光诱导血红素类蛋白氧化还原及机理研究

Oxidation/reduction reaction plays a crucial role during the process of oxygen transport and storage of hemoproteins in vivo. We discovered ultraviolet-visible light of specific wavelength would be absorbed by the heme moiety of hemoproteins (e.g. myoglobin and hemoglobin) and thus induce oxidation and reduction reactions of the heme. This effect is similar to those upon chlorophyll. In addition, different gas molecules (e.g. CO, NO) would promote the photo oxidation and reduction process in varying degrees whlile light of different wavelengths lead to various results. The special structures of the ferric/ferrous ion, conjugate porphyrin ring and the coordination of protein-iron-prophyrin in the hemoproteins resulted the complicated electron transference and energy transference of these hemoproteins.In this program, with the special spectroscopic methods established in our lab, we would delve into 4-5 hemoproteins and 3-4 myoglobin mutants to make a comprehensive research of photo oxidation/reduction of hemoproteins and gain a great understanding of the influence conditions such as temperature, gas atmosphere and atmospheric pressure. The theory calculcation would also be applied to reveal the Soret absorption peak, split of energy level characteristics and their relationships with the energy of lights absorbed, and to illuminate the mechanisms of energy absorbance, electron transference, and energy transference of light-irritated iron-prophyrin. The facile approaches of photo-irritation and spectroscopic detection of hemoproteins are implemented under the physiological conditions and all of them have a great potential in medical science and meat preservation fields.

氧化还原对生物体内血红素蛋白的输氧、储氧等过程起着至关重要的作用。本实验室研究发现，与叶绿素类似，血红素类蛋白（肌红蛋白、血红蛋白等）内血红素能够吸收特定波长的紫外可见光，并在光诱导下发生氧化还原反应；不同波长的光诱导结果不同，且不同气体分子（CO、NO等）的协助作用亦有差异。这类蛋白含有铁、共轭卟啉环、铁卟啉与蛋白配位结构等导致其电子转移与能量转移情况复杂。本项目拟采用已建立的光谱学方法，选取的4-5种血红素类蛋白与3-4种肌红蛋白及其突变体，对确定特定波长的光诱导血红素类蛋白的氧化还原反应进行综合研究，考察温度、气体氛围、气压等条件对光诱导激发的影响；采用理论计算研究含血红素类蛋白Soret特征吸收峰及能级分裂情况，进一步阐释光激发下铁卟啉能量吸收、电子转移及能量转移机理。本项目中光照射血红素类蛋白及谱学检测方法均在模拟生理条件下进行，可行性强，在医学和肉类保鲜领域具有广阔的应用前景。

氧化还原对生物体内血红素类蛋白的输氧、储氧、电子传递等过程起着至关重要的作用。血红素辅基具有特殊的共轭和金属配位结构，可吸收特定波长的光，改变血红素电子激发态，并进一步影响蛋白功能。本课题采用紫外-可见吸收光谱、激光闪光解光谱、荧光光谱和圆二色光谱法系统地研究了光诱导铁卟啉蛋白的氧化还原过程及其机理。研究结果具有重要的理论意义，在生理学和医学领域也具有广阔的应用前景。本课题完成的主要研究内容及主要数据如下：.本课题对光诱导氧合型肌红蛋白的氧化反应进行研究时发现紫外光光照促进O2解离，MbFe(II)可被氧化至MbFe(III)；通入CO气体时氧合肌红蛋白较难发生光照氧化反应，即Fe的第六配位强度影响反应程度；溶液中的H+或OH-对光照氧化反应有促进作用；苯丙氨酸(Phenylalanine, Phe)、酪氨酸(Tyrosine,Tyr)、色氨酸(Tryptophan,Trp)等游离氨基酸可一定程度促进光照氧化反应的进行。同时研究了不同温度下金属离子对Mb(K56D)的猝灭情况，确定其猝灭机制。.研究了不同态的Cyt c与proliNO/NO(proliNONOate)之间的配位反应机制时发现在没有加入其它物质的条件下Cyt c能够直接与proliNO/NO所产生的NO反应。Cyt c中血红素(Heme)上的甲硫氨酸(Met)离开，同时与proliNO/NO产生的NO结合，生成新的配合物细胞色素C配合物(Cyt c-NO)。Cyt c与NO相互作用时，无论是高铁还是亚铁状态，反应产物都是细胞色素C配合物(Cyt c-NO)，Fe-S断裂，Fe-N间形成新的配位键，NO气体可以直接与Cyt c反应，生成的配合物比供体药物稳定。.采用密度泛函理论B3LYP/6-31+G(d)水平上研究了四种金属与自由卟啉及氮混杂卟啉配位的分子几何结构及分子轨道能级。TDDFT方法计算了个分子在不同条件下的电子吸收光谱。与金属配位的FB具有D4h对称性， HOMO-LUMO轨道能级差大约在3.0eV左右，在Soret出现较强的吸收峰。由于C/N原子位置的改变，前线轨道能级差减小至2.6eV，而M-NCP则更低为2.3eV，二者的分子轨道能级均发生分裂，Soret带出现多个电子吸收谱峰，Q带也出现吸收峰。溶剂条件下三者与金属配位的电子吸收光谱随溶剂极性减弱光谱发生红移，并且吸收峰强度增强。