生物无机化学5第四章含铁氧载体第2节

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1、第二节蚯蚓血红蛋白(Hr)自然界除了含具有血红素辅基的血红蛋白和肌红蛋白氧载体之外，还有一类含有铁但不含血红素辅基的氧载体－－蚯蚓血红蛋白(Hr)。血红素氧载体Hb、Mb广泛存在于动物及部分植物体系中，而非血红素氧载体Hr只存在于无脊椎动物中。与血红蛋白和肌红蛋白相比，蚯蚓血红蛋白的研究要晚得多，其晶体结构直到20世纪90年代才见报道。目前从无脊椎动物的肌肉中分离得到了蚯蚓血红蛋白的单体，称为肌蚯蚓血红蛋白。从无脊椎动物的血液中分离得到的是由八个亚基组成的分子质量为108000Da的多聚体。一、蚯蚓血红蛋白的结构

2、到目前为止，已经报道的蚯蚓血红蛋白的晶体结构有：氧合和脱氧蚯蚓血红蛋白、高铁蚯蚓血红蛋白、叠氮高铁蚯蚓血红蛋白。晶体结构显示蚯蚓血红蛋白每个亚基中含有一个由两个铁原子组成的活性中心，两个铁原子通过一个氧桥（氧合状态）或羟桥（脱氧状态）和两个分别来自于蛋白链中天冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)侧链的羧酸根桥联在一起，称为双铁活性中心。脱氧蚯蚓血红蛋白的双铁活性中心氧合蚯蚓血红蛋白的双铁活性中心每个铁原子除了与起桥联功能的氧原子配位外，还与蛋白链中组氨酸侧链的咪唑氮原子配位，其中一个铁原子与三个咪唑氮原子配位形成六

3、配位的八面体构型，而另一个铁原子只与两个咪唑氮原子配位，配位数只有五，剩余的一个位置为空位或被水分子占据。蚯蚓血红蛋白的氧合作用就发生在该空位上。叠氮高铁蚯蚓血红蛋白中铁的空位被叠氮根离子占据，叠氮根离子以端式形式与铁原子配位。由于一个活性中心有两个铁原子存在，所以根据铁原子化合价的不同，蚯蚓血红蛋白至少有三种状态：(1)Fe(II)-Fe(II)脱氧情况下的还原态；(2)Fe(III)-Fe(III)高铁蚯蚓血红蛋白；(3)Fe(II)-Fe(III)半高铁蚯蚓血红蛋白。在半高铁蚯蚓血红蛋白中，因为两个铁原子的

4、配位环境不同，所以半高铁蚯蚓血红蛋白实际上包含Fe1(II)-Fe2(III)和Fe1(III)-Fe2(II)两种不同的状态。Fe1Fe2二、蚯蚓血红蛋白的氧合作用虽然目前分离得到的蚯蚓血红蛋白中多数为含有八个亚基的多聚体，但是大部分蚯蚓血红蛋白的载氧过程中并没有观察到与血红蛋白载氧过程相似的协同效应。在氧合和脱氧蚯蚓血红蛋白的晶体结构报道之前，科学家已经利用化学和物理等方法研究蚯蚓血红蛋白的氧合过程，例如利用共振拉曼光谱研究并推测了氧分子与双铁活性中心的结合方式以及结合后氧的存在形式。氧分子与双铁活性中心结合

5、至少有五种方式，其中(a)、(b)、(c)三种方式中两个氧原子是等价的，而(d)和(e)两种方式中两个氧原子是不等价的。利用16O18O不对称标记的氧分子与脱氧蚯蚓血红蛋白作用，然后测其共振拉曼光谱。如果拉曼光谱中只有一种O－O振动吸收，表明氧分子的配位方式是(a)、(b)、(c)三种方式中的一种。如果光谱中有两种O－O振动吸收，表明是(d)、(e)两种方式中的一种。实际用16O18O标记过的氧合蚯蚓血红蛋白的共振拉曼光谱中确实观测到了一个双重峰，利用结构模型计算得到Fe-16O18O和Fe-18O16O中O-O

6、振动吸收分别在825cm-1和819cm-1。而氧合蚯蚓血红蛋白中Fe-16O2的O-O振动吸收为846cm-1。实验结果与理论结果一致，说明在氧合蚯蚓血红蛋白中，氧分子以(d)或(e)的方式与双铁中心配位。结合其它光谱数据推测结合方式为(d)。从氧合蚯蚓血红蛋白的共振拉曼光谱研究中也可以推测氧合后氧分子的存在方式。氧合蚯蚓血红蛋白的O-O振动吸收出现在846cm-1，是过氧负离子的特征振动吸收。O氧分子与蚯蚓血红蛋白结合后，两者之间发生了双电子氧化还原反应，两个铁原子从二价被氧化到三价，而氧分子则被还原为负二价

7、的过氧负离子。光谱分析表明，脱氧状态下的蚯蚓血红蛋白中铁原子为二价高自旋，两个铁原子间通过羟桥存在弱的反铁磁性相互作用。氧分子以端式方式结合到五配位铁原子上后，生成了三价高自旋铁的过氧配合物，过氧负离子从羟桥上接受一个质子，羟桥变为氧桥。结论：在氧合蚯蚓血红蛋白中，氧分子以过氧负离子的形式以端式配位方式与一个铁离子配位。第三节重要模型化合物－合成氧载体除了对天然金属蛋白本身的研究之外，模型化合物的研究也是生物无机化学研究中非常重要的组成部分。一方面，由于金属蛋白等生物分子的相对分子质量一般较大、体系比较复杂，需要

8、通过简化、设计合成模型化合物等方法来进行研究，可以得到一些通过直接研究金属蛋白分子本身不能得到的信息，揭示蛋白功能与结构之间的关系。另一方面，通过模拟天然金属蛋白的结构和功能，为进一步开发利用天然蛋白及其模型化合物提供基础。在氧载体研究中，模型化合物的合成及其结构和功能间关系的研究特别重要，它可以为阐明载氧过程及载氧机理提供依据，并为合成具有实际应用价值的具有载氧功能的化