《生命体中的配合物》PPT课件

生命体中的配合物2011.11.16 内 容 导 览 3 配位化合物，特别是螯合物在生物体中具有重要作用，至少有就九种过渡元素是生命必需元素，即V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn和Mo。这些金属元素的生物学效应大都是通过与生物配体的配位作用而产生的。 卟 啉 类 化 合 物 和 咕 啉 类 化 合 物 是两 类 重 要 的 生 物 配 体 ， 前 者 含 有 卟 啉环 结 构 ， 后 者 含 咕 啉 环 结 构 。 什 么 是 卟 吩 ？ 卟 吩 是 一 类 由 四个 吡 咯 类 亚 基 的-碳 原 子 通 过 次甲 基 桥 （ =CH-） 互 联 而 形 成 的大 分 子 杂 环 化 合物 。 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 。 事 实 上 ， 许 多 卟 啉 都 是 以与 金 属 离 子 配 合 的 形 式 存 在 于 自 然 界 中 。 例 如 叶 绿 素 是 含 镁 的 卟 啉 化 合 物 ， 血红 素 是 含 铁 卟 啉 化 合 物 ,维 生 素 B12是 含 钴的 咕 啉 化 合 物 ， 它 们 在 生 物 体 内 都 有 作 重要 的 生 理 功 能 。 什 么 是 光 合 作 用 ？ 光 合 作 用 （ Photosynthesis） 是 绿 色 植 物 和藻 类 利 用 叶 绿 素 等 光 合 色 素 和 某 些 细 菌 （ 如带 紫 膜 的 嗜 盐 古 菌 ） 利 用 其 细 胞 本 身 ， 在 可见 光 的 照 射 下 ， 将 二 氧 化 碳 和 水 （ 细 菌 为 硫化 氢 和 水 ） 转 化 为 有 机 物 ， 并 释 放 出 氧 气 （细 菌 释 放 氢 气 ） 的 生 化 过 程 。 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 n H2O + nCO2 (CH2O)n + nO2 太 阳 光叶 绿 素 a1 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 ， 然 后利 用 此 光 能 生 产 氧 气 和有 机 物 . 叶 绿 素 a1 生 物 固 氮 作 用 生 物 固 氮 作 用 ： 大 气 中 的 氮 被 还 原 为 氨 的 过程 。 生 物 固 氮 只 发 生 在 少 数 的 细 菌 和 藻 类 中。 估 计 全 球 每 年 生 物 固 氮 作 用 所 固 定 的 氮（ N2） 约 达 17500万 吨 ， 其 中 耕 地 土 壤 约 有4400万 吨 ， 超 过 了 每 年 施 入 土 壤 4000万 吨肥 料 氮 素 （ 工 业 固 氮 ） 的 量 。 因 此 ， 生 物 固氮 作 用 有 很 大 潜 力 。 固 氮 酶 是 一 种 能 够 将 分 子 氮 还 原 成 氨 的 酶 。 固氮 酶 是 由 两 种 蛋 白 质 组 成 的 ： 一 种 含 有 铁 ， 叫 做 铁蛋 白 ， 另 一 种 含 铁 和 钼 Mo2+， 称 为 钼 铁 蛋 白 。 只 有钼 铁 蛋 白 和 铁 蛋 白 同 时 存 在 ， 固 氮 酶 才 具 有 固 氮 的作 用 。 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 。 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 。固 氮 酶 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 。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 。 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 N 2 生 成 NH3. 铁 蛋 白 是 催 化 还 原 N2时 的 电 子 给 与 体 。 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 . a). Mo-Fe-S 簇 含 有 一 个 开 放 的 部 位 ， N2的 还 原 就发 生 在 这 个 Mo-Fe-S 簇 上 . N2可 能 进 入 它 的 中 心孔 腔 中 并 按 图 b中 Y的 方 式 与 铁 原 子 结 合 ， N N 被削 弱 ， 进 而 发 生 还 原 与 加 氢 作 用 。 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 。 人 体 内 的 配 合 物 - 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 。血 红 蛋 白 Hb与 肌 红 蛋 白 Mb 血 红 蛋 白 亚 单 元 Fe(II) 卟 啉 配 合 物 （ 血 红 素 ） 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)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 ， 是 肌 肉 内 储 存 氧 的 蛋 白质 。 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 O 2气 由 血 红 蛋 白 向 肌 红 蛋 白 传 输 。 血 红 蛋 白 O2传 输 模 式 血 红 蛋 白 是 Fe(II)与 卟 啉 类 配 体 结 合 的配 合 物 ， 它 的 中 心 是 Fe(II)， 六 个 配 位 原 子占 据 八 面 体 的 顶 点 ， 其 中 卟 啉 环 中 的 四 个氮 原 子 沿 赤 道 方 向 配 位 ， 而 另 一 个 分 子 的血 红 蛋 白 质 肽 链 中 的 一 个 组 氨 酸 氮 原 子 和一 个 配 位 水 分 子 中 的 氧 原 子 则 从 轴 向 位 置配 位 ， 该 配 位 的 水 容 易 与 氧 发 生 可 逆 的 交换 反 应 。 血 红 蛋 白 在 肺 部 摄 取 氧 气 ， 而 将水 取 代 下 来 ， 当 血 液 流 动 时 ， 在 需 氧 的 地方 又 释 放 出 氧 气 又 将 水 交 换 上 去 ， 从 而 起到 输 送 氧 气 的 作 用 。 为 什 么 静 脉 血 和 动 脉 血 的 颜 色 不 同呢 ？ 氧 气 是 强 场 配 体 ， 使 Fe(II)得 6个 d电 子 呈 现反 磁 性 ， 吸 收 了 短 波 长 光 ， 这 就 是 为 什 么动 脉 血 是 红 颜 色 的 。 氧 气 被 弱 场 配 体 水 取代 后 ， 形 成 了 高 自 旋 配 合 物 ， 吸 收 的 是 较长 波 长 的 光 ， 所 以 静 脉 血 中 的 血 带 蓝 色 的光 泽 。 那 为 什 么 我 们 会 CO中 毒 ， 为 什 么HCN会 是 剧 毒 的 物 质 呢 ？ ？ 它 是 在 某 些 软 体 动 物 、 节 肢 动 物 (蜘 蛛 和 甲 壳 虫)的 血 淋 巴 中 发 现 地 一 种 游 离 的 蓝 色 呼 吸 色 素 。血 蓝 蛋 白 含 两 个 直 接 连 接 多 肽 链 的 铜 离 子 ,与 含铁 的 血 红 蛋 白 类 似 ,它 易 于 氧 结 合 ， 也 易 与 氧 解离 ， 是 已 知 的 惟 一 可 与 氧 可 逆 结 合 的 铜 蛋 白 ， 在 氧 和 状 态 下 为 蓝 色 ， 在 非 氧 和 状 态 下 则 为 无 色或 白 色 。 其 分 子 量 450 000 130 000。 扩 充 ： 血 蓝 蛋 白 血 蓝 蛋 白 是 第 二 种 类 型 的 氧 载 体 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 ） 。 辅 酶 B12 与 辅 酶 B12密 切 相 关 的 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(CH 3)4 等 。 维 生 素 B12 维 生 素 B12又 叫 钴 胺 素 ， 自 然 界 中 的 维 生素 B12都 是 微 生 物 合 成 的 ， 高 等 动 植 物 不 能 制造 维 生 素 B12。 维 生 素 B12是 需 要 一 种 肠 道 分 泌物 （ 内 源 因 子 ） 帮 助 才 能 被 吸 收 的 惟 一 的 一种 维 生 素 。 有 的 人 由 于 肠 胃 异 常 ， 缺 乏 这 种内 源 因 子 ， 即 使 膳 食 中 来 源 充 足 也 会 患 恶 性贫 血 。 植 物 性 食 物 中 基 本 上 没 有 维 生 素 B12。维 生 素 B 12的 主 要 生 理 功 能 是 参 与 制 造 骨 髓 红细 胞 ， 防 止 恶 性 贫 血 ； 防 止 大 脑 神 经 受 到 破坏 。 结 语 配 位 化 合 物 无 处 不 在 ， 从 植 物 的 叶 绿 素 ，固 氮 酶 到 人 体 内 的 血 红 蛋 白 。 在 医 学 上 ， 还 常 用 配 位 反 应 治 疗 人 体 中 某些 元 素 的 中 毒 ， 就 像 EDTA的 钙 盐 是 人 体 铅中 毒 的 高 效 解 毒 剂 。 另 外 ， 治 疗 糖 尿 病 的 胰 岛 素 ， 治 疗 血 吸 虫病 的 酒 石 酸 锑 钾 以 及 抗 癌 药 顺 铂 都 属 于 配合 物 ， 最 近 还 发 现 金 的 配 合 物 二 氰 合 金 有抗 病 毒 作 用 。