第五六章铁-硫蛋白和其他非血红素铁蛋白

1、第五章第五章 铁铁- -硫蛋白和其他非血硫蛋白和其他非血红素铁蛋白红素铁蛋白u第一节第一节 铁载体铁载体 (siderophores)u第二节第二节 铁蛋白铁蛋白 (ferritin)u第三节第三节 铁传递蛋白铁传递蛋白 (transferrin,Tf)u第四节第四节 铁硫蛋白铁硫蛋白 ( FeS protein) 血红素蛋白血红素蛋白(heme)和和非血红素蛋白非血红素蛋白(nonheme) 非血红素蛋白非血红素蛋白 铁蛋白：铁蛋白：贮存铁贮存铁 铁传递蛋白：铁传递蛋白：输送铁输送铁 铁硫蛋白：铁硫蛋白：传递电子传递电子 蚯蚓血红蛋白：蚯蚓血红蛋白：载氧载氧 NiFeNiFe氢化酶：氢化酶：

2、催化催化 甲烷单加氧酶：甲烷单加氧酶：催化催化 原儿茶酸根原儿茶酸根3,4-3,4-双加氧酶：双加氧酶：催化催化 固氮酶：固氮酶：催化催化 etc. 血红素蛋白血红素蛋白细胞色素：细胞色素：传递电子传递电子血红蛋白：血红蛋白：储氧储氧肌红蛋白：肌红蛋白：储氧储氧细胞色素细胞色素P450：催化催化辣根过氧化物酶辣根过氧化物酶: 催化催化 etc.一些非血红素铁蛋白的生理功能一些非血红素铁蛋白的生理功能非血红素铁蛋白非血红素铁蛋白 生理功能生理功能 来源来源铁蛋白铁蛋白血清铁传递蛋白血清铁传递蛋白卵铁传递蛋白卵铁传递蛋白乳铁传递蛋白乳铁传递蛋白 贮存、输送铁贮存、输送铁 动物组织动物组织 血清血清

3、 卵清卵清 乳乳红氧还蛋白红氧还蛋白铁氧还蛋白铁氧还蛋白肾上腺皮质铁氧还蛋白肾上腺皮质铁氧还蛋白 传递电子传递电子 细菌细菌 叶绿体、细菌叶绿体、细菌 肾上腺皮质肾上腺皮质蚯蚓血红蛋白蚯蚓血红蛋白 载氧载氧 星虫、蚯蚓星虫、蚯蚓顺乌头酸酶顺乌头酸酶邻苯二酚双加氧酶邻苯二酚双加氧酶氢酶氢酶 催化催化 动植物动植物 细菌细菌 细菌、藻类细菌、藻类第一节第一节 铁载体铁载体 (siderophores)Siderophores are small molecular weight, high-affinity iron-binding compounds that can scavenge the

4、iron away from the high-affinity iron-binding proteins. 铁是生物体必需的微量铁是生物体必需的微量元素，也是人体中含量最丰元素，也是人体中含量最丰富的过渡金属元素。那么生富的过渡金属元素。那么生物体系中铁是如何被吸收，物体系中铁是如何被吸收，运送和储存的呢？长期的生运送和储存的呢？长期的生物进化使不同生物拥有不同物进化使不同生物拥有不同的维持铁离子动态平衡的机的维持铁离子动态平衡的机制，使生物体吸收的制，使生物体吸收的铁以金铁以金属酶，金属蛋白或小分子配属酶，金属蛋白或小分子配合物合物的形式存在于生物体中。的形式存在于生物体中。铁载体铁载体

5、 (siderophores)植物、微生物植物、微生物的生存，要求环境中铁浓度足够高，方能满的生存，要求环境中铁浓度足够高，方能满 足其足其DNA合成血红素所需的铁。合成血红素所需的铁。为了能与氢氧根等有效地竞争铁为了能与氢氧根等有效地竞争铁(III)，细菌，真菌和植物，细菌，真菌和植物种子等会分泌一些对铁种子等会分泌一些对铁(III)具有具有高度亲和力高度亲和力的复杂有机物，的复杂有机物，使难溶的铁活化，这些有机物可与铁形成非常稳定的八面使难溶的铁活化，这些有机物可与铁形成非常稳定的八面体配合物。体配合物。铁载体就是铁载体就是分子量低，对铁有专一螯合作用分子量低，对铁有专一螯合作用，微生物和

6、植，微生物和植物用以由环境吸收铁的物用以由环境吸收铁的复杂有机物复杂有机物的总称。的总称。按照其分泌的种属，铁载体有微生物铁载体按照其分泌的种属，铁载体有微生物铁载体(siderophore)和植物铁载体和植物铁载体(phytosiderophore)两大类。两大类。铁载体的结构类型铁载体的结构类型 铁载体与铁形成非常铁载体与铁形成非常稳定的低电荷配合物稳定的低电荷配合物，有利于高电荷，有利于高电荷铁铁(III)离子跨过离子跨过亲脂性膜亲脂性膜，实现铁，实现铁(III)的吸收，运输过程。的吸收，运输过程。氧肟酸盐型氧肟酸盐型 (hydroxamate type); 邻苯二酚型邻苯二酚型(cat

7、echol type)氧肟酸盐型氧肟酸盐型 (hydroxamate type)Crystal structure of ferrichrome 铁色素铁色素 肠杆菌素肠杆菌素, Enterobactin邻苯二酚型邻苯二酚型 (catechol type)Enterobactin + Fe 铁载体的性质铁载体的性质 根据软硬酸碱规则，铁载体中属于硬碱的配位原子根据软硬酸碱规则，铁载体中属于硬碱的配位原子(氧氧)可与属于硬酸的可与属于硬酸的Fe3+配位，形成稳定的配合物。研究表明配位，形成稳定的配合物。研究表明,含有三个双齿配体的铁载体与含有三个双齿配体的铁载体与Fe3+的的结合常数大于结合常数

8、大于1030。虽然铁载体也可与虽然铁载体也可与Ga3+及人造錒元素结合及人造錒元素结合,但是与但是与Al3+及所及所有二价金属离子的结合能力是相当弱的，因此自然界出现有二价金属离子的结合能力是相当弱的，因此自然界出现的金属离子中的金属离子中, 铁载体仅对铁载体仅对Fe3+选择性性结合。选择性性结合。 所结合的所结合的Fe3+处于高自旋态处于高自旋态(HS), 动力学性质是活泼的动力学性质是活泼的，使铁载体，使铁载体结合的结合的Fe3+能向细胞内其它配体或蛋白质释放铁。能向细胞内其它配体或蛋白质释放铁。 铁的释放机理铁的释放机理 关于释放铁的机理，目前比较普遍的看法是：在细胞关于释放铁的机理，目

9、前比较普遍的看法是：在细胞内，首先内，首先Fe3+被还原为被还原为Fe2+，之后通过，之后通过质子化作用质子化作用将结合将结合不牢固的不牢固的Fe2+从载体上置换下来。从载体上置换下来。第二节第二节 铁蛋白铁蛋白(ferritin) 高等植物，微生物，哺乳动物的各种细胞中都含有储铁高等植物，微生物，哺乳动物的各种细胞中都含有储铁蛋白。细胞类型不同储铁功能也有所不同。哺乳动物体内蛋白。细胞类型不同储铁功能也有所不同。哺乳动物体内主要储存铁的蛋白质，主要分布在动物的主要储存铁的蛋白质，主要分布在动物的脾脏脾脏(spleen),肝肝脏脏 (liver)和和骨髓骨髓(bone marrow)中，植物的

10、叶绿体和某些中，植物的叶绿体和某些细菌中也发现有铁蛋白。细菌中也发现有铁蛋白。 铁蛋白为机体内一种贮存铁的可溶铁蛋白为机体内一种贮存铁的可溶组织蛋白组织蛋白，正常人，正常人血清血清中含有少量铁蛋白；肝癌患者治疗有效者血清铁蛋白中含有少量铁蛋白；肝癌患者治疗有效者血清铁蛋白下降，而恶化和再发者升高，持续增高则予后不良，故下降，而恶化和再发者升高，持续增高则予后不良，故血血清铁蛋白清铁蛋白测定可作为疗效监测手段之一。测定可作为疗效监测手段之一。 储铁蛋白是一个具有某种不均一性的分子，整个分子有储铁蛋白是一个具有某种不均一性的分子，整个分子有一个一个直径为直径为13nm壳厚约为壳厚约为2.5nm蛋白

11、质外壳蛋白质外壳。 它由它由24个亚基组装而成；个亚基组装而成； 沿三，四重轴方向的通道使蛋白质壳与外部联系，其中沿三，四重轴方向的通道使蛋白质壳与外部联系，其中8个三重轴通道由亲水氨基酸残基个三重轴通道由亲水氨基酸残基(Asp,Glu,His,Tyr)排列排列而成，即亲水性通道；而而成，即亲水性通道；而6个四重轴通道排列有多个亲脂个四重轴通道排列有多个亲脂性残基，即疏水性通道。性残基，即疏水性通道。 无论是储铁蛋白还是脱铁储铁蛋白，其外壳的大小和亚无论是储铁蛋白还是脱铁储铁蛋白，其外壳的大小和亚基的排列方式基本不变。蛋白质壳内是一个无机物复合基的排列方式基本不变。蛋白质壳内是一个无机物复合体

12、的铁核，铁就聚积在铁核内，其铁含量为体的铁核，铁就聚积在铁核内，其铁含量为4500个个Fe3+不等不等, 主要成分为主要成分为 (FeOOH)8(FeOPO3H2)，铁的碱式磷，铁的碱式磷酸盐微晶排列而成。酸盐微晶排列而成。 铁蛋白的结构特点铁蛋白的结构特点铁蛋白的结构铁蛋白的结构 储铁蛋白的主要生物功能是储铁蛋白的主要生物功能是铁的储存铁的储存，即机体或细胞铁过剩，即机体或细胞铁过剩时可吸收铁，而缺少时又可释放铁。时可吸收铁，而缺少时又可释放铁。 研究表明，铁积聚于储铁蛋白的初始阶段包括研究表明，铁积聚于储铁蛋白的初始阶段包括Fe2+通过三重通过三重轴方向亲水性通道进入蛋白质内壳，在氧的存在

13、下，被轴方向亲水性通道进入蛋白质内壳，在氧的存在下，被氧化为氧化为Fe3+，Fe3+水解形成铁核，该氧化，成核过程随吸收铁的增加而水解形成铁核，该氧化，成核过程随吸收铁的增加而变化。变化。 在低铁在低铁(Fe/protein200)时时,氧化反应和水解反应分两步进行氧化反应和水解反应分两步进行: 4Fe2+ + O2 + 4H+ 4Fe3+ + 2H2O -氧化氧化 4Fe3+ + 8H2O 4FeOOHcore + 12H+-水解水解 4Fe2+ + O2 + 6H2O 4FeOOHcore + 8H+ -总反应总反应储铁蛋白的功能储铁蛋白的功能u 在铁成核的初期，铁的结合与氧化发生在蛋白壳

14、的内在铁成核的初期，铁的结合与氧化发生在蛋白壳的内表面。铁核一旦形成，铁的氧化，水解及核生长就像普表面。铁核一旦形成，铁的氧化，水解及核生长就像普通的无机反应一样。这一性质使脱铁储铁蛋白被用作无通的无机反应一样。这一性质使脱铁储铁蛋白被用作无机纳米粒子合成的机纳米粒子合成的反应笼腔反应笼腔(nanodimensional cavity).u 无机铁核晶体生长的前提是形成无机铁核晶体生长的前提是形成Fe3+簇簇。何处成核与。何处成核与蛋白质壳内表面的负电荷有关，蛋白质壳内表面的负电荷有关，成簇的谷氨酸残基成簇的谷氨酸残基有利有利于成核区的形成。于成核区的形成。u 在还原剂的存在下，储铁蛋白可将在

15、还原剂的存在下，储铁蛋白可将Fe3+以以Fe2+的形式的形式向外释放向外释放，这一过程受介质组成，酸度等影响。介质中，这一过程受介质组成，酸度等影响。介质中螯合剂的存在，降低螯合剂的存在，降低pH均能促使铁的释放。均能促使铁的释放。59Fe放射性放射性标记证实，储铁蛋白最先释放的铁对应于成核时最后结标记证实，储铁蛋白最先释放的铁对应于成核时最后结合的铁，表明铁的释放过程也是合的铁，表明铁的释放过程也是高度有序的化学反应高度有序的化学反应。 体内暂时不用的铁，由铁传递蛋白运送给脱铁铁蛋白，体内暂时不用的铁，由铁传递蛋白运送给脱铁铁蛋白，然后经过然后经过中介体焦磷酸铁中介体焦磷酸铁，生成上述的含铁

16、微团，最后，生成上述的含铁微团，最后与脱铁铁蛋白结合生成铁蛋白而储存起来。当肌体需要与脱铁铁蛋白结合生成铁蛋白而储存起来。当肌体需要时，在还原剂作用下使处于铁蛋白核心的微团中的时，在还原剂作用下使处于铁蛋白核心的微团中的Fe(III)还原为还原为Fe(II)释放出来。释放出来。 铁的贮存铁的贮存： Fe2+ e Fe3+ nFe3+ + 脱铁铁蛋白脱铁铁蛋白 铁蛋白铁蛋白 铁的释放铁的释放： 铁蛋白铁蛋白 + ne 脱铁铁蛋白脱铁铁蛋白 + nFe2+ 第三节第三节 铁传递蛋白铁传递蛋白(transferrin,Tf)Normal Iron Absorption and MetabolismA

17、ll body cells need iron. The human body contains an average of 3.5 g of iron.The typical daily American diet contains 1020 mg of iron.Only about 10% of dietary iron is absorbed (12 mg/day).Most absorbed iron is transported in the bloodstream bound to the glycoprotein transferrin. Transferrin is a ca

18、rrier protein that plays a role in regulating the transport of iron from the site of absorption to virtually all tissues. 哺乳动物可以吸收的铁有两类：哺乳动物可以吸收的铁有两类：血红素铁和非血红素铁血红素铁和非血红素铁。在肠粘膜内，在肠粘膜内，血红素氧化酶使血红素以血红素氧化酶使血红素以Fe2+的形式释放的形式释放; 因此血因此血红素铁引起高生物利用率成为从食物中吸收铁的重要来源。红素铁引起高生物利用率成为从食物中吸收铁的重要来源。进入肠道的非血红素铁多为进入肠道的非血红素

19、铁多为Fe3+，肠道内的黏液可以避免，肠道内的黏液可以避免Fe3+的的水解沉淀，同时肠道内的还原剂如维生素水解沉淀，同时肠道内的还原剂如维生素c等还原酶将等还原酶将Fe3+还原还原为为Fe2+, 使使Fe2+进入小肠上皮细胞。进入小肠上皮细胞。 成年人的铁含量为成年人的铁含量为4.55.5mg/kg，其中，其中60-70%以血红蛋白的形式以血红蛋白的形式存在；存在；10%以肌红蛋白，细胞色素，含铁酶等存在；储铁蛋白的以肌红蛋白，细胞色素，含铁酶等存在；储铁蛋白的铁为总铁量的铁为总铁量的2030%；运铁蛋白形式存在的铁仅为；运铁蛋白形式存在的铁仅为0.1%(3mg)。血浆中运铁蛋白运输率。血浆中

20、运铁蛋白运输率30mg/24h。通过运铁蛋白每天有近通过运铁蛋白每天有近24mg的血浆铁的血浆铁(III)被运到骨骼中用以血红蛋白的合成，约被运到骨骼中用以血红蛋白的合成，约5mg的的血浆铁血浆铁(III)被运到非血红素细胞组织被运到非血红素细胞组织(如肝如肝)，有近有近1mg血浆铁损血浆铁损失失。因此，人体要保持微量元素铁的平衡，每天要吸收。因此，人体要保持微量元素铁的平衡，每天要吸收1mg的铁的铁。 尽管运铁蛋白含铁量很少但在铁的调控中他是最重要的铁源。尽管运铁蛋白含铁量很少但在铁的调控中他是最重要的铁源。 铁传递蛋白是一类金属键合蛋白，对于维持生命体铁传递蛋白是一类金属键合蛋白，对于维持

21、生命体中铁的含量以及铁的新陈代谢起着重要作用。根据来源中铁的含量以及铁的新陈代谢起着重要作用。根据来源不同可将其分为不同可将其分为四类四类：血清运铁蛋白：血清运铁蛋白(serum transferrin), 伴清运铁蛋白伴清运铁蛋白(ovotransferrin), 乳运铁蛋白乳运铁蛋白(lactoferrin), 黑素运铁蛋白黑素运铁蛋白(melanotransferrin)。 运铁蛋白为运铁蛋白为单肽链糖蛋白单肽链糖蛋白，含，含680700个氨基酸残基，个氨基酸残基，可折叠成两个结构相似的球形叶片，分别对应着可折叠成两个结构相似的球形叶片，分别对应着N端叶端叶片片(N-lobe)和和C端叶

22、片端叶片(C-lobe)。两球形叶片由一短肽相。两球形叶片由一短肽相连接。每个叶片又可分为两个大小相似的结构域，分别连接。每个叶片又可分为两个大小相似的结构域，分别由螺旋折叠交替出现而形成。结构域内有二硫键。由螺旋折叠交替出现而形成。结构域内有二硫键。两结两结构域间存在一狭缝以结合铁构域间存在一狭缝以结合铁(III)。铁传递蛋白的分类与结构铁传递蛋白的分类与结构人乳铁蛋白分子的三维结构人乳铁蛋白分子的三维结构From Br J Ophthalmol 2005;89:684 与不同金属离子的结合：在与不同金属离子的结合：在生理条件下，生理条件下，CO32-为伴阴离为伴阴离子时，子时，人血清运铁蛋

23、白可逆结人血清运铁蛋白可逆结合合2个铁离子个铁离子，平衡常数为，平衡常数为LgK1=21.4, Lgk2=20.3； 研究指出，当缺乏碳酸氢根研究指出，当缺乏碳酸氢根HCO3-时，时，FeIII-Tf特征粉红色特征粉红色消失，表明消失，表明FeIII与与Tf结合必须结合必须有有阴离子存在阴离子存在，据此认为，据此认为, 对对于脱铁铁传递蛋白与于脱铁铁传递蛋白与Fe(III)的的稳定配位，血液中稳定配位，血液中CO2是不可是不可缺少的。缺少的。Fe3+ + H3Tf+ HCO3- Fe -Tf -HCO3- + 3H+ 铁传递蛋白的功能特点铁传递蛋白的功能特点 应该指出，除铁外，运铁蛋白还可与大

24、量的其它金属离子应该指出，除铁外，运铁蛋白还可与大量的其它金属离子结合，包括结合，包括过渡金属，镧系，錒系以及第三主族离子过渡金属，镧系，錒系以及第三主族离子等。由等。由于血液中人血清运铁蛋白仅有于血液中人血清运铁蛋白仅有30%的金属离子结合部位由铁的金属离子结合部位由铁(III)占据，其余金属离子与运铁蛋白的结合同样具有重要的占据，其余金属离子与运铁蛋白的结合同样具有重要的生物学意义。生物学意义。 如运铁蛋白是如运铁蛋白是Mn在血液中的主要运载体在血液中的主要运载体; 血液透析病人血血液透析病人血浆中浆中Al的主要结合蛋白；在的主要结合蛋白；在Zn的运输中，运铁蛋白具有较白的运输中，运铁蛋白

25、具有较白蛋白更积极的作用；蛋白更积极的作用；Ga与运铁蛋白的稳定结合可实现肿瘤定与运铁蛋白的稳定结合可实现肿瘤定向化疗提供新的途径；铁蛋白作为向化疗提供新的途径；铁蛋白作为La系离子进入生物体的有系离子进入生物体的有效载体，对稀土生物效应的发挥起着重要作用。另外，镧系效载体，对稀土生物效应的发挥起着重要作用。另外，镧系离子特有的发光效应使其可作为针对运铁蛋白进行光谱研究离子特有的发光效应使其可作为针对运铁蛋白进行光谱研究。 脱铁铁传递蛋白虽能结合一系列二价和三价金属离子，但脱铁铁传递蛋白虽能结合一系列二价和三价金属离子，但稳定性远不如与稳定性远不如与Fe3+的结合。脱铁铁传递蛋白不能结合的结合

26、。脱铁铁传递蛋白不能结合Fe2+或结合很弱。因此在或结合很弱。因此在血液里脱铁铁传递蛋白与血液里脱铁铁传递蛋白与Fe3+的结合最的结合最有效有效。 与阴离子结合与阴离子结合： 阴离子可与运铁蛋白结合并发挥重要作用。根据其结合阴离子可与运铁蛋白结合并发挥重要作用。根据其结合特性可分为伴阴离子和非伴阴离子。特性可分为伴阴离子和非伴阴离子。 伴阴离子在专一结合位点发挥调节作用以伴阴离子在专一结合位点发挥调节作用以促进运铁蛋白促进运铁蛋白金属结合及释放的特性金属结合及释放的特性是区别于普通阴离子所在。是区别于普通阴离子所在。 运铁蛋白是唯一需要伴阴离子参与的金属蛋白运铁蛋白是唯一需要伴阴离子参与的金属

27、蛋白, 生理条生理条件下。伴阴离子应满足以下条件：件下。伴阴离子应满足以下条件：1.一端为羧基，另一一端为羧基，另一端为给电子基团；端为给电子基团；2. 适宜的立体结构。适宜的立体结构。 一些阴离子虽然不能作伴阴离子，但能与运铁蛋白特异一些阴离子虽然不能作伴阴离子，但能与运铁蛋白特异性结合，性结合，从而影响两个金属键合位点的相对稳定性从而影响两个金属键合位点的相对稳定性，并并对金属离子的释放产生调节作用对金属离子的释放产生调节作用。一些无机阴离子与运。一些无机阴离子与运铁蛋白的结合强度序列为：铁蛋白的结合强度序列为：PO43- SO32- HCO3-NO3- Cl-。 铁传递蛋白构象变化铁传递

28、蛋白构象变化 构象变化构象变化是运铁蛋白与金属结合与释放过程伴随的重要特是运铁蛋白与金属结合与释放过程伴随的重要特征之一。金属征之一。金属结合结合，运铁蛋白金属键合狭缝有，运铁蛋白金属键合狭缝有开放到关闭变化开放到关闭变化；相反金属；相反金属释放释放，有，有关闭到开放关闭到开放变化。诱发蛋白质构象变化的变化。诱发蛋白质构象变化的因素较多，其中因素较多，其中pH,盐桥以及第二配位层盐桥以及第二配位层等因素比较重要。等因素比较重要。当当pH 7时，释放时，释放Fe3+；pH 4 时，铁传递蛋白释放出全部的时，铁传递蛋白释放出全部的Fe3+，变为脱铁铁传递蛋白。变为脱铁铁传递蛋白。 Lactofer

29、rin, with Fe Bound without Fe Bound Lactoferrin, with Fe Bound Lactoferrin without Fe 铁的生物调控铁的生物调控 对于哺乳动物，对于哺乳动物，铁铁(III)被食物被食物中的还原剂及肠绒毛细胞上中的还原剂及肠绒毛细胞上的铁的铁(III)还原酶还原为铁还原酶还原为铁(II)，经，经二价金属离子转运蛋白二价金属离子转运蛋白的转的转运使运使铁铁(II)进入小肠上皮细胞进入小肠上皮细胞，再有多铜氧化酶将其氧化为铁再有多铜氧化酶将其氧化为铁(III)后，与血液中的脱铁运铁蛋白结和形成稳定的金属蛋白配后，与血液中的脱铁运铁蛋

30、白结和形成稳定的金属蛋白配合物合物，血液循环使双铁，血液循环使双铁(III)运铁蛋白在运铁蛋白受体介导下经运铁蛋白在运铁蛋白受体介导下经细胞内吞过程将铁（细胞内吞过程将铁（III）定向地输运到需铁组织细胞，有盈）定向地输运到需铁组织细胞，有盈余时以储铁蛋白的形式储存下来。显然，脱铁运铁蛋白，运余时以储铁蛋白的形式储存下来。显然，脱铁运铁蛋白，运铁蛋白受体，储铁蛋白的量对铁的吸收与利用有非常大的影铁蛋白受体，储铁蛋白的量对铁的吸收与利用有非常大的影响。响。 Reference 钱忠明，钱忠明，2000年，铁代谢年，铁代谢-基础与临床基础与临床 杨频，高飞，杨频，高飞，2002年，生物无机化学原理

31、年，生物无机化学原理 Raymond K N. PNAS,100(7), 3584, 2003。第四节第四节 铁硫蛋白，铁硫蛋白， iron sulphur protein铁硫蛋白是一类含有铁硫蛋白是一类含有FenSm 簇核的非血红素铁蛋白。所有铁硫蛋白中簇核的非血红素铁蛋白。所有铁硫蛋白中的铁都可变价，其主要功能是作为电子传递体参与生物体内多种氧化的铁都可变价，其主要功能是作为电子传递体参与生物体内多种氧化还原反应，特别是在生物氧化，固氮作用和光合作用中具有重要意义。还原反应，特别是在生物氧化，固氮作用和光合作用中具有重要意义。它们都具有它们都具有较低的氧化还原电位，铁的变价是它们传递电子的

32、基础较低的氧化还原电位，铁的变价是它们传递电子的基础。根据氧化还原中心的组成和结构，通常铁硫蛋白分为三大类根据氧化还原中心的组成和结构，通常铁硫蛋白分为三大类: Fe(Cys)4 Fe2S2(Cys)4 Fe4S4(Cys)4 其它类型铁硫蛋白其它类型铁硫蛋白Fe2S2(Cys)4(His)2Fe4S4(Cys)3(His)Fe4S4(Cys)3(Asp)Fe3S3(Cys)3Fe8S6(Cys)6Fe(Cys)4: 红氧还蛋白红氧还蛋白(rubredoxin, Rd)由于这类蛋白呈由于这类蛋白呈红色故称为红氧还蛋白红色故称为红氧还蛋白。分子量小，含。分子量小，含50-60个氨基个氨基酸残基。

33、每个分子含酸残基。每个分子含1个个Fe， Fe与四个半胱氨酸的硫配位，呈畸变四与四个半胱氨酸的硫配位，呈畸变四面体构型；近似为面体构型；近似为D2d对称。对称。Fe-S平均键长平均键长 2.29。Crystal of perdeuterated Pyrococcus furiosus rubredoxin EPR: 氧化态氧化态Rd含含高自旋高自旋Fe3+ , 4.39(20k) , S = 5/2； 还原态还原态Rd 含含高自旋高自旋Fe2+，S = 2, EPR : silent Rd的电子吸收光谱的电子吸收光谱：氧化态和还原态有很大差别，还原态在可见区：氧化态和还原态有很大差别，还原态在

34、可见区几乎没有吸收。几乎没有吸收。氧化态的红色氧化态的红色来自来自490nm处的一个处的一个S Fe电荷转移峰。电荷转移峰。在在pH为为7时红氧还蛋白氧化还原电位处于时红氧还蛋白氧化还原电位处于-50+50mV。 Fe2S2(Cys)4:植物型铁氧还蛋白植物型铁氧还蛋白(ferredoxin，Fd)一类非酶蛋白质一类非酶蛋白质, 广泛分布于细菌、广泛分布于细菌、藻类、高等植物中。藻类、高等植物中。大部分来自植物的叶绿体，并参与光大部分来自植物的叶绿体，并参与光合作用，因此称为合作用，因此称为植物型铁氧还蛋白植物型铁氧还蛋白。还有一些来自细菌和动物。还有一些来自细菌和动物。单电子传递单电子传递体

35、体，E0: 280 490 mV，较易还原。，较易还原。Fd的单晶很难制备，初期无法用的单晶很难制备，初期无法用X射射线测定其结构，只能通过模型化合物和线测定其结构，只能通过模型化合物和光谱技术预测其活性中心的结构。光谱技术预测其活性中心的结构。1966年年Gibson提出双核簇合物结构模提出双核簇合物结构模型，认为型，认为还原态时，一个为还原态时，一个为HS, Fe2+(S = 2)，另一个为，另一个为HS，Fe3+ (S = 5/2), 两者通两者通过硫桥实现反铁磁性偶合，使电子自旋过硫桥实现反铁磁性偶合，使电子自旋 S = 1/2；氧化态时两个氧化态时两个HS，Fe3+总自旋总自旋S =

36、 0。1978年，测定了螺旋杆菌年，测定了螺旋杆菌Fd的晶体结的晶体结构，结果与构，结果与Gibson模型一致。模型一致。Fe4S4(Cys)4蛋白蛋白 高电位铁硫蛋白和细菌型氧还蛋白高电位铁硫蛋白和细菌型氧还蛋白Fe4S4簇是生命体系中簇是生命体系中最常见最常见的铁硫原子簇类型；的铁硫原子簇类型；其基本结构是一个变形的其基本结构是一个变形的立方体立方体；Fe-Fe和和S-S间距约为间距约为2.75 和和3.55 ；高电位铁硫蛋白的氧化还原电位高达高电位铁硫蛋白的氧化还原电位高达+350 mV；细菌型铁硫蛋白氧还电位细菌型铁硫蛋白氧还电位 - 400mV左右。左右。Fe4S4(Cys)4蛋白蛋

37、白 高电位铁硫蛋白和细菌型氧还蛋白高电位铁硫蛋白和细菌型氧还蛋白高电位铁硫蛋白高电位铁硫蛋白or细菌型氧还蛋白细菌型氧还蛋白值得注意的是值得注意的是，高电位铁硫蛋白和细菌型铁硫蛋白具有相同的活性中心，高电位铁硫蛋白和细菌型铁硫蛋白具有相同的活性中心，但氧还电位相差但氧还电位相差750 mV。还原态高电位铁硫蛋白和氧化态细菌型的还原态高电位铁硫蛋白和氧化态细菌型的电子吸收光谱电子吸收光谱十分相似；十分相似；结构分析结构分析数据还显示，高电位铁硫蛋白的氧化态和还原态结构参数有差异，数据还显示，高电位铁硫蛋白的氧化态和还原态结构参数有差异，而而高电位铁硫蛋白的还原态与细菌型铁氧还蛋白氧化态的结构参数

38、很接近高电位铁硫蛋白的还原态与细菌型铁氧还蛋白氧化态的结构参数很接近。NMR研究证实研究证实, 这两类蛋白质的氧化态和还原态都有这两类蛋白质的氧化态和还原态都有Fe2+ 和和Fe3+;结论结论: 高电位铁硫蛋白的还原态相当于细菌型铁氧还蛋白的氧化态。高电位铁硫蛋白的还原态相当于细菌型铁氧还蛋白的氧化态。1972年年, C .W .Carter提出提出三种氧化态假说三种氧化态假说： 现已证实，现已证实，还原态还原态高电位铁硫蛋白和高电位铁硫蛋白和氧化态氧化态细菌型铁氧还蛋白的铁细菌型铁氧还蛋白的铁硫中心是等电子体，硫中心是等电子体，4个个Fe的价态是的价态是2Fe3+ + 2Fe2+；氧化态高电

39、位铁硫；氧化态高电位铁硫蛋白是蛋白是3Fe3+ + Fe2+；还原态细菌型铁氧还蛋白是；还原态细菌型铁氧还蛋白是Fe3+ + 3Fe2+。铁硫蛋白模型物的研究铁硫蛋白模型物的研究 The research activities of Richard H. Holm and his co-workers encompass synthetic, structural, and reactivity aspects of transition element chemistry. Synthetic endeavors are directed toward the attainment of n

40、ew classes of compounds, many of which are related tometal-containing units in proteins and enzymes. 作为一个好的模型化合物，不仅活性中心的结构相似，必须具有与天然蛋白作为一个好的模型化合物，不仅活性中心的结构相似，必须具有与天然蛋白相似的氧化还原电位，以便实现其电子传递功能。相似的氧化还原电位，以便实现其电子传递功能。红氧还蛋白在水溶液中的氧化还原电位红氧还蛋白在水溶液中的氧化还原电位在在0V左右左右；但是已报到的模型化合物的氧化还原电位均向但是已报到的模型化合物的氧化还原电位均向负方向移动负

41、方向移动很多，与天然蛋白很多，与天然蛋白相差较大，而且在水和空气中不稳定；相差较大，而且在水和空气中不稳定；选用人工合成的含选用人工合成的含半胱氨酸的肽链代替简单的烷基或芳基硫醇作配体半胱氨酸的肽链代替简单的烷基或芳基硫醇作配体，使，使FeII的配合物显示向正方向移动氧化还原电位的配合物显示向正方向移动氧化还原电位,结果表明是有效的。结果表明是有效的。Fe(Cys)4 模拟物模拟物1. FeII(Z-Cys(a)-Pro-Leu-Cys(b)-OMe)22- (-0.54 V v.s. SCE in CH3CN)2. FeII(Z-Cys(a)-Pro-Leu-Cys(b)-Gly-Val-O

42、Me)22- (-0.46 V v.s. SCE in CH3CN)Fe2S2(Cys)4 模拟物模拟物Fe2S2(Ac-Pro-Tyr-Ser-Cys-Arg-Ala-Gly-Ala-Cys-Ser-Thr-Cys-Ala-Gly-Pro-Leu-Leu-Thr-Cys-Val-NH2)2-由于配位方向由于配位方向不同生成两种几何异构体不同生成两种几何异构体，在，在DMF中的氧化还原电位中的氧化还原电位分别是分别是: -0.64 V; -0.96 V (v.s. SCE , in DMF)其中之一与天然蛋白的氧还电位基本一致其中之一与天然蛋白的氧还电位基本一致。A synthetic ana

43、logue for the active site of plant-type ferredoxin: two different coordination isomers by a four-cys-containing 20-peptide.Biopolymers， 1992，32，1535-44. Fe4S4 模拟物模拟物在天然蛋白中在天然蛋白中Fe4S4+ ,Fe4S42+, Fe4S43+ 这三种状态都能稳定这三种状态都能稳定存在。存在。Fe4S40 曾在固氮酶铁蛋曾在固氮酶铁蛋白中发现过，而其稳定状态已白中发现过，而其稳定状态已分离出来。在合成的模型化合分离出来。在合成的模型化合物

44、中，物中，Fe4S40 , Fe4S4+ , Fe4S43+三种状态都很不稳定，三种状态都很不稳定，所以所以研究最多的是研究最多的是Fe4S42+ Na(THF)Fe4S4(SDmp)4 PNAS, 2011, 31, 12635-12640.第六章第六章 铜蛋白铜蛋白(cuprotein)铜是生命的必需的微量元素，在生物体内的含量仅次于铜是生命的必需的微量元素，在生物体内的含量仅次于铁和锌，在过渡金属中居第三位铁和锌，在过渡金属中居第三位;铜参与人体内许多重要的代谢过程和生理作用铜参与人体内许多重要的代谢过程和生理作用;现在了解的比较多的含铜蛋白约现在了解的比较多的含铜蛋白约40多种，还有多

45、种，还有20来种知来种知之甚少；之甚少；铜蛋白有多种生理功能，如铜蛋白有多种生理功能，如载氧，储存铜，传递电子载氧，储存铜，传递电子，作为氧化酶作为氧化酶等；等；许多铜蛋白因具有美丽的蓝色而被称为许多铜蛋白因具有美丽的蓝色而被称为蓝铜蛋白蓝铜蛋白（blue copper protein），不显蓝色的称为），不显蓝色的称为非蓝铜蛋白非蓝铜蛋白。根据铜蛋白和铜酶吸收光谱性质的不同，一般将铜蛋白根据铜蛋白和铜酶吸收光谱性质的不同，一般将铜蛋白和铜酶所含的铜分为三种类型和铜酶所含的铜分为三种类型 ：I型，型，II型和型和III型。型。回顾：细胞色素回顾：细胞色素C氧化酶；血蓝蛋白；氧化酶；血蓝蛋白；P

46、MMo 某些铜蛋白的性质某些铜蛋白的性质铜蛋白铜蛋白相对分子质量相对分子质量含铜原子数含铜原子数功能功能来源来源I型型II型型III型型质体蓝素质体蓝素10 5001传递电子传递电子植物、细植物、细菌菌天蓝素天蓝素14 0001传递电子传递电子细菌细菌星蓝素星蓝素20 0001传递电子传递电子漆树漆树半乳糖氧化酶半乳糖氧化酶68 000 1 醇，半乳糖氧化醇，半乳糖氧化细菌细菌超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶32 0002O2-歧化歧化红血球红血球血蓝蛋白血蓝蛋白（58）1042载氧载氧节肢动物节肢动物血浆蓝铜蛋白血浆蓝铜蛋白134 000224铜输送铁氧化铜输送铁氧化血清血清漆漆 酶酶110 0

47、0064 000112二酚、二胺氧化二酚、二胺氧化漆树、真漆树、真菌菌抗坏血酸氧化酶抗坏血酸氧化酶140 000314抗坏血酸氧化抗坏血酸氧化植物、细植物、细菌菌细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶130 00011细胞色素细胞色素c氧化氧化线粒体线粒体铜蛋白的三种类型铜蛋白的三种类型CuCysRHisHisR = Met (azunn, plastoyanin, faccase) = N or O donor (stellacyanin)CuLLLLLL = O, N ligandsCuLLLLCuLLLLORType I，四面体，四面体 质体蓝素质体蓝素（plastocyanin）；）； 600

48、nm 附近有强吸收峰；附近有强吸收峰； A 值较小值较小Type II，四方锥，四方锥铜锌超氧化物歧化酶；铜锌超氧化物歧化酶；A 值较大值较大Type III血蓝蛋白血蓝蛋白质体蓝素（质体蓝素（plastocyanin）Cu：2个个His，Cys和和Met畸变四面体构型畸变四面体构型硬的氮和软的硫硬的氮和软的硫兼顾兼顾CuI和和CuII的要求的要求质体蓝素是光合作用过程中的质体蓝素是光合作用过程中的一种电子一种电子传递体传递体 Type I Type I Azurin Azurin 阿祖林阿祖林a weakly bound glutamine oxygen Cu2+ + e- = Cu+超氧化

49、物歧化酶，超氧化物歧化酶，SOD氧化物歧化酶（氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）是一种能）是一种能够催化够催化超氧化物超氧化物通过通过歧化反应歧化反应转化为转化为氧气氧气和和过氧化氢过氧化氢的的酶酶。SOD广泛存在于各类广泛存在于各类动物动物、植物植物、微生物微生物中，是一种重中，是一种重要的要的抗氧化剂抗氧化剂，保护暴露于氧气中的，保护暴露于氧气中的细胞细胞。 在氧分子的生物代谢过程中，作为不完全代谢产物，首先在氧分子的生物代谢过程中，作为不完全代谢产物，首先得到超氧自由基阴离子，接着再接受电子变为过氧阴离子，得到超氧自由基阴离子，接着再接受电子变为过氧阴离子，

50、它们都是它们都是高活性的有毒物种高活性的有毒物种，有必要及时有效地清除它们。，有必要及时有效地清除它们。生物体系通过进化已经形成自己的防御体系，生物体系通过进化已经形成自己的防御体系，H2O2可以用可以用过氧化氢酶，过氧化物酶过氧化氢酶，过氧化物酶除去，除去，O2-用用超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶有效有效地除去，从而起到有效保护生物体的作用。地除去，从而起到有效保护生物体的作用。天然存在的超氧化物歧化酶有四种：天然存在的超氧化物歧化酶有四种： CuZn SOD, Fe SOD, Mn SOD, Ni-SOD 酵母酵母CuZn-SOD结构结构 人类线粒体人类线粒体MnSOD结构结构 NiSOD结构结构在人体中，超氧化物歧化酶含在人体中，超氧化物歧化酶含有三类：有三类：SOD1定位于定位于细胞质细胞质中；中；SOD2位于位于线粒体线粒体；SOD3则位于细胞外。则位于细胞外。SOD1和和SOD3的的活性位点活性位点含有含有铜铜和和锌锌，而，而SOD2则含有则含有锰锰。CuZn-SOD1938年被发现，年被发现，1969年才知道其生物活性。年才知道其生物活性。它含有两个相同的亚基，每个亚基含有一个铜和一个锌离子。它含有两个相同的亚基，每个