Hemerythrin and It's Research Progress

Abstract The results of researches on hemerythrins for about 40 years study have been reviewed in this paper. Especially, the structure and characterization of the protein, the structure of the active center, the kinetic and thermodynamic studies on the uptaking and releasing for O₂ by hemerythrin, and it's mimic compounds are summarized in detail. Explanations for some experimental phenomena are given as well.
Key words hemerythrin, structure and characterization, kinetic and thermodynamic, mimic compounds
摘要 本文综合了近四十年来对蚯蚓血红蛋白的研究成果。尤其详述了蛋白的结构和特性、活性中心的结构、载氧和放氧反应的热力学与动力学，以及模拟研究。并对一些现象给予了解释。
关键词 蚯蚓血红蛋白 结构和特性 热力学与动力学 模拟化合物

苟兴龙 车云霞 申泮文
(南开大学化学系 天津 300071)

1 概述
    蚯蚓血红蛋白(hemerythrin)是唯一的天然非血红素载氧体。它是一种含铁的金属蛋白，存在于为数不多的无脊椎动物体内，如多毛类(polychaeta)、曳腮类(priapulida)、星虫类(sipunculia)和腕足类(brachiopda)等。并在这些动物体内担负着运送和贮存氧的重任^{[1, 2]}。本世纪五六十年代从星虫类phascolopsis gouldii体腔内分离得到蚯蚓血红蛋白，其结构和性质立即引起了化学工作者和生物学家的浓厚兴趣。随后又从其它无脊椎动物及多种组织中分离得到各种形式的蚯蚓血红蛋白，且不同物种、不同组织中其存在形式不完全相同^[2]。根据Fe的氧化态，含Fe^III的有高铁蚯蚓血红蛋白(methemerythrin)和氧合蚯蚓血红蛋白(oxyhemerythrin)；含Fe^II的有脱氧蚯蚓血红蛋白(deoxyhemerythrin)和蚯蚓肌血红蛋白(myohemerythrin)；也有一些以混合价态Fe(II, III)形式存在^{[2, 3]}。它们多以八聚体的形式存在于动物体内红细胞中(分子量为108,000)，由相似的八个亚单位组成。每个亚单位分子量为13,500—13,900，含有一个由m -O桥联的双核铁配合物^[4]。也存在其它低聚物形式，如单体、二聚体、三聚体、四聚体。蚯蚓肌红蛋白主要存在于肌肉组织中，它是单体蛋白。尽管它和八聚体的氧合反应速率、脱氧反应速率、平衡常数有时略有不同，氧合蚯蚓肌红蛋白较八聚体HrO₂更稳定^[6]，但是总体上来讲，其结构及功能与八聚体亚单位相似。单体蛋白、三聚体、八聚体蛋白的结构已经较为清楚，但二聚体，四聚体的结构尚不清楚。根据这些亚单位氧合反应时能否表现出协同性，将它们分为协同和不协同两大类。
    近40年的研究表明，尽管蚯蚓血红蛋白与哺乳动物体内的血红蛋白(hemoglobin)和肌红蛋白(myoglobin)一样能可逆载氧，但它在结构上与之有很大差别。其活性中心为m -O桥联的双核铁配合物，它与O₂结合时Fe : O₂=2 : 1。据结构和机理的研究，人们认为蚯蚓血红蛋白经过如下过程而完成载氧反应^{[2, 4]}。
   
        脱氧蚯蚓血红蛋白(无色)                            氧合蚯蚓血红蛋白(紫色)
2 蛋白的结构和特性
2.1 蛋白的结构
    除蚯蚓肌红蛋白为单体外，其余形式的蚯蚓血红蛋白都由聚合度不同的相似亚单位组成，因而研究亚单位的结构将有助于了解金属蛋白的结构和性质。人们已经用X-射线晶体衍射测得各种蚯蚓血红蛋白的三维结构^[2]，如图1。
   
        单体         三聚体           八聚体
        图1 蚯蚓血红蛋白的四级结构
    每个亚单位长400pm，宽200pm，高200pm。八聚体大约宽600pm，高200pm，具有D₄对称性。一个亚单位由四条a -螺旋多肽链折叠而成。这四条多肽链近乎平行，但实际上它们只有一小部分靠得很近，其余部分逐渐分开，形成一个楔形空腔。双核Fe配合物就是被多肽链中特定的氨基酸以一定方式配位而束缚于此空腔中，同时多肽链上的一些疏水性氨基酸残基包裹于其外，构成一个高度疏水环境。在脱氧蚯蚓血红蛋白中，此空腔周围还有一些疏水性氨基酸残基，如图2所示。这种结构使得Fe还可与外来配体如O₂配位，即载氧。在此载氧过程中蛋白的波动(fluctuation)有重要生理功能^[6]。
   
    图2 脱氧蚯蚓血红蛋白亚单位的结构
    大多数蚯蚓血红蛋白的氨基酸序列已经测出来了，如果此序列稍有变化就会改变亚单位之间的相互作用，也会改变寡聚体的结构。氨基酸序列与亚单位相互作用之间的关系以及不同形式寡聚体对蚯蚓血红蛋白的生理功能的影响尚不清楚。亚单位之间的相互作用也与蛋白别构现象及蛋白氧合反应的协同性有关。
2.2 蛋白的别构与协同性
    别构效应和协同载氧对血红蛋白与血蓝蛋白的生理功能有重大影响，但大多数蚯蚓血红蛋白无较大的别构效应和协同性。在一定pH值范围内，它们的热力学和动力学性质与pH值无关^{[2, 4, 6]}，由此表明活性中心附近不存在酸碱平衡。在随后讨论氧合蚯蚓血红蛋白的结构时知，当O₂与脱氧蚯蚓血红蛋白发生氧合反应后，质子化了的过氧基(HO₂^-)只与连接两个Fe离子的桥氧形成氢键，并通过疏水性配位环境得以保护，不存在酸碱平衡，因而与pH值无关。但是不尽然，有些蛋白能表现出协同性，这种行为与pH值有关，降低pH值(从7.6到7.0)导致协同性的迅速消失。如L.unguis中的Hr在pH=7.6时协同载氧，而pH=6.8时，不具有协同性，说明协同性依赖于特定的质子化过程。对于T.zostericola，非协同氧合反应与协同氧合反应速率明显不同，前者约为后者的10倍^[1]。这种反应性的差异被认为是两种状态别构异构体之间相互转变的速率较氧合反应速率慢得多的缘故。最近发现，虽然亚单位最初被认为相同，但在某些协同性蛋白中发现它们本质上不同^[7]。协同性的本质可能就是这些亚单位相互作用造成的。共振拉曼光谱研究别构效应时发现在协同体系中O-O的伸展频率随pH的变化而变化，而非协同性体系中无此现象，且Fe-O振动频率不随pH而改变^[8]。可以认为协同性反映了结合氧后的结构变化，据此假定协同载氧的模型如图3。
     在此模型中，质子化了的HO₂^-除了通过质子与m -O形成氢键外，过氧键还与蛋白质肽链的某一氨基酸形成氢键，而不是m -O中O与之形成氢键。因为后者将引起Fe-O伸展频率改变，它将与实验不符^[4]。此外，其它高氧化态形式如迭氮高铁蚯蚓血红蛋白不发生协同性，这种模型与其行为一致。氢键II的形成(如图3)将表现出对酸碱的依赖性。它的形成应该是很快的，但是肽链的变化却不都那么快，就会引起肽链的移动，从而引起亚单位的协同性变化。目前还无可靠实验证实此模型。
  
        图3 协同载氧模型
3 活性中心的结构
    双核铁中心直接参与氧合反应，是Hr具有载氧功能的活性部位^{[1, 9]}。近年来，各种光谱方法、磁化率实验和X-射线晶体衍射实验技术广泛用于研究蚯蚓血红蛋白中金属中心的结构，已测得各种形式Hr的金属配合物结构如图4^[2]。
   
        脱氧蚯蚓血红蛋白 氧合蚯蚓血红蛋白 高铁蚯蚓血红蛋白 叠氮高铁蚯蚓血红蛋白
    图4 各种蚯蚓血红蛋白的金属中心结构

        各种蚯蚓血红蛋白的金属中心都由一个双核Fe配合物组成，Fe与Fe间距为32.5—35pm，由多肽链的7个氨基酸残基与之配位结合。其中5个组氨酸的咪唑基以Î -N方式与Fe配位：3个组氨酸残基(在P.gouldii和T.dyscrita蚯蚓血红蛋白中为His 73、77、101)与一个Fe结合，另一个铁与余下两个组氨酸残基(25，54)结合，另外两个氨基酸残基(Glu 58，Asp 106)通过羧基氧与两个Fe螯合。此外，还有一个来自于水的氧以m -O桥联于两个Fe之间^[2]。在met-, azidomet-或oxy-蚯蚓血红蛋白中，此桥氧非质子化，且已为许多实验事实所证实。首先，三者的吸收光谱与含有m -O的类似配合物相似；其次，两个Fe反磁性，其偶合常数与类似配合物相似(oxyHr J= -77cm^-1, met-Hr J=-134cm^-1)³¹；再者，EXAFS和晶体衍射法测得的Fe-O键长与类似模型化合物相似。而脱氧蚯蚓血红蛋白中桥氧是质子化了的，其偶合常数为J= -15cm^-1，比上述三者小得多(见表1)，Fe-O键长更长，这是桥氧过渡到m -OH桥的必然结果。
    X-射线结构分析得知，在脱氧蚯蚓血红蛋白中，两个Fe^II被一个m -OH、两个羰基桥联，且两个Fe离子的配位环境不一样，一个Fe连有三个组氨酸残基形成六配位的八面体，另一个Fe只有两个组氨酸残基，因而形成五配位的三角双锥结构。它还留下一个空的配位位置，可以结合氧或其它底物。不仅两个Fe的配位数不一样，两个Fe到桥氧的距离也不一样(见表2)，所以该金属中心是非对称的。Mössbauer谱(见表1)证明两个Fe^II为高自旋态。高铁蚯蚓血红蛋白与脱氧蚯蚓血红蛋白的几何结构相似(见图4)，不同之处在于高铁蚯蚓血红蛋白的两个Fe均处于正三氧化态，其桥氧非质子化，其结构参数列于表2。此外，两者在一些性质上也有差异。例如高铁蚯蚓血红蛋白不与O₂反应，可与N₃^-、CNO^-等反应；脱氧蚯蚓血红蛋白能与O₂反应，其它单齿配体(除N₃^-、CNO^-、F^-外)均不能与之形成稳定化合物^[5]。

        当O₂与deoxyHr反应时，经过双电子转移机理Fe失去电子变成正三氧化态，O₂被还原成O₂^2-，并以端基配位方式与deoxyHr中只有五个配体的Fe结合，同时deoxyHr的m -OH质子转移到O₂^2-上使之质子化。此质子又与桥氧形成氢键，最终形成氧合蚯蚓血红蛋白(oxyHr)。氢键形成原因是，桥O与O-O的距离为28pm，正好在氢键形成的范围。Raman光谱也证实氢键的存在(见表1)。oxyHr中O₂^2-质子化也有一些有趣的生理功能，它可降低O₂^2-中O的p轨道电子密度，从而阻止了它与Fe的d轨道之间形成π键，有利于O₂的离解，实现可逆载氧。oxyHr的Mössbauer谱有两个不同的双峰，其同质异能位移d和四极矩分裂值△E_Q 列于表1。说明两个Fe(III)为反磁性。Raman光谱O-O的伸展频率n_O-O=844cm^-1，显示出过氧离子特征。oxyHr中HO₂^- →Fe^III的电荷转移跃迁在l=500nm处有一较强的可见吸收，e=2200M^-1cm^{-1 37}。此HO₂^-也可被N₃^-所取代形成叠氮高铁蚯蚓血红蛋白(azidomethemerythrin)。它们的结构相似(见图4)，结构参数列于表2。
4 载氧和脱氧反应的热力学与动力学研究
    温度跃升弛豫法、停流法、激光光解技术等已广泛用于蚯蚓血红蛋白的载氧和脱氧过程的热力学和动力学研究^{[2, 4, 6]}，以期获得更多有关它的结构，以及结构与功能之间关系的信息。近年来发现研究压力对蚯蚓血红蛋白的可逆载氧的影响，可以得到许多有价值的热力学和动力学参数，这些将有助于确定反应机理和解释一些重要实验事实^[11]。
    早期的工作指出蚯蚓血红蛋白的八聚体与单体的氧合反应可描述成一步反应：
   
    基于此， H. D. Projahn等在改变压力的情况下对蚯蚓血红蛋白可逆载氧反应进行了研究^[4]，其热力学和动力学数据如表3。

表3 的热力学和动力学参数

压力(MPa) 5 25 50 75 100 150 106 kon , M-1s-1 7.6 6.2 4.7 3.4 koff , s-1 40 26.1 15.7 9.1 6.9 105 Keq , M-1 9.7 2.2 4.9 8.2 △V¹on , cm3mol-1 +13.8± 0.8 △V¹off , cm3mol-1 +52.2± 0.7

         由计算出△V^¹_on及△V^¹_off一并列于上表，两者皆为正值，且后者比前者大得多，整个过程，如图5。
   
    图5 的体积变化关系
    血红蛋白的氧合反应也有类似情况^[13]，只不过前者所有体积参数大约是后者相应值的二倍。如果认为氧合反应仅仅是一个缔合过程，那么△V^¹_on应减小，而此处不然。如何解释这一结果呢？宏观上讲，该反应的k_on及k_off随压力升高而减小，所以由得到的△V^¹值均为正值。微观结构上如何理解呢？通常认为活化体积的变化由两大部分组成，一部分是由于键长、键角的变化引起的内在体积变化△V^¹_intri，另一部分由于过渡态溶剂化引起的体积变化△V^¹_solv 。纯缔合过程只考虑了△V^¹_intri，而没有考虑△V^¹_solv等外因。在研究血红蛋白的氧合过程时发现，O₂到达金属中心需经过多个中间步骤才能穿过蛋白基质到达活化中心。此过程涉及到去溶剂化及蛋白别构和蛋白呼吸运动(breathing motion)，这些都会导致体积增大。如果蚯蚓血红蛋白与此类似，那么体积是血红蛋白相应值的二倍，也可找到结构证据。因为Hr的金属中心到蛋白表面的距离为63pm，约是Mb中这一距离(38pm)的两倍。据此Hr的△V^¹_on为正值可解释为O₂的去溶剂化，蛋白别构等原因引起。当O₂到达金属中心与Fe结合后， Fe^II被氧化成Fe^III，O₂被还原为O₂^2-并质子化进一步与m -O形成氢键，这些都导致体积减小，所以整个过程体积减小，同理，放氧过程中H-O键、Fe-O键断裂，Fe^III被还原为Fe^II释放出O₂，这些将导致体积增大，即△V^¹_off为正值。如果考虑O₂的摩尔体积(28cm^3. mol^-1)，并由得得。可见HrO₂的结构比Hr更紧凑，这与X-射线结构分析的结果一致^[14]。
    上述实验得到了一些有益信息，如HrO₂的结构较Hr更紧凑，以及为解释实验现象而推测Hr可逆载氧可能经过多步。但到底至少需要经历多少步呢？Christopher等用激光光解技术对Themiste zostericola蚯蚓肌红蛋白作了动力学研究^[13]，其结果列于表4。

         放O₂的动力学参数表明Fe-O键的断裂为决速步。氘代实验表明Fe-O键断裂的同时H-O键断裂。但载氧过程的活化体积为正值，与缔合反应预期结果不符，且Fe-O键的形成过程△H^¹ » 0。这些说明决速步应在Fe-O键形成之前，并经历了多个中间步骤。图6表示出此反应至少需要的步骤。与微观可逆原理相反，此反应的决速步不一致，k_-3是放氧的决速步。k₂可能是载O₂的决速步^[6]。
   
    图6 载氧过程示意图
    根据计算得到的值为6.7×10³ M^-1，与文献值(2.5± 0.5)×10⁵M^-1相差甚远。也证实了此反应经历了多步平衡。由此说明，这类多步平衡由于缺少可行的实验技术，基于一步反应所求得的K_eq只能称为表观平衡常数。
5 模拟研究
    对蚯蚓血红蛋白可逆载氧的模拟研究，可以进一步认识金属活性中心的本性和金属蛋白的生物化学特性，以便阐明结构与性能的关系。近年来在这一方面开展了不少工作^{[15, 16, 17]}，但均不很成功。有一个含m -OH的双核Fe配合物[Fe₂(Me₃TACN)₂(OH)(OAC)₂]⁺能较好地模拟脱氧蚯蚓血红蛋白的一些结构和光谱性质，但是它的两个Fe已经配位饱和，缺少一个空的配位位置以供载氧。虽然氧化反应可以结合上氧，由于最终形成2[Fe₂(Me₃TACN)₂(O)(OAC)₂]⁺而不可逆。迄今为止，混合价[Fe^II Fe^III]模拟配合物罕见报道。实际上除了[Fe^II Fe^II]和[Fe^III Fe^III]状态的蚯蚓血红蛋白外，也存在混合价态[Fe^II Fe^III]蚯蚓血红蛋白。它既可以通过还原高铁蚯蚓血红蛋白而得到(semimet)_RHr，也可以通过氧化脱氧蚯蚓血红蛋白而得到(semimet)_Ohr。EXAFS和一些光谱方法研究指出它含有Fe^II(m -OH)Fe^III单元。溶液中的NMR实验表明两个Fe 的价电子定域化^[18]。Kurtz等假定这两种形式中仅仅由于配位环境不同而造成价电子定域^[17]，如图7。
   
    图7 假定的两种状态[Fe^IIFe^III]结构
   
    受此启发，为了模拟Hr中非对称的金属中心，Wakako kanda等用下述两个化合物作配体

分别与Fe(NO₃)₂^.9H₂O、(Na₂mpdp)和四苯硼酸钠反应，得到了相应混合价配合物^[3]，以1和2标记。以2为例，其分子式为[Fe^IIFe^IIIL²(H₂O)(mpdp)](Bph₄)₂^.2H₂O。测定其阳离子结构如图8所示。

	重要的键长(pm)及键角(° )： Fe1-F2 34.09, Fe1-O1 21.15(6), Fe1-O2 20.84(6), Fe1-O4 21.28, Fe1-O6 21.56(8), Fe1-N1 22.54(5), Fe1-N2 21.91(7), Fe2-O1 19.52(4), Fe2-O3 19.96(5), Fe2-O5 19.48(5), Fe2-N3 22.15, Fe2-N4 21.73(7), Fe2-N5 21.56(6), Fe1-O1-Fe2 113.9(2)
图8 [FeIIFeIII(H2O)(mpdp)]2+的结构

         两个Fe离子被一个m -O和两个来自mpdp的羧基桥连配位。Fe2还与一个叔胺氮和两个吡啶氮配位，Fe1除还与一个叔胺氮和一个吡啶氮相连外，还与来自H₂O的O配位。Fe与Fe的距离为34.09pm，与EXAFS测得的叠氮高铁蚯蚓血红蛋白接近(34.75pm)，也与其它两个m -羰基和一个m -酚基的双核Fe配合物相近。不仅两个Fe离子的配位环境不一样，而且它们到桥氧的距离也不同，Fe2-O1之间距离比Fe1-O1短1.6pm，所以Fe-O-Fe单元不对称。两个Fe离子的价电子也是定域化的，与N₃O₃相连的Fe为+III氧化态，而与N₂O₄相连的Fe1处于+II氧化态。与此相反，1所形成的化合物中与N₂O₄相连的Fe为+III氧化态，与N₃O₃相连的Fe处于+II氧化态。Mössbauer谱测定固态2，观察到两个四极矩分裂双峰，其归属如表5，类似于观察到的混合价高铁蚯蚓血红蛋白的值^[20]。

表5 固态化合物2的四极矩分裂双峰归属情况

FeIII (Fe2) FeII (Fe1) 同质异能位移mms-1 0.475 1.196 裂分值mms-1 0.329 2.657 相对面积 51% 49% 自旋态 高自旋 高自旋

        ¹HNMR对1和2进行研究支持上述看法，且表明两者的结构在溶液状态和固态相同。1与2中价电子定域化分别类似于(semimet)_RHr和(semimet)_OHr，充分证实了Kurtz等的假设。初步研究表明2中配位H₂O易被取代，它将对可逆载氧的研究是一个新的启示。
    从目前来看，虽然模拟研究进行了不少有益的探索，也得到了一些可贵的信息。但是由于一方面蚯蚓血红蛋白中金属中心周围疏水环境难以模拟出，另一方面，蛋白的四级结构的复杂性等诸多因素，使得模拟研究还不太成功，尚需进一步探索。
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苟兴龙 男, 29岁，四川师范学院化学系，现师从于申泮文教授攻读硕士学位，从事无机合成与材料化学研究。