（无机化学专业论文）含双核铁活性中心的非血红素蛋白的模拟.pdf

南开人学博 ：论文 摘要 中文摘要 毖予非血红素蛋白酶的化学模拟热点，选用n ，a ( 三( 2 - 吡啶甲基) 胺) 作 为端基配体，分别用酸根和氨基酸作为桥联配体，设计合成了1 1 个氧桥联的双 核铁配合物( 其中9 个未见文献报道) ，运用x 射线单晶衍射方法解析了7 个配 合物的晶体结构，用元素分析、红外光谱、紫外可见光潜、变温磁化率等手段 对配合物进行了表征和性质研究。研究结果表明，所合成的双核铁配合物在结构 和性质上与天然非血红素蛋白酶相近。重点讨论了配合物中双核铁之间反铁磁偶 合参数，值与双核铁中心结构的关系，针对目前关于双核铁之闯磁相互作用与 f e d f e 角之间关系的争论，提出了我们的观点。对两个亚铁配合物进行了分 j f 氧加合物的动力学研究，得出分子氧加合物的低温分解反应为级反应，为研 究非血红素蛋白酶中双核铁中心的载氧机理提供了实验依据。 关键词：非血红素蛋白酶，双核铁；晶体结构? 磁性必反应动力学 摘篮 南开大学博 ? 论文 a b s t r a c t t h ed e s i g na n ds y n t h e s i so fi t - o x od i i r o n ( i i i ) c o m p l e x e si sa na t t r a c t i v ef i e l di n t h es i m u l a t i o no fn o n 如e m ep r o t e i nw h i c hi san e wc a l s so fm e t a lp r o t e i n sa n d e n z y m e s t r i s ( 2 - p y r i d y l m e t h y l ) a m i n ew a su s e dt oa c ta st h et e r m i n a ll i g a n d a n da s e r i e so fa c i d i cr a d i c a l sa n dl - a m i n oa c i dw e r eu s e dt oa c ta st h eb r i d g e dl i g a n d si n t h es y n t h e s i z e d11c o m p l e x e si nw h i c h9c o m p l e x e sa r eu n r e p o r t e da sf a ra sw ek n o w a n d7c o m p l e x e sw e r es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i z e db yx - r a yd i f f r a c t i o na n a l y s e s t h e c o m p l e x e s w e r ec h a r a c t e r z e d b ye l e m e n t a la n a l y s e s ，i r ， u v - v i sa n d v a r i a b l e t e m p e r a t u r em a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed i i r o n ( 1 l i ) c o r es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e sw e r es i m i l a rt ot h o s eo fn o n h e m ep r o t e i n s t h e c o r r e l a t i o nb e t w e e njv a l u e so ft h ea n t i f e r r o m a g n e t i cc o u p l i n gp a r a m e t e r sa n dt h e s t r u c t u r e so fd i i r o n ( 1 l i ) c o r ew a sd i s c u s s e dd e t a i l e d k i n e t i cs t u d i e so ft h e d e c o m p o s i t i o nr e a c t i o no f t w o d i n u c l e a rf e ( 1 i ) 0 2a d d u e t sa tl o wt e m p e r a t u r es h o w e d t h a tt h er e a c t i o nw a sf i r s t o r d e ri nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t h er e s u l t sw e r e s i m i l a rt ot h o s eo fo t h e rm e t a lc o m p l e x e sa n dn a t u r a le n z y m e ss u c ha sm e t h a n e m o n o o x y g e n a s e ( m m o h ) k e y w o r d s ：n o r t h e m ep r o t e i n ，d i i m nc o m p l e x e s ，c r y s t a ls t r u c t u r e ，m a g n e t i cp r o p e r t y , r e a c t i o nk i n e t i c s 2 南开人学博i j 论文 第一章 第一章绪论 生物体内的天然氧载体具有可逆载氧能力，能把从外界吸入体内的氧气运送 到备种组织，供细胞内进行维持生命所必需的各种氧化作用。按照蛋白质载氧的 活性部位的化学本质，可把天然氧载体分为三类：一是含血红素( h e i n e ) 辅基 的蛋自，如血红蛋白( h e m o g l o b i n ) 和肌红蛋白( m y o g l o b i n ) 二是不含血红素 的铁蛋白，如蚯蚓血红蛋白( h e m c r y t h r i n ，n r ) ；三是含铜的蛋白，如血蓝蛋白 ( b e m o c y a n i n ) i l 】。这些天然氧载体中的金属为铁和铜。含铁蛋白中( 血红蛋白 和非m 红蛋白) 的结构特征是：血红蛋白含有铁卟啉辅基，非血红蛋白不含铁卟 啉辅基。 在过去近二十年里，非血红素蛋白作为铁蛋白的一个新的子类受到了广泛关 注【2 卅，其中一些蛋白含有羧酸根桥联的双核铁中心，它们是蚯蚓血红蛋白 ( h e m e r y t h r i n ，h r ) f 5 j ，核糖核苷酸还原酶的r 2 蛋i 刍( r i b o n u e l e o t i d er e d u c t a s er 2 p r o t e i n r n rr 2 ) t “7 i ，甲烷单加氧酶的羟化酶组分( m e t h a n em o n o o x y g e n a s e h y d r o x y l a s ec o m p o n e n t ，m m o h ) i s - 1 0 l ，以及脂肪酸脱氢酶a9 d 】。 上述几种非血红素铁蛋白由于具有共同的结构特征和具有重要的生理功能， 已经成为生物化学和生物无机化学研究的热点1 1 3 1 。 笫一节非血红素蛋白概述 一蚯蚓血红蛋白( h r ) 蚯蚓血红蛋白是发现最早( 1 8 2 3 年) 且研究最多的一个蛋白【“j ，存在于星 虫纲类生物体的体腔液中，相对分子量为1 0 8 0 0 ，通常由8 个亚单位组成，每个 亚单位含有1 1 3 个氨基酸残基和两个配体桥联的铁离子，其主要生理功能是在低 等， ：物体内输送氧。脱氧蚯蚓血红蛋l 刍( d e o x y h r ) 能可逆地结合分子氧，生成氧 合蚯蚓血红蛋亡t ( o x y i - i r ) ，此过程中两个中心铁离子由+ 2 价变为+ 3 价。d e o x y h r 和o x y h r 的结构表明，其包含有( p - o h 或p - o ) 桥，也包含两个肛羧基桥，两 个铁离子由五个端基组氨酸配体配位。氧分子通过脱氧蚯蚓血红蛋白中空的第六 第一常南开大学博b 论文 个端基配体位置与f e ( i i ) 结合，这个过程中1 5 1 两个电子由亚铁传递到分子氧，从 而形成妒o 双核铁( n i ) 中心的端基过氧化物，端基的过氧根通过氢键与氧桥结 合i “l ，见图1 1 。这过程中结构没有发生大的变化，因此氧的结合是可逆的。 f 静肇啦妒咂 脏够叫艺鼬 哕鼬 h 丫， 。o d e o x y h e m e r y t h r i n o x y h e m c r y t h r i n 图1 1 脱氧蚯蚓血红蛋白( 左) 和氧合蚯蚓血红蛋白( 右) 中活性部位结构 脱氧蚯蚓血红蛋白中含有( u o h ) b i s ( p - r c o o ) f e 2 ( i i ) 中心，f e f e 距离为3 3 a 5 l ，两个亚铁中心是高自旋态f 1 4 1 并且具有反铁磁偶合作用( 、，值为 1 3 3 8 c m 。) 1 6 l ，这种双核亚铁中心结构及其性质已在合成出的化合物中发现 【1 7 8 1 。氧合蚯蚓血红蛋白含有( “0 ) b i s ( p - r c 0 0 ) f e 2 ( 1 1 1 ) 中心，其结构和 物理性质也在一些合成的化合物中发现【3 。9 】，该双核铁中心具有较短的f e p - o 键( 1 8a ) ，强烈反铁磁偶合( - j = 1 2 0e m ，席= z 西岛) 和较大的穆斯堡尔四极 矩分裂( 4 饧1 3 m m s ) 。出于羧基桥的存在使f e o f e 角度弯曲( 1 2 0 。1 3 0 。) 导致f e f e 距离变短( 3 2 a ) ，并呈现一系列典型的可见性质( ：1 0 0 1 0 0 0 m c m 。) 1 2 0 】，而在5 0 0 c m 。1 的拉曼振动则与弯曲的f 舡f e 单元 f f 关”。另外，脱氧蚯蚓血红蛋白在5 0 0 n m 附近具有强烈的吸收带，这个性质 与过氧根到f e ( 1 i d 的电子跃迁有关【2 2 1 。有趣的是，在d 2 0 中，对称的uf ，o f 。 ( 4 9 2c m 1 ) 红移了4c m 。1 【2 2 i ，这合理地解释了过氧根与氧桥间存在氢键从而导 致反铁磁偶合较弱( - , = - 7 7c m 1 ，o x y h r ) ，没有过氧根桥的m e t h r 具有强的反铁磁 偶合( = , 1 = 1 3 4 c m 。1 ) 1 2 3 1 。 通过自发的自组装反应模拟双核单元化合物的工作已经有许多。具有 f e 2 0 ( o a c ) 2 l 2 】核的化合物已经得到晶体学表征，如l = h b p z 3 2 4 】( 这是第一个具 4 南j f 人学博i 论义第一章 有【f e 2 0 ( o a c ) 2 】核的化合物，h b p z 3 表示三吡唑硼氢阴离子) ，l = t a c n 2 5 】( t a c n 表示1 ，4 ，7 - t r i a z a c y c l o n o n a n e ) ，l = m e 3 t a c n 1 7 8 i ( m e 3 t a c n 表示1 ，4 ， 7 - t r i m e t h y l - l ，4 ，7 - t r i a z a c y c l o n o n a n e ) f e 2 0 ( o a c ) 2 ( h b p z 3 ) 2 】在光谱和磁性方面与叠氮高铁h r 相似，其中氧桥可 以可逆地质子化而得到羟基桥联的双核铁衍生物： f f e 2 0 ( o a c ) 2 ( h b p z 3 ) 2 - - f c 2 ( o h ) ( o a o ) 2 ( h b p z 3 ) 2 】+ 棕绿色橙色 - j = 1 1 8c m 1- j = - 1 7c m l 氧桥的质子化使f e _ o 键长由1 7 8a 变为1 9 6a ，反铁磁偶合参数- ，显著 变小。 为了模拟脱氧h r ，用m e 3 t a c n 作端基配体与f e ( i i i ) 自组装，成功获得y f e 2 ( o h ) ( o a c ) 2 ( m e 3 t a c n ) 2 】+ ，该配合物在光谱和磁性止与脱氧h r 极为相似。 但遗憾的是两个f e ( i i ) 均为六配位，缺少0 2 的配位位置。如何获得具有 f e 2 ( 0 h ) ( 0 2 c r ) 2 】+ 或 f e 2 0 ( 0 2 c r ) 2 1 2 + 的核是h r 模拟研究中的主要方向，另外两个 铁离予中的一个应有三个端基n 配体，另一个有两个这样的配体，以便实现可 逆载氧i 拍i 。 一+ 各种形式的h r 的结构、磁性和光谱特征1 3 1 见表1 1 ，经穆斯堡尔谱和e p r 光谱“e 实，脱氧h r 含有两个高自旋的f e ( i i ) ，而氧合h r 中由于“o 的存在，使 两个高自旋的f g m ) 中心具有强的反铁磁相互作用。 表1 1 含双核铁中心的蛋白及其模型配合物的结构、磁性和光谱 讹- 尊 南开人学博：j ：论文 二甲烷单加氧酶( m m o h ) 有两种甲烷单加氧酶，含铜的膜结合酶和含非血红素铁的可溶酶口7 1 ( s m m o ) ，这里仅介绍后者。它由三部分组成，一是含双核铁和底物键合部位 的羟化酶( 2 5 0 k d a ) ，该部分蛋白研究得最多但其中的铁位置细节却了解得较少 1 1 2 l 。因为在3 5 0 n m 以上几乎没有吸收。磁性结果( 较低的，值) 表明，该蛋白 j 有o h 或o r 基团桥联的高自旋f e ( 1 1 1 ) ，但很可能不是氧基团。该部分蛋白具 有叔核铁中心的证据是m m o h 的适度还原所产生的f e i i i ) f c ( 1 i ) 产物的j 下交e p r 信号以及强烈还原时得到的f o ( i i ) f c ( i i ) 产物的整数自旋e p r ( g = 1 6 ) 信号， 这种g = 1 6 的信号成为m m o h 中f e ( i d 的方便探针 3 1 , 3 2 】，后来第一部分蛋白的 e x a f s 研究得到了f e f c 距离为3 4a f 8 一o l 。二是没有金属生色基团的小的 调节蛋白( 1 6 k d a ) ；三是还原酶，它从还原态的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( n a d h ) 接受电子并输送到组分a ，总催化反应为： n a d h + c h 4 + 0 2 + h + 一n a d + + c h 3 0 h + h 2 0 双核铁活性中心通过还原酶从n a d h 接受两个电子活化分子氧，m m o h 羟 化酶继分的晶体结构( 分辨率2 2 a ) 表明其活性部位与r 2 相似( 见图1 2 ) 。 弛“o 爹4 图1 2m m o h 的羟化酶组分活性中心结构 山rm m o h 具有重要的生物功能和仿生催化应用价值，故对其催化c h 4 转 化为c h 3 0 h 的反应机理进行了大量的研究，已经提出一种底物自由基机理( 见 图l t 3 ) 3 3 3 6 1 。例如，假定高价态的铁中间体从甲烷中结合一个h 原予产生了甲 j i r t 基。自旋捕获实验已经得到了甲基自由基的证据 a t i ，在核糖核苷酸还原酶 i ；i 开人学博i ? 论义第一章 蛋白b 2 中双核铁与0 2 及酪氨酰自由基的反应也有类似机理1 3 8 3 引。 f e i i i f e i ” f o i l f e i i 堕+ f o i i i f e 0 2 2 - - c h 3 0 h 瞄2 h + f e i f e i v o h + c h 3 c h 4 * * f e n i f e v = = o 圈1 3s - m m o 催化甲烷转化为甲醇的可能机理 注；上幽中省略了与f e f e 桥联的羟基缄烷氧基。 ：f e t u f e v ；o 可能与f e j 。f e ”- - - o 物种平衡， ：在接个过程中甲烷都可能与f e f e 相连。 首先，分子氧同还原型的m m o h 中的双核f e ( i i ) 反应，生成双核f e ( i i i ) 过氧 化物中问体p ，然后转变为中阃体q ，q 再与c h 4 反应生成c h 3 0 h 。p 和q 分 别为过氧化物桥联的双核f e ( 1 i i ) 和双核f e ( i v ) ( 或f e ( i i i ) f e ( v ) ) 物种，并在m m o h 的反成循坏中检测到4 叫，物种p 转化为q 的反应为一级反应，它直接导致 甲烷的羟基化阻4 3 1 。物种q 在3 3 0 a m 和4 3 0 r i m 有强烈的电子吸收特性( e 约为 5 r a m 。c m 。) ，穆斯堡尔谱证实两个铁离子是高价态，高场研究表明为抗磁基念， 表现为反铁磁偶合的双核铁中心，所有这些结果表明物种q 是双核f e ( i v ) 物种。 也钉研究者建议分子氧的键合模式为1 1 1 ，1 - p e r o x o 或“r i 2 n2 巾e r o x o f 4 3 4 4 j ： f e f e o o p - 1 ，2 - p e r o x o f 。彳、。 x p q 2 n2 p e r o x o 三核糖核苷酸还原酶( r n r1 1 2 ) 核糖核苷酸还原酶在d n a 的生物合成中是个关键性的酶。它催化核糖核 舒酸转变为脱氧核糖核苷酸。从e c o l i 得到的酶是由两个二聚的非等同的蛋白质 a 2 卢2 组成，分别称为蛋白r i 和蛋白r 2 。大的盯亚单位含有核苷酸键合部位以 及j 秆氧化还原活性的半胱氨酸。蛋白质r 2 含有双核铁活性中心，而且在双核 f 一 _ 。一 f _ 铺一常南开人学博i ：论文 铁中心附近含有一个酪氨酰自由基，这是已知的第一个含有一个稳定自由基的蛋 自质。在g = 2 0 0 4 7 处有一个e p r 信号，在4 1 0 h m 有尖锐吸收带。r 2 含有一个 牧核铁的可能性己由变温磁化率( - j - - - - 1 0 8 c m ，高自旋f e ( m ) ，强反铁磁偶合) 以及共振拉曼光谱( u 。f f 。- o _ f e ) = 4 9 2 c m ) 所证实。e x a f s 实验支持了铁的配位 环境类似于蚯蚓血红蛋白，但有较少的氨( 组氨酸) 配体，并有较短的f e o 键长( 1 8 a ) 和f e f e 距离( 3 2 a ) ，这可能意味着除了个u 一0 桥外还有其 它的桥，这些特征已被r 2 的三维结构( 分辨率为2 2a ) 证实( 见图1 4 ) 。 上”p 脚一0 0 7 - o o c 0 。 。 g l u t l 5 图1 4r n rr 2 蛋白中双核铁中心的配位环境 还原型和氧化型m e t r 2 的x 射线结构证实双核铁中心与h r 和m m o h 活性 部位卡及为相似，但有显著不同。虽然h r 和r 2 都含有一个氧羧酸根桥联 ( o x o c a r b o x y l a t o b r i d g e d ) 的双核铁中心，但h r 含有五个组氨酸配体，而r 2 i m 毖配体只有两个组氨酸残基，其余为羧酸根配体，因此r 2 的活性部位象 m m o h 羟化酶。但还原型r 2 活性中心中双核铁没有被o h 桥联，仅被两个羧酸 根桥联。当还原型r 2 氧化到m e t r 2 或氧化型r 2 时，谷氨酸- 2 3 8 ( g l u - 2 3 8 ) 由 原来的双齿桥联配体变为单齿端基配体。在r 2 蛋白中双核铁中心附近的酪氨酰 f | i | | j ( 黔1 2 ) 没有与高自旋f e ( 1 1 1 ) 发生自旋偶合作用，两个f e ( 1 1 1 ) 通过一个 超级变换途径( f c o f e ) 发生强的反铁磁偶合，这已由模型化合物所证实【4 5 l 。 往酶催化反应中，酪氨酰自由基起着关键作用。虽然有人建议双核铁中心对 产乍和稳定自由基是不可缺少的，认为r 2 中双核铁中心的功能是通过一个氧化 还蟓循环产生酪氨酰自由基，但双核铁中心的功能仍不十分清楚。r n rr 2 的氧 化还原研究表明，一旦酪氨酰自由基被还原，只能通过f e ( i o f e ( h ) 形式的物种和 0 2 反应再产生，被还原的蛋白r 2 作为t y r - 1 2 2 氧化的媒介( 见图1 5 ) 。已经证 南，f 人学博i ：论文第一章 明在生物体内存在一个可以产生还原态r 2 的氧化还原酶。 t y r - 1 2 2 t y r - 1 2 2t y r - 1 2 2 f e 叱f e - f e f e f e l l f e l l 匕：了贴 0 2 ( 通过自由基中间体) 图1 5r n r r 2 的氧化还原过程 对酪氨酸1 2 2 自由基产生机理的动力学研究发现了具有光谱特性的瞬时过 渡念物种u 和x ，物种u 在5 6 5 n m 处有最大吸收，物种x 在冷冻淬灭 ( f r e e z e q u e n c h ) e p r 中观察到。吸收光谱研究认为瞬时过渡态物种u 可能是一 个双核f e ( i i i ) 过氧化物物种，而x 则是一个f o ( i v ) f o ( i i d 物种，当x 把t y r - 1 2 2 氧化到t y r - 1 2 2 时，x 被还原为双核f e ( m ) 4 6 1 。 四脂肪酸脱氢酶a 9 d 、 由于氧化型9 d 对x 光的敏感性，目前还没有它的晶体结构表征1 。但较 大的穆斯堡尔四极矩分裂嗍和5 3 0 c m - 的”f f eom 性质【4 订表明a9 d o x 氧桥联的 双核f e ( i i i ) 是存在的。5 3 0 c m 1 的u f p o f c ) 性质与1 2 0 。的f e _ - 0 - - f e 角一致， 它比r n r r 2 。的f e e 角小1 0 。同时，初步e x a f s 数据表明在a 9 d o 。中 f e f e 距离为3 1 5 a ，也比r n rr 2 。的f c f e 距离短。基于这两个性质，人们 提出9 d o x 具有( u - o x o ) b i s ( p c a r b o x y l a t o ) 双核f e ( i i i ) 中心，在双核f e ( i o 氧化到 双核f e ( i i i ) 的过程中，9 d 可能并没有羧酸根的移动，这一点与r n rr 2 和 m m o h 不同【8 】。 五氧的活化机理 基于非血红素蛋白( r n r r 2 ，m m o h ，a 9 d ) 的活性中心的相似性，探讨 双核铁中心活化氧的一般机理是很有意义的3 & 钥，人们提出的一般机理如图1 6 所7 禾。 9 第一章南开人学博l ? 论文 少刚。 f 弋i l l 妈f 一1 l f 。上 f e | i l 一，o o 一舻 0 丫一p ? 。 f j 、v 、o 。，f e l v o v o | i v l m o h q 图1 , 6 非血红素蛋白中氧活化的可能机理 第一步是0 2 与双核亚铁中心结合。与脱氧蚯蚓血红蛋白一样，双核亚 铁单元提供两个电子还原0 2 ，产生双核铁( i i i ) 过氧化物物种，这个中间体再 转化为双核铁( ) 物种，或者基于单电子还原转化为铁( 1 1 1 ) 铁( ) 物种， 它能进行关键的底物氧化步骤。双核铁( i v ) 中间体影响m m o h 和9 d 的双 电子底物氧化，而铁( i i i ) 铁( ) 物种则完成r n rr 2 中t y r l 2 2 的单电子氧 化。上图中的中间体的结构是基于一些合成的实例与m m o h - p 在性质上的相似 而提出的，类似的与m m o h 的机理有关的结构也已有些报道弱圳1 ，但这些模 型只是一种模拟，对不同的酶应该进行修改。在特殊情况下的特殊中间体是不可 能观察到的，而核中心结构的变化则是可能的。 在0 2 与m m o h f e d 和r n r r 2 嘲反应时，这些可能的中间体已经由快速动力 学实验证实。在m m o h 的反应循环中，中间物种p 和q 已经表征 4 0 。3 , 6 2 。穆斯 堡尔谱证实两个铁中心位于类似的配位环境并且是反铁磁偶合的，另外 m m o h p 在6 0 0 7 0 0 n m 有一个可见吸收带，与过氧根一铁( 1 i d 的荷移跃迁有 关。 ( 1 阿开人学博i ? 论文第一章 m m o h p 以一级反应转化为q ，该物种直接导致甲烷的羟基化 4 3 础， m m o h q 与3 3 0 n m 和4 3 0 h m 的强烈电子吸收有关，穆斯堡尔谱表明两个铁离子 是高价念的并有极类似的配位环境。高场研究表明铁离子是抗磁基态的反铁磁偶 合中心这些结果都说明m m o h q 是双核铁( ) 物种。快速冷冻淬灭穆斯 凭尔和e x a f s 实验已经观察了m m o h q 的结构m 1 ，在包含中问体的样品中分 别在1 8 a 和2 5 a 观察到了每个铁离子的分散点。而在m m o h 耐和m m o h o 。的 谱中并不存在。这种短距离只有在至少两个单原子桥的紧密双核铁中心结构中才 j 能出现，例如 f e 2 0 x - o h ) 3 ( m e 3 t a c n ) 2 + ( 2 5 a ) 【6 4 1 m n 2 ( 肛o ) 2 0 t - 0 2 c c h 3 ) ( m e 3 t a c n ) 2 】2 + ( 2 6 a ) 1 6 5 j 。m m o h q 的一些可能结构已经被提出。但只有图 1 6 中的f e 2 0 t o ) 2 金刚石核首先在合成的双核高价铁配合物中发现。 m m o h q 与烷烃底物的反应也进行了研究烷烃羟基化机理认为，氧的重 新结合形成c - _ 勺键，然后氢原子被m m o h - q 从底物中去掉而形成烷基自由基。 与此机理一致的是，动力学同位素效应( k i e s ) 已经在m m o h 与甲烷的单翻转 反应中观察到，这表明c - _ h 键在跃迁态时被断裂惭l ，根据产物分析，分子内的 k i e 值较大( c h 2 d 2 为9 ) ，在c h 4 或c d ( 存在下，通过测定m m o h q 的衰变 丽得到分子问的k i e 值为5 1 0 0 。后者是生物学中观察到的最大的k i e 值，目 静还不十分清楚。烷基自由基的寿命已经通过利用手性底物和自由基时钟探针而 估算出，手性乙烷的氧化提供了醇产物并保留了一些立体化学特性f 6 7 8 j ，研究 表明烷基自由基的寿命极短 6 9 1 ，为l o 。1 3 秒级，相当于单键振动的时阃这些研 究提出了一个问题，烷基自由基是否真正参与到了m m o h 机理中并导致另一种 机理，在这种机理中，断裂的c i _ - h 键中的原予与m m o h = q 的高价中心作用从 而导致o 卜- h 键生成、c 卜- h 键断裂及c - - - o 键生成以一种协调的但不完全同步 的模式进行1 6 9 1 ，这有待于进步研究。 r n rr 2 的双核铁( i i i ) 中心与酪氨酰自由基的结合中产生的高价念中间体 已经鉴定出，称为x 【3 9 7 0 1 ，该中闯体以与酪氨酰自由基的寿命相当的速度衰变为 u o 双核铁( 1 i d 中心形式。中问体x 形式为f e ( i i i ) f o ( i v ) ，表现出一个各向同 性的8 - - i 2 的自旋e p r 信号( 昌_ 2 附近) ，该信号由于卯f e 而分裂并在结合反应 中被 0 2 加宽，这些结果与穆斯堡尔谱结果表明，未成对自旋肯定与双核铁中 心相关连【7 0 7 ”。 德一章 南开大学博j ：论文 在r n rr 2 x 中双核铁中心表示为f e ( i i i 卜一0 卜_ f e ( i i i ) 或f e ( i i i ) f e ( i v ) 成为 讨论的问题。前者已经证实，因为e p r 信号的各向同性似乎排除了各向异性的 f e ( i v ) 1 7 0 i ，但后者随后由于两个方面而得到承认：一是电子核予双共振( e n d o r ) 证明在r n rr 2 x 中的一个铁确实是各向异性的【7 2 】，二是合成出了真实的 f e ( i i i ) f e ( i v ) 化舍物，该化合物表现出类似各向同性的信号【硎。 实验表明，r n rr 2 x 中f 卜o 键长为1 8 a ，f e f e 距离为2 5a 1 7 4 1 ，这与 m m o h q 一样6 3 1 ，因此这两个中间体虽然氧化态不同但可能共用同一个双核铁 结构。 物种x 是r n rr 2 循环中详细表征的唯一中间体，另一个物种u 也在最初 的实验中观察到【3 9 - 7 5 1 ，有人建议u 是一个双核铁( i i i ) 过氧化物中间体1 3 9 l ，随 后又认为是一个色氨酸自由基f 7 酗，但还不清楚u 是否是一个催化组分的物种。 但在r n rr 2 删与0 2 的反应中发现的类似中间体p 的物种对此有了初步支持1 7 6 】， 如果能够证明这一点，那么将支持多羧基双核铁活性中心利用普通机理来活化 0 2 的设想。 r n rr 2 的氧化机理与m m o h 不同，它需要另外一个电子( 因为酪氨酸1 2 2 只能提供一个单电子) 。这个电子用来把物种p 转化为。已经证明，外部还原 剂( 如过量的f i i ) 或抗坏血酸) 能提供这个电子f 7 7 1 7 引。由于双核铁活性部位“埋” 在蛋白质表面以下l o a 处，因此需要一个长距离的电子传递途径来把这个电子 传给双核铁中心，包括许多氨基酸残基的这种途径已经在r 2 的晶体结构研究中 提出i ”l 。 由于r n rr 2 、m m o h 中双核铁活性部位的类似性，可以预计当催化机理 研究较成熟时，图1 , 6 提出的机理就可以扩展到脂肪酸脱氢酶9 d 以及芳烃羟 化酶中。 最近，在双核铁活性部位模拟分子氧活化的策略由q u el j r 小组提出【8 0 l ， 运用空间位阻较大的三联苯基羧酸盐及有关的苄基取代安息香酸盐来合成双核 铁化合物，并用光谱学和x 射线衍射分离和表征了氧化态中间体。 最新的文献( 2 0 0 3 年2 月) 提出了一种f e ( i i d 烷基过氧化物中间体引i 。在 修饰的n 芳基取代的羟基化中，该中间体经过0 卜_ o 键均裂而产生氧铁( ) ( o x o i r o n ( i v ) ) 物种。这种氧铁( ) ( 或f e ( ) f f i = o ) 物种已经在最新合成的 南开人学博i ：论文 第一章 含有非j f i l 红素大环配体的化合物中获得并通过光谱学表征1 8 2 】。高分辨率晶体结构 表明f e o 键长为1 6 4 6 ( 3 ) a ，表明f e ( ) ；o 单元可以在非卟啉配体环境中 存在。 第二节本论文的选题背景和主要研究内容 自从认识了h r 、m m o h 、r n rr 2 中双核铁活性部位的结构后，人们开始运 用化学手段模拟这些酶的活性中心，并通过x - 射线单晶解析、光谱和磁性来证 明活性中心的结构。 往这些酶的化学模拟中，主要研究双核铁中心的结构特性，一些酸根和氨基 酸被用作除氧桥之外的另个桥联配体p 螂j t p a ( t r i s ( 2 p y r i d y l m e t h y l ) a m i n e ) 近来较多地用作双核铁中心的端基配体惭l 。 本论文就是基于目前的研究热点，选用t p a 作为端基配体，进行了如下几方 俩的：【= 作： ( 1 ) 选用酸根和氨基酸作为桥联配体，合成新的双核铁配合物( 由于非血 红素蛋白的中心结构中端基及桥联配体主要为氨基酸基团，故选用氨基酸作为桥 联配体将更有意义) 来模拟非血素蛋白的双核铁中心结构 ( 2 ) 对新合成的配合物进行x 射线单晶解析、元素分析、波谱袭征及变温 磁化率测试，详细研究其结构和性质，并总结双核铁配合物的结构与性质的关系， 以期获得对非血红素蛋白的更加深入的认识 ( 3 ) 文献中对于双核铁配合物的铁铁间反铁磁偶合参数j 与结构的关系目 日i 存在不同的观点与争论，我们详细研究了此类配合物的，值，并根据实验结果 给出我们的看法。 ( 4 ) 对两个亚铁配合物进行分子氧加合物的分解动力学研究，为研究非血 红素蛋白酶中双核铁中心的载氧机理提供实验依据。 第一帝 南开人学博i j 论文 参考文献 1 川亮年，黄锦汪，莫庭焕等。生物无机化学导论( 第二版) ，广州：中山大学 舨社，2 0 0 1 2 w a l l a rb j ，l p s c o m bj d ，c h e m r e v ，19 9 6 ，9 6 ，2 6 2 5 【3 q u el ，j r , ，t r u ea e ，p r o g i n o r g c h e m ，1 9 9 0 ，3 8 ，9 7 【4 k u r t zd m ，j r j b i 0 1 n o r g c h e m ，19 9 7 ，2 ，15 9 【5 s t e n k a m pr 。e c h e m r e v ，1 9 9 4 ，9 4 ，7 1 5 6 n o r d l u n dp ，e k l u n dh ，m 0 1 b i 0 1 ，1 9 9 3 ，2 3 2 ，1 2 3 7 l o g a nd t ，s ux - d ，a b e r g a e ta 1 s t r u c t u r e ，1 9 9 6 ，4 ，1 0 5 3 【8 r o s e n z w e i ga c ，f r e d e r i c kc a ，l i p p a r ds j e ta 1 n a t u r e , 1 9 9 3 ，3 6 6 ，5 3 7 【9 r o s e n z w e i g a c 。n o r d l u n dp - ，t a k a h a r ap m e ta 1 c h e m b i o l ，1 9 9 5 ，2 ，4 0 9 f10 e l a n g on ，r a d h a k d s h n a mr ，f r o l a n dw a e ta 1 p o r t s c i ，1 9 9 7 ，6 ，5 5 6 【1 1 】l i n d q v i s t y ，h u a n gw ，s c h n e i d e r ge t a l e m b o z ，1 9 9 6 。1 5 ，4 0 8 1 1 2 w i l k i n sr g ，c h e m s o c r e v ，1 9 9 2 ，1 7 1 ( 1 3 阎世平。刘斌，程鹏。化学通报，1 9 9 8 ，6 ，6 1 4 c l a r kp e ，w e b bj b i o c h e m i s t r y ，1 9 8 1 ，2 0 ，4 6 2 8 1 5 m a r o n e ym j k u r t zd m j r ，n o c e kj m - e ta 1 a m c h e m s o c ，1 9 8 6 ，1 0 8 ， 6 8 7 l 1 6 r e c t or c 。m c c o r m i c kj m ，r i c h a r d s o nd e e ta 1 a m c h e m s o c ，1 9 8 9 ， 1 1 1 ，4 6 8 8 1 7 h a r t m a nj r ，r a r d i nr l ，c h a u d h u r ip e ta 1 za m c h e m s o c ，1 9 8 7 ，1 0 9 ， 7 3 8 7 1 8 c h a u d h u r i p w i e g h a r d t k a n g e w c h e m i n t e d e n 9 1 ，1 9 8 5 ，2 4 ，7 7 8 【19 k u r t zd m j r c h e m r e v ，1 9 9 0 ，9 0 ，5 8 5 2 0 g a r b e t tk d a m a l ld w ，k l o t zi m e ta 1 a r c h b i o c h e m b i o p h y s ，1 9 6 9 ，1 0 3 ， 4 1 9 2 1 r e e mr c s o l o m o ne i a m c h e m s o c ，1 9 8 7 ，1 0 9 ，1 2 1 6 2 2 s h i e m k ea k 。l o e h rt m ，s a n d e r s - l o e h rj za m c h e m s o c ，1 9 8 6 ，1 0 8 ， 4 i * f 人学博l ：论文 第一帝 2 4 3 7 【2 3 d a w s o nj w ，g r a yh b ，h o e n i gh e e ta 1 b i o c h e m i s t r y ，1 9 7 2 ，11 ，4 6 1 2 4 a r m s t r o n gw ：h ，s p o o la ，p a p a e f l h y m i o ugc e ta 1 za m c h e m s o c ，19 8 4 ， 1 0 6 ，3 6 5 3 。 【2 5 w i e g h a r d tk ，p o h lk ，g e b e r tw a n g e w c h e m i n t 蹦e n 9 1 ，1 9 8 3 ，2 2 ，7 2 7 【2 6 v i n c e n tj b ，o l i v i e r - l i l l e yg l e ta 1 c h e m r e v ，1 9 9 0 。9 0 ，1 4 4 7 【2 7 d a l t o nh ，s m i t hd d s ，p i l k i n g t o ns j f e m s m i c r o b i 0 1 r e v ，1 9 9 0 ，8 7 ，2 0 1 2 8 w o o d l a n dm p _ ，d a l t o nh b 矾c h e m ，1 9 8 4 ，2 5 9 ，5 3 2 9 f o xb g ，s u t m u sk k ，m f l n c ke e ta 1 zb i o lc h e m ，1 9 8 8 ，2 6 3 ，1 0 5 5 3 【3 0 d e w i t tj q ，b e n t s e nj g ，r o s e n z w e i g a c e ta 1 za m c h e m s o c ，1 9 9 1 ，1 1 3 ， 9 2 1 9 31 】f o xb g ，f r o l a n dw a ，d e g ej e ta 1 zb i o lc h e m ，1 9 8 9 ，2 6 4 ，1 0 0 2 3 【3 2 l e es - k ，n e s h e i mj c ，l i p s c o m bj d j ：b i d ：c h e m ，1 9 9 3 。2 6 8 ，2 1 5 6 9 3 3 d a l t o nh ，s m i t hd d s ，p i l k i n g t o ns j f e m s m i c r o b i o r e v , ，1 9 9 0 ，8 7 ，2 0 1 【3 4 d a l t o nh m e t h a n ea n dm e t h a n o lu t i l i z e r s n e wy o r k ：p l e n u mp r e s s ，1 9 9 2 ，8 5 3 5 g r e e nj ，d a l t o nh b i o lc h e m ，1 9 8 9 ，2 6 4 ，1 7 6 9 8 3 6 f o xb g ，b o m e m a nj g ，w a c k e t tl p e ta i b i o c h e m i s t r y , 1 9 9 0 ，2 9 ，6 4 1 9 【3 7 d e i g