HEME PROTEINS, MICROSPHERES, AND SYNTHETIC ANALOGS

血红素蛋白、微球和合成类似物

基本信息

项目摘要

The objectives of this research involve the characterization and applications of heme proteins, heme protein microspheres, and synthetic analogs of heme proteins. The reactions of interest include (2) ligand binding to heme proteins and metalloporphyrins, (2) oxygen activation and hydrocarbon oxidation by metalloporphyrins, and (3) the interactions between porphyrins as redox partners in organized media. The heme proteins are relevant to cardiovascular functioning; to drug, hormone, and exobiotic metabolism; to oxidant detoxification and substrate oxidation; and to biological electron transfer and photosynthesis. Some of these studies are directed toward the development of a new class of blood substitutes based on our recent discovery of a simple sonochemical synthesis of hemoglobin (Hb) and other protein microspheres. Other parts of this research provide a fundamental understanding of the molecular mechanisms of heme protein reactions in closely related model metalloporphyrins and oligopeptide-heme complexes. Ultrasonic irradiation of various proteins (e.g., serum albumin and Hb) creates micron-sized spheres that can be either gas-filled or non-aqueous liquid-filled. We have had substantial success in recent development of proteinaceous microspheres as blood substitutes for O2 transport, as contrast agents for magnetic resonance imaging, and as spin-label probes for in vivo O2 and temperature profiling. Microspheres made of Hb and of other protein are currently under development and animal testing as blood substitutes. Other proposed work includes further studies of molecular recognition and substrate specificity on the basis of shape, polarity, charge and hydrogen bonding; the continued examination of oligopeptide-heme complexes as totally synthetic heme proteins; chemical and photochemical generation of highly oxidized iron porphyrin complexes, both in proteins and in synthetic analogs; and the synthesis of bis(porphyrin) metal complexes. In work with synthetic metalloporphyrins and dendrimer- porphyrins, we are developing superstructured macrocycles as shape, size, and polarity selective oxidation catalysts for both hydroxylation and epoxidation. Our exploration of the photochemistry of metalloporphyrins has created a new route to the formation of metal-oxo complexes and other high energy species. As part of this, photo-redox agents have been attached to cytochrome P450 and to porphyrin dimer analogs of the photosynthetic reaction center with the intent of the time resolved observation of intermediates. Continuation of our efforts in these areas should lead (1) to the development of a new class of blood substitutes based on protein microspheres as O2 carriers, (2) to a quantitative understanding of the influences which modulate ligand binding in protein environments, (3) to further characterization and isolation of high oxidation state heme protein intermediates, (4) to a closer understanding of substrate selectivity and regiospecificity by monooxygenases, and (5) to basic knowledge about porphyrin-porphyrin interactions in pi-overlapping systems such as the photosynthetic reaction center.
这项研究的目标包括表征和 血红素蛋白、血红素蛋白微球的应用 合成的 血红素蛋白的类似物。 感兴趣的反应包括 (2) 配体 与血红素蛋白和金属卟啉结合,(2) 氧 激活和 金属卟啉对烃的氧化,以及(3) 互动 卟啉作为有组织介质中的氧化还原伙伴。 血红素 蛋白质与心血管功能相关;吸毒、 激素, 和外生代谢;氧化剂解毒和底物 氧化;以及生物电子转移和光合作用。 一些 这些研究的目的是开发一个新类别 的 基于我们最近发现的一种简单的血液替代品 声化学 血红蛋白(Hb)和其他蛋白质微球的合成。 其他 部分 这项研究提供了对 分子 密切相关模型中血红素蛋白反应的机制 金属卟啉和寡肽-血红素复合物。 各种蛋白质(例如血清白蛋白和 血红蛋白) 创建微米大小的球体,可以充气或 非水性的 充满液体的。 我们最近取得了巨大的成功 发展 蛋白质微球作为 O2 运输的血液替代品, 作为 用于磁共振成像的造影剂,以及作为自旋标记 探针 用于体内 O2 和温度分析。 Hb 微球 和的 其他蛋白质目前正在开发和动物测试中 血 替代品。 其他拟议的工作包括进一步研究分子 认可和 基于形状、极性、电荷和的底物特异性 氢键;寡肽血红素的持续检查 作为完全合成的血红素蛋白的复合物;化学和 光化学 生成高度氧化的铁卟啉复合物,均在 蛋白质 以及合成类似物;以及双(卟啉)金属的合成 复合物。 与合成金属卟啉和树枝状聚合物一起工作- 卟啉,我们正在开发超结构大环化合物, 尺寸, 和用于羟基化的极性选择性氧化催化剂 和 环氧化。 我们对光化学的探索 金属卟啉 创造了一条形成金属氧配合物的新途径 其他 高能物种。 作为其中的一部分,光氧化还原剂已被 连接到细胞色素 P450 和卟啉二聚体类似物 光合反应中心用意图时间解决 中间体的观察。 我们在这些领域的继续努力应该导致(1) 开发基于蛋白质的新型血液替代品 微球作为 O2 载体,(2)定量了解 这 调节蛋白质环境中配体结合的影响, (3) 至 高氧化态血红素的进一步表征和分离 蛋白质中间体,(4) 更深入地了解底物 单加氧酶的选择性和区域特异性,以及(5) 基本的 关于π重叠中卟啉-卟啉相互作用的知识 光合作用反应中心等系统。

项目成果

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