膽紅素的配位化學(xué)及其應(yīng)用研究進(jìn)展_雷遠(yuǎn)江.pdf

1、DOI :10.16112/ki .53 -1223/n.2002.04.033Vol .27 No .04第 27 卷 第4期昆 明 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)2002 年 8 月Journal of Kunming University of Science and TechnologyAug .2002膽紅素的配位化學(xué)及其應(yīng)用研究進(jìn)展雷遠(yuǎn)江, 歐陽健明, 鄭文杰, 楊 芳(暨南大學(xué)化學(xué)系, 廣東廣州 510632)摘要:膽紅素是生物體內(nèi)一種重要的物質(zhì) , 它和金屬離子的配位對(duì)生物體內(nèi)結(jié)石的形成起著至 關(guān)重要的作用.文中概述了國內(nèi)外對(duì)膽紅素與金屬離子在溶液中相互作用的機(jī)理、膜/水界面下 膽紅素

2、與金屬離子的配位以及有關(guān)膽紅素配位化學(xué)的應(yīng)用研究.關(guān)鍵詞 :膽紅素;金屬離子;有序分子膜 ;配位;膽結(jié)石 ;中圖分類號(hào) :O626 .13 ;O614 .242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007 -855X(2002)04 -133 -050 引言膽紅素(Bilirubin ,簡稱 BR),是血紅素的降解產(chǎn)物,血紅素在除去能被重新利用的鐵后 ,卟啉部分發(fā)生降解 成為膽紅素和膽綠素,BR 也是哺乳動(dòng)物膽汁中的主要色素. 它的許多生化功能與藥理作用與金屬離子有關(guān) 1 ,即膽紅素 與金屬離子的相互作用對(duì)人體及動(dòng)物的生理有著直接或間 接的影響,如膽紅素鈣配合物是人體結(jié)石的主要成分,也可 利用膽紅素與

3、金屬離子的相互作用治療黃疸病等.膽紅素還是人工牛黃的主要成份,具有較高的藥用價(jià)值.BRIX 有四種 異構(gòu)體,Bonnett R.2 等證明動(dòng)物體內(nèi)膽紅素為異構(gòu)體圖1 ,膽紅素分子的配位點(diǎn)有(>NH , >C =O , -COOH),它們通過這些位點(diǎn)容易和金屬離子產(chǎn)生配位,自身也易 于形成分子內(nèi)和分子間氫鍵,所以膽紅素分子很容易異構(gòu)化.1 BR 的配位化學(xué)BR 分子中有多個(gè)配位原子和配位基團(tuán),在不同的溶液體系中 ,BR 對(duì)金屬離子的配位位置不同 ,它們 可以形成 11 , 12 , 21 或非計(jì)量配合物 .其結(jié)構(gòu)有平面型 ,有立體型 ,這與配比及金屬離子的性質(zhì)有關(guān) . 當(dāng)配比為 11

4、 時(shí),某些金屬離子的 BR 配合物為平面正方型結(jié)構(gòu) ,而有的則為四面體或八面體 .金屬離子 與BR 配位后, 會(huì)影響 BR 的穩(wěn)定性 ,促使 BR 氧化為 BV , 破壞 BR 的分子內(nèi)氫鍵, 從而引起 BR 光譜的變 化.關(guān)于 BR 與金屬離子的研究 ,許多文獻(xiàn)均有報(bào)道.由于 BR 分子中含有多個(gè)配位基團(tuán)和配位原子 ,容易 發(fā)生異構(gòu)化作用 ,因此,BR 與金屬離子的作用非常復(fù)雜.本文主要綜述了膽紅素在溶液中及在膜/水界面 下與金屬離子的配位 .1 .1 溶液中膽紅素與金屬離子的配位化學(xué)由于 BR 在強(qiáng)堿條件下易被氧氧化 ,在中性成或偏酸性溶液的溶解性差以及 BR 的配位能力較弱等因素, BR

5、 與金屬離子的配位一般都在弱堿介質(zhì)中進(jìn)行,如選擇偏堿性磷酸鈉緩沖溶液(pH =9 .5),并對(duì)溶 液進(jìn)行通氮除氧 .在以上條件下 ,考察了 BR 與 Fe3 +,Cu2 +,Cd2 +,Hg2+ ,Ni2 +,Co2+ ,Ti + ,Ag +和 Mn2+等離子的配位情況 3 ,前幾種離子可與 BR 形成配合物 ,采用等摩爾系列圖法測(cè)試了這些配合物的組成, 結(jié)果 表明, BR 與這些金屬離子均以 11 配合, 即 BR +Mn +MBRn+ .由等摩爾系列圖法求得的各配合物的 條件穩(wěn)定常數(shù)如下(表 1):收稿日期:2002 -03 -03;基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):20031

6、010)、教育部重點(diǎn)科技項(xiàng)目(項(xiàng)目 編號(hào):1998 -121)和廣東省自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào):980898).第一作者簡介:雷遠(yuǎn)江(1974 ), 男, 碩士研究生;主要研究方向 :主要從事單分子膜和 LB 膜的研究工作 .134昆 明理 工大 學(xué)學(xué) 報(bào) 第 27 卷表 1 BR 的幾種金屬配合物條件穩(wěn)定常數(shù)單位:mol/L金屬離子Fe3 +Cu2 +Co2 +Zn2 +Cd2 +Ni2 +K(BR 配體)6.8×1041.6×1051.2×1052 .8×1053 .1×1042.6×105當(dāng)磷酸鈉緩沖溶液通氮除氧后 ,再向其中加入

7、 BR 和某些金屬離子時(shí), 則金屬離子對(duì) BR 氧化的促進(jìn)作用消失或被大為削弱 ,在極譜圖上表現(xiàn)為 BR(或金屬離子)波逐漸降低 ,而另一電位處出現(xiàn)一新波 .但當(dāng)向上述溶液中加入 EDTA 等較強(qiáng)的配合劑時(shí) ,BR 波有時(shí)可重新出現(xiàn).因此, 可認(rèn)為 BR 并 未被氧化 ,而是和金屬離子形成了配合物 , 新產(chǎn)生的極譜波 則為配合物的還原所致 ,由于配合物的極譜波高隨 BR 和金 屬離子濃度增大而升高, 且在一定濃度范圍內(nèi) ,波高與濃度 成線性關(guān)系,所以可以用極譜法來研究配合物的組成及穩(wěn)定 性.圖 2 是 Zn2 + -BR 配合物的極譜圖 3 , 其它金屬離子與 BR 的配合物波與此類似.以上反

8、應(yīng)是在除氧情況下進(jìn)行的,但在有氧情況下, 膽紅素與金屬離子反應(yīng)卻不同無氧情況下膽紅 素與金屬離子的反應(yīng) .不除氧 ,向含BR 的堿性磷酸鈉緩沖溶液中分別加入 Cu2+,Hg2+,Ti +,Fe3+等金屬離 子,檢測(cè)溶液的極譜波和吸收光譜(表 2), 并同時(shí)觀察溶液外觀的變化.從表 2 中可知, 當(dāng) BR 溶液中有Mn2+ ,Ag+ ,Ti +和Hg2+等金屬離子時(shí) ,溶液中會(huì)逐漸 出現(xiàn)少許沉淀(離子若與 PO43-或OH -結(jié)合產(chǎn) 生沉淀 ,反應(yīng)一開始就較明顯), 表明 BR 與這 些金屬離子結(jié)合行成了難溶鹽或使它們發(fā)生 了還原反應(yīng) .而加 Hg2+ ,Cd2+, Zn2+等金屬離 子的溶液則

9、與上不同 ,即使在加入時(shí)因局部過 濃而出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象 , 但稍加振蕩后即消失 , 且 過一段時(shí)后仍無沉淀出現(xiàn) , 而在此過程中 BR 卻被較快地氧化成其它產(chǎn)物(一般為綠色產(chǎn) 物).因此 ,可認(rèn)為這些金屬離子并未被還原成 單質(zhì)或結(jié)合成難溶鹽, 但它們?cè)?BR 的氧化過 程中卻起到了一種促進(jìn)劑的作用 .還有些非氧 化性 ,非過渡態(tài)金屬離子(如稀土等)基本上不 與BR 作用 .從表 2 中還可看出,各溶液在變化 過程中所新產(chǎn)生的極譜峰電位基本相同 .進(jìn)一表 2 在磷酸鈉溶液(pH=11)中, 膽紅素和 金屬離子相互作用的結(jié)果 3金屬離子溶液現(xiàn)象極譜峰電勢(shì)/VMn2 +綠黃色, 黑色沉淀 -0.84Cu

10、2 +, Cd2 +, Co2 +淺黃色-0.84Ag +微黑色, 沉淀-0.84Zn2 +淺綠色-1.0Hg2+淺綠色-0.83Fe2 +, Fe3 +淺黃色, 沉淀Ti +淺黃色, 白色沉淀-0.80Ni2+ , Al3 +, In3 +淺黃色Eu2 +, Sm2 +淺黃色Hg22+淺綠色, 黑色沉淀-0.83La3 +, Mg2 +, Ba2 +無色 金屬離子濃度(能夠和 OH -或 PO43 -形成沉淀的金屬離子):1 ×10 -1 mol/ L or 1 ×10-5mol/ L.膽步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 這個(gè)波是由反應(yīng)過程中所產(chǎn)生紅素濃度:5 ×10 -6 mo

11、l/ L.吸收波長/ nm :Cu2+ ,的膽綠素的還原所致.至于 BR 與金屬離子作Cd2 +, Co2 + 375;Hg2 +, Hg22 + 380.用后生成的其它產(chǎn)物 ,它們似乎均為非電活性物質(zhì) ,在汞電極上無較明顯的氧化 還原電流信號(hào). 通過對(duì) BR 的氧化情況研究,可知, 在缺氧條件下 ,BR 較難被氧化.即使在金屬離子存在的情況下 ,BR 的氧化仍與氧有關(guān) ,真正起作用的是溶解氧 .BR 與金屬離子的作用還與溶液酸度有關(guān) ,在酸性或偏堿性介質(zhì)中 ,BR 與金屬離子的反應(yīng)一般不明 顯;隨著介質(zhì)堿性增強(qiáng),反應(yīng)加快, 表明 BR 的還原性隨著介質(zhì)堿性增強(qiáng)而增強(qiáng) .BR 與金屬離子的作用

12、與 介質(zhì)相關(guān) 4 ,當(dāng)介質(zhì)與金屬離子配合時(shí), BR 與金屬離子的作用受到抑制.Cu2+與 BR 在幾種介質(zhì)中的作 用速度從快到慢順序?yàn)?NaCl ,NH3 -NH4Cl ,NH2OH ,N2H4 , en , EDTA ,DTPA .由此可知 ,當(dāng)介質(zhì)與 Cu2+的配 位能力增強(qiáng)時(shí),Cu2 +與 BR 的反應(yīng)速度有減慢趨勢(shì).第 4 期 雷遠(yuǎn)江, 歐陽健明, 等:膽紅素的配位化學(xué)及其應(yīng)用研究進(jìn)展135膽紅素形成金屬配合物后 ,其分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變 ,BR 為鏈?zhǔn)竭量┙Y(jié)構(gòu) ,它們分子中的骨架原子C 基本上都以 sp2 雜化軌道成鍵, 其分子為 2 個(gè)成一定角度的平面結(jié)構(gòu) .它們與金屬離子形成 11

13、 的配合物 時(shí),一般將從原來的鏈?zhǔn)?或其它表達(dá)式)結(jié)構(gòu)變成類似卟啉的環(huán)狀結(jié)構(gòu)以適應(yīng)與中心離子的螯合和滿足 其配位數(shù).不同的金屬離子與膽紅素配位后形成的類似卟啉的環(huán)狀結(jié)構(gòu)并不相同 ,這可能是由于金屬離 子的電荷和半徑不同而造成的 5 8 .對(duì)膽紅素金屬配合物進(jìn)行表征時(shí), 必須進(jìn)行元素分析, 紅外光譜分析, 差熱和熱重分析 , 紫外吸收光 譜分析 ,質(zhì)譜分析,共振拉曼光譜等 ,這樣才能得出準(zhǔn)確的膽紅素金屬配合物的結(jié)構(gòu) 6 ,7,8 .表面增強(qiáng)拉曼 光譜可以判斷 BR 與金屬離子配合時(shí)其結(jié)構(gòu)從鏈?zhǔn)?或其它形式)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成類似卟啉的環(huán)狀結(jié)構(gòu) 5,8 .1 .2 膜/水界面下膽紅素與金屬離子的配位化學(xué)在

14、有序分子膜內(nèi)研究膽紅素的行為及其與金屬離子的作用, 其研究環(huán)境更接近于人體環(huán)境, 這將更有助于人們更好地了解膽紅素與金屬離子相互作用及其在動(dòng)物和人體內(nèi)的生理功能 ,了解膽結(jié)石的成 因、結(jié)構(gòu)以及治療膽結(jié)石病等 9 .單分子膜的 -A 等溫線及其表 3 亞相金屬離子對(duì) BR -A 等溫線分子在氣液界面的聚集行為與的影響(MCl2 =1.0×10-3 mol/ L)亞相的性質(zhì)緊密相關(guān) , 亞相中存MCl2WaterCaCl2NiCl2ZnCl2MgCl2PbCl2CuCl2在的酸、堿、金屬鹽、陰離子及有機(jī)A70656364676058化合物等均會(huì)影響物質(zhì)的成膜性max46525044494

15、851能.把各金屬離子 (Ca2+ , Ni2+,Cu2 +,Mg2+ ,Zn2 +,Pb2 +)分別加入亞相, 對(duì) BR 的 -A 等溫線影響情形相似.相比純水亞相, 加入金屬離子后的-A 等溫線壓縮性增加 .BR 的 A 值由純水亞相表面的 0 .07 nm2 減少至含金屬離子亞相表面的 0 .58 0 .67 nm2(表 3).這種變化可能與 BR 和金屬離子的配位及金屬對(duì) BR 的催化氧化作用有關(guān) 10 .為了證明在氣水界面 BR 是否與金屬離子發(fā)生了配 位,歐陽健明等 11 將上述 BR 單分子膜轉(zhuǎn)移至干凈的石英基 片上, 測(cè)得其紫外可見光譜如圖 3 .相比在純水亞相 , 從含CuC

16、l2 的亞相表面沉積的 BRLB 膜在 608 和 658 nm 處增加了兩個(gè)中強(qiáng)吸收峰 ,這歸因于 BR 與亞相中的金屬離子配位后 配體向中心金屬離子的電荷躍遷或 Cu2+離子催化氧化 BR 所致.在含 NiCl2 的亞相表面沉積的 BRLB 膜 ,其紫外可見光 譜也出現(xiàn)了類似變化 .歐陽健明等 11 采用原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)研究了單 層 BR-CuLB 膜的結(jié)構(gòu) ,發(fā)現(xiàn)單層 BR -CuLB 膜的厚度為 1 . 23 nm .BR -Cu 的結(jié)構(gòu)為 :BR 的四個(gè)吡咯環(huán)與金屬離子 Cu2+ 形成類似于金屬卟啉的配合物后, 配合物平面伸出氣水界 面在空中伸展, 伸展時(shí)分子平面相對(duì)于法線

17、以一定的角度傾 斜.BR 分子平面的傾斜角度約為 29°.2 膽紅素配位化學(xué)的應(yīng)用研究2 .1 關(guān)于膽結(jié)石的基礎(chǔ)研究膽紅素配位化學(xué)的應(yīng)用研究主要集中在膽結(jié)石的研究 上,膽結(jié)石是一種世界范圍的常見病 ,發(fā)病率較高 .在我國 ,膽結(jié)石在成年人中的發(fā)病率高達(dá) 8 % 10 %.根據(jù)結(jié)石的組成可分為 3 類 :膽固醇型結(jié)石、色素型結(jié)石和混合型結(jié)石 .色素型和混合型結(jié)石的組成很復(fù) 雜 ,它們含有膽固醇、膽紅素絡(luò)合物、多糖、蛋白、糖蛋白、膽汁酸、膽鹽、磷酸鹽、碳酸鹽和脂肪酸鹽等多 種物質(zhì) ,結(jié)石的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜 .而膽紅素鈣是色素型膽結(jié)石的主要成分.有實(shí)驗(yàn)證實(shí) 12 ,13 , 在一定條件 下,

18、人體分泌的膽酸及其鹽可以促進(jìn)膽紅素鈣碳酸鈣 ,以及磷酸鈣等形成 LRS 結(jié)構(gòu)(Liesegang Rings)從而136昆 明理 工大 學(xué)學(xué) 報(bào) 第 27 卷形成膽結(jié)石 .劉振華等 14 用紅外光譜法比較研究了膽結(jié)石核心、成環(huán)部分及周邊成分的組成.他們研究 了色素型結(jié)石, 發(fā)現(xiàn)棕色結(jié)石核心含高濃度軟脂酸鈣鹽 , 這說明細(xì)菌感染是膽管結(jié)石核心早期結(jié)晶的主 要原因之一 ,棕色素結(jié)石結(jié)晶環(huán)及周邊含有高濃度膽紅素鈣 ,代表膽汁滯瘤是膽管結(jié)石成長的主要原因 之一 .有研究結(jié)果 15 已經(jīng)表明膽紅素鈣絡(luò)合物是一種具有非化學(xué)計(jì)量特性的化合物 .楊展瀾等 16 進(jìn)一步 用掃描電子顯微鏡及能譜 (EDAX)分析

19、 ,和紅外光譜分析對(duì)色素型結(jié)石和混合型結(jié)石進(jìn)行了分析, 從所 得的分析數(shù)據(jù)中 ,他們發(fā)現(xiàn)在不同結(jié)石的不同區(qū)域膽紅素鈣絡(luò)合物中代表 COOH 振動(dòng)的特征譜帶的相對(duì) 強(qiáng)度不同, 也就是說膽紅素中羧酸基團(tuán)的氫被鈣取代的量不同 .說明不同結(jié)石及結(jié)石的不同區(qū)域中的膽 紅素鈣具有不同的鈣含量 .由此可見,在結(jié)石中沉積的膽紅素鈣絡(luò)合物同樣具有非化學(xué)計(jì)量的性質(zhì) .人體 中膽汁是一個(gè)開放體系 ,它的組成隨機(jī)體的狀態(tài)及環(huán)境的變化而變化.從而在結(jié)石的形成過程中使膽紅 素鈣具有不定的組成 .研究表明具有非化學(xué)計(jì)量性質(zhì)的膽紅素鈣絡(luò)合物與蛋白結(jié)合形成高分子的網(wǎng)狀分 子結(jié)構(gòu).這也正是色素型結(jié)石和混合型結(jié)石很難用溶石法治療的

20、主要原因 .在色素型結(jié)石中 ,不僅存在著膽紅素鈣絡(luò)合物, 而且也有膽紅素銅等絡(luò)合物.吳瑾光等 17 在對(duì)黑色 結(jié)石進(jìn)行成分分析時(shí) ,發(fā)現(xiàn)膽紅素銅在外觀上與黑色色素型結(jié)石類似 , 且黑色結(jié)石所含金屬元素中銅含 量在結(jié)石的核心處是最高的, 于是推測(cè)膽紅素銅在黑石形成過程中起到不可忽視的作用 .2 .2 牛黃的開發(fā)和利用牛黃是牛的膽結(jié)石, 它是一種色素型膽結(jié)石, 它對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)及對(duì)解痙、利膽、抗炎等 方面都有很好的作用 ,是名貴中藥材 .近年來 ,牛黃的抗癌作用也引起了醫(yī)學(xué)界的重視 18 .由于天然牛黃 很稀少,所以我國已開始人工合成和人工培育牛黃 19 .在牛黃新藥的開發(fā)、利用方面,

21、 我國也做了較多的 工作 20 .對(duì)天然牛黃進(jìn)行成份分析 ,發(fā)現(xiàn)其中含有微量的過度金屬離子 ,人們推測(cè) ,牛黃的藥理活性與膽 紅素和金屬離子的配位有關(guān).2 .3 膽紅素配位化學(xué)的其它應(yīng)用研究Farhan Asad S .等 21 報(bào)道了膽紅素銅()配合物能降解DNA .他們發(fā)現(xiàn)膽紅素銅()的形成導(dǎo)致了 Cu()向 Cu()的還原.并且這種金屬離子的氧化還原循環(huán)產(chǎn)生了活性的氧物種 ,尤其是羥基, 膽紅素 銅()配合物導(dǎo)致了小牛胸腺 DNA 和超螺旋質(zhì)體 DNA 的線狀破損.通過用 Cu()特殊的酯試劑(新亞 銅試劑)做實(shí)驗(yàn)顯示出Cu()在 DNA 的分裂反應(yīng)中是一種基本介質(zhì) .通過各種含氧基猝滅

22、物對(duì) DNA 破 損的抑制 ,膽紅素銅()產(chǎn)生羥基并且有活性氧物種的參與得到了確任 .Heirwegh K P M .等 22,23 發(fā)現(xiàn)膽 紅素銅是膽汁中的一種自由基清洗劑, 并可使卵磷脂免受過氧化 .多年來 ,人們對(duì)膽紅素及其配合物進(jìn)行了深入的研究, 以期能找出膽紅素與金屬離子的作用機(jī)理及 其與膽結(jié)石形成的關(guān)系, 遏制人體膽結(jié)石的形成, 但由于膽紅素與金屬離子相互作用的多樣性和復(fù)雜性 , 人們對(duì)膽結(jié)石的形成機(jī)理還沒有得出一個(gè)很好的理論 ,只是近幾年來 ,國外有人提出 ,膽結(jié)石的形成和膽 紅素金屬配合物與蛋白質(zhì)、糖等在它們各自的活性位點(diǎn)發(fā)生相互的結(jié)合有關(guān).而參與其中的蛋白質(zhì)、糖種 類非常多

23、,有的促進(jìn)結(jié)石生長 ,有的抑制結(jié)石生長 ,這使得結(jié)石形成機(jī)制的研究變得異常復(fù)雜但卻有了將 其解釋清楚的可能.參考文獻(xiàn) : 1張能榮.膽紅素的藥理作用 J .生化藥物雜志, 1989.1 3. 2BONNETT R, DAVIS J E ,HURSTYOUSE M B .Structure of Bilirubin J .Nature , 1976 , 262 326 . 3曾百肇, 劉 壯, 張悟銘, 等.膽紅素與金屬離子的作用機(jī)制初探 J .高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào), 1993, 14(10):1370 . 4劉 壯, 曾百肇, 周性堯.銅()及其配合物催化膽紅素氧化動(dòng)力學(xué)的研究 J .無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)

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