細胞色素c綜述

2023年12月8日發(作者：周年慶活動主題)

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綜述

細胞色素c (cyt-c)是生命體中一種重要的水溶性氧化還原血紅蛋白，整個分子由一條肽鏈包裹著一個血紅素(中心卟啉鐵)組成，廣泛存在于原核生物和真核生物細胞的線粒體內膜上，是生命體內氧化還原反應電子傳遞中的一個環節。近年來，以cyt-c為代表的氧化還原蛋白質和酶的直接電化學研究引起了很多研究者的興趣，這些研究不僅能獲得其內在的熱力學和動力學性質的重要信息，而且還可以促進電極物質與具有高催化和傳感性的生物大分子結合，這對于了解生命體內的物質代謝和能量轉換，了解生物分子的結構和各種物理化學性質、探索其在生命體內的生理作用及作用機制、開發新型生物傳感器等都有重要意義。然而許多在生物體內具有氧化還原性質的蛋白質在金屬電極上的電化學反應是十分不可逆的，所以人們更加關注生物大分子在電極上的直接電化學反應。由于cyt-c分子較小，對其結構己了解得比較清楚，因此，對cyt-c的直接電化學研究進行得最早，有關的報道較多。

1.1 cyt-c的結構

cyt-c分子的形狀近似于球形，直徑約為34 ?，其外表面分布著許多帶電的氨基酸殘基，使得其在中性條件pH下帶有九個凈正電荷，而且cyt-c分子表面電荷的分布是不均勻的，靠近血紅素裂隙的一側分布著一系列賴氨酸殘基，帶正電荷，而遠離血紅素裂隙的一側帶有負電荷，這種表面電荷的非均勻分布對cyt-c分子與電極表面或其它分子之間的電子傳遞具有重要的影響。根據血紅素鐵的價態不同，可將cyt-c分為氧化性cyt-c和還原性cyt-c，其中血紅素側鏈和蛋白質之間是以共價鍵結合，不同來源cyt-c的蛋白質部分略有不同。cyt-c是生物氧化的一個非常重要的電子傳遞體。還原型參與接收自氫脫下的質子，氧化型參與傳遞電子給氧，從而促進氫和氧的結合，加強體內代謝物質的氧化供能反應。其結構為：

Cyt-c結構

Cyt-c的平面結構圖

1.2 cyt-c在電極上的電化學反應

為了揭示cyt-c在生物體內可逆的電子傳遞反應的實質，人們模擬其在生物體內的微環境，開展了cyt-c直接電化學的研究。

(l) cyt-c在金屬電極上的電化學反應

雖然cyt-c在生物體內能進行可逆的電子傳遞反應，但其在金屬，如Hg、Pt、Au、Ag等電極上的電化學反應卻是不可逆的。一般認為這是由于cyt-c在金屬電極上發生強烈吸附使cyt-c變性，而變性的cyt-c的電化學反應是不可逆的[1,2]。Hawkridge等[3]認為經過冷凍干燥后的cyt-c中存在部分cyt-c的低聚物。這些低聚物易在電極表面吸附。因而阻礙了電極與cyt-c分子之間的電子傳遞。

(2) cyt-c在媒介體修飾電極上的電化學反應

為了克服上述困難，一些研究組開始考察細胞色素c在媒介體存在下的間接電化學反應。媒介體是一種能加速細胞色素c氧化還原反應的物質，但其身在所研究電位范圍內也發生電化學反應，如甲基紫精、黃素腺嘌呤二核甘酸等。顯然，媒介體的存在對研究cyt-c的電化學反應會產生不利影響。

(3) cyt-c在促進劑修飾電極上的電化學反應

Hill小組[2]發現在4，4’一聯吡啶存在下，cyt-c在金表面也能發生準可逆的氧化還原反應。與媒介體不同，4，4’一聯吡啶在所研究的電位范圍內不發生任何電化學響應，故被稱為cyt-c的電化學反應的促進劑。這一發現使細胞色素的電化學研究得到了迅速發展，此后許多促進劑被相繼發現。如董紹俊研究組[4]系統地研究了細胞色素c在多種氨基酸和多肽修飾電極上的電化學反應，吳霞琴研究了腺嘌呤的促進作用。此外，無機物、有機物、聚合物等對細胞色素c的電化學反應也有促進作用。

(4) cyt-c在金屬氧化物電極上的直接電化學反應

除了促進劑外，因金屬氧化物表面具有含氧基團，其表面過剩電荷為負，有利于帶正電荷的cyt-c在其電極表面的直接電子轉移。Yeh和Kuwana [5]首次報道了cyt-c在摻雜氧化銦半導體電極上的直接電化學。循環伏安法和示差脈沖伏安法實驗結果表明，出計算的擴散系數外，cyt-c在該電極上的所有電化學特征均表明電極反應時準可逆的。

其他金屬氧化物如氧化錫[6]、氧化銦[7]、氧化釕[8]、氧化銥電極上[9]，cyt-c亦呈現準可逆的電子轉移。但是cyt-c在金屬氧化物電極上的電化學行為，除了與cyt-c的純化有關外，還與電極表面的過剩電荷密度有關，電極表面過剩電荷密度的符號和大小取決于溶液的pH值、特性離子吸附、摻雜含量、表面狀態和相對于平帶電位(Efb)的電位。

1.3 cyt-c的電子傳遞模型

到目前為止，雖然人們對于cyt-c在金屬電極上的不可逆的電化學行為和在促進劑修飾電極上能進行準可逆的電化學反應機理還不十分清楚，但已提出了一些模型來解釋上述的現象。

1.3.1 Hill快速洗脫附模型

Albery等人[10]采用旋轉圓盤、環盤技術研究了cyt-c在4，4’一聯吡啶修飾金電極上的氧化還原反應特征，認為cyt-c在4，4’一聯吡啶修飾金電極上的反應經歷反應物和產物在電極表面的快速吸附和脫附過程。并運用促進劑“X-Y”結構模型提出了cyt-c在4，4’一聯吡啶存在下的電化學反應機理。

1.3.2 Niki不可逆吸附模型

Niki等[11]采用交流阻抗法、紫外可見反射法、紅外反射法研究了兒種4-吡啶基衍生物促進劑在cyt-c傳遞中的作用，提出了至少存在的三種吸附類型:

第一種類型：cyt-c的吸附能力強于促進劑，當二者共存于溶液中時，cyt-c優先吸附于金屬電極表面。如果將促進劑預先吸附于電極表面，在cyt-c的溶液中會很容易被cyt-c所取代。

第二種類型：cyt-c的吸附能力與促進劑相當，兩者產生競爭吸附，故存在兩種吸附形式的cyt-c，有的直接吸附于電極表面，而有的則吸附于電極表面的促進劑分子上。因此，發生兩種類型的氧化還原反應：一是共吸附于金電極上的cyt-c，一是吸附于促進劑上的cyt-c。由于共吸附cyt-c與促進劑間的相互作用，共吸附cyt-c在電極表面的變形程度遠小于在裸電極上的變形程度。

第三種類型：促進劑的吸附能力強于cyt-c，能強烈地吸附于電極表面，cyt-c吸附或鍵合于這些促進劑分子上，保持其自然形態并發生電子轉移。

2 論文設想

如上所述，cyt-c是一種結構簡單，容易提取并在體內具有重要生理作用的氧化還原蛋白質。研究其在生物體內直接的電子轉移并拓展其在分析化學上的應用，仍是一個極富挑戰而有意義的工作。在進行系統文獻調研的基礎之上，我們選擇了研究cyt-c直接電化學行為和拓展其在分析化學上應用的研究目標，進行了較系統的基礎研究工作。首先，用PFV研究cyt-c在EPPGE上耦合的質子傳遞。其次，分別用海藻酸鈉和瓊脂糖水凝膠將cyt-c固定在電極表面，研究cyt-c的直接電化學行為，并研究hydrogel

-cyt-c/EPPGE電極對O2的還原作用，有可能發展成為一種溶解氧的生物傳感器。最后研究了cyt-c在離子液體中的電化學行為，對cyt-c在不同電極不同離子液體中進行了系統的研究總結，并研究了其催化性能。

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朱毅民, 碩士論文, 長春, 中國科學院長春應用化學研究所, 1989

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