紫外可见光谱在生物无机化学中的应用

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