紫外可见光谱在生物无机化学中的应用摘要综述了紫外可见光谱在生物无机化学各方面应用中的最新进展和独特之处,探讨了紫外可见光谱研究金属离子与生物分子相互作用的基本原理及所得主要信息。

关键词紫外可见光谱生物无机化学生物无机化学是近几十年来发展起来的一门新兴的边缘学科,它是无机化学(特别是配位化学) 、生物化学、医学临床化学、营养化学、环境科学等学科相互渗透、相互融合的产物,是近年来自然科学中十分活跃的一个领域,是在分子水平上研究生物金属与生物配体之间的相互作用,研究分析测定这些生物化合物结构和性能以及它们在活体中作用的一门学科。

生物无机化学发展迅速。

除了在金属蛋白和金属酶方面由铁、铜、锌⋯8943 .等扩大到诸如镍酶、钒酶、锰酶、钼酶、钨酶⋯8943 .以外,还从金属蛋白扩大到以非金属元素为活性元素的蛋白。

研究各种金属与生物配体相互作用的方法有电子吸收光谱、圆二色谱、红外光谱、核磁共振谱、X 射线衍射光谱、荧光光谱等。

在生物分子结构的研究中,很重要的目的是了解金属蛋白和金属酶。

金属蛋白和金属酶中仅含少量的金属离子,但它们起至关重要的作用,即它们及其配位环境往往就是生物分子的活性中心,因而测定金属离子及其微环境的结构是很有意义的。

金属蛋白和金属酶中金属离子的基态及最低激发态往往与它们所处的环境有直接的联系。

因此,金属蛋白和金属酶的电子吸收光谱研究是表征金属离子所处环境的主要手段。

本文对紫外可见光谱(电子吸收光谱) 在生物无机化学中的应用研究最新进展作了综述。

1 紫外可见光谱的基本原理所有的光谱都是由于粒子(原子、离子、自由基、分子、晶体等) 与电磁波以某种类型的相互作用产生的。

电子吸收光谱是由电子在一系列能级上跃迁产生的。

当电磁波的能量接近△E电子的能量时,可引起电子在各能级之间的跃迁并伴随分子的振动能级和转动能级的变化而产生的吸收光谱。

由于是电子跃迁所需的能量通常落在光谱的紫外、可见区,因而又称作紫外可见吸收光谱。

从本质上说,电子跃迁是原子或分子中变化的偶极矩与光波的电磁场相互作用产生的。

这种跃迁称作电偶极跃迁或磁偶极跃迁。

电磁波与样品瞬间偶极矩之间作用的大小,以电子跃迁矩来描写:式中μ是体系的偶极矩长时算符,Ψm 和Ψn 是跃迁的始态和终态波函数,星号表示复共轭,只有当跃迁矩不为零时,体系才能从电磁波吸收能量,跃迁强度正比于跃迁矩的平方。

电子跃迁是否产生吸收峰,受宇称选择和自旋选择定则的约束,宇称和自旋不允许的跃迁是禁阻的即μmn为零。

吸收峰的位置和电子跃迁的始态和终态有关。

故从配合物的电子吸收光谱可以得到许多有关结构和能级的信息,它可用于研究配合物的对称性、配位方式、配合物内部配位的几何大小及中心离子的能级分布和电子结构等。

生物配合物的电子吸收光谱可以明显地分为中心离子谱带和电荷转移谱带两个部分。

这两组谱带大体上以350 ～400 nm为界,在低能一侧(长波长) 主要是中心离子谱带(d - d ,f - f) ,在高能一侧(短波长) 的主要是电荷转移谱带。

这种光谱的特征与中心离子的电子组态和配位环境有关。

过渡金属离子吸收光能后可以产生d - d 跃迁,而镧系和锕系元素离子能产生f - f跃迁并得到相应的吸收光谱。

如Co ( Ⅱ) 具有相同的d7 电子组态,六配位八面体物种一般有三个跃迁 :4 T1g →4 T2g ,4 T1g →4A2 ,4 T1g →4 T1g ( P) 。

因配位环境的影响而出现高自旋的六配位和低自旋的六配位,高自旋六配位Co ( Ⅱ) 络合物一般观察到两个主要吸收。

一个谱带在8000～10000 cm- 1附近,ε为1～10 M- 1cm- 1 ;另一在20000 cm- 1附近,ε为5～20 M- 1cm- 1 。

低自旋六配位Co ( Ⅱ) 常发生John- Teller 畸变,畸变后络合物光谱常只能观察到一个分辨不良的宽谱带,对于四配位的Co ( Ⅱ) 络合物因配位环境的差别也有上述类似情形。

电荷转移跃迁的谱带位置与金属和生物配体的性质密切相关,根据电荷转移的方向可分为金属氧化谱带(M →L) 和金属还原谱带(L →M) 两类。

谱带位置和谱带强度是电子吸收光谱的重要参数。

电子吸收光谱多用于鉴别配合物构型和中心原子的配位环境,也用于研究溶液中的物种平衡和有关物种的氧化还原性等。

对于生物配合物电子吸收光谱的研究常用方法有 :动力学分光光度法、等吸收点的测定、差示光谱法、差光谱技术、导数光谱法、离子探针法等等。

动力学光谱法 ,通过观察样品的某一个物理量,如吸光度、logε随时间而变化的情况来研究反应的动力学性质。

一种方法是选定合适的波长后在此波长扫描样品随时间变化而发生的吸光度变化;另一种是用程度控制器或重复扫描装置在一波段范围内重复扫描或相隔一定时间重复扫描,以观察样品吸收光谱变化的情况。

从而得知反应过程是否进行或进行到何种程度的信息,即起到监测整个反应过程的作用。

生物体内的一些必需金属离子如Ca ( Ⅱ) ,Mg( Ⅱ) ,Zn ( Ⅱ) 等 ,由于它们属于闭壳层电子结构,在紫外可见区还没有找到适当的光信号,使得对它们在生物体内的成键性质以及输运过程等的研究受到限制,尤其是对它们在液体中的研究一直是较难解决的问题。

而离子探针这一实验技术就显示出它们对溶液状态中大分子构象和结构进行研究的优越性。

离子探针的使用应满足的第一个条件是所有使用的探针离子,必须与原(非过渡系) 生命金属具有相同或相近的化学行为(离子半径、结合行为、立体化学行为等) ,可以同型置换,这是离子探针的化学基础。

从生物学角度出发,离子探针应满足的第二个条件是离子探针的探针离子对原(非过渡系) 生命金属置换后,仍全部保留原有生物活性的条件,这是离子探针的生物学基础。

基于上述两个条件,用紫外可见光谱法研究Ca ( Ⅱ) ,Zn ( Ⅱ) ,Mg ( Ⅱ) 时,常使用的探针离子分别是La ( Ⅲ) ,Co ( Ⅱ) ,Ni ( Ⅱ)。

2 紫外可见光谱在生物无机化学中的应用2. 1 研究生物大分子的构象和构型通过电子吸收光谱研究蛋白质分子构象。

牛血清白蛋白(BSA) 水溶液在276 nm 和193 nm 有两个吸收峰。

前者主要是蛋白质中酪氨酸、色氨酸的光吸收,后者主要是由肽基团的吸收而产生的。

由紫外吸光谱的性质知,193 nm 附近的吸收峰是肽链α(螺旋和无规则卷曲构象的主要识别峰) ,而β(折迭构象型的吸收峰) 应在波长198 nm附近。

故可推测此BSA 溶液中没有β(折迭构象或极少) 。

研究金属蛋白和金属酶中金属离子配位环境的几何构型及其变化过程。

尿酶是一种Ni ( Ⅱ) 金属酶,在吸收光谱上可观察到407 nm、745 nm 和1060nm 三条谱带。

这些是尿酶中Ni ( Ⅱ) 的d - d 跃迁谱带,与Ni ( Ⅱ) 在八面体场中d - d 跃迁谱带相对应。

故可确定Ni ( Ⅱ) 在尿酶中所处的配位环境是八面体构型。

二价金属离子在生理pH 下,M( Ⅱ) :HSA(人血清白蛋白) 或BSA (牛血清白蛋白)摩尔比为1∶1体系的LMCT 谱带均由较低浓度时的三个峰转变为较高浓度的一个峰。

据光谱特征并结合分子轨道理论,可知此条件下配合物的金属中心均位于白蛋白分子的N - 端三肽段上,且均由较低浓度时五配位四方锥构型转变成较高浓度时的四方平面构型。

这说明金属离子在较高浓度时对称性较高,故吸收峰数目较少。

同时可用紫外可见光谱研究M( Ⅱ) 在HSA 和BSA 中由四方锥构型变为四方平面构型的过程。

Mo - Fe - S 簇合物有立方烷型和线型 ,由于立方烷型的Mo - Fe - S 紫外可见光谱缺乏特征性。

线型的吸收光谱均显示出若干个又窄又强的吸收带。

其中在400～500 nm 范围内有两个吸收带,这个值相当于[MoS4 ]2 离子中S →Mo 的电子跃迁能量。

即可利用紫外可见光谱鉴别Mo - Fe - S 簇合物的构型。

Bjarnason 等用Co2 + 离子取代HT - e 中的Zn2 + 离子,发现Co ( Ⅱ) HT - e 的UV 吸收光谱与Holo HT - e 几乎完全相同, 可见Co2 + 离子取代Zn2 + 离子后,酶的结构无变化。

Bjarnason 等又在可见光区内研究了Co ( Ⅱ) HT - e 的吸收光谱,有两个峰(505 nm ,600 nm) 和一个负峰(550 nm) 。

Bjarna2son 等发现这些结果很象其它的Co ( Ⅱ) 酶,这些Co( Ⅱ) 酶具有变形四面体的结构。

另外与已报道的三种类型配位结构(八面体,三角双锥,四面体) 的Co( Ⅱ) 配合物的可见光吸收光谱相比较,发现该谱峰的位置、分开情况和复杂情况与已报道的四面体配合物(与氧、氮配体) 的光谱相似。

因此可以推测Co( Ⅱ) 和Co ( Ⅱ) HT - e 中的配位结构很可能是变形四面体结构,进一步得出Zn ( Ⅱ) HT - e 中处于变形四面体环境。

2. 2 监测反应过程对Mo - fe - S 原子簇化合物成簇条件的研究中,考虑到NaOCH3/ FeCl3 (摩尔比) 配比对成簇的影响,在固定Mo/ Fe = 2 :1 (原子比) ,当NaOCH3/FeCl3 < 5 时, 体系很快产生黑色沉淀, 该沉淀在DMF 中溶解。

用光谱分析,在可见区无吸收,紫外区呈现DMF 峰,说明沉淀物不是Mo - Fe - S 簇合物,即在此条件下不能成簇合物。

当在NaOCH3/FeCl3 > 20 时,反应需很长时间后,光谱临测仅呈现原料峰, 即说明此条件下也不能成簇。

当6 <NaOCH3/ FeCl3 < 9 时,随该比值的增大,反应变慢,体系由鲜红色变为棕红色,无沉淀生成。

测其光谱,在可见区呈现不同于原料峰的新峰: 650 nm ,570 nm ,500 nm。

其中650 nm 和570 nm 被认为是Mo 的d →d 跃迁带,500 nm 为Fe 的d →d 跃迁带。

认为体系已经成为Mo - Fe - S 簇。

当11 <NaOCH3/ FeCl3 < 20 时,随该比值的增大,反应也变慢,体系由鲜红变为紫色,无沉淀物生成。

光谱测定在可见区有两个新峰,580 nm 和505 nm ,其中580nm 被认为是Mo 的d →d 跃迁带,505 nm 则被认为是Fe 的d →d 跃迁带。

可知体系生成了Mo - Fe -S 簇。

细胞色素c 是呼吸链的一个重要组成部分,位于细胞色素c1 和细胞色素a 之间,血红素辅基中的铁原子可交替地处于+ 3 或+ 2 价。

细胞色素c中铁氧化态的转化过程可用紫外可见光谱跟踪。

标准的还原型细胞色素c 吸收光谱在415 nm ,520 nm和550 nm 处出现三个吸收峰。