血红蛋白中血红素氧合前后的结构变化探讨

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血红蛋白中血红素氧合前后的结构变化探讨

对血红蛋白可逆载氧的系统研究是生物无机化学领域的重要成果之一，其结构与功能的关系也

一直是相关教学关注的重点。在近一个世纪以来的研究中，人们对于血红蛋白的分子结构、载

氧机理与生物学功能都有了较为全面的认识; 但是对于其活性中心血红素在结合氧分子前后的

相关结构变化，目前仍然存在多种争议，其中包括: 血红素中心的亚铁离子在和氧分子结合的

过程中是否发生了电子转移?

氧分子与血红素铁是端配位还是侧配位? 在脱氧状态下是否有水分子占据第 6 个配位点? 本文

结合研究进展对这些争议进行总结分析，以期加深对血红蛋白结构功能的理解，辅助教学内

容，并对血红素类功能配合物的设计合成提供参考。

1 血红素的结构与功能

血红蛋白在高等动物体内起运载氧气的作用。血红蛋白［1］具有的四级结构为 4 个亚基构成

的异源四聚体 α2β2，其中每个蛋白亚基都结合一个血红素辅基，且将其包裹于蛋白侧链构成

的疏水核心( 图1) 。

脱氧状态的血红素分子由卟啉与亚铁离子配位形成。虽然不同血红素分子的卟啉环外衍生结构

不同，可以分为多种异构体，但其利用环上 4 个氮原子进行配位的方式是一致的。同时，蛋白

中87 位( α 亚基) 或92 位( β 亚基) 的组氨酸残基上的咪唑氮原子从卟啉环平面上方与亚铁离子

配位，构成第 5 配位点( 图2) 。

实验证明，在脱氧血红素中，亚铁离子半径较大( 92pm) ，不能嵌入卟啉环内，因而高出卟啉

环平面 60pm 。当氧分子配位后，中心铁离子半径缩小至 75pm 而进入卟啉环平面。在结合氧分

子过程中还伴随着中心铁离子的磁矩变化。在脱氧状态下，血红素铁呈现顺磁性; 而在氧合状

态下呈反磁性［1］。

对于血红素氧合前后铁离子半径和磁性变化的原因存在多种争议，其中血红素中心亚铁离子在

氧合过程中是否发生了电子转移是最重要的一个。穆斯堡尔谱( M?ssbauer spectroscopy) 只显示

中心铁离子与氧分子之间有强的共价作用，但是难以对铁离子的氧化态进行清楚的说明

［2］。另外，I Ｒ谱中观察到的 O—O 键的红外伸缩振动频率在数据与结论上都存在分歧

［3］，但是明确的一点是 O—O 键的键级为 1 ．5，与超氧负离子的键级相同［4］。Ｒ aman

光谱也提供了一些数据［5］。不过由于中心铁离子与氧分子配位前后的原子轨道、分子轨道

发生重组，光谱数据以及键级、键长、键角等数据自然会发生变化。在没有直接证据的情况

下，直接对比配位前后的相关性质和谱学数据，从而得出支持某种假设的结论是不够充分可靠

的［6］。

另外还有两个争议，一是与铁离子相结合的氧分子的配位方式，即是端配还是侧配; 二是脱氧

血红素中亚铁离子是 5 配位，还是有水分子配位形成 6 配位。人们提出了不同的氧合理论模

型，试图对以上争论进行解释。

2 理论模型研究

由于以上实验证据表明在脱氧血红蛋白转变为氧合血红蛋白过程中存在某些复杂的结构变化和

电子重排过程，人们对血红素中铁氧键合过程和结构提出了多种理论模型。

最早，Pauling 运用经典价键理论建立模型［7-9］对此过程进行说明: O2 以端配方式与亚铁离

子结合，其中一个氧原子的一对孤对电子与铁配位，未发生电子转移，亚铁离子由 5 配位高自

旋状态转变为 6 配位低自旋，因而半径缩小，由于电子配对，顺磁性转变为反磁性。血红素与

一氧化碳结合的产物具有相似的分子结构，可以说明血红素氧合后的配合物存在一种共振体，

因而亚铁-氧之间的键有部分双键性质( 图3a) 。

后来，Weiss 提出电子转移模型［10-11 ］，认为在血红素与双氧结合后，中心的亚铁离子

Fe( Ⅱ) 首先转移一个电子给O2 形成超氧负离子 O－2 ，自身变成半径较小的高铁离子 Fe( Ⅲ)

，然后超氧负离子与高铁离子配位。虽然低自旋的高铁离子有一个未成对电子，本身呈顺磁

性，但是与同样具有一个未成对电子的超氧负离子配位结合后，电子配对，各自的顺磁性消

失，整体显示抗磁性( 图3b) 。

除此之外，Griffith 还提出另外一个侧配氧合模型［12］。他通过对中心原子铁及氧分子的轨

道计算得出，其配位模式既不是垂直端配共振体，也不是倾斜端配共振体。结合自旋状态分

析，他认为 O2 是平行于卟啉- 铁配位平面进行配位的，即侧配氧合，利用亚铁离子空的d2sp3

杂化轨道和 O2 的π2p 轨道重叠形成 σ 键，而亚铁离子的 3dxz 原子轨道上的电子可以和 O2 的

π*2p 空轨道形成反馈π 键( 图3c) 。

综上，现在存在 3 种不同理论模型，下面对几个争议分别进行论述。

3 争议一: 氧合血红素中铁离子的氧化态问题

首先，对于结合双氧前后血红素中心亚铁离子氧化态的变化情况长期存在争议。

对公认的磁性与半径变化的事实，Pauling 理论解释为Fe( Ⅱ) 离子的电子自旋状态的改[]综上，

现在存在 3 种不同理论模型，下面对几个争议分别进行论述。3 争议一: 氧合血红素中铁离子

的氧化态问题.首先，对于结合双氧前后血红素中心亚铁离子氧化态的变化情况长期存在争议。

对公认的磁性与半径变化的事实，Pauling 理论解释为Fe( Ⅱ) 离子的电子自旋状态的改变，这

与键长、键角等数据也相符合［13］; Weiss 模型则认为铁( Ⅱ) 被氧化为铁( Ⅲ) ，而不仅仅是电

子自旋状态的变化。中心原子氧化态的升高必然伴随着半径的减小和磁性的改变。前文提到在

I Ｒ谱中观察到 O—O 键的红外伸缩振动频率对应着O—O 键的键级为 1 ．5，与超氧负离子的

键级相同［14］。此外，X 射线光电子能谱( X-ray photoelectron spectroscopy) 研究表明，中心

铁原子具有一个约为3 ．2 的氧化态［15］。Durham 等人［6 ］利用 X 射线吸收近边结构光谱

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摘要：

血红蛋白中血红素氧合前后的结构变化探讨对血红蛋白可逆载氧的系统研究是生物无机化学领域的重要成果之一，其结构与功能的关系也一直是相关教学关注的重点。在近一个世纪以来的研究中，人们对于血红蛋白的分子结构、载氧机理与生物学功能都有了较为全面的认识;但是对于其活性中心血红素在结合氧分子前后的相关结构变化，目前仍然存在多种争议，其中包括:血红素中心的亚铁离子在和氧分子结合的过程中是否发生了电子转移?氧分子与血红素铁是端配位还是侧配位?在脱氧状态下是否有水分子占据第6个配位点?本文结合研究进展对这些争议进行总结分析，以期加深对血红蛋白结构功能的理解，辅助教学内容，并对血红素类功能配合物的设计合成提供参考。...

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