生物氧化还原反应中的金属蛋白和金属酶讲稿.ppt

生物氧化还原反应中的金属蛋白和金属酶第一页，讲稿共一百五十四页哦除了厌氧生物以外，一切生物都需要氧，因此，氧化还原反应是生物体内的重要反应。但氧化还原反应并不仅仅局限于生物体的呼吸作用。光合作用，固氮作用以及生物体内的许多代谢过程都涉及到氧化还原反应。本章介绍生物氧化还原反应过程中的部分金属蛋白与金属酶。第二页，讲稿共一百五十四页哦第一节第一节 生物体的氧化还原反应生物体的氧化还原反应一一、分子氧及其活化、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根据分子轨道法，氧分子轨道由两个氧原子轨道组成：道组成：O2KK（2S）2（2S*）2（2Px）2（2Py）2（2Pz）2（2Py*）1（2Pz*）1第三页，讲稿共一百五十四页哦若在反键轨道上加入一个电子，则可以若在反键轨道上加入一个电子，则可以成为超氧离子成为超氧离子O2-；若在反键轨道上加入两个电子，则可以若在反键轨道上加入两个电子，则可以成为过氧离子成为过氧离子O22-；若氧分子失去一个电子，则可以成为双若氧分子失去一个电子，则可以成为双氧阳离子氧阳离子O2+。第四页，讲稿共一百五十四页哦O2-和和O22-的键能比的键能比O2低，表明他们的低，表明他们的 O-O 键键能削弱了，故可把能削弱了，故可把O2-和和O22-看为双氧的两种看为双氧的两种活化态活化态。第五页，讲稿共一百五十四页哦大气中的氧活性较差，铁在空气中缓慢氧化，木材，碳不会自燃。但一旦燃烧，却非常迅速发生氧化反应，表明氧是一个强氧化剂，只是需在一定温度下进行。从分子氧的电极电势看，O2为强氧化剂（EO2/H2O=1.23V）。在热力学上，有利于与有机物反应生成CO2和H2O，但是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，这是由于动力学动力学上的原因。第六页，讲稿共一百五十四页哦第七页，讲稿共一百五十四页哦四步单电子还原的后四步虽然容易接受一个电子与有机底物反应，但其第一步在热力学上是非常困难的（-0.32V），这一反应的自由能G0。通常双氧的还原是按（2）双电子或（1）单电子步骤进行，因此造成O2反应惰性。按（按（3）的方式四电子一步还原很少遇到。）的方式四电子一步还原很少遇到。双电子反应的电位不高（双电子反应的电位不高（0.68V）。）。第八页，讲稿共一百五十四页哦第二个理由是由于自旋守恒（Spin Conservation）的问题。自旋守恒原理认为产物自旋守恒的基元反应（ELEMENTARY REACTION）较易进行，是自旋允许（SPIN ALLOWED）反应；而产物自旋不守恒的基元反应，要有附加的电子成对能，活化能较大，是自旋禁阻的（SPIN FORBIDDEN）反应。第九页，讲稿共一百五十四页哦第十页，讲稿共一百五十四页哦而多数可氧化的有机底物而多数可氧化的有机底物没有未成对电子，没有未成对电子，是单线态是单线态（Singlet State）分子。分子。三重线态三重线态+单线态单线态 单线态单线态+单线态单线态基态氧分子由于存在两个自旋平行的单基态氧分子由于存在两个自旋平行的单电子，是三重线态（电子，是三重线态（Triplet state)的。的。氧分子氧化有机底物分子的反应可表示为：氧分子氧化有机底物分子的反应可表示为：第十一页，讲稿共一百五十四页哦 因此，三重线态的氧分子与单线态的有机底物因此，三重线态的氧分子与单线态的有机底物分子的反应常常是自旋禁阻的。分子的反应常常是自旋禁阻的。如果要使自旋守恒，就需要将反键轨道上的两如果要使自旋守恒，就需要将反键轨道上的两个单电子从新组合。如图所示，可产生两种最低激个单电子从新组合。如图所示，可产生两种最低激发态，完成这种重排需要非常高的能量。发态，完成这种重排需要非常高的能量。第十二页，讲稿共一百五十四页哦为了提高分子氧的活性，就必须设法为了提高分子氧的活性，就必须设法产生单线态氧，或者产生单线态氧，或者利用过渡金属催化剂利用过渡金属催化剂的配位作用改变的配位作用改变O O2 2的电子分布的电子分布。对于反应条件温和的生物体系，后一对于反应条件温和的生物体系，后一种方法显然比较合适。种方法显然比较合适。第十三页，讲稿共一百五十四页哦在生命体内，氧具有在生命体内，氧具有高度活性高度活性。生物体中，生物体中，O2分子和被氧化物可和金分子和被氧化物可和金属离子反应形成三元配合物属离子反应形成三元配合物 O2-M-E，其，其中氧分子与过渡金属中氧分子与过渡金属M形成一个形成一个键，还可键，还可能形成能形成d*的反馈的反馈键。键。底物底物E若有对称合适的轨道，也可和若有对称合适的轨道，也可和金属的金属的d轨道成键，从而在整个底物金属轨道成键，从而在整个底物金属分子氧三元配合物重形成一个扩展的分分子氧三元配合物重形成一个扩展的分子轨道，使电子能顺利地从底物转移到氧子轨道，使电子能顺利地从底物转移到氧分子，实现氧化还原反应分子，实现氧化还原反应。第十四页，讲稿共一百五十四页哦分子氧与过渡金属可以以侧基配位，端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。基配位和端基角向配位。以侧基配位时，分子氧的以侧基配位时，分子氧的*轨道简并通轨道简并通过配体场的作用而消除，这将有利于消除自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。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如果中心金属能程度不同地把电子转移给给O2，则配位双氧可变为超氧型或过氧型配，则配位双氧可变为超氧型或过氧型配体，体，O2就被不同程度地活化了。就被不同程度地活化了。第十五页，讲稿共一百五十四页哦这种活化方式不消耗外部能量，但这种活化方式不消耗外部能量，但配体反应能力却大大加强。配体反应能力却大大加强。当然不是任何过渡金属都可以使分当然不是任何过渡金属都可以使分子氧活化。事实上只有少数过渡金属配子氧活化。事实上只有少数过渡金属配合物可以完全与分子氧键合，这取决于合物可以完全与分子氧键合，这取决于金属和配体的性质。金属和配体的性质。第十六页，讲稿共一百五十四页哦二、生物氧化还原作用的类型二、生物氧化还原作用的类型生物体的氧化还原作用主要有生物体的氧化还原作用主要有三三大类型大类型:(1)(1)以氧作为末端电子受体的电子传递过程：以氧作为末端电子受体的电子传递过程：第十七页，讲稿共一百五十四页哦SHSH2 2和和S S为底物的还原态和氧化态，为底物的还原态和氧化态，C Cired和和C Ciox代表代表一系列传递电子物质的还原态和氧化态，这类反应一系列传递电子物质的还原态和氧化态，这类反应的特点是在末端以前的氧化还原反应是一系列电子的特点是在末端以前的氧化还原反应是一系列电子传递链，末端由传递链，末端由O O2 2接受电子生成水。接受电子生成水。相当于反应相当于反应:2SH2+O2 2S+2H2O 第十八页，讲稿共一百五十四页哦(2)(2)两类脱氧反应两类脱氧反应:SH2 +1/2 O2 S +H2O SH2 +O2 S +H2O2 第十九页，讲稿共一百五十四页哦实际上这两个反应要经过一个或多个中间氢载体，并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。电子传递链。AiH2和和Ai(I=1,2,3,.,n)分别表示氢载体的还原分别表示氢载体的还原态和氧化态。态和氧化态。第二十页，讲稿共一百五十四页哦(3)(3)底物与氧分子的氧原子结合底物与氧分子的氧原子结合这类氧化还原反应往往要相应的加氧酶参与。这类氧化还原反应往往要相应的加氧酶参与。总之，脱氢过程中脱去一个氢原子（即一个总之，脱氢过程中脱去一个氢原子（即一个质子和一个电子），加氧反应常伴有氧分子质子和一个电子），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。步传递最后被分子氧接受并生成水。第二十一页，讲稿共一百五十四页哦三、氧化还原酶的分类及其催化的反应三、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，氧化还原酶习惯形成过程中起重要作用，氧化还原酶习惯上分为四类。上分为四类。第二十二页，讲稿共一百五十四页哦1.脱氢酶脱氢酶 辅酶：辅酶：NAD、NADP，这些酶受氢，这些酶受氢或提供氢或提供氢 脱氢酶脱氢酶S +AH2 A为受氢体，为受氢体，SH2和和S为底物还原型和氧化型。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。脱氢大部分脱氢酶需要辅酶，即为结合酶。脱氢酶的辅酶主要为酶的辅酶主要为NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）或酸）或 NADP（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），少数为少数为FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）或黄素单核（黄素腺嘌呤二核苷酸）或黄素单核苷酸（苷酸（FMN）。）。nSH2 +A 第二十三页，讲稿共一百五十四页哦这些辅酶起供氢或受氢作用，例如含锌的这些辅酶起供氢或受氢作用，例如含锌的L-苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶可催化苹果酸脱氢反应：可催化苹果酸脱氢反应：苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶L-苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸很多脱氢酶均含金属离子（金属酶），如谷氨酸很多脱氢酶均含金属离子（金属酶），如谷氨酸脱氢酶，乳酸脱氢酶均为锌酶，黄嘌呤脱氢酶为脱氢酶，乳酸脱氢酶均为锌酶，黄嘌呤脱氢酶为钼钼铁酶。铁酶。第二十四页，讲稿共一百五十四页哦2.氧化酶氧化酶当脱氢酶的氢受体是分子氧时，称为氧化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。酶，氧化酶催化两类反应。SH2 +O2 S +H2O2这类酶的催化产物为这类酶的催化产物为H2O2，另一类酶催化产物为另一类酶催化产物为H2O。SH2 +1/2 O2 S +H2O第二十五页，讲稿共一百五十四页哦3.过氧化物酶过氧化物酶过氧化物酶催化以过氧化物酶催化以H2O2为氧化剂的氧化还为氧化剂的氧化还原反应。原反应。SH2 +H2 O2 S +2 H2O过氧化氢酶催化过氧化氢酶催化H2O2 的歧化反应的歧化反应。2 H2 O2 O2 +2 H2O过氧化物酶过氧化物酶 过氧化氢酶过氧化氢酶 第二十六页，讲稿共一百五十四页哦4.加氧酶加氧酶加氧酶催化氧分子的氧原子直接加合到有加氧酶催化氧分子的氧原子直接加合到有机物分子中，分为机物分子中，分为双双加氧酶和加氧酶和单单加氧加氧 酶。酶。双加氧酶双加氧酶:SH2 +O2 S O2H2 双加氧酶双加氧酶 O HOH+O2*CO*O HCO*O H 顺，顺顺，顺己二烯二酸己二烯二酸 第二十七页，讲稿共一百五十四页哦单加氧酶单加氧酶，又称羟化酶。，又称羟化酶。R3CH+O2+AH2 R3COH+A+H2O 肝微粒体单加氧酶肝微粒体单加氧酶 NADPH 为还原态的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。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肝微粒体单加氧酶为一与细胞色素p450有关的单加有关的单加氧酶，氧酶，p450（存在于肝脏浓度最高）为血红素辅基酶（存在于肝脏浓度最高）为血红素辅基酶蛋白。蛋白。第二十八页，讲稿共一百五十四页哦四四、呼吸链与电子传递体呼吸链与电子传递体 1.1.呼吸链呼吸链生物体的各种运动均需要能量，这生物体的各种运动均需要能量，这种能量来源于糖、脂肪、蛋白质等有机种能量来源于糖、脂肪、蛋白质等有机物在体内的氧化。物在体内的氧化。这些有机物在活细胞内氧化分解，这些有机物在活细胞内氧化分解，产生产生CO2和和H2O并放出能量的作用称为并放出能量的作用称为生生物氧化物氧化。第二十九页，讲稿共一百五十四页哦有机物在生物体内的生物氧化与在体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，即产外化学氧化的产物和能量变化相同，即产物均为物均为CO2和和H2O，并释放出相等的能量。，并释放出相等的能量。不同的是，生物氧化是在活细胞内由不同的是，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）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。逐步氧化，分次放出能量。这些能量主要以三磷酸腺苷（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，供需要时等高能化合物的形式储存起来，供需要时使用，故使用，故ATP是生物体的能量是生物体的能量“储存库储存库”和和“转运站转运站”。第三十页，讲稿共一百五十四页哦在生物氧化过程中，糖、脂、氨基酸在生物氧化过程中，糖、脂、氨基酸等代谢物首先经过以等代谢物首先经过以NAD（烟酰胺腺嘌呤（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）等为辅酶的脱氢酶催化脱氢，二核苷酸）等为辅酶的脱氢酶催化脱氢，脱出的氢经一个或多个递氢体沿一定方向脱出的氢经一个或多个递氢体沿一定方向传递。传递。当氢和电子被传到细胞色素当氢和电子被传到细胞色素b时，时，H+留在溶液中，电子则继续通过细胞色素体留在溶液中，电子则继续通过细胞色素体系和细胞色素氧化酶传递到氧分子，使分系和细胞色素氧化酶传递到氧分子，使分子氧激活产生子氧激活产生O22-，再与，再与H+结合生成结合生成H2O。第三十一页，讲稿共一百五十四页哦在氧与电子传递过程中，有在氧与电子传递过程中，有三三处放处放出能量，这些能量通过氧化磷酸化作用出能量，这些能量通过氧化磷酸化作用产生产生ATP，这个体系称为，这个体系称为电子传递体系电子传递体系或或呼吸链。呼吸链。第三十二页，讲稿共一百五十四页哦第三十三页，讲稿共一百五十四页哦SH2 S+NADH H+O22-NAD脱氢酶脱氢酶 细胞色素细胞色素b e 氧化酶氧化酶 4H+O22-=2 H2O +Q 产生的能用于产生的能用于ATP的形成（储能）的形成（储能）ADP ATP第三十四页，讲稿共一百五十四页哦 2.电子传递体电子传递体 (多种多种)在呼吸链中，有一类称为电子传在呼吸链中，有一类称为电子传递体的物质，它们通过自身的氧化还递体的物质，它们通过自身的氧化还原作用传递氢和电子，把呼吸链起始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。的脱氢酶和末端的氧化酶连接起来。主要包括主要包括黄素蛋白、细胞色素、黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白和某些脂溶性维生素铁硫蛋白和某些脂溶性维生素。第三十五页，讲稿共一百五十四页哦黄素蛋白黄素蛋白含黄素腺嘌呤二核苷酸含黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）或黄素单核苷酸（）或黄素单核苷酸（FMN）辅基。）辅基。一类黄素蛋白是脱氢酶，如含铁的一类黄素蛋白是脱氢酶，如含铁的 NADH 脱氢酶和琥珀酸脱氢酶脱氢酶和琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase)；另一类是氧化酶，如黄嘌呤氧化酶；另一类是氧化酶，如黄嘌呤氧化酶；黄素蛋白还作为电子传递体，如黄素蛋白还作为电子传递体，如 NADH 脱氢酶在呼吸链中传递氢和电子。脱氢酶在呼吸链中传递氢和电子。第三十六页，讲稿共一百五十四页哦细胞色素细胞色素是含铁卟啉辅基的蛋白，其主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多，从高等植物中至少可以分离出5种，即种，即细胞色素细胞色素b、c1、c、a和和a3。铁硫蛋白铁硫蛋白包含一个或多个包含一个或多个 FeS簇，主簇，主要功能是传递电子。要功能是传递电子。脂溶性维生素脂溶性维生素中，最主要的电子传递体中，最主要的电子传递体是辅酶是辅酶Q，它通过结构的可逆改变传递电子。，它通过结构的可逆改变传递电子。第三十七页，讲稿共一百五十四页哦五、生物体内的氧化还原电位五、生物体内的氧化还原电位在研究生物体系的氧化还原作用时，在研究生物体系的氧化还原作用时，氧化氧化还原电位还原电位仍然是它重要的定量参数，它不仅可仍然是它重要的定量参数，它不仅可以衡量反应的可能性，也可以确定能量的转换以衡量反应的可能性，也可以确定能量的转换关系。关系。第三十八页，讲稿共一百五十四页哦因为酶在因为酶在pH=0的强酸性条件下没有活性，的强酸性条件下没有活性，在 生 物 化 学 中 习 惯 上 不 是 以在 生 物 化 学 中 习 惯 上 不 是 以 p H=0（即（即H+=1mol/L）而是以）而是以pH=7.0作为氧化还原电作为氧化还原电对的标准氧化还原电位。对的标准氧化还原电位。E0=E0 0.059 pH (25)E0=E0 0.061 pH (37)这种标准称为这种标准称为次次标准氧化还原电对，记号标准氧化还原电对，记号为为E0，它与普通的，它与普通的标准氧化还原电位关系为：标准氧化还原电位关系为：第三十九页，讲稿共一百五十四页哦氧氧化化还还原原对对E(V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/FMNH2-0.30FAD/FADH2-0.06Cyt b Fe3+/Fe2+0.04（或或0.10）Q10/Q10H20.07Cyt c1 Fe3+/Fe2+0.22Cyt c Fe3+/Fe2+0.25Cyt a Fe3+/Fe2+0.29Cyt a3 Fe3+/Fe2+0.551/2 O2/H2O 0.82呼呼吸吸链链中中各各种种氧氧化化还还原原对对的的标标准准氧氧化化还还原原电电位位第四十页，讲稿共一百五十四页哦在各种氧化还原体系中，它们在各种氧化还原体系中，它们仅与其电位表仅与其电位表中最相邻近的物质起氧化还原反应中最相邻近的物质起氧化还原反应。在呼吸链上。在呼吸链上的各个成员也严格地按氧化还原能力的大小顺序进的各个成员也严格地按氧化还原能力的大小顺序进行反应。行反应。E0较大的氧化型并不越级去氧化离它较大的氧化型并不越级去氧化离它较远的较远的E0较小的还原型。较小的还原型。在呼吸链中，电子依次在一连串从低电位在呼吸链中，电子依次在一连串从低电位到高电位的氢或电子载体间传递，最后把电子到高电位的氢或电子载体间传递，最后把电子传递给分子氧而形成最终产物传递给分子氧而形成最终产物水。每前进水。每前进一步就放出一些能量，这些能量使一步就放出一些能量，这些能量使ADP转变转变ATP。第四十一页，讲稿共一百五十四页哦第二节第二节 血红素蛋白血红素蛋白（细胞色素（细胞色素c 血红素血红素c类；类；细胞色素细胞色素p450 血红素血红素b类）类）铁蛋白可分为铁蛋白可分为血红素蛋白血红素蛋白和和非血红素蛋白非血红素蛋白。第四章介绍了作为输送、贮存氧的血红蛋第四章介绍了作为输送、贮存氧的血红蛋白和肌红蛋白（结合蛋白），血红蛋白和肌红白和肌红蛋白（结合蛋白），血红蛋白和肌红蛋白都含有蛋白都含有血红素辅基（铁（血红素辅基（铁（）卟啉）卟啉。本节介绍在生物氧化还原过程中作为本节介绍在生物氧化还原过程中作为酶或酶或电子传递体电子传递体的一些的一些血红素蛋白血红素蛋白。第四十二页，讲稿共一百五十四页哦血红素血红素B（铁（铁（）卟啉）卟啉）第四十三页，讲稿共一百五十四页哦一一.细胞色素细胞色素 细胞色素广泛存在于动植物组织中，细胞色素广泛存在于动植物组织中，动物中主要存在于心脏及其它活跃的运动动物中主要存在于心脏及其它活跃的运动肌中，如鸟类和昆虫的飞翔肌中较高。肌中，如鸟类和昆虫的飞翔肌中较高。目前从已知的细胞色素有目前从已知的细胞色素有50余种，不余种，不同的细胞色素具有不同的性能。同的细胞色素具有不同的性能。细胞色素是一类细胞色素是一类血红素蛋白血红素蛋白，其基本，其基本功能是通过分子中的血红素功能是通过分子中的血红素铁的价态的可铁的价态的可逆变化逆变化在生物体内起在生物体内起电子及氢的传递作用电子及氢的传递作用。第四十四页，讲稿共一百五十四页哦1930年左右，年左右，Keilin弄清了细胞色素有弄清了细胞色素有a、b 和和c三大类。三大类。他根据其还原型光谱的最大吸收峰的他根据其还原型光谱的最大吸收峰的位置来分类，还原态有三个吸收谱带，即位置来分类，还原态有三个吸收谱带，即、谱带。谱带。细胞色素细胞色素a 的吸收波长最长，其的吸收波长最长，其谱带谱带的吸收峰大于的吸收峰大于570mm；细胞色素细胞色素b 为为555560nm；而细胞色素而细胞色素c的吸收波长最短，其的吸收波长最短，其a 带带吸收峰在吸收峰在548560nm。波长的变化与这三大类的卟啉环侧链波长的变化与这三大类的卟啉环侧链上取代基的亲电性质有关。上取代基的亲电性质有关。第四十五页，讲稿共一百五十四页哦1.细胞色素细胞色素c 细胞色素细胞色素c分子较小，易于结晶，其组成分子较小，易于结晶，其组成和结构已研究清楚。和结构已研究清楚。细胞色素细胞色素c：血红素：血红素C+相应蛋白构成。相应蛋白构成。血红素血红素c以共价键与蛋白链中的以共价键与蛋白链中的Cys相联相联(谱带的最大吸收在谱带的最大吸收在548560 nm)第四十六页，讲稿共一百五十四页哦人们研究了从小麦到人类共人们研究了从小麦到人类共50多种不同生物多种不同生物来源的细胞色素来源的细胞色素c的一级结构（氨基酸数目的一级结构（氨基酸数目及排列顺序），发现及排列顺序），发现不同生物，肽链的组成不同生物，肽链的组成是不同的是不同的，且生物亲缘越远差别越大。如人，且生物亲缘越远差别越大。如人与猩猩的细胞色素与猩猩的细胞色素c分子各有分子各有104个氨基酸残个氨基酸残基，这些氨基酸残基的种类及排列顺序大体基，这些氨基酸残基的种类及排列顺序大体相同，但人与马相比，氨基酸残基的种类就相同，但人与马相比，氨基酸残基的种类就有有12处不同。处不同。第四十七页，讲稿共一百五十四页哦共同点共同点：尽管不同生物的细胞色素各不相：尽管不同生物的细胞色素各不相同，但各个生物的同，但各个生物的100多个氨基酸残基（肽多个氨基酸残基（肽链链蛋白链）中，有蛋白链）中，有35个氨基酸残基是各种个氨基酸残基是各种生物共有的；另外，每条肽链含铁卟啉，生物共有的；另外，每条肽链含铁卟啉，铁卟啉周围的配体及其传递电子的功能也铁卟啉周围的配体及其传递电子的功能也是相同的。是相同的。第四十八页，讲稿共一百五十四页哦以马心细胞色素以马心细胞色素c为例说明细胞色为例说明细胞色素素c的空间结构，马心的细胞色素的空间结构，马心的细胞色素c相对相对分子量是分子量是13500，有一条，有一条104个氨基酸残个氨基酸残基肽链包围着基肽链包围着血红素血红素C辅基辅基（铁卟啉）（铁卟啉）第四十九页，讲稿共一百五十四页哦第五十页，讲稿共一百五十四页哦号残基居于血红素的一边，号残基居于血红素的一边，残基居于血红素的另一边，残基居于血红素的另一边，号残基折回，形成罩着血号残基折回，形成罩着血红素顶端的一条带子。红素顶端的一条带子。第五十一页，讲稿共一百五十四页哦第五十二页，讲稿共一百五十四页哦第五十三页，讲稿共一百五十四页哦血红素与蛋白质通过硫醚键共价结血红素与蛋白质通过硫醚键共价结合，肽链中的半胱氨酸（合，肽链中的半胱氨酸（Cys-14)和和(Cys-17)的巯基硫分别与血红素的两个的巯基硫分别与血红素的两个乙烯基相连。乙烯基相连。轴向第五配体为组氨酸轴向第五配体为组氨酸(His-18)的的咪唑氮，轴向第六配体为蛋氨酸咪唑氮，轴向第六配体为蛋氨酸(Met-80)的甲基硫。的甲基硫。酪氨酸酪氨酸(Tyr-48和和59)通过氢键与血通过氢键与血红素的丙酸基相连。红素的丙酸基相连。第五十四页，讲稿共一百五十四页哦2.细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶细胞色素细胞色素a 和细胞色素和细胞色素a3，很难分离，很难分离，它们的复合体在呼吸链中作为末端酶紧接它们的复合体在呼吸链中作为末端酶紧接在细胞色素在细胞色素 c 后面，因此细胞色素后面，因此细胞色素 a 和和 a3 合称为细胞色素合称为细胞色素 c 氧化酶。氧化酶。它氧化细胞色素它氧化细胞色素 c 并使并使 O2 还原为还原为 H2O。第五十五页，讲稿共一百五十四页哦细胞色素细胞色素a 和和a3的辅基是的辅基是血红素血红素A。第五十六页，讲稿共一百五十四页哦血红素血红素A与血红素与血红素B（亚铁原卟啉（亚铁原卟啉IX）的主要区别是第的主要区别是第2 和第和第8 位的取代基不同。位的取代基不同。细胞色素细胞色素a 具有一个配位完全的血红具有一个配位完全的血红素素A，它的轴向配位位置由两个组氨酸咪，它的轴向配位位置由两个组氨酸咪唑占据。细胞色素唑占据。细胞色素a 的铁，的铁，Fe(II)和和Fe(III)都是低自旋。都是低自旋。细胞色素细胞色素a3的血红素的血红素A 的一个轴向配的一个轴向配体是组氨酸咪唑，另一个轴向位置是空的，体是组氨酸咪唑，另一个轴向位置是空的，所以能和所以能和O2结合，促使底物氧化。细胞色结合，促使底物氧化。细胞色素素a3的铁，在的铁，在Fe(II)价态时是高自旋，在价态时是高自旋，在Fe()价态时是高自旋和低自旋的热平衡价态时是高自旋和低自旋的热平衡混合物。混合物。第五十七页，讲稿共一百五十四页哦细胞色素细胞色素c 氧化酶不同于细胞色素氧化酶不同于细胞色素 c 与与 细胞色素细胞色素 b，细胞色素，细胞色素c 氧化酶中的细胞色氧化酶中的细胞色素素a3的铁是配位不饱和的，它还空着一个配的铁是配位不饱和的，它还空着一个配位位置，所以能与位位置，所以能与CN 等结合而引起中毒。等结合而引起中毒。CN 配位后的细胞色素配位后的细胞色素a3 便不能再被还原，便不能再被还原，使呼吸链中断，导致机体死亡。使呼吸链中断，导致机体死亡。氰化物中毒的急救方法之一是使中毒者氰化物中毒的急救方法之一是使中毒者吸人亚硝酸异戊酯，其目的在于把体内部分吸人亚硝酸异戊酯，其目的在于把体内部分血红蛋白迅速氧化为高铁血红蛋白，而后者血红蛋白迅速氧化为高铁血红蛋白，而后者再与再与CN形成对人畜无害的稳定的氰合高铁形成对人畜无害的稳定的氰合高铁血红蛋白。血红蛋白。第五十八页，讲稿共一百五十四页哦3.细胞色素细胞色素bb族细胞色素所含的辅基为族细胞色素所含的辅基为铁原卟啉铁原卟啉IX（血红素（血红素B)，它们的氧化还原电位较，它们的氧化还原电位较低，低，E 00。其天然状态的血红素铁是。其天然状态的血红素铁是低自旋的。轴向配体是两个氨基酸残基，低自旋的。轴向配体是两个氨基酸残基，因此因此b族细胞色素难以自动氧化。族细胞色素难以自动氧化。第五十九页，讲稿共一百五十四页哦二细胞色素二细胞色素p450（简称（简称p450)属一类属一类b族细胞色素，用族细胞色素，用p450表示，以别表示，以别于其它于其它b族细胞色素（血红蛋白、肌红蛋白）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强的解毒功能，它主要通过肝脏中的p450混合混合功能氧化酶系统发挥作用。功能氧化酶系统发挥作用。第六十页，讲稿共一百五十四页哦 P450是一种特殊的血红素蛋白，它的是一种特殊的血红素蛋白，它的还原型还原型（Fe（）与与CO结合在结合在450nm处处有最大吸收峰，因而命名为细胞色素有最大吸收峰，因而命名为细胞色素p450。实质上，细胞色素实质上，细胞色素p450（特殊血红蛋（特殊血红蛋白、催化近白、催化近300种脂溶性化合物进行氧化种脂溶性化合物进行氧化还原反应）是一类具有不同分子量、不同还原反应）是一类具有不同分子量、不同生化和免疫特征及不同催化能力的血红蛋生化和免疫特征及不同催化能力的血红蛋白的总称。白的总称。第六十一页，讲稿共一百五十四页哦1.P450 的功能的功能P450广泛存在于动物、植物及微生物体内，以广泛存在于动物、植物及微生物体内，以致被称为自然界中无处不在的酶，它参与许多致被称为自然界中无处不在的酶，它参与许多代谢过程，人体肝、肾、脑及皮肤中浓度最高，代谢过程，人体肝、肾、脑及皮肤中浓度最高，目前所知，目前所知，p450在动物体中（哺乳动物）可以在动物体中（哺乳动物）可以催化催化近近300种各种种各种脂溶性化合物进行氧化还原脂溶性化合物进行氧化还原反应，如反应，如羟化、环氧化等。各种脂溶性化合物羟化、环氧化等。各种脂溶性化合物经经p450催化氧化还原后，变为水溶性化合物，催化氧化还原后，变为水溶性化合物，经肾脏、尿液排出体外经肾脏、尿液排出体外解毒作用，这是有解毒作用，这是有利的一方面；但另一方面，有些化合物经利的一方面；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，如黄曲催化氧化还原反应后，毒性反而更高，如黄曲霉素、亚硝胺等，毒性不大，但催化氧化还原霉素、亚硝胺等，毒性不大，但催化氧化还原后，毒性大大的增加。后，毒性大大的增加。第六十二页，讲稿共一百五十四页哦2.两类含两类含p450的单加氧酶体系的单加氧酶体系由传递电子链不同将由传递电子链不同将p450分二类。分二类。A、细菌和线粒体体系、细菌和线粒体体系2H+O2 +S +2e H2O +SO NAD（P）H +H+NAD（P）+2H+2e第六十三页，讲稿共一百五十四页哦烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）产生的）产生的2电子经黄素蛋白还原酶电子经黄素蛋白还原酶FAD、还原酶蛋白中的铁、还原酶蛋白中的铁硫中心硫中心Fe2S2，把电子传到，把电子传到p450血红素活性中心，血红素活性中心，最后通过最后通过p450使底物实现羟化。使底物实现羟化。第六十四页，讲稿共一百五十四页哦B、微粒体单加酶体系、微粒体单加酶体系2H+O2 +S +2e H2O +SO 单加氧单加氧 NAD（P）H +H+NAD（P）+2H+2e 第六十五页，讲稿共一百五十四页哦烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）产生的）产生的2个电子经更复杂的黄素蛋白还原酶（黄素腺嘌呤个电子经更复杂的黄素蛋白还原酶（黄素腺嘌呤二核苷酸二核苷酸FAD、黄素单核苷酸、黄素单核苷酸FMN），把电子），把电子转移到转移到p450血红素中，最后通过血红素中，最后通过p450使底物使底物实现羟化。实现羟化。第六十六页，讲稿共一百五十四页哦3.P450的结构的结构 对对P450的结构曾做过许多研究。研的结构曾做过许多研究。研究得最多的是来自假单包菌的莰酮究得最多的是来自假单包菌的莰酮-5-外外羟化酶的羟化酶的P450。现将。现将P450cam、P450 LM2(来自兔肝微粒体来自兔肝微粒体)和和P 450b(来自来自鼠肝鼠肝)的某些结构特征列于下表中。的某些结构特征列于下表中。第六十七页，讲稿共一百五十四页哦三种三种P 450的某些结构特征的某些结构特征P 450类型类型相对分子相对分子质量质量氨基酸残氨基酸残基数基数轴向配体轴向配体半胱半胱氨酸在肽氨酸在肽链上的位链上的位置置P 450 cam46 200412357P 450 LM253 100466436P 450 b55 900491438第六十八页，讲稿共一百五十四页哦大多数大多数p450相对分子质量为相对分子质量为50000，含氨，含氨基酸残基基酸残基400多，每一条蛋白链都与一个多，每一条蛋白链都与一个血红素（卟啉铁）相连，平面血红素（卟啉铁）相连，平面四四个氮原个氮原子与子与Fe（）配位，第配位，第5配位原子是蛋白配位原子是蛋白质链上半胱氨酸残基的硫，不同的质链上半胱氨酸残基的硫，不同的p450，第第5配位的蛋白链的半胱氨酸硫的位置不配位的蛋白链的半胱氨酸硫的位置不同，第同，第6配体现仍未确定。配体现仍未确定。第六十九页，讲稿共一百五十四页哦4.双氧活化和底物羟化作用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，由有机物与氧反应，需高温，在生物体内，由于有于有p450酶的催化，可使氧分子活化，现人酶的催化，可使氧分子活化，现人们普遍认为在生物体内发生如下反应：们普遍认为在生物体内发生如下反应：总反应总反应：P450NADPHNADPR-H+O2+H+ROH+H2O第七十页，讲稿共一百五十四页哦(1).高自旋的高自旋的p450（Fe（）与底物）与底物RH结合结合形成低自旋的（形成低自旋的（RH）Fe（）。在静止状态，）。在静止状态，高自旋与低自旋高自旋与低自旋p450处于平衡态处于平衡态:High Fe（）t2g3eg2 t2g5eg0 low 低自旋低自旋p450的第的第6配位可能是含配位可能是含OH基团（如基团（如氨基酸中的氨基酸中的OH），而高自旋态的），而高自旋态的p450中只有中只有第第5配位为半胱氨酸的硫，第配位为半胱氨酸的硫，第6配位空着，这时配位空着，这时的铁高出卟啉环平面。的铁高出卟啉环平面。当底物结合到蛋白链的疏水部位时，使平当底物结合到蛋白链的疏水部位时，使平衡移向高自旋状态，这就有利于下一步催化循衡移向高自旋状态，这就有利于下一步催化循环，使铁还原，因为高自旋环，使铁还原，因为高自旋P450的氧化还原电的氧化还原电位比低自旋位比低自旋P450高高0.1V。第七十一页，讲稿共一百五十四页哦(2).NAD（P）HP450还原酶使还原酶使NAD（P）H的的电子转移至电子转移至p450血红素铁卟啉，使血红素铁卟啉，使Fe3+还原为还原为Fe2+。(3).分子氧结合到分子氧结合到p450上，形成三元配合物上，形成三元配合物（RH）Fe（）O2(Fe2+为中心，卟啉为中心，卟啉N（4个），半胱氨酸的个），半胱氨酸的S及分子氧及分子氧)。(4).第二个电子离开第二个电子离开NAD（P）H还原酶，形成还原酶，形成不稳定的过氧化物不稳定的过氧化物（RH）Fe（）O22-。(5).过氧化物与过氧化物与H+结合，形成结合，形成H2O和配合物和配合物(RH)Fe()=O。(6).ROH脱出后，又形成了氧化型脱出后，又形成了氧化型p450，使循环，使循环闭合。闭合。第七十二页，讲稿共一百五十四页哦第七十三页，讲稿共一百五十四页哦Fe（）（P450）+RH Fe（）（P450）(RH)e 2H+Fe（）（P450）(RH)O2 O2 Fe（P450）(RH)e(O2 Fe)（P450）(RH)Fe（）（）（P450）+ROH +H2O 第七十四页，讲稿共一百五十四页哦三过氧化物酶和过氧化氢酶三过氧化物酶和过氧化氢酶 1.1.过氧化物酶过氧化物酶催化反应催化反应SH2 +H2 O2 S +2 H2O 过氧化物酶过氧化物酶 第七十五页，讲稿共一百五十四页哦 从组成看，均为结合酶，从组成看，均为结合酶，全酶全酶=酶酶蛋白蛋白+辅助因子辅助因子，辅助因子有辅基（与，辅助因子有辅基（与蛋白结合牢）和辅酶（与蛋白结合不蛋白结合牢）和辅酶（与蛋白结合不牢）牢）。多数过氧化物酶都含高铁血红素辅多数过氧化物酶都含高铁血红素辅基，多数辅基是基，多数辅基是Fe()原卟啉原卟啉IX，酶蛋，酶蛋白多为糖蛋白，白多为糖蛋白，Fe()的轴向配体是组的轴向配体是组氨酸的咪唑氮，另一个轴向配体可能是氨酸的咪唑氮，另一个轴向配体可能是小分子。小分子。第七十六页，讲稿共一百五十四页哦位于配位中心的位于配位中心的Fe（）也有高自旋与低也有高自旋与低自旋之分，如从植物中分离纯化的过氧化自旋之分，如从植物中分离纯化的过氧化物酶（高铁血红素辅基）在物酶（高铁血红素辅基）在低低PH值时为高值时为高自旋，自旋，高高PH值时为低自旋值时为低自旋。Fe（）t2g5eg0 Fe（）t2g3eg2 P