5第五章血红素蛋白共81页

第五章血红素蛋白及催化体系在生物体内，除了含铁蛋白的氧载体之外，还有多种含铁蛋白，在生物体内起着传递电子、参与各种酶催化体系以及铁自身的吸收、储存、运送等。第一节细胞色素：电子传递第二节细胞色素P－450第三节甲烷单加氧酶、双加氧酶第四节过氧化物酶及过氧化氢酶第一节细胞色素：电子传递在生物体系中，电子传递反应是一系列重要生物过程的基本反应，所有的氧化还原反应都会涉及电子的转移。由于铁、铜等过渡金属离子有可变的化合价，通过其价态之间的变化，如Fe(III)/Fe(II)、Cu(II)/Cu(I)等，可以有效地进行电子传递。所以在生物体内形成了一些含有铁、铜等过渡金属离子的蛋白分子作为生物过程中的电子传递体。1、铁硫蛋白，该蛋白活性中心含有非血红素的铁硫簇合物；目前已知的电子传递蛋白主要有三类：2、活性中心含有铁血红素辅基的蛋白，即细胞色素类；3、活性中心含有铜的蓝铜蛋白。和血红蛋白、肌红蛋白一样，细胞色素类蛋白的活性中心也含有血红素铁，细胞色素类蛋白就是依靠血红素铁中铁的价态变化来进行电子传递，包括电子从一种蛋白质到另一种蛋白质的转移。细胞色素广泛存在于动物和植物组织中。在动物中细胞色素的含量，以心脏和其它活跃的运动肌(如鸟类和昆虫类的飞翔肌)较高，肝、脑和非横纹肌次之，皮肤和肺最低。故一般多从动物(如猪、牛)的心脏提取。1961年，国际生物化学学会把细胞色素定义为“一种血红素蛋白，它的基本生物功能是通过分子中血红素铁的价态的可逆变化在生物体中起电子及氢的传递作用”。目前已知的细胞色素有50种以上。在生物体内，根据所含血红素辅基结构的不同，将细胞色素分为：细胞色素a（包含血红素a辅基）、细胞色素b（包含血红素b辅基）、细胞色素c（包含血红素c辅基）等。不同的生物体采用了不同的细胞色素系列来适应它们自身的需要。细胞色素参与线粒体内膜上一整套电子传递链（生物氧化呼吸链）的最后几步氧化还原反应，将电子最终传递给氧分子，使氧分子还原成水分子。电子传递的顺序为：细胞色素b细胞色素c1细胞色素c细胞色素氧化酶（细胞色素a细胞色素a3）氧分子一、细胞色素c细胞色素c是相对分子质量比较小且相对比较容易结晶的蛋白，它的分布非常广，存在于从细菌、酵母、植物、无脊椎动物、脊椎动物到高等动物和人等所有的原核生物和真核生物中。细胞色素c是少数几个被详细研究的含金属的生物大分子之一，现在已经确定了几十种不同来源的细胞色素c的氨基酸序列，每个细胞色素c分子含有一条蛋白链和一个血红素c辅基。马心的细胞色素c的分子质量为12400Da，它由104个氨基酸残基组成。图5.1金枪鱼细胞色素c（第一个测定结构的细胞色素c）用核磁共振（NMR）和X射线衍射单晶结构分析对细胞色素c的研究表明，血红素c中的铁离子具有六配位的八面体构型。铁离子分别和卟啉环中的四个吡咯氮原子以及一个蛋氨酸80的硫原子、一个组氨酸18的咪唑氮原子配位。蛋白链蛋白链血红素c辅基除了由两个轴向配体与蛋白链连接外，卟啉环2,4-位以共价键形式与蛋白链中的两个半胱氨酸连接。二、细胞色素c氧化酶－－细胞色素a和细胞色素a3细胞色素c氧化酶是细胞色素c的氧化剂，它是需氧生物呼吸链中的最后一步氧化还原反应，它将还原态的细胞色素c催化氧化到氧化态的细胞色素c，同时将一分子氧还原为两分子水，反应式为：4Fe(II)-cytc+O2+4H+4Fe(III)-cytc+2H2O细胞色素c氧化酶存在于细胞的线粒体膜上，该酶在催化氧化还原反应的同时还伴随着质子通过膜的转移，即细胞色素c氧化酶同时具有电子转移和质子泵的双重功能。细胞色素c氧化酶是由多个亚基组成的复合蛋白，催化反应活性中心集中在I、II和III三个亚基中，活性中心由低氧化还原电位的细胞色素a和高氧化还原电位的细胞色素a3组成。其中细胞色素a是接受还原态细胞色素c提供电子的部位，而细胞色素a3则是还原氧分子到水分子的部位。此外，细胞色素c氧化酶中还含有锌离子和镁离子。进一步研究发现细胞色素a和细胞色素a3都含有两个金属离子。细胞色素a不仅含有一个以血红素a为辅基的铁血红素中心，还含有一个铜中心（CuA）；而细胞色素a3不仅含有一个以血红素a3为辅基的铁血红素中心，还含有一个铜中心（CuB）。通过各种化学方法的研究，表征了细胞色素c氧化酶活性中心的结构，尤其是金属离子周围的结构。拉曼光谱、ESR等谱学研究表明，血红素a中的铁无论是氧化态还是还原态都处于六配位低自旋状态。铁离子除了与血红素平面的四个氮原子配位之外，轴向两个位置分别被来自于蛋白链中组氨酸侧链上的咪唑氮原子占据。1、细胞色素a细胞色素c氧化酶中血红素a铁的配位结构CuA中心的结构由EXAFS、ESR以及利用同位素标记的氨基酸研究结果，并最终根据X射线衍射晶体结构结果确定为双核结构。双核铜通过蛋白链中两个半胱氨酸侧链上的硫原子桥连，一个铜离子还与一个组氨酸和一个蛋氨酸配位，另一个铜离子还与一个组氨酸和一个主链上的羰基氧原子配位。细胞色素c氧化酶中CuA中心的配位结构半胱氨酸组氨酸蛋氨酸磁性、ESR等研究发现氧化型细胞色素a3中的Fe和Cu之间存在较强的相互作用，推测Fe和Cu之间可能有某种桥连基团存在。这两个非常接近的Fe和Cu氧化还原中心对氧分子的四电子还原过程的顺利完成非常有利。2、细胞色素a3血红素a3中的铁在还原态时为高自旋的五配位构型，除了血红素平面四个氮原子与铁配位外，一个轴向配体是组氨酸的咪唑氮原子，另一个轴向位置为空，因此很容易与CO、CN－等配体结合。谱学及晶体结构研究推测，CuB中心的配位环境中有组氨酸的咪唑氮原子参与配位，在还原态时可能也有一个空位。三、细胞色素b5细胞色素b是一类含有原卟啉的电子传递蛋白，主要存在于线粒体内膜。还原型细胞色素b的α、β和γ特征吸收带分别在555～563nm、523～533nm和420～430nm。细胞色素b5是b类细胞色素中研究最多、了解最清楚的一种蛋白，多见于真核细胞，特别是动物的肝细胞中。细胞色素b5的蛋白链由133个氨基酸残基组成，分子质量约16000Da。细胞色素b5与血红蛋白、肌红蛋白有一定的相似之处，也有明显的不同。在细胞色素b5中，谱学测试、晶体结构、溶液结构研究证实铁离子为配位饱和的六配位构型，因此细胞色素b5难以自动氧化，不易与CO、CN－、N3－等外来配体结合。细胞色素b5中铁无论是氧化态还是还原态都处于低自旋态。细胞色素b5中铁离子除了与卟啉环平面的四个氮原子配位之外，轴向位置被两个组氨酸侧链上的咪唑氮原子占据。X射线衍射晶体结构表明，细胞色素b5中的血红素位于疏水袋中，原卟啉的两个丙酸基指向蛋白表面，处在与水可接触的区域。血红素周围有四个α螺旋链存在，其底部有β折叠片存在，这样就构成了一个桶状疏水空腔，血红素辅基正好位于其中。小结：细胞色素a、细胞色素b、细胞色素c是包含血红素辅基的一类金属蛋白，它们依靠血红素铁的价态变化来进行电子传递。在线粒体内膜上电子传递的顺序为：细胞色素b细胞色素c1细胞色素c细胞色素氧化酶（细胞色素a细胞色素a3）氧分子第二节细胞色素P－450细胞色素P－450是于1958年在鼠肝微粒体中发现的一种以血红素b为辅基的蛋白，它也是b类细胞色素中的一种。与细胞色素c、细胞色素b5等不同的是，细胞色素P－450在生物体系中不是电子传递蛋白，而是一种金属酶，它催化某些有机底物分子的加氧反应。这种b类细胞色素之所以被称之为细胞色素P－450，或简称P－450，是因为其在还原态下的一氧化碳（CO）加合物的Soret特征吸收带出现在450nm处，其中P代表色素。细胞色素P－450的作用（功能）、结构和作用机理在生物体系中，氧分子在酶的催化作用下氧化加合到有机底物分子中去的反应叫做加氧反应，催化该类反应的酶称为加氧酶。自然界存在两种加氧酶：一种是单加氧酶，即将氧分子中两个氧原子中的一个氧原子催化加合到底物分子中，而另一个氧原子被转换为水分子；另一种是双加氧酶，即将氧分子中的两个氧原子都加合到底物分子中。细胞色素P－450属于单加氧酶，催化单加氧反应。反应式为：SH+O2+2H++2eSOH+H2O其中SH为底物分子。细胞色素P－450催化的反应是在底物分子中引入一个羟基，即底物分子进行羟基化反应，这种羟基化反应对各种有机分子在生物体系中的代谢具有重要作用。细胞色素P－450显示出非常广泛的底物分子特异性，底物分子可以包括脂肪环、脂肪链类碳氢化合物以及它们的衍生物、芳香族碳氢化合物及其衍生物等。细胞色素P－450催化的主要反应类型某些有机化合物由于不溶于水，使其在体内难以代谢，而在细胞色素P－450单加氧酶作用下，使这些难代谢物进行羟基化，将其转化成水溶性化合物。然后进一步与其他水溶性物质结合，代谢后排出体外，这一代谢过程对哺乳动物十分重要。例如，在肝微粒体中已经发现多种细胞色素P－450，可将外来有毒化合物、污染物等催化氧化成水溶性物种排出体外，从而起到保护机体不受伤害的作用。但是，也有一些本来没有毒性或毒性较小的化合物经过细胞色素P－450催化引入羟基之后反而变成毒性更大的化合物。生物体系中，在许多重要的代谢和生物合成中，细胞色素P－450起了非常重要的作用。例如，在肾上腺皮质中，细胞色素P－450参与脂的代谢、胆甾醇的氧化等重要过程。这些反应中的氢供体主要有还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）、还原型烟酰胺腺嘌呤核苷酸磷酸盐（NADPH）、还原型黄素蛋白、维生素C等。1、细菌单加氧酶，代表性的是茨酮-5-单氧酶；根据来源的不同，可将细胞色素P－450分为三类：2、肾上腺皮质线粒体单加氧酶，催化的底物分子主要有孕甾酮和11-脱氧皮质甾酮；3、肝线粒体单加氧酶，催化的底物分子种类较多，包括脂肪族化合物、药物分子的羟化等。在细胞色素P－450参与的各种催化羟化反应中，研究最多、了解最清楚的是茨酮-5-单氧酶，反应式为：在黄素蛋白、铁硫蛋白和细胞色素P－450的共同作用下，由烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）作为氢供体，在樟脑（2-茨酮）分子的5-位上进行立体选择性羟基化反应，催化该反应的细胞色素P－450简称为P－450cam。通过ESR、EXAFS等谱学表征，细胞色素P－450的活性中心含有铁和原卟啉，还原型的细胞色素P－450中铁为高自旋，易与O2、CO、CN－等分子或离子结合，并转变为低自旋，这一现象与肌红蛋白类似。X射线衍射晶体结构证明，血红素铁的轴向第五个配体来自于蛋白链上半胱氨酸残基侧链的硫原子。氧化型细胞色素P－450中在没有底物分子存在的条件下，第六配体为水分子，而且在配位水分子附近聚集了数个水分子形成一个水分子簇和物。当有底物分子进入之后，水分子簇和物即被破坏，血红素上方的空间被底物分子所占据。图5.7未结合底物分子的细胞色素P－450血红素活性中心的结构图5.7结合樟脑底物分子的细胞色素P－450血红素活性中心的结构小结：细胞色素P－450是以血红素b为辅基的一类金属蛋白，它是一种金属单加氧酶，可以催化某些有机底物分子的加氧反应，使有机底物分子发生羟基化反应。该酶对于生物体系的代谢具有重要作用。第三节甲烷单加氧酶、双加氧酶自然界存在两种加氧酶：一种是单加氧酶，即将氧分子中两个氧原子中的一个氧原子催化加合到底物分子中，而另一个氧原子被转换为水分子；另一种是双加氧酶，即将氧分子中的两个氧原子都加合到底物分子中。一、甲烷单加氧酶细胞色素P－450能够高效、特异性地催化许多有机化合物的羟基化反应，但是不能催化最简单的碳氢化合物－－甲烷到甲醇的反应。催化氧化甲烷到甲醇的酶称为甲烷单加氧酶。自然界中存在一类以甲烷为营养源的细菌，称为甲烷营养细菌。这类细菌能够氧化甲烷，将其转化为生物体系可利用的碳源，在自然界碳元素的循环过程中具有重要的作用。甲烷的这一转化过程还可以限制并减少甲烷气体排入大气层，从而减小由甲烷气体引起的温室效应。甲烷氧化转化过程的第一步是在甲烷单加氧酶作用下的催化反应，将甲烷转换为甲醇，反应式为：CH4+NADH+H++O2CH3OH+NAD++H2O目前已知的甲烷单加氧酶主要