从单步跳跃到新兴的生物现象

《Journal of Inorganic Biochemistry》：From single step hops to emergent biological phenomena

电子二分叉、长距离跳跃传输、氧化损伤机制、核酸电荷传输、多步电子转移

　　

安德鲁·J·史密斯（Andrew J. Smith）| 卡德摩斯·D·陈（Cadmus D. Chen）| 王博楚（Bochu Wang）| 黄晓（Xiao Huang）| 郑晨峰涛（Chenfengtao Zheng）| 南有炫（YouHyun Nam）| 大卫·N·贝拉坦（David N. Beratan）

美国北卡罗来纳州达勒姆市杜克大学化学系，邮编27708

摘要

电荷转移和传输是化学和生物化学的基础。自20世纪50年代以来，理论家和实验家们不断推进这一领域的发展，以在分子层面上理解单电子/单步电子转移现象，同时持续的研究也在探索多步骤、多电子和多粒子转移与传输机制。本综述重点介绍了我们团队在单电子/单步电子转移之外的电子转移相关研究。具体而言，我们回顾了电子分叉反应、电缆细菌和细菌纳米线中的超长距离电子传输、氧化损伤途径以及核酸中的电荷传输途径方面的进展。我们还强调了跨不同生物结构中的新兴主题和机制，包括电子-电子关联的作用、快速的长距离多步骤生物电子传输、非传统的电荷传输途径以及竞争性的电荷转移机制。

引言

氧化还原反应在化学中占据核心地位，从燃烧到电化学再到生物化学都离不开这一过程。过去70年里，人们对这些反应的理解已经取得了显著的进步。

马库斯（Marcus）的电子转移理论的核心观点是，振动耦合使供体和受体物种处于准简并状态，从而允许电子在不违反能量守恒约束的情况下发生位置转移。

热运动和核隧穿都对电子的移动有所贡献。因此，电子转移在很大程度上可以分解为能量匹配（通过核弗兰克-康登因子）和电子传输（隧穿）两个方面的考虑。马库斯、赫什（Hush）、列维奇（Levich）和多戈纳泽（Doganadze）早期的理论研究奠定了我们对弗兰克-康登因子的理解[[1], [2], [3]]。他们的预测最初是在小分子上进行的验证。

到了20世纪60年代，时间分辨光谱方法的出现使得人们能够研究蛋白质中氧化还原活性辅因子之间的电子转移。霍普菲尔德（Hopfield）的理论解释了蛋白质如何实现振动耦合的电子转移，而不会导致蛋白质损伤或能量损失[4]。重要的是，这些早期研究表明，生物电子转移的温度依赖性可以通过振动耦合隧穿机制来解释，而无需引入构象门控机制。早期的生物电子转移理论将马库斯的振动耦合概念映射到了蛋白质的电化学势能图中，并建立了简单的电子隧穿过程模型。霍普菲尔德预测蛋白质的有效隧穿势垒高度为2电子伏特[4]。然而，在天然蛋白质中通过电子转移率来验证这一预测具有挑战性，因为比较两种蛋白质的电子转移率时，弗兰克-康登因子和隧穿因子通常会有所不同。

从20世纪80年代初开始，格雷（Gray）团队的发展使得人们能够区分电子隧穿效应和弗兰克-康登效应对蛋白质中电子转移率的影响。实际上，通过在钌修饰蛋白质中实现无活化电子转移，研究人员能够实验性地探究平均隧穿势垒以及隧穿途径对电子转移率的影响[5,6]。我们团队特别关注蛋白质折叠如何影响实现长距离电子传输和传输的隧穿途径[[7], [8], [9]]。格雷团队在电子转移研究中开发的实验工具甚至可以利用电子转移来触发蛋白质的动态变化，包括蛋白质的折叠[10]。

本综述旨在描述我们团队近期的一些理论进展，这些进展源于早期对蛋白质中单步电子隧穿的研究。虽然我们正在进行的多步骤和多电子反应研究，但我们的研究在思想根源上仍基于蛋白质介导的电子隧穿途径在生物分子中实现电子传输的实验和理论发现。具体来说，我们讨论了生物电荷传输中的新兴趋势，这些趋势揭示了比许多传统单步生物电子传输系统更为复杂的现象。例如，我们以电子分叉为例，强调了相关电子运动在传输网络中的作用；以细菌纳米线和电缆细菌为例，展示了长距离、多步骤、快速电子传输的过程；以氧化应激缓解为例，说明了非典型电荷传输途径在生物学中的重要性；以及以DNA中的电荷传输为例，强调了在描述生物分子中的电荷流动时需要考虑多种电荷转移机制。

电子分叉是什么？

电子分叉（EB）是一种多电子相关的氧化还原过程，其中来自电子供体氧化产生的电子对被分离，其中一半电子对沿着高势能、放能分支流动，而另一半电子对则沿着低势能、吸能分支移动，从而以最小的自由能损失实现几乎可逆的非常低势能还原剂的生成[11,12]。这一现象出现在能量转换和生物合成途径中；最近的研究发现...

细菌纳米线和电缆细菌中的长距离电荷传输

在许多生物系统中，电子传输发生在纳米级的蛋白质复合体中，其中诸如血红素、铁硫簇或醌等氧化还原辅因子介导连续的电子跳跃[46]。这些短距离的氧化还原链可以通过类似马库斯的理论来很好地描述，这些理论能够捕捉蛋白质中电子隧穿的热激活和多步骤特性[47]。

与纳米级电子传输不同，某些生物体能够将电子跨...

什么是氧化损伤？

分子层面的损伤和细胞层面的功能衰退与衰老过程相关[100]。氧化应激被认为是导致与衰老相关的功能损伤的一个因素[101]。从电子传输的角度来看，氧化应激可以理解为一种影响生物系统的过程。在上述的生物氧化还原网络中，辅因子通常沿着特定的路径引导电子流动，这些路径的能量分布对其功能至关重要。相比之下，氧化损伤会破坏这些路径...

为什么研究DNA中的电子传输？

DNA电子传输的研究吸引了众多研究人员的关注，因为它涉及生物学、化学、物理学和纳米技术的交叉领域[128]。DNA不仅是基本的遗传物质，还具有独特的电子特性。其碱基配对、结构可编程性以及形成多种高级结构的能力使其成为探索软物质中电荷传输基本问题的理想平台[129]。与其他电子...

结论

对生物体中电子传输化学的研究旨在理解从能量转换到信号传导再到氧化应激等一系列多样且基础的过程。这一领域的概念框架已经存在了大约70年[1,3,4,170,171]，并持续为新的生物电子传输现象提供见解。在本综述中，我们重点讨论了我们研究团队感兴趣的一些生物电子传输问题。

CRediT作者贡献声明

安德鲁·J·史密斯（Andrew J. Smith）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、监督、概念构思。 卡德摩斯·D·陈（Cadmus D. Chen）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化。 王博楚（Bochu Wang）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化。 黄晓（Xiao Huang）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化。 郑晨峰涛（Chenfengtao Zheng）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化。 南有炫（YouHyun Nam）：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了美国国立卫生研究院（GM048043）和美国能源部基础能源科学项目（DESC0021144）的支持。A.J.S.还获得了美国国家科学基金会的研究生研究奖学金支持。