碘的生物无机化学研究进展
张锋 刘祁涛
本文综述甲状腺激素相关研讨的停顿，讨论碘在甲状腺激素与细胞内激素受体蛋白结合中的结构作用。文中评述了关于甲状腺激素与血浆运载蛋白和细胞内受体蛋白结合的溶液亲合性、结构研讨和甲状腺激素碘代酚环的分子识别特性与碘的结构效应模拟研讨的数据结果，并就碘对激素-受体蛋白结合的结构作用提出了作者的观念。 关键词:碘 甲状腺激素 分子识别 分类号:O613.44
Progress in Study on Bioinorganic Chemistry of Iodine an Approach to Structural Role of the Iodines in Thyroid
Hormone-Receptor Binding
ZHANG Feng LIU Qi-Tao
(Department of Chemistry,College of Chemistry Science and
Engineering,Shenyang 110036) Thyroid hormone-related studies including the affinities of thyroid hormone analogues to serum carrier proteins, the binding structures of the hormone-carrier protein and hormone-receptor protein complexes, and the molecular recognition properties of the outer phenolic ring of thyroid hormones and the structural effects of the iodines have been reviewed. Possible structural roles of the iodines for thyroid hormone-receptor binding have been proposed.
Keywords: iodine thyroid hormone molecular recognition
碘是许多脊椎植物生命进程的必需元素之一。碘被植物体吸收后主要被用于甲状腺激素的生物分解。甲状腺激素是迄今发现的具有生物活性的独一含碘化合物，它在甲状腺被分解和分泌，并与血浆运载蛋白可逆结合，经由循环系统被运送到靶细胞发扬生物功用［1］。
甲状腺主要分泌两种具有生物活性的甲状腺激素:四碘甲腺原氨酸(3,5,3',5'-tetraiodo-L-thyronine，或称甲状腺素：L-thyroxine，简记为T4)和三碘甲腺原氨酸(3,5,3'-triiodo-L-thyronine，简记为T3)，它们均为含碘酪氨酸衍生物(图1)，其中T4为主要分泌物，它在外周组织如肝脏、肾脏和脑下腺(垂体)经过脱碘酶的作用被局部转化为具有更高生物活性的T3[2,3]。血浆中游离的甲状腺激素浓度极低，约为10－9mol.L－1
，其中大部为T3。甲状腺激素经过与细胞核内特异受体蛋白结合，诱
导该蛋白发生活性构象，使其DNA结合部位与DNA的特定部位有效结合，从而激活DNA的转写进程,到达调理基因表达的生物功用[3～5]。少量生物学和生理学的实验结果证明，甲状腺激素对细胞的正常发育和分化、植物的体温调理和各种糖、脂肪和蛋白质代谢平衡的维持起重要的调理和控制造用[1,3,6～8]。但是，碘在其中所起的作用还尚未弄清。碘与甲状腺激素生物活性的关系不时是许多学者感兴味的研讨课题。
图1 甲状腺激素分子的结构
Figure1 Molecular structures of thyroid hormones
本文引见甲状腺激素相关研讨的停顿，讨论碘在甲状腺激素与细胞内受体蛋白结合中的结构作用。
1 甲状腺激素的化学性质及结构特征
甲状腺激素分子由两个碘代酪氨酸分子偶联而成[9]。生理条件下，T3和T4的4'-酚羟基的pKa值区分为8.5和6.7[10]，因此，在生理pH(7.4)下，区分有8.2％的T3和82.4％的T4，其酚羟基处于去质子形状[11]。X-射线晶体学研讨说明，甲状腺激素分子的内环(innerring)和外环
(outerring)平面处于接近垂直的空间位置(参见图1)，碳氧醚键的夹角为120～122°[12～14]。3,5-碘基被以为对维持甲状腺激素分子这种特殊的平面结构起主要作用[12]，由于内环仅有一个碘基的3,3',5'-三碘甲腺原氨酸(3,3',5'-triiodo-L-thyronine，或reverseT3,简记为rT3)其内环和外环平面的夹角为8°或－6°[15]，而内环有3-和5-两个碘基的T3，相应的夹角为90°[13]，T4为108或－113°[14]。3,5-碘基较大的体积阻碍了碳氧醚键的旋转。4'-酚羟基具有很强的构成氢键的才干，其中4'-OH可同时作为质子的给体和受体，而4'-O－只能作为质子受体。此外，氨基酸侧基也表达出很强的构成氢键的才干。甲状腺激素分子这种特殊结构被以为对其与运载蛋白和受体蛋白有效结合，发生生物活性具有重要意义[12]。
2 激素-运载蛋白相互作用
甲状腺激素在血浆中主要与三种运载蛋白可逆结合：甲状腺结合球
蛋白(thyroxine-binding globulin,TBG)，甲状腺结合前白蛋白
(thyroxine-binding prealbumin,TBPA,或transthyretin,TTR)，和血浆白蛋白(serum albumin,SA)[12,16,17]。研讨说明，血浆中TBG的浓度为15mg.L－1，仅为TBPA浓度的1/20，SA浓度的1/3000，但TBG对甲状腺激素的亲合性远大于TBPA和SA[17]。三种运载蛋白对T4的亲合性清楚大于T3[18～20]。表1说明碘清楚添加甲状腺激素与TBPA的亲合性，并且外环碘基的贡献大于内环碘基；卤素取代基的贡献大于烷基。由此推测氢键和卤素基团与蛋白质间的电荷迁移作用能够是决议亲合性大小的主要要素[19]。
表1甲状腺激素及其相似物对甲状腺结合前白蛋白〔TBPA〕的相对亲合
性
Table 1 Relative Binding Affinities of Thyroid Hormone Analogues
to Prealbumin (pH 8.0, 37℃ ) thyroid-hormone-analogues C1/K1/thyroid-hormone-analogues ％a C1/K1/％a 3,5,3',5'-tetraiodo-L-thyron100 ine-(T4) 3,5,3'-triiodo-L-thyronine-(9.2 T3) 3,3',5'-triiodo-L-thyronine-3,3'-diiodo-L-thyronine(3,3'32.9 0.64 (rT3) -T2) 3,5-diiodo-L-thyronine-(3,5-3',5'-diiodo-DL-thyronine(3'0.32 3.3 T2) ,5'-T2) 3-iodo-L-thyronine-(3-T1) L-thyronine-(T0) 0.014 3'-iodo-DL-thyronine-(3'-T1) 0.068 <0.003,5-diiodo-3'-(methyl)-L-thy0.44 2 ronine 3,5-diiodo-3'-(i-Pr)-L-thyro3,5-diiodo-3'-(t-Bu)-L-thyro0.83 1.3 nine nine 3,5-diiodo-3'-(i-Bu)-L-thyro2.2 nine 3,5-diiodo-3'-bromo-L-thyron1.6 ine 3,5-diiodo-3'-(benzyl)-L-thy1.1 ronine 3,5-diiodo-3'-chloro-L-thyro0.75 nine 3,5-dimethyl-3'-iodo-L-thyro3,5-dimethyl-3',5'-diiodo-L-0.84 0.78 nine thyronine 3,5-diiodo-3',5'-dimethyl-L-3,5-diiodo-3',5'-dibromo-L-t0.12 8.6 thyronine hyronine aK1(3.5×107L.mol－1)is the affinity constant of T4,and the C1/K1 values are the ratio of the affinity constants of the other
compounds to T4,data based on reference[19]
Blake等人[16,21,22]对T4-TBPA缔合物的晶体和分子结构剖析结果说明，T4的4'-酚羟基与处于蛋白质激素结合隧道内侧中心的Ser-117和
碘的生物无机化学研究进展
