生物无机化学-无机3fchapter

第九章电子转移蛋白生物体中具有电子传递功能的金属蛋白质有哪几类？其金属中心的结构有何特征？电子转移在生命过程中有何重要性？其电子转移机理是什么？研究金属蛋白的

电子转移会

哪些？1在形式上，所有的化学转移反应，都可分为两类：酸碱反应，和氧化还原反应。本章：性质上纯属氧化还原反应，其中包括电子从一种蛋白质到另一种蛋白质的转移。29.1

电子载体（金属蛋白）9.2

电子转移9.3

电子转移与距离及驱动力的相关性3电子转移蛋白分类：铁-硫蛋白蓝铜蛋白细胞色素9.1

电子载体49.1a

铁-硫蛋白5大多数含有FenSm单元铁-硫蛋白中，有两类功能:推动电子转移。催化功能：如双氮或亚硝酸盐的还原；柠檬酸和异柠檬酸间的相互转化；甚至像DNA特定部位的水解功能。这些酶往往是(但不总是)具有额外的金属中心，而电子的转移反应正在这里发生。此处

仅着眼于铁-硫蛋白作为电子转移剂的功能上。的铁-硫蛋白的氧化还原化学和与FenSm核相对应模型已广为研究。已知的四类铁-硫蛋白，将按簇合物

原子数目增加的顺序依次

。6表5.2铁-硫蛋白的典型化学特征：8(i)

[1Fe-0S]。红氧还蛋白的活性部位含一个高自旋的Fe(Ⅱ,Ⅲ)，它与4个半胱酸根的硫原子配合，处于近似四面体的排布。其中Fe-S平均距离几乎等同，数值接近2.28Å。这个距离与

的类似化合物二(邻-二甲苯基二硫醇)铁(Ⅲ)中的数值极其吻合，该化合物中，Fe-S平均距离为2.267

Å。铁(i)

[1Fe-0S]。氧化形和还的红氧还蛋白的Fe-S距离从2.26Å增加到2.32Å。且经过还原，铁中心并无大的变化：高铁和亚铁型间的差别仅在于Fe-S距离有2%-3%的增加，而配位数和自旋无变化。红氧还蛋白的还原电位通常在-50

+50mV间。铁红氧还蛋白的例子：10从巴式梭菌(ClostridiumPasteurianum)获得一个红氧还蛋白Rb:分子量：8KDa；55个氨基酸残基。含有一个[FeIII(s-Cys)4]-配离子。其红色来源于在490nm处的一个S→Fe的电荷转移带。(ii)

[2Fe-2S]：铁氧还蛋白含有{Fe2S2(S-Cys)4}单元：在氧化形中，该部位含2个Fe(Ⅲ)离子，每一个均为四面体配位，其中2个为桥式硫基，2个为端梢的半胱氨酸巯基。Fe-Fe距离2.70Å，Fe-S-Fe键角接近75o，存在明显的金属-金属键。11(ii)[2Fe-2S]。含此类中心所有的生理过程都经历单电子转移，形成混合价态Fe(Ⅲ)Fe(Ⅱ)。这两个铁中心呈现反铁磁性偶合，单电子则离域在两个铁的位置上。12(ii)[2Fe-2S]。还

模型配合物的类似研究证实了同样的结果：存在2个分立但又相互转化的Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)中心，而不是完全离域的体系。这种含两个铁中心蛋白质的还原电位，比单核中心的更负，在-280

-490mV的范围内。13(iii)[3Fe-4S]。14Fe3S4(S-Cys)3

单元蛋白的单元可简单地想像为Fe4S4立方体缺一角(见式5.2)。123(iii)[3Fe-4S]。氧化形含3个Fe(Ⅲ)离子。这3个高自旋的Fe(Ⅲ)离子为反铁磁性偶合，所形成的体系在基态有一未成对的电子。该单元的结构与明显具有铁-铁键的结构一致。15(iii)[3Fe-4S]。还含两个Fe(Ⅲ)离子和一个Fe(Ⅱ)离子。存在一个高自旋的Fe(Ⅲ)中心和一对等价的位置，净的氧化态接近Fe+2.5。三核簇的总自旋态为S=2。D.

gigas铁氧还蛋白Ⅱ的电位为-130mV。16(iv)

[4Fe-4S]。Fe4S4立方烷型结构，可看作是两个Fe2S2单元二聚体。其中硫基和3个铁中心桥联。铁-铁间距再次接近2.7Å。该单元区别于上述其他中心的最显著特征是：它能以三种而不是两种氧化水平存在。此外，它存在于不同的蛋白质中。AB(iv)

[4Fe-4S]。P.aerogenes铁氧还蛋含2个Fe4S4(S-Cys)4簇合物，每个簇合物的氧化态形式上含2个Fe(Ⅲ)离子和2个Fe(Ⅱ)离子，相当于在Fe4S4单元上的总电荷为+2。该体系实际上是电子离域的，它具有4个等价的铁中心，平均氧化态为+2.5。18这些簇合物能还原为Fe4S4+单元，形式上含1个Fe(Ⅲ)和3个Fe(Ⅱ)离子，其中的电子也是离域的。相反，Chronatium铁氧还蛋白(过去称为高电位铁蛋白或HiPIP)的

含1个Fe4S42+单元，氧化形则含1个Fe4S43+单元，形式上为3个Fe(Ⅲ)和1个Fe(Ⅱ)离子。19Fe4S4(SR)4簇每个铁原子结构的变化比单铁型中心的小。典型的[Fe4S4(SR)4]-、[Fe4S4(SR)4]2-和

[Fe4S4(SR)4]3-中，平均铁-硫距离分别为2.25

Å、

2.28Å、2.31Å。相当于每加入一个电子改变1.3%；对于单核的中心则改变2%-3%。图9.2表示了当R=Ph (或Ph取代基）时，所观测到的结构随氧化和还原作用的变化。20+e21+e22含[4Fe-4S]单元蛋白的氧化还原电位的范围跨度极大，这是因为它们的三种氧化水平都容易实现。蛋白质处于[4Fe-4S]+和[4Fe-4S]2+水平之间，电位的范围从-650

-280mV，而当用[4Fe-4S]2+和[4Fe-4S]3+时，则接近+350mV。蛋白质的结构可以调节这些铁簇合物的氧还电位，使其比相应的小分子

模型移动+60~80mV。23另一个需要重点研究的地方是测量蛋白及其模型的电子转移速率常数。在金属蛋白中，从表面到氧还活性金属中心的远程电子转移，是一个令人感

的课题。对于铁硫蛋白主要的功能，如电子转移，需要了解决定这类反应速率的因素。24模型化合物的双分子[Fe4S4(SR)4]n-外界速率常数在106

-107(mol/L)-1·s

-1

范围内，从而使[Fe4S4]立方体的电子转移速率，在无机化学中，属已知的自交换过程较快的一类。25当[4Fe-4S]n-蛋白n=2到n=3转变时，上述数值比已知较快的电子转移速率还要大103以上。对模型化合物研究的结果表明：[4Fe-4S]簇合物的电子转移速率较快，此与簇合物的重组能极低的研究结论相符。实际的电子转移速率为铁-硫簇合物外在的因素所控制。9.1b

蓝铜蛋白26第二类重要的担负电子转移反应的蛋白是蓝铜蛋白。二价铜简单化合物的颜色相对应的吸收带(795nm)，其典型消光系数为5-10

mol-1·

L-1·

cm-1。但蓝铜蛋白的特征峰则出现在600nm左右，消光系数＞3000mol-1·L-1·cm-1.图9.3为其一例。图9.327蓝素和六水合铜离子的电子光谱比较蓝素的消光系数比水合铜离子强约300~600倍：Why？？？其中蓝铜蛋白的EPR谱反映了未成对电子比在其他铜(Ⅱ)配合物中更具有离域性。蓝铜中心既存在于较小的含单个铜离子的蛋白质，如蓝素和蓝铜蛋白中，也存在于复杂的酶(多铜氧化酶)中，后者在多种可识别的位置上含4个或的铜离子。28蓝铜蛋白中铜的部位通常称为类型I。蓝铜蛋白中的铜离子被其他金属取代时，得到某些与强可见吸收带起因有关的重要结论，即硫醇根是铜(Ⅱ)离子的一个配体：这些蛋白质特征吸收带的位置，发生在能量与许多五和六配位的铜(Ⅱ)配合物d-d带类似处，然而，它的高强度又使得表征为d-d跃迁让人难以置信。29某些蓝铜蛋白钴(Ⅱ)的衍生物，证明了上述吸收带的存在，其强度和Cu(Ⅱ)的类似物相似，但出现在大约300-500nm处。从Cu(Ⅱ)到Co(Ⅱ)向能量较高的方向转移，和从配体到金属的电荷转移带跃迁的表征一致(LMCT)。根据上述电荷转移跃迁的位置，可认为给体是硫醇根。30又通过对Cu(Ⅱ)形式近红外区和Co(Ⅱ)形式可见和近红外区的配位场跃迁的分析，提出这些金属和脱辅基蛋白的光电子能谱硫区域的分析。31在这些研究中，有一个半胱氨酸硫原子处于十分不同的环境：在脱辅基的形式中，是质子化和游离的；而在含金属的形式中，则是脱质子并和金属结合在一起的。根据光学和红外光谱的得到的数据可以认为：在蓝铜蛋白中，金属处于畸变的四面体环境中，一个配体为半胱氨酸的硫醇根，两个为组氨酸的氮。第四个配体则可能为脱质子的酰胺氮。蓝铜部位最后的结构由晶体结构分析表征为:铜离子处于畸变四面体的配位位置。配体由一个半胱氨酸、两组氨酸和一个甲硫氨酸提供。上述蛋白质的结构及铜的部位示于图9.4中。32图9.4

氧化形极性蓝素的结构和铜的部位33这种β圆柱型的蛋白结构首先在免疫球蛋白的范畴内观测到。其中铜的部位有如下特征：3.由波谱学研究得出的结构和实际的结构十分接近。

铜-半胱氨酸根硫键确实很短(2.13Å)。相反，铜甲硫氨酸的键却很长(2.9Å)，这种弱的相互结合的意义尚不清楚。铜的部位接近蛋白质表面。一个配位组氨酸残基的边缘在溶剂里。在蛋白质表面铜部位附近，有一小块疏水性的区域。34由于这些蓝铜蛋白参与了电子转移反应，因而考察其在还时的结构就变得饶有

：在高pH=7.8时，铜的部位和氧化形的蛋白质非常相似，仅在Cu–N键上略有拉长(图9.4)：35当在较低pH(3.8)重新测定结构时，发现有一个组氨酸配体质子化了，且从铜中心上解离下来。与此同时，Cu-甲硫氨酸的硫键缩短到2.5

Å。质子和电子转移的偶合，证明了一个重要的原理，即：蛋白质金属中心氧化还原电位的调节受结合配体酸碱性的影响。36蓝铜蛋白中的铜离子，通常能用

化物处理去除。用这种方法得到的极性

蓝素的脱辅基蛋白，结晶后与含金属的形式属同晶型，表明除去金属后结构仅有微小的变化。唯一观测到的明显变化是一个组氨酸侧链改变了方向。这些结果：蛋白质包括金属结合部位，早在结合金属之前就已经组成。37蓝铜蛋白38蓝铜部位可能是内稳态(entaticstate)一个好的例子(比传统意义上的稳定分子更接近单分子过渡态）：其中蛋白质的结构有足够的刚性强制金属中心保持特定的构型。在这个例子中，这种强制力足以形成一个畸变四面体(或蓝蛋白的三角双锥)的配体排列，并稳定Cu(II)—硫醇根单元。铜绿假单胞菌蓝蛋白：铜的部位类似于蓝素的情况，但其中的金属是五配位的。由一个半胱氨酸和2个组氨酸构成三角面，而甲硫氨酸的硫和肽骨架上的一个酰氨氧形成长的(≈3Å)轴向键。法国豆蓝素的结构基本上和极性蓝素等同。抗坏血酸氧化酶的结构是一种含4个铜原子的酶：3个铜原子组成了一个三核单元，还有1个铜处于类型I的位置上，和蓝素中的情况十分相似。其他几种蓝铜蛋白的结构如下：39对许多较简单的配体，Cu(II)和Cu(I)配合物在结构上颇不相同：Cu(II)倾向于较高的配位数（通常为5或6），四配位时则采取平面正方形的几何构型；Cu(I)倾向于较低的配位数，四配位的

化学则为四面体。蓝铜蛋白的金属中心的化学模拟：40曾进行过很多实验以

类似于蓝铜部位的产物，但成功的实例极其有限。无疑，最大的是伴随着硫醇根二硫化物的作用，硫醇根配体倾向于将Cu(II)还原以Cu(I)。为了消除上述作用，蛋白质把半胱氨酸根配体足够深地埋藏在多肽链中，使以上作用不至于发生。2Cu

II

+ 2R-S-2

Cu

I

+

R-S-S-R411990

科学家使用氢化三（3，5-二异丙基吡唑基）硼酸钾和五氟苯硫酚第一次

了具有四面体构型的二价铜配合物：42尽管在的配合物中铜中心的配位环境为N3S，而不是天然铜蛋白中的Cu中心的N2SS*，但其吸收光谱、EPR等谱学性质与天然阿祖林和蓝素的谱学性质非常相似：449.1c

细胞色素细胞色素含有铁卟啉作为氧化还原活性中心。其金属中心的特征：血红蛋白和细胞色素P-450仅有一个来自蛋白质的配体，大多数细胞色素有两个来自蛋白质的配体，形成八面体配合物。例如：在真核生物细胞色素c中，轴向的配体一个是组氨酸的氮、一个是甲硫氨酸的硫。其他细胞色素有2个组氨酸配体。图9.5金枪鱼细胞色素c9.1c

细胞色素比较氧化形的Fe(III)和还的Fe(II)的细胞色素c的晶体结构，表明伴随着氧化还原反应，结构的变化甚小：它的两种形式均为低自旋配合物，二者之间电子的不同为一t2g型电子，这是一个非键电子，位于仅含成分的分子轨道上。上述结果证明了另一条规律：大自然用以产生氧化还原反应的体系，在经历电子转移的过程中，结构的重排极小。469.2

电子转移电子载体必须满足在相反方向上作用时的两种制约：它们必须适度的快，即电子穿越路径的迁移速率必须符合生物学需要；其次，反应必须是专一的。电子转移的路径和其他的生物过程，如质子的移位相偶合。欲在路径的一端产生等当量的还原物，电子需要经过一系列的分子连续转移。倘若这些反应不是专一的，则电子从还原性最强的一个到最容易被还原的分子的转移，就会因中间

的步聚和它们的偶合而短路。479.2

电子转移因此，电子转移通常发生在专一的蛋白质-蛋白质配合物之间：这些配合物必须有足够的稳定，才能使同族伙伴的识别成为可能。由于这些过程内在结构约束，生物学上电子转移反应常发生在给体和受体间相对远距离(>10Å)上。481.

首先研究电子转移蛋白的自交换速率。对于自交换反应而言，驱动力恒等于零，因而蛋白去除了电子转移速率对该量的任何依赖。较快的自交换速率可以通过氧化和还混合体系的NMR线宽效应来测定。例如：铜绿假单胞菌蓝蛋白的自交换反应很快

(1.2×106(mol/L)-1·s

-1)，自交换过程对铜部位附近蛋白质表面的结构十分敏感：电子转移过程可通过多种途径进行探测：49若在疏水性的小块区域里，用带正电荷的赖氨酸残基取代甲硫氨酸残基，导致自交换速率急剧降低(1.0×103(mol/L)-1·s-1)。因此，当观测到快的自交换过程，则清晰地表明质子了电子转移反应；慢的自交换反应可能由蛋白质的自模式并非由氧化还原中心本身的性质所决定。502.

是

人工

的给-受体对：一个实例是将[Ru(NH3)5]3+和马心脏细胞细色素c表面的组氨酸-33相连结（图9.6）。12Å该体系通过式9.1所示的路线进行研究：光化学或脉冲辐射移，假设在已知的段来完成。分子内的电子转上发生，然后监测Fe(Ⅲ)中心被钌配合物还原的反应速率。对于上述的体系，分子内电子转移的速率为30s–1,

而且基本上不依赖于温度。此结果证实了这类

电子转移过程确实发生了。hv,

+e结合在表面的钌配合物开始快的还原反应，通过52一个关键的问题是：这类电子转移的途径是否通过化学键（在蛋白质

内的行为是否像一个大的桥式配体）、还是通过空间、或者还是通过两种类型组合????533.

研究真实的蛋白-氧还对,如：酵母细胞色素c/细胞色素c过氧化物酶对当细胞色素c过氧化物酶中的铁卟啉被相应的锌卟啉取代所产生的物种(ZnP)，能被光致激发到三重态(3ZnP)，它具有在还原其他物种的能力。如式9.2所示：54光产生细胞色素c过氧化物酶中锌卟啉的三重激发态。上述物种是一个强还原剂，它能转移一个电子到细胞色素c的高铁卟啉上。然后，在锌卟啉基阳离子和细胞色素c的亚铁卟啉间发生热电子转移又回到始态。在估计约为17Å的距离上的电子转移速率接近1.1×104

s-1。55若酵母细胞色素c被马心脏的细胞色素c所取代，则速率降至12

s-1。这再次证明:56蛋白质-蛋白质的识别在促进分子间电子转移中的具有极其重要作用。最近测定了从酵母中提取的酵母细胞色素c过氧化物酶和从马的心脏而来的细胞色素c分子形成的配合物的晶体结构。对酵母细胞色素c，在形成的配合物中，Fe-Fe距离为

26.5Å，并和一条短的展开的多肽链(细胞色素c过氧化物酶残基191～194Å)间存在vanderWaals作用力。这条短的多肽近血红素基团和酵母细胞色素c的一部分，包括一个血红素的甲

团。57而在含马心脏细胞色素c的配