第十章生物无机化学研究中的物理方法
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• 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) ，
• 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
• 可研究非晶体甚至溶液
• 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 ±0.01Å
• 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 （Z>14)的金属离子所处的位置
10.6圆二色性（CD)和磁圆二色光 谱（MCD)
• 圆二色性与左圆偏振光和右圆偏振光被光活 性物质样品吸收的差值相关。
• CD对检测和分辨电子跃迁很有用 • CD是检测生物大分子二级结构的有力工具可
从蛋白质的CD谱估算-螺旋，折叠以及其 他结构的数量。另外，CD谱能够用于跟踪多 肽中折叠-去折叠的转变，可用来检测核酸的 二级结构
• 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 (Mössbauer)，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。
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
• 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。
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
• 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
技术 电子衍射 中子衍射 X射线衍射 UV光谱 可见光谱 红外光谱 EPR谱 NMR NQR 穆斯鲍尔谱 分子光束 实验分离异构体
时间 ≈10-20s ≈10-18s ≈10-18s ≈10-15s ≈10-14s ≈10-13s ≈10-4~10-9s ≈10-1~10-9s ≈10-1~10-8s ≈10-7s ≈10-6s >102s
• 尽管只有手性分子有CD谱，但所有分子 在磁场存在时都会显出CD谱，称为磁圆 二色谱
• 对鉴定结合的配体提供有力的指纹特征。
• 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些信息
• 从结构的观点来看，最有用的是信号的四极 分裂ΔEQ，它显示出围绕金属中心电场的不 对称性
• 对于生物体中的铁原子穆斯鲍尔谱可用 于研究磁耦合现象
• 对于混合价态的物种可估算内部的电子 转移反应速率。
10.5电子光谱
• 金属配合物的电子光谱有三个主要来来自百度文库： 1）内部配体的谱带； 2）仅仅与金属轨道有关的跃迁，如d-d跃迁 光谱 3）金属和配体之间的电荷迁移光谱
• 指认金属的氧化态并根据反应来鉴别新近发 现的体系的化学物种。
10.2.b X射线吸收光谱
• 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
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) ，
• 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
• 可研究非晶体甚至溶液
• 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 ±0.01Å
• 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 （Z>14)的金属离子所处的位置
10.6圆二色性（CD)和磁圆二色光 谱（MCD)
• 圆二色性与左圆偏振光和右圆偏振光被光活 性物质样品吸收的差值相关。
• CD对检测和分辨电子跃迁很有用 • CD是检测生物大分子二级结构的有力工具可
从蛋白质的CD谱估算-螺旋，折叠以及其 他结构的数量。另外，CD谱能够用于跟踪多 肽中折叠-去折叠的转变，可用来检测核酸的 二级结构
• 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 (Mössbauer)，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。
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
• 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。
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
• 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
技术 电子衍射 中子衍射 X射线衍射 UV光谱 可见光谱 红外光谱 EPR谱 NMR NQR 穆斯鲍尔谱 分子光束 实验分离异构体
时间 ≈10-20s ≈10-18s ≈10-18s ≈10-15s ≈10-14s ≈10-13s ≈10-4~10-9s ≈10-1~10-9s ≈10-1~10-8s ≈10-7s ≈10-6s >102s
• 尽管只有手性分子有CD谱，但所有分子 在磁场存在时都会显出CD谱，称为磁圆 二色谱
• 对鉴定结合的配体提供有力的指纹特征。
• 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些信息
• 从结构的观点来看，最有用的是信号的四极 分裂ΔEQ，它显示出围绕金属中心电场的不 对称性
• 对于生物体中的铁原子穆斯鲍尔谱可用 于研究磁耦合现象
• 对于混合价态的物种可估算内部的电子 转移反应速率。
10.5电子光谱
• 金属配合物的电子光谱有三个主要来来自百度文库： 1）内部配体的谱带； 2）仅仅与金属轨道有关的跃迁，如d-d跃迁 光谱 3）金属和配体之间的电荷迁移光谱
• 指认金属的氧化态并根据反应来鉴别新近发 现的体系的化学物种。
10.2.b X射线吸收光谱
• 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