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金属酶2第一节生物体的氧化还原反应氧化还原反应是生物体内的重要反应一、分子氧及其活化根据分子轨道法。氧分子轨道由两个氧原子轨道组成:O2[KK(2S)2(2S*)2(2Px)2(2Py)2(2Pz)2(2Py*)1(2Pz*)1]3若在反键轨道上加入一个电子,则可以成为超氧离子O2-;若在反键轨道上加入两个电子,则可以成为过氧离子O22-;若氧分子失去一个电子,则可以成为双氧阳离子O2+。O2-和O22-的键能比O2低,表明O-O键能削弱了,故可把O2-和O22-看为双氧的两种活化态。4O2在热力学上是一个强氧化剂EO2/H2O=1.23V实际上它同大多数底物在室温的气相或均相溶液的反应进行得很慢,这是由于动力学上的原因5在生命体内,氧具有高度活性,这是由于存在过渡金属配合物催化剂的原因。有人认为,这是由于O2分子和底物E均可和金属离子反应形成三元配合物O2-M-E,其中氧分子与过渡金属M形成一个键,还可能形成d-p*(反馈键),底物E若有对称合适的轨道,就可和金属的d轨道成键,形成O2-M-E一个扩展的分子轨道,使电子能顺利地从底物转移到氧分子,实现氧化还原反应。6分子氧与过渡金属可以以侧基配位,端基配位和端基角向配位。以侧基配位时,分子氧的*轨道简并通过配体场的作用而消除,这将有利于消除自旋守恒对反应的限制,使电子容易成对地转移到分子氧的反键轨道。如果中心金属能程度不同地把电子转移给O2,则配位双氧可变为超氧型或过氧型配体,O2就被不同程度地活化了。7(2)两类脱氧反应:SH2+1/2O2S+H2OSH2+O2S+H2O2实际上这两个反应要经过一个或多个中间氢载体,并以氧作为末端氢受体的体系来进行,实际上也是一条电子传递链。8(3)底物与氧分子的氧原子结合这类氧化还原反应要相应的加氧酶参与。总之,脱氢过程中脱去一个氢原子,加氧反应常伴有氧分子接受质子和电子而被还原为水。生物氧化的主要方式是脱氢作用,在依靠氧气生存的生物体内,从代谢物脱下的氢通过呼吸链的逐步传递最后被分子氧接受并生成水。9三、氧化还原酶的分类及其催化的反应氧化还原酶是六大酶之一,它们大部分与金属离子有关。这类酶在生物体内的氧化还原产生能量、解毒及某些生理活性物质形成过程中起重要作用,氧化还原酶习惯上分为四类。101.脱氢酶[辅酶:NAD、NADP,这些酶受氢或提供氢]脱氢酶S+AH2A为受氢体,SH2和S为底物还原型和氧化型。大部分脱氢酶需要辅酶,即为结合酶。脱氢酶的辅酶主要为NAD(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)或NADP(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸),少数为FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)或黄素单核苷酸(FMN)。SH2+A11这些辅酶起供氢或受氢作用,例如含锌的L-苹果酸脱氢酶可催化苹果酸脱氢反应:苹果酸脱氢酶L-苹果酸草酰乙酸谷氨酸脱氢酶,乳酸脱氢酶均为锌酶,黄嘌呤脱氢酶为钼—铁酶。122.氧化酶当脱氢酶的氢受体是分子氧时,称为氧化酶,氧化酶催化两类反应。SH2+O2S+H2O2这类酶的催化产物为H2O2,另一类酶催化产物为H2O。SH2+1/2O2S+H2O133.过氧化物酶过氧化物酶催化以H2O2为氧化剂的氧化还原反应。SH2+H2O2S+2H2O过氧化氢酶催化H2O2的歧化反应。2H2O2O2+2H2O过氧化物酶过氧化氢酶144.加氧酶加氧酶催化氧分子的氧原子直接加合到有机物分子中,分为双加氧酶和单加氧酶。双加氧酶:SH2+O2SO2H2双加氧酶顺,顺—己二烯二酸15单加氧酶,又称羟化酶。R3C—H+O2+AH2R3C—OH+A+H2O肝微粒体单加氧酶NADPH为还原态的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,肝微粒体单加氧酶为一与细胞色素p450有关的单加氧酶,p450(存在于肝脏浓度最高)为血红素辅基酶蛋白。16四、呼吸链与电子传递体1.呼吸链生物体的各种运动均需要能量,这种能量来源于糖、脂肪、蛋白质等有机物在体内的氧化。这些有机物在活细胞内氧化分解,产生CO2和H2O并放出能量的作用称为生物氧化。17有机物在生物体内的生物氧化与在体外化学氧化的产物和能量变化相同,即产物均为CO2和H2O,并释放出相等的能量,不同的是,生物氧化是在活细胞内由酶催化,经一系列的化学反应(分步反应)逐步氧化,分次放出能量,这些能量主要以三磷酸腺苷(ATP)等高能化合物的形式储存起来,供需要时使用。故ATP是生物体的能量“储存库”和“转运站”。182.电子传递体(多种)在呼吸链中,一类称为电子传递体的物质,通过自身的氧化还原作用传递氢和电子,把呼吸链起始的脱氢酶和末端的氧化酶连接起来。主要包括黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白和某些脂溶性维生素。黄素蛋白含黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)或黄素单核苷酸(FMN)辅基,黄素蛋白有的是脱氢酶,有的是氧化酶,还有的为电子传递体。19细胞色素是含铁卟啉辅基的蛋白,其主要功能是传递电子。在某些情况下,还具有氧化酶或加氧酶的功能。细胞色素的种类很多,从高等植物中至少可以分离出5种,即细胞色素b,c1,c,a,a3。铁硫蛋白包含一个或多个Fe—S簇,主要功能是传递电子。脂溶性维生素中,最主要的电子传递体是富酶Q,它通过结构的可逆改变传递电子。20第二节血红素蛋白细胞色素c—血红素c类;细胞色素p450—血红素b类铁蛋白可分为血红素蛋白和非血红素蛋白。血红蛋白和肌红蛋白都含有血红素辅基(铁(Ⅱ)卟啉),人体中70%的铁以血红蛋白形式存在,本节介绍在生物氧化还原过程中作为酶或电子传递体的一些血红素蛋白。21血红素辅基(铁(Ⅱ)卟啉)Cytochrome_C_Oxidase_1OCC_in_Membrane22一.细胞色素血红素蛋白,传递e,H。有a,b和c三大类,根据其还原型光谱最大吸收峰的位置来分类,还原态有3个吸收峰,分别为、、谱带,其中的谱带从细胞色素a(570nm)、b(555-560nm)到c(548-560nm)变短。231.细胞色素c细胞色素c分子较小,易于结晶,其组成和结构已研究清楚。细胞色素c:血红素C+相应蛋白构成。血红素c以共价键与蛋白链中的Cys相联24二.细胞色素p450(简称p450)属一类b族细胞色素,用p450表示,以别于其它b族细胞色素(血红蛋白、肌红蛋白)药物、农药、工业污染物等通过呼吸,口及皮肤进入人和动物体内,动物体通过消化道排除大部分污染物,通过尿液排出大部分水溶性污染及毒素。但脂溶性物都很难由以上两途径排出,人体肝脏弥补了这一缺陷,肝脏有很强的解毒功能,它主要通过肝脏中的p450混合功能氧化酶系统发挥作用。25P450是一种特殊的血红素蛋白,它的还原型(Fe(II))与CO结合在450nm处有最大吸收峰,因而命名为细胞色素p450。p450是一类具有不同分子量不同性能的血红素蛋白。261.P450的功能P450广泛存在于动物、植物及微生物体内,参与许多代谢过程,人体肝、肾、脑及皮肤中浓度最高,目前所知,p450在动物体中(哺乳动物)可以催化近300种各种脂溶性化合物进行氧化还原反应。羟化、环氧化等,各种脂溶性化合物经p450催化氧化还原后,变为水溶性化合物,经肾脏、尿液排出体外——解毒作用,这是有利的一方面;但另一方面,有些化合物经p450催化氧化还原反应后,毒性反而更高,如黄曲霉素、亚硝胺、致癌物3,4—苯并芘等,毒性不大,但催化氧化还原后,毒性大大的增加。272.两类含p450的单加氧酶体系由传递电子链不同将p450分二类。A、2H++O2+S+2eH2O+SONAD(P)H+H+NAD(P)++2H++2e烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸产生的2电子经NAD(P)、黄素蛋白还原酶FAD、还原蛋白中的铁硫中心Fe2S2,把电子传到p450血红素活性中心,p450血红素催化上述反应。28B、2H++O2+S+2eH2O+SO单加氧NAD(P)H+H+NAD(P)++2H++2e烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸产生的2个电子经更复杂的黄素蛋白还原酶(黄素腺嘌呤二核苷酸FAD、黄素单核苷酸FMN),把电子转移到p450血红素中,p450催化上述氧化还原反应发生。293.P450的结构半胱氨酸:HSCH2CHCOO-NH3+氨基——硫基丙酸大多数p450相对分子质量为50000,含氨基酸残基400多,每一条蛋白链都与一个血红素相连,平面四个氮原子与Fe(Ⅱ)配位,第5配位原子是半胱氨酸残基的硫,不同的p450,第5配位的蛋白链的半胱氨酸硫的位置不同,第6配体仍未确定。30P450类型相对分子质量氨基酸残基数轴向配体半胱氨酸位置P450cam46200412357P450LM253100466436P450b55900491438已测定多种p450的结构,如单胞菌的莰酮—5—外羟化酶的p450(p450cam),兔肝p450LM2和鼠肝p450的某些结构特征见表314.双氧活化和底物羟化作用有机物与氧反应,需高温,在生物体内,由于有p450酶的催化,可使氧分子活化:P450NADPR-H+O2+H+ROH+H2ONADPH32(1).高自旋的p450与底物RH结合形成低自旋的RHFe(Ⅲ),处于平衡态:HiFe(Ⅲ)t2g3eg2t2g5eg0lowFe(Ⅱ)t2g4eg2t2g6eg0低自旋p450的第6配位可能是含—OH基团(如氨基酸中的OH),而高自旋态的p450第6配位空着,这时的铁高出卟啉环平面,高自旋p450与底物RH结合。33(2).NAD(P)H—P450(烟酰胺腺)还原酶使NAD(P)H的电子转移至p450血红素铁卟啉,使Fe3+还原为Fe2+。(3).分子氧结合到p450上,形成三元配合物(Fe2+为中心,卟啉N(4个),半胱氨酸的S及分子氧)。(4).第二个电子离开NAD(P)H还原酶,形成不稳定的过氧化物[Fe—O—O]。(5).过氧化物与H+结合,形成H2O和配合物RH(Fe—O)。(6).ROH脱出后,又形成了氧化型p450,使循环闭合。345.P450的模拟研究石油化工生产中,环氧化物及酯需复杂和苛刻的工艺.P450具有室温催化氧化,p450具有高效专一催化多种有机物和分子应,但结构复杂,不易制取。人们提出了多种模拟体系,主要有三种组分:催化剂、氧化剂和添加剂。35P450含血红素b辅基,血红素辅基与金属卟啉结构相近,很多人研究含铁卟啉体系;自证实p450活性中心含硫基配位后,许多模拟改用卟啉加硫醇体系,来进行有机分子的常温氧化,均取得成效。血红素b36三.过氧化物酶和过氧化氢酶多数以血红素辅基(铁卟啉)的酶,蛋白为糖蛋白1.过氧化物酶催化反应SH2+H2O2S+2H2O过氧化物酶37细胞色素c过氧化物酶催化H2O2分解为H2O。2(cyt.c)Fe(Ⅱ)+H2O22(cyt.c)Fe(Ⅲ)+2H2O注:Ccp:细胞色素过氧化酶:为细胞色素a和a3复合体辅基为血红素a(比较血红素b和血红素C)CcpH+38对大多数组织来说,H2O2有害,H2O2可氧化含巯基的酶或蛋白质,使之失去活力,将体内不饱和脂肪酸氧化为过氧化物,会产生疾病,如发生溶血症等,过氧化物酶催化H2O2转化为H2O,从而消除了毒性。392.过氧化氢酶过氧化氢酶活性不及过氧化物酶,但它催化H2O2H2O+O2是高效的,过氧化氢酶为结合蛋白,由高铁血红素辅基和相应的蛋白组成,相对分子量24000,每个分子含4个亚基,每一个亚基含一个高自旋正铁血红素铁(Ⅲ)的轴向配体可能是氨基酸和H2O。蛋白+血红素辅基,4个亚基,含4个Fe(Ⅲ)卟啉40第三节铁蛋白(贮铁)与铁传递蛋白(运送铁)为非血红素铁蛋白,不含血红素辅基,但含铁,在这一类蛋白质中,铁有多种存在形式,按生理功能的不同,将非血红素铁蛋白分成如下几类:(四类)41一些非血红素蛋白的生理功能非血红素铁蛋白生理功能来源铁蛋白铁传递蛋白卵清铁传递蛋白乳铁传递蛋白贮存、输送铁动物组织血清卵清乳红氧还蛋白铁氧还蛋白肾上腺皮质铁氧还
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