生物無機(jī)化學(xué)-無機(jī)3fchapter

第九章電子轉(zhuǎn)移蛋白生物體中具有電子傳遞功能的金屬蛋白質(zhì)有哪幾類？其金屬中心的結(jié)構(gòu)有何特征？電子轉(zhuǎn)移在生命過程中有何重要性？其電子轉(zhuǎn)移機(jī)理是什么？研究金屬蛋白的

電子轉(zhuǎn)移會(huì)

哪些？1在形式上，所有的化學(xué)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，都可分為兩類：酸堿反應(yīng)，和氧化還原反應(yīng)。本章：性質(zhì)上純屬氧化還原反應(yīng)，其中包括電子從一種蛋白質(zhì)到另一種蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)移。29.1

電子載體（金屬蛋白）9.2

電子轉(zhuǎn)移9.3

電子轉(zhuǎn)移與距離及驅(qū)動(dòng)力的相關(guān)性3電子轉(zhuǎn)移蛋白分類：鐵-硫蛋白藍(lán)銅蛋白細(xì)胞色素9.1

電子載體49.1a

鐵-硫蛋白5大多數(shù)含有FenSm單元鐵-硫蛋白中，有兩類功能:推動(dòng)電子轉(zhuǎn)移。催化功能：如雙氮或亞硝酸鹽的還原；檸檬酸和異檸檬酸間的相互轉(zhuǎn)化；甚至像DNA特定部位的水解功能。這些酶往往是(但不總是)具有額外的金屬中心，而電子的轉(zhuǎn)移反應(yīng)正在這里發(fā)生。此處

僅著眼于鐵-硫蛋白作為電子轉(zhuǎn)移劑的功能上。的鐵-硫蛋白的氧化還原化學(xué)和與FenSm核相對應(yīng)模型已廣為研究。已知的四類鐵-硫蛋白，將按簇合物

原子數(shù)目增加的順序依次

。6表5.2鐵-硫蛋白的典型化學(xué)特征：8(i)

[1Fe-0S]。紅氧還蛋白的活性部位含一個(gè)高自旋的Fe(Ⅱ,Ⅲ)，它與4個(gè)半胱酸根的硫原子配合，處于近似四面體的排布。其中Fe-S平均距離幾乎等同，數(shù)值接近2.28?。這個(gè)距離與

的類似化合物二(鄰-二甲苯基二硫醇)鐵(Ⅲ)中的數(shù)值極其吻合，該化合物中，F(xiàn)e-S平均距離為2.267

?。鐵(i)

[1Fe-0S]。氧化形和還的紅氧還蛋白的Fe-S距離從2.26?增加到2.32?。且經(jīng)過還原，鐵中心并無大的變化：高鐵和亞鐵型間的差別僅在于Fe-S距離有2%-3%的增加，而配位數(shù)和自旋無變化。紅氧還蛋白的還原電位通常在-50

+50mV間。鐵紅氧還蛋白的例子：10從巴式梭菌(ClostridiumPasteurianum)獲得一個(gè)紅氧還蛋白R(shí)b:分子量：8KDa；55個(gè)氨基酸殘基。含有一個(gè)[FeIII(s-Cys)4]-配離子。其紅色來源于在490nm處的一個(gè)S→Fe的電荷轉(zhuǎn)移帶。(ii)

[2Fe-2S]：鐵氧還蛋白含有{Fe2S2(S-Cys)4}單元：在氧化形中，該部位含2個(gè)Fe(Ⅲ)離子，每一個(gè)均為四面體配位，其中2個(gè)為橋式硫基，2個(gè)為端梢的半胱氨酸巰基。Fe-Fe距離2.70?，F(xiàn)e-S-Fe鍵角接近75o，存在明顯的金屬-金屬鍵。11(ii)[2Fe-2S]。含此類中心所有的生理過程都經(jīng)歷單電子轉(zhuǎn)移，形成混合價(jià)態(tài)Fe(Ⅲ)Fe(Ⅱ)。這兩個(gè)鐵中心呈現(xiàn)反鐵磁性偶合，單電子則離域在兩個(gè)鐵的位置上。12(ii)[2Fe-2S]。還

模型配合物的類似研究證實(shí)了同樣的結(jié)果：存在2個(gè)分立但又相互轉(zhuǎn)化的Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)中心，而不是完全離域的體系。這種含兩個(gè)鐵中心蛋白質(zhì)的還原電位，比單核中心的更負(fù)，在-280

-490mV的范圍內(nèi)。13(iii)[3Fe-4S]。14Fe3S4(S-Cys)3

單元蛋白的單元可簡單地想像為Fe4S4立方體缺一角(見式5.2)。123(iii)[3Fe-4S]。氧化形含3個(gè)Fe(Ⅲ)離子。這3個(gè)高自旋的Fe(Ⅲ)離子為反鐵磁性偶合，所形成的體系在基態(tài)有一未成對的電子。該單元的結(jié)構(gòu)與明顯具有鐵-鐵鍵的結(jié)構(gòu)一致。15(iii)[3Fe-4S]。還含兩個(gè)Fe(Ⅲ)離子和一個(gè)Fe(Ⅱ)離子。存在一個(gè)高自旋的Fe(Ⅲ)中心和一對等價(jià)的位置，凈的氧化態(tài)接近Fe+2.5。三核簇的總自旋態(tài)為S=2。D.

gigas鐵氧還蛋白Ⅱ的電位為-130mV。16(iv)

[4Fe-4S]。Fe4S4立方烷型結(jié)構(gòu)，可看作是兩個(gè)Fe2S2單元二聚體。其中硫基和3個(gè)鐵中心橋聯(lián)。鐵-鐵間距再次接近2.7?。該單元區(qū)別于上述其他中心的最顯著特征是：它能以三種而不是兩種氧化水平存在。此外，它存在于不同的蛋白質(zhì)中。AB(iv)

[4Fe-4S]。P.aerogenes鐵氧還蛋含2個(gè)Fe4S4(S-Cys)4簇合物，每個(gè)簇合物的氧化態(tài)形式上含2個(gè)Fe(Ⅲ)離子和2個(gè)Fe(Ⅱ)離子，相當(dāng)于在Fe4S4單元上的總電荷為+2。該體系實(shí)際上是電子離域的，它具有4個(gè)等價(jià)的鐵中心，平均氧化態(tài)為+2.5。18這些簇合物能還原為Fe4S4+單元，形式上含1個(gè)Fe(Ⅲ)和3個(gè)Fe(Ⅱ)離子，其中的電子也是離域的。相反，Chronatium鐵氧還蛋白(過去稱為高電位鐵蛋白或HiPIP)的

含1個(gè)Fe4S42+單元，氧化形則含1個(gè)Fe4S43+單元，形式上為3個(gè)Fe(Ⅲ)和1個(gè)Fe(Ⅱ)離子。19Fe4S4(SR)4簇每個(gè)鐵原子結(jié)構(gòu)的變化比單鐵型中心的小。典型的[Fe4S4(SR)4]-、[Fe4S4(SR)4]2-和

[Fe4S4(SR)4]3-中，平均鐵-硫距離分別為2.25

?、

2.28?、2.31?。相當(dāng)于每加入一個(gè)電子改變1.3%；對于單核的中心則改變2%-3%。圖9.2表示了當(dāng)R=Ph (或Ph取代基）時(shí)，所觀測到的結(jié)構(gòu)隨氧化和還原作用的變化。20+e21+e22含[4Fe-4S]單元蛋白的氧化還原電位的范圍跨度極大，這是因?yàn)樗鼈兊娜N氧化水平都容易實(shí)現(xiàn)。蛋白質(zhì)處于[4Fe-4S]+和[4Fe-4S]2+水平之間，電位的范圍從-650

-280mV，而當(dāng)用[4Fe-4S]2+和[4Fe-4S]3+時(shí)，則接近+350mV。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)這些鐵簇合物的氧還電位，使其比相應(yīng)的小分子

模型移動(dòng)+60~80mV。23另一個(gè)需要重點(diǎn)研究的地方是測量蛋白及其模型的電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)。在金屬蛋白中，從表面到氧還活性金屬中心的遠(yuǎn)程電子轉(zhuǎn)移，是一個(gè)令人感

的課題。對于鐵硫蛋白主要的功能，如電子轉(zhuǎn)移，需要了解決定這類反應(yīng)速率的因素。24模型化合物的雙分子[Fe4S4(SR)4]n-外界速率常數(shù)在106

-107(mol/L)-1·s

-1

范圍內(nèi)，從而使[Fe4S4]立方體的電子轉(zhuǎn)移速率，在無機(jī)化學(xué)中，屬已知的自交換過程較快的一類。25當(dāng)[4Fe-4S]n-蛋白n=2到n=3轉(zhuǎn)變時(shí)，上述數(shù)值比已知較快的電子轉(zhuǎn)移速率還要大103以上。對模型化合物研究的結(jié)果表明：[4Fe-4S]簇合物的電子轉(zhuǎn)移速率較快，此與簇合物的重組能極低的研究結(jié)論相符。實(shí)際的電子轉(zhuǎn)移速率為鐵-硫簇合物外在的因素所控制。9.1b

藍(lán)銅蛋白26第二類重要的擔(dān)負(fù)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的蛋白是藍(lán)銅蛋白。二價(jià)銅簡單化合物的顏色相對應(yīng)的吸收帶(795nm)，其典型消光系數(shù)為5-10

mol-1·

L-1·

cm-1。但藍(lán)銅蛋白的特征峰則出現(xiàn)在600nm左右，消光系數(shù)＞3000mol-1·L-1·cm-1.圖9.3為其一例。圖9.327藍(lán)素和六水合銅離子的電子光譜比較藍(lán)素的消光系數(shù)比水合銅離子強(qiáng)約300~600倍：Why？？？其中藍(lán)銅蛋白的EPR譜反映了未成對電子比在其他銅(Ⅱ)配合物中更具有離域性。藍(lán)銅中心既存在于較小的含單個(gè)銅離子的蛋白質(zhì)，如藍(lán)素和藍(lán)銅蛋白中，也存在于復(fù)雜的酶(多銅氧化酶)中，后者在多種可識(shí)別的位置上含4個(gè)或的銅離子。28藍(lán)銅蛋白中銅的部位通常稱為類型I。藍(lán)銅蛋白中的銅離子被其他金屬取代時(shí)，得到某些與強(qiáng)可見吸收帶起因有關(guān)的重要結(jié)論，即硫醇根是銅(Ⅱ)離子的一個(gè)配體：這些蛋白質(zhì)特征吸收帶的位置，發(fā)生在能量與許多五和六配位的銅(Ⅱ)配合物d-d帶類似處，然而，它的高強(qiáng)度又使得表征為d-d躍遷讓人難以置信。29某些藍(lán)銅蛋白鈷(Ⅱ)的衍生物，證明了上述吸收帶的存在，其強(qiáng)度和Cu(Ⅱ)的類似物相似，但出現(xiàn)在大約300-500nm處。從Cu(Ⅱ)到Co(Ⅱ)向能量較高的方向轉(zhuǎn)移，和從配體到金屬的電荷轉(zhuǎn)移帶躍遷的表征一致(LMCT)。根據(jù)上述電荷轉(zhuǎn)移躍遷的位置，可認(rèn)為給體是硫醇根。30又通過對Cu(Ⅱ)形式近紅外區(qū)和Co(Ⅱ)形式可見和近紅外區(qū)的配位場躍遷的分析，提出這些金屬和脫輔基蛋白的光電子能譜硫區(qū)域的分析。31在這些研究中，有一個(gè)半胱氨酸硫原子處于十分不同的環(huán)境：在脫輔基的形式中，是質(zhì)子化和游離的；而在含金屬的形式中，則是脫質(zhì)子并和金屬結(jié)合在一起的。根據(jù)光學(xué)和紅外光譜的得到的數(shù)據(jù)可以認(rèn)為：在藍(lán)銅蛋白中，金屬處于畸變的四面體環(huán)境中，一個(gè)配體為半胱氨酸的硫醇根，兩個(gè)為組氨酸的氮。第四個(gè)配體則可能為脫質(zhì)子的酰胺氮。藍(lán)銅部位最后的結(jié)構(gòu)由晶體結(jié)構(gòu)分析表征為:銅離子處于畸變四面體的配位位置。配體由一個(gè)半胱氨酸、兩組氨酸和一個(gè)甲硫氨酸提供。上述蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及銅的部位示于圖9.4中。32圖9.4

氧化形極性藍(lán)素的結(jié)構(gòu)和銅的部位33這種β圓柱型的蛋白結(jié)構(gòu)首先在免疫球蛋白的范疇內(nèi)觀測到。其中銅的部位有如下特征：3.由波譜學(xué)研究得出的結(jié)構(gòu)和實(shí)際的結(jié)構(gòu)十分接近。

銅-半胱氨酸根硫鍵確實(shí)很短(2.13?)。相反，銅甲硫氨酸的鍵卻很長(2.9?)，這種弱的相互結(jié)合的意義尚不清楚。銅的部位接近蛋白質(zhì)表面。一個(gè)配位組氨酸殘基的邊緣在溶劑里。在蛋白質(zhì)表面銅部位附近，有一小塊疏水性的區(qū)域。34由于這些藍(lán)銅蛋白參與了電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，因而考察其在還時(shí)的結(jié)構(gòu)就變得饒有

：在高pH=7.8時(shí)，銅的部位和氧化形的蛋白質(zhì)非常相似，僅在Cu–N鍵上略有拉長(圖9.4)：35當(dāng)在較低pH(3.8)重新測定結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)組氨酸配體質(zhì)子化了，且從銅中心上解離下來。與此同時(shí)，Cu-甲硫氨酸的硫鍵縮短到2.5

?。質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移的偶合，證明了一個(gè)重要的原理，即：蛋白質(zhì)金屬中心氧化還原電位的調(diào)節(jié)受結(jié)合配體酸堿性的影響。36藍(lán)銅蛋白中的銅離子，通常能用

化物處理去除。用這種方法得到的極性

藍(lán)素的脫輔基蛋白，結(jié)晶后與含金屬的形式屬同晶型，表明除去金屬后結(jié)構(gòu)僅有微小的變化。唯一觀測到的明顯變化是一個(gè)組氨酸側(cè)鏈改變了方向。這些結(jié)果：蛋白質(zhì)包括金屬結(jié)合部位，早在結(jié)合金屬之前就已經(jīng)組成。37藍(lán)銅蛋白38藍(lán)銅部位可能是內(nèi)穩(wěn)態(tài)(entaticstate)一個(gè)好的例子(比傳統(tǒng)意義上的穩(wěn)定分子更接近單分子過渡態(tài)）：其中蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)有足夠的剛性強(qiáng)制金屬中心保持特定的構(gòu)型。在這個(gè)例子中，這種強(qiáng)制力足以形成一個(gè)畸變四面體(或藍(lán)蛋白的三角雙錐)的配體排列，并穩(wěn)定Cu(II)—硫醇根單元。銅綠假單胞菌藍(lán)蛋白：銅的部位類似于藍(lán)素的情況，但其中的金屬是五配位的。由一個(gè)半胱氨酸和2個(gè)組氨酸構(gòu)成三角面，而甲硫氨酸的硫和肽骨架上的一個(gè)酰氨氧形成長的(≈3?)軸向鍵。法國豆藍(lán)素的結(jié)構(gòu)基本上和極性藍(lán)素等同。抗壞血酸氧化酶的結(jié)構(gòu)是一種含4個(gè)銅原子的酶：3個(gè)銅原子組成了一個(gè)三核單元，還有1個(gè)銅處于類型I的位置上，和藍(lán)素中的情況十分相似。其他幾種藍(lán)銅蛋白的結(jié)構(gòu)如下：39對許多較簡單的配體，Cu(II)和Cu(I)配合物在結(jié)構(gòu)上頗不相同：Cu(II)傾向于較高的配位數(shù)（通常為5或6），四配位時(shí)則采取平面正方形的幾何構(gòu)型；Cu(I)傾向于較低的配位數(shù)，四配位的

化學(xué)則為四面體。藍(lán)銅蛋白的金屬中心的化學(xué)模擬：40曾進(jìn)行過很多實(shí)驗(yàn)以

類似于藍(lán)銅部位的產(chǎn)物，但成功的實(shí)例極其有限。無疑，最大的是伴隨著硫醇根二硫化物的作用，硫醇根配體傾向于將Cu(II)還原以Cu(I)。為了消除上述作用，蛋白質(zhì)把半胱氨酸根配體足夠深地埋藏在多肽鏈中，使以上作用不至于發(fā)生。2Cu

II

+ 2R-S-2

Cu

I

+

R-S-S-R411990

科學(xué)家使用氫化三（3，5-二異丙基吡唑基）硼酸鉀和五氟苯硫酚第一次

了具有四面體構(gòu)型的二價(jià)銅配合物：42盡管在的配合物中銅中心的配位環(huán)境為N3S，而不是天然銅蛋白中的Cu中心的N2SS*，但其吸收光譜、EPR等譜學(xué)性質(zhì)與天然阿祖林和藍(lán)素的譜學(xué)性質(zhì)非常相似：449.1c

細(xì)胞色素細(xì)胞色素含有鐵卟啉作為氧化還原活性中心。其金屬中心的特征：血紅蛋白和細(xì)胞色素P-450僅有一個(gè)來自蛋白質(zhì)的配體，大多數(shù)細(xì)胞色素有兩個(gè)來自蛋白質(zhì)的配體，形成八面體配合物。例如：在真核生物細(xì)胞色素c中，軸向的配體一個(gè)是組氨酸的氮、一個(gè)是甲硫氨酸的硫。其他細(xì)胞色素有2個(gè)組氨酸配體。圖9.5金槍魚細(xì)胞色素c9.1c

細(xì)胞色素比較氧化形的Fe(III)和還的Fe(II)的細(xì)胞色素c的晶體結(jié)構(gòu)，表明伴隨著氧化還原反應(yīng)，結(jié)構(gòu)的變化甚?。核膬煞N形式均為低自旋配合物，二者之間電子的不同為一t2g型電子，這是一個(gè)非鍵電子，位于僅含成分的分子軌道上。上述結(jié)果證明了另一條規(guī)律：大自然用以產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)的體系，在經(jīng)歷電子轉(zhuǎn)移的過程中，結(jié)構(gòu)的重排極小。469.2

電子轉(zhuǎn)移電子載體必須滿足在相反方向上作用時(shí)的兩種制約：它們必須適度的快，即電子穿越路徑的遷移速率必須符合生物學(xué)需要；其次，反應(yīng)必須是專一的。電子轉(zhuǎn)移的路徑和其他的生物過程，如質(zhì)子的移位相偶合。欲在路徑的一端產(chǎn)生等當(dāng)量的還原物，電子需要經(jīng)過一系列的分子連續(xù)轉(zhuǎn)移。倘若這些反應(yīng)不是專一的，則電子從還原性最強(qiáng)的一個(gè)到最容易被還原的分子的轉(zhuǎn)移，就會(huì)因中間

的步聚和它們的偶合而短路。479.2

電子轉(zhuǎn)移因此，電子轉(zhuǎn)移通常發(fā)生在專一的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)配合物之間：這些配合物必須有足夠的穩(wěn)定，才能使同族伙伴的識(shí)別成為可能。由于這些過程內(nèi)在結(jié)構(gòu)約束，生物學(xué)上電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)常發(fā)生在給體和受體間相對遠(yuǎn)距離(>10?)上。481.

首先研究電子轉(zhuǎn)移蛋白的自交換速率。對于自交換反應(yīng)而言，驅(qū)動(dòng)力恒等于零，因而蛋白去除了電子轉(zhuǎn)移速率對該量的任何依賴。較快的自交換速率可以通過氧化和還混合體系的NMR線寬效應(yīng)來測定。例如：銅綠假單胞菌藍(lán)蛋白的自交換反應(yīng)很快

(1.2×106(mol/L)-1·s

-1)，自交換過程對銅部位附近蛋白質(zhì)表面的結(jié)構(gòu)十分敏感：電子轉(zhuǎn)移過程可通過多種途徑進(jìn)行探測：49若在疏水性的小塊區(qū)域里，用帶正電荷的賴氨酸殘基取代甲硫氨酸殘基，導(dǎo)致自交換速率急劇降低(1.0×103(mol/L)-1·s-1)。因此，當(dāng)觀測到快的自交換過程，則清晰地表明質(zhì)子了電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)；慢的自交換反應(yīng)可能由蛋白質(zhì)的自模式并非由氧化還原中心本身的性質(zhì)所決定。502.

是

人工

的給-受體對：一個(gè)實(shí)例是將[Ru(NH3)5]3+和馬心臟細(xì)胞細(xì)色素c表面的組氨酸-33相連結(jié)（圖9.6）。12?該體系通過式9.1所示的路線進(jìn)行研究：光化學(xué)或脈沖輻射移，假設(shè)在已知的段來完成。分子內(nèi)的電子轉(zhuǎn)上發(fā)生，然后監(jiān)測Fe(Ⅲ)中心被釕配合物還原的反應(yīng)速率。對于上述的體系，分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移的速率為30s–1,

而且基本上不依賴于溫度。此結(jié)果證實(shí)了這類

電子轉(zhuǎn)移過程確實(shí)發(fā)生了。hv,

+e結(jié)合在表面的釕配合物開始快的還原反應(yīng)，通過52一個(gè)關(guān)鍵的問題是：這類電子轉(zhuǎn)移的途徑是否通過化學(xué)鍵（在蛋白質(zhì)

內(nèi)的行為是否像一個(gè)大的橋式配體）、還是通過空間、或者還是通過兩種類型組合????533.

研究真實(shí)的蛋白-氧還對,如：酵母細(xì)胞色素c/細(xì)胞色素c過氧化物酶對當(dāng)細(xì)胞色素c過氧化物酶中的鐵卟啉被相應(yīng)的鋅卟啉取代所產(chǎn)生的物種(ZnP)，能被光致激發(fā)到三重態(tài)(3ZnP)，它具有在還原其他物種的能力。如式9.2所示：54光產(chǎn)生細(xì)胞色素c過氧化物酶中鋅卟啉的三重激發(fā)態(tài)。上述物種是一個(gè)強(qiáng)還原劑，它能轉(zhuǎn)移一個(gè)電子到細(xì)胞色素c的高鐵卟啉上。然后，在鋅卟啉基陽離子和細(xì)胞色素c的亞鐵卟啉間發(fā)生熱電子轉(zhuǎn)移又回到始態(tài)。在估計(jì)約為17?的距離上的電子轉(zhuǎn)移速率接近1.1×104

s-1。55若酵母細(xì)胞色素c被馬心臟的細(xì)胞色素c所取代，則速率降至12

s-1。這再次證明:56蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的識(shí)別在促進(jìn)分子間電子轉(zhuǎn)移中的具有極其重要作用。最近測定了從酵母中提取的酵母細(xì)胞色素c過氧化物酶和從馬的心臟而來的細(xì)胞色素c分子形成的配合物的晶體結(jié)構(gòu)。對酵母細(xì)胞色素c，在形成的配合物中，F(xiàn)e-Fe距離為

26.5?，并和一條短的展開的多肽鏈(細(xì)胞色素c過氧化物酶殘基191～194?)間存在vanderWaals作用力。這條短的多肽近血紅素基團(tuán)和酵母細(xì)胞色素c的一部分，包括一個(gè)血紅素的甲

團(tuán)。57而在含馬心臟細(xì)胞色素c的配