第六章生物分析中的探针6.1离子探针与分子探针概述6.1.1离子探针生命过程是一个非常复杂的过程,研究生物大分子结构与功能以及生物分子的转化是研究生命过程的一个重要步骤。生物体中的许多酶和蛋白质就是含金属离子的生物功能大分子。例如：羧肽酶含Zn、磷酸脂酶含Mg、Cu和Zn、氨肽酶含Mg和Zn、钙蛋白酶含Ca、铜蓝蛋白酶含Cu。研究表明,大多数酶都要靠金属离子表现其活性,而且所有生物功能也都与金属离子有关。这种金属离子称为“生命金属”。人们可以通过研究这些生物体中的金属离子来研究生物分子的结构、性能和功能。由于生物大分子中的生命金属离子如Ca()Ⅱ、Mg()Ⅱ、Zn()Ⅱ等,具有惰性气体的电子结构。且在生物体内处在溶液状态,不成晶体,没有适宜的光、磁信号,也不可以用X射线技术研究成键状况和结构变化。而过渡金属离子Cu()Ⅱ、Fe()Ⅱ等都有不成对d电子,有光或磁信号可供研究。如果将生物大分子中非过渡金属离子用具有光、磁信息的过渡金属离子置换,用它们与生物大分子的相互作用与行为来探察非过渡金属离子的功能,这种技术称为“离子探针技术”。所用的过渡金属离子就叫“离子探针”。6.1.2分子探针对于脱氧核糖核酸(DNA)片段检出、医学上的基因诊断疾病、DNA片段碱基对序列分析和蛋白质的分离检出等,由于碱基和蛋白质信号很弱,又无上述生命金属,则须用信号较强的分子以共价键或氢键与生物大分子连接并赋予生物大分子较强信号,以利于高灵敏度检测。这种技术称为“分子探针技术”。所用的有较强信号的分子称为“分子探针”。例如：四甲基罗丹明、德克萨斯红、1-硝基-4-二甲氨基苯并恶二唑、4-甲基-7-二乙氨基香豆素、4,5-二氨基荧光素等有机物都是较好的分子荧光探针(即检测信号是分子荧光)。有机分子探针按结合方式可分为嵌入、衍生、交联和络合等。6.1.3离子探针的生物与化学依据(1)化学依据从配位化学的概念出发,具有惰性气体的电子结构的离子如Ca()Ⅱ、Mg()Ⅱ、Zn()Ⅱ等,与大分子配体易形成配合物。因此探针离子应与它们有相同或相似的物理化学参数。如：离子电荷数、离子半径、化学配位性质、立体化学行为。Mg()Ⅱ和Mn()Ⅱ、Zn()Ⅱ和Co()Ⅱ、Ca()Ⅱ和Gd()Ⅲ、Eu()Ⅲ、Tb()Ⅲ各自的理化参数相似,后者可分别做前者的离子探针。参数如下：离子探针K()Tl()Zn()Co()Mg()ⅠⅠⅡⅡⅡ离子半径(nm)0.1330.1400.0690.0720.055静电位(Z2/r)0.750.674.804.885.12离子探针Mn()Ca()Gd()Eu()Tb()ⅡⅡⅢⅢⅢ离子半径(nm)0.0880.0990.09380.0950.0923静电位(Z2/r)4.403.78生命金属离子易配位基团K()Ⅰ－O－、中性氧配位体Mg()Ⅱ羧酸盐、磷酸盐、氧与氮配位体Ca()Ⅱ羧酸盐、磷酸盐、多齿状氧与氮配位体Mn()Ⅱ羧酸盐、磷酸盐、氧与氮配位体Fe()Ⅱ氮配位体Fe()Ⅲ羧酸基、酪氨酸、卟啉Cu()Ⅱ胺类、硫配体Cu()Ⅰ氮配位体Zn()Ⅱ咪唑、半胱氨酸Cd()Ⅱ半胱氨酸、巯基(2)生物依据探针离子置换原金属离子后,生物分子的基本性质必须不产生变化,也就是说,置换后的生物大分子的基本活性能被保留,还必须具有特征信号以供检测,这就是生物依据。例如：a)Mn()Ⅱ取代苹果酸酶中的Mg()Ⅱ后,该酶同样具有催化L－苹果酸脱羧的反应活性。b)Co()Ⅱ取代碳酸酐酶、羧肽酶、乳酸脱氢酶中的Zn(),Ⅱ这些酶的活性分别为原来酶活性的50%、160%和有活性。c)Gd()Ⅲ、Eu()Ⅲ或Tb()Ⅲ取代伴刀豆球蛋白A中的Ca(),Ⅱ该蛋白仍然保持结合糖的的活性。6.2离子探针基本类型离子探针按其表达信息的特征可分为紫外可见光吸收光谱探针、磁共振探针、荧光光谱探针、穆兹堡尔谱探针。6.2.1紫外可见光吸收光谱探针利用探针离子的d-d或f-f电子跃迁以及荷移跃迁吸收光谱的变化和测定,判断生物分子与金属离子的配位立体结构。例如：Co()Ⅱ取代碳酸酐酶中的Zn()Ⅱ后,由吸收光谱的变化推断出该酶中的Zn()Ⅱ结合部位是一个变形的四面体。X射线分析也证实了这一点。三价稀土离子是优良的Ca()Ⅱ的吸收光谱探针,尤其是Nd(),Ⅲ摩尔吸光系数最大,很灵敏。可以用其光谱研究牛血清蛋白、谷氨酸合成酶、胰蛋白酶、铜蛋白超氧化酶。之所以有较大的吸收系数是因为配位体较大的不对称性造成的。6.2.2磁共振探针磁共振探针又可分为核磁共振探针和顺磁共振...
