延安大学化学与化工学院教学方案
[授课提纲6] 第六章 氧载体
第一节 天然氧载体
天然氧载体分为三类：含血红素辅基的蛋白；不含血红素的铁蛋白；含铜的蛋白。
血液主要成分为血浆、血细胞和血小板三种。血细胞又分为红细胞和白细胞。血液中含有各种营养成分，如无机盐、氧、代谢产物、激素、酶和抗体等，有营养组织、调节器官活动和防御有害物质的作用。
血液的功能是什么：运输；参与体液调节；保持内环境稳态；防御功能。
一、卟啉：血红蛋白和肌红蛋白载氧的活性部位是血红素辅基——铁卟啉。卟啉的骨架是卟吩。
1. 卟啉化合物的命名原则是1926处由H.Fischer 提出的，如结构式 (a) 他把卟吩的四个吡咯环编为I 、II 、III 、IV ；它们的8个顶点依次为1、2、…、8；四个次甲基分别为α、β、γ、δ。1960年国际纯粹化学和应用化学联合会 (IUPAC) 提出新的命名原则。卟啉是重要的生物配体。哺乳动物体内约70%的铁元素与卟啉形成配合物。血红素是铁卟啉一类配合物的总称。血红素与相应的蛋白质结合成为血红素蛋白。这个高度共轭体系极易受吡咯环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。卟啉环上的四个吡咯氮原子表现酸碱两种性质。
2. 卟啉与金属离子配位作用
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。卟啉环骨架的结构参数。卟啉与不同的金属离子配位以后，吡咯氮原子与中心金属离子的距离各有不同，卟啉环骨架又具有一定程度刚性。在金属卟啉分子里，如果轴向配体不同，它的性质就可能发生变化。
血紫质病系由先天性卟啉代谢紊乱，卟啉前体或叶啉在体内聚积所致。临床表现。根据卟啉的病理生理，当血红素生成障碍，失去负反馈作用，就失去对a-氨基酸酮戊酸合成酶的抑制作用。
二、血红蛋白和肌红蛋白
1．血红蛋白和肌红蛋白的结构
2．血红蛋白的主要功能
3．血红素的铁与氧键合的几种理论模型
4．影响血红蛋白和肌红蛋白与O 2键合的因素： O2分压的影响； pH值的影响；某些小分子配体的作用。
三、蚯蚓血红蛋白：蚯蚓血红蛋白分子含有铁，但不含铁卟啉辅基，是一种非血红素铁蛋白。对星虫的蚯蚓血红蛋白的研究比较详细，它的相对分子质量为108000，由8个亚单位组成。每个亚单位含有113个氨基酸残基和两个铁离子。从其它一些组织和物种中也分离到以其它低聚物形式存在的蚯蚓血红蛋白。蚯蚓血练蛋白的主要生理功能是在低等生物体内输送氧。
四、血蓝蛋白：血蓝蛋白是以一价铜离子作为辅基的蛋白质。它存在于软体动物 (如章鱼、乌贼、蜗牛等) 和节足动物 (如螃蟹、虾、蜘蛛等) 的血液里。组成血蓝蛋白的亚单位数目较多。每个亚单位都含有两个Cu (I) 离子，相对分子质量一般为50000~74000。不同蛋白质所含亚单位数目不同。软体血蓝蛋白是圆柱状分子，含有10~20亚单位，每个亚单位有7~8个功能单元(氧分子结合部位) 。
第二节 氧载体的模型化合物
一、氧载体模型化合物研究概况
天然氧载体在生物体内输送或贮存氧气，主要是通过结合到蛋白质上的铁铜过渡金属与氧分子可逆配位来实现的。人们除了直接用天然氧载体作研究对象之外，还合成了许多结构较简单并能可逆载氧的模型化合物进行研究。目前，已知道CO 、 Fe 、Mn 、Rh 、Ir 、Ru 、Os 、Ni 、Pt 等过渡金属的配合物具有可逆载氧性能。
1985年人们就发现Co(II) 盐的氨水溶液露置空气中变色。
1898年Werner 等确证变色的物种是[(NH3) 5Co (O2) Co (NH3) 5]。
1969年Floriani 和Caldenrazzo 研究了水杨醛亚胺合钻及其衍生物，发现它们在常温下可逆载氧，并首次成功分离出1:1型固体载氧配合物[Co(3-MeO-salen)]Py·O2。
二、钴(II)氧载体
1．钴(II)配合物的载氧反应和结构
钴(II)离子能与讲多配体生成钴(II)配合物。其中有一些能可逆载氧。在生成的钴氧加合物中，钴 (II) 形式上被氧化，O 2形式上被还原。O 2在1：1氧加合物中被还原为超氧离子O 2，在2:1氧加合物中被还原为过氧离子O 2。在钴(II)氧载体中一般以N 、O 、S 、作为配位原子。其中，以氨、胺、氨基酸、肽和西佛碱等作为配体的钴(II)氧载体，一般形成 μ−过氧桥配合物[LCoO2CoL]；而以西佛碱、咕啉、卟啉等为配体的，一般生成超氧配合物[LCoO2]。
2. 配位体性质对 Co(II) 配合物载氧的影响Co(II) 配合物能否载氧及其载氧方式受配体性质、温度、溶剂和体系的氧分压等因素影响。
（1）空间位阻效应的影响。
（2）平面配体的影响。
（3）轴向配体的影响。
三、铁 (II) 载氧体：1975年Basolo 在研究四苯基卟啉铁与O 2反应动力学的基础上，提出如下机制：
LFe (Por) + O2 =LFe(Por)(O2−) II III
III −II III 2−III 2−−4+2+2+2+++0000LFe (Por) (O2) + Fe(Por) =LFe(Por) − O2 − LFe(Por)L
LFe (Por) − O2− − Fe(Por)L =LFe(Por) − O − LFe(Por)L III 2III III III
+8四、Vaska 型氧载体：1963年L. Vaska 合成了[IrCl (CO) (PPh3) 2]氧载体，其中Ir 属于d 电子组态，
PPh 3为三苯基膦。这个配合物在苯溶液中能可逆键合氧分子，生成1:1的双氧配合物。
五、铜 (I) 氧载体：化学家对合成血蓝蛋白的模型化合物颇感兴趣。1978年M. G. Simmons 和 L. J. Wilson合成了以咪唑作为配体的Cu (I) 配合物，在室温下无论是溶液或固体都能可逆载氧。他们用2，6-二乙酰基吡啶与组胺缩合，得到配体2，6-[1- (2-咪唑-4-亚乙基亚氨基) 乙基]吡啶，然后在氮气保护下加入[Cu (I) (MeCN) 4] (ClO4) 得到暗红色的[Cu (I) ] (ClO4) 配合物。
六、人造载氧血液
什么是人工血液。
人工血液的发展史。
第六章 氧载体
教学目的
应用配位化学理论知识解决生物无机化学中氧载体的配位机理。了解人造血液的研究及其生物意义。 教学重点
天然氧载体的结构及其作用原理。
教学难点
天然氧载体的作用原理。
主要内容
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，能把从外界吸入体内的氧气运送到各种组织，借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化学本质，可以把天然氧载体分为三类：①含血红素辅基的蛋白，如血红蛋白和肌红蛋白；②不含血红素的铁蛋白，如蚯蚓血红蛋白；③含铜的蛋白，如血蓝蛋白。下表列举了几种天然氧载体的若干性质。
血液是流动在心脏和血管内的不透明红色液体，主要成分为血浆、血细胞和血小板三种。血细胞又分为红细胞和白细胞。血液中含有各种营养成分，如无机盐、氧、代谢产物、激素、酶和抗体等，有营养组织、调节器官活动和防御有害物质的作用。人体各器官的生理和病理变化，往往会引起血液成分的改变，故患病后常常要通过验血来诊断疾病。人体内的血液量大约是体重的7-8％，如体重60公斤，则血液量约4200-4800毫升。各种原因引起的血管破裂都可导致出血，如果失血量较省少，不超过总血量的10％，则通过身体的自我调节，可以很快恢复；如果失血量较大，达总血量的20％时，则出现脉搏加快，血压下降等症状；如果在短时间内丧失的血液达全身血液的30％或更多，就可能危及生命。
血液有四种成分组成：血浆，红细胞，白细胞，血小板。血浆相当于结缔组织的细胞间质，为浅黄色半透明液体，血浆约占血液的55%，是水、糖、脂肪、蛋白质、钾盐和钙盐的混合物。也包含了许多止血必需的血凝块形成的化学物质。血细胞和血小板组成血液的另外45%。 有两种血细胞：红细胞和白细胞。血细胞及血小板的产生来自造血器官，红血细胞、有粒白血细胞及血小板由红骨髓产生，无粒白血细胞则由淋巴结和脾脏产生。
红细胞占大部分，看起来像有洞的圆环，不能到处穿梭，红细胞有一定的弹性和可塑性，细胞通过毛细血管时可改变形状。成熟红细胞无细胞核，也无细胞器, 胞质内充满血红蛋白。红细胞里含有一种特殊的称为血红蛋白的蛋白质，使红细胞看起来是红色的，它能携带吸仅肺内的氧至全身，集中全身的二氧化碳到肺。虽然血液含有很多非红细胞成分，但红细胞数目太大了，以至于血液本身也呈现红色。红细胞的平均寿命约120天。在机体的生命过程中，血细胞不断地新陈代谢。淋巴细胞的生存期长短不等，从几个小时直到几年。红细胞的渗透压与血浆相等，使出入红细胞的水分维持平衡。当血浆渗透压降低时，过量水分进入细胞，细胞膨胀成球形，甚至破裂，血红蛋白逸出，称为溶血；溶血后残留的红细胞膜囊称为血影。反之，若血浆的渗透压升高，可使红细胞内的水分析出过多，致使红细胞皱缩。凡能损害红细胞的因素，如脂溶剂、蛇毒、溶血性细菌等均能引起溶血。
白细胞为无色有核的球形细胞，体积比红细胞大，能作变形运动，具有防御和免疫功能。成人白细胞的正常值为4000～10000个/μ1。男女无明显差别。婴幼儿稍高于成人。血液中白细胞的数值可受各种生理因素的影响，如劳动、运动、饮食及妇女月经期，均略有增多。在疾病状态下，白细胞总数及各种白细胞的百分比值皆可发生改变。光镜下，根据白细胞胞质有无特殊颗粒，可将其分为有粒白细胞和无粒白细胞两类。有粒白细胞又根据颗粒的嗜色性，分为中性粒细胞、嗜酸性粒细胞用嗜碱性粒细胞。无粒白细胞有单核细胞和淋巴细胞两种。
血小板是哺乳动物血液中的有形成分之一。它有质膜，没有细胞核结构，一般呈圆形，体积小于红细胞和白细胞。血小板在长期内被看作是血液中的无功能的细胞碎片。在正常血液中有较恒定的数量(如人的血小板数为每立方毫米10～30万) ，在止血、伤口愈合、炎症反应、血栓形成及器官移植排斥等生理和病理过程中有重要作用。血小板只存在于哺乳动物血液中。血小板为圆盘形，直径1～4微米到7～8微米不等，且个体差异很大(5～12立方微米) 。血小板因能运动和变形，故用一般方法观察时表现为多形态。血小板结构复杂，简言之，由外向内为3层结构，即由外膜、单元膜及膜下微丝结构组成的外围为第1层；第2层为凝胶层，电镜下见到与周围平行的微丝及微管构造；第3层为微器官层，有线粒体、致密小体、残核等结构。
血细胞形态、数量、比例和血红蛋白含量的测定称为血像。患病时，血像常有显著变化，故检查血像对了解机体状况和诊断疾病十分重要。
颗粒白细胞和血小板的生存期限一般不超过10天。
血液循环是心脏节律性的搏动推动血液在心血管系统中按一定方向循环往复地流动。血液循环是英国哈维根据大量的实验、观察和逻辑推理于1628年提出的科学概念。然而限于当时的条件，他并不完全了解血液是如何由动脉流向静脉的。1661年意大利马尔庇基在显微镜下发现了动、静脉之间的毛细血管，从而完全证明了哈维的正确推断。动物在进化过程中，血液循环的形式是多样的。循环系统的组成有开放式和封闭式；循环的途径有单循环和双循环。人类血液循环是封闭式的，由体循环和肺循环两条途径构成的双循环。血液由左心室射出经主动肪及其各级分支流到全身的毛细血管，在此与组织液进行物质交换，供给组织细胞氧和营养物质，运走二氧化碳和代谢产物，动脉血变为静脉血；再经各级表肪汇合成上、下腔静脉流回友心房，这一循环为体循环。血液由右心室射出经肺动脉流到肺毛细血管，在此与肺泡气进行气体交换，吸收氧并排出二氧化碳，静脉血变为动脉血；然后经肺静脉流回左心房，这一循环为肺循环。血液分静脉血和动脉血。动脉血在体循环(大循环) 的动脉中流动的血液以及在肺循环(小循环) 中从肺回到左心房的肺静脉中的血液。动脉血含氧较多，含二氧化碳较少，呈鲜红色。静脉血血液中含较多二氧化碳的血液，呈暗红色。注意并不是静脉中流的血是静脉血，动脉血中流的是动脉血，因为肺动脉中流的是静脉血，肺静脉中流的是动脉血。
血液的功能是什么? 血液在人体生命活动中主要具有四方面的功能。
①运输。运输是血液的基本功能，自肺吸入的氧气以及由消化道吸收的营养物质，都依靠血液运输才能到达全身各组织。同时组织代谢产生的二氧化碳与其他废物也赖血液运输到肺、肾等处排泄，从而保证身体正常代谢的进行。血液的运输功能主要是靠红细胞来完成的。贫血时，红细胞的数量减少或质量下降，从而不同程度地影响了血液这一运输功能，出现一系列的病理变化。
②参与体液调节。激素分泌直接进入血液，依靠血液输送到达相应的靶器官，使其发挥一定的生理作用。可见，血液是体液性调节的联系媒介。此外，如酶、维生素等物质也是依靠血液传递才能发挥对代谢的调节作用的。
③保持内环境稳态。由于血液不断循环及其与各部分体液之间广泛沟通，故对体内水和电解质的平衡、酸碱度平衡以及体温的恒定等都起决定性的作用。
④防御功能。机体具有防御或消除伤害性刺激的能力，涉及多方面，血液体现其中免疫和止血等功能。例如，血液中的白细胞能吞噬并分解外来的微生物和体内衰老、死亡的组织细胞，有的则为免疫细胞，血浆中的抗体如抗毒素、溶菌素等均能防御或消灭入侵机体的细菌和毒素。上述防御功能也即指血液的免疫防御功能，主要靠白细胞实现。此外，血液凝固对血管损伤起防御作用。
一、卟啉
血红蛋白和肌红蛋白载氧的活性部位是血红素辅基——铁卟啉。卟啉的骨架是卟吩。卟吩由四个吡咯环以次甲基相连而成，是具有多个双键的高度共轭的大π键体系。所有卟吩衍生物统称为卟啉，它们的金属配合物称为金属卟啉。卟啉化合物的命名原则是1926处由H.Fischer 提出的，如结构式 (a) 他把卟吩的四个吡咯环编为I 、II 、III 、IV ；它们的8个顶点依次为1、2、…、8；四个次甲基分别为α、β、γ、δ。1960年国际纯粹化学和应用化学联合会 (IUPAC) 提出新的命在旦夕名原则，如结构式 (b) 。卟吩被命在旦夕名为21H ，23H-porphine 。虽然至今在文献中仍可见到Fischer 的命在旦夕名原则，但大多已采用新命名原则。本书除天然卟啉沿用Fischer 命名原则外。其它都采用新命名原则。例如存在于血红蛋白，肌红蛋白和多种细胞色素中的原卟啉IX 。此外，还有许多合成的卟啉，如5，10，15，20-四苯基卟啉。酞花箐与卟吩的结构类似，都具有等电子结构。
卟啉是重要的生物配体。哺乳动物体内约70%的铁元素与卟啉形成配合物。血红素是铁卟啉一类配合物的总称。血红素与相应的蛋白质结合成为血红素蛋白。卟器械分子有11个共轭双键。这个高度共轭体系极易受吡咯环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。卟啉环上的四个吡咯氮原子表现酸碱两种性质。
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。卟啉环骨架的结构参数，从吡咯氮到环中心的距离是0.204nm 。卟啉与不同的金属离子配位以后，吡咯氮原子与中心金属离子的距离各有不同，如高铁卟啉为0.210nm ，镍卟啉为0.195nm 。由于金属离子大小不同，卟啉环骨架又具有一定程度刚性，因此中心金属离子不一定位于卟啉环平面上。如果金属离子大小合适，它会与四个吡咯氮形成严格的平面正方形结构，如次卟啉镍(II)、四苯基卟啉锡(IV) 。某些中心金属离子则位于卟啉环平面的上方。Zn (II) 卟啉衍生物中，Zn 与卟啉平面的距离d 估计是0.033nm ；高自旋Fe (III) 卟啉，d 接近0.045nm ；高自旋Fe(II) 卟啉，d 高达0.075nm ；脱氧血红蛋白中的高自旋Fe(II) 卟啉，d 为0.075nm 。但低自旋铁卟啉，无论Fe(II)或Fe(III)都位于卟啉平面上。如果中心金属离子半径较小，甚至还可能使四个吡咯氮原子形成的平面变形。
具有大π键电子体系的卟啉在可见光区出现的谱带是由一些π (充满) →π* (空) 轨道及其相应的振动能级 (0-0及0-1) 的跃迁引起的。在可见区一般有四个谱带，分别称位α0-0、α0-1、β0-0、β0-1。但形成金属卟啉之后，由于提高了配合物分子的对称性，往往使吸收谱带的数目有所减少。金属卟啉的光谱一般以一组三谱带为特征，按照长波到短波的顺序依次称为α、β、γ谱带，α、β在可见区，而γ谱带又称Soret 谱带，在紫外区。当然各种金属卟啉的光谱要比图4-7的典型谱带复杂。
在金属卟啉分子里，如果轴向配体不同，它的性质就可能发生变化。如血红蛋白的轴向第五配体是组氨酸基的咪唑氮，第六配体位置能可逆吸氧和放氧；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。
由上述各点可说明，如果在卟啉环上改变取代基，调节四个氮原子给予和接受电子的能力，或者引入不同的中心离子或不同的轴向配体，会使金属卟啉具有不同的性质，因而具有不同的功能。
血紫质病系由先天性卟啉代谢紊乱，卟啉前体或叶啉在体内聚积所致。常有遗传因素。临床表现有腹痛、神经精神症状、光感性皮肤损害等。卟啉主要在红骨髓和肝内合成，根据卟啉代谢紊乱出现的部位，分为红细胞生成性卟啉病和肝性血卟啉病二类。前者较少见，属儿科学范围。
根据卟啉的病理生理，当血红素生成障碍，失去负反馈作用，就失去对a-氨基酸酮戊酸合成酶的抑制作用。阻遇物或操纵基因发生突变，失去正常的抑制，使a-氨基酸酮戊酸合成酶的活性异常地增加，酶的缺陷，如尿卟啉原Ⅲ辅合成酶缺乏，卟胆原不能转变为尿啉卟原置而只形成尿卟啉原I ，以致产生多量的型异构体，或尿卟啉原I 合成酶缺乏，卟胆原不能转变为尿卟啉原等，均可产生多量的卟啉和卟啉前体，而导致本病。本病在中医学中可属―腹痛‖，―心肝血虚‖及―水湿瘀毒‖等范畴，治疗原则为温中理气止痛，养心安神，疏肝理气，健脾燥湿，活血化瘀，清热解毒等。
二、血红蛋白和肌红蛋白
1．血红蛋白和肌红蛋白的结构
血液中含有红细胞，它是载氧的生物单元。红细胞中含有血红蛋白，它是载氧的生物化学单元。血红蛋白是较早被阐明空间结构的重要蛋白质分子，X 射线衍射分析证实，哺乳动物的血红蛋白是由四个亚单位组成的四聚体。它的相对分子质量约65000。每一血红蛋白分子由一分子的珠蛋白和四分子亚铁血红素组成，珠蛋白约占96％，血红素占4％。
正常人的红细胞里含有两种血红蛋白分子，一种由两个ρ亚单位和两个β亚单位组成(即α2β2) 占血红蛋白总量的95%以上；另一种由两个α亚单位和两个δ亚单位组成(即α2δ2) ，占血红蛋白总量 (1.5~4.0)%。胎儿的血红蛋白主要是α2γ2，出生后不久即消失，接着出现α2β2和α2δ2。α亚单位有141个氨基酸残基，β和δ亚单位有146个氨基酸残基。这些亚单位都有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 标主。第个螺旋区中的氨基酸残基顺次以下标数字表示为A 1、A 2、E 3、H 5等。在两个螺旋区之间存在长短不一的非螺旋区，依次标记为AB 、BC 、CD 、DE 、EF 、FG 和GH 。每个亚单位都键合着一个亚铁卟啉辅基。α亚单位是通过第87位组氨酸残基侧链的咪唑氮原子与Fe(II) 卟啉辅基被嵌在α或β亚单位肽链所盘绕而成的口袋形空腔中，周围被很多氨基酸残基的疏水性侧链包围。α亚单位上的第58位或β亚单位上的第63位组氨酸残基都指向Fe(II) 离子而不配位，其作用尚待研究。
人体内的血红蛋白由四个亚基构成，分别为两个α亚基和两个β亚基，在与人体环境相似的电解质溶液中血红蛋白的四个亚基可以自动组装成α2β2的形态。
血红蛋白的每个亚基由一条肽链和一个血红素分子构成，肽链在生理条件下会盘绕折叠成球形，把血红素分子抱在里面，这条肽链盘绕成的球形结构又被称为珠蛋白。血红素分子是一个具有卟啉结构的小分子，在卟啉分子中心，由卟啉中四个吡咯环上的氮原子与一个亚铁离子配位结合，珠蛋白肽链中第8位的一个组氨酸残基中的吲哚侧链上的氮原子从卟啉分子平面的上方与亚铁离子配位结合，当血红蛋白不与氧结合的时候，有一个水分子从卟啉环下方与亚铁离子配位结合，而当血红蛋白载氧的时候，就由氧分子顶替水的位置。
肌红蛋白是一条有153个氨基酸残基的多肽链，相对分子质量17500。Kendrew 首先应用X 射结技术测定了鲸的肌红蛋白的三级结构。在多肽链中含有一个亚铁血红素，即亚铁卟啉辅基。血红素的铁(II) 离子除了与卟啉环的四个氮配位以外，还与多肽链第93位组氨酸残基的咪唑氮原子在轴向形成配位键。在末氧合时轴向第六个配位位置由水分子占据，氧合时则由氧分子取代了水分子。
血红素周围的疏水环境，使铁在血红蛋白和肌红蛋白中保持以Fe(II)离子存在，这对它们的可逆载氧功能具有十分重要的意义。如果血红蛋白中Fe(II)离子遇氧化剂被氧化成为Fe (III) ，则失去与氧结合的能力。这种血红蛋白称为高铁血红蛋白，其辅基称为高铁血红素。但在细胞中含有大量还原物质，如NADPH 2、谷胱甘肽和抗坏血酸等，它们可以将高铁血红蛋白还原为亚铁血红蛋白，这样就可以避免由于高铁血红蛋白含量增加而引起的组织缺氧。
2．血红蛋白的主要功能
正常成人每微升血液中红细胞数的平均值，男性约400万～500万个，女性约350万～450万个。血液中血红蛋白含量，男性约 120～150g/L，女性约105～135g/L。全身所有红细胞表面积总计，相当于人体表面积的2000倍。红细胞的数目及血红蛋白的含量可有生理性改变，如婴儿高于成人，运动时多于安静状态，高原地区居民大都高于平原地区居民，红细胞的形态和数目的改变、以及血红蛋白的质和量的改变超出正常范围，则表现为病理现象。一般说，红细胞数少于300万／μ1为贫血，血红蛋白低于100g/L则为缺铁性贫血。此时常伴有红细胞的直径及形态的改变，如大红细胞贫血的红细胞平均直径>9μm，小红细胞贫血的红细胞平均直径
血红蛋白是含铁的蛋白质，约占红细胞重量的33％。它具有结合与运输O 2和CO 2的功能，当血液流经肺时，肺内的O 2分压高（102mmHg ），CO 2分压低(40mmHg)，血红蛋白(氧分压40mmHg, 二氧化碳分压46mmHg) 即放出CO 2而与O 2结合；当血液流经其它器官的组织时，由于该处的CO 2分压高（46mmHg ）而O 2分压低（40mmHg ），于是红细胞即放出O 2并结合CO 2。由于血红蛋白具有这种性质，所以红细胞能供给全身组织和细胞所需的O 2，带走所产生的部分CO 2。
血红蛋白的主要生理功能是运送氧气和二氧化碳，与氧结合的血红蛋白称为氧合血红蛋白HbO 2 ，未与氧结合的血红蛋白则称为脱氧血红蛋白Hb 。血红蛋白与O 2结合是可逆：
Hb + O2 =HbO2
平衡常数为
[HbO 2]
[ Hb ][ O 2] K
血红蛋白分子中，多肽单链 (珠蛋白) 的自由氨基能与二氧化碳结合生成氨基甲酰血红蛋白，将组织产生的二氧化碳运送到肺部呼出。
HbNH 2 + CO2 =HbNHCOOH
血液循环依靠血红蛋白这一特性，就可以有效地把氧气从肺部运送到组织，再把二氧化碳从组织运送到肺部呼出。这一问题曾在生物学界争论了40年，最后终于在化学家合作之下，通过血红蛋白活性中心模拟试验，使问题得到圆满解决。
对血红蛋白载氧活性部位已经作了相当详细的研究。脱氧血红蛋白中，卟啉环的四个吡咯氮原子和邻近组氨酸残基侧链咪唑氮原子与Fe(II)配位，由于原在第六配位位置的氧分子脱去，也可看成四方锥立体构型。Fe(II)离子处于高自旋状态t 42g e g 2，有效磁矩5.44BM (通常高自旋Fe(II)为5.4~5.8BM) ，具有顺磁性。Fe(II)离子半径较大，处于卟啉环平面的上方，它的第六配位位置空着。
氧合血红蛋白中的Fe(II)离子的配位数为6，第六配位位置由氧分子占据，这时的Fe(II)离子处于低自旋状态t 62g e g 0，有效磁矩为零，具有反磁性。低自旋Fe(II)离子半径较小而落在卟啉平面上。在Fe(II)离子和氧分子键合过程中，与Fe(II)配位的咪唑基起了十分重要的作用。它促进了Fe(II)卟啉辅基与球蛋白之间的直接作用，同时又影响Fe(II)卟啉辅基-氧分子复合物中的电子分布。咪唑是一个良好的π电子给予体，由于它对金属的π电子给予作用，提高了金属 t 2g 轨道的给予能力，有利于Fe(II)和氧分子之间的反馈键形成，促进了分子氧的键合。
研究中发现，当一个α亚单位与O 2结合后，β亚单位对O 2的亲和力增加；当一对α和β亚单位与O 2结合后，又提高了另一对α和β亚单位对O 2的亲和力，使后一对亚单位的载氧反应平衡常数K 增加5倍。这种现象称为协同效应。
表1 血红蛋白配合物
显然，氧合作用的这一种协同效应与血红蛋白亚单位的氧合引起血红蛋白内构象变化有关。有人提出，血红蛋白的每个亚单位可能存在着对O 2低亲和力的结构（T 状态，tense state ）和对O 2高亲和力的结构（R 状态，relaxed state），这两种状态无论在亚单位的三级结构还是在亚单位四聚体的四级结构中的相对取向都不相同。当第一个O 2键合到一个T 状态亚单位时 (很可能是其中一个α亚单体) ，就会在局部的三级结构中导致张力，并改变亚单位之间的非极性相互作用、静电相互作用氢键，最终引起其它亚单位三级结构的改变，T 状态转变为R 状态，这就是所谓―变构作用‖（allosterism ）。M. F. Perutz 以―触发‖（―trigger‖ mechanism）机理直观解释氧合作用的协同效应。他认为氧分子与血红蛋白的α亚单位结合后引起铁(II)离子位置改变，从而导致这个亚单位构象变化，其它亚单位的构象也随这发生变化，使其余的血红素辅基处于更适宜与氧分子结合的空间位置，因此氧合速度逐渐加快。
血红素周围的疏水环境，使铁在血红蛋白和肌红蛋白中保持以Fe(II)离子存在，这对它们的可逆载氧功能具有十分重要的意义。如果血红蛋白中Fe(II)离子遇氧化剂被氧化成为Fe(III) ，则失去与氧结合
的能力。这种血红蛋白称为高铁血红蛋白，其辅基称为高铁血红素。但在细胞中含有大量还原物质，如NADPH 2、谷胱甘肽和抗坏血酸等，它们可以将高铁血红蛋白还原为亚铁血红蛋白，这样就可以避免由于高铁血红蛋白含量增加而引起的组织缺氧。
3．血红素的铁与氧键合的几种理论模型
由于血红蛋白结构复杂，X 射线结构分析的分辨率不高，因此，目前对血红蛋白中铁与氧键合的本质仍缺乏确切了解。科学家先后提出了多种理论模型，其中L.Pauling ，J.J.Weiss 和J.S.Griffith 分别提出的三种模型最为重要。Pauling 模型的O 2作为简单的电子对给体以端基与Fe(II)配位。
双氧和铁都具有偶数电子呈反磁性，Fe(II)对O 2空的π轨道的反馈作用，又使Fe-O 键具有双键性质，故称为超氧化物构型。Weiss 模型的O 2在配位时接受Fe(II)的电子，形成Fe (III)的超氧配合物。双氧和铁都具有单电子，生成的配合物不具有磁性。Griffith 模型的O 2采取侧基配位方式(side group)。故又称为过氧化物构型，EPR 和紫外光谱可以确定氧的结合，但很难确定氧分子配位的方式。
脱氧血红蛋白和氧分子都是顺磁性物质，而氧合血红蛋白具有反磁性。Pauling 模型和Griffith 模型都认为配位后的O 2是单重态，Fe(II)是低自旋态，都是S=O。而在Weiss 模型中，O 2处于二重态，FE (III) 处于低自旋态，都是S=1/2，有一个不成对电子，这与HbO 2的反磁性矛盾，磁化率与温度关系的数据不支持Weiss 关于反铁磁性耦合的假设。
Weiss 模型也有很多实验结果支持。Mössbauer 谱数据显示HbO 2有较高的核四极矩Q (1.87~2.24) 。Q 反映周围电荷的对称性。低自旋Fe(II)的电荷是球形对称的，其Q 值较小，如HbCO 。而HbO 2与Hb (Fe(III))OH-的Q 值相近，因此它们的铁的电子结构相似。HbO 2和MbO 2的红外振动频率V 0-0分别是1107cm -1和1103cm -1，与KO 2的1145cm -1很接近。在水溶液中CI-和N3-等能与HbO 2发生亲核取代反应放出O 2–离子，这又支持了Weiss 的观点。
上述几种模型都未能真正反映血红蛋白与氧分子键合的本质，对这个问题的研究有待进一点深入，而现有的大理实验事实和各种模型无疑有助人们认识的深化。
血红蛋白与氧结合的过程是一个非常神奇的过程。首先一个氧分子与血红蛋白四个亚基中的一个结合，与氧结合之后的珠蛋白结构发生变化，造成整个血红蛋白结构的变化，这种变化使得第二个氧分子相比于第一个氧分子更容易寻找血红蛋白的另一个亚基结合，而它的结合会进一步促进第三个氧分子的结合，以此类推直到构成血红蛋白的四个亚基分别与四个氧分子结合。而在组织内释放氧的过程也是这样，一个氧分子的离去会刺激另一个的离去，直到完全释放所有的氧分子，这种有趣的现象称为协同效应。 血红素分子结构由于协同效应，血红蛋白与氧气的结合曲线呈S 形，在特定范围内随着环境中氧含量的变化，血红蛋白与氧分子的结合率有一个剧烈变化的过程，生物体内组织中的氧浓度和肺组织中的氧浓度恰好位于这一突变的两侧，因而在肺组织，血红蛋白可以充分地与氧结合，在体内其他部分则可以充分地释放所携带的氧分子。可是当环境中的氧气含量很高或者很低的时候，血红蛋白的氧结合曲线非常平缓，氧气浓度巨大的波动也很难使血红蛋白与氧气的结合率发生显著变化，因此健康人即使呼吸纯氧，血液运载氧的能力也不会有显著的提高，从这个角度讲，对健康人而言吸氧的所产生心理暗示要远远大于其生理作用。
4．影响血红蛋白和肌红蛋白与O 2键合的因素
（1）O 2分压的影响
血红蛋白和肌红蛋白结合氧的程度，常用氧饱和度θ表示。氧饱和度是指氧合血红蛋白或肌红蛋白的实际数量在血红蛋白或肌红蛋白总量中所占的百分比。血红蛋白的氧合量和肌红蛋白的氧合量，都在O 2分压升高时增加，并在O 2分压下降时减少。
在人体的肺泡内氧的分压较高(PO2约13kPa) ，有利于血红蛋白与氧结合。当静脉血(PO2≤6.5kPa)流经肺部时，血红蛋白大量氧合，氧的饱和度显著增加；当血液离开肺部流经氧分压较低(PO2约4.7kPa) 的肌肉组织时，血红蛋白便释放出O 2。静脉的氧分压到550~650Pa时，借氧给肌肉组织的功能转由肌红蛋白完成。
血红蛋白与肌红蛋白的氧饱和度与O 2分压的关系，可用Hill 方程表示。式中，K 是平衡常数；P 是氧分压。对于肌红蛋白，η氧合曲线为抛物线。血红蛋白的氧合曲线可近似地用Hill 方程表示，其中1
（2）pH 值的影响。
已经发现细胞的H +浓度是调节血红蛋白功能的一个重要因素。由于pH 或CO 2分压变化而改变血红蛋白氧合能力的现象称为Bohr 效应。脊椎动物组织中的CO 2增加会导致pH 值降低，随之引起血红蛋白氧合能力下降。Bohr 效应在生物学上相当重要。在人体内，人血浆的正常生理pH 为7.35~7.45，但它会受CO 2与H 2O 反应的影响。
在肌肉组织中，由于CO 2分压较高，CO 2就扩散到血浆和红细胞里，使pH 变小，向释放O 2的方向进行，血红蛋白分子同时结合H +离子，以维持正常的生理pH 值。相反，CO 2从肺部呼出，CO 2分压较低，pH 值增大，向结合O 2的方向进行，并离解出H +。肌红蛋白没有Bohr 效应。
（3）某些小分子配体的作用。
血红蛋白除了能与O 2结合外，还能与CO 、NO 等小分子配体结合，其结合能力为NO>CO>O2，血红蛋白与这些小分子结合也是通过血红素的Fe(II) 离子实现的。人血红蛋白与CO 的结合能力比O 2大200倍以上。人的一氧化氮中毒就是由于吸入的CO 与血红蛋白结合，破坏了血红蛋白的输氧功能。如果人呼吸了含NO 的空气，NO 和血红蛋白结合后，同样会破坏血红蛋白的输氧功能。即使空气含CO 和NO 甚微，但如果长期吸入也会出现贫血症状。同血红蛋白一样，肌红蛋白的血红素辅基的Fe(II)离子，也能与CO ，NO 配位。
三、蚯蚓血红蛋白
蚯蚓血红蛋白分子含有铁，但不含铁卟啉辅基，是一种非血红素铁蛋白。对星虫的蚯蚓血红蛋白的研究比较详细，它的相对分子质量为108000，由8个亚单位组成。每个亚单位含有113个氨基酸残基和两个铁离子。从其它一些组织和物种中也分离到以其它低聚物形式存在的蚯蚓血红蛋白。例如，从昆虫纲动物肌肉中分离得到的蚯蚓血红蛋白是个单亚单位的，称为肌蚯蚓血红蛋白（myohemerythrin ）。无论在结构上还是功能上，肌蚯蚓血红蛋白都与蚯蚓血红蛋白相似，就如肌红蛋白与血红蛋白想似一样。
此外，从昆虫纲其它物种中还发现蚯蚓血红蛋白的二聚体、三聚体和四聚体，其亚单位也与八聚体的相似。
蚯蚓血红蛋白的主要生理功能是在低等生物体内输送氧。分子中的每两个铁离子结合一个O 2。蚯蚓血红蛋白的氧合型呈紫红色，脱氧型无色。它的氧合能力不受pH 值的影响，氧合过程中，两个Fe(II)被氧化为Fe (III)，而O 2被还原为O 2–。蚯蚓血红蛋白的载氧方式以及载氧时铁离子氧化态改变，都不同于血红蛋白和肌红蛋白，但它的氧合能力比血红蛋白或肌红蛋白高5~10倍。穆斯堡尔谱研究表明，脱氧蚯蚓血红蛋白的Fe(II)和氧合蚯蚓血红蛋白的Fe (III)都处于高自旋态。脱氧蚯蚓血红蛋白在室温下的磁化率显示它有4个不成对电子，也说明Fe(II)是高自旋的。
各种谱学方法 (如吸收光谱、穆斯堡尔谱、共振拉曼、圆二色谱、NMR) 、磁化率和X 射线衍射技术研究结果证实，脱氧蚯蚓血红蛋白亚单位中两个相距0.325~0.5nm的Fe(II)离子与多肽链的七个氨基酸残基配位。三个组氨酸残基与其中的一个铁离子配位，另外二个组氨酸残基与别一个铁离子配位。一个谷氨酸残基和一个天各氨酸作为桥联配体以其羧基的两个氧原子分别与两个铁离子配位。此外，连接两个铁离子的还有一个桥联氧原子。脱氧蚯蚓血红蛋白中的桥联氧原子是质子化的，氧合蚯蚓血红蛋白中的桥联氧原子是未质子化的。脱氧蚯蚓血红蛋白中，三个组氨酸残基的咪唑氮原子、谷氨酸和天冬氨酸残基的羧基氧原子以及桥联氧原子与一个铁离子配位，形成六配位的八面体构型，另两个组氨酸残基咪唑氮原子、谷氨酸和天冬氨酸残基的羧基氧原子以及桥联氧原子与另一个铁离子配位，形成五配位的三角双锥几何构型。氧合时，分子氧是以过氧阴离子形式通过端基方式键合到五配位铁离子上的，这种成键模式使两个铁离子都为六配位并大致为八面体构型。蚯蚓血红蛋白结合部位的强疏水性环境不利于稳定通过端基方式键合到铁离子的过氧阴离子，已经发现，氧合蚯蚓血红蛋白的过氧阴离子是质子化了的。由于分子氧的键合与pH 无关，显然，过氧阴离子质子化所需质子不是从溶剂中获得而是由蛋白本身所提供的。研究证实， 过氧阴离子质子化是脱氧蚯蚓血红蛋白μ−羟桥质子转移的结果。脱氧蚯蚓血红蛋白和氧合蚯蚓血红蛋白铁中心立体结构。
蚯蚓血红蛋白氧合过程中质子和电子从金属离子到分子氧的转移，人们提出了两种可能的机理：一种认为，质子转移包含在两次单电子转移过程中；另一种认为，质子转移发生于双电子转移之后。虽然仍没有强有力的数据证明明何种机理正确，但NO 键合到脱氧蚯蚓血红蛋白后的拉曼光谱表明，在混合价态化合物中存在着NO 与 μ−羟桥间氢键。这与第种机理是相似的。
四、血蓝蛋白
许多无脊椎动物(如:虾、蟹、贝、蛤、乌鱼、鲎等) 的血液均呈不同深浅的蓝色, 这是因为在它们的血液中的呼吸蛋白不是习见的血红蛋白，而是血蓝蛋白。血蓝蛋白又称血蓝素。它是在某些软体动物即无脊椎动物如头足动物、章鱼、乌贼、蜗牛和石鳖属等、节肢动物(螃蟹、虾、蜘蛛和甲壳虫) 的血淋巴中发现的一种游离的蓝色呼吸色素。血蓝蛋白是以一价铜离子作为辅基的蛋白质。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，氧化时呈青绿色，还原时呈白色。血蓝蛋白分子由Cu 2+和1个约200个以上氨基酸的肽链结合而成，和血红蛋白一样，该呼吸色素的颜色也与其状态有关，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。节肢动物的血蓝蛋白一条多肽链与一分子氧结合，含铜量
0.17％；软体动物的血蓝蛋白一条多肽链则与6分子氧结合，含铜量0.025％。铜以二价形式与蛋白直接结合。血蓝蛋白有多种催化作用，特别是变性后，在特定条件下具有多酚氧化酶、过氧化氢酶和脂氧化酶等活性。
1．血蓝蛋白的结构
组成血蓝蛋白的亚单位数目较多。每个亚单位都含有两个Cu (I)离子，相对分子质量一般为
50000~74000。不同蛋白质所含亚单位数目不同，有些血蓝蛋白的相对分子质量可能9×106。软体血蓝蛋白是圆柱状分子，含有10~20亚单位，每个亚单位(相对分子质量为3.5×105~4.5×105) 有7~8个功能单元(氧分子结合部位) 。节肢血蓝蛋白由六聚体或多个六聚体组成，相对分子质量约为3.5×106，每个亚单位 (相对分子质量为7.5×104) 含有一个氧合中心。血蓝蛋白的生理功能是输氧。氧合血蓝蛋白的铜是Cu (II)并呈蓝色，在347nm 附近有吸收峰，这是由扭曲四面体场中的d-d 跃进产生的。脱氧血蓝蛋白呈无色。
X 射线衍射技术大大增加了人们对血蓝蛋白的认识。虽然目前仍未测出软体血蓝蛋白的晶体结构，但节肢血蓝蛋白的晶体结构分析提供了血蓝蛋白分子活性部位的结构信息。龙虾血蓝蛋白亚单位由三个结构区域组成。区域I 由蛋白的前175个氨基酸残基组成，有大量的α-螺旋二级结构；区域II 大部分也为α-螺旋二级结构，由225个氨基酸残基(176~400)和作氧分子键合部位的双铜离子组成；剩余的258个氨基酸残基(401~658)构成区域III ，并且类似于如超氧化物歧化酶等其它蛋白的β-折叠二级结构。在区域II 的双铜活性中心中，每个铜离子与三个组氨酸残基的咪唑氮配位。未氧合时，二个铜离子相距约46pm ，相互作用很弱，没有发现二个铜离子之间存在着蛋白质本身提供的桥基。此时，每个铜离子与三个组氨酸残基咪唑氮的配位基本上是三角形几何构型。氧合后，Cu(II)为四配位或五配位，两个铜离子与两个氧原子(过氧阴离子) 和六个组氨酸残基中最靠近铜离子的四个组氨基酸残基咪唑氮强配位。此时，在一个近似的平面上，每个铜离子呈平面正方形几何构型，这是Cu(II)最有利的配位状况。氧分子以过氧桥形式(μ− η2η2) 在连接两个Cu (II)，两个Cu(II)相距约36pm 。与血红蛋白类似，氧合血蓝蛋白的氧合曲线呈S 形，pH 变化也显著影响血蓝蛋白的氧合能力。
一般认为，血蓝蛋白的主要生物学功能与机体内的输氧有关，它与血红蛋白和蚯蚓血红蛋白并称为动物界中的3种呼吸蛋白。但近年来研究表明，血蓝蛋白是一种多功能蛋白，它不仅具有输氧功能，而且还与能量的贮存，渗透压的维持以及蜕皮过程的调节有关。特别引起学术界重视的是，血蓝蛋白还具有酚氧化物酶活性和抗菌功能，被认为是节肢动物和软体动物中的一种重要的免疫分子。
血蓝蛋白的抗病毒作用
Zhang Y L等首次证明血蓝蛋白具有非特异性抗病毒作用。应用亲和层析从斑节对虾血清中分离出2种能与白斑杆状病毒和虹彩病毒结合的多肽，分子质量分别为73 ku和75 ku，经质谱分析鉴定为血蓝蛋白，将血蓝蛋白和病毒混合后添加到细胞培养液，培养3 d后发现细胞只受到较轻微的破损。而不含血蓝蛋白的对照组细胞则完全裂解。如果延长培养时间，试验组细胞也相继裂解。随后选用6种DNA 或RNA 病毒进行分析，结果发现其半抑制浓度约为4.56 mg/L～6.64 mg/L。这些结果表明，血蓝蛋白在低浓度时是潜在的病毒抑制物，但血蓝蛋白不能完全抑制病毒的复制。
研究发现血蓝蛋白的两个亚基在免疫功能上有很大差异，Lei K Y等]报道，血蓝蛋白的两个分子质量73 ku和75 ku的亚基，只有75 ku的PjHcL 亚基具有抗病毒功能，PjHcY 亚基不具有抗病毒功能，它意味着这两个血亚基可能起不同的角色。从序列和结构的比较发现，尽管这两个亚基是高度保守的，它们表现出一定的差异在N 端域和C 端域。比对两个亚基的氨基酸结构发现，在铜离子结合位点及第2功能区两个亚基结构完全相同，只有在第3功能区PjHcL 亚基和PjHcY 亚基的氨基酸α、β构型不同。Lei 等采用RTPCR 技术精确验证了这一结果，并且发现了两个亚基的不同免疫功能，为以后研究血蓝蛋白的免疫学功能提供了更明确的依据。
总之，血蓝蛋白的免疫防御功能是近年来无脊椎动物免疫学领域的最新发现，在免疫反应中，仅可表现出酚氧化酶的功能，而且可裂解产生不同分子质量大小的抗菌片段以抵御病原的入侵。虽然其免疫机理目前尚不十分明确，但随着无脊椎动物上的演变相信其确实情况必将阐明。
2．血蓝蛋白的血凝作用
近年来国内外研究表明，血蓝蛋白及其裂解片段具有多种免疫功能。章跃陵等以采自汕头的南美白对虾为研究对象，采用亲和层析、PAGE 、SDSPAGE 、Western blot、血细胞凝集试验和糖抑制试验等方法探索南美白对虾血蓝蛋白的血细胞凝集活性。结果发现，血蓝蛋白对试验所选用的鱼、鸡、鼠和人等4种红细胞均具有显著的血细胞凝集活性，凝集活性大小为5 mg/L～10 mg/L，而且其凝集反应可被α半乳糖、αD 葡萄糖、甘露醇和N 乙酰神经氨酸等4种糖所显著抑制。不过，与一般的凝集素相比，血蓝蛋白的凝集活性大概低1个～2个数量级，它在虾血清中含量上的丰富也许可以弥补其凝集活性上的不足。既往研究中，发现血蓝蛋白蛋白斑点的肽质量谱峰值可以与流感病毒的血凝素相匹配，其序列覆盖率为37%。由此推测，血蓝蛋白确实具有血细胞凝集活性，这对进一步研究血蓝蛋白的免疫学功能具有重要意义。
研究证实，血蓝蛋白可能由酚氧化酶进化而来，酚氧化酶级联系统的激活又与甲壳动物体内凝血蛋白的凝血机制紧密相关。研究发现血蓝蛋白也具有凝集活性。这些研究结果提示，血蓝蛋白、酚氧化酶及凝血蛋白可能是由同一蛋白进化而来，而血蓝蛋白这一多功能分子却保留了它们全部的免疫学功能。
3．血蓝蛋白的抗菌作用
血蓝蛋白裂解产生的抗微生物肽与对虾的免疫反应有关。近来又在大西洋白对虾和凡纳对虾的血淋巴中分离到3种带负电荷的抗真菌活性肽类，与血蓝蛋白C 端序列的一致性达95%～100%。当对虾被感染后，血淋巴中这种血蓝蛋白C 端序列的活性肽浓度升高，这表明血蓝蛋白的裂解是由生物学信号引起的。Lee S Y等从淡水螯虾血浆中得到一种由16个氨基组成的抗菌肽，能抑制G 和G 细菌的生长。这种抗菌肽是血蓝蛋白在酸性条件下经蛋白酶剪切产生。注射脂多糖和葡聚糖可促进血蓝蛋白产生和释放这种肽。这说明抗微生物肽可以被诱导、释放和激活，从而在肌体的免疫防御中起作用。虽然到目前为止，血蓝蛋白的加工机制还不十分清楚，但它们在甲壳动物免疫系统中所起的作用不容忽视，因此进行深入细致的研究，搞清楚其免疫机制，对于甲壳类经济动物的疾病控制是至关重要的。
此外，虾类血蓝蛋白的研究加深了人们对低等脊椎动物免疫防御机制的认识，为日益严重的虾类病害防治开辟了崭新的途径。同时，随着虾类转基因技术的发展，人们有可能通过转血蓝蛋白基因获得抗＋－
病新品种[32]。可以相信，随着研究的不断深入，虾类血蓝蛋白将对世界水产渔业的可持续发展起到重要的作用。
近年来，随着血蓝蛋白多种功能的不断发现，特别是免疫活性的发现，血蓝蛋白的功能、作用机理、进化地位已经引起各国学者的浓厚兴趣。进一步研究血蓝蛋白功能对于丰富和发展无脊椎动物，特别是甲壳类动物生理生化和免疫系统的基础研究，探索免疫这些结果表明，血蓝蛋白具有广谱抗细菌、真菌、病毒功能及独特的作用机理，有可能成为抗菌、抗病毒及抗肿瘤药物的新来源[31]。我国是海洋大国，开发和利用海洋动物血蓝蛋白资源，将为研制抗菌新药提供理想分子设计骨架和模板，为发展新的抗感染药物奠定重要基础。
第二节 氧载体的模型化合物
一、氧载体模型化合物研究概况
天然氧载体在生物体内输送或贮存氧气，主要是通过结合到蛋白质上的铁铜过渡金属与氧分子可逆配位来实现的。化学家对这一现象及其机理产生了极大兴趣。为了弄清生物体内结构十分复杂的氧载体（oxygen carriers）与氧分子相互作用的机制，特别是活性中心部位与氧的成键情况，人们除了直接用天然氧载体作研究对象之外，还合成了许多结构较简单并能可逆载氧的模型化合物进行研究。
目前，已知道CO 2+、 Fe 2+ 、Mn 2+、Rh +、Ir +、Ru 0、Os 0、Ni 0、Pt 0 等过渡金属的配合物具有可逆载氧性能。其中化学家最感兴趣的是铁和钴的配合物。前者可直接模拟血红蛋白和肌红蛋白，后者能提借研究金属键合氧分子的较简单和最有效的模型。
1985年人们就发现Co(II)盐的氨水溶液露置空气中变色。1898年Werner 等确证变色的物种是[(NH3)
4+5Co(O2)Co (NH3) 5]。但公认的第一人工氧载体是日本化学家妻木1938年报道的[Co(salen)] 配合物。他
肯定这种配合物露置空气中变色是由于对氧分子的可逆吸收。随后Calvin 等确定了[Co(salen)]和O 2形成1:1与2:1两种配合物。从那时起科学家合成了很多Co(II)氧载体，但当时只局限于测定固态氧载体的吸氧量和可逆载氧能力，应用上主要作为分离O 2和富集18O 2的试剂。1969年Floriani 和Caldenrazzo 研究了水杨醛亚胺合钻及其衍生物，发现它们在常温下可逆载氧，并首次成功分离出1:1型固体载氧配合物
[Co(3-MeO salen)]Py·O 2。
几乎与Floriani 同时，Basolo 和Crumbles 等人开始对[Co(acacen)] 配合物及其衍生物的载氧性质进行研究。他们的丰硕研究成果吸引了许多无机化学家。研究对象扩展到各类西佛碱、酞箐、双肟、维生素B 12、辅酶及卟啉钴(II) 配合物，使人工氧载体研究成为20世纪70年代无机化学相当活跃的课题。由于血红蛋白和肌红蛋白的活性中心是铁卟啉，因此合成和表征Co(II)卟啉和Fe(II)卟啉就成为研究者最热心的课题，1970年以来在这方面做了不少工作，并取得了一定进展。
在研究氧载体模型化合物过程中，已合成出许多种高效的人工氧载体，可作为长期运离基地的潜水艇和高空轰炸机的氧源。在合成具有可逆载氧功能的人造血液研究方面，日本和中国也于20世纪70年代末取得突破，合成了与血红蛋白性能相似的人造血，并在临床应用上获得成功。
二、钴(II)氧载体
1. 钴(II)配合物的载氧反应和结构
钴(II)离子能与讲多配体生成钴(II)配合物。其中有一些能可逆载氧，其载氧反应如下：
LCo II + O2 =LCoIII O 2−
LCo III O 2− + LCoII =LCoIII O 22−Co III L
在生成的钴氧加合物中，钴(II)形式上被氧化，O 2形式上被还原。O 2在1：1氧加合物中被还原为超氧离子O 2−，在2:1氧加合物中被还原为过氧离子O 22−。
在钴(II)氧载体中一般以N 、O 、S 、作为配位原子。其中，以氨、胺、氨基酸、肽和西佛碱等作为配体的钴(II)氧载体，一般形成μ−过氧桥配合物[LCoO2CoL]；而以西佛碱、咕啉、卟啉等为配体的，一般生成超氧配合物[LCoO2]。
西佛碱通常指由胺与醛或酮缩合而成的化合物。作为氧载体配体的西佛碱一般是平面型四齿的，但也有五齿。在西佛碱母体引入不同基团能改变钴(II)西佛碱配合物的电子结构、溶解性和空间位阻。同卟啉相比，西佛碱容易制备，分子结构简单，但其电子离域性比卟啉差。
[Co(bzacen) (Py) ]与O 2作用形成的氧加合物，经X 射线衍射技术证实是超氧配合物[Co(bzacen) (Py) O 2]。它的O —O 键长为126pm ，与超氧化钾KO 2的O —O 键长128pm 接近。
[Co(salen)(DMF)]、[Co(salen)(DMSO) ]和[Co(salen)(Py) ]在低温下与O 2作用也生成超氧配合物。一般认为，平面型四配位的西佛碱钴(II) 配合物只有第五配体配位后才能载氧。上述[Co(salen)]，配合物能够
载氧是由于溶剂分子DMF 、DMSO 和吡啶分别作为第五配体配位的结果。[Co(salen)]在苯、甲苯、三氯甲烷、丙酮、四氢呋喃等非配位溶剂中刚不能吸氧。根据五配位的Co(II)配合物的顺磁共振研究结果，Co(II)的电子排布可能是(dyz ) 2 (dzx ) 2 (dx 2-y 2) 2 (dz 2) 1 (dxy ) 0或(dyz ) 2 (dzx ) 2 (dxy ) 2 (dz 2) 1 (dx 2-y 2) 0。Co(II)超氧配合物都是顺磁性的，磁矩为1.6~2.2BM，有一个未成对电子。B.M.Hoflman 等人经过计算后认为，在钴(II) 超氧配合物中，等人经过计算后认为，在钴(II)超氧配合物中，90%的电子自旋密度已从Co 思索移到O 2上，Co 与O 2的键合是Co(II)的d z 2 单电子与O 2的反键π*轨道的电子自旋成对。Co(II)超氧配合物中O 2−的单电子与LCo(II) 的d z 2单电子相互作用成键，会生成μ−过氧配合物。
[Co(salen)]在DMF 、DMSO 或吡啶等溶剂中，只有在低温下才全部生成1:1的超氧配合物，在室温下会生成2:1的μ−过氧配合物，但反应速度相当缓慢。[Co(salen)]在DMSO 溶液中载氧反应的动力学曲线。当体系的氧分压较高时，初始阶段配合物迅速吸氧，在很短时间内n>0.5，达到最大吸氧时又较快地下降，然后逐渐趋近0.5，形成2:1的μ−过氧配合物。这就说明在氧分压高时，随着μ−过氧配合物生成，反应向左解离出O 2和LCo(II)，使LCo(II)反应生成μ−过氧配合物。当体系氧分压降低时，在初始阶段不出现n>0.5的情况， 而是随着反应时间延长逐渐接近n=0.5， 这说明氧分压低时，向左反应的影响较小。X 射线衍射技术证实，Co(II)的μ−过氧配合物中的O —O 键长一般接近过氧化物的O —O 键长(Na2O 2的O —O 键长为149pm) ，两个Co —O 键夹角一般为90°~180°。
无论是超氧或μ−过氧配合物，升高温度或减压时都能释放出全部O 2，在一定条件下Co(II)配合物可重新载氧。放氧和载氧可反复多次，但每次载氧能力均略有下降，这说明在循环过程中同时发生Co(II)
配合物分解。这些钴μ−过氧配合物的研究，为认识蚯蚓血红蛋白和血蓝蛋白的载氧方式提供了有用的线索。
2. 配位体性质对Co(II)配合物载氧的影响Co(II)配合物能否载氧及其载氧方式受配体性质、温度、溶剂和体系的氧分压等因素影响。关于温度、溶剂、氧分压的影响已在前面提及，下面着重介绍配体性质对Co(II)配合物载氧反应的影响。
（1）空间位阻效应的影响。
配体空间位阻效应会影响Co(II)配合物键合氧分子。当改变西佛碱中亚胺碳原子上的取代基时，产生的空间位阻会影响轴向配体和分子氧与Co(II)离子作用。例如[Co(salen)]配合物是平面正方形构型，在DMF 、DMSO 或吡啶溶剂中和室温下会吸氧生成μ−过氧配合物。如果salen 配体的乙二胺的取代基越多，取代基空间位阻越大，吸氧速度越慢，载氧平衡常数越小，越不利于μ−过氧配合物生成。
（2）平面配体的影响。
平面配体对Co(II)配合物键合O 2的影响主要有两个方面。一是配位原子的性质，即电负性，形成反馈π键的能力等。例如，当配体acacen 中的氧原子被硫原子取代变成sacacen 时，Co(II)配合物与O 2生成的Co —O 键变得很弱。这是由于S 原子通过Co(II)与S 之间的d→dπ*反馈将Co(II)的电子拉走，使Co(II)的电子密度降低，导致配合物载氧能力下降。二是金属离子的电子密度在整个平面配体的π离域性，离域性越大，载氧能力越低。像金属卟啉的电子离域程度比西佛碱大，因此它只有在强碱性配体作轴向配体时才能载氧。
（3）轴向配体的影响。
对于平面配体的Co(II)配合物，轴向配体的配位是其氧合的前提条件。配体共轭酸的pK a 是配体配位能力的标志，一般来说，配合物的载氧能力与轴向配体的pK a 没有直接的联系。例如，1-甲基咪唑 (pKa =7.25)比哌啶(pKa =11.3)更能促进配合物的氧合作用。对于具有π电子给予能力的轴向配体而言，在不考虑其空间位阻的条件下，配合物的载氧能力随轴向配体pK a 增大而增大。因为分子氧与金属配合物的键合，包括了分子氧的非键sp 2孤对电子对金属d z 2轨道的σ给予和伴随出现的电子从金属的充满d xz (或d yz ) 轨道进入分子氧的空π*轨道而形成π反馈键的过程，分子氧会与轴向配体争夺金属的π-反馈键的电子密度。好的π电子给予配体，通过增加π-反馈的电子密度而促进氧合作用。
三、铁 (II) 载氧体
化学家们早在20世纪50年代已经开始研究人工合成铁氧载体，但直到70年代才逐步找到恰当的合成方法。过去合成铁氧载体遇到的主要困难是Fe(II) 配合物与O 2作用生成不能可逆载氧的μ− O二聚体Fe III −O−FeIII 。虽然这一过程的详细机理还没有完全弄清楚， 但是在固相反应时生成的μ− O二聚体的机制。1975年Basolo 在研究四苯基卟啉铁与O 2反应动力学的基础上，提出如下机制：
LFe II (Por) + O2 =LFeIII (Por)(O2−)
LFe III (Por) (O2−) + FeII (Por) =LFeIII (Por)−O22−−LFe III (Por)L
LFe III (Por) − O22− − Fe III (Por)L =LFeIII (Por)−O− LFeIII (Por)L
但也有人认为 μ− O二聚体的形成按另一途径进行，过氧加合物分子先发生断裂：
L III Fe(Por) − O22− − FeIII (Por)L =2LFeIV (Por)−O2−
LFe IV (Por) − O2− + LFeII (Por) =LFeIII (Por) −O2−− FeIII (Por)L
血红蛋白和肌红蛋白的铁卟啉辅基处于多肽链盘绕之中，正是这种空间位阻效应能够阻止两个血红素的Fe(II) 离子互相靠近，抑制了不可逆载氧的Fe(III)-O-Fe(III)生成，因此能够可逆载氧。人们据此进行了大量研究，已经找到防止Fe(II)配合物生成μ−O 二聚体的的三种有效途径：①在Fe(II)配合物内设置空间位阻；②在低温下使Fe(II)配合物生成μ−O 二聚体的反应非常慢；③把Fe(II)配合物固载在有一定刚性的载体表面。
四、Vaska 型氧载体
1963年L. Vaska合成了[IrCl (CO) (PPh3) 2]氧载体，其中Ir +属于d 8电子组态，PPh 3为三苯基膦。这个配合物在苯溶液中能可逆键合氧分子，生成1:1的双氧配合物。
配合物与氧分子反应前溶液黄色，反应后变为红色。经X 射线衍技术证实，这种Vaska 型氧载体加合物分子为三角双椎构型，氧分子以侧基和Ir +键合，O —O 键长130pm ，Ir —O 键长209pm 。红外光谱测得氧分子的伸缩振动频率V O —O = 858cm-1，说明键合的氧分子有过氧基的特性。 由此推测，中心离子需反馈两个电子给氧分子。Ir +与O 2键合时形成两个三中心配键，其中一个是氧分子的成键π电子给予Ir +离子的空d 轨道形成σ配键，另一个是由 Ir + 离子充满电子的未成键d 轨道反馈给氧分子的反键π*轨道形成反馈π键。膦配位的主要作用是阻止氧分子接受来自铱的电子而不可逆还原，以保持铱的低价氧化态(+1)，同时又促进上述反馈π键形成。
由于Vaska 型氧载体的中心金属原子或离子需要反馈两个电子给配体的氧分子，所以d 10组态的金属原子或低价态的金属离子更有利于生成Vaska 型氧载体。它们是含有大量d 电子的软的π电子对给予体，与软的 π 电子接受体分子氧强烈作用，d 10金属原子以它的外层空s 和p 轨道杂化来接受O 2成键 π 电子形成 σ 配位键，而它们的充满电子的d 轨道反馈给O 2的反键π*轨道形成反馈π键。事实上，已经发现，Pt 0、Pd 0、和Ni 0的4-三苯基膦配合物[M (PPh3) 4]在甲苯或苯溶液中也能与氧分子生成1:1的加合物
[ (PPh3) 2M (O2) ]。用红外光谱测定[(PPh3) 2Pt(O2) ]和[(PPh3) 2Pd (O2) ]的O-O 键伸缩振动频率分别为830和880cm -1，可见键合的氧分子具有过氧基的特征。[(PPh3) 2Pt(O2) ]单晶结构参数证实，键合的氧分子的O —O 键长为145pm ， 两个氧原子和两个磷原子与Pt 原子几乎处在一个平面上。
五、铜 (I) 氧载体
化学家对合成血蓝蛋白的模型化合物颇感兴趣。1978年M.G.Simmons 和L.J.Wilson 合成了以咪唑作为配体的Cu(I)配合物，在室温下无论是溶液或固体都能可逆载氧。他们用2，6-二乙酰基吡啶与组胺缩合，得到配体2，6-[1- (2-咪唑-4-亚乙基亚氨基) 乙基]吡啶，然后在氮气保护下加入[Cu (I)(MeCN) 4](ClO4) 得到暗红色的[Cu(I)](ClO4) 配合物。该配合物在溶液中以单体形式存在。Cu (I)离子的配位数为5。在室温下露置于空气中，溶液迅速从红色变为绿色，约2分钟后反应完全，每2molCu (I)吸收1molO 2。如果把载氧后的溶液温热至40°C 左右并用氮气赶跑气体，或在减压下搅拌溶液，很容易发生放氧逆反应，溶液恢复原来的红色。如此重复实验证实它能可逆载氧。据此推测可能存在下列反应：
LCu I + O2 =LCuII O 2−
LCu II O 2− + CuI L =LCuII O 22−Cu II L
六、人造载氧血液
世界各国的化学家和生物学家很早已致力于合成类似血红蛋白结构并具有载氧生理功能的人造血液研究，以满足外科手术、战地救护、失血过多病人个血液病患者的需要。但是接近真血液功能的人造血液至今未能获得成功。人造载氧血液主要成分的氟碳化合物主要有全氟醚、全氟三丁基胺、全氟萘烷、全氟甲基萘烷以及全氟萘烷与全氟三丙基胺混合剂。人造载氧血液中还含有甘油、NaCl 、KCl 、CaCl 2、Na 2CO 3和葡萄糖等一系列物质。
经大量动物实验证明，在富氧条件下，氟碳乳剂传递氧和二氧化碳的速度比血红蛋白还要迅速。它的物理和化学性质稳定，无毒、不致癌，使用时不需检查血型。但由于它不含白血球、血小板、抗体、酶、蛋白质 、氨基酸等具有生物活性的物质，所以它的载氧机制与血红蛋白不同，主要是一种物理溶解过程，而且它没有抗菌、凝血、免疫、营养、输送金属离子等生理功能。目前，世界各国对全功能的人造真血液的研究仍十分重视。有关血液中的金属离子与各种氨基酸形成的配合物的研究相当活跃。
什么是人工血液：人工替代血液，是利用和血红蛋白相同的加工处理方法，维持血压不变，在扮演搬运各种物质角色的白蛋白中放入血红素分子，制成白蛋白血红素，这就是人工血液，严格来说祇能取代人体血液携带氧气的功能，并无法取代白血球的免疫功能与血小板的凝血功能。由日本早稻田大学、庆应大学和熊本大学研究小组成功开发出的可以大量生产和长期保存的人工血液，使用这种人工血液输血不必担心病毒感染和血型不符。动物实验显示，这种人工血液可把肺部呼吸的氧气输送到体内各个组织器官。
人工血液的发展史：近年来由于外科手术日益进步，因而输血用血液也愈感不足，迫切需要研制代用品。血液由有形成分及无形成分组成，其主要生理功能是携氧、运输氧和营养物质，清除二氧化碳和代谢产物以及免疫防御等。多年来曾研究了血浆、血浆成分的制品及各种血细胞悬液，以期合理而节约地使用血液。其后又研制了许多种血浆代用品，目前广泛使用的有右旋糖酐、明胶代血浆和羟乙基淀粉。它们都是胶体溶液，其扩充血浆容量的效果显著，但均不具备血液气体交换的主要功能。
输血时配血费时又易发生错型，此外由于输血而传播肝炎及艾滋病的危险也无法妥善解决，故而有待研制出既可携带又无毒害的人工血液，这对平时和战时的医疗来说都是极为重要的课题。
1966年Clark 等发现，美国3M 公司所制全氟碳化合物、对氧的溶解度约为水的20倍，携氧能力为血红蛋白的数倍，在氟碳化物中给以一个大气压的氧，小鼠得以生存。
1967年Sloviter 等以白蛋白为稳定剂的全氟碳化合物乳剂对大鼠实行脑灌流成功。
1968年Geger 等以全氟三十胺乳剂给大鼠进行血液交换接近100％，大鼠生存八小时。其后Clark 动物试验心脏灌流成功。
1970年光野、火柳等以狗试验，用氟碳化合物作90％血液交换，生存一年以上，这是在动物中以人工血液进行全血交换的第一次成功。其后火柳等与日本绿十字中央研究所共同研究达11年。初期研究全氟碳化合物乳剂的携氧及二氧化碳能力，并可保持离体器官组织较长期存活；后期研究活体输入全氟碳化合物乳剂，力求减少副作用。经反复改进，在猴体内进行99％的换血，无一例失败，全部长期存活。
据《读卖新闻》报道，早稻田大学名誉教授土田英俊领导的研究小组把目光转向血液中可维持血压不变的白蛋白。研究人员在白蛋白中加入了血红素分子，结果制成了白蛋白血红素，即人工血液。动物实验显示，这种人工血液可将肺部吸入的氧气输送到体内各个组织器官。
延安大学化学与化工学院教学方案
[授课提纲6] 第六章 氧载体
第一节 天然氧载体
天然氧载体分为三类：含血红素辅基的蛋白；不含血红素的铁蛋白；含铜的蛋白。
血液主要成分为血浆、血细胞和血小板三种。血细胞又分为红细胞和白细胞。血液中含有各种营养成分，如无机盐、氧、代谢产物、激素、酶和抗体等，有营养组织、调节器官活动和防御有害物质的作用。
血液的功能是什么：运输；参与体液调节；保持内环境稳态；防御功能。
一、卟啉：血红蛋白和肌红蛋白载氧的活性部位是血红素辅基——铁卟啉。卟啉的骨架是卟吩。
1. 卟啉化合物的命名原则是1926处由H.Fischer 提出的，如结构式 (a) 他把卟吩的四个吡咯环编为I 、II 、III 、IV ；它们的8个顶点依次为1、2、…、8；四个次甲基分别为α、β、γ、δ。1960年国际纯粹化学和应用化学联合会 (IUPAC) 提出新的命名原则。卟啉是重要的生物配体。哺乳动物体内约70%的铁元素与卟啉形成配合物。血红素是铁卟啉一类配合物的总称。血红素与相应的蛋白质结合成为血红素蛋白。这个高度共轭体系极易受吡咯环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。卟啉环上的四个吡咯氮原子表现酸碱两种性质。
2. 卟啉与金属离子配位作用
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。卟啉环骨架的结构参数。卟啉与不同的金属离子配位以后，吡咯氮原子与中心金属离子的距离各有不同，卟啉环骨架又具有一定程度刚性。在金属卟啉分子里，如果轴向配体不同，它的性质就可能发生变化。
血紫质病系由先天性卟啉代谢紊乱，卟啉前体或叶啉在体内聚积所致。临床表现。根据卟啉的病理生理，当血红素生成障碍，失去负反馈作用，就失去对a-氨基酸酮戊酸合成酶的抑制作用。
二、血红蛋白和肌红蛋白
1．血红蛋白和肌红蛋白的结构
2．血红蛋白的主要功能
3．血红素的铁与氧键合的几种理论模型
4．影响血红蛋白和肌红蛋白与O 2键合的因素： O2分压的影响； pH值的影响；某些小分子配体的作用。
三、蚯蚓血红蛋白：蚯蚓血红蛋白分子含有铁，但不含铁卟啉辅基，是一种非血红素铁蛋白。对星虫的蚯蚓血红蛋白的研究比较详细，它的相对分子质量为108000，由8个亚单位组成。每个亚单位含有113个氨基酸残基和两个铁离子。从其它一些组织和物种中也分离到以其它低聚物形式存在的蚯蚓血红蛋白。蚯蚓血练蛋白的主要生理功能是在低等生物体内输送氧。
四、血蓝蛋白：血蓝蛋白是以一价铜离子作为辅基的蛋白质。它存在于软体动物 (如章鱼、乌贼、蜗牛等) 和节足动物 (如螃蟹、虾、蜘蛛等) 的血液里。组成血蓝蛋白的亚单位数目较多。每个亚单位都含有两个Cu (I) 离子，相对分子质量一般为50000~74000。不同蛋白质所含亚单位数目不同。软体血蓝蛋白是圆柱状分子，含有10~20亚单位，每个亚单位有7~8个功能单元(氧分子结合部位) 。
第二节 氧载体的模型化合物
一、氧载体模型化合物研究概况
天然氧载体在生物体内输送或贮存氧气，主要是通过结合到蛋白质上的铁铜过渡金属与氧分子可逆配位来实现的。人们除了直接用天然氧载体作研究对象之外，还合成了许多结构较简单并能可逆载氧的模型化合物进行研究。目前，已知道CO 、 Fe 、Mn 、Rh 、Ir 、Ru 、Os 、Ni 、Pt 等过渡金属的配合物具有可逆载氧性能。
1985年人们就发现Co(II) 盐的氨水溶液露置空气中变色。
1898年Werner 等确证变色的物种是[(NH3) 5Co (O2) Co (NH3) 5]。
1969年Floriani 和Caldenrazzo 研究了水杨醛亚胺合钻及其衍生物，发现它们在常温下可逆载氧，并首次成功分离出1:1型固体载氧配合物[Co(3-MeO-salen)]Py·O2。
二、钴(II)氧载体
1．钴(II)配合物的载氧反应和结构
钴(II)离子能与讲多配体生成钴(II)配合物。其中有一些能可逆载氧。在生成的钴氧加合物中，钴 (II) 形式上被氧化，O 2形式上被还原。O 2在1：1氧加合物中被还原为超氧离子O 2，在2:1氧加合物中被还原为过氧离子O 2。在钴(II)氧载体中一般以N 、O 、S 、作为配位原子。其中，以氨、胺、氨基酸、肽和西佛碱等作为配体的钴(II)氧载体，一般形成 μ−过氧桥配合物[LCoO2CoL]；而以西佛碱、咕啉、卟啉等为配体的，一般生成超氧配合物[LCoO2]。
2. 配位体性质对 Co(II) 配合物载氧的影响Co(II) 配合物能否载氧及其载氧方式受配体性质、温度、溶剂和体系的氧分压等因素影响。
（1）空间位阻效应的影响。
（2）平面配体的影响。
（3）轴向配体的影响。
三、铁 (II) 载氧体：1975年Basolo 在研究四苯基卟啉铁与O 2反应动力学的基础上，提出如下机制：
LFe (Por) + O2 =LFe(Por)(O2−) II III
III −II III 2−III 2−−4+2+2+2+++0000LFe (Por) (O2) + Fe(Por) =LFe(Por) − O2 − LFe(Por)L
LFe (Por) − O2− − Fe(Por)L =LFe(Por) − O − LFe(Por)L III 2III III III
+8四、Vaska 型氧载体：1963年L. Vaska 合成了[IrCl (CO) (PPh3) 2]氧载体，其中Ir 属于d 电子组态，
PPh 3为三苯基膦。这个配合物在苯溶液中能可逆键合氧分子，生成1:1的双氧配合物。
五、铜 (I) 氧载体：化学家对合成血蓝蛋白的模型化合物颇感兴趣。1978年M. G. Simmons 和 L. J. Wilson合成了以咪唑作为配体的Cu (I) 配合物，在室温下无论是溶液或固体都能可逆载氧。他们用2，6-二乙酰基吡啶与组胺缩合，得到配体2，6-[1- (2-咪唑-4-亚乙基亚氨基) 乙基]吡啶，然后在氮气保护下加入[Cu (I) (MeCN) 4] (ClO4) 得到暗红色的[Cu (I) ] (ClO4) 配合物。
六、人造载氧血液
什么是人工血液。
人工血液的发展史。
第六章 氧载体
教学目的
应用配位化学理论知识解决生物无机化学中氧载体的配位机理。了解人造血液的研究及其生物意义。 教学重点
天然氧载体的结构及其作用原理。
教学难点
天然氧载体的作用原理。
主要内容
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，能把从外界吸入体内的氧气运送到各种组织，借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化学本质，可以把天然氧载体分为三类：①含血红素辅基的蛋白，如血红蛋白和肌红蛋白；②不含血红素的铁蛋白，如蚯蚓血红蛋白；③含铜的蛋白，如血蓝蛋白。下表列举了几种天然氧载体的若干性质。
血液是流动在心脏和血管内的不透明红色液体，主要成分为血浆、血细胞和血小板三种。血细胞又分为红细胞和白细胞。血液中含有各种营养成分，如无机盐、氧、代谢产物、激素、酶和抗体等，有营养组织、调节器官活动和防御有害物质的作用。人体各器官的生理和病理变化，往往会引起血液成分的改变，故患病后常常要通过验血来诊断疾病。人体内的血液量大约是体重的7-8％，如体重60公斤，则血液量约4200-4800毫升。各种原因引起的血管破裂都可导致出血，如果失血量较省少，不超过总血量的10％，则通过身体的自我调节，可以很快恢复；如果失血量较大，达总血量的20％时，则出现脉搏加快，血压下降等症状；如果在短时间内丧失的血液达全身血液的30％或更多，就可能危及生命。
血液有四种成分组成：血浆，红细胞，白细胞，血小板。血浆相当于结缔组织的细胞间质，为浅黄色半透明液体，血浆约占血液的55%，是水、糖、脂肪、蛋白质、钾盐和钙盐的混合物。也包含了许多止血必需的血凝块形成的化学物质。血细胞和血小板组成血液的另外45%。 有两种血细胞：红细胞和白细胞。血细胞及血小板的产生来自造血器官，红血细胞、有粒白血细胞及血小板由红骨髓产生，无粒白血细胞则由淋巴结和脾脏产生。
红细胞占大部分，看起来像有洞的圆环，不能到处穿梭，红细胞有一定的弹性和可塑性，细胞通过毛细血管时可改变形状。成熟红细胞无细胞核，也无细胞器, 胞质内充满血红蛋白。红细胞里含有一种特殊的称为血红蛋白的蛋白质，使红细胞看起来是红色的，它能携带吸仅肺内的氧至全身，集中全身的二氧化碳到肺。虽然血液含有很多非红细胞成分，但红细胞数目太大了，以至于血液本身也呈现红色。红细胞的平均寿命约120天。在机体的生命过程中，血细胞不断地新陈代谢。淋巴细胞的生存期长短不等，从几个小时直到几年。红细胞的渗透压与血浆相等，使出入红细胞的水分维持平衡。当血浆渗透压降低时，过量水分进入细胞，细胞膨胀成球形，甚至破裂，血红蛋白逸出，称为溶血；溶血后残留的红细胞膜囊称为血影。反之，若血浆的渗透压升高，可使红细胞内的水分析出过多，致使红细胞皱缩。凡能损害红细胞的因素，如脂溶剂、蛇毒、溶血性细菌等均能引起溶血。
白细胞为无色有核的球形细胞，体积比红细胞大，能作变形运动，具有防御和免疫功能。成人白细胞的正常值为4000～10000个/μ1。男女无明显差别。婴幼儿稍高于成人。血液中白细胞的数值可受各种生理因素的影响，如劳动、运动、饮食及妇女月经期，均略有增多。在疾病状态下，白细胞总数及各种白细胞的百分比值皆可发生改变。光镜下，根据白细胞胞质有无特殊颗粒，可将其分为有粒白细胞和无粒白细胞两类。有粒白细胞又根据颗粒的嗜色性，分为中性粒细胞、嗜酸性粒细胞用嗜碱性粒细胞。无粒白细胞有单核细胞和淋巴细胞两种。
血小板是哺乳动物血液中的有形成分之一。它有质膜，没有细胞核结构，一般呈圆形，体积小于红细胞和白细胞。血小板在长期内被看作是血液中的无功能的细胞碎片。在正常血液中有较恒定的数量(如人的血小板数为每立方毫米10～30万) ，在止血、伤口愈合、炎症反应、血栓形成及器官移植排斥等生理和病理过程中有重要作用。血小板只存在于哺乳动物血液中。血小板为圆盘形，直径1～4微米到7～8微米不等，且个体差异很大(5～12立方微米) 。血小板因能运动和变形，故用一般方法观察时表现为多形态。血小板结构复杂，简言之，由外向内为3层结构，即由外膜、单元膜及膜下微丝结构组成的外围为第1层；第2层为凝胶层，电镜下见到与周围平行的微丝及微管构造；第3层为微器官层，有线粒体、致密小体、残核等结构。
血细胞形态、数量、比例和血红蛋白含量的测定称为血像。患病时，血像常有显著变化，故检查血像对了解机体状况和诊断疾病十分重要。
颗粒白细胞和血小板的生存期限一般不超过10天。
血液循环是心脏节律性的搏动推动血液在心血管系统中按一定方向循环往复地流动。血液循环是英国哈维根据大量的实验、观察和逻辑推理于1628年提出的科学概念。然而限于当时的条件，他并不完全了解血液是如何由动脉流向静脉的。1661年意大利马尔庇基在显微镜下发现了动、静脉之间的毛细血管，从而完全证明了哈维的正确推断。动物在进化过程中，血液循环的形式是多样的。循环系统的组成有开放式和封闭式；循环的途径有单循环和双循环。人类血液循环是封闭式的，由体循环和肺循环两条途径构成的双循环。血液由左心室射出经主动肪及其各级分支流到全身的毛细血管，在此与组织液进行物质交换，供给组织细胞氧和营养物质，运走二氧化碳和代谢产物，动脉血变为静脉血；再经各级表肪汇合成上、下腔静脉流回友心房，这一循环为体循环。血液由右心室射出经肺动脉流到肺毛细血管，在此与肺泡气进行气体交换，吸收氧并排出二氧化碳，静脉血变为动脉血；然后经肺静脉流回左心房，这一循环为肺循环。血液分静脉血和动脉血。动脉血在体循环(大循环) 的动脉中流动的血液以及在肺循环(小循环) 中从肺回到左心房的肺静脉中的血液。动脉血含氧较多，含二氧化碳较少，呈鲜红色。静脉血血液中含较多二氧化碳的血液，呈暗红色。注意并不是静脉中流的血是静脉血，动脉血中流的是动脉血，因为肺动脉中流的是静脉血，肺静脉中流的是动脉血。
血液的功能是什么? 血液在人体生命活动中主要具有四方面的功能。
①运输。运输是血液的基本功能，自肺吸入的氧气以及由消化道吸收的营养物质，都依靠血液运输才能到达全身各组织。同时组织代谢产生的二氧化碳与其他废物也赖血液运输到肺、肾等处排泄，从而保证身体正常代谢的进行。血液的运输功能主要是靠红细胞来完成的。贫血时，红细胞的数量减少或质量下降，从而不同程度地影响了血液这一运输功能，出现一系列的病理变化。
②参与体液调节。激素分泌直接进入血液，依靠血液输送到达相应的靶器官，使其发挥一定的生理作用。可见，血液是体液性调节的联系媒介。此外，如酶、维生素等物质也是依靠血液传递才能发挥对代谢的调节作用的。
③保持内环境稳态。由于血液不断循环及其与各部分体液之间广泛沟通，故对体内水和电解质的平衡、酸碱度平衡以及体温的恒定等都起决定性的作用。
④防御功能。机体具有防御或消除伤害性刺激的能力，涉及多方面，血液体现其中免疫和止血等功能。例如，血液中的白细胞能吞噬并分解外来的微生物和体内衰老、死亡的组织细胞，有的则为免疫细胞，血浆中的抗体如抗毒素、溶菌素等均能防御或消灭入侵机体的细菌和毒素。上述防御功能也即指血液的免疫防御功能，主要靠白细胞实现。此外，血液凝固对血管损伤起防御作用。
一、卟啉
血红蛋白和肌红蛋白载氧的活性部位是血红素辅基——铁卟啉。卟啉的骨架是卟吩。卟吩由四个吡咯环以次甲基相连而成，是具有多个双键的高度共轭的大π键体系。所有卟吩衍生物统称为卟啉，它们的金属配合物称为金属卟啉。卟啉化合物的命名原则是1926处由H.Fischer 提出的，如结构式 (a) 他把卟吩的四个吡咯环编为I 、II 、III 、IV ；它们的8个顶点依次为1、2、…、8；四个次甲基分别为α、β、γ、δ。1960年国际纯粹化学和应用化学联合会 (IUPAC) 提出新的命在旦夕名原则，如结构式 (b) 。卟吩被命在旦夕名为21H ，23H-porphine 。虽然至今在文献中仍可见到Fischer 的命在旦夕名原则，但大多已采用新命名原则。本书除天然卟啉沿用Fischer 命名原则外。其它都采用新命名原则。例如存在于血红蛋白，肌红蛋白和多种细胞色素中的原卟啉IX 。此外，还有许多合成的卟啉，如5，10，15，20-四苯基卟啉。酞花箐与卟吩的结构类似，都具有等电子结构。
卟啉是重要的生物配体。哺乳动物体内约70%的铁元素与卟啉形成配合物。血红素是铁卟啉一类配合物的总称。血红素与相应的蛋白质结合成为血红素蛋白。卟器械分子有11个共轭双键。这个高度共轭体系极易受吡咯环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。卟啉环上的四个吡咯氮原子表现酸碱两种性质。
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。卟啉环骨架的结构参数，从吡咯氮到环中心的距离是0.204nm 。卟啉与不同的金属离子配位以后，吡咯氮原子与中心金属离子的距离各有不同，如高铁卟啉为0.210nm ，镍卟啉为0.195nm 。由于金属离子大小不同，卟啉环骨架又具有一定程度刚性，因此中心金属离子不一定位于卟啉环平面上。如果金属离子大小合适，它会与四个吡咯氮形成严格的平面正方形结构，如次卟啉镍(II)、四苯基卟啉锡(IV) 。某些中心金属离子则位于卟啉环平面的上方。Zn (II) 卟啉衍生物中，Zn 与卟啉平面的距离d 估计是0.033nm ；高自旋Fe (III) 卟啉，d 接近0.045nm ；高自旋Fe(II) 卟啉，d 高达0.075nm ；脱氧血红蛋白中的高自旋Fe(II) 卟啉，d 为0.075nm 。但低自旋铁卟啉，无论Fe(II)或Fe(III)都位于卟啉平面上。如果中心金属离子半径较小，甚至还可能使四个吡咯氮原子形成的平面变形。
具有大π键电子体系的卟啉在可见光区出现的谱带是由一些π (充满) →π* (空) 轨道及其相应的振动能级 (0-0及0-1) 的跃迁引起的。在可见区一般有四个谱带，分别称位α0-0、α0-1、β0-0、β0-1。但形成金属卟啉之后，由于提高了配合物分子的对称性，往往使吸收谱带的数目有所减少。金属卟啉的光谱一般以一组三谱带为特征，按照长波到短波的顺序依次称为α、β、γ谱带，α、β在可见区，而γ谱带又称Soret 谱带，在紫外区。当然各种金属卟啉的光谱要比图4-7的典型谱带复杂。
在金属卟啉分子里，如果轴向配体不同，它的性质就可能发生变化。如血红蛋白的轴向第五配体是组氨酸基的咪唑氮，第六配体位置能可逆吸氧和放氧；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。
由上述各点可说明，如果在卟啉环上改变取代基，调节四个氮原子给予和接受电子的能力，或者引入不同的中心离子或不同的轴向配体，会使金属卟啉具有不同的性质，因而具有不同的功能。
血紫质病系由先天性卟啉代谢紊乱，卟啉前体或叶啉在体内聚积所致。常有遗传因素。临床表现有腹痛、神经精神症状、光感性皮肤损害等。卟啉主要在红骨髓和肝内合成，根据卟啉代谢紊乱出现的部位，分为红细胞生成性卟啉病和肝性血卟啉病二类。前者较少见，属儿科学范围。
根据卟啉的病理生理，当血红素生成障碍，失去负反馈作用，就失去对a-氨基酸酮戊酸合成酶的抑制作用。阻遇物或操纵基因发生突变，失去正常的抑制，使a-氨基酸酮戊酸合成酶的活性异常地增加，酶的缺陷，如尿卟啉原Ⅲ辅合成酶缺乏，卟胆原不能转变为尿啉卟原置而只形成尿卟啉原I ，以致产生多量的型异构体，或尿卟啉原I 合成酶缺乏，卟胆原不能转变为尿卟啉原等，均可产生多量的卟啉和卟啉前体，而导致本病。本病在中医学中可属―腹痛‖，―心肝血虚‖及―水湿瘀毒‖等范畴，治疗原则为温中理气止痛，养心安神，疏肝理气，健脾燥湿，活血化瘀，清热解毒等。
二、血红蛋白和肌红蛋白
1．血红蛋白和肌红蛋白的结构
血液中含有红细胞，它是载氧的生物单元。红细胞中含有血红蛋白，它是载氧的生物化学单元。血红蛋白是较早被阐明空间结构的重要蛋白质分子，X 射线衍射分析证实，哺乳动物的血红蛋白是由四个亚单位组成的四聚体。它的相对分子质量约65000。每一血红蛋白分子由一分子的珠蛋白和四分子亚铁血红素组成，珠蛋白约占96％，血红素占4％。
正常人的红细胞里含有两种血红蛋白分子，一种由两个ρ亚单位和两个β亚单位组成(即α2β2) 占血红蛋白总量的95%以上；另一种由两个α亚单位和两个δ亚单位组成(即α2δ2) ，占血红蛋白总量 (1.5~4.0)%。胎儿的血红蛋白主要是α2γ2，出生后不久即消失，接着出现α2β2和α2δ2。α亚单位有141个氨基酸残基，β和δ亚单位有146个氨基酸残基。这些亚单位都有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 标主。第个螺旋区中的氨基酸残基顺次以下标数字表示为A 1、A 2、E 3、H 5等。在两个螺旋区之间存在长短不一的非螺旋区，依次标记为AB 、BC 、CD 、DE 、EF 、FG 和GH 。每个亚单位都键合着一个亚铁卟啉辅基。α亚单位是通过第87位组氨酸残基侧链的咪唑氮原子与Fe(II) 卟啉辅基被嵌在α或β亚单位肽链所盘绕而成的口袋形空腔中，周围被很多氨基酸残基的疏水性侧链包围。α亚单位上的第58位或β亚单位上的第63位组氨酸残基都指向Fe(II) 离子而不配位，其作用尚待研究。
人体内的血红蛋白由四个亚基构成，分别为两个α亚基和两个β亚基，在与人体环境相似的电解质溶液中血红蛋白的四个亚基可以自动组装成α2β2的形态。
血红蛋白的每个亚基由一条肽链和一个血红素分子构成，肽链在生理条件下会盘绕折叠成球形，把血红素分子抱在里面，这条肽链盘绕成的球形结构又被称为珠蛋白。血红素分子是一个具有卟啉结构的小分子，在卟啉分子中心，由卟啉中四个吡咯环上的氮原子与一个亚铁离子配位结合，珠蛋白肽链中第8位的一个组氨酸残基中的吲哚侧链上的氮原子从卟啉分子平面的上方与亚铁离子配位结合，当血红蛋白不与氧结合的时候，有一个水分子从卟啉环下方与亚铁离子配位结合，而当血红蛋白载氧的时候，就由氧分子顶替水的位置。
肌红蛋白是一条有153个氨基酸残基的多肽链，相对分子质量17500。Kendrew 首先应用X 射结技术测定了鲸的肌红蛋白的三级结构。在多肽链中含有一个亚铁血红素，即亚铁卟啉辅基。血红素的铁(II) 离子除了与卟啉环的四个氮配位以外，还与多肽链第93位组氨酸残基的咪唑氮原子在轴向形成配位键。在末氧合时轴向第六个配位位置由水分子占据，氧合时则由氧分子取代了水分子。
血红素周围的疏水环境，使铁在血红蛋白和肌红蛋白中保持以Fe(II)离子存在，这对它们的可逆载氧功能具有十分重要的意义。如果血红蛋白中Fe(II)离子遇氧化剂被氧化成为Fe (III) ，则失去与氧结合的能力。这种血红蛋白称为高铁血红蛋白，其辅基称为高铁血红素。但在细胞中含有大量还原物质，如NADPH 2、谷胱甘肽和抗坏血酸等，它们可以将高铁血红蛋白还原为亚铁血红蛋白，这样就可以避免由于高铁血红蛋白含量增加而引起的组织缺氧。
2．血红蛋白的主要功能
正常成人每微升血液中红细胞数的平均值，男性约400万～500万个，女性约350万～450万个。血液中血红蛋白含量，男性约 120～150g/L，女性约105～135g/L。全身所有红细胞表面积总计，相当于人体表面积的2000倍。红细胞的数目及血红蛋白的含量可有生理性改变，如婴儿高于成人，运动时多于安静状态，高原地区居民大都高于平原地区居民，红细胞的形态和数目的改变、以及血红蛋白的质和量的改变超出正常范围，则表现为病理现象。一般说，红细胞数少于300万／μ1为贫血，血红蛋白低于100g/L则为缺铁性贫血。此时常伴有红细胞的直径及形态的改变，如大红细胞贫血的红细胞平均直径>9μm，小红细胞贫血的红细胞平均直径
血红蛋白是含铁的蛋白质，约占红细胞重量的33％。它具有结合与运输O 2和CO 2的功能，当血液流经肺时，肺内的O 2分压高（102mmHg ），CO 2分压低(40mmHg)，血红蛋白(氧分压40mmHg, 二氧化碳分压46mmHg) 即放出CO 2而与O 2结合；当血液流经其它器官的组织时，由于该处的CO 2分压高（46mmHg ）而O 2分压低（40mmHg ），于是红细胞即放出O 2并结合CO 2。由于血红蛋白具有这种性质，所以红细胞能供给全身组织和细胞所需的O 2，带走所产生的部分CO 2。
血红蛋白的主要生理功能是运送氧气和二氧化碳，与氧结合的血红蛋白称为氧合血红蛋白HbO 2 ，未与氧结合的血红蛋白则称为脱氧血红蛋白Hb 。血红蛋白与O 2结合是可逆：
Hb + O2 =HbO2
平衡常数为
[HbO 2]
[ Hb ][ O 2] K
血红蛋白分子中，多肽单链 (珠蛋白) 的自由氨基能与二氧化碳结合生成氨基甲酰血红蛋白，将组织产生的二氧化碳运送到肺部呼出。
HbNH 2 + CO2 =HbNHCOOH
血液循环依靠血红蛋白这一特性，就可以有效地把氧气从肺部运送到组织，再把二氧化碳从组织运送到肺部呼出。这一问题曾在生物学界争论了40年，最后终于在化学家合作之下，通过血红蛋白活性中心模拟试验，使问题得到圆满解决。
对血红蛋白载氧活性部位已经作了相当详细的研究。脱氧血红蛋白中，卟啉环的四个吡咯氮原子和邻近组氨酸残基侧链咪唑氮原子与Fe(II)配位，由于原在第六配位位置的氧分子脱去，也可看成四方锥立体构型。Fe(II)离子处于高自旋状态t 42g e g 2，有效磁矩5.44BM (通常高自旋Fe(II)为5.4~5.8BM) ，具有顺磁性。Fe(II)离子半径较大，处于卟啉环平面的上方，它的第六配位位置空着。
氧合血红蛋白中的Fe(II)离子的配位数为6，第六配位位置由氧分子占据，这时的Fe(II)离子处于低自旋状态t 62g e g 0，有效磁矩为零，具有反磁性。低自旋Fe(II)离子半径较小而落在卟啉平面上。在Fe(II)离子和氧分子键合过程中，与Fe(II)配位的咪唑基起了十分重要的作用。它促进了Fe(II)卟啉辅基与球蛋白之间的直接作用，同时又影响Fe(II)卟啉辅基-氧分子复合物中的电子分布。咪唑是一个良好的π电子给予体，由于它对金属的π电子给予作用，提高了金属 t 2g 轨道的给予能力，有利于Fe(II)和氧分子之间的反馈键形成，促进了分子氧的键合。
研究中发现，当一个α亚单位与O 2结合后，β亚单位对O 2的亲和力增加；当一对α和β亚单位与O 2结合后，又提高了另一对α和β亚单位对O 2的亲和力，使后一对亚单位的载氧反应平衡常数K 增加5倍。这种现象称为协同效应。
表1 血红蛋白配合物
显然，氧合作用的这一种协同效应与血红蛋白亚单位的氧合引起血红蛋白内构象变化有关。有人提出，血红蛋白的每个亚单位可能存在着对O 2低亲和力的结构（T 状态，tense state ）和对O 2高亲和力的结构（R 状态，relaxed state），这两种状态无论在亚单位的三级结构还是在亚单位四聚体的四级结构中的相对取向都不相同。当第一个O 2键合到一个T 状态亚单位时 (很可能是其中一个α亚单体) ，就会在局部的三级结构中导致张力，并改变亚单位之间的非极性相互作用、静电相互作用氢键，最终引起其它亚单位三级结构的改变，T 状态转变为R 状态，这就是所谓―变构作用‖（allosterism ）。M. F. Perutz 以―触发‖（―trigger‖ mechanism）机理直观解释氧合作用的协同效应。他认为氧分子与血红蛋白的α亚单位结合后引起铁(II)离子位置改变，从而导致这个亚单位构象变化，其它亚单位的构象也随这发生变化，使其余的血红素辅基处于更适宜与氧分子结合的空间位置，因此氧合速度逐渐加快。
血红素周围的疏水环境，使铁在血红蛋白和肌红蛋白中保持以Fe(II)离子存在，这对它们的可逆载氧功能具有十分重要的意义。如果血红蛋白中Fe(II)离子遇氧化剂被氧化成为Fe(III) ，则失去与氧结合
的能力。这种血红蛋白称为高铁血红蛋白，其辅基称为高铁血红素。但在细胞中含有大量还原物质，如NADPH 2、谷胱甘肽和抗坏血酸等，它们可以将高铁血红蛋白还原为亚铁血红蛋白，这样就可以避免由于高铁血红蛋白含量增加而引起的组织缺氧。
3．血红素的铁与氧键合的几种理论模型
由于血红蛋白结构复杂，X 射线结构分析的分辨率不高，因此，目前对血红蛋白中铁与氧键合的本质仍缺乏确切了解。科学家先后提出了多种理论模型，其中L.Pauling ，J.J.Weiss 和J.S.Griffith 分别提出的三种模型最为重要。Pauling 模型的O 2作为简单的电子对给体以端基与Fe(II)配位。
双氧和铁都具有偶数电子呈反磁性，Fe(II)对O 2空的π轨道的反馈作用，又使Fe-O 键具有双键性质，故称为超氧化物构型。Weiss 模型的O 2在配位时接受Fe(II)的电子，形成Fe (III)的超氧配合物。双氧和铁都具有单电子，生成的配合物不具有磁性。Griffith 模型的O 2采取侧基配位方式(side group)。故又称为过氧化物构型，EPR 和紫外光谱可以确定氧的结合，但很难确定氧分子配位的方式。
脱氧血红蛋白和氧分子都是顺磁性物质，而氧合血红蛋白具有反磁性。Pauling 模型和Griffith 模型都认为配位后的O 2是单重态，Fe(II)是低自旋态，都是S=O。而在Weiss 模型中，O 2处于二重态，FE (III) 处于低自旋态，都是S=1/2，有一个不成对电子，这与HbO 2的反磁性矛盾，磁化率与温度关系的数据不支持Weiss 关于反铁磁性耦合的假设。
Weiss 模型也有很多实验结果支持。Mössbauer 谱数据显示HbO 2有较高的核四极矩Q (1.87~2.24) 。Q 反映周围电荷的对称性。低自旋Fe(II)的电荷是球形对称的，其Q 值较小，如HbCO 。而HbO 2与Hb (Fe(III))OH-的Q 值相近，因此它们的铁的电子结构相似。HbO 2和MbO 2的红外振动频率V 0-0分别是1107cm -1和1103cm -1，与KO 2的1145cm -1很接近。在水溶液中CI-和N3-等能与HbO 2发生亲核取代反应放出O 2–离子，这又支持了Weiss 的观点。
上述几种模型都未能真正反映血红蛋白与氧分子键合的本质，对这个问题的研究有待进一点深入，而现有的大理实验事实和各种模型无疑有助人们认识的深化。
血红蛋白与氧结合的过程是一个非常神奇的过程。首先一个氧分子与血红蛋白四个亚基中的一个结合，与氧结合之后的珠蛋白结构发生变化，造成整个血红蛋白结构的变化，这种变化使得第二个氧分子相比于第一个氧分子更容易寻找血红蛋白的另一个亚基结合，而它的结合会进一步促进第三个氧分子的结合，以此类推直到构成血红蛋白的四个亚基分别与四个氧分子结合。而在组织内释放氧的过程也是这样，一个氧分子的离去会刺激另一个的离去，直到完全释放所有的氧分子，这种有趣的现象称为协同效应。 血红素分子结构由于协同效应，血红蛋白与氧气的结合曲线呈S 形，在特定范围内随着环境中氧含量的变化，血红蛋白与氧分子的结合率有一个剧烈变化的过程，生物体内组织中的氧浓度和肺组织中的氧浓度恰好位于这一突变的两侧，因而在肺组织，血红蛋白可以充分地与氧结合，在体内其他部分则可以充分地释放所携带的氧分子。可是当环境中的氧气含量很高或者很低的时候，血红蛋白的氧结合曲线非常平缓，氧气浓度巨大的波动也很难使血红蛋白与氧气的结合率发生显著变化，因此健康人即使呼吸纯氧，血液运载氧的能力也不会有显著的提高，从这个角度讲，对健康人而言吸氧的所产生心理暗示要远远大于其生理作用。
4．影响血红蛋白和肌红蛋白与O 2键合的因素
（1）O 2分压的影响
血红蛋白和肌红蛋白结合氧的程度，常用氧饱和度θ表示。氧饱和度是指氧合血红蛋白或肌红蛋白的实际数量在血红蛋白或肌红蛋白总量中所占的百分比。血红蛋白的氧合量和肌红蛋白的氧合量，都在O 2分压升高时增加，并在O 2分压下降时减少。
在人体的肺泡内氧的分压较高(PO2约13kPa) ，有利于血红蛋白与氧结合。当静脉血(PO2≤6.5kPa)流经肺部时，血红蛋白大量氧合，氧的饱和度显著增加；当血液离开肺部流经氧分压较低(PO2约4.7kPa) 的肌肉组织时，血红蛋白便释放出O 2。静脉的氧分压到550~650Pa时，借氧给肌肉组织的功能转由肌红蛋白完成。
血红蛋白与肌红蛋白的氧饱和度与O 2分压的关系，可用Hill 方程表示。式中，K 是平衡常数；P 是氧分压。对于肌红蛋白，η氧合曲线为抛物线。血红蛋白的氧合曲线可近似地用Hill 方程表示，其中1
（2）pH 值的影响。
已经发现细胞的H +浓度是调节血红蛋白功能的一个重要因素。由于pH 或CO 2分压变化而改变血红蛋白氧合能力的现象称为Bohr 效应。脊椎动物组织中的CO 2增加会导致pH 值降低，随之引起血红蛋白氧合能力下降。Bohr 效应在生物学上相当重要。在人体内，人血浆的正常生理pH 为7.35~7.45，但它会受CO 2与H 2O 反应的影响。
在肌肉组织中，由于CO 2分压较高，CO 2就扩散到血浆和红细胞里，使pH 变小，向释放O 2的方向进行，血红蛋白分子同时结合H +离子，以维持正常的生理pH 值。相反，CO 2从肺部呼出，CO 2分压较低，pH 值增大，向结合O 2的方向进行，并离解出H +。肌红蛋白没有Bohr 效应。
（3）某些小分子配体的作用。
血红蛋白除了能与O 2结合外，还能与CO 、NO 等小分子配体结合，其结合能力为NO>CO>O2，血红蛋白与这些小分子结合也是通过血红素的Fe(II) 离子实现的。人血红蛋白与CO 的结合能力比O 2大200倍以上。人的一氧化氮中毒就是由于吸入的CO 与血红蛋白结合，破坏了血红蛋白的输氧功能。如果人呼吸了含NO 的空气，NO 和血红蛋白结合后，同样会破坏血红蛋白的输氧功能。即使空气含CO 和NO 甚微，但如果长期吸入也会出现贫血症状。同血红蛋白一样，肌红蛋白的血红素辅基的Fe(II)离子，也能与CO ，NO 配位。
三、蚯蚓血红蛋白
蚯蚓血红蛋白分子含有铁，但不含铁卟啉辅基，是一种非血红素铁蛋白。对星虫的蚯蚓血红蛋白的研究比较详细，它的相对分子质量为108000，由8个亚单位组成。每个亚单位含有113个氨基酸残基和两个铁离子。从其它一些组织和物种中也分离到以其它低聚物形式存在的蚯蚓血红蛋白。例如，从昆虫纲动物肌肉中分离得到的蚯蚓血红蛋白是个单亚单位的，称为肌蚯蚓血红蛋白（myohemerythrin ）。无论在结构上还是功能上，肌蚯蚓血红蛋白都与蚯蚓血红蛋白相似，就如肌红蛋白与血红蛋白想似一样。
此外，从昆虫纲其它物种中还发现蚯蚓血红蛋白的二聚体、三聚体和四聚体，其亚单位也与八聚体的相似。
蚯蚓血红蛋白的主要生理功能是在低等生物体内输送氧。分子中的每两个铁离子结合一个O 2。蚯蚓血红蛋白的氧合型呈紫红色，脱氧型无色。它的氧合能力不受pH 值的影响，氧合过程中，两个Fe(II)被氧化为Fe (III)，而O 2被还原为O 2–。蚯蚓血红蛋白的载氧方式以及载氧时铁离子氧化态改变，都不同于血红蛋白和肌红蛋白，但它的氧合能力比血红蛋白或肌红蛋白高5~10倍。穆斯堡尔谱研究表明，脱氧蚯蚓血红蛋白的Fe(II)和氧合蚯蚓血红蛋白的Fe (III)都处于高自旋态。脱氧蚯蚓血红蛋白在室温下的磁化率显示它有4个不成对电子，也说明Fe(II)是高自旋的。
各种谱学方法 (如吸收光谱、穆斯堡尔谱、共振拉曼、圆二色谱、NMR) 、磁化率和X 射线衍射技术研究结果证实，脱氧蚯蚓血红蛋白亚单位中两个相距0.325~0.5nm的Fe(II)离子与多肽链的七个氨基酸残基配位。三个组氨酸残基与其中的一个铁离子配位，另外二个组氨酸残基与别一个铁离子配位。一个谷氨酸残基和一个天各氨酸作为桥联配体以其羧基的两个氧原子分别与两个铁离子配位。此外，连接两个铁离子的还有一个桥联氧原子。脱氧蚯蚓血红蛋白中的桥联氧原子是质子化的，氧合蚯蚓血红蛋白中的桥联氧原子是未质子化的。脱氧蚯蚓血红蛋白中，三个组氨酸残基的咪唑氮原子、谷氨酸和天冬氨酸残基的羧基氧原子以及桥联氧原子与一个铁离子配位，形成六配位的八面体构型，另两个组氨酸残基咪唑氮原子、谷氨酸和天冬氨酸残基的羧基氧原子以及桥联氧原子与另一个铁离子配位，形成五配位的三角双锥几何构型。氧合时，分子氧是以过氧阴离子形式通过端基方式键合到五配位铁离子上的，这种成键模式使两个铁离子都为六配位并大致为八面体构型。蚯蚓血红蛋白结合部位的强疏水性环境不利于稳定通过端基方式键合到铁离子的过氧阴离子，已经发现，氧合蚯蚓血红蛋白的过氧阴离子是质子化了的。由于分子氧的键合与pH 无关，显然，过氧阴离子质子化所需质子不是从溶剂中获得而是由蛋白本身所提供的。研究证实， 过氧阴离子质子化是脱氧蚯蚓血红蛋白μ−羟桥质子转移的结果。脱氧蚯蚓血红蛋白和氧合蚯蚓血红蛋白铁中心立体结构。
蚯蚓血红蛋白氧合过程中质子和电子从金属离子到分子氧的转移，人们提出了两种可能的机理：一种认为，质子转移包含在两次单电子转移过程中；另一种认为，质子转移发生于双电子转移之后。虽然仍没有强有力的数据证明明何种机理正确，但NO 键合到脱氧蚯蚓血红蛋白后的拉曼光谱表明，在混合价态化合物中存在着NO 与 μ−羟桥间氢键。这与第种机理是相似的。
四、血蓝蛋白
许多无脊椎动物(如:虾、蟹、贝、蛤、乌鱼、鲎等) 的血液均呈不同深浅的蓝色, 这是因为在它们的血液中的呼吸蛋白不是习见的血红蛋白，而是血蓝蛋白。血蓝蛋白又称血蓝素。它是在某些软体动物即无脊椎动物如头足动物、章鱼、乌贼、蜗牛和石鳖属等、节肢动物(螃蟹、虾、蜘蛛和甲壳虫) 的血淋巴中发现的一种游离的蓝色呼吸色素。血蓝蛋白是以一价铜离子作为辅基的蛋白质。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，氧化时呈青绿色，还原时呈白色。血蓝蛋白分子由Cu 2+和1个约200个以上氨基酸的肽链结合而成，和血红蛋白一样，该呼吸色素的颜色也与其状态有关，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。节肢动物的血蓝蛋白一条多肽链与一分子氧结合，含铜量
0.17％；软体动物的血蓝蛋白一条多肽链则与6分子氧结合，含铜量0.025％。铜以二价形式与蛋白直接结合。血蓝蛋白有多种催化作用，特别是变性后，在特定条件下具有多酚氧化酶、过氧化氢酶和脂氧化酶等活性。
1．血蓝蛋白的结构
组成血蓝蛋白的亚单位数目较多。每个亚单位都含有两个Cu (I)离子，相对分子质量一般为
50000~74000。不同蛋白质所含亚单位数目不同，有些血蓝蛋白的相对分子质量可能9×106。软体血蓝蛋白是圆柱状分子，含有10~20亚单位，每个亚单位(相对分子质量为3.5×105~4.5×105) 有7~8个功能单元(氧分子结合部位) 。节肢血蓝蛋白由六聚体或多个六聚体组成，相对分子质量约为3.5×106，每个亚单位 (相对分子质量为7.5×104) 含有一个氧合中心。血蓝蛋白的生理功能是输氧。氧合血蓝蛋白的铜是Cu (II)并呈蓝色，在347nm 附近有吸收峰，这是由扭曲四面体场中的d-d 跃进产生的。脱氧血蓝蛋白呈无色。
X 射线衍射技术大大增加了人们对血蓝蛋白的认识。虽然目前仍未测出软体血蓝蛋白的晶体结构，但节肢血蓝蛋白的晶体结构分析提供了血蓝蛋白分子活性部位的结构信息。龙虾血蓝蛋白亚单位由三个结构区域组成。区域I 由蛋白的前175个氨基酸残基组成，有大量的α-螺旋二级结构；区域II 大部分也为α-螺旋二级结构，由225个氨基酸残基(176~400)和作氧分子键合部位的双铜离子组成；剩余的258个氨基酸残基(401~658)构成区域III ，并且类似于如超氧化物歧化酶等其它蛋白的β-折叠二级结构。在区域II 的双铜活性中心中，每个铜离子与三个组氨酸残基的咪唑氮配位。未氧合时，二个铜离子相距约46pm ，相互作用很弱，没有发现二个铜离子之间存在着蛋白质本身提供的桥基。此时，每个铜离子与三个组氨酸残基咪唑氮的配位基本上是三角形几何构型。氧合后，Cu(II)为四配位或五配位，两个铜离子与两个氧原子(过氧阴离子) 和六个组氨酸残基中最靠近铜离子的四个组氨基酸残基咪唑氮强配位。此时，在一个近似的平面上，每个铜离子呈平面正方形几何构型，这是Cu(II)最有利的配位状况。氧分子以过氧桥形式(μ− η2η2) 在连接两个Cu (II)，两个Cu(II)相距约36pm 。与血红蛋白类似，氧合血蓝蛋白的氧合曲线呈S 形，pH 变化也显著影响血蓝蛋白的氧合能力。
一般认为，血蓝蛋白的主要生物学功能与机体内的输氧有关，它与血红蛋白和蚯蚓血红蛋白并称为动物界中的3种呼吸蛋白。但近年来研究表明，血蓝蛋白是一种多功能蛋白，它不仅具有输氧功能，而且还与能量的贮存，渗透压的维持以及蜕皮过程的调节有关。特别引起学术界重视的是，血蓝蛋白还具有酚氧化物酶活性和抗菌功能，被认为是节肢动物和软体动物中的一种重要的免疫分子。
血蓝蛋白的抗病毒作用
Zhang Y L等首次证明血蓝蛋白具有非特异性抗病毒作用。应用亲和层析从斑节对虾血清中分离出2种能与白斑杆状病毒和虹彩病毒结合的多肽，分子质量分别为73 ku和75 ku，经质谱分析鉴定为血蓝蛋白，将血蓝蛋白和病毒混合后添加到细胞培养液，培养3 d后发现细胞只受到较轻微的破损。而不含血蓝蛋白的对照组细胞则完全裂解。如果延长培养时间，试验组细胞也相继裂解。随后选用6种DNA 或RNA 病毒进行分析，结果发现其半抑制浓度约为4.56 mg/L～6.64 mg/L。这些结果表明，血蓝蛋白在低浓度时是潜在的病毒抑制物，但血蓝蛋白不能完全抑制病毒的复制。
研究发现血蓝蛋白的两个亚基在免疫功能上有很大差异，Lei K Y等]报道，血蓝蛋白的两个分子质量73 ku和75 ku的亚基，只有75 ku的PjHcL 亚基具有抗病毒功能，PjHcY 亚基不具有抗病毒功能，它意味着这两个血亚基可能起不同的角色。从序列和结构的比较发现，尽管这两个亚基是高度保守的，它们表现出一定的差异在N 端域和C 端域。比对两个亚基的氨基酸结构发现，在铜离子结合位点及第2功能区两个亚基结构完全相同，只有在第3功能区PjHcL 亚基和PjHcY 亚基的氨基酸α、β构型不同。Lei 等采用RTPCR 技术精确验证了这一结果，并且发现了两个亚基的不同免疫功能，为以后研究血蓝蛋白的免疫学功能提供了更明确的依据。
总之，血蓝蛋白的免疫防御功能是近年来无脊椎动物免疫学领域的最新发现，在免疫反应中，仅可表现出酚氧化酶的功能，而且可裂解产生不同分子质量大小的抗菌片段以抵御病原的入侵。虽然其免疫机理目前尚不十分明确，但随着无脊椎动物上的演变相信其确实情况必将阐明。
2．血蓝蛋白的血凝作用
近年来国内外研究表明，血蓝蛋白及其裂解片段具有多种免疫功能。章跃陵等以采自汕头的南美白对虾为研究对象，采用亲和层析、PAGE 、SDSPAGE 、Western blot、血细胞凝集试验和糖抑制试验等方法探索南美白对虾血蓝蛋白的血细胞凝集活性。结果发现，血蓝蛋白对试验所选用的鱼、鸡、鼠和人等4种红细胞均具有显著的血细胞凝集活性，凝集活性大小为5 mg/L～10 mg/L，而且其凝集反应可被α半乳糖、αD 葡萄糖、甘露醇和N 乙酰神经氨酸等4种糖所显著抑制。不过，与一般的凝集素相比，血蓝蛋白的凝集活性大概低1个～2个数量级，它在虾血清中含量上的丰富也许可以弥补其凝集活性上的不足。既往研究中，发现血蓝蛋白蛋白斑点的肽质量谱峰值可以与流感病毒的血凝素相匹配，其序列覆盖率为37%。由此推测，血蓝蛋白确实具有血细胞凝集活性，这对进一步研究血蓝蛋白的免疫学功能具有重要意义。
研究证实，血蓝蛋白可能由酚氧化酶进化而来，酚氧化酶级联系统的激活又与甲壳动物体内凝血蛋白的凝血机制紧密相关。研究发现血蓝蛋白也具有凝集活性。这些研究结果提示，血蓝蛋白、酚氧化酶及凝血蛋白可能是由同一蛋白进化而来，而血蓝蛋白这一多功能分子却保留了它们全部的免疫学功能。
3．血蓝蛋白的抗菌作用
血蓝蛋白裂解产生的抗微生物肽与对虾的免疫反应有关。近来又在大西洋白对虾和凡纳对虾的血淋巴中分离到3种带负电荷的抗真菌活性肽类，与血蓝蛋白C 端序列的一致性达95%～100%。当对虾被感染后，血淋巴中这种血蓝蛋白C 端序列的活性肽浓度升高，这表明血蓝蛋白的裂解是由生物学信号引起的。Lee S Y等从淡水螯虾血浆中得到一种由16个氨基组成的抗菌肽，能抑制G 和G 细菌的生长。这种抗菌肽是血蓝蛋白在酸性条件下经蛋白酶剪切产生。注射脂多糖和葡聚糖可促进血蓝蛋白产生和释放这种肽。这说明抗微生物肽可以被诱导、释放和激活，从而在肌体的免疫防御中起作用。虽然到目前为止，血蓝蛋白的加工机制还不十分清楚，但它们在甲壳动物免疫系统中所起的作用不容忽视，因此进行深入细致的研究，搞清楚其免疫机制，对于甲壳类经济动物的疾病控制是至关重要的。
此外，虾类血蓝蛋白的研究加深了人们对低等脊椎动物免疫防御机制的认识，为日益严重的虾类病害防治开辟了崭新的途径。同时，随着虾类转基因技术的发展，人们有可能通过转血蓝蛋白基因获得抗＋－
病新品种[32]。可以相信，随着研究的不断深入，虾类血蓝蛋白将对世界水产渔业的可持续发展起到重要的作用。
近年来，随着血蓝蛋白多种功能的不断发现，特别是免疫活性的发现，血蓝蛋白的功能、作用机理、进化地位已经引起各国学者的浓厚兴趣。进一步研究血蓝蛋白功能对于丰富和发展无脊椎动物，特别是甲壳类动物生理生化和免疫系统的基础研究，探索免疫这些结果表明，血蓝蛋白具有广谱抗细菌、真菌、病毒功能及独特的作用机理，有可能成为抗菌、抗病毒及抗肿瘤药物的新来源[31]。我国是海洋大国，开发和利用海洋动物血蓝蛋白资源，将为研制抗菌新药提供理想分子设计骨架和模板，为发展新的抗感染药物奠定重要基础。
第二节 氧载体的模型化合物
一、氧载体模型化合物研究概况
天然氧载体在生物体内输送或贮存氧气，主要是通过结合到蛋白质上的铁铜过渡金属与氧分子可逆配位来实现的。化学家对这一现象及其机理产生了极大兴趣。为了弄清生物体内结构十分复杂的氧载体（oxygen carriers）与氧分子相互作用的机制，特别是活性中心部位与氧的成键情况，人们除了直接用天然氧载体作研究对象之外，还合成了许多结构较简单并能可逆载氧的模型化合物进行研究。
目前，已知道CO 2+、 Fe 2+ 、Mn 2+、Rh +、Ir +、Ru 0、Os 0、Ni 0、Pt 0 等过渡金属的配合物具有可逆载氧性能。其中化学家最感兴趣的是铁和钴的配合物。前者可直接模拟血红蛋白和肌红蛋白，后者能提借研究金属键合氧分子的较简单和最有效的模型。
1985年人们就发现Co(II)盐的氨水溶液露置空气中变色。1898年Werner 等确证变色的物种是[(NH3)
4+5Co(O2)Co (NH3) 5]。但公认的第一人工氧载体是日本化学家妻木1938年报道的[Co(salen)] 配合物。他
肯定这种配合物露置空气中变色是由于对氧分子的可逆吸收。随后Calvin 等确定了[Co(salen)]和O 2形成1:1与2:1两种配合物。从那时起科学家合成了很多Co(II)氧载体，但当时只局限于测定固态氧载体的吸氧量和可逆载氧能力，应用上主要作为分离O 2和富集18O 2的试剂。1969年Floriani 和Caldenrazzo 研究了水杨醛亚胺合钻及其衍生物，发现它们在常温下可逆载氧，并首次成功分离出1:1型固体载氧配合物
[Co(3-MeO salen)]Py·O 2。
几乎与Floriani 同时，Basolo 和Crumbles 等人开始对[Co(acacen)] 配合物及其衍生物的载氧性质进行研究。他们的丰硕研究成果吸引了许多无机化学家。研究对象扩展到各类西佛碱、酞箐、双肟、维生素B 12、辅酶及卟啉钴(II) 配合物，使人工氧载体研究成为20世纪70年代无机化学相当活跃的课题。由于血红蛋白和肌红蛋白的活性中心是铁卟啉，因此合成和表征Co(II)卟啉和Fe(II)卟啉就成为研究者最热心的课题，1970年以来在这方面做了不少工作，并取得了一定进展。
在研究氧载体模型化合物过程中，已合成出许多种高效的人工氧载体，可作为长期运离基地的潜水艇和高空轰炸机的氧源。在合成具有可逆载氧功能的人造血液研究方面，日本和中国也于20世纪70年代末取得突破，合成了与血红蛋白性能相似的人造血，并在临床应用上获得成功。
二、钴(II)氧载体
1. 钴(II)配合物的载氧反应和结构
钴(II)离子能与讲多配体生成钴(II)配合物。其中有一些能可逆载氧，其载氧反应如下：
LCo II + O2 =LCoIII O 2−
LCo III O 2− + LCoII =LCoIII O 22−Co III L
在生成的钴氧加合物中，钴(II)形式上被氧化，O 2形式上被还原。O 2在1：1氧加合物中被还原为超氧离子O 2−，在2:1氧加合物中被还原为过氧离子O 22−。
在钴(II)氧载体中一般以N 、O 、S 、作为配位原子。其中，以氨、胺、氨基酸、肽和西佛碱等作为配体的钴(II)氧载体，一般形成μ−过氧桥配合物[LCoO2CoL]；而以西佛碱、咕啉、卟啉等为配体的，一般生成超氧配合物[LCoO2]。
西佛碱通常指由胺与醛或酮缩合而成的化合物。作为氧载体配体的西佛碱一般是平面型四齿的，但也有五齿。在西佛碱母体引入不同基团能改变钴(II)西佛碱配合物的电子结构、溶解性和空间位阻。同卟啉相比，西佛碱容易制备，分子结构简单，但其电子离域性比卟啉差。
[Co(bzacen) (Py) ]与O 2作用形成的氧加合物，经X 射线衍射技术证实是超氧配合物[Co(bzacen) (Py) O 2]。它的O —O 键长为126pm ，与超氧化钾KO 2的O —O 键长128pm 接近。
[Co(salen)(DMF)]、[Co(salen)(DMSO) ]和[Co(salen)(Py) ]在低温下与O 2作用也生成超氧配合物。一般认为，平面型四配位的西佛碱钴(II) 配合物只有第五配体配位后才能载氧。上述[Co(salen)]，配合物能够
载氧是由于溶剂分子DMF 、DMSO 和吡啶分别作为第五配体配位的结果。[Co(salen)]在苯、甲苯、三氯甲烷、丙酮、四氢呋喃等非配位溶剂中刚不能吸氧。根据五配位的Co(II)配合物的顺磁共振研究结果，Co(II)的电子排布可能是(dyz ) 2 (dzx ) 2 (dx 2-y 2) 2 (dz 2) 1 (dxy ) 0或(dyz ) 2 (dzx ) 2 (dxy ) 2 (dz 2) 1 (dx 2-y 2) 0。Co(II)超氧配合物都是顺磁性的，磁矩为1.6~2.2BM，有一个未成对电子。B.M.Hoflman 等人经过计算后认为，在钴(II) 超氧配合物中，等人经过计算后认为，在钴(II)超氧配合物中，90%的电子自旋密度已从Co 思索移到O 2上，Co 与O 2的键合是Co(II)的d z 2 单电子与O 2的反键π*轨道的电子自旋成对。Co(II)超氧配合物中O 2−的单电子与LCo(II) 的d z 2单电子相互作用成键，会生成μ−过氧配合物。
[Co(salen)]在DMF 、DMSO 或吡啶等溶剂中，只有在低温下才全部生成1:1的超氧配合物，在室温下会生成2:1的μ−过氧配合物，但反应速度相当缓慢。[Co(salen)]在DMSO 溶液中载氧反应的动力学曲线。当体系的氧分压较高时，初始阶段配合物迅速吸氧，在很短时间内n>0.5，达到最大吸氧时又较快地下降，然后逐渐趋近0.5，形成2:1的μ−过氧配合物。这就说明在氧分压高时，随着μ−过氧配合物生成，反应向左解离出O 2和LCo(II)，使LCo(II)反应生成μ−过氧配合物。当体系氧分压降低时，在初始阶段不出现n>0.5的情况， 而是随着反应时间延长逐渐接近n=0.5， 这说明氧分压低时，向左反应的影响较小。X 射线衍射技术证实，Co(II)的μ−过氧配合物中的O —O 键长一般接近过氧化物的O —O 键长(Na2O 2的O —O 键长为149pm) ，两个Co —O 键夹角一般为90°~180°。
无论是超氧或μ−过氧配合物，升高温度或减压时都能释放出全部O 2，在一定条件下Co(II)配合物可重新载氧。放氧和载氧可反复多次，但每次载氧能力均略有下降，这说明在循环过程中同时发生Co(II)
配合物分解。这些钴μ−过氧配合物的研究，为认识蚯蚓血红蛋白和血蓝蛋白的载氧方式提供了有用的线索。
2. 配位体性质对Co(II)配合物载氧的影响Co(II)配合物能否载氧及其载氧方式受配体性质、温度、溶剂和体系的氧分压等因素影响。关于温度、溶剂、氧分压的影响已在前面提及，下面着重介绍配体性质对Co(II)配合物载氧反应的影响。
（1）空间位阻效应的影响。
配体空间位阻效应会影响Co(II)配合物键合氧分子。当改变西佛碱中亚胺碳原子上的取代基时，产生的空间位阻会影响轴向配体和分子氧与Co(II)离子作用。例如[Co(salen)]配合物是平面正方形构型，在DMF 、DMSO 或吡啶溶剂中和室温下会吸氧生成μ−过氧配合物。如果salen 配体的乙二胺的取代基越多，取代基空间位阻越大，吸氧速度越慢，载氧平衡常数越小，越不利于μ−过氧配合物生成。
（2）平面配体的影响。
平面配体对Co(II)配合物键合O 2的影响主要有两个方面。一是配位原子的性质，即电负性，形成反馈π键的能力等。例如，当配体acacen 中的氧原子被硫原子取代变成sacacen 时，Co(II)配合物与O 2生成的Co —O 键变得很弱。这是由于S 原子通过Co(II)与S 之间的d→dπ*反馈将Co(II)的电子拉走，使Co(II)的电子密度降低，导致配合物载氧能力下降。二是金属离子的电子密度在整个平面配体的π离域性，离域性越大，载氧能力越低。像金属卟啉的电子离域程度比西佛碱大，因此它只有在强碱性配体作轴向配体时才能载氧。
（3）轴向配体的影响。
对于平面配体的Co(II)配合物，轴向配体的配位是其氧合的前提条件。配体共轭酸的pK a 是配体配位能力的标志，一般来说，配合物的载氧能力与轴向配体的pK a 没有直接的联系。例如，1-甲基咪唑 (pKa =7.25)比哌啶(pKa =11.3)更能促进配合物的氧合作用。对于具有π电子给予能力的轴向配体而言，在不考虑其空间位阻的条件下，配合物的载氧能力随轴向配体pK a 增大而增大。因为分子氧与金属配合物的键合，包括了分子氧的非键sp 2孤对电子对金属d z 2轨道的σ给予和伴随出现的电子从金属的充满d xz (或d yz ) 轨道进入分子氧的空π*轨道而形成π反馈键的过程，分子氧会与轴向配体争夺金属的π-反馈键的电子密度。好的π电子给予配体，通过增加π-反馈的电子密度而促进氧合作用。
三、铁 (II) 载氧体
化学家们早在20世纪50年代已经开始研究人工合成铁氧载体，但直到70年代才逐步找到恰当的合成方法。过去合成铁氧载体遇到的主要困难是Fe(II) 配合物与O 2作用生成不能可逆载氧的μ− O二聚体Fe III −O−FeIII 。虽然这一过程的详细机理还没有完全弄清楚， 但是在固相反应时生成的μ− O二聚体的机制。1975年Basolo 在研究四苯基卟啉铁与O 2反应动力学的基础上，提出如下机制：
LFe II (Por) + O2 =LFeIII (Por)(O2−)
LFe III (Por) (O2−) + FeII (Por) =LFeIII (Por)−O22−−LFe III (Por)L
LFe III (Por) − O22− − Fe III (Por)L =LFeIII (Por)−O− LFeIII (Por)L
但也有人认为 μ− O二聚体的形成按另一途径进行，过氧加合物分子先发生断裂：
L III Fe(Por) − O22− − FeIII (Por)L =2LFeIV (Por)−O2−
LFe IV (Por) − O2− + LFeII (Por) =LFeIII (Por) −O2−− FeIII (Por)L
血红蛋白和肌红蛋白的铁卟啉辅基处于多肽链盘绕之中，正是这种空间位阻效应能够阻止两个血红素的Fe(II) 离子互相靠近，抑制了不可逆载氧的Fe(III)-O-Fe(III)生成，因此能够可逆载氧。人们据此进行了大量研究，已经找到防止Fe(II)配合物生成μ−O 二聚体的的三种有效途径：①在Fe(II)配合物内设置空间位阻；②在低温下使Fe(II)配合物生成μ−O 二聚体的反应非常慢；③把Fe(II)配合物固载在有一定刚性的载体表面。
四、Vaska 型氧载体
1963年L. Vaska合成了[IrCl (CO) (PPh3) 2]氧载体，其中Ir +属于d 8电子组态，PPh 3为三苯基膦。这个配合物在苯溶液中能可逆键合氧分子，生成1:1的双氧配合物。
配合物与氧分子反应前溶液黄色，反应后变为红色。经X 射线衍技术证实，这种Vaska 型氧载体加合物分子为三角双椎构型，氧分子以侧基和Ir +键合，O —O 键长130pm ，Ir —O 键长209pm 。红外光谱测得氧分子的伸缩振动频率V O —O = 858cm-1，说明键合的氧分子有过氧基的特性。 由此推测，中心离子需反馈两个电子给氧分子。Ir +与O 2键合时形成两个三中心配键，其中一个是氧分子的成键π电子给予Ir +离子的空d 轨道形成σ配键，另一个是由 Ir + 离子充满电子的未成键d 轨道反馈给氧分子的反键π*轨道形成反馈π键。膦配位的主要作用是阻止氧分子接受来自铱的电子而不可逆还原，以保持铱的低价氧化态(+1)，同时又促进上述反馈π键形成。
由于Vaska 型氧载体的中心金属原子或离子需要反馈两个电子给配体的氧分子，所以d 10组态的金属原子或低价态的金属离子更有利于生成Vaska 型氧载体。它们是含有大量d 电子的软的π电子对给予体，与软的 π 电子接受体分子氧强烈作用，d 10金属原子以它的外层空s 和p 轨道杂化来接受O 2成键 π 电子形成 σ 配位键，而它们的充满电子的d 轨道反馈给O 2的反键π*轨道形成反馈π键。事实上，已经发现，Pt 0、Pd 0、和Ni 0的4-三苯基膦配合物[M (PPh3) 4]在甲苯或苯溶液中也能与氧分子生成1:1的加合物
[ (PPh3) 2M (O2) ]。用红外光谱测定[(PPh3) 2Pt(O2) ]和[(PPh3) 2Pd (O2) ]的O-O 键伸缩振动频率分别为830和880cm -1，可见键合的氧分子具有过氧基的特征。[(PPh3) 2Pt(O2) ]单晶结构参数证实，键合的氧分子的O —O 键长为145pm ， 两个氧原子和两个磷原子与Pt 原子几乎处在一个平面上。
五、铜 (I) 氧载体
化学家对合成血蓝蛋白的模型化合物颇感兴趣。1978年M.G.Simmons 和L.J.Wilson 合成了以咪唑作为配体的Cu(I)配合物，在室温下无论是溶液或固体都能可逆载氧。他们用2，6-二乙酰基吡啶与组胺缩合，得到配体2，6-[1- (2-咪唑-4-亚乙基亚氨基) 乙基]吡啶，然后在氮气保护下加入[Cu (I)(MeCN) 4](ClO4) 得到暗红色的[Cu(I)](ClO4) 配合物。该配合物在溶液中以单体形式存在。Cu (I)离子的配位数为5。在室温下露置于空气中，溶液迅速从红色变为绿色，约2分钟后反应完全，每2molCu (I)吸收1molO 2。如果把载氧后的溶液温热至40°C 左右并用氮气赶跑气体，或在减压下搅拌溶液，很容易发生放氧逆反应，溶液恢复原来的红色。如此重复实验证实它能可逆载氧。据此推测可能存在下列反应：
LCu I + O2 =LCuII O 2−
LCu II O 2− + CuI L =LCuII O 22−Cu II L
六、人造载氧血液
世界各国的化学家和生物学家很早已致力于合成类似血红蛋白结构并具有载氧生理功能的人造血液研究，以满足外科手术、战地救护、失血过多病人个血液病患者的需要。但是接近真血液功能的人造血液至今未能获得成功。人造载氧血液主要成分的氟碳化合物主要有全氟醚、全氟三丁基胺、全氟萘烷、全氟甲基萘烷以及全氟萘烷与全氟三丙基胺混合剂。人造载氧血液中还含有甘油、NaCl 、KCl 、CaCl 2、Na 2CO 3和葡萄糖等一系列物质。
经大量动物实验证明，在富氧条件下，氟碳乳剂传递氧和二氧化碳的速度比血红蛋白还要迅速。它的物理和化学性质稳定，无毒、不致癌，使用时不需检查血型。但由于它不含白血球、血小板、抗体、酶、蛋白质 、氨基酸等具有生物活性的物质，所以它的载氧机制与血红蛋白不同，主要是一种物理溶解过程，而且它没有抗菌、凝血、免疫、营养、输送金属离子等生理功能。目前，世界各国对全功能的人造真血液的研究仍十分重视。有关血液中的金属离子与各种氨基酸形成的配合物的研究相当活跃。
什么是人工血液：人工替代血液，是利用和血红蛋白相同的加工处理方法，维持血压不变，在扮演搬运各种物质角色的白蛋白中放入血红素分子，制成白蛋白血红素，这就是人工血液，严格来说祇能取代人体血液携带氧气的功能，并无法取代白血球的免疫功能与血小板的凝血功能。由日本早稻田大学、庆应大学和熊本大学研究小组成功开发出的可以大量生产和长期保存的人工血液，使用这种人工血液输血不必担心病毒感染和血型不符。动物实验显示，这种人工血液可把肺部呼吸的氧气输送到体内各个组织器官。
人工血液的发展史：近年来由于外科手术日益进步，因而输血用血液也愈感不足，迫切需要研制代用品。血液由有形成分及无形成分组成，其主要生理功能是携氧、运输氧和营养物质，清除二氧化碳和代谢产物以及免疫防御等。多年来曾研究了血浆、血浆成分的制品及各种血细胞悬液，以期合理而节约地使用血液。其后又研制了许多种血浆代用品，目前广泛使用的有右旋糖酐、明胶代血浆和羟乙基淀粉。它们都是胶体溶液，其扩充血浆容量的效果显著，但均不具备血液气体交换的主要功能。
输血时配血费时又易发生错型，此外由于输血而传播肝炎及艾滋病的危险也无法妥善解决，故而有待研制出既可携带又无毒害的人工血液，这对平时和战时的医疗来说都是极为重要的课题。
1966年Clark 等发现，美国3M 公司所制全氟碳化合物、对氧的溶解度约为水的20倍，携氧能力为血红蛋白的数倍，在氟碳化物中给以一个大气压的氧，小鼠得以生存。
1967年Sloviter 等以白蛋白为稳定剂的全氟碳化合物乳剂对大鼠实行脑灌流成功。
1968年Geger 等以全氟三十胺乳剂给大鼠进行血液交换接近100％，大鼠生存八小时。其后Clark 动物试验心脏灌流成功。
1970年光野、火柳等以狗试验，用氟碳化合物作90％血液交换，生存一年以上，这是在动物中以人工血液进行全血交换的第一次成功。其后火柳等与日本绿十字中央研究所共同研究达11年。初期研究全氟碳化合物乳剂的携氧及二氧化碳能力，并可保持离体器官组织较长期存活；后期研究活体输入全氟碳化合物乳剂，力求减少副作用。经反复改进，在猴体内进行99％的换血，无一例失败，全部长期存活。
据《读卖新闻》报道，早稻田大学名誉教授土田英俊领导的研究小组把目光转向血液中可维持血压不变的白蛋白。研究人员在白蛋白中加入了血红素分子，结果制成了白蛋白血红素，即人工血液。动物实验显示，这种人工血液可将肺部吸入的氧气输送到体内各个组织器官。