超分子化学生命模拟部分

1、超分子化学第2章 生命中的超分子化学与生物模拟总结上节课的内容1、膜电位2、膜传输3、超分子器件生物化学中的碱金属阳离子主要内容生物化学中的碱金属阳离子四吡咯大环化合物的特征植物光合作用中的超分子血红蛋白吸收和运输氧辅酶B12神经传递素和荷尔蒙DNA生物化学中的自组装生物模拟四吡咯大环化合物的特征1912年，Kuster首次提出其分子结构为“四吡咯”大环结构1929年，Fishert和Zeile 合成了氯高铁卟啉(haemin)，其大环结构才被证实。卟啉分子母体卟吩是由4个吡咯环和4个次甲基相互桥联起来的大共轭结构，性质相对较稳定。卟啉类化合物广泛存在于自然界的生命体中，与生命科学息息相关，对

2、生命活动起着重要作用，因此被称之为“生命的染料”。生物四吡咯大环化合物，（a）咕啉，（b）血红素，（c）辅酶F450常见的有：叶绿素、钴胺素（包括部分咕啉环体系）；血红素；卟啉镍（辅酶F450）基本的平面（近似平面）环状结构非常稳定四吡咯化合物可以络合非常不稳定的金属离子；络合物只有金属配 位键同时断裂时才解络。大环配体通常具有很高的选择性，根据金属离子的离子半径，优先 络合那些与孔径大小匹配的离子。在这方面，四吡咯化合物因其共 轭的双键连成的框架具有刚性而对离子具有特别的选择性。大多数四吡咯化合物具有一个共轭的-体系。大环包括4个等同原子在一个平面上，在一个八面体金属中心剩下两 个位点可以络

3、合底物和一个规则的配体。四吡咯化合物可以变形产生一个非平面的结构来络合大体积的金属 离子如高自旋Fe（II）。这种高自旋状态的可逆稳定性在血红蛋白 的行为中至关重要。相反，一个平面结构的四吡咯体系导致一个高配位场裂分，因而形成低自旋络合物。螯合和大环效应；尺寸选择性四吡咯大环化合物的特征基本的平面（近似平面）环状结构非常稳定。四吡咯化合物可以络合非常不稳定的金属离子；络合物只有金属配 位键同时断裂时才解络。大环配体通常具有很高的选择性，根据金属离子的离子半径，优先 络合那些与孔径大小匹配的离子。在这方面，四吡咯化合物因其共 轭的双键连成的框架具有刚性而对离子具有特别的选择性。大多数四吡咯化合物

4、具有一个共轭的-体系。大环包括4个等同原子在一个平面上，在一个八面体金属中心剩下两 个位点可以络合底物和一个规则的配体。四吡咯化合物可以变形产生一个非平面的结构来络合大体积的金属 离子如高自旋Fe（II）。这种高自旋状态的可逆稳定性在血红蛋白 的行为中至关重要。相反，一个平面结构的四吡咯体系导致一个高配位场裂分，因而形成低自旋络合物。植物光合作用中的超分子四吡咯镁络合物四吡咯镁络合物的作用 1、太阳能是一种非常“稀薄”但却干净易得的能源，利用太阳能上行（耗能）催化CO2和水产生有机物质的过程称作光合作用。2、绿色植物与一些种类的细菌和海藻可以进行光合作用，尽管相对低效的辐射能量利用（1%），但

5、全球的转换量是巨大的。 四吡咯镁络合物的作用 3、地球表面的可见光范围是380750nm，但是波长更长的可达1000nm的光也有重要的贡献在光合作用中，有效转换这个能量范围的光需要大量不同的色素（光接受体或载色体），每种色素敏感于光谱某一特定部位。这些色素包括叶绿素a和细菌叶绿素a 4、除了叶绿素a和细菌叶绿素a ，还有很多相关的受体，这些受体都是四吡咯大环化合物（络合和没有络合金属阳离子客体的都有）。色素被固定在高度折叠的进行光合作用的膜上，它具有大的表面积，而且高度交叉的区域有利于光子的捕获。夏天和秋天的颜色怎么样产生的？2022/9/24绿树村边合，青山郭外斜。 夏天金井梧桐秋叶黄，珠帘

6、不卷夜来霜。秋天2 藻胆素，补充叶绿素的色素部分，使其具有一个宽的吸收范围，在每一个生长周期的末期，随着相对不稳定的叶绿素分解，非绿色的藻胆素变的可见，形成秋天的颜色。 叶绿素的结构1 叶绿素包含一个完全共轭的四吡咯-体系（18电子），且伴随一个低能量的*跃迁。互补色蓝色和黄色组合形成了新鲜叶子特有的绿色。 1 因为散射的太阳光具有相对缓慢的吸收速率，大多数色素（98%）被用于光捕获或者天线器件，把能量吸收和传递到实际反应中心。 Mg2+特别适合担当这个角色，主要原因有以下几点：高的自然丰度；弱的氧化还原性；强烈趋于六配位络合；合适的离子半径；小的旋轨耦合常数。光捕获色素的空间定位天线网络必须

7、有效且有空间取向地传递吸收地能量。2 叶绿素络合的Mg2+有助于色素的排列。色素被深埋在光合作用膜内的叶绿基长长的侧链锚定在适当的位置。但是，为了更好地固定色素，八面体Mg2+的两个自由轴向配位点络合在多肽侧链上，色素产生3个锚合点，因而具有很好的空间取向。用来产生空间电荷分离。一个电子到达激发态后，在没有机会通过辐射回到基态之前，被用来发生化学还原反应。在简单的反应中心，激发态的电子被转移到外界受体。在更高级的生物中，留下的“空”通过结合外界给体而氧化底物，最终由水产生O2 光激发态电子和产生的正电空穴的命运 光合作用的主要特征是能够从激发态反应中心空间上运走电荷，而不发生通常高效的生化无用

8、的复合 被捕获并传递到光合作用中心的能量的作用吸氧生物利用活性O2O2有必要被吸收和传递给细胞线粒体发生依靠“食物”（例如糖类）的呼吸作用负载氧和传输氧的蛋白质，血红蛋白血红蛋白吸收和运输氧 分子氧O2是那些呼吸空气的高等生物新陈代谢中至关重要的一部分。它被用来氧化代谢糖类，并伴随着能量的释放。从这种控制的“冷燃烧”中释放的能量被用于ATP的合成。 C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+能量 血红蛋白是一种四聚体蛋白质，包含4个肌红蛋白单元。每个肌红蛋白单元包括一个称作血红素或Fe-原卟啉的铁卟啉络合物，它通过八面体Fe（）中心轴和最近的蛋白质组氨基酸残基的一个氮原子的络合物连接在一个蛋

9、白质上。铁中心键合O2的可逆性是这一重要生物过程的关键。血红蛋白2022/9/24Fe-原卟啉IX分子结构 Fe上剩下的空轴位虽然在它的静止状态松散地与水分子结合，但是它依然很容易键合氧。金属中心与O2反应最大的问题是金属中心的不可逆氧化反应，生成顺式二氧化物或-氧桥双核络合物。但是在有强大的驱动力促成其形成较低氧化态时，反应会有些可逆性。血红素（Fe-原卟啉）络合物的结构与功能血红蛋白中的血红素中心不仅要确保O2可逆键合， 而且保证络合和释放过程在准确的浓度快速发生，这些浓度或分压必须分别与肺内和细胞内介质的浓度或压力相一致。在其他大气化合物如H2O，N2，CO2，甚至Fe（）极好的配体CO

10、存在下，一定要有选择性地络合O2，因此，血红蛋白是一个优秀的功能性和选择性超分子受体。 一些气体（如CO）或者很容易被吸收的盐（如CN-）的毒性很大，这是因为它们不可逆地键合到血红蛋白上的Fe，阻止了氧的传输，导致快速窒息。特别是CO，它与O2相比是更好的-电子受体，因此其络合作用更大。无蛋白质的血红素模型对于CO的亲和力比对O2的大得多，Kco/Ko2=25000。但是，在血红蛋白里，这个比率下降到200，人体可以吸入少量的CO。蛋白质可增强血红素对O2的选择性络合因为蛋白质的构象限制了CO进入铁的结合点，它更适合弯曲的O2进入，而不适合直线型的CO进入。在氧络血红素中，因为氧原子上孤对电子

11、的作用，O2分子仅有一个O原子与Fe相连，形成的Fe-O-O键角大约为120o（O-O距离1.89）。未键合的O2以氢键的形式结合到组氨酸末端，强化了血红素-氧的相互作用。蛋白质环境使得O2相对于CO的选择性得以改善辅酶B12概述C-Co键的形成与断裂氧化还原反应重排反应甲基转移反应 在生物体系中，一般金属蛋白和金属酶活性中心的金属离子与生物配体间的作用主要依靠金属离子与配位原子（X=N,O,S, P）间的相互作用，形成配位键(M-X)。而利用金属有机键，即M-C 键来结合金属离子的实例在生物体系中却很少见，其中已经知道的一个例子就是辅酶B12，钴离子周围除了CoN配位键之外，还有CoC键。

12、辅酶B12本身不是一个蛋白分子，然而它使许多酶催化反应所必需的辅酶。概述 维生素B12能有效地治疗恶性贫血，因此引起人们的注意。维生素B12是重要的含钴生物配位化合物。它存在于细菌及许多生物体内。动物组织中的维生素B12，一部分由食物中摄取，一部分由肠道中的细菌合成。人体本身不能合成维生素B12。金属钴的主要生理功能钴也是人体中一种必需微量元素，正常成人体内总含量仅1.11.5毫克。各组织器官中以肝脏含量最高。钴的重要生理功能在于它能刺激造血系统，加速造血并参与造血过程。它能促进肠道对铁的吸收，促进铁入骨髓中参与造血。钴盐可以增加血红蛋白的含量、促进血红细胞生成。迄今尚未发现人体单纯缺钴的表现

13、，所以钴的推荐量尚难以估计。钴缺乏：现发现钴缺乏与血压升高和心血管疾病的发生有一定关系。钴过量：当摄入量过量时可引起中毒，如使用钴盐(氯化钴)时，常表现为皮肤潮红、胸骨后疼痛、恶心、呕吐、耳鸣及神经性耳聋，还可出现红细胞增多症，重者导致缺氧紫绀、昏迷甚至死亡。金属钴的主要生理功能 维生素B12及其衍生物的结构组成：咕啉环（corrin）4个吡咯环，6个双键，8个甲基，7个酰胺取代基 其中3个乙酰胺，3个丙酰胺，1个N-取代丙酰胺） 核糖核苷酸部分，即二甲基苯并咪唑核苷酸 钴离子：Co3+ , LS, d6 ; 钴胺素(cobalamin)，凡是第五配体为二甲基苯并咪唑核苷酸维生素B12 ： 第

14、六配体是CN-,又称为氰钴素(cyanocobalamin)水合钴胺素：第六配体是水；甲基钴胺素：第六配体是甲基；生物体内起辅酶作用的钴胺素已分离出3种：腺苷钴胺素（辅酶B12）;苯并咪唑钴胺素；二甲基苯并咪唑钴胺素;MeB12 与AdoB12 都具有CoC键，是自然界罕见的有机金属化合物。特点:Porphyin（ 卟啉 ）: 平面性, 刚性强, 构象稳定Corrin（ 咕啉 ）: 所有原子不在一个平面上，刚性小，构象易变。卟 吩咕 啉钴胺素衍生物coenzyme B12cyanocobalaminCyanocobalamin的晶体结构 几乎不含于植物性食物的维生素B12，是素食者最容易缺乏的

15、维生素，也是红血球生成不可缺少的重要元素，如果严重缺乏，将导致恶性贫血！维生素B12是相当特别的维生素，蔬菜中几乎完全找不到，只有紫菜及海藻类植物。此外，维生素B12也是唯一含矿物质的维生素，因含钴而呈红色，又称红色维生素，是少数有色的维生素。【主要食物来源】 动物肝脏、肾脏、牛肉、猪肉、鸡肉、鱼类、蛤类、蛋、牛奶、乳酪、乳制品 维生素 B12Lobster, Chicken, Steak 【维生素 B12的主要生理功能】作为甲基转移酶的辅因子，参与蛋氨酸、胸腺嘧啶等的合成，如使甲基四氢叶酸转变为四氢叶酸而将甲基转移给甲基受体（如同型半胱氨酸），使甲基受体成为甲基衍生物（如甲硫氨酸即甲基同型半

16、胱氨酸。因此维生素B12可促进蛋白质的生物合成，缺乏时影响婴幼儿的生长发育。保护叶酸在细胞内的转移和贮存。维生素B12缺乏时，人类红细胞叶酸含量低，肝脏贮存的叶酸降低，这可能与维生素B12缺乏，造成甲基从同型半胱氨酸向甲硫氨酸转移困难有关，甲基在细胞内聚集,损害了四氢叶酸在细胞内的贮存,因为四氢叶酸同甲基结合成甲基四氢叶酸的倾向强，后者合成多聚谷氨酸。辅酶B12的主要功能：参与碳的代谢，促进核酸和蛋白质合成，叶酸贮存，硫醇活化，骨磷脂形成，红细胞发育与成熟。 Enzyme reactionReduction Ribonucleotide reductase (核苷酸还原酶）Rearrangem

17、ent Glutamate mutase （谷氨酸变位酶） Diol dehydratase （二醇脱水酶）Methyl transfer Methionine synthetase （蛋氨酸合成酶）C-Co键的形成与断裂辅酶B12参与的酶催化反应体系中，都与其中的C-Co键的形成和断裂有关；与常见金属酶和金属蛋白的金属-氮、金属-氧等配位键不同，金属-碳键为键，是金属与碳之间形成的共价键；一般来说，金属-碳键都不稳定，容易分解，但辅酶B12及其类似物不仅能够稳定存在，而且在催化反应过程中又容易发生断裂；因此对辅酶B12及其相关反应的研究对无机化学、金属有机化学来说都是一个挑战；C-Co键的形

18、成C-Co键的形成涉及钴离子的价态C-Co键的形成可以通过以下三种反应来完成以Co(II)与碳自由基反应来说明C-Co键的形成； Co(II)为d7组态，与碳自由基反应时，d轨道的一个电子跃迁到S轨道或p轨道，形成d6s1或d6p1电子排布，此单电子即可与碳自由基形成稳定的C-Co共价键。上述三种反应中，因为Co(I)与碳正离子的反应容易发生而被用来制备、合成含C-Co的化合物；常用方法首先将需要烷基化的Co(III)物种用硼氢化钠等还原剂还原到Co(I)，再与烷基化试剂反应得到所需要的C-Co的化合物。在此过程中，可以观测到溶液的颜色变化。 红色绿色红色在生物体系中，辅酶B12参与的酶催化反

19、应过程同样涉及到C-Co键的形成；首先Co(III)状态到Co(I)的状态是由NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）及FAD（ 黄素腺嘌呤二核苷酸 ）等电子供体提供电子，在钴胺素还原酶的作用下分两步完成；然后进行烷基化反应，并需要镁或锰等二价金属离子的存在下才能顺利完成；因此，酶催化反应中C-Co键的形成是多种酶、辅因子等共同作用的结果。C-Co键的断裂从能量关系上可以看出，C-Co键的断裂发生均裂反应在能量上是有利的。辅酶B12及其类似物、含C-Co键类的配合物对光不稳定，在光照下易发生C-Co键的均裂反应。加热的条件下，也可以发生C-Co键的均裂反应。在强的亲核试剂或亲电试剂存在下也可以发生C-

20、Co键的异裂反应。 Ribonucleotide reductase (核苷酸还原酶）在该酶的作用下，核糖体核苷被还原为2-脱氧核糖核苷，这是生物合成DNA的速度决定步骤。二磷酸核苷和三磷酸核苷都是该酶的底物，还原的同时酶蛋白链的 两个半胱氨酸的巯基被氧化成双硫化合物，随后又被其它还原剂等还原成巯基。根据参与催化反应金属离子辅因子种类的不同，核苷酸还原酶可以分为四类，本节介绍的是以B12为辅基的类型II。 辅酶B12参与的氧化-还原反应Nature Structural Biology 9, 293 - 300 (2002) 辅酶B12参与的重排反应辅酶B12在生物体中参与最多的酶催化反应还是

21、重排反应；取代基X与相邻碳原子之间进行交换； Glutamate mutase （谷氨酸变位酶）Diol dehydratase（二醇脱水酶）Glutamate Mutase(谷氨酸变位酶) Propane Diol Dehydratase (丙二醇脱水酶)辅酶B12参与的甲基转移反应生物体系中，一种重要的酶催化反应需要在辅酶B12类似物-甲基钴胺素的存在下才能完成，这就是甲基转移反应，催化这种反应的酶称之为甲基转移酶（methyltransferase)。代表性酶：Methionine synthetase （蛋氨酸合成酶）蛋氨酸合成酶神经传递素和荷尔蒙科学家发现，人的喜怒哀乐等各种情绪与饮食有着密切关联。好的食物不仅能够强壮我们的身体，还能滋养我们的心情，这背后的关键，在于食物能够刺激大脑分泌化学物质，这些化学物质被统称为“神经传递素”，正是它们对我们的心情产生微妙的影响。人类进食后，大脑开始分泌神经传递素。与饮食关系最密切、同时也最影响情绪的神经传递素有三种：复合胺、降肾上腺素和多巴胺。多巴胺和降肾上腺素是使人清醒的化学物质，能使人思考和行动更敏捷，感觉精力充沛，注意力集中；复合胺是一种使人镇静和放松的化学物质。各种荷尔蒙：各有千秋美国辛辛那提大学的肥胖病专家兰迪西