细胞色素c综述

2023年12月8日发(作者：周年庆活动主题)

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综述

细胞色素c (cyt-c)是生命体中一种重要的水溶性氧化还原血红蛋白，整个分子由一条肽链包裹着一个血红素(中心卟啉铁)组成，广泛存在于原核生物和真核生物细胞的线粒体内膜上，是生命体内氧化还原反应电子传递中的一个环节。近年来，以cyt-c为代表的氧化还原蛋白质和酶的直接电化学研究引起了很多研究者的兴趣，这些研究不仅能获得其内在的热力学和动力学性质的重要信息，而且还可以促进电极物质与具有高催化和传感性的生物大分子结合，这对于了解生命体内的物质代谢和能量转换，了解生物分子的结构和各种物理化学性质、探索其在生命体内的生理作用及作用机制、开发新型生物传感器等都有重要意义。然而许多在生物体内具有氧化还原性质的蛋白质在金属电极上的电化学反应是十分不可逆的，所以人们更加关注生物大分子在电极上的直接电化学反应。由于cyt-c分子较小，对其结构己了解得比较清楚，因此，对cyt-c的直接电化学研究进行得最早，有关的报道较多。

1.1 cyt-c的结构

cyt-c分子的形状近似于球形，直径约为34 Å，其外表面分布着许多带电的氨基酸残基，使得其在中性条件pH下带有九个净正电荷，而且cyt-c分子表面电荷的分布是不均匀的，靠近血红素裂隙的一侧分布着一系列赖氨酸残基，带正电荷，而远离血红素裂隙的一侧带有负电荷，这种表面电荷的非均匀分布对cyt-c分子与电极表面或其它分子之间的电子传递具有重要的影响。根据血红素铁的价态不同，可将cyt-c分为氧化性cyt-c和还原性cyt-c，其中血红素侧链和蛋白质之间是以共价键结合，不同来源cyt-c的蛋白质部分略有不同。cyt-c是生物氧化的一个非常重要的电子传递体。还原型参与接收自氢脱下的质子，氧化型参与传递电子给氧，从而促进氢和氧的结合，加强体内代谢物质的氧化供能反应。其结构为：

Cyt-c结构

Cyt-c的平面结构图

1.2 cyt-c在电极上的电化学反应

为了揭示cyt-c在生物体内可逆的电子传递反应的实质，人们模拟其在生物体内的微环境，开展了cyt-c直接电化学的研究。

(l) cyt-c在金属电极上的电化学反应

虽然cyt-c在生物体内能进行可逆的电子传递反应，但其在金属，如Hg、Pt、Au、Ag等电极上的电化学反应却是不可逆的。一般认为这是由于cyt-c在金属电极上发生强烈吸附使cyt-c变性，而变性的cyt-c的电化学反应是不可逆的[1,2]。Hawkridge等[3]认为经过冷冻干燥后的cyt-c中存在部分cyt-c的低聚物。这些低聚物易在电极表面吸附。因而阻碍了电极与cyt-c分子之间的电子传递。

(2) cyt-c在媒介体修饰电极上的电化学反应

为了克服上述困难，一些研究组开始考察细胞色素c在媒介体存在下的间接电化学反应。媒介体是一种能加速细胞色素c氧化还原反应的物质，但其身在所研究电位范围内也发生电化学反应，如甲基紫精、黄素腺嘌呤二核甘酸等。显然，媒介体的存在对研究cyt-c的电化学反应会产生不利影响。

(3) cyt-c在促进剂修饰电极上的电化学反应

Hill小组[2]发现在4，4’一联吡啶存在下，cyt-c在金表面也能发生准可逆的氧化还原反应。与媒介体不同，4，4’一联吡啶在所研究的电位范围内不发生任何电化学响应，故被称为cyt-c的电化学反应的促进剂。这一发现使细胞色素的电化学研究得到了迅速发展，此后许多促进剂被相继发现。如董绍俊研究组[4]系统地研究了细胞色素c在多种氨基酸和多肽修饰电极上的电化学反应，吴霞琴研究了腺嘌呤的促进作用。此外，无机物、有机物、聚合物等对细胞色素c的电化学反应也有促进作用。

(4) cyt-c在金属氧化物电极上的直接电化学反应

除了促进剂外，因金属氧化物表面具有含氧基团，其表面过剩电荷为负，有利于带正电荷的cyt-c在其电极表面的直接电子转移。Yeh和Kuwana [5]首次报道了cyt-c在掺杂氧化铟半导体电极上的直接电化学。循环伏安法和示差脉冲伏安法实验结果表明，出计算的扩散系数外，cyt-c在该电极上的所有电化学特征均表明电极反应时准可逆的。

其他金属氧化物如氧化锡[6]、氧化铟[7]、氧化钌[8]、氧化铱电极上[9]，cyt-c亦呈现准可逆的电子转移。但是cyt-c在金属氧化物电极上的电化学行为，除了与cyt-c的纯化有关外，还与电极表面的过剩电荷密度有关，电极表面过剩电荷密度的符号和大小取决于溶液的pH值、特性离子吸附、掺杂含量、表面状态和相对于平带电位(Efb)的电位。

1.3 cyt-c的电子传递模型

到目前为止，虽然人们对于cyt-c在金属电极上的不可逆的电化学行为和在促进剂修饰电极上能进行准可逆的电化学反应机理还不十分清楚，但已提出了一些模型来解释上述的现象。

1.3.1 Hill快速洗脱附模型

Albery等人[10]采用旋转圆盘、环盘技术研究了cyt-c在4，4’一联吡啶修饰金电极上的氧化还原反应特征，认为cyt-c在4，4’一联吡啶修饰金电极上的反应经历反应物和产物在电极表面的快速吸附和脱附过程。并运用促进剂“X-Y”结构模型提出了cyt-c在4，4’一联吡啶存在下的电化学反应机理。

1.3.2 Niki不可逆吸附模型

Niki等[11]采用交流阻抗法、紫外可见反射法、红外反射法研究了儿种4-吡啶基衍生物促进剂在cyt-c传递中的作用，提出了至少存在的三种吸附类型:

第一种类型：cyt-c的吸附能力强于促进剂，当二者共存于溶液中时，cyt-c优先吸附于金属电极表面。如果将促进剂预先吸附于电极表面，在cyt-c的溶液中会很容易被cyt-c所取代。

第二种类型：cyt-c的吸附能力与促进剂相当，两者产生竞争吸附，故存在两种吸附形式的cyt-c，有的直接吸附于电极表面，而有的则吸附于电极表面的促进剂分子上。因此，发生两种类型的氧化还原反应：一是共吸附于金电极上的cyt-c，一是吸附于促进剂上的cyt-c。由于共吸附cyt-c与促进剂间的相互作用，共吸附cyt-c在电极表面的变形程度远小于在裸电极上的变形程度。

第三种类型：促进剂的吸附能力强于cyt-c，能强烈地吸附于电极表面，cyt-c吸附或键合于这些促进剂分子上，保持其自然形态并发生电子转移。

2 论文设想

如上所述，cyt-c是一种结构简单，容易提取并在体内具有重要生理作用的氧化还原蛋白质。研究其在生物体内直接的电子转移并拓展其在分析化学上的应用，仍是一个极富挑战而有意义的工作。在进行系统文献调研的基础之上，我们选择了研究cyt-c直接电化学行为和拓展其在分析化学上应用的研究目标，进行了较系统的基础研究工作。首先，用PFV研究cyt-c在EPPGE上耦合的质子传递。其次，分别用海藻酸钠和琼脂糖水凝胶将cyt-c固定在电极表面，研究cyt-c的直接电化学行为，并研究hydrogel

-cyt-c/EPPGE电极对O2的还原作用，有可能发展成为一种溶解氧的生物传感器。最后研究了cyt-c在离子液体中的电化学行为，对cyt-c在不同电极不同离子液体中进行了系统的研究总结，并研究了其催化性能。

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朱毅民, 硕士论文, 长春, 中国科学院长春应用化学研究所, 1989

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