储存在食物中的能量转化为生物体所需的能量。实现这种生物氧化、代谢过程，除了需要一系列的氧化还原酶、电子传递体系外，还需要提供氧分子（氧气）。,氧载体是生物体内的一类配合物，可以和分子氧可逆地结合，用来储存或运送氧到组织内发生氧化反应的地方。所谓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。,由于空气中的氧分子在水里的溶解度很低，常温常压下只有20ml/L，远不能满足生物体系的正常需要。有了氧载体，血液中氧的浓度比水中的氧浓度高出10倍以上，达到250ml/L。生物体从外界将氧吸入体内，各种生物选择了不同的氧载体来运送和储存氧气。,目前已知的五种天然氧载体都是活性中心含有金属离子的蛋白质：,1、含血红素辅基的蛋白，如血红蛋白和肌红蛋白；,2、不含血红素的铁蛋白，如蚯蚓血红蛋白；,3、含铜的蛋白，如血蓝蛋白；,4、含钒的蛋白，如血钒蛋白。,第一节血红蛋白(Hb)和肌红蛋白(Mb)第二节蚯蚓血红蛋白(Hr)第三节重要模型化合物合成氧载体第四节人造血液,第一节血红蛋白(Hb)和肌红蛋白(Mb),血红蛋白和肌红蛋白是最早研究的金属蛋白，也是最早通过X射线单晶衍射分析得到立体结构的蛋白。,血红蛋白和肌红蛋白都是由球蛋白和亚铁血红素辅基组成的。,血红素辅基,亲水,疏水,血红蛋白(Hb)存在于脊椎动物的红细胞中，在氧分压较高的的肺等处和氧分子结合，而在氧分压较低的组织中将氧释放出来，从而起到运输氧的作用。,哺乳类动物所含血红蛋白的分子质量为65000Da(Da道尔顿，质量单位，等于一个氧原子质量的1/16)，由四个亚单位通过静电、氢键、疏水作用等结合而成，每一条肽链连接一个亚铁血红素辅基。,不同动物所含血红蛋白的肽链不同，成人和儿童及胎儿中的血红蛋白的四个亚单位也不相同。正常成人的血红蛋白含两个链、两个链，每个链和每个链分别由141个和146个氨基酸残基组成。,肌红蛋白(Mb)主要存在于肌肉组织中，具有储存氧的功能。肌红蛋白中只有一个亚基（一条肽链），其组成和构象与血红蛋白中的一条链的组成和构象相似，分子质量为17000Da。血红蛋白将分子氧传递给肌红蛋白储存，以供组织代谢之用。,一、血红蛋白(Hb)和肌红蛋白(Mb)的立体结构,血红蛋白和肌红蛋白都是以亚铁血红素为辅基的蛋白，它们和氧分子的可逆结合需要依靠血红素辅基。所谓血红素是指一类铁卟啉配合物。,1、血红素辅基,卟啉,根据卟啉环上取代基的不同，卟啉可以分为：原卟啉、血卟啉、中卟啉等。,四个吡咯环形成的共轭体系,血红蛋白和肌红蛋白的活性中心含有的是原卟啉铁配合物，称之为血红素b。,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。血红素是铁卟啉一类配合物的总称。血红素与相应的蛋白质结合成为血红素蛋白。,血红素辅基的功能与中心铁离子的价态密切相关，只有当中心铁原子处于还原态（正二价）时，血红素辅基才有结合氧的能力。我们把结合氧分子后的血红蛋白或肌红蛋白称为氧合血红蛋白或氧合肌红蛋白，没有结合氧的状态称为脱氧血红蛋白或脱氧肌红蛋白。,X射线衍射晶体结构研究结果显示，血红蛋白中包含四个亚单位，而肌红蛋白只有一个亚单位。但是，血红蛋白中每个亚基的三级结构和肌红蛋白的三级结构非常相似。,2、血红蛋白(Hb)和肌红蛋白(Mb)的结构,图4.2肌红蛋白的螺旋结构,血红素铁,肌红蛋白结构的一个显著特点就是其二级结构中螺旋的含量很高，共有八条螺旋链和七段非螺旋链组成。血红素辅基处于由四条螺旋链组成的空穴中，大部分亲水基向外，疏水侧链朝内，从而形成一个疏水腔，以保证血红素辅基与氧分子的可逆结合，而不发生氧化二聚反应。,血红素辅基中铁离子的配位环境如图4.3所示。除了原卟啉环中的四个氮原子与铁配位外，铁的轴向一端与F8位的组氨酸咪唑基配位，即通常所称的近侧组氨酸（近基）。铁的轴向另一端也有一个E7位的组氨酸靠近，但不与铁配位，称为远侧组氨酸（远基）。,氢键,近基,远基,因为E7位的组氨酸咪唑基向着血红素的中心，所以在可逆结合氧的过程中也起着一定的作用。当血红素辅基结合氧分子后，晶体结构表明E7位的组氨酸分子与FeO2之间存在NHO氢键作用。,在结合氧的前后，血红素铁及其周围会发生一系列结构上的变化。在结合氧分子前，即脱氧情况下，中心铁离子位于卟啉环中心的上面，距离卟啉环平面0.075nm处，二价铁离子为高自旋（顺磁性）。在结合氧分子后，即氧合情况下，中心铁离子落入卟啉环平面内，同时铁离子呈抗磁性。,尽管血红蛋白中每个亚基的结构和肌红蛋白的结构整体上非常相似，但是两者之间尤其是蛋白质边缘的残基有相当大的区别。这种差别主要是肌红蛋白只有一个亚基，蛋白分子与蛋白分子之间是独立的，没有相互作用，而血红蛋白的四个亚基之间在脱氧情况下有相当强的相互作用。,图4.5血红蛋白的四级结构(22-Hb),二、血红蛋白(Hb)和肌红蛋白(Mb)的载氧过程及机理,血红蛋白和肌红蛋白的载氧能力可以通过氧饱和度随氧分压的变化曲线来表征。从图4.7可以看出血红蛋白和肌红蛋白的氧合过程有明显的差别。,对于肌红蛋白(Mb)，随着氧分压的增大，其氧饱和度迅速增大，氧合曲线呈简单的双曲线形。而对于血红蛋白(Hb)，在氧分压较低的情况下，其氧合饱和度增加缓慢，只有当氧分压达到一定值时，其氧合饱和度才显著增大，氧合曲线呈S形。,在氧分压较高的肺部，血红蛋白对氧分子的亲和力强，发生氧合作用。在氧分压较低的组织中，血红蛋白对氧分子的亲和力减弱，将氧分子释放给肌红蛋白，供组织消耗代谢使用。,在氧分压较低时，血红蛋白对氧分子的亲和能力不大，而肌红蛋白即使在氧分压较低时也能和氧分子结合，这正是血红蛋白和肌红蛋白功能的生物体现。,图4.7中，血红蛋白和肌红蛋白的氧合饱和度Q与氧分压P之间的定量关系可以用Hill公式来表示：,Q=KPn/(1+KPn),其中n为Hill系数，是平衡状态下与蛋白质亚基间相互作用有关的常数。K为氧合平衡常数。,肌红蛋白中只有一个蛋白质亚基，蛋白分子间没有直接相互作用，所以Hill系数n=1，其氧合曲线呈双曲线形，反映了肌红蛋白与氧分子的简单平衡：,Mb+O2MbO2,每个血红蛋白分子中含有四个亚基，与氧分子存在四个平衡：,Hb4+O2Hb4O2,Hb4O2+O2Hb4(O2)2,Hb4(O2)2+O2Hb4(O2)3,Hb4(O2)3+O2Hb4(O2)4,理论上，血红蛋白的Hill系数n=4，但是由于血红蛋白亚基之间的相互作用，使实际的Hill系数n4，如成人血红蛋白的n2.9。如果把血红蛋白的四个亚基拆开，分别测试其氧合过程，结果每个亚基的氧合曲线和肌红蛋白的氧合曲线相同，也呈双曲线形。,为解释血红蛋白的氧合过程，提出了紧张态、松弛态和触发机制的概念。紧张态是指没有结合氧分子即脱氧状态下的血红蛋白，该紧张态血红蛋白对氧分子的亲和力低，不易与氧分子结合。但是当血红蛋白四个亚基中有一个亚基与氧分子结合后，蛋白分子即从紧张态转变为松弛态，变得容易与氧分子结合，这一机制称为触发机制。,血红蛋白从紧张态到松弛态的触发机制，可以从结构的变化来解释。,血红蛋白氧合前后中心铁离子的位置变化必然带动周围氨基酸残基发生变化，消弱了血红蛋白中四个亚基之间的相互作用，从而使整个血红蛋白变得易与氧分子结合，即从紧张态转变为松弛态。,血红蛋白和肌红蛋白的氧合过程的差别还表现在pH、离子强度等对其的影响上。肌红蛋白的氧合过程几乎不受体系的pH值、离子强度等因素的影响。血红蛋白对氧分子的亲和力则随红细胞中的H+、Cl-、CO2以及二磷酸甘油酯（DPG）等的浓度增大而减小。,三、血红蛋白(Hb)和肌红蛋白(Mb)中Fe-O2键的性质,氧合血红蛋白和肌红蛋白中氧分子与铁离子以何种方式结合？,氧分子与铁离子结合后的存在方式？,氧合血红蛋白和肌红蛋白中铁离子的价态如何？,氧分子与金属离子一般有两种配位方式：端式和侧式。,端式,1、氧分子与铁离子的结合方式,侧式,磁性研究表明，氧合血红蛋白和氧合肌红蛋白中铁离子呈抗磁性，而氧分子以端式和侧式形式与铁离子配位均可以解释氧合血红蛋白和氧合肌红蛋白的抗磁性。因此，磁性研究不能确定氧分子的配位方式。,端式,氧合肌红蛋白的晶体结构研究证明在氧合血红蛋白和氧合肌红蛋白分子中，氧分子以端式形式与中心铁离子配位。,氧合血红蛋白和氧合肌红蛋白的共振拉曼光谱中，通过18O2标记实验证实氧分子的O-O振动分别在1107cm-1和1103cm-1。,2、氧分子的存在方式,从上表可以看出，氧合血红蛋白和氧合肌红蛋白的O-O振动与模型化合物中超氧负离子O2-的O-O振动值非常接近。,穆斯堡尔谱的研究结果显示，氧合血红蛋白和氧合肌红蛋白中铁的同质异能位移