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第四章 氧载体. 第一节 天然氧载体. 第二节 氧载体的模型化合物. 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 ） 如：血红蛋白 (hemoglobin) 和肌红蛋白 (myoglobin). ⑵ 不含血红素的铁蛋白 如：蚯蚓血红蛋白 (hemerythrin). ⑶ 含铜的蛋白
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第四章 氧载体 第一节 天然氧载体 第二节 氧载体的模型化合物
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：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） 如：血红蛋白(hemoglobin) 和肌红蛋白(myoglobin) ⑵不含血红素的铁蛋白 如：蚯蚓血红蛋白(hemerythrin) ⑶含铜的蛋白 如：血蓝蛋白 (hemocyanin)
天然氧载体 血红 蛋白 肌红 蛋 白 蚯蚓血红蛋白 血蓝 蛋白 金属 Fe Fe Fe Cu 金属：O2 Fe: O2 Fe: O2 2 Fe: O2 2 Cu: O2 脱氧金属氧化态 Fe(Ⅱ) Fe(Ⅱ) Fe(Ⅱ) Cu(Ⅰ) 载氧金属氧化态 Fe(Ⅱ) Fe(Ⅱ) Fe(Ⅲ) Cu (Ⅱ) 金属键合部位 卟啉 卟啉 蛋白质侧链 蛋白质侧链 亚基数 4 1 8 可变
相对分子量 天然氧载体 65000 血红 蛋白 17500 108000 蚯蚓血红蛋白 （4-90）*105 载氧颜色 红 红 紫红 蓝 脱氧颜色 紫红 紫红 无色 无色 肌红 蛋白 血蓝 蛋白 主要功能 输送氧 贮存氧 输送氧 输送氧
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。 卟啉的骨架是卟吩。
H 408 pm H 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。 卟啉化合物的命名原则是1926年由H.Fisher提出的
1 2 Ⅰ α δ H 8 3 408 pm Ⅳ Ⅱ 4 7 H γ β Ⅲ 6 5 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。
α，β，γ，δ-四苯甲酸卟吩 卟啉是卟吩的衍生物，在命名卟啉时需标出 取代基的位置。
存在于血红蛋白 ，肌红蛋白和多种细胞色素中的原卟啉Ⅸ，它为1，3，5，8—四甲基2，4—二乙烯基6，7—二丙酸基卟吩
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）。
卟啉分子中共有11个共軛双键，是一种具有大共轭环状结构的化合物。这个高度共軛体系极易受吡咯及次甲基的取代基的电子效应影响，表现为各不相同的电子光谱。卟啉分子中共有11个共軛双键，是一种具有大共轭环状结构的化合物。这个高度共軛体系极易受吡咯及次甲基的取代基的电子效应影响，表现为各不相同的电子光谱。
H 408 pm H 卟啉环上的吡咯氮原子表现出酸碱两种性质。
卟啉的四个吡咯氮原子均能与金属离子配位形成金属卟啉。卟啉的四个吡咯氮原子均能与金属离子配位形成金属卟啉。
H 408 pm H 卟吩分子中，从吡咯氮到环中心的距离是204pm。但卟啉与不同金属离子配位以后，吡咯氮原子与中心金属原子的距离各不相同，如高铁卟啉为210pm，镍卟啉为195pm。
H 408 pm H 由于金属离子大小不同，卟啉环又具有一定程度刚性，因此中心离子不一定位于卟啉环平面上。
但也有很多中心离子位于卟啉环平面上方。比如高自旋Fe(Ⅱ)卟啉，中心离子位于卟啉环平面上方75pm。但也有很多中心离子位于卟啉环平面上方。比如高自旋Fe(Ⅱ)卟啉，中心离子位于卟啉环平面上方75pm。
在金属卟啉分子里，如果轴向配体不同，它的性质可能不同。在金属卟啉分子里，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，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，它起传递电子的作用。
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。
b 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。
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。
C端 N端 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。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。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)。
Hb + O2 HbO2 K= [HbO2]/ [Hb] [O2] 2． 血红蛋白的主要功能 主要功能为运送O2和CO2 与氧结合的血红蛋白称为氧合血红蛋白HbO2，未与氧结合血红蛋白称为脱氧血红蛋白Hb。
HbNH2 + CO2 HbNHCOOH (氨基甲酰血红蛋白) 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。 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。 高自旋Fe(Ⅱ)离子半径较大，处于卟啉环平面的上方，第六配位位置空着。 当结合氧时，氧占居第6配位位置，此时Fe(Ⅱ)为低自旋t62ge0g。低自旋Fe(Ⅱ)半径较小，处于卟啉环平面上。
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。
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 Fe(Ⅲ) （O－2） 或 双氧和铁都有一个成单电子，形成配合物具有顺磁性。
⑶ Griffith模型：O2采取侧基配位，即 反磁性 以上几种模型都没有能真正反映血红蛋白 与氧分子键合的本质，对这个问题的研究还有 待进一步深入。
