生物氧化还原反应中的金属蛋白和金属酶精选PPT.ppt

生物氧化还原反应中的金属蛋白和金属酶第1页，讲稿共154张，创作于星期二除了厌氧生物以外，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2页，讲稿共154张，创作于星期二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3页，讲稿共154张，创作于星期二若若在在反反键键轨轨道道上上加加入入一一个个电电子子，则则可可以以成为超氧离子成为超氧离子O2-；若若在在反反键键轨轨道道上上加加入入两两个个电电子子，则则可可以以成为过氧离子成为过氧离子O22-；若若氧氧分分子子失失去去一一个个电电子子，则则可可以以成成为为双双氧阳离子氧阳离子O2+。第4页，讲稿共154张，创作于星期二O2-和和O22-的的键键能能比比O2低低，表表明明他他们们的的O-O键键能能削削弱弱了了，故故可可把把O2-和和O22-看看为为双双氧氧的的两两种种活化态活化态。第5页，讲稿共154张，创作于星期二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，这是由于动动力力学学上的原因。第6页，讲稿共154张，创作于星期二第7页，讲稿共154张，创作于星期二四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8页，讲稿共154张，创作于星期二第二个理由是由于自旋守恒（SpinConservation）的问题。自旋守恒原理认为产物自旋守恒的基元反应（ELEMENTARYREACTION）较易进行，是自旋允许（SPINALLOWED）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（SPINFORBIDDEN）反应。第9页，讲稿共154张，创作于星期二第10页，讲稿共154张，创作于星期二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没有未成对电子，子，是单线态是单线态（SingletState）分子。分子。三重线态三重线态+单线态单线态单线态单线态+单线态单线态基基态态氧氧分分子子由由于于存存在在两两个个自自旋旋平平行行的的单单电子，是三重线态（电子，是三重线态（Tripletstate)的。的。氧分子氧化有机底物分子的反应可表示氧分子氧化有机底物分子的反应可表示为：为：第11页，讲稿共154张，创作于星期二因因此此，三三重重线线态态的的氧氧分分子子与与单单线线态态的的有有机机底底物分子的反应常常是自旋禁阻的。物分子的反应常常是自旋禁阻的。如如果果要要使使自自旋旋守守恒恒，就就需需要要将将反反键键轨轨道道上上的的两两个个单单电电子子从从新新组组合合。如如图图所所示示，可可产产生生两两种种最最低低激激发发态态，完成这种重排需要非常高的能量。完成这种重排需要非常高的能量。第12页，讲稿共154张，创作于星期二为为了了提提高高分分子子氧氧的的活活性性，就就必必须须设设法法产产生生单单线线态态氧氧，或或者者利利用用过过渡渡金金属属催催化剂的配位作用改变化剂的配位作用改变O O2 2的电子分布的电子分布。对对于于反反应应条条件件温温和和的的生生物物体体系系，后后一一种方法显然比较合适。种方法显然比较合适。第13页，讲稿共154张，创作于星期二在生命体内，氧具有在生命体内，氧具有高度活性高度活性。生生物物体体中中，O2分分子子和和被被氧氧化化物物可可和和金金属属离离子子反反应应形形成成三三元元配配合合物物O2-M-E，其其中中氧氧分分子子与与过过渡渡金金属属M形形成成一一个个键键，还还可可能形成能形成d*的反馈的反馈键。键。底底物物E若若有有对对称称合合适适的的轨轨道道，也也可可和和金金属属的的d轨轨道道成成键键，从从而而在在整整个个底底物物金金属属分分子子氧氧三三元元配配合合物物重重形形成成一一个个扩扩展展的的分分子子轨轨道道，使使电电子子能能顺顺利利地地从从底底物物转转移移到到氧氧分分子，实现氧化还原反应子，实现氧化还原反应。第14页，讲稿共154张，创作于星期二分分子子氧氧与与过过渡渡金金属属可可以以以以侧侧基基配配位位，端端基配位和端基角向配位。基配位和端基角向配位。以以侧侧基基配配位位时时，分分子子氧氧的的*轨轨道道简简并并通通过过配配体体场场的的作作用用而而消消除除，这这将将有有利利于于消消除除自自旋旋守守恒恒对对反反应应的的限限制制，使使电电子子容容易易成成对对地地转转移到分子氧的反键轨道。移到分子氧的反键轨道。如如果果中中心心金金属属能能程程度度不不同同地地把把电电子子转转移移给给O2，则则配配位位双双氧氧可可变变为为超超氧氧型型或或过过氧氧型型配配体，体，O2就被不同程度地活化了。就被不同程度地活化了。第15页，讲稿共154张，创作于星期二这这种种活活化化方方式式不不消消耗耗外外部部能能量量，但但配体反应能力却大大加强。配体反应能力却大大加强。当当然然不不是是任任何何过过渡渡金金属属都都可可以以使使分分子子氧氧活活化化。事事实实上上只只有有少少数数过过渡渡金金属属配配合合物物可可以以完完全全与与分分子子氧氧键键合合，这这取决于金属和配体的性质。取决于金属和配体的性质。第16页，讲稿共154张，创作于星期二二、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17页，讲稿共154张，创作于星期二SHSH2 2和和S S为为底底物物的的还还原原态态和和氧氧化化态态，C Cired和和C Ciox代代表表一一系系列列传传递递电电子子物物质质的的还还原原态态和和氧氧化化态态，这这类类反反应应的的特特点点是是在在末末端端以以前前的的氧氧化化还还原原反反应应是是一一系列电子传递链，末端由系列电子传递链，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18页，讲稿共154张，创作于星期二(2)(2)两类脱氧反应两类脱氧反应:SH2+1/2O2S+H2OSH2+O2S+H2O2第19页，讲稿共154张，创作于星期二实际上这两个反应要经过一个或多个中间氢载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。际上也是一条电子传递链。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20页，讲稿共154张，创作于星期二(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21页，讲稿共154张，创作于星期二三、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氧化化还还原原酶酶是是六六大大酶酶之之一一，它它们们大大部部分分与与金金属属离离子子有有关关。这这类类酶酶在在生生物物体体内内的的氧氧化化还还原原产产生生能能量量、解解毒毒及及某某些些生生理理活活性性物物质质形形成成过过程程中中起起重重要要作作用用，氧氧化化还还原原酶酶习习惯惯上分为四类。上分为四类。第22页，讲稿共154张，创作于星期二1.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为为受受氢氢体体，SH2和和S为为底底物物还还原原型型和和氧氧化化型型。大大部部分分脱脱氢氢酶酶需需要要辅辅酶酶，即即为为结结合合酶酶。脱脱氢氢酶酶的的辅辅酶酶主主要要为为NAD（烟烟酰酰胺胺腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸）或或 NADP（烟烟酰酰胺胺腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸磷磷酸酸），少少数数为为FAD（黄黄素素腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸）或或黄黄素素单单核苷酸（核苷酸（FMN）。）。nSH2 +A 第23页，讲稿共154张，创作于星期二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），如谷氨酸脱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，黄嘌呤脱氢酶为钼氢酶，乳酸脱氢酶均为锌酶，黄嘌呤脱氢酶为钼铁酶。铁酶。第24页，讲稿共154张，创作于星期二2.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+O2S+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+1/2O2S+H2O第25页，讲稿共154张，创作于星期二3.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+H2O2S+2H2O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。2H2O2O2+2H2O过氧化物酶过氧化物酶 过氧化氢酶过氧化氢酶 第26页，讲稿共154张，创作于星期二4.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+O2SO2H2 双加氧酶双加氧酶 顺，顺顺，顺己二烯二酸己二烯二酸 第27页，讲稿共154张，创作于星期二单加氧酶单加氧酶，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。肝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微粒体单加氧酶为一与细胞色素p450有关的单加氧酶，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。（存在于肝脏浓度最高）为血红素辅基酶蛋白。第28页，讲稿共154张，创作于星期二四四、呼吸链与电子传递体呼吸链与电子传递体1.1.呼吸链呼吸链生生物物体体的的各各种种运运动动均均需需要要能能量量，这这种种能能量量来来源源于于糖糖、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质等等有有机机物物在在体内的氧化。体内的氧化。这这些些有有机机物物在在活活细细胞胞内内氧氧化化分分解解，产产生生CO2和和H2O并并放放出出能能量量的的作作用用称称为为生生物物氧化氧化。第29页，讲稿共154张，创作于星期二有有机机物物在在生生物物体体内内的的生生物物氧氧化化与与在在体体外外化化学学氧氧化化的的产产物物和和能能量量变变化化相相同同，即即产产物均为物均为CO2和和H2O，并释放出相等的能量。，并释放出相等的能量。不不同同的的是是，生生物物氧氧化化是是在在活活细细胞胞内内由由酶酶催催化化，经经一一系系列列的的化化学学反反应应（分分步步反反应应）逐步氧化，分次放出能量。逐步氧化，分次放出能量。这这些些能能量量主主要要以以三三磷磷酸酸腺腺苷苷（ATP）等等高高能能化化合合物物的的形形式式储储存存起起来来，供供需需要要时时使使用用，故故ATP是是生生物物体体的的能能量量“储储存存库库”和和“转运站转运站”。第30页，讲稿共154张，创作于星期二在生物氧化过程中，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31页，讲稿共154张，创作于星期二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32页，讲稿共154张，创作于星期二第33页，讲稿共154张，创作于星期二SH2S+NADHH+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）ADPATP第34页，讲稿共154张，创作于星期二2.电子传递体电子传递体(多种多种)在在呼呼吸吸链链中中，有有一一类类称称为为电电子子传传递递体体的的物物质质，它它们们通通过过自自身身的的氧氧化化还还原原作作用用传传递递氢氢和和电电子子，把把呼呼吸吸链链起起始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。主主要要包包括括黄黄素素蛋蛋白白、细细胞胞色色素素、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35页，讲稿共154张，创作于星期二黄黄素素蛋蛋白白含含黄黄素素腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸（FAD）或黄素单核苷酸（）或黄素单核苷酸（FMN）辅基。）辅基。一一类类黄黄素素蛋蛋白白是是脱脱氢氢酶酶，如如含含铁铁的的NADH脱脱氢氢酶酶和和琥琥珀珀酸酸脱脱氢氢酶酶(succinatedehydrogenase)；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；黄黄素素蛋蛋白白还还作作为为电电子子传传递递体体，如如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36页，讲稿共154张，创作于星期二细细胞胞色色素素是是含含铁铁卟卟啉啉辅辅基基的的蛋蛋白白，其其主主要要功功能能是是传传递递电电子子。在在某某些些情情况况下下，还还具具有有氧氧化化酶酶或或加加氧氧酶酶的的功功能能。细细胞胞色色素素的的种种类类很很多多，从从高高等等植植物物中中至至少少可可以以分分离离出出5种种，即即细胞色素细胞色素b、c1、c、a和和a3。铁铁硫硫蛋蛋白白包包含含一一个个或或多多个个FeS簇簇，主主要功能是传递电子。要功能是传递电子。脂脂溶溶性性维维生生素素中中，最最主主要要的的电电子子传传递递体体是辅酶是辅酶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37页，讲稿共154张，创作于星期二五、生物体内的氧化还原电位五、生物体内的氧化还原电位在在研研究究生生物物体体系系的的氧氧化化还还原原作作用用时时，氧氧化化还还原原电电位位仍仍然然是是它它重重要要的的定定量量参参数数，它它不不仅仅可可以以衡衡量量反反应应的的可可能能性性，也也可可以以确确定定能能量量的的转转换换关关系。系。第38页，讲稿共154张，创作于星期二因因为为酶酶在在pH=0的的强强酸酸性性条条件件下下没没有有活活性性，在在 生生 物物 化化 学学 中中 习习 惯惯 上上 不不 是是 以以 pH=0（即即H+=1mol/L）而而是是以以pH=7.0作作为为氧氧化化还还原原电电对的标准氧化还原电位。对的标准氧化还原电位。E0=E00.059pH(25)E0=E00.061pH(37)这这种种标标准准称称为为次次标标准准氧氧化化还还原原电电对对，记记号号为为E0，它它与与普普通通的的标标准准氧氧化化还还原原电电位位关关系系为：为：第39页，讲稿共154张，创作于星期二第40页，讲稿共154张，创作于星期二在在各各种种氧氧化化还还原原体体系系中中，它它们们仅仅与与其其电电位位表表中中最最相相邻邻近近的的物物质质起起氧氧化化还还原原反反应应。在在呼呼吸吸链链上上的的各各个个成成员员也也严严格格地地按按氧氧化化还还原原能能力力的的大大小小顺顺序序进进行行反反应应。E0较较大大的的氧氧化化型型并并不不越越级级去去氧化离它较远的氧化离它较远的E0较小的还原型。较小的还原型。在在呼呼吸吸链链中中，电电子子依依次次在在一一连连串串从从低低电电位位到到高高电电位位的的氢氢或或电电子子载载体体间间传传递递，最最后后把把电电子子传传递递给给分分子子氧氧而而形形成成最最终终产产物物水水。每每前前进进一一步步就就放放出出一一些些能能量量，这这些些能能量量使使ADP转转变变ATP。第41页，讲稿共154张，创作于星期二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。第第四四章章介介绍绍了了作作为为输输送送、贮贮存存氧氧的的血血红红蛋蛋白白和和肌肌红红蛋蛋白白（结结合合蛋蛋白白），血血红红蛋蛋白白和和肌肌红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。本本节节介介绍绍在在生生物物氧氧化化还还原原过过程程中中作作为为酶酶或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42页，讲稿共154张，创作于星期二血红素血红素B（铁（铁（）卟啉）卟啉）第43页，讲稿共154张，创作于星期二一一.细胞色素细胞色素细细胞胞色色素素广广泛泛存存在在于于动动植植物物组组织织中中，动动物物中中主主要要存存在在于于心心脏脏及及其其它它活活跃跃的的运运动动肌中，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。目目前前从从已已知知的的细细胞胞色色素素有有50余余种种，不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。细细胞胞色色素素是是一一类类血血红红素素蛋蛋白白，其其基基本本功功能能是是通通过过分分子子中中的的血血红红素素铁铁的的价价态态的的可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44页，讲稿共154张，创作于星期二1930年年左左右右，Keilin弄弄清清了了细细胞胞色色素素有有a、b和和c三大类。三大类。他他根根据据其其还还原原型型光光谱谱的的最最大大吸吸收收峰峰的的位位置置来来分分类类，还还原原态态有有三三个个吸吸收收谱谱带带，即即、谱带。谱带。细细胞胞色色素素a的的吸吸收收波波长长最最长长，其其谱谱带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；而而细细胞胞色色素素c的的吸吸收收波波长长最最短短，其其a带带吸收峰在吸收峰在548560nm。波波长长的的变变化化与与这这三三大大类类的的卟卟啉啉环环侧侧链链上取代基的亲电性质有关。上取代基的亲电性质有关。第45页，讲稿共154张，创作于星期二1.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548560nm)第46页，讲稿共154张，创作于星期二人人们们研研究究了了从从小小麦麦到到人人类类共共50多多种种不不同同生生物物来来源源的的细细胞胞色色素素c的的一一级级结结构构（氨氨基基酸酸数数目目及及排排列列顺顺序序），发发现现不不同同生生物物，肽肽链链的的组组成成是是不不同同的的，且且生生物物亲亲缘缘越越远远差差别别越越大大。如如人人与与猩猩猩猩的的细细胞胞色色素素c分分子子各各有有104个个氨氨基基酸酸残残基基，这这些些氨氨基基酸酸残残基基的的种种类类及及排排列列顺顺序序大大体体相相同同，但但人人与与马马相相比比，氨氨基基酸酸残残基基的的种种类类就就有有12处不同。处不同。第47页，讲稿共154张，创作于星期二共共同同点点：尽尽管管不不同同生生物物的的细细胞胞色色素素各各不不相相同同，但但各各个个生生物物的的100多多个个氨氨基基酸酸残残基基（肽肽链链蛋蛋白白链链）中中，有有35个个氨氨基基酸酸残残基基是是各各种种生生物物共共有有的的；另另外外，每每条条肽肽链链含含铁铁卟卟啉啉，铁铁卟卟啉啉周周围围的的配配体体及及其其传传递递电电子子的的功功能能也也是相同的。是相同的。第48页，讲稿共154张，创作于星期二以以马马心心细细胞胞色色素素c为为例例说说明明细细胞胞色色素素c的的空空间间结结构构，马马心心的的细细胞胞色色素素c相相对对分分子子量量是是13500，有有一一条条104个个氨氨基基酸酸残残基基肽链包围着肽链包围着血红素血红素C辅基辅基（铁卟啉）（铁卟啉）第49页，讲稿共154张，创作于星期二第50页，讲稿共154张，创作于星期二号号残残基基居居于于血血红红素素的的一一边边，残残基基居居于于血血红红素素的的另另一一边边，号号残残基基折折回回，形形成成罩罩着着血血红素顶端的一条带子。红素顶端的一条带子。第51页，讲稿共154张，创作于星期二第52页，讲稿共154张，创作于星期二第53页，讲稿共154张，创作于星期二血血红红素素与与蛋蛋白白质质通通过过硫硫醚醚键键共共价价结结合合，肽肽链链中中的的半半胱胱氨氨酸酸（Cys-14)和和(Cys-17)的的巯巯基基硫硫分分别别与与血血红红素素的的两两个个乙烯基相连。乙烯基相连。轴轴向向第第五五配配体体为为组组氨氨酸酸(His-18)的的咪咪唑唑氮氮，轴轴向向第第六六配配体体为为蛋蛋氨氨酸酸(Met-80)的甲基硫。的甲基硫。酪酪氨氨酸酸(Tyr-48和和59)通通过过氢氢键键与与血血红素的丙酸基相连。红素的丙酸基相连。第54页，讲稿共154张，创作于星期二2.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55页，讲稿共154张，创作于星期二细胞色素细胞色素a和和a3的辅基是的辅基是血红素血红素A。第56页，讲稿共154张，创作于星期二血红素血红素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57页，讲稿共154张，创作于星期二细细胞胞色色素素c氧氧化化酶酶不不同同于于细细胞胞色色素素c与与细细胞胞色色素素b，细细胞胞色色素素c氧氧化化酶酶中中的的细细胞胞色色素素a3的的铁铁是是配配位位不不饱饱和和的的，它它还还空空着着一一个个配配位位位位置置，所所以以能能与与CN等等结结合合而而引引起起中中毒毒。CN配配位位后后的的细细胞胞色色素素a3便便不不能能再再被被还还原原，使呼吸链中断，导致机体死亡。使呼吸链中断，导致机体死亡。氰氰化化物物中中毒毒的的急急救救方方法法之之一一是是使使中中毒毒者者吸吸人人亚亚硝硝酸酸异异戊戊酯酯，其其目目的的在在于于把把体体内内部部分分血血红红蛋蛋白白迅迅速速氧氧化化为为高高铁铁血血红红蛋蛋白白，而而后后者者再再与与CN形形成成对对人人畜畜无无害害的的稳稳定定的的氰氰合合高高铁铁血红蛋白。血红蛋白。第58页，讲稿共154张，创作于星期二3.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，E00。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59页，讲稿共154张，创作于星期二二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60页，讲稿共154张，创作于星期二P450是是一一种种特特殊殊的的血血红红素素蛋蛋白白，它它的的还还原原型型（Fe（）与与CO结结合合在在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。实实质质上上，细细胞胞色色素素p450（特特殊殊血血红红蛋蛋白白、催催化化近近300种种脂脂溶溶性性化化合合物物进进行行氧氧化化还还原原反反应应）是是一一类类具具有有不不同同分分子子量量、不不同同生生化化和和免免疫疫特特征征及及不不同同催催化化能能力力的的血血红红蛋蛋白的总称。白的总称。第61页，讲稿共154张，创作于星期二1.P450的功能的功能P450广广泛泛存存在在于于动动物物、植植物物及及微微生生物物体体内内，以以致致被被称称为为自自然然界界中中无无处处不不在在的的酶酶，它它参参与与许许多多代代谢谢过过程程，人人体体肝肝、肾肾、脑脑及及皮皮肤肤中中浓浓度度最最高高，目目前前所所知知，p450在在动动物物体体中中（哺哺乳乳动动物物）可可以以催催化化近近300种种各各种种脂脂溶溶性性化化合合物物进进行行氧氧化化还还原原反反应应，如如羟羟化化、环环氧氧化化等等。各各种种脂脂溶溶性性化化合合物物经经p450催催化化氧氧化化还还原原后后，变变为为水水溶溶性性化化合合物物，经经肾肾脏脏、尿尿液液排排出出体体外外解解毒毒作作用用，这这是是有有利利的的一一方方面面；但但另另一一方方面面，有有些些化化合合物物经经p450催催化化氧氧化化还还原原反反应应后后，毒毒性性反反而而更更高高，如如黄黄曲曲霉霉素素、亚亚硝硝胺胺等等，毒毒性性不不大大，但但催催化化氧氧化化还还原原后后，毒性大大的增加。毒性大大的增加。第62页，讲稿共154张，创作于星期二2.两类含两类含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+2eH2O+SONAD（P）H+H+NAD（P）+2H+2e第63页，讲稿共154张，创作于星期二烟烟酰酰胺胺腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸磷磷酸酸（NADP）产产生生的的2电电子子经经黄黄素素蛋蛋白白还还原原酶酶FAD、还还原原酶酶蛋蛋白白中中的的铁铁硫硫中中心心Fe2S2，把把电电子子传传到到p450血血红红素素活活性中心，最后通过性中心，最后通过p450使底物实现羟化。使底物实现羟化。第64页，讲稿共154张，创作于星期二B、微粒体单加酶体系、微粒体单加酶体系2H+O2+S+2eH2O+SO单加氧单加氧NAD（P）H+H+NAD（P）+2H+2e第65页，讲稿共154张，创作于星期二烟烟酰酰胺胺腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸磷磷酸酸（NADP）产产生生的的2个个电电子子经经更更复复杂杂的的黄黄素素蛋蛋白白还还原原酶酶（黄黄素素腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸FAD、黄黄素素单单核核苷苷酸酸FMN），把把电电子子转转移移到到p450血血红红素素中中，最最后后通通过过p450使使底物实现羟化。底物实现羟化。第66页，讲稿共154张，创作于星期二3.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-外羟化酶的外羟化酶的P450。现将。现将P450cam、P450LM2(来自兔肝微粒体来自兔肝微粒体)和和P450b(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67页，讲稿共154张，创作于星期二三种三种P450的某些的某些结结构特征构特征P450类类型型相相对对分子分子质质量量氨基酸残氨基酸残基数基数轴轴向配体向配体半胱半胱氨酸在氨酸在肽肽链链上的位上的位置置P450cam46200412357P450LM253100466436P450b55900491438第68页，讲稿共154张，创作于星期二大大多多数数p450相相对对分分子子质质量量为为50000，含含氨氨基基酸酸残残基基400多多，每每一一条条蛋蛋白白链链都都与与一一个个血血红红素素（卟卟啉啉铁铁）相相连连，平平面面四四个个氮氮原原子子与与Fe（）配配位位，第第5配配位位原原子子是是蛋蛋白白质质链链上上半半胱胱氨氨酸酸残残基基的的硫硫，不不同同的的p450，第第5配配位位的的蛋蛋白白链链的的半半胱胱氨氨酸酸硫硫的的位位置置不同，第不同，第6配体现仍未确定。配体现仍未确定。第69页，讲稿共154张，创作于星期二4.双氧活化和底物羟化作用双氧活化和底物羟化作用有有机机物物与与氧氧反反应应，需需高高温温，在在生生物物体体内内，由由于于有有p450酶酶的的催催化化，可可使使氧氧分分子子活活化化，现现人人们们普普遍遍认认为为在在生生物物体体内内发发生生如如下下反反应应：总反应总反应：P450NADPHNADPR-H+O2+H+ROH+H2O第70页，讲稿共154张，创作于星期二(1).高高自自旋旋的的p450（Fe（）与与底底物物RH结结合合形形成成低低自自旋旋的的（RH）Fe（）。在在静静止止状状态态，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:HighFe（）t2g3eg2t2g5eg0low低低自自旋旋p450的的第第6配配位位可可能能是是含含OH基基团团（如如氨氨基基酸酸中中的的OH），而而高高自自旋旋态态的的p450中中只只有有第第5配配位位为为半半胱胱氨氨酸酸的的硫硫，第第6配配位位空空着着，这这时时的铁高出卟啉环平面。的铁高出卟啉环平面。当当底底物物结结合合到到蛋蛋白白链链的的疏疏水水部部位位时时，使使平平衡衡移移向向高高自自旋旋状状态态，这这就就有有利利于于下下一一步步催催化化循循环环，使使铁铁还还原原，因因为为高高自自旋旋P450的的氧氧化化还还原原电电位比低自旋位比低自旋P450高高0.1V。第71页，讲稿共154张，创作于星期二(2).NAD（P）HP450还还原原酶酶使使NAD（P）H的的电电子子转转移移至至p450血血红红素素铁铁卟卟啉啉，使使Fe3+还还原原为为Fe2+。(3).分分子子氧氧结结合合到到p450上上，形形成成三三元元配配合合物物（RH）Fe（）O2(Fe2+为为中中心心，卟卟啉啉N（4个个），半胱氨酸的半胱氨酸的S及分子氧及分子氧)。(4).第第二二个个电电子子离离开开NAD（P）H还还原原酶酶，形形成成不稳定的过氧化物不稳定的过氧化物（RH）Fe（）O22-。(5).过过氧氧化化物物与与H+结结合合，形形成成H2O和和配配合合物物(RH)Fe()=O。(6).ROH脱脱出出后后，又又形形成成了了氧氧化化型型p450，使使循循环闭合。环闭合。第72页，讲稿共154张，创作于星期二第73页，讲稿共154张，创作于星期二Fe（）（P450）+RHFe（）（P450）(RH)e 2H+Fe（）（P450）(RH)O2 O2 Fe（P450）(RH)e(O2 Fe)（P450）(RH)Fe（）（）（P450）+ROH +H2O 第74页，讲稿共154张，创作于星期二三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+H2O2S+2H2O 过氧化物酶过氧化物酶 第75页，讲稿共154张，创作于星期二从组成看，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（与蛋白结合不牢）蛋白结合牢）和辅酶（与蛋白结合不牢）。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76页，讲稿共154张，创作于星期二位位于于配配位位中中心心的的Fe（）也也有有高高自自旋旋与与低低自自旋旋之之分分，如如从从植植物物中中分分离离纯纯化化的的过过氧氧化化物物酶酶（高高铁铁血血红红素素辅辅基基）在在低低PH值值时时为为高高自旋，自旋，高高PH值时为低自旋值时为低自旋。Fe（）t2g5eg0Fe（）t2g3eg2 PH下降下降 PH升高升高11 第77页，讲稿共154张，创作于星期二细胞色素细胞色素c过氧化物酶催化过氧化物酶催化H2O2分解为分解为H2O。2（cyt.c）Fe（）+H2O22（cyt.c）Fe（）+2H2O注注：Ccp：细细胞胞色色素素过过氧氧化化酶酶：为为细细胞胞色色素素a和和a3复复合合体体，辅辅基基为为血血红红素素a（比比较较血血红红素素b和血红素和血红素c）。）。Ccp H+第78页，讲稿共154张，创作于星期二而氯过氧化物酶（而氯过氧化物酶（ClP）催化）催化Cl-氧化为氧化为ClO-ClPCl-+H2O2ClO-+H2O第79页，讲稿共154张，创作于星期二对对大大多多数数组组织织来来说说，H2O2有有害害，H2O2可可氧氧化化含含巯巯基基的的酶酶或或蛋蛋白白质质，使使之之失失去去活活力力，将将体体内内不不饱饱和和