血红蛋白亚基中一氧化碳双通道光解离的直接观测揭示铁-碳键断裂新机制

研究人员通过皮秒至毫秒瞬态中红外光谱技术，首次直接观测到血红蛋白(Hb)亚基中一氧化碳(CO)的双通道光解离过程，发现除已知的亚50飞秒快速解离外，还存在约15皮秒的慢速解离通道。该研究为解决HbCO光解机制争议提供了实验证据，揭示了铁-碳键断裂的多态性特征，为理解生理系统中小分子运输机制提供了新视角。

　　

血红蛋白(Hb)作为人体内氧气运输的关键载体，其与配体分子的结合/解离动力学一直是生物物理研究的热点。其中一氧化碳(CO)与血红素铁(Fe)的结合虽与O₂类似，但解离机制存在显著差异。传统观点认为HbCO的光解离是亚50飞秒(<50 fs)的单步过程，然而理论计算曾预测可能存在多个解离态，这一假说长期缺乏直接实验证据。

Sergei V. Lepeshkevich团队在《Nature Communications》发表的研究，通过创新性地采用时间分辨中红外光谱技术，首次捕获到CO从血红蛋白α和β亚基解离的双通道过程。研究发现，除已知的飞秒级解离外，约11%的CO分子通过新发现的15皮秒(ps)慢通道解离。这一发现不仅解决了光解机制的理论争议，更揭示了蛋白质功能与动力学的精妙关联——铁-碳键的断裂并非简单"全或无"过程，而是存在时间尺度跨越三个数量级的动态调控。

研究采用三大关键技术：1) 皮秒-毫秒级时间分辨中红外光谱系统(ULTRA)，可同时监测1880-2160 cm^-1范围内血红素结合CO(A₁构象亚态)和游离CO的振动信号；2) 偏振分辨测量技术，通过0°、54.7°和90°三种偏振配置确定CO分子空间取向；3) 奇异值分解(SVD)和最大熵方法(MEM)分析，从复杂光谱数据中提取动力学组分。研究对象为分离的人血红蛋白α和β亚基(3.0-4.0 mM)，在50 mM Tris缓冲液(pD 8.2)中保持单体状态以避免四聚体干扰。

【时间分辨瞬态中红外吸收光谱】

在1880-2005 cm^-1区域观察到1950 cm^-1负峰(A₁态CO伸缩振动)，其高频侧在2-100 ps时间尺度出现1954 cm^-1(E₀)和1930 cm^-1(E₁)正峰，对应激发态HbCO^*的0→1和1→2振动跃迁。这些特征以15 ps时间常数衰减，且不伴随基态恢复，证明是独立的解离通道。

的特征振动光谱'>

【双通道解离机制】

建立模型显示：光激发后先形成¹π-π^*态(HbCO^Q)，400 fs内通过自旋交叉转为五重态(⁵MLCT/⁵MC)，其中89%通过<50 fs直接解离，11%通过15 ps的⁵MLCT/⁵MC态解离。后者因电子占据反键d_z²轨道削弱Fe-CO键而产生延迟解离。

【结构动力学证据】

偏振测量显示：结合态CO与血红素平面法线夹角17±1°，而解离后CO在初级停泊位点的夹角变为69±6°，证实解离伴随分子重排。α与β亚基的geminate复合动力学差异(α单相vs β双相)进一步验证了亚基特异性调控。

这项研究从根本上改变了人们对血红素蛋白配体解离机制的认知。发现的慢解离通道为理解细胞信号传导中CO的动态释放提供了新范式，其研究方法也为其他金属蛋白的配体动力学研究树立了技术标杆。特别值得注意的是，15 ps时间尺度恰好与蛋白质构象涨落特征时间相当，暗示蛋白质动力学可能通过调控激发态寿命来精细调节配体解离效率，这一发现为设计新型氧载体药物提供了理论依据。