第五六章铁-硫蛋白和其他非血红素铁蛋白

第五章铁-硫蛋白和其他非血红素铁蛋白第一节铁载体(siderophores)第二节铁蛋白(ferritin)第三节铁传递蛋白(transferrin,Tf)第四节铁硫蛋白(FeSprotein)血红素蛋白(heme)和非血红素蛋白(nonheme)非血红素蛋白

铁蛋白：贮存铁铁传递蛋白：输送铁铁硫蛋白：传递电子蚯蚓血红蛋白：载氧

NiFe氢化酶：催化甲烷单加氧酶：催化原儿茶酸根3,4-双加氧酶：催化固氮酶：催化etc.

血红素蛋白细胞色素：传递电子血红蛋白：储氧肌红蛋白：储氧细胞色素P450：催化辣根过氧化物酶:催化

etc.一些非血红素铁蛋白的生理功能非血红素铁蛋白生理功能来源铁蛋白血清铁传递蛋白卵铁传递蛋白乳铁传递蛋白贮存、输送铁动物组织血清卵清乳红氧还蛋白铁氧还蛋白肾上腺皮质铁氧还蛋白传递电子细菌叶绿体、细菌肾上腺皮质蚯蚓血红蛋白载氧星虫、蚯蚓顺乌头酸酶邻苯二酚双加氧酶氢酶催化动植物细菌细菌、藻类第一节铁载体(siderophores)

Siderophoresaresmallmolecularweight,high-affinityiron-bindingcompoundsthatcanscavengetheironawayfromthehigh-affinityiron-bindingproteins.

铁是生物体必需的微量元素，也是人体中含量最丰富的过渡金属元素。那么生物体系中铁是如何被吸收，运送和储存的呢？长期的生物进化使不同生物拥有不同的维持铁离子动态平衡的机制，使生物体吸收的铁以金属酶，金属蛋白或小分子配合物的形式存在于生物体中。铁载体(siderophores)

植物、微生物的生存，要求环境中铁浓度足够高，方能满足其DNA合成血红素所需的铁。为了能与氢氧根等有效地竞争铁(III)，细菌，真菌和植物种子等会分泌一些对铁(III)具有高度亲和力的复杂有机物，使难溶的铁活化，这些有机物可与铁形成非常稳定的八面体配合物。铁载体就是分子量低，对铁有专一螯合作用，微生物和植物用以由环境吸收铁的复杂有机物的总称。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(phytosiderophore)两大类。铁载体的结构类型

铁载体与铁形成非常稳定的低电荷配合物，有利于高电荷铁(III)离子跨过亲脂性膜，实现铁(III)的吸收，运输过程。氧肟酸盐型(hydroxamatetype);邻苯二酚型(catecholtype)氧肟酸盐型

(hydroxamatetype)Crystalstructureofferrichrome

铁色素

肠杆菌素,Enterobactin邻苯二酚型

(catecholtype)Enterobactin+Fe

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(氧)可与属于硬酸的Fe3+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Fe3+的结合常数大于1030。虽然铁载体也可与Ga3+及人造錒元素结合,但是与Al3+及所有二价金属离子的结合能力是相当弱的，因此自然界出现的金属离子中,铁载体仅对Fe3+选择性性结合。所结合的Fe3+处于高自旋态(HS),动力学性质是活泼的，使铁载体结合的Fe3+能向细胞内其它配体或蛋白质释放铁。

铁的释放机理关于释放铁的机理，目前比较普遍的看法是：在细胞内，首先Fe3+被还原为Fe2+，之后通过质子化作用将结合不牢固的Fe2+从载体上置换下来。第二节铁蛋白(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，主要分布在动物的脾脏(spleen),肝脏

(liver)和骨髓(bonemarrow)中，植物的叶绿体和某些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组织蛋白，正常人血清中含有少量铁蛋白；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，故血清铁蛋白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，整个分子有一个直径为13nm壳厚约为2.5nm蛋白质外壳。它由24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8个三重轴通道由亲水氨基酸残基(Asp,Glu,His,Tyr)排列而成，即亲水性通道；而6个四重轴通道排列有多个亲脂性残基，即疏水性通道。无论是储铁蛋白还是脱铁储铁蛋白，其外壳的大小和亚基的排列方式基本不变。蛋白质壳内是一个无机物复合体的铁核，铁就聚积在铁核内，其铁含量为~4500个Fe3+不等,主要成分为[(FeOOH)8(FeOPO3H2)]，铁的碱式磷酸盐微晶排列而成。

铁蛋白的结构特点铁蛋白的结构

储铁蛋白的主要生物功能是铁的储存，即机体或细胞铁过剩时可吸收铁，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Fe2+通过三重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Fe3+，Fe3+水解形成铁核，该氧化，成核过程随吸收铁的增加而变化。在低铁(Fe/protein<50)吸收过程中，铁(II)的氧化和成核可用下式表示

2Fe2++O2+4H2O→2FeOOHcore+H2O2+4H+

当高铁(Fe/protein>200)时,氧化反应和水解反应分两步进行:

4Fe2++O2+4H+→4Fe3++2H2O------氧化

4Fe3++8H2O→4FeOOHcore+12H+----水解

4Fe2++O2+6H2O→4FeOOHcore+8H+------总反应储铁蛋白的功能

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反应笼腔(nanodimensionalcavity).无机铁核晶体生长的前提是形成Fe3+簇。何处成核与蛋白质壳内表面的负电荷有关，成簇的谷氨酸残基有利于成核区的形成。在还原剂的存在下，储铁蛋白可将Fe3+以Fe2+的形式向外释放，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pH均能促使铁的释放。59Fe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合的铁，表明铁的释放过程也是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，然后经过中介体焦磷酸铁，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Fe(II)释放出来。

铁的贮存：

Fe2+

eFe3+nFe3++脱铁铁蛋白铁蛋白

铁的释放：铁蛋白+ne

脱铁铁蛋白+nFe2+

第三节铁传递蛋白(transferrin,Tf)NormalIronAbsorptionandMetabolismAllbodycellsneediron.Thehumanbodycontainsanaverageof3.5gofiron.ThetypicaldailyAmericandietcontains10–20mgofiron.Onlyabout10%ofdietaryironisabsorbed(1–2mg/day).Mostabsorbedironistransportedinthebloodstreamboundtotheglycoproteintransferrin.Transferrinisacarrierproteinthatplaysaroleinregulatingthetransportofironfromthesiteofabsorptiontovirtuallyalltissues.

哺乳动物可以吸收的铁有两类：血红素铁和非血红素铁。在肠粘膜内，血红素氧化酶使血红素以Fe2+的形式释放;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。进入肠道的非血红素铁多为Fe3+，肠道内的黏液可以避免Fe3+的水解沉淀，同时肠道内的还原剂如维生素c等还原酶将Fe3+还原为Fe2+,使Fe2+进入小肠上皮细胞。

成年人的铁含量为4.5~5.5mg/kg，其中60-70%以血红蛋白的形式存在；10%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20~30%；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30mg/24h。通过运铁蛋白每天有近24mg的血浆铁(III)被运到骨骼中用以血红蛋白的合成，约5mg的血浆铁(III)被运到非血红素细胞组织(如肝)，有近1mg血浆铁损失。因此，人体要保持微量元素铁的平衡，每天要吸收1mg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。铁传递蛋白是一类金属键合蛋白，对于维持生命体中铁的含量以及铁的新陈代谢起着重要作用。根据来源不同可将其分为四类：血清运铁蛋白(serumtransferrin),伴清运铁蛋白(ovotransferrin),乳运铁蛋白(lactoferrin),黑素运铁蛋白(melanotransferrin)。运铁蛋白为单肽链糖蛋白，含680~700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N端叶片(N-lobe)和C端叶片(C-lobe)。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，分别由螺旋折叠交替出现而形成。结构域内有二硫键。两结构域间存在一狭缝以结合铁(III)。铁传递蛋白的分类与结构人乳铁蛋白分子的三维结构FromBrJOphthalmol2005;89:684

①与不同金属离子的结合：在生理条件下，CO32-为伴阴离子时，人血清运铁蛋白可逆结合2个铁离子，平衡常数为LgK1=21.4,Lgk2=20.3；

研究指出，当缺乏碳酸氢根HCO3-时，FeIII-Tf特征粉红色消失，表明FeIII与Tf结合必须有阴离子存在，据此认为,对于脱铁铁传递蛋白与Fe(III)的稳定配位，血液中CO2是不可缺少的。Fe3++H3Tf+HCO3-

Fe-Tf-HCO3-+3H+

铁传递蛋白的功能特点应该指出，除铁外，运铁蛋白还可与大量的其它金属离子结合，包括过渡金属，镧系，錒系以及第三主族离子等。由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(III)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。如运铁蛋白是Mn在血液中的主要运载体;血液透析病人血浆中Al的主要结合蛋白；在Zn的运输中，运铁蛋白具有较白蛋白更积极的作用；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。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Fe3+的结合。脱铁铁传递蛋白不能结合Fe2+或结合很弱。因此在血液里脱铁铁传递蛋白与Fe3+的结合最有效。②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促进运铁蛋白金属结合及释放的特性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,生理条件下。伴阴离子应满足以下条件：1.一端为羧基，另一端为给电子基团；2.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性结合，从而影响两个金属键合位点的相对稳定性，并对金属离子的释放产生调节作用。一些无机阴离子与运铁蛋白的结合强度序列为：PO43->SO32->HCO3->NO3->Cl-。

③铁传递蛋白构象变化

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征之一。金属结合，运铁蛋白金属键合狭缝有开放到关闭变化；相反金属释放，有关闭到开放变化。诱发蛋白质构象变化的因素较多，其中pH,盐桥以及第二配位层等因素比较重要。当pH7时，释放Fe3+；pH4时，铁传递蛋白释放出全部的Fe3+，变为脱铁铁传递蛋白。

Lactoferrin,withFeBound

withoutFeBound

Lactoferrin,withFeBoundLactoferrinwithoutFe

铁的生物调控

对于哺乳动物，铁(III)被食物中的还原剂及肠绒毛细胞上的铁(III)还原酶还原为铁(II)，经二价金属离子转运蛋白的转运使铁(II)进入小肠上皮细胞，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合物，血液循环使双铁(III)运铁蛋白在运铁蛋白受体介导下经细胞内吞过程将铁（III）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。

Reference

钱忠明，2000年，铁代谢---基础与临床杨频，高飞，2002年，生物无机化学原理

RaymondKN.PNAS,100(7),3584,2003。第四节铁硫蛋白，ironsulphurprotein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。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:

Fe(Cys)4Fe2S2(Cys)4Fe4S4(Cys)4

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(rubredoxin,Rd)由于这类蛋白呈红色故称为红氧还蛋白。分子量小，含50-60个氨基酸残基。每个分子含1个Fe，Fe与四个半胱氨酸的硫配位，呈畸变四面体构型；近似为D2d对称。Fe-S平均键长2.29Å。CrystalofperdeuteratedPyrococcusfuriosusrubredoxin

EPR:氧化态Rd含高自旋Fe3+,4.39(<20k),S=5/2；还原态Rd含高自旋Fe2+，S=2,EPR:silentRd的电子吸收光谱：氧化态和还原态有很大差别，还原态在可见区几乎没有吸收。氧化态的红色来自490nm处的一个S→

Fe电荷转移峰。在pH为7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(ferredoxin，Fd)一类非酶蛋白质,广泛分布于细菌、藻类、高等植物中。大部分来自植物的叶绿体，并参与光合作用，因此称为植物型铁氧还蛋白。还有一些来自细菌和动物。单电子传递体，E0’:280～490mV，较易还原。Fd的单晶很难制备，初期无法用X射线测定其结构，只能通过模型化合物和光谱技术预测其活性中心的结构。1966年Gibson提出双核簇合物结构模型，认为还原态时，一个为HS,Fe2+(S=2)，另一个为HS，Fe3+(S=5/2),两者通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HS，Fe3+总自旋S=0。1978年，测定了螺旋杆菌Fd的晶体结构，结果与Gibson模型一致。Fe4S4(Cys)4蛋白高电位铁硫蛋白和细菌型氧还蛋白Fe4S4簇是生命体系中最常见的铁硫原子簇类型；其基本结构是一个变形的立方体；Fe-Fe和S-S间距约为2.75Å和3.55Å；高电位铁硫蛋白的氧化还原电位高达+350mV；细菌型铁硫蛋白氧还电位-400mV左右。Fe4S4(Cys)4蛋白高电位铁硫蛋白和细菌型氧还蛋白高电位铁硫蛋白or细菌型氧还蛋白值得注意的是，高电位铁硫蛋白和细菌型铁硫蛋白具有相同的活性中心，但氧还电位相差750mV。还原态高电位铁硫蛋白和氧化态细菌型的电子吸收光谱十分相似；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，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很接近。NMR研究证实,这两类蛋白质的氧化态和还原态都有Fe2+

和Fe3+;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。1972年,C.W.Carter提出三种氧化态假说：现已证实，还原态高电位铁硫蛋白和氧化态细菌型铁氧还蛋白的铁硫中心是等电子体，4个Fe的价态是2Fe3++2Fe2+；氧化态高电位铁硫蛋白是3Fe3++Fe2+；还原态细菌型铁氧还蛋白是Fe3++3Fe2+。铁硫蛋白模型物的研究TheresearchactivitiesofRichardH.Holmandhisco-workersencompasssynthetic,structural,andreactivityaspectsoftransitionelementchemistry.Syntheticendeavorsaredirectedtowardtheattainmentofnewclassesofcompounds,manyofwhicharerelatedtometal-containingunitsinproteinsandenzymes.

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。红氧还蛋白在水溶液中的氧化还原电位在0V左右；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很多，与天然蛋白相差较大，而且在水和空气中不稳定；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，使FeII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。Fe(Cys)4

模拟物1.[FeII(Z-Cys(a)-Pro-Leu-Cys(b)-OMe)2]2-(-0.54Vv.s.SCEinCH3CN)2.[FeII(Z-Cys(a)-Pro-Leu-Cys(b)-Gly-Val-OMe)2]2-(-0.46Vv.s.SCEinCH3CN)Fe2S2(Cys)4

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-由于配位方向不同生成两种几何异构体，在DMF中的氧化还原电位分别是:-0.64V;-0.96V(v.s.SCE,inDMF)其中之一与天然蛋白的氧还电位基本一致。Asyntheticanaloguefortheactivesiteofplant-typeferredoxin:twodifferentcoordinationisomersbyafour-cys-containing[20]-peptide.Biopolymers，

1992，32，1535-44.

Fe4S4

模拟物在天然蛋白中[Fe4S4]+,[Fe4S4]2+,[Fe4S4]3+

这三种状态都能稳定存在。[Fe4S4]0

曾在固氮酶铁蛋白中发现过，而其稳定状态已分离出来。在合成的模型化合物中，[Fe4S4]0,[Fe4S4]+,[Fe4S4]3+三种状态都很不稳定，所以研究最多的是[Fe4S4]2+

[Na(THF)][Fe4S4(SDmp)4]

PNAS,2011,31,12635-12640.第六章铜蛋白(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;现在了解的比较多的含铜蛋白约40多种，还有20来种知之甚少；铜蛋白有多种生理功能，如载氧，储存铜，传递电子，作为氧化酶等；许多铜蛋白因具有美丽的蓝色而被称为蓝铜蛋白（bluecopperprotein），不显蓝色的称为非蓝铜蛋白。根据铜蛋白和铜酶吸收光谱性质的不同，一般将铜蛋白和铜酶所含的铜分为三种类型：I型，II型和III型。回顾：细胞色素C氧化酶；血蓝蛋白；PMMo

某些铜蛋白的性质铜蛋白相对分子质量含铜原子数功能来源I型II型III型质体蓝素105001传递电子植物、细菌天蓝素140001传递电子细菌星蓝素200001传递电子漆树半乳糖氧化酶680001醇，半乳糖氧化细菌超氧化物歧化酶320002O2-歧化红血球血蓝蛋白（5～8）×1042载氧节肢动物血浆蓝铜蛋白134000224铜输送铁氧化血清漆酶11000064000112二酚、二胺氧化漆树、真菌抗坏血酸氧化酶140000314抗坏血酸氧化植物、细菌细胞色素c氧化酶13000011细胞色素c氧化线粒体铜蛋白的三种类型TypeI，四面体质体蓝素（plastocyanin）；

600nm附近有强吸收峰；A

值较小TypeII，四方锥铜锌超氧化物歧化酶；A

值较大TypeIII血蓝蛋白质体蓝素（plastocyanin）Cu：2个His，Cys和Met畸变四面体构型硬的氮和软的硫兼顾CuI和CuII的要求质体蓝素是光合作用过程中的一种电子传递体TypeI

Azurin阿祖林aweaklyboundglutamineoxygen

Cu2++e-

=

Cu+超氧化物歧化酶，SOD氧化物歧化酶（Superoxidedismutase，SOD）是一种能够催化超氧化物通过歧化反应转化为氧气和过氧化氢的酶。SOD广泛存在于各类动物、植物、微生物中，是一种重要的抗氧化剂，保护暴露于氧气中的细胞。

在氧分子的生物代谢过程中，作为不完全代谢产物，首先得到超氧自由基阴离子，接着再接受电子变为过氧阴离子，它们都是高活性的有毒物种，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，H2O2可以用过氧化氢酶，过氧化物酶除去，O2-用超氧化物歧化酶有效地除去，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：

CuZnSOD,FeSOD,MnSOD,Ni-SOD

酵母CuZn-SOD结构

人类线粒体MnSOD结构

NiSOD结构在人体中，超氧化物歧化酶含有三类：SOD1定位于细胞质中；SOD2