第十章生物无机化学中的物理方法介绍.ppt

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(M?ssbauer)，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 ? ≈10-18s X射线衍射 ? ≈10-18s UV光谱 ? ≈10-15s 可见光谱 ? ≈10-14s 红外光谱 ? ≈10-13s EPR谱 ? ≈10-4~10-9s NMR ? ≈10-1~10-9s NQR ? ≈10-1~10-8s 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λ=500nm，频率≈3?10-15s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供足够的物相。例如：四（乙酰汞基）甲烷（TAMM)和二-μ-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±0.01? 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{Fe2O}3+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核中，发射出的γ-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（δ，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