第十章生物无机化学研究中的物理方法

1、第十章 生物无机化学研究中的物理方法 10.1 时标评述 10.2 X射线方法 10.3 磁共振方法 10.4 穆斯鲍尔谱 10.5 电子光谱 为了在实验科学上取得进步，必须用恰当的方法来研究感兴趣的问题 不需要掌握每一方法的技术原理 对目前生物无机化学常用的物理方法综述 着重讨论各种物理方法如何影响生物无机化学的发展，以及生物无机化学又如何促进物理方法的改进 本章要讨论的是，在分子结构测定和电子结构表征方面，所应用的特定物理方法的优点和局限性 金属离子可作为一类生物功能基团，他们的电子性质和高电子密度使其特别适合用物理技术来研究，比如EXAFS（外延X射线吸收精细结构），穆斯鲍尔谱(Mssb

2、auer)，共振拉曼谱（Raman)谱，电子顺磁共振谱。 生物有机化学则很少使用这些方法。10.1 时标评述电子和磁学现象是大部分波谱技术的基础，波谱技术可用来监控生物中金属位置的化学反应性。各种形式波谱的共同之处都是用给定频率或频率范围的光辐照样品。光可被散射或被吸收，其强度明显变化是这些物理方法的基础，与光的波长相关联的光的频率可用来估算时标，化学现象能够借助时标，用给定的波谱方法来探测。技 术 时间电子衍射 10-20s中子衍射 10-18sX射线衍射 10-18sUV光谱 10-15s可见光谱 10-14s红外光谱 10-13sEPR谱 10-410-9sNMR 10-110-9sNQ

3、R 10-110-8s穆斯鲍尔谱 10-7s分子光束 10-6s实验分离异构体 102s 化学反应的速率类似车轮转动的速率，快门开关的速率和表中列出的时标类似 通常研究电子转移反应比研究原子转移的化学反应要求更快的方法。电子光谱就是这一快速方法。波长=500nm，频率310-15s的光，可以分辨飞秒时标范围的化学变化10.2 X射线方法10.2.a 单晶X射线射线衍射 通常把大分子晶体浸泡在金属配合物的溶液中，来制备具有电子密集原子或基团的衍生物。通用的标准试剂中含有单一的重原子，诸如铂、汞或金。当生物分子的尺寸增大以及复杂性增加时，就要求有足够量高电子密度的重原子衍生物，以便为同晶取代技术提

4、供足够的物相。例如：四（乙酰汞基）甲烷（TAMM)和二-碘二（乙二胺）合铂（PIP)可用来解析核小体的核心微粒结构。 X射线被吸收后，能激发元素1s（K吸收边）或2s、2p（L吸收边）的电子到空的定域轨道，对能量更高的X光子还能激发出连续光谱 通过检测X吸收边的能量，可确定待测金属离子的氧化态 相邻原子通过背散射对X射线吸收能量谱的调制，能获得广延X射线吸收精细结构（EXAFS)，从中可得出金属配位几何构型的细节 可研究非晶体甚至溶液10.2.b X射线吸收光谱 对小分子配合物用EXAFS和单晶X射线射线衍射两种方法研究比较可看出，对模型结构，拟合EXAFS数据得到的几何结构信息的可靠性达0.

5、01 最早应用EXAFS谱获得成功的是属铁硫蛋白的红氧还蛋白 金属生物高聚物的EXAFS测试结果，往往于对称位置最精确，即第一配位层内相对重的元素（Z14)的金属离子所处的位置 通过控制实验来确定，生物样品置于高强度X辐照下，样品的结构、生物活性、或化学性质都不变。然后在测试酶样品在溶液中的活性10.3磁共振方法 10.3.a 电子顺磁共振（EPR) 要求：样品具有未成对电子，对于研究金属蛋白是理想的 Cu(II)，Co(II)，Fe(II)，Mn(II)，Mn(III)，Mo(V) 以及Fe2O3+和Fe4S4+,3+金属原子簇。 EPR谱可用于诸如铁氧还蛋白等含铁蛋白的分离和纯化过程 对确

6、定电子结构，以及电子结构对配位层组成的和构型相关性很有价值10.3.b核磁共振（NMR） 对于大分子结构的测定更为有效，可以获得有关生物高分子及所结合的金属离子的三维结构的信息，可得到距离和扭转角 顺磁金属离子具有相当快的电子自旋驰豫时间，能够适于鉴别氨基酸侧链配体的位移NMR信号 无化学位移变幻的谱线宽化存在于Mn(II)和Gd(III)的配位环境中，当这些金属取代了金属蛋白中的Mg2+，Ca2+，Zn2+等反磁金属时，能够获得远处基团的信息 顺磁过渡金属离子引起的谱线宽化对确定水对金属酶活性位的亲和性也很有用 NMR对动力学研究也常常很有用10.4穆斯鲍尔谱 方法：从处于激发态能级的源元素

7、核中，发射出的-射线又被样品中的同一元素吸收。 研究生物无机化学中57Fe特别有意义。 同位素位移（，mm/s）中能获得有关金属氧化态和自旋态以及铁配体类型的某些信息 从结构的观点来看，最有用的是信号的四极分裂EQ，它显示出围绕金属中心电场的不对称性 对于生物体中的铁原子穆斯鲍尔谱可用于研究磁耦合现象 对于混合价态的物种可估算内部的电子转移反应速率。10.5电子光谱 金属配合物的电子光谱有三个主要来源： 1）内部配体的谱带； 2）仅仅与金属轨道有关的跃迁，如d-d跃迁光谱 3）金属和配体之间的电荷迁移光谱 指认金属的氧化态并根据反应来鉴别新近发现的体系的化学物种。10.6圆二色性（CD)和磁圆二色光谱（MCD) 圆二色性与左圆偏振光和右圆偏振光被光活性物质样品吸收的差值相关。 CD对检测和分辨电子跃迁很有用 CD是检测生物大分子二级结构的有力工具可从蛋白质的CD谱估算-螺旋，折叠以及其他结构的数量。另外，CD谱能够用于跟踪多肽中折叠-去折叠的转变，可用来检测核酸的二级结构 尽管只有手性分子有CD谱，但所有分子在磁场存在时都会显出CD谱，称为磁圆二色谱 对鉴定结合的配体提供有力的指纹特征。 实际的应用就是确认在细胞色素p-450和在氯过氧化物酶中，与血红素中心的低自旋铁配位的硫醇盐配体的存在。人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，