血红蛋白和肌红蛋白
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第四章 血红蛋白和肌红蛋白
第一节 卟啉
作为生物体主要色素来源的铁卟啉( heme) 是含有四个 吡咯环和四个次甲基(-CH= )交替相连组成的大环 ,是血红
蛋白及细胞色素等的辅基。由于四个吡咯环的共轭效应,使
其性质相对较稳定。
2 1
α NH N N HN γ
3 4
δ
β
5
N H
Bioinorganic Chemistry
Bioinorganic Chemistry
Mb and Hb are closely related proteins
Both are -helical proteins. Mb monomer, Hb tetramer ( and subunits).
Mb and both subunits of Hb have
O2
CHCH2 CH3 O CHCH2
Oxyhemoglobin low-spin Fe2+ Octahedral
The metal is in the plane.
H3 C N O
N
x2-y2 z2
Fe N N CH3 (CH2 )2 COOH CH2 CH2 COOH N
xz, yz xy
Bioinorganic Chemistry
chain, and O2 or CO2
His E7 H-bonds to O2 to
stabilize.
(CO binds more tightly than
F-8
O2).
Bioinorganic Chemistry
Bioinorganic Chemistry
Hemoglobin
4 subunits 1, 1, 2, 2.
Fe
N H3C CH3 N
H2C CH2 COOH
CH2 CH2 COOH
Bioinorganic Chemistry
第二节 血红蛋白和肌红蛋白 携氧的血是鲜红色的，当你被划伤时，你看 到的是鲜红的携氧血。不携氧的血是深紫色的：当 你献血或者在医院抽血样时，血被抽到一个试管里， 里面没有氧气，所以你看到的血是深紫色的。但是 深紫色的无氧血流经我们的静脉时却呈兰色，特别
Bioinorganic Chemistry
Myoglobin
Binds heme pocket. Polar groups
exposed to
solvent, Nonpolar groups
buried.
Bioinorganic Chemistry
Mb uses heme to bind O2
分压高时容易进行，于氧分压低时易于解离。
Bioinorganic Chemistry
血红蛋白和肌红蛋白能很快地与氧可逆结合。
肌红蛋白存在于肌肉中，它结合从红细胞释
放出的氧，贮存并运送氧到线粒体，使葡萄糖氧
化成二氧化碳和水，并产生能量。
Bioinorganic Chemistry
红细胞结合和携带O2的过程并不影响二价铁 离子，也即是说不能氧化为三价铁离子；Fe3+无 带O2能力，只见于异常的高铁血红蛋白。CO与 Hb的亲和力大于O2 （200 times），结合成 HbCO后不能重新分离致使Hb丧失运输O2和C O2
Fe-protoporphyrin IX Heme is planar. Iron atom at center.
Coordinated to 4 N’s
Bioinorganic Chemistry
Mb uses heme to bind O2
E-7
Fe bound to His (F8) side
Forms two
dimers.
Bioinorganic Chemistry
Hb and Mb have very similar structures
Overlay of Mb with Hb and sununits.
Bioinorganic Chemistry
Blue Blood and Red Blood
θ/(1-θ)=K[O2]=K'pO2
Bioinorganic Chemistry
Hb 曲线与Mb是不一样的。它们之间存在协同效应 （cooperativity）
θ/(1-θ)=K[O2]=K'pO2n
式中 当 n＝1 没有协同效应； N<4, 说明协同效应中等。
Bioinorganic Chemistry
CH2
Fe
N H3C CH3 N
H2C CH2 COOH
CH2 CH2 COOH
图4－3 铁原卟啉IX（原血红素）
铁原卟啉是血红蛋白、肌红蛋白和细胞色素c中的辅基组成部分。
Bioinorganic Chemistry
细胞色素c
Protein S CH CH3 CH3
H3C N N
HC CH3
Protein
HN
Bioinorganic Chemistry
二、血红蛋白、肌红蛋白的功能
红细胞内含大量血红蛋白(Hb)，红细胞的机能主要由 血红蛋白完成。血红蛋白的主要功能在于携带氧气(O2)和
二氧化碳(CO2)。
血红蛋白分子是由珠蛋白（globin，globulin)、原卟 啉和二价铁离子(Fe2+)所组成的结合蛋白质。有4条肽链各 结合一个辅基即血红素，即O2结合于Fe2+上，血红蛋白与 氧疏松结合形成氧合血红蛋白(HbO2)，这种氧合作用于氧
是皮肤白皙的人。另外一些生物，如蛇类和蟹类，
用铜来运输氧气，所以他们有真正的蓝血。
Bioinorganic Chemistry
一、结构
1、肌红蛋白（Myoglobin，Mb） 是由一条多肽链（珠蛋白， globin）和一个血红素（铁原卟啉）组成。分子量17， 800。
肌红蛋白是用来在肌肉和其他组织来储存氧气的。 人体内70％的铁形成血红蛋白和肌红蛋白。
光,而其还原型卟啉则不具有荧光。生物体内
在亚铁螯合酶的作用下和亚铁离子形成配合
物—原血红素(铁原卟啉，protoheme）。卟
啉化合物根据其侧链基团的不同共有14 种形
式。
Bioinorganic Chemistry
Bioinorganic Chemistry
CH2 CH CH3
H3C N N
HC
Bioinorganic Chemistry
百度文库
1
卟啉化合物的化学结构和分类 卟啉是通过亚甲基把四个吡咯环相连而成的
环状化合物,四个吡咯环处于同一平面,形成具有26
个π电子的共轭大π键,具有较强的芳香性。在400 nm 附近有较强的吸收带。
Bioinorganic Chemistry
卟啉化合物在紫外光照射下具有红色荧
的机能，此称一氧化碳中毒。
Bioinorganic Chemistry
第三节 氧合作用的热力学与动力学
氧 的 饱 和 度
Bioinorganic Chemistry
k1,K Mb+O2 MbO2 k-1
K=[MbO2]/[Mb][O2] θ＝ [MbO2]/([Mb]+[MbO2]) =K[O2]/(1+K[O2]) =K'pO2/(1+k'pO2)
Hb and Mb have distinct sequences
Bioinorganic Chemistry
Hb的结构
Bioinorganic Chemistry
Myoglobin and Hemoglobin
Function: to transport O2 from lungs to tissue via blood. Need O2 in tissue to drive oxidation of metabolic（新陈代谢） fuels – recovery of energy from food. Mb has higher affinity for O2 than Hb, so increases transport – gives O2 higher solubility in tissues so diffuses faster.
影响氧合曲线有三个重要因素：
pH, 温度和2，3－二磷酸甘油酯。
血液的pH值下降，Hb对氧的结合下降－Bohr效应。
Bioinorganic Chemistry
低pH, 结合力差，容易放出氧，
Lung HbH +O2
+
HbO2+H tissue
+
CO2+H2O
H++HCO3-
Bioinorganic Chemistry
similar sequences and structures.
Bioinorganic Chemistry
Myoglobin
153 aa, (first protein structure XRC, Kendrew 1959) 8 helices (A-H), 44x44x25 Å Role: O2 transport into muscle –O2 faster than other tissues. O2 has low solubility in blood (10-4 M).
CHCH2 H3 C CH3 CHCH2
Deoxyhemoglobin high-spin Fe2+ Square Pyramidal
The metal is below the plane.
N Fe
N
x2-y2
N N CH3 (CH2 )2 COOH CH2 CH2 COOH N HN
z2 xz, yz xy
当血液进入组织时，二氧化碳分压增大，pH 下降，有利于血液释放氧；使细胞获得更多的氧。 血液中HbO2放出氧后，促使Hb与H＋及CO2结合。 当血液进入肺部时，肺泡中氧的分压高，有 利于HbO2的生成。 HbO2的生成又促使Hb释放出 H＋及CO2。
Bioinorganic Chemistry
8 7
6
卟啉普遍存在于微生物及动植物间,在人体中发现 的卟啉化合物是作为血红素生物合成的中间体而存
在。正常健康人体内主要存在尿卟啉
( uroporphyrin) 、粪卟啉( coproporphyrin) 和原卟 啉(protoporphyrin) ,而其它卟啉化合物常常可从遗 传性的卟啉病患者或肝和血液病患者的尿、血液和 粪便中检出。
Bioinorganic Chemistry
2. 血红蛋白（hemoglobin，Hb）血红蛋白是 使血液呈红色的蛋白，它由四条链组成（蛋白质 亚基），两条α链（相同）和两条β链，每一条链
有一个包含一个血红素。每一条蛋白链和肌红蛋
白的结构相似。
氧气结合在铁原子上，Hb起氧的载体。
Bioinorganic Chemistry
第一节 卟啉
作为生物体主要色素来源的铁卟啉( heme) 是含有四个 吡咯环和四个次甲基(-CH= )交替相连组成的大环 ,是血红
蛋白及细胞色素等的辅基。由于四个吡咯环的共轭效应,使
其性质相对较稳定。
2 1
α NH N N HN γ
3 4
δ
β
5
N H
Bioinorganic Chemistry
Bioinorganic Chemistry
Mb and Hb are closely related proteins
Both are -helical proteins. Mb monomer, Hb tetramer ( and subunits).
Mb and both subunits of Hb have
O2
CHCH2 CH3 O CHCH2
Oxyhemoglobin low-spin Fe2+ Octahedral
The metal is in the plane.
H3 C N O
N
x2-y2 z2
Fe N N CH3 (CH2 )2 COOH CH2 CH2 COOH N
xz, yz xy
Bioinorganic Chemistry
chain, and O2 or CO2
His E7 H-bonds to O2 to
stabilize.
(CO binds more tightly than
F-8
O2).
Bioinorganic Chemistry
Bioinorganic Chemistry
Hemoglobin
4 subunits 1, 1, 2, 2.
Fe
N H3C CH3 N
H2C CH2 COOH
CH2 CH2 COOH
Bioinorganic Chemistry
第二节 血红蛋白和肌红蛋白 携氧的血是鲜红色的，当你被划伤时，你看 到的是鲜红的携氧血。不携氧的血是深紫色的：当 你献血或者在医院抽血样时，血被抽到一个试管里， 里面没有氧气，所以你看到的血是深紫色的。但是 深紫色的无氧血流经我们的静脉时却呈兰色，特别
Bioinorganic Chemistry
Myoglobin
Binds heme pocket. Polar groups
exposed to
solvent, Nonpolar groups
buried.
Bioinorganic Chemistry
Mb uses heme to bind O2
分压高时容易进行，于氧分压低时易于解离。
Bioinorganic Chemistry
血红蛋白和肌红蛋白能很快地与氧可逆结合。
肌红蛋白存在于肌肉中，它结合从红细胞释
放出的氧，贮存并运送氧到线粒体，使葡萄糖氧
化成二氧化碳和水，并产生能量。
Bioinorganic Chemistry
红细胞结合和携带O2的过程并不影响二价铁 离子，也即是说不能氧化为三价铁离子；Fe3+无 带O2能力，只见于异常的高铁血红蛋白。CO与 Hb的亲和力大于O2 （200 times），结合成 HbCO后不能重新分离致使Hb丧失运输O2和C O2
Fe-protoporphyrin IX Heme is planar. Iron atom at center.
Coordinated to 4 N’s
Bioinorganic Chemistry
Mb uses heme to bind O2
E-7
Fe bound to His (F8) side
Forms two
dimers.
Bioinorganic Chemistry
Hb and Mb have very similar structures
Overlay of Mb with Hb and sununits.
Bioinorganic Chemistry
Blue Blood and Red Blood
θ/(1-θ)=K[O2]=K'pO2
Bioinorganic Chemistry
Hb 曲线与Mb是不一样的。它们之间存在协同效应 （cooperativity）
θ/(1-θ)=K[O2]=K'pO2n
式中 当 n＝1 没有协同效应； N<4, 说明协同效应中等。
Bioinorganic Chemistry
CH2
Fe
N H3C CH3 N
H2C CH2 COOH
CH2 CH2 COOH
图4－3 铁原卟啉IX（原血红素）
铁原卟啉是血红蛋白、肌红蛋白和细胞色素c中的辅基组成部分。
Bioinorganic Chemistry
细胞色素c
Protein S CH CH3 CH3
H3C N N
HC CH3
Protein
HN
Bioinorganic Chemistry
二、血红蛋白、肌红蛋白的功能
红细胞内含大量血红蛋白(Hb)，红细胞的机能主要由 血红蛋白完成。血红蛋白的主要功能在于携带氧气(O2)和
二氧化碳(CO2)。
血红蛋白分子是由珠蛋白（globin，globulin)、原卟 啉和二价铁离子(Fe2+)所组成的结合蛋白质。有4条肽链各 结合一个辅基即血红素，即O2结合于Fe2+上，血红蛋白与 氧疏松结合形成氧合血红蛋白(HbO2)，这种氧合作用于氧
是皮肤白皙的人。另外一些生物，如蛇类和蟹类，
用铜来运输氧气，所以他们有真正的蓝血。
Bioinorganic Chemistry
一、结构
1、肌红蛋白（Myoglobin，Mb） 是由一条多肽链（珠蛋白， globin）和一个血红素（铁原卟啉）组成。分子量17， 800。
肌红蛋白是用来在肌肉和其他组织来储存氧气的。 人体内70％的铁形成血红蛋白和肌红蛋白。
光,而其还原型卟啉则不具有荧光。生物体内
在亚铁螯合酶的作用下和亚铁离子形成配合
物—原血红素(铁原卟啉，protoheme）。卟
啉化合物根据其侧链基团的不同共有14 种形
式。
Bioinorganic Chemistry
Bioinorganic Chemistry
CH2 CH CH3
H3C N N
HC
Bioinorganic Chemistry
百度文库
1
卟啉化合物的化学结构和分类 卟啉是通过亚甲基把四个吡咯环相连而成的
环状化合物,四个吡咯环处于同一平面,形成具有26
个π电子的共轭大π键,具有较强的芳香性。在400 nm 附近有较强的吸收带。
Bioinorganic Chemistry
卟啉化合物在紫外光照射下具有红色荧
的机能，此称一氧化碳中毒。
Bioinorganic Chemistry
第三节 氧合作用的热力学与动力学
氧 的 饱 和 度
Bioinorganic Chemistry
k1,K Mb+O2 MbO2 k-1
K=[MbO2]/[Mb][O2] θ＝ [MbO2]/([Mb]+[MbO2]) =K[O2]/(1+K[O2]) =K'pO2/(1+k'pO2)
Hb and Mb have distinct sequences
Bioinorganic Chemistry
Hb的结构
Bioinorganic Chemistry
Myoglobin and Hemoglobin
Function: to transport O2 from lungs to tissue via blood. Need O2 in tissue to drive oxidation of metabolic（新陈代谢） fuels – recovery of energy from food. Mb has higher affinity for O2 than Hb, so increases transport – gives O2 higher solubility in tissues so diffuses faster.
影响氧合曲线有三个重要因素：
pH, 温度和2，3－二磷酸甘油酯。
血液的pH值下降，Hb对氧的结合下降－Bohr效应。
Bioinorganic Chemistry
低pH, 结合力差，容易放出氧，
Lung HbH +O2
+
HbO2+H tissue
+
CO2+H2O
H++HCO3-
Bioinorganic Chemistry
similar sequences and structures.
Bioinorganic Chemistry
Myoglobin
153 aa, (first protein structure XRC, Kendrew 1959) 8 helices (A-H), 44x44x25 Å Role: O2 transport into muscle –O2 faster than other tissues. O2 has low solubility in blood (10-4 M).
CHCH2 H3 C CH3 CHCH2
Deoxyhemoglobin high-spin Fe2+ Square Pyramidal
The metal is below the plane.
N Fe
N
x2-y2
N N CH3 (CH2 )2 COOH CH2 CH2 COOH N HN
z2 xz, yz xy
当血液进入组织时，二氧化碳分压增大，pH 下降，有利于血液释放氧；使细胞获得更多的氧。 血液中HbO2放出氧后，促使Hb与H＋及CO2结合。 当血液进入肺部时，肺泡中氧的分压高，有 利于HbO2的生成。 HbO2的生成又促使Hb释放出 H＋及CO2。
Bioinorganic Chemistry
8 7
6
卟啉普遍存在于微生物及动植物间,在人体中发现 的卟啉化合物是作为血红素生物合成的中间体而存
在。正常健康人体内主要存在尿卟啉
( uroporphyrin) 、粪卟啉( coproporphyrin) 和原卟 啉(protoporphyrin) ,而其它卟啉化合物常常可从遗 传性的卟啉病患者或肝和血液病患者的尿、血液和 粪便中检出。
Bioinorganic Chemistry
2. 血红蛋白（hemoglobin，Hb）血红蛋白是 使血液呈红色的蛋白，它由四条链组成（蛋白质 亚基），两条α链（相同）和两条β链，每一条链
有一个包含一个血红素。每一条蛋白链和肌红蛋
白的结构相似。
氧气结合在铁原子上，Hb起氧的载体。
Bioinorganic Chemistry