TL; DR: Se ei ole oikeastaan ​​"yksi tai toinen" - se on enemmän kuin "jonnekin välissä", kuten resonanssihybridi. Jos minun täytyisi valita, nojaisin henkilökohtaisesti Weissin $ \ ce {Fe (III) -O2 -} $ -malliin. Aina on kuitenkin ihmisiä, jotka ovat eri mieltä, eikä tiedeyhteisössä ole vieläkään yleistä yksimielisyyttä.

Bren ym. Em on loistava - ja viimeaikainen - näkökulma-artikkeli. >, ¹ kuvaa hemoglobiinirakenteen tutkimusta Paulingin jälkeen ja Coryellin alkuperäinen raportti ² oksyhemoglobiinin diamagnetismista.

Mallijärjestelmät

Bioorgaanisessa kemiassa yleinen tekniikka on entsyymiaktiivisten kohtien "epäorgaanisten versioiden" syntetisointi; esimerkiksi typpikomplekseihin on tehty paljon työtä toivoen ymmärtää entsyymi-typenaasi. Myoglobiini ja hemoglobiini eivät ole entsyymejä sanan tarkassa merkityksessä, ³ , mutta sama tekniikka pätee: jos stabiileja $ \ ce {Fe (II) -O2} $ -komplekseja voidaan syntetisoida, ne saattavat osoittautua olla kokeellisempaan tutkimukseen sopivampi.

Suurin ongelma oli se, että diokseni hapetti helposti yksinkertaiset Fe (II) -kompleksit Fe (III): ksi. Aluksi käytettiin Co (II) -komplekseja (joissa on vain yksi parittamaton elektroni): EPR-tutkimukset osoittivat, että parittamaton elektroni sijaitsi hapessa, ^4,5 ja O – O-sidoksen pituus muistutti superoksidiarvo: ⁶

$$ \ begin {array} {ccccc} \ text {Laji} & \ ce {O2 ^ 2-} & \ ce {O2 ^ - } & \ ce {O2} & \ ce {Co (II) -O2} \ text {complex} \\ \ hline \ text {Bond order} & 1 & 1.5 & 2 &? \\\ teksti {joukkovelkakirjan pituus / Å} & 1.49 & 1.28 & 1.21 & 1.26 \ end {array} $$

Co (II) -komplekseilla ei tietenkään ole välttämättä samaa elektronista rakennetta kuin niiden Fe (II) -vastineilla, joten tällaisella tiedolla voi olla vain rajoitettua käyttöä. Avain varhaisen (Fe (II) -hapetuksen) vaikeuksien voittamiseen oli tosiasia, että tällaiset hapettumiset pyrkivät etenemään dimerisoitumisen kautta; siksi, jos steerisesti estetty Fe (II) -kompleksi voitaisiin tehdä, hapettuminen voitaisiin estää. Tämän perusteella Collman ja työtoverit syntetisoivat niin sanottuja "aita-aita" -komplekseja, ⁷ , jotka sitovat palautuvasti dioksiinin, jonka konsepti on esitetty alla:

Muiden rautakeskusten sekä imidatsoliligandin pääsy metalli-ionin yläpintaan estettiin porfyriinirenkaan suurten substituenttien avulla (yhdessä esimerkissä $ \ ce {-C6H4NHC (O) ^ tBu} $ valittiin). Ilmoitetut tiedot eri "aita-aidoista" suosivat voimakkaasti rauta (III) -superoksidimallia: erityisesti O-O-venytystaajuudet vaihtelivat välillä 1163 dollaria \ text {-} \ pu {1150 cm − 1} $ (vrt. \ text {-} \ pu {1050 cm − 1} $ superoksidikomplekseissa, $ \ pu {1556 cm-1} $ muodossa $ \ ce {O2} (^ 3 \ Sigma_ \ mathrm {g} ^ -) $, ja $ \ pu {1484 cm-1} $ muodossa $ \ ce {O2} (^ 1 \ Delta_ \ mathrm {g}) $). ⁸

Kiista magneettisista tiedoista

Tajuttiin, että keskeinen ero näiden kahden järjestelmän välillä oli niiden ennustetuissa magneettisissa alttiuksissa. $ \ Ce {Fe (II) -O2} $ -sidontamenetelmässä voidaan olettaa, että yhdiste on diamagneettinen kaikissa saavutettavissa olevissa lämpötiloissa (magneettisen tilan saaminen edellyttäisi elektronista edistämistä). Toisaalta $ \ ce {Fe (III) -O2 -} $ -sidontamenetelmän odotetaan olevan lämpötilasta riippuvainen magneettinen herkkyys, koska antiferromagneettinen kytkentä voitaisiin voittaa korkeammissa lämpötiloissa. Toisin sanoen on termisesti käytettävissä oleva triplettitila.

Cerdonio et ai. julkaisi vuonna 1977 paperin, jonka mukaan hän havaitsi lämpötilasta riippuvan magneettisen herkkyyden $ \ ce {HbO2} $: lle. ⁹ löydökset kumosi myöhemmässä 1984 julkaisussa Savicki et ai. , jossa todettiin, että $ \ ce {HbO2} $ oli itse asiassa diamagneettinen kaikissa lämpötiloissa. ¹⁰ Väärä magneettinen tiedot liitettiin paramagneettiseen jäännösdoksihemoglobiiniin, ja yksityisessä viestinnässä Savickin kanssa Cerdonio myönsi, että hänen aikaisemmat havainnot olivat virheellisiä.

Proteiinien spektroskooppiset tiedot

Infrapunaspektroskopian avulla O – O-venytystaajuudet sekä oksimyoglobiini ¹¹ että oksyhemoglobiini ¹² tunnistettiin $ \ pu {1103 cm − 1} $ ja $ \ pu { 1107 cm-1} $, vastaavasti taas superoksidin kanssa.

Lisäksi $ \ ce {^ 57Fe} $ Mössbauer -piirit $ \ ce {HbO2} $: ssa osoittivat suuria kvadrupolijakaumia, mikä on yhdenmukaista raudan kanssa ollessa hapettumistilassa +3. ¹³

Laskennalliset tutkimukset

Karpluksen ¹⁴ varhaiset kvanttimekaaniset laskelmat osoittivat, että $ \ ce {HbO2} $: n ominaisuudet voidaan selittää kahden $ \ ce {Fe (II: n) sekoituksella ) -O2} $ -resonanssimuodot: yksi, jossa molemmat sitoutumiskumppanit ovat singlettitilassa, ja toinen molempien kanssa triplettitilassa. Jälkimmäinen esitettiin itse asiassa erillisenä - kolmantena mallina, erityisesti Goddardin toimesta vuonna 1975. ¹⁵

Nämä ovat tietysti melko alkeellisia nykypäivän standardien mukaan. Vuonna 2008 Shaik ym. tarkasteli aihetta, ¹⁶ , ja antoi yleiskatsauksen siihen asti tehdyistä lukuisista laskennallisista tutkimuksista, joihin ei ollut päästy johtopäätökseen. Sen sijaan, että yrittäisivät erottaa sopivan sitoutumismallin epäsuorista parametreista, kuten hapen nettovarauksesta tai miehitettyjen MO: iden muodosta, kirjoittajat päättivät muuttaa CASSCF-aaltofunktion yleiseksi valenssisidoksen aaltofunktioksi. He päättelivät, että Weiss $ \ ce {Fe (III) -O2 -} $ -malli oli hallitseva kaasufaasi-happi-hemikompleksille ja että vuorovaikutus proteiinin kanssa vahvistaa edelleen $ \ ce {Fe (III) - O2 - aaltofunktion $ -merkki.

Viimeisempi kokeellinen työ

Täysin erillisessä pyrkimyksessään Gray ja työtoverit havaitsivat, että polyhalogenoidut rautaporfyriinit, joilla oli epätavallisen paljon Fe (III) / Fe (II)-pelkistyspotentiaalit, eivät sitoutuneet happeen. ¹⁷ Tätä on pidetty todisteena elektronin siirtämisen välttämättömyydelle Fe (II): sta dioksiiniksi $ \ ce { Hb-O2} $ -sitoutuminen ja siten sidoksen tunnistaminen olevan $ \ ce {Fe (III) -O2 -} $ -siirto luonteeltaan.

Wilsonin röntgenabsorptiospektrit ym. mutkistavat asiaa entisestään. Ensinnäkin heidän tutkimuksensa aita-porfyriineista johti siihen johtopäätökseen, että näillä oli yleensä molempien mallien ominaisuuksia, mutta ne olivat paremmin Fe (II) -kuvauksen mukaisia. Raudan tehollisen ydinvarauksen todettiin olevan lähempänä Fe (II): n kuin Fe (III): n vastaavaa, ja spektreistä puuttui Fe (III) -komplekseille ominainen matalan energian siirtymä (johtuen $ \ mathrm {t_ {2g}} $ kiertoradaa raudalla). ¹⁸

Seuraava tutkimus itse proteiinista paljasti, että kiteisellä $ \ ce {HbO2} $: lla on pääasiassa $ \ ce {Fe (II) -O2} $ -merkki, kun taas ratkaisulla $ \ ce {HbO2} $ on $ \ ce { Fe (III) -O2 -} $ -merkki. ¹⁹ Siksi he päättelivät, että sitoutuminen oli luonteeltaan monikonfiguraatiota ja että "sekundaariset muutokset proteiiniympäristössä, kidepakkaus ja niin edelleen, voivat kaataa elektroninen rakenne kumpaankin suuntaan ".

Huomautuksia ja viitteitä

^{1. Bren, K. L .; Eisenberg, R .; Harmaa, H.B.Hemoglobiinin magneettisen käyttäytymisen löytäminen: Bioorgaanisen kemian alku. Proc. Natl. Acad. Sci. 2015, 112 (43), 13123–13127. DOI: 10.1073 / pnas.1515704112.}

^{2. Pauling, L .; Coryell, C.D.Hemoglobiinin, oksihemoglobiinin ja hiilimonoksihemoglobiinin magneettiset ominaisuudet ja rakenne. Proc. Natl. Acad. Sci. 1936, 22 (4), 210–216. DOI: 10.1073 / pnas.22.4.210.}

^{3. Hemoglobiini tunnetaan tunnetusti "kunniaentsyyminä" ; katsaus sen historiaan, katso esim. Brunori, M.Hemoglobiini on kunniaentsyymi. Trends Biochem. Sci. 1999, 24 (4), 158–161. DOI: 10.1016 / S0968-0004 (99) 01380-8.}

^{4. Hoffman, B. M .; Diemente, D. L .; Basolo, F.Jotkin koboltti (II) Schiff-emäsyhdisteet ja niiden monomeeriset happiadduktit. J. Olen. Chem. Soc. 1970, 92 (1), 61–65. DOI: 10.1021 / ja00704a010.}

^{5. Getz, D .; Melamud, E .; Hopea, B. L .; Dori, Z. Dioksibigeenin elektronirakenne koboltti (II) -happeaineissa, dioksibin singletti-happi (1-). J. Olen. Chem. Soc. 1975, 97 (13), 3846–3847. DOI: 10.1021 / ja00846a064.}

^{6. Gall, R.S .; Rogers, J. F .; Schaefer, W.P .; Christoph, GG Monomeerisen happea kuljettavan kobolttikompleksin rakenne: dioksigeeni- N , N '- (1,1,2,2-tetrametyyli) etyleenibis (3- tert butyylisalisylideeniminato) (1-bentsyyli-imidatsoli) koboltti (II). J. Olen. Chem. Soc. 1976, 98 (17), 5135–5144. DOI: 10.1021 / ja00433a015.}

^{7. Collman, J. P .; Gagne, R.R .; Reed, C.A .; Halbert, T.R .; Lang, G .; Robinson, W.T. Picket aidan porfyriinit. Synteettiset mallit happea sitoville hemoproteiineille. J. Olen. Chem. Soc. 1975, 97 (6), 1427–1439. DOI: 10.1021 / ja00839a026.}

^{8. Collman, J. P .; Brauman, J. I .; Halbert, T.R .; Suslick, K. S. O2: n ja CO: n sitoutuminen metalloporfyriineihin ja hemiproteiineihin. Proc. Natl. Acad. Sci. 1976, 73 (10), 3333–3337. DOI: 10.1073 / pnas.73.10.3333.}

^{9. Cerdonio, M .; Congiu-Castellano, A .; Mogno, F .; Pispisa, B .; Romani, G. L .; Vitale, S.Oksyhemoglobiinin magneettiset ominaisuudet. Proc. Natl. Acad. Sci. 1977, 74 (2), 398–400. DOI: 10.1073 / pnas.74.2.398.}

^{10. Savicki, J. P .; Lang, G .; Ikeda-Saito, M.Oksi- ja hiilimonoksihemoglobiinien magneettinen herkkyys. Proc. Natl. Acad. Sci. 1984, 81 (17), 5417–5419. DOI: 10.1073 / pnas.81.17.5417.}

^{11. Maxwell, J. C .; Volpe, J.A .; Barlow, C.H .; Caughey, W.S. Infrapuna-näyttö hapen sitoutumistavasta sydänlihaksen myoglobiinirautaan. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1974, 58 (1), 166–171. DOI: 10.1016 / 0006-291X (74) 90906-1.}

^{12. Barlow, C.H .; Maxwell, J. C .; Wallace, W.J .; Caughey, W.S. Hapen sitoutumistavan raudaan oksihemoglobiinissa selvittäminen infrapunaspektroskopialla. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1973, 55 (1), 91–95. DOI: 10.1016 / S0006-291X (73) 80063-4.}

^{13. Lang, G .; Marshall, W.Mössbauer -vaikutus joissakin hemoglobiiniyhdisteissä. Proc. Phys. Soc. 1966, 87 (1), 3–34. DOI: 10.1088 / 0370-1328 / 87/1/302.}

^{14. Asia, D.A .; Huynh, B. H .; Karplus, M.Hapen ja hiilimonoksidin sitoutuminen hemoglobiiniin. Maaperän ja viritettyjen tilojen analyysi. J. Olen. Chem. Soc. 1979, 101 (16), 4433–4453. DOI: 10.1021 / ja00510a001.}

^{15. Goddard, W. A., III; Olafson, B.D. otsonimalli O22: n sitoutumiseksi hemiin oksyhemoglobiinissa. Proc. Natl. Acad. Sci. 1975, 72 (6), 2335–2339. DOI: http: //10.1073/pnas.72.6.2335.}

^{16. Chen, H .; Ikeda-Saito, M .; Shaik, S.Fe-O ₂ -lujuuden sitoutuminen oksi-myoglobiiniin: Proteiinin vaikutus. J. Olen. Chem. Soc. 2008, 130 (44), 14778–14790. DOI: 10.1021 / ja805434m.}

^{17. Grinstaff, M. W .; Hill, M.G .; Labinger, J.A .; Gray, H.B.Alkaanien katalyyttisen hapetuksen mekanismi halogenoiduilla rautaporfyriineillä. Tiede 1994, 264 (5163), 1311–1313. DOI: 10.1126 / science.8191283.}

^{18. Wilson, S.A .; Kroll, T .; Decreau, R.A .; Hocking, R. K .; Lundberg, M .; Hedman, B .; Hodgson, K. O .; Solomon, E. I. Oxy-Picket-aidan porfyriinin rauta-L-reunan röntgensäteilyn absorptiospektroskopia: Kokeellinen näkemys Fe – O ₂ -sidonnasta. J. Olen. Chem. Soc. 2013, 135 (3), 1124–1136. DOI: 10.1021 / ja3103583}

^{19. Wilson, S.A .; Vihreä, E .; Mathews, I. I .; Benfatto, M .; Hodgson, K. O .; Hedman, B .; Sarangi, R.Röntgenabsorptiospektroskooppinen tutkimus liuoksen ja kiteisen oksyhemoglobiinin elektronisista rakenneeroista. Proc. Natl. Acad. Sci. 2013, 110 (41), 16333–16338. DOI: 10.1073 / pnas.1315734110.}