第五章 生物氧化还原反应中的金属蛋白和金属酶

生物氧化还原反应中的金属蛋白和金属酶第五章除了厌氧生物以外，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。第一节生物体的氧化还原反应一、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（σ2S）2（σ2S*）2（σ2Px）2（∏2Py）2（∏2Pz）2（∏2Py*）1（∏2Pz*）1]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，表明他们的O-O键能削弱了，故可把O2-和O22-看为双氧的两种活化态。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，这是由于动力学上的原因。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ΔG0。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（3）的方式四电子一步还原很少遇到。双电子反应的电位不高（0.68V）。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。而多数可氧化的有机底物没有未成对电子，是单线态（SingletState）分子。三重线态+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电子，是三重线态（Tripletstate)的。氧分子氧化有机底物分子的反应可表示为：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。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，可产生两种最低激发态，完成这种重排需要非常高的能量。为了提高分子氧的活性，就必须设法产生单线态氧，或者利用过渡金属催化剂的配位作用改变O2的电子分布。对于反应条件温和的生物体系，后一种方法显然比较合适。在生命体内，氧具有高度活性。生物体中，O2分子和被氧化物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σ键，还可能形成d∏*的反馈∏键。底物E若有对称合适的轨道，也可和金属的d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。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。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合物可以完全与分子氧键合，这取决于金属和配体的性质。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三大类型:(1)以氧作为末端电子受体的电子传递过程：SH2和S为底物的还原态和氧化态，Cired和Ciox代表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传递链，末端由O2接受电子生成水。相当于反应:2SH2+O22S+2H2O(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。AiH2和Ai(I=1,2,3,….,n)分别表示氢载体的还原态和氧化态。(3)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。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。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。1.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+A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—铁酶。2.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+H2O3.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4.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OHOH+O2*CO*OHCO*OH顺，顺—己二烯二酸单加氧酶，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。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。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”。在生物氧化过程中，糖、脂、氨基酸等代谢物首先经过以NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）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传递。当氢和电子被传到细胞色素b时，H+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，使分子氧激活产生O22-，再与H+结合生成H2O。在氧与电子传递过程中，有三处放出能量，这些能量通过氧化磷酸化作用产生ATP，这个体系称为电子传递体系或呼吸链。SH2S+NADHH+O22-NAD脱氢酶细胞色素be氧化酶4H++O22-=2H2O+Q产生的能用于ATP的形成（储能）ADPATP2.电子传递体(多种)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。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(succinatedehydrogenase)；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NADH脱氢酶在呼吸链中传递氢和电子。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和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辅酶Q，它通过结构的可逆改变传递电子。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，氧化还原电位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关系。因为酶在pH=0的强酸性条件下没有活性，在生物化学中习惯上不是以pH=0（即[H+]=1mol/L）而是以pH=7.0作为氧化还原电对的标准氧化还原电位。E0'=E0－0.059pH(25℃)E0'=E0－0.061pH(37℃)这种标准称为次标准氧化还原电对，记号为E0'，它与普通的标准氧化还原电位关系为：氧化还原对Eº'(V)NAD+/NADH+H+-0.32FMN/FMNH2-0.30FAD/FADH2-0.06CytbFe3+/Fe2+0.04（或0.10）Q10/Q10H20.07Cytc1Fe3+/Fe2+0.22CytcFe3+/Fe2+0.25CytaFe3+/Fe2+0.29Cyta3Fe3+/Fe2+0.551/2O2/H2O0.82呼吸链中各种氧化还原对的标准氧化还原电位在各种氧化还原体系中，它们仅与其电位表中最相邻近的物质起氧化还原反应。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行反应。E0'较大的氧化型并不越级去氧化离它较远的E0'较小的还原型。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，最后把电子传递给分子氧而形成最终产物——水。每前进一步就放出一些能量，这些能量使ADP转变ATP。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。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），血红蛋白和肌红蛋白都含有血红素辅基（铁（Ⅱ）卟啉。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。血红素B（铁（Ⅱ）卟啉）一.细胞色素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50余种，不同的细胞色素具有不同的性能。细胞色素是一类血红素蛋白，其基本功能是通过分子中的血红素铁的价态的可逆变化在生物体内起电子及氢的传递作用。1930年左右，Keilin弄清了细胞色素有a、b和c三大类。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α、β、γ谱带。细胞色素a的吸收波长最长，其α谱带的吸收峰大于570mm；细胞色素b为555~560nm；而细胞色素c的吸收波长最短，其a带吸收峰在548~560nm。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。1.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(α谱带的最大吸收在548~560nm)人们研究了从小麦到人类共50多种不同生物来源的细胞色素c的一级结构（氨基酸数目及排列顺序），发现不同生物，肽链的组成是不同的，且生物亲缘越远差别越大。如人与猩猩的细胞色素c分子各有104个氨基酸残基，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有12处不同。共同点：尽管不同生物的细胞色素各不相同，但各个生物的100多个氨基酸残基（肽链~蛋白链）中，有35个氨基酸残基是各种生物共有的；另外，每条肽链含铁卟啉，铁卟