血红素co

知识介绍一氧化氮、一氧化碳与血红素的配位化学及其生理作用赵慧卿汪显阳(安徽医科大学化学教研室合肥230032)摘要NO和CO是新近发现的具有重要生理作用的生物活性小分子,其特定的生理效应主要是通过与生物体内血红素蛋白的配位作用产生的.
本文比较了NO、CO、O2与高铁血红素、亚铁血红素的配位化学性质,以及它们与亚铁血红素配位所产生的反位效应,简述了这些配位化学性质与生理作用的相关性.
关键词血红素一氧化氮一氧化碳可溶性鸟苷酸环化酶小分子物质在生命活动中起着特殊的作用.
众所周知,氧气是生命不可缺少的物质,而一氧化碳(Car-bonMonoxide,CO)和一氧化氮(NitricOxide,NO)过去则一直被视为毒性气体.
80年代末以来,人们发现一氧化氮在哺乳动物体内发挥着重要的生理功能[1],主要表现为:(1)血管内皮细胞释出的NO,能使血管平滑肌松弛和血管舒张,并可起到抗血栓的作用.
硝化甘油、硝普钠等硝酸酯类药物用于治疗心绞痛、心肌梗塞的作用机制就是源于NO的这一功能;(2)NO在神经系统中充当化学信使的作用;(3)免疫系统在受到异物和肿瘤细胞的侵入时可释出NO,对细菌、真菌和肿瘤细胞产生杀灭作用;(4)高浓度的NO会对细胞产生毒性作用.
NO生物功能的发现,揭示了许多过去未能解释的生命现象和病理机制,为防治疾病提供了新的思路.
接着,人们发现一氧化碳也为具有血管平滑肌舒张和神经信息传递功能的信使分子[2].
氧在生物体内存在着O2、O2-、O22-系列,一氧化氮在生物体内也存在着NO+、NO、NO-系列,它们均具有生理活性.
内源性一氧化氮是在一氧化氮合酶(NitricOxideSynthase,NOS)的作用下,由L-精氨酸氧化得到,并最终以NO3-或NO2-的形式代谢出体外.
一氧化氮合酶(NOS)是一种细胞色素P450型的血红素蛋白酶,其血红素(Heme)辅基被认为是合成NO的活性中心.
内源性一氧化碳则主要是在血红素氧合酶(HemeOxyge-nase,HO)的作用下,由血红素分解为铁、CO和胆绿素(胆绿素很快被还原为胆红素).
CO发挥生物效应后经血红蛋白(Hb)运输,由肺排出体外.
NO和CO均能够激活生物体内可溶性鸟苷酸环化酶(solubleGuany-lateCyclase,sGC),使环鸟苷酸(cyclicGuanosineMonophosphate,cGMP)的水平明显提高,从而介导一系列的生理活动.
可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)是一种含血红素(Heme)辅基的蛋白酶.
实验结果表明:正常状态sGC中Heme的Fe(II)离子为五配位,高自旋状态,轴向配位原子为组氨酸的咪唑氮原子,与血红蛋白(Hb)和肌红蛋白(Mb)中的血红素辅基相似.
CO、NO、O2分别依次相差一个电子,皆属于小分子配体,均能与血红素生成轴向配合物,但它们所介导的生理活性却有明显差别,这些生理活性与它们与血红素的配位化学性质以及血红素所处的蛋白质环境有着密切的关系.
本文将比较NO、CO、O2与血红素的配位化学性质,综述这些配位化学性质与生理作用的相关性.
1与高铁血红素的配位反应O2和CO只能与亚铁血红素发生配位作用,而不能与高铁血红素配位,如高铁血红蛋白和高铁肌红蛋白就无法输运氧气;细胞色素P450酶具有传递电子的作用,在此过程中CO、O2只能与其亚铁状态的血红素结合,而不与高铁状态的血红素反应.
迄今为止,尚未发现CO、O2与高铁血红素的配合物.
NO不仅可以和亚铁血红素结合,而且也能和高铁血红素结合.
高铁血红素类蛋白与NO的结合是可逆的.
J.
M.
C.
Ribeiro等[3]报道:某吸血昆虫的唾液具有舒张血管的功能,EPR(电子顺磁共振)等光谱研究表明其活性因子是一种NO和高铁血红素类蛋白的配合物,在中性pH下,稀释可促使其释放NO.
由此看来,NO和高铁血红素的结合强度明显弱于它与亚铁血红素的结合.
NO-亚铁血红素类蛋白的稳定常数一般为1011量级,而·4·化学教育2004年第3期安徽省高等学校优秀青年教师资助计划项目NO-高铁血红素类蛋白的稳定常数在103~105范围.
在20oC、中性pH条件下,NO和人类血红蛋白(Hb)的配合物释放NO的速率常数为10-5s-1,而高铁血红素类蛋白配合物的分解速率要快得多,速率常数为1至40s-1.
EPR研究表明,高铁血红素蛋白本身具有顺磁性,结合NO后变为抗磁性,说明在NO-高铁血红素蛋白中血红素辅基具有Fe(II)-NO+的结构,该配合物在亲核试剂的进攻下很容易释出NO.
NO能够与高铁血红素蛋白结合但稳定性不高、易分解这一特点可能使生命体内的高铁血红素蛋白具有贮存和转运NO分子的作用.
2与亚铁血红素的配位反应NO、CO、O2均能与亚铁血红素发生配位反应,配位后使Fe(II)由高自旋状态变为低自旋态,并且将Fe原子从卟啉面的另一侧拉回卟啉面内.
在不含蛋白的血红素配合物中,Fe-C-O键角接近180°,Fe-N-O和Fe-O-O键呈弯曲型.
在含有蛋白的CO-血红素配合物中,由于蛋白质的立体效应,Fe-C-O键略有弯曲,这种弯曲不利于Fe(II)与CO间的反键,导致CO与血红素蛋白的配合稳定常数有所下降.
三者配位能力不同,相对于O2,CO和NO对亚铁血红素具有更强的结合能力,且生成的配合物高度稳定.
因为CO和NO不仅是强σ-供体,而且是强的π-受体,所以生成非常稳定的σ-π络合物.
O2、CO、NO与脱氧血红蛋白(deoxyHb)配合物的一级稳定常数分别为5.
5*104、2.
0*107、3.
0*1010.
而Hb-NO、Hb-CO、Hb-O2的分解速率常数分别为10-5s-1、2*10-2s-1、35s-1.
由此可知,在相同条件下,对血红素蛋白的配位能力为NO>CO>O2.
由于空气中有大量的氧气,而无NO和CO与之竞争,因此O2与血红蛋白(Hb)的血红素辅基可逆结合,使Hb实现对O2的输送.
CO可与Hb的血红素辅基发生不可逆的结合,从而破坏Hb的载氧能力,产生窒息作用,这就是CO的血液中毒机制.
人体吸入过量的NO将会发生下列反应:NO+Hb[Fe(II)]O2NO3-+Hb[Fe(III)],从而造成高铁血红蛋白血症.
由于CO、NO对血红素有很高的亲和力,它们在保持细胞内cGMP浓度的功能上有互补的关系.
正常情况下,血管系统里CO的基础产量比NO低,CO对血管的作用也比NO弱.
然而在低氧的情况下,NOS催化L-精氨酸氧化产生NO的系统受到抑制,此时血管平滑肌细胞激活HO产生CO,发挥生理作用.
另外,HO-CO系统对NOS-NO系统具有抑制作用.
如果内源性CO的浓度下降,NO介导的cGMP生成会增多,而给予外源性CO,NO介导的cGMP生成会被阻断,其原因可能为:(1)NOS的辅基含有血红素,而内源CO产生于血红素的氧化分解,CO的产生导致体内血红素浓度下降,从而使NOS的合成原料减少;(2)NOS是一种细胞色素P450型的血红素蛋白,细胞色素P450是HO的底物,HO的活性增加能加速NOS的分解;(3)CO能够与NOS活性中心的Heme配位,使NOS失活.
内源NO通过与sGC中血红素辅基发生配位作用,生成sGC的活化状态sGC-NO,活化的sGC可催化cGMP的产生,使生成cGMP的速度加快50倍~200倍.
cGMP的升高可导致血管舒张和神经传递作用等生理反应.
Deinum等[4]采用共振拉曼光谱技术观察到CO与sGC的结合,暗示CO也可以通过激活sGC而发挥作用.
CO激活sGC的具体作用机制尚不明确,但研究表明其活化sGC的能力较NO为弱,这与CO-Heme的结合能力弱于NO相一致.
3对轴向第五配体(反位配体)的影响CO、NO和O2与血红素配位时,对其轴向第五配体(在Hb、Mb和sGC中均为组氨酸甲基咪唑N原子)的影响和作用不同.
体外模型化合物AB-Fe(II)-TPP-MeIm和Fe(II)-TPP-MeIm(AB=CO,NO,O2;TPP=四苯基卟啉;MeIm=甲基咪唑)的键参数表明:配位前Fe原子和咪唑N原子之间的键长为1.
98,O2、CO、NO配位后使该键分别拉长至2.
07、2.
10、2.
18.
由此看出,NO的配位严重削弱铁原子与轴向第五配体的结合力,它们之间存在较强的反位效应(trans-effect)[3].
NO、CO与血红素配位并使其反位配体离去反应的平衡常数差别很大[5]:BHm+COHmCO+BK=0.
67BHm+NOHmNO+BK=8*1010·5·2004年第3期化学教育其中Hm代表四配位血红素(Heme),B代表甲基咪唑(轴向第五配体),这些热力学参数表明,NO的配位将有利于血红素与咪唑基的配位键断裂.
咪唑与Heme的分离还与溶液的pH有关,pH降低,咪唑的质子化更有利于它与Heme脱离.
只有在强酸性(pHCO的配位才能使血红素与咪唑基脱离.
而NO在中性甚至弱碱性条件下就可完成该反应.
图1一氧化氮激活sGC的示意图研究表明:sGC中咪唑氮原子与血红素的键合较弱,在NO激活的sGC中,观察到五配位的亚硝基血红素与蛋白链是断开的(如图1所示),这表明sGC的活化必须首先使Heme与轴向咪唑碱基脱离[4],这一方面使蛋白质松弛并生成对催化有利的构象,另一方面释出的组氨酸基团有利于催化作用.
生成的亚硝基血红素(Heme-NO)由于有很高的稳定性(Heme-NO和Heme-CO分解速率常数分别为10-6s-1和104s-1),可扩散到蛋白质疏水区的另一侧为催化提供空间.
而CO与sGC的结合形成六配位的血红素蛋白.
即:CO不能使血红素与蛋白链的咪唑基分开,即使生成少量的CO-Heme,由于不稳定,无法扩散出去,将重新结合在蛋白链上.
由此可以理解为何CO是sGC的弱激活体.
目前对CO激活sGC的机制还不十分清楚,不排除CO存在与NO不同的其他激活通道.
CO、NO尽管在体内均具有细胞信使的作用,介导某些相似的生理活动,但它们的性质并不完全相同,CO仅与含铁血红素结合,而NO还可以与非血红素铁酶的铁中心结合.
此外,NO为自由基,可与体内的O2-等形成更具毒性的自由基,产生细胞毒性,而CO则无此作用.
目前,对NO生理作用的机制研究较为深入系统,而对CO的作用机制尚不清楚.
希望不久的将来,人们能够有效的利用CO、NO这些小分子,为人类的健康服务.
参考文献[1]赵慧卿.
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Biochemistry,1996,35:1540-1547[5]TyaylorTG,SharmaaVS,Biochemistry,1992,31:2847-2849CoordinationChemistryofHemewithNitricOxide,CarbonMonoxideandTheirPhysiologicalFunctionsZHAOHuiqingWANGXianyang(DepartmentofChemistry,AnhuiMedicalUniversity,Hefei230032)AbstractRecently,nitricoxideandcarbonmonoxidewerefoundtoplayimportantrolesinmanyphysiologicalprocesses.
TheinteractionofNOandCOwiththehemoglobinisthoughttobethekeyfac-torfortheuniquebio-functionsofthesesmallmolecules.
Inthispaper,thecoordinationchemistryofhemeandhematosinwithNO,CO,O2aswellasthecoordination-inducedtrans-effectofhemearereviewed.
Thecorrelationofphysiologicalfunctionsandthecoordinationchemistrypropertiesarealsoin-troduced.
Keywordsheme,nitricoxide,carbonmonoxide,solubleguanylatecyclase·6·化学教育2004年第3期