共振非弹性X射线散射测定氧合血红蛋白及其模型配合物的电子结构

DOI:10.1073/pnas.1815981116 期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences 出版年份:2019 更新时间:2026-01-09 18:43:02
摘要: 血红蛋白和肌红蛋白是具有S=0血红素{FeO₂}⁸活性位点的氧结合蛋白。这些活性位点的电子结构一直存在诸多争议。本研究采用铁K边X射线吸收光谱(XAS)和1s2p共振非弹性X射线散射(RIXS)技术,对氧合血红蛋白及相关的血红素{FeO₂}⁸模型化合物[(pfp)Fe(1-MeIm)(O₂)](pfp=中-四(α,α,α,α-o-叔丁酰氨基苯基)卟啉,即TpivPP;1-MeIm=1-甲基咪唑)(pfpO₂)进行研究——该模型化合物此前已通过L边XAS分析过。通过将pfpO₂与氧合血红蛋白的K边XAS和RIXS数据,与作为血红素参照物的低自旋Fe²⁺和Fe³⁺[Fe(tpp)(Im)₂]⁰/+(tpp=四苯基卟啉)化合物数据进行对比发现:X射线数据显示pfpO₂与Fe²⁺相似,而氧合血红蛋白在定性上与Fe³⁺相似但存在显著定量差异。密度泛函理论(DFT)计算表明,pfpO₂与氧合血红蛋白的差异源于远端组氨酸与O₂形成的氢键以及蛋白质中亲水性较弱的环境,这些因素导致更多反向键合至O₂。通过价键构型相互作用多重态模型分析RIXS数据表明:pfpO₂主要呈现Fe²⁺特性(含6-8%Fe³⁺特征),而氧合血红蛋白具有高度混合的波函数(含50-77%Fe³⁺特征及部分极化的Fe-O₂π键)。
作者: James J. Yan,Thomas Kroll,Michael L. Baker,Samuel A. Wilson,Richard Decréau,Marcus Lundberg,Dimosthenis Sokaras,Pieter Glatzel,Britt Hedman,Keith O. Hodgson,Edward I. Solomon
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利用X射线光谱法测定氧合血红蛋白及其模型化合物中血红素氧铁中心的电子结构,以解决生物无机化学领域长期存在的争议,并理解蛋白质与模型化合物之间的差异。

1s2p RIXS数据的VBCI建模显示,氧合血红蛋白(HbO2)是具有50-77%三价铁特性的极性混合FeII/FeIII体系,而过氧蛋白(pfpO2)则以二价铁为主(含6-8%三价铁特性)。这种差异源于HbO2中远端组氨酸H键作用及较亲水的蛋白质环境导致其与O2形成更强的π反键作用。该研究平息了关于氧合血红蛋白电子结构的争议,并为后续电子结构研究提供了实验依据。

铁L边X射线吸收谱需要超高真空环境,这限制了对蛋白质或溶液样品的测量。密度泛函理论对氧合铁位点的描述效果不佳,因为该方法是单行列式方法,在数据表明具有更多亚铁特性的情况下却给出了三价铁的描述。这项研究凸显了采用完全活性空间自洽场等多参考态方法以更好匹配实验数据的必要性。

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