生物氧化還原反應(yīng)

關(guān)于生物氧化還原反應(yīng)2除了厭氧生物以外，一切生物都需要氧，因此，氧化還原反應(yīng)是生物體內(nèi)的重要反應(yīng)。但氧化還原反應(yīng)并不僅僅局限于生物體的呼吸作用。光合作用，固氮作用以及生物體內(nèi)的許多代謝過(guò)程都涉及到氧化還原反應(yīng)。本章介紹生物氧化還原反應(yīng)過(guò)程中的部分金屬蛋白與金屬酶。第2頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天3本章主要內(nèi)容第一節(jié)生物體的氧化還原反應(yīng)第二節(jié)血紅素蛋白

第三節(jié)鐵蛋白（貯鐵）與鐵傳遞蛋白（運(yùn)送鐵）第四節(jié)鐵硫蛋白

第五節(jié)銅蛋白第六節(jié)維生素B12和B12輔酶第七節(jié)鉬酶—氧化還原酶第3頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天4第一節(jié)生物體的氧化還原反應(yīng)一、分子氧及其活化根據(jù)分子軌道法。氧分子軌道由兩個(gè)氧原子軌道組成：O2[KK（σ2S）2（σ2S*）2（σ2Px）2（∏2Py）2（∏2Pz）2（∏2Py*）1（∏2Pz*）1]第4頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天5若在反鍵軌道上加入一個(gè)電子，則可以成為超氧離子O2-；若在反鍵軌道上加入兩個(gè)電子，則可以成為過(guò)氧離子O22-；若氧分子失去一個(gè)電子，則可以成為雙氧陽(yáng)離子O2+。

O2-和O22-的鍵能比O2低，表明他們的

O-O

鍵能削弱了，故可把O2-和O22-看為雙氧的兩種活化態(tài)。第5頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天6大氣中的氧活性較差，鐵在空氣中緩慢氧化。木材，碳不會(huì)自燃，而一旦燃燒，非常迅速發(fā)生氧化反應(yīng)，表明氧是一個(gè)強(qiáng)氧化劑，只是需在一定溫度下進(jìn)行。（電極電勢(shì)差EO2/H2O=1.23V，O2為強(qiáng)氧化劑，在熱力學(xué)上，有利于氧化生成CO2和H2O，但是實(shí)際上它同大多數(shù)底物在室溫的氣相或均相溶液的反應(yīng)進(jìn)行得很慢，這是由于動(dòng)力學(xué)上的原因）。

O2+H++e?HO2E=-0.32V第6頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天7在生命體內(nèi)，氧具有高度活性，這是由于存在過(guò)渡金屬配合物催化劑的原因。有人認(rèn)為，這是由于O2分子和被氧化物均可和金屬離子反應(yīng)形成三元配合物O2-M-E，其中氧分子與過(guò)渡金屬M(fèi)形成一個(gè)σ鍵，還可能形成d-p∏*（反饋∏鍵），底物E若有對(duì)稱合適的軌道，就可和金屬的d軌道成鍵，形成O2-M-E一個(gè)擴(kuò)展的分子軌道，使電子能順利地從底物轉(zhuǎn)移到氧分子，實(shí)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)。

第7頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天8分子氧與過(guò)渡金屬可以以側(cè)基配位，端基配位和端基角向配位。以側(cè)基配位時(shí)，分子氧的∏*軌道簡(jiǎn)并通過(guò)配體場(chǎng)的作用而消除，這將有利于消除自旋守恒對(duì)反應(yīng)的限制，使電子容易成對(duì)地轉(zhuǎn)移到分子氧的反鍵軌道。如果中心金屬能程度不同地把電子轉(zhuǎn)移給O2，則配位雙氧可變?yōu)槌跣突蜻^(guò)氧型配體，O2就被不同程度地活化了。第8頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天9這種活化方式不消耗外部能量，但配體反應(yīng)能力卻大大加強(qiáng)。當(dāng)然不是任何過(guò)渡金屬都可以使分子氧活化。事實(shí)上只有少數(shù)過(guò)渡金屬配合物可以完全與分子氧鍵合，這取決于金屬和配體的性質(zhì)。第9頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天10二、生物氧化還原作用的類型生物體的氧化還原作用主要有三大類型:

(1)以氧作為末端電子受體的電子傳遞過(guò)程：第10頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天11SH2和S

為底物的還原態(tài)和氧化態(tài)，Cired和Ciox代表一系列傳遞電子物質(zhì)的還原態(tài)和氧化態(tài)，這類反應(yīng)的特點(diǎn)是在末端以前的氧化還原反應(yīng)是一系列電子傳遞鏈，末端由O2接受電子生成水。

相當(dāng)于反應(yīng):2SH2+O22S+2H2O第11頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天12(2)兩類脫氫反應(yīng):

SH2+1/2O2S+H2O

SH2+O2S+H2O2

實(shí)際上這兩個(gè)反應(yīng)要經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)中間氫載體，并以氧作為末端氫受體的體系來(lái)進(jìn)行，實(shí)際上也是一條電子傳遞鏈。第12頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天13AiH2和Ai(I=1,2,3,….,n)分別表示氫載體的還原態(tài)和氧化態(tài)。第13頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天14(3)底物與氧分子的氧原子結(jié)合這類氧化還原反應(yīng)往往要相應(yīng)的加氧酶參與?？傊摎溥^(guò)程中脫去一個(gè)氫原子（即一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子），加氧反應(yīng)常伴有氧分子接受質(zhì)子和電子而被還原為水。生物氧化的主要方式是脫氫作用，在依靠氧氣生存的生物體內(nèi)，從代謝物脫下的氫通過(guò)呼吸鏈的逐步傳遞最后被分子氧接受并生成水。第14頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天15三、氧化還原酶的分類及其催化的反應(yīng)

氧化還原酶是六大酶之一，它們大部分與金屬離子有關(guān)。這類酶在生物體內(nèi)的氧化還原產(chǎn)生能量、解毒及某些生理活性物質(zhì)形成過(guò)程中起重要作用，氧化還原酶習(xí)慣上分為四類。第15頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天161.脫氫酶[輔酶：NAD、NADP，這些酶受氫或提供氫]

脫氫酶S+AH2

A為受氫體，SH2和S為底物還原型和氧化型。大部分脫氫酶需要輔酶，即為結(jié)合酶。脫氫酶的輔酶主要為NAD（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）或NADP（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），少數(shù)為FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）或黃素單核苷酸（FMN）。SH2+A

第16頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天17

這些輔酶起供氫或受氫作用，例如含鋅的L-蘋(píng)果酸脫氫酶可催化蘋(píng)果酸脫氫反應(yīng)：

蘋(píng)果酸脫氫酶L-蘋(píng)果酸

草酰乙酸第17頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天18很多脫氫酶均含金屬離子——金屬酶，如谷氨酸脫氫酶，乳酸脫氫酶均為鋅酶，黃嘌呤脫氫酶為鉬—鐵酶。第18頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天192.氧化酶當(dāng)脫氫酶的氫受體是分子氧時(shí)，稱為氧化酶，氧化酶催化兩類反應(yīng)。

SH2+O2S+H2O2這類酶的催化產(chǎn)物為H2O2，另一類酶催化產(chǎn)物為H2O。SH2+1/2O2

S

+H2O第19頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天203.過(guò)氧化物酶

過(guò)氧化物酶催化以H2O2為氧化劑的氧化還原反應(yīng)。

SH2+H2O2S+2H2O過(guò)氧化氫酶催化H2O2

的歧化反應(yīng)。

2H2O2O2+2H2O過(guò)氧化物酶

過(guò)氧化氫酶

第20頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天214.加氧酶加氧酶催化氧分子的氧原子直接加合到有機(jī)物分子中，分為雙加氧酶和單加氧酶。

雙加氧酶:SH2+O2SO2H2

雙加氧酶

順，順—己二烯二酸

第21頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天22單加氧酶，又稱羥化酶。R3C—H+O2+AH2

R3C—OH+A+H2O

肝微粒體單加氧酶

NADPH為還原態(tài)的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,肝微粒體單加氧酶為一與細(xì)胞色素p450有關(guān)的單加氧酶，p450（存在于肝臟濃度最高）為血紅素輔基酶蛋白。第22頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天23四、呼吸鏈與電子傳遞體

1.呼吸鏈生物體的各種運(yùn)動(dòng)均需要能量，這種能量來(lái)源于糖、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物在體內(nèi)的氧化。這些有機(jī)物在活細(xì)胞內(nèi)氧化分解，產(chǎn)生CO2和H2O并放出能量的作用稱為生物氧化。第23頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天24有機(jī)物在生物體內(nèi)的生物氧化與在體外化學(xué)氧化的產(chǎn)物和能量變化相同，即產(chǎn)物均為CO2和H2O，并釋放出相等的能量，不同的是，生物氧化是在活細(xì)胞內(nèi)由酶催化，經(jīng)一系列的化學(xué)反應(yīng)（分步反應(yīng)）逐步氧化，分次放出能量，這些能量主要以三磷酸腺苷（ATP）等高能化合物的形式儲(chǔ)存起來(lái)，供需要時(shí)使用。故ATP是生物體的能量“儲(chǔ)存庫(kù)”和“轉(zhuǎn)運(yùn)站”。第24頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天25在生物氧化過(guò)程中，糖、脂、氨基酸等代謝物首先經(jīng)過(guò)以NAD（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）等為輔酶的脫氫酶催化脫氫，脫出的氫經(jīng)一個(gè)或多個(gè)遞氫體沿一定方向傳遞，當(dāng)氫和電子被傳到細(xì)胞色素b時(shí)，H+留在溶液中，電子則繼續(xù)通過(guò)細(xì)胞色素體系和細(xì)胞色素氧化酶?jìng)鬟f到氧分子，使分子氧激活產(chǎn)生O22-，再與H+結(jié)合生成H2O，在氧與電子傳遞過(guò)程中，有三處放出能量，這些能量通過(guò)氧化磷酸化作用產(chǎn)生ATP，這個(gè)體系稱為電子傳遞體系或呼吸鏈。第25頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天26SH2S+NADHH+O22-

NAD脫氫酶

細(xì)胞色素b

e

O2氧化酶

4H++O22-=2H2O+Q

產(chǎn)生的能用于ATP的形成（儲(chǔ)能）ADPATP第26頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天27

2、電子傳遞體(多種)

在呼吸鏈中，有一類稱為電子傳遞體的物質(zhì)，它們通過(guò)自身的氧化還原作用傳遞氫和電子，把呼吸鏈起始的脫氫酶和末端的氧化酶連接起來(lái)。主要包括黃素蛋白、細(xì)胞色素、鐵硫蛋白和某些脂溶性維生素。

生物電子傳遞通常為長(zhǎng)程傳遞，長(zhǎng)度約10埃第27頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天28(1)黃素蛋白含黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）或黃素單核苷酸（FMN）輔基，黃素蛋白有的是脫氫酶，有的是氧化酶，還有的為電子傳遞體。(2)細(xì)胞色素是含鐵卟啉輔基的蛋白，其主要功能是傳遞電子。在某些情況下，還具有氧化酶或加氧酶的功能。細(xì)胞色素的種類很多，從高等植物中至少可以分離出5類，即細(xì)胞色素b、c1、c、a和a3。第28頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天(3)鐵硫蛋白包含一個(gè)或多個(gè)Fe—S簇，主要功能是傳遞電子。(4)脂溶性維生素中，最主要的電子傳遞體是富酶Q，它通過(guò)結(jié)構(gòu)的可逆改變傳遞電子。第29頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天30

第二節(jié)細(xì)胞色素鐵蛋白可分為血紅素蛋白和非血紅素蛋白。血紅蛋白和肌紅蛋白都含有血紅素輔基（鐵（Ⅱ）卟啉），人體中70%的鐵以血紅蛋白形式存在，第四章介紹了作為輸送、貯存氧的血紅蛋白和肌紅蛋白（結(jié)合蛋白）本節(jié)介紹在生物氧化還原過(guò)程中作為酶或電子傳遞體的一些血紅素蛋白。第30頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天31血紅素輔基（鐵（Ⅱ）卟啉）第31頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天32一、細(xì)胞色素

細(xì)胞的色素（Cytochrome）即細(xì)胞中顯色的分子有a，b和c三大類，根據(jù)其還原型光譜最大吸收峰的位置來(lái)分類，還原態(tài)有3個(gè)吸收峰，分別為α、β、γ譜帶，其中的α譜帶從細(xì)胞色素a（570nm）、b(555-560nm)到c(548-560nm)變短。波長(zhǎng)的長(zhǎng)短與卟啉環(huán)側(cè)鏈的不同取代基相關(guān)第32頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天33血紅素a、b、c輔基的結(jié)構(gòu)第33頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天34細(xì)胞色素廣泛存在于細(xì)菌、酵母、植物、無(wú)脊椎動(dòng)物、脊椎動(dòng)物和人的組織中，動(dòng)物中主要存在于心臟及其它活躍的運(yùn)動(dòng)肌中，如鳥(niǎo)類和昆蟲(chóng)的飛翔肌中較高。細(xì)胞色素是一類血紅素蛋白，其基本功能是通過(guò)分子中的血紅素鐵的價(jià)態(tài)的可逆變化在生物體內(nèi)起電子及氫的傳遞作用。目前從已知的細(xì)胞色素有50余種。不同的細(xì)胞色素具有不同的性能。第34頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天351.細(xì)胞色素c細(xì)胞色素c分子較小，易于結(jié)晶，其組成和結(jié)構(gòu)已研究清楚。細(xì)胞色素c：血紅素c+相應(yīng)蛋白構(gòu)成。血紅素c以共價(jià)鍵與蛋白鏈中的Cys相聯(lián)(α譜帶的最大吸收在548~560nm)（上）血紅素c的結(jié)構(gòu)圖。（左）細(xì)胞色素c的血紅素與肽鏈結(jié)合示意圖第35頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天36人們研究了從小麥到人類共50多種不同生物來(lái)源的細(xì)胞色素c的一級(jí)結(jié)構(gòu)（氨基酸數(shù)目及排列順序），發(fā)現(xiàn)不同生物，肽鏈的組成是不同的，且生物親緣越遠(yuǎn)，差別越大。如人與猩猩的細(xì)胞色素c分子，各有104個(gè)氨基酸殘基，這些氨基酸殘基的種類及排列順序大體相同，但人與馬相比，氨基酸殘基的種類就有12處不同。第36頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天37共同點(diǎn)：盡管不同生物的細(xì)胞色素各不相同，但各個(gè)生物的100多個(gè)氨基酸殘基（肽鏈~蛋白鏈）中，有35個(gè)氨基酸殘基是各種生物共有的；另外，每條肽鏈含鐵卟啉，鐵卟啉周圍的配體及其傳遞電子的功能也是相同的。

第37頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天38以馬心細(xì)胞色素c為例說(shuō)明細(xì)胞色素c的空間結(jié)構(gòu)和電子傳遞過(guò)程，馬心的細(xì)胞色素c相對(duì)分子量是13500，有一條104個(gè)氨基酸殘基肽鏈包圍著血紅素C輔基（鐵卟啉），血紅素輔基位于洞穴內(nèi)。第38頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天馬心細(xì)胞色素c結(jié)構(gòu)圖從蛋白鏈的結(jié)構(gòu)分析得知，血紅素位于疏水空腔中，與外界的連接有兩個(gè)疏水孔道（水不能進(jìn)入而電子可以自由通行）。這兩個(gè)通道可能分別連接細(xì)胞色素c還原酶和氧化酶第39頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天細(xì)胞色素c與肌紅蛋白結(jié)構(gòu)上的差別1、輔基不同肌紅蛋白的輔基為血紅素b，6，7位的丙酸基處于疏水袋外2、中心離子配位數(shù)不同血紅素c為飽和六配位，而肌紅蛋白為五配位3、中心離子的自旋狀態(tài)不同血紅素c在還原態(tài)和氧化態(tài)下都是低自旋，而肌紅蛋白還原態(tài)下為高自旋，氧化態(tài)下才是低自旋第40頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天41二．細(xì)胞色素p450（簡(jiǎn)稱p450

)屬一類b族細(xì)胞色素，用p450表示，以別于其它b族細(xì)胞色素（血紅蛋白、肌紅蛋白）藥物、農(nóng)藥、工業(yè)污染物等通過(guò)呼吸，口及皮膚進(jìn)入人和動(dòng)物體內(nèi)，動(dòng)物體通過(guò)消化道排除大部分污染物，通過(guò)尿液排出大部分水溶性污染及毒素。但脂溶性物都很難由以上兩途徑排出，人體肝臟彌補(bǔ)了這一缺陷，肝臟有很強(qiáng)的解毒功能，它主要通過(guò)肝臟中的p450混合功能氧化酶系統(tǒng)發(fā)揮作用。第41頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天42P450是一種特殊的血紅素蛋白，它的還原型（Fe（II））與CO結(jié)合在450nm處有最大吸收峰，因而命名為細(xì)胞色素p450，實(shí)質(zhì)上，p450是一類具有不同分子量不同性能的血紅素蛋白。第42頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天431.P450的功能P450廣泛存在于動(dòng)物、植物及微生物體內(nèi)，以致被稱為自然界中無(wú)處不在的酶，它參與許多代謝過(guò)程，人體肝、腎、腦及皮膚中濃度最高，目前所知，p450在動(dòng)物體中（哺乳動(dòng)物）可以催化近300種各種脂溶性化合物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)、羥化、環(huán)氧化等，各種脂溶性化合物經(jīng)p450催化氧化還原后，變?yōu)樗苄曰衔铮?jīng)腎臟、尿液排出體外——解毒作用，這是有利的一方面；但另一方面，有些化合物經(jīng)p450催化氧化還原反應(yīng)后，毒性反而更高，如黃曲霉素、亞硝胺、致癌物3，4—苯并芘等，毒性不大，但催化氧化還原后，毒性大大的增加。第43頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天442.兩類含p450的單加氧酶體系由傳遞電子鏈不同將p450分二類。A、2H++O2+S+2eH2O+SO

NAD（P）H+H+

NAD（P）++2H++2e煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

產(chǎn)生的2電子經(jīng)NAD（P）、黃素蛋白還原酶FAD、還原蛋白中的鐵硫中心Fe2S2，把電子傳到p450血紅素活性中心，p450血紅素催化上述反應(yīng)。第44頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天45B、

2H++O2+S+2eH2O+SO

單加氧

NAD（P）H+H+

NAD（P）++2H++2e

煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

產(chǎn)生的2個(gè)電子經(jīng)更復(fù)雜的黃素蛋白還原酶（黃素腺嘌呤二核苷酸FAD、黃素單核苷酸FMN），把電子轉(zhuǎn)移到p450血紅素中，p450催化上述氧化還原反應(yīng)發(fā)生。

第45頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天463.P450的結(jié)構(gòu)

一類M分子量不同，生化免疫特征不同，催化能力不同的血紅素蛋白的總稱細(xì)胞色素p450（特殊血紅素蛋白、催化近300種脂溶性化合物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)）是一類具有不同分子量、不同生化和免疫特征及不同催化能力的血紅素蛋白的總稱。半胱氨酸：α氨基—β—硫基丙酸第46頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天47大多數(shù)p450相對(duì)分子質(zhì)量為50000，含氨基酸殘基400多，每一條蛋白鏈都與一個(gè)血紅素（卟啉鐵）相連，平面四個(gè)氮原子與Fe（Ⅱ）配位，第5配位原子是蛋白質(zhì)鏈上半胱氨酸殘基的硫，不同的p450，第5配位的蛋白鏈的半胱氨酸硫的位置不同，第6配體現(xiàn)仍未確定。已測(cè)定多種p450的結(jié)構(gòu)，本書(shū)列出三種p450結(jié)構(gòu)，即單胞菌的莰酮—5—外羥化酶的p450（p450cam），兔肝p450

LM2和鼠肝p450的某些結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)表5—3第47頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天48

表5-3三種p450某些結(jié)構(gòu)特征P450類型相對(duì)分子質(zhì)量氨基酸殘基數(shù)軸向配體半胱氨酸位置P450cam46200412357P450LM253100466436P450b55900491438第48頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天494.雙氧活化和底物羥化作用有機(jī)物與氧反應(yīng)，需高溫，在生物體內(nèi)，由于有p450酶的催化，可使氧分子活化，現(xiàn)人們普遍認(rèn)為在生物體內(nèi)發(fā)生如下反應(yīng)：

第49頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天50

P96

圖5-9

總反應(yīng)：(1).高自旋的p450（Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）氧化/還原態(tài)）與底物RH結(jié)合形成低自旋的RHFe（Ⅲ）。在靜止?fàn)顟B(tài)，高自旋與低自旋p450處于平衡態(tài)

:HiFe（Ⅲ）t2g3eg2t2g5eg0low

Fe（Ⅱ）t2g4eg2t2g6eg0

低自旋p450的第6配位可能是含—OH基團(tuán)（如氨基酸中的OH），而高自旋態(tài)的p450中，只有第5配位為半胱氨酸的硫，第6配位空著，這時(shí)的鐵高出卟啉環(huán)平面，高自旋p450與底物RH結(jié)合。第50頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天51(2).NAD（P）H—P450（煙酰胺腺）還原酶使NAD（P）H的電子轉(zhuǎn)移至p450血紅素鐵卟啉，使Fe3+還原為Fe2+。(3).分子氧結(jié)合到p450上，形成三元配合物(Fe2+為中心，卟啉N（4個(gè)），半胱氨酸的s及分子氧)。(4).第二個(gè)電子離開(kāi)NAD（P）H還原酶，形成不穩(wěn)定的過(guò)氧化物[Fe—O—O]。(5).過(guò)氧化物與H+結(jié)合，形成H2O和配合物RH（Fe—O）。(6).ROH脫出后，又形成了氧化型p450，使循環(huán)閉合。第51頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天52細(xì)胞色素p450可能的催化羥化過(guò)程第52頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天53底物分子SH羥基化反應(yīng)的可能過(guò)程第53頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天545.P450的模擬研究

p450的M~50000,氨基酸殘基400多，每條蛋白鏈與一個(gè)血紅素輔基相連，平面四個(gè)N原子配位，第5配位為半胱氨酸s，第6配位未確定。P450具有室溫催化氧化，但天然p450結(jié)構(gòu)復(fù)雜。石油化工生產(chǎn)中，由烷烴、芳烴和烯烴氧化制取，環(huán)氧化物及酯需復(fù)雜和苛刻的工藝，p450具有高效專一催化多種有機(jī)物和分子應(yīng)，因p450不易制取，人們提出了多種模擬體系，主要有三種組分：催化劑、氧化劑和添加劑。第54頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天55P450含血紅素b輔基，血紅素輔基與金屬卟啉結(jié)構(gòu)相近，很多人研究含鐵卟啉體系；自證實(shí)p450活性中心含硫基配位后，許多模擬改用卟啉加硫醇體系，來(lái)進(jìn)行有機(jī)分子的常溫氧化，均取得成效。血紅素b第55頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天56三、過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶

多數(shù)以血紅素輔基（鐵卟啉）的酶，蛋白為糖蛋白1.過(guò)氧化物酶催化反應(yīng)SH2+H2O2S+2H2O

過(guò)氧化物酶

第56頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天57過(guò)氧化物酶普遍存在于動(dòng)植物中，表5-5（5—7）列出了幾種過(guò)氧化物酶的某些性質(zhì)，催化反應(yīng)：

SH2+H2O2S+2H2O

從組成看，均為結(jié)合酶，{全酶=酶蛋白+輔助因子，輔助因子有輔基（與蛋白結(jié)合牢）和輔酶（與蛋白結(jié)合不牢）}。多數(shù)過(guò)氧化物酶的輔基為血紅素（鐵（Ⅲ）卟啉），酶蛋白多為糖蛋白，而卟啉鐵（Ⅲ）為近平面，軸向第5配體為組氨酸咪唑氮原子，第6配位可能為H2O。第57頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天58位于配位中心的Fe（Ⅲ）也有高自旋與低自旋之分，如從植物中分離純化的過(guò)氧化物酶（高鐵血紅素輔基）在低PH值時(shí)為高自旋，高PH值時(shí)為低自旋。Fe（Ⅲ）t2g5eg0Fe（Ⅲ）t2g3eg2

PH下降

PH升高~11

第58頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天59細(xì)胞色素c過(guò)氧化物酶催化H2O2分解為H2O。

2（cyt.c）Fe（Ⅱ）+H2O2

2（cyt.c）Fe（Ⅲ）+2H2O

注：Ccp：細(xì)胞色素過(guò)氧化酶：為細(xì)胞色素a和a3復(fù)合體輔基為血紅素a（比較血紅素b和血紅素C）p92~93（大本）

Ccp

H+

第59頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天60而氯過(guò)氧化物酶（ClP）催化Cl-

氧化為ClO-

ClPCl-+H2O2

ClO-+H2O第60頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天61對(duì)大多數(shù)組織來(lái)說(shuō)，H2O2有害，H2O2可氧化含巰基的酶或蛋白質(zhì)，使之失去活力，將體內(nèi)不飽和脂肪酸氧化為過(guò)氧化物，會(huì)產(chǎn)生疾病，如發(fā)生溶血癥等，過(guò)氧化物酶催化H2O2轉(zhuǎn)化為H2O，從而消除了毒性。第61頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天622.過(guò)氧化氫酶過(guò)氧化氫酶活性不及過(guò)氧化物酶，但它催化H2O2H2O+O2是高效的，過(guò)氧化氫酶為結(jié)合蛋白，由高鐵血紅素輔基和相應(yīng)的蛋白組成，相對(duì)分子量24000，每個(gè)分子含4個(gè)亞基，每一個(gè)亞基含一個(gè)高自旋正鐵血紅素鐵（Ⅲ）的軸向配體可能是氨基酸和H2O。第62頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天63第三節(jié)鐵蛋白（貯鐵）與鐵傳遞蛋白（運(yùn)送鐵）為非血紅素鐵蛋白，不含血紅素輔基，但含鐵，在這一類蛋白質(zhì)中，鐵有多種存在形式，按生理功能的不同，將非血紅素鐵蛋白分成如下幾類：（四類）第63頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天64表5—6一些非血紅素蛋白的生理功能非血紅素鐵蛋白生理功能來(lái)源鐵蛋白鐵傳遞蛋白卵清鐵傳遞蛋白乳鐵傳遞蛋白

貯存、輸送鐵動(dòng)物組織血清卵清乳紅氧還蛋白鐵氧還蛋白腎上腺皮質(zhì)鐵氧還蛋白

傳遞電子細(xì)菌葉綠體、細(xì)菌腎上腺皮質(zhì)蚯蚓血紅蛋白

載氧蚯蚓、星蟲(chóng)順烏頭酸酶鄰苯二酚雙加氧酶氫酶

催化動(dòng)植物細(xì)菌細(xì)菌、藻類第64頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天65一、鐵蛋白主要存在與動(dòng)物脾臟、肝臟和骨髓中，在植物葉綠體及某些細(xì)菌中也發(fā)現(xiàn)有鐵蛋白。主要功能為貯存鐵。鐵蛋白以Fe（Ⅲ）離子的微團(tuán)為核心，微團(tuán)的組織成分大致是[（FeOOH）8（FeO?PO3H2）]微團(tuán)中有2000~4000個(gè)鐵離子，外圍被24個(gè)相同亞單位組成的脫鐵鐵蛋白包圍著。

第65頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天66鐵貯存：Fe2+-eFe3+

nFe3++脫鐵鐵蛋白鐵蛋白

鐵釋放：鐵蛋白+ne

脫鐵鐵蛋白+nFe2+

[O]

第66頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天67二.鐵傳遞蛋白

存在：動(dòng)物體和細(xì)胞中；功能：運(yùn)送Fe（Ⅲ）；組成：金屬糖蛋白；1945年首次在人血清中發(fā)現(xiàn)。第67頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天68

存在：主要血清中。鐵傳遞蛋白為金屬糖蛋白，不同動(dòng)物的鐵傳遞蛋白，其氨基酸組成和糖含量不同。相對(duì)分子量是67000~74000，人血清鐵傳遞蛋白是由一條含676個(gè)氨基酸殘基的肽鏈和兩條相同的糖支鏈組成，主要功能是運(yùn)送鐵（Ⅲ）離子。第68頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天69鐵傳遞蛋白的生理功能：主要是在體內(nèi)運(yùn)送Fe3+

離子，鐵傳遞蛋白存在兩個(gè)結(jié)構(gòu)域，（~600—700氨基酸殘基，M~7萬(wàn)，2個(gè)相同糖支鏈），各有一個(gè)結(jié)合金屬的部位，分別稱為A位和B位，A位結(jié)合的鐵主要運(yùn)送到骨髓和胎盤(pán)，B位結(jié)合的鐵主要運(yùn)送到肝細(xì)胞、小腸粘摸和其它組織細(xì)胞。第69頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天70食物和飲料中鐵主要以Fe3+形式存在，需要在胃腸道內(nèi)還原為Fe2+才能被十二指腸及空腸上段的粘膜細(xì)胞吸收。一部分從小腸進(jìn)入血液的Fe2+，經(jīng)銅藍(lán)蛋白催化，轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+，在CO2存在下與脫鐵蛋白結(jié)合，然后隨血液運(yùn)送到骨髓細(xì)胞中，用于血紅蛋白的合成，有些被送到各組織細(xì)胞中用于合成酶；其余被運(yùn)送到肝、脾臟貯存起來(lái)。第70頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天71Fe（Ⅲ）

Fe（Ⅱ）

血液

Fe（Ⅲ）

Fe（Ⅲ）+脫鐵蛋白

小腸、胃中

還原

十二指腸

等粘摸

[O]

CO2脫鐵蛋白

（鐵傳遞蛋白）

{

A部位B部位骨髓細(xì)胞（用于血紅蛋白合成），或各組織用于合成酶肝脾臟（貯存Fe（Ⅲ））

第71頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天72第四節(jié)鐵硫蛋白

傳遞電子，參與生物體內(nèi)各種氧化還原反應(yīng)為一類含F(xiàn)e—S發(fā)色團(tuán)的非血紅素鐵蛋白，利用鐵的可變價(jià)，進(jìn)行電子傳遞作用。根據(jù)氧化還原反應(yīng)中心的組成和結(jié)構(gòu)，鐵硫蛋白可分為三大類：1.Fe(Cys)4

蛋白；2.Fe2S*2(Cys)4

蛋白；3.Fe4S*4(Cys)4

蛋白.(Cys-半胱氨酸)第72頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天731.Fe(Cys)4蛋白—紅氧還蛋白以Fe(Cys)4為中心的蛋白呈紅色，故稱紅氧還蛋白，主要存在于細(xì)菌中，分子量并不高：~6000，一般只含50~60個(gè)氨基酸殘基，在肽鏈中，4個(gè)半胱氨酸的硫基硫配位。第73頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天74圖5—11為紅氧還蛋白（產(chǎn)生小球菌）結(jié)構(gòu)示意圖。4個(gè)半胱氨酸的s與Fe配位Cys的6，9，38和41位s，第6，9，38和41位的半胱氨酸硫基硫與Fe（Ⅲ）配位功能：傳遞電子。

圖5—11為紅氧還蛋白

圖5-12植物型鐵氧還蛋白結(jié)構(gòu)示意圖第74頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天752.Fe2S*2(cys)4蛋白—植物型鐵氧還蛋白Fe2S*2(cys)4來(lái)源于植物的葉綠體，參與光合作用，故稱為植物型鐵氧還蛋白，S*表示無(wú)機(jī)S成活性S，肽鏈上只有5個(gè)半胱氨酸巰基硫與鐵配位（Cys：18，39，44，47，77）無(wú)機(jī)S作為摻連S原子。植物型鐵氧還蛋白的氨基酸殘基有9個(gè)，其中有5個(gè)Cys，分別位于18，39，44，47，77，均用S與Fe配位。第75頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天76三、Fe4S*4(cys)4蛋白—高電位鐵硫蛋白和細(xì)菌型鐵氧還蛋白該類鐵硫蛋白以Fe4S*4(cys)4為活性中心，來(lái)源不同，含活性中心數(shù)可能不同。如：從酒色著色菌分離出的鐵硫蛋白含1個(gè)Fe4S*4(cys)4活性中心，4個(gè)Fe和4個(gè)S*交替連接成立方烷結(jié)構(gòu)，每一個(gè)Fe與一個(gè)cys連結(jié)（巰基）產(chǎn)生于小球菌鐵氧還蛋白分子含有二個(gè)Fe4S*4(cys)4活性中心，二者相距1.2nm，作用為傳遞電子。酒色著色菌活性中心的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5-14；產(chǎn)生于小球菌鐵氧還蛋白的活性中心見(jiàn)圖5-15

第76頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天77第五節(jié)銅蛋白銅蛋白的生理功能：載氧~血藍(lán)蛋白，傳遞電子，貯存銅，作為氧化酶。人體各組織的正常代謝都需要銅，肝、腦、心、腎和脾中含銅高。銅以配合物的形式存在。膽和膽汁是過(guò)量銅排出的渠道和介質(zhì)。第77頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天78銅蛋白有三種類型，即Ⅰ型銅、Ⅱ型銅和Ⅲ型銅。它們的光譜特性和磁學(xué)性質(zhì)不同。第78頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天79含Ⅰ型銅的銅蛋白在可見(jiàn)光600nm處有吸收峰，本身顯藍(lán)色，這可能是L→M荷移光譜，Ⅰ型銅是順磁性的，Ⅰ型銅處于畸變四面體配位環(huán)境中，有較高的氧化還原電位。Ⅱ型銅對(duì)吸收光譜沒(méi)有明顯作用，也是順磁性，接近四方錐構(gòu)型。Ⅲ型銅是反磁性，早期認(rèn)為銅處于一價(jià)狀態(tài)，現(xiàn)有認(rèn)為，成對(duì)的Cu(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)由于強(qiáng)烈的自旋-自旋相互作用而不產(chǎn)生EPR（電子順磁共振）訊號(hào)。

第79頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天80有些銅蛋白只含一種類型的銅如質(zhì)體藍(lán)素—Ⅰ型銅蛋白，牛超氧化物歧化酶—Ⅱ型銅蛋白；有些銅蛋白則含兩種或三種類型的銅，如漆酶—含Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型銅的銅蛋白。第80頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天81第六節(jié)

維生素B12和B12輔酶維生素B12是重要的含鈷的生物化合物，是天然存在的最復(fù)雜的配位化合物之一。存在于動(dòng)物體及細(xì)菌中，動(dòng)物體內(nèi)維生素B12是從食物中來(lái)，另外腸道細(xì)菌也可合成vitaminB12，人和動(dòng)物本身不能合成維生素B12，維生素B12治療惡性貧血有效。1948年分離出它的氰化配合物，經(jīng)結(jié)構(gòu)測(cè)定，其組成和結(jié)構(gòu)已較清楚。第81頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天82一．維生素B12及其衍生物的結(jié)構(gòu)維生素B12的結(jié)構(gòu)如圖5—21，它是含咕啉環(huán)配體的鈷（Ⅲ）配合物，咕啉有4個(gè)吡咯環(huán)，吡咯環(huán)間由三個(gè)亞甲基CH2—和一個(gè)α—碳原子直接連結(jié)。第82頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天83配位于低自旋鈷（Ⅲ）（3d6t2g6eg0）的4個(gè)吡咯氮原子幾乎在同一平面上；第5位配體位于咕啉環(huán)平面的下方是核苷酸的苯并咪唑氮；第6位配體可變，用x表示。凡第5位配位的配體為二甲基苯并咪唑核苷酸者統(tǒng)稱為鈷胺素（cobalamins）。如第6位配體是CN-，稱氰鈷胺素，即維生素B12，第6配體為H2O，稱水合鈷胺素或B12a或H2O—B12，若第6配體為甲基，得到B12甲基衍生物甲基鈷胺素Me—B12，第6位為腺嘌呤核苷酸，稱為腺苷鈷胺素（Ado—B12），它是一種活性很高的輔酶，又稱為輔酶B12。

第83頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天84維生素B12的結(jié)構(gòu)第84頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天85甲基鈷胺素和腺苷鈷胺素都有Co—C鍵，是自然界中罕見(jiàn)的有機(jī)金屬化合物。哺乳動(dòng)物肝臟中的維生素B12近80%以輔酶形式存在，維生素B12在體內(nèi)的功能為通過(guò)輔酶B12參與碳的代謝作用，促進(jìn)核酸和蛋白質(zhì)合成，葉酸儲(chǔ)存，硫醇活化，骨磷脂形成，促進(jìn)紅細(xì)胞發(fā)育與成熟。第85頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天86二、鈷胺素的性質(zhì)與功能1.鈷胺素的氧化還原作用

上述鈷胺素都是反磁性物質(zhì)，具有低自旋d6構(gòu)型，Co的氧化態(tài)為+3，在適當(dāng)條件下，Co（Ⅲ）可以還原為Co（Ⅱ）或Co（Ⅰ）。如用弱還原劑抗壞血酸，可以使鈷胺素中Co（Ⅲ）還原為Co（Ⅱ）胺素（順磁性），常用B12r表示；如用四硼氫化鈉或四氫鋁鋰還原，則可使Co（Ⅱ）胺素進(jìn)一步還原為Co（Ⅰ）胺素B12s。第86頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天87B12s(Co（Ⅰ）)胺素是強(qiáng)親核試劑，通過(guò)氧化加成反應(yīng)生成相應(yīng)的B12衍生物。如：

B12s

+5’—脫氧腺苷甲苯磺酸鹽

Ado—B12+對(duì)甲苯磺酸鹽（第6位配體）

腺苷鈷胺素（輔酶B12）

第87頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天88

B12s+CH3X

Me—B12+X

（第6位配體）第88頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天892.甲基轉(zhuǎn)移反應(yīng)

B12重要功能是參與合成蛋氨酸在B12作用下，可使一分子的甲基轉(zhuǎn)移到另一分子上。

CH3—THF+HSCH2CH2CHCOOH

THF+CH3SCH2CH2CHCOOH

NH2

NH2

（甲基四氫葉酸）

（高半胱氨酸）

（蛋氨酸）

第89頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天90機(jī)理：

蛋氨酸

高半胱氨酸第90頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天91從一些微生物可分離出甲基B12（Me—B12），它參與汞甲基化反應(yīng)，使汞鹽轉(zhuǎn)化為劇毒甲基汞。Me-B12+Hg2+

Me—Hg—Me+H2O—B12

從某些細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)，Me—B12是合成甲烷的良好底物：CH3—B12+(M)

（輔酶）

B12r+CH3—(M)CH3—(M)+H2

(M)—H+CH4第91頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天923.分子內(nèi)重排反應(yīng)：R2HR1—C—C—R3HH

輔酶B12

HR2R1—C—C—R3HH第92頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天93三.模擬物研究維生素B12在體內(nèi)主要功能為通過(guò)輔酶B12參與碳的代謝作用，促進(jìn)核酸和蛋白質(zhì)合成，葉酸儲(chǔ)存，硫醇活化，骨磷脂形成，促進(jìn)紅細(xì)胞的發(fā)育與成熟。B12最為顯著的特點(diǎn)之一是形成烷基衍生物的能力，烷基鈷胺素中的烷基R碳原子與鈷原子主要以σ鍵合，屬于有機(jī)金屬化合物。一般來(lái)說(shuō)，過(guò)渡金屬σ鍵合的烷基衍生物是不穩(wěn)定的，而烷基鈷胺素則比較穩(wěn)定，從而使人們?nèi)パ芯科浞€(wěn)定性。研究是采取模型化合物。

第93頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天94目前已合成了一些鈷的σ鍵衍生物，如圖5—25中幾個(gè)例子，這些模擬化合物的骨架結(jié)構(gòu)與卟啉相似，與Co配位的平面配體有3—4個(gè)雙鍵，具有一定的∏共軛作用，對(duì)模型化合物的研究加深了人們對(duì)輔酶B12鈷胺素催化功能的認(rèn)識(shí)，研究結(jié)果可歸納如下：第94頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天951.Co—R鍵裂解可采取以下三種方式。Co—RCo（Ⅰ）+R+

正碳離子途徑Co—RCo（Ⅱ）+R自由基途徑Co—RCo（Ⅲ）+R-

負(fù)碳離子途徑

無(wú)論采取哪一種途徑，所需活化能都不高。第95頁(yè),共107頁(yè)，2024年2月25日，星期天962.咕啉中等程度的∏共軛作用，在穩(wěn)定性和催化功能方面都很重