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1页，共154页，2023年，2月20日，星期五

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，共154页，2023年，2月20日，星期五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]第3页，共154页，2023年，2月20日，星期五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+。第4页，共154页，2023年，2月20日，星期五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。第5页，共154页，2023年，2月20日，星期五

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。第6页，共154页，2023年，2月20日，星期五第7页，共154页，2023年，2月20日，星期五

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ΔG>0。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8页，共154页，2023年，2月20日，星期五

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，共154页，2023年，2月20日，星期五第10页，共154页，2023年，2月20日，星期五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：第11页，共154页，2023年，2月20日，星期五

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。第12页，共154页，2023年，2月20日，星期五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。第13页，共154页，2023年，2月20日，星期五在生命体内，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。第14页，共154页，2023年，2月20日，星期五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。第15页，共154页，2023年，2月20日，星期五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。第16页，共154页，2023年，2月20日，星期五二、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：第17页，共154页，2023年，2月20日，星期五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

第18页，共154页，2023年，2月20日，星期五(2)两类脱氧反应:

SH2+1/2O2S+H2O

SH2+O2S+H2O2

第19页，共154页，2023年，2月20日，星期五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。第20页，共154页，2023年，2月20日，星期五(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。第21页，共154页，2023年，2月20日，星期五三、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。

第22页，共154页，2023年，2月20日，星期五1.脱氢酶[辅酶：NAD、NADP，这些酶受氢或提供氢]

脱氢酶S+AH2

A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

第23页，共154页，2023年，2月20日，星期五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。第24页，共154页，2023年，2月20日，星期五2.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+1/2O2

S

+H2O第25页，共154页，2023年，2月20日，星期五3.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

第26页，共154页，2023年，2月20日，星期五4.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

顺，顺—己二烯二酸

第27页，共154页，2023年，2月20日，星期五单加氧酶，又称羟化酶。R3C—H+O2+AH2

R3C—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。第28页，共154页，2023年，2月20日，星期五四、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。第29页，共154页，2023年，2月20日，星期五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”。第30页，共154页，2023年，2月20日，星期五在生物氧化过程中，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。第31页，共154页，2023年，2月20日，星期五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。第32页，共154页，2023年，2月20日，星期五第33页，共154页，2023年，2月20日，星期五SH2S+NADHH+O22-

NAD脱氢酶

细胞色素b

e

氧化酶

4H++O22-=2H2O+Q产生的能用于ATP的形成（储能）ADPATP第34页，共154页，2023年，2月20日，星期五

2.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。第35页，共154页，2023年，2月20日，星期五

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。

第36页，共154页，2023年，2月20日，星期五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。

第37页，共154页，2023年，2月20日，星期五五、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。第38页，共154页，2023年，2月20日，星期五因为酶在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：第39页，共154页，2023年，2月20日，星期五第40页，共154页，2023年，2月20日，星期五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41页，共154页，2023年，2月20日，星期五第二节血红素蛋白

（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。第42页，共154页，2023年，2月20日，星期五血红素B（铁（Ⅱ）卟啉）第43页，共154页，2023年，2月20日，星期五一.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。第44页，共154页，2023年，2月20日，星期五1930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。第45页，共154页，2023年，2月20日，星期五1.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)第46页，共154页，2023年，2月20日，星期五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。第47页，共154页，2023年，2月20日，星期五共同点：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，铁卟啉周围的配体及其传递电子的功能也是相同的。

第48页，共154页，2023年，2月20日，星期五以马心细胞色素c为例说明细胞色素c的空间结构，马心的细胞色素c相对分子量是13500，有一条104个氨基酸残基肽链包围着血红素C辅基（铁卟啉）第49页，共154页，2023年，2月20日，星期五第50页，共154页，2023年，2月20日，星期五１～４７号残基居于血红素的一边，４８～９１残基居于血红素的另一边，９２～１０４号残基折回，形成罩着血红素顶端的一条带子。第51页，共154页，2023年，2月20日，星期五第52页，共154页，2023年，2月20日，星期五第53页，共154页，2023年，2月20日，星期五血红素与蛋白质通过硫醚键共价结合，肽链中的半胱氨酸（Cys-14)和(Cys-17)的巯基硫分别与血红素的两个乙烯基相连。轴向第五配体为组氨酸(His-18)的咪唑氮，轴向第六配体为蛋氨酸(Met-80)的甲基硫。酪氨酸(Tyr-48和59)通过氢键与血红素的丙酸基相连。第54页，共154页，2023年，2月20日，星期五2.细胞色素c氧化酶细胞色素a和细胞色素a3，很难分离，它们的复合体在呼吸链中作为末端酶紧接在细胞色素c后面，因此细胞色素a和a3合称为细胞色素c氧化酶。

它氧化细胞色素c并使O2还原为H2O。第55页，共154页，2023年，2月20日，星期五细胞色素a和a3的辅基是血红素A。第56页，共154页，2023年，2月20日，星期五血红素A与血红素B（亚铁原卟啉IX）的主要区别是第2和第8位的取代基不同。细胞色素a具有一个配位完全的血红素A，它的轴向配位位置由两个组氨酸咪唑占据。细胞色素a的铁，Fe(II)和Fe(III)都是低自旋。细胞色素a3的血红素A的一个轴向配体是组氨酸咪唑，另一个轴向位置是空的，所以能和O2结合，促使底物氧化。细胞色素a3的铁，在Fe(II)价态时是高自旋，在Fe(Ⅲ)价态时是高自旋和低自旋的热平衡混合物。

第57页，共154页，2023年，2月20日，星期五细胞色素c氧化酶不同于细胞色素c与细胞色素b，细胞色素c氧化酶中的细胞色素a3的铁是配位不饱和的，它还空着一个配位位置，所以能与CN−等结合而引起中毒。CN−配位后的细胞色素a3便不能再被还原，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，而后者再与CN−形成对人畜无害的稳定的氰合高铁血红蛋白。

第58页，共154页，2023年，2月20日，星期五3.细胞色素bb族细胞色素所含的辅基为铁原卟啉IX（血红素B

)，它们的氧化还原电位较低，E'0≈0。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，因此b族细胞色素难以自动氧化。

第59页，共154页，2023年，2月20日，星期五二．细胞色素p450（简称p450

)属一类b族细胞色素，用p450表示，以别于其它b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，肝脏有很强的解毒功能，它主要通过肝脏中的p450混合功能氧化酶系统发挥作用。第60页，共154页，2023年，2月20日，星期五P450是一种特殊的血红素蛋白，它的还原型（Fe（∏））与CO结合在450nm处有最大吸收峰，因而命名为细胞色素p450。实质上，细胞色素p450（特殊血红蛋白、催化近300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、不同生化和免疫特征及不同催化能力的血红蛋白的总称。第61页，共154页，2023年，2月20日，星期五1.P450的功能P450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，它参与许多代谢过程，人体肝、肾、脑及皮肤中浓度最高，目前所知，p450在动物体中（哺乳动物）可以催化近300种各种脂溶性化合物进行氧化还原反应，如羟化、环氧化等。各种脂溶性化合物经p450催化氧化还原后，变为水溶性化合物，经肾脏、尿液排出体外——解毒作用，这是有利的一方面；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。第62页，共154页，2023年，2月20日，星期五2.两类含p450的单加氧酶体系由传递电子链不同将p450分二类。A、细菌和线粒体体系2H++O2+S+2eH2O+SO

NAD（P）H+H+

NAD（P）++2H++2e第63页，共154页，2023年，2月20日，星期五烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）产生的2电子经黄素蛋白还原酶FAD、还原酶蛋白中的铁硫中心Fe2S2，把电子传到p450血红素活性中心，最后通过p450使底物实现羟化。第64页，共154页，2023年，2月20日，星期五B、微粒体单加酶体系2H++O2+S+2eH2O+SO单加氧

NAD（P）H+H+

NAD（P）++2H++2e

第65页，共154页，2023年，2月20日，星期五烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）产生的2个电子经更复杂的黄素蛋白还原酶（黄素腺嘌呤二核苷酸FAD、黄素单核苷酸FMN），把电子转移到p450血红素中，最后通过p450使底物实现羟化。第66页，共154页，2023年，2月20日，星期五3.P450的结构

对P450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-5-外羟化酶的P450。现将P450cam、P450LM2(来自兔肝微粒体)和P450b(来自鼠肝)的某些结构特征列于下表中。第67页，共154页，2023年，2月20日，星期五三种P450的某些结构特征P450类型相对分子质量氨基酸残基数轴向配体半胱

氨酸在肽链上的位置P450cam46

200412357P450LM253

100466436P450b55

900491438第68页，共154页，2023年，2月20日，星期五大多数p450相对分子质量为50000，含氨基酸残基400多，每一条蛋白链都与一个血红素（卟啉铁）相连，平面四个氮原子与Fe（Ⅱ）配位，第5配位原子是蛋白质链上半胱氨酸残基的硫，不同的p450，第5配位的蛋白链的半胱氨酸硫的位置不同，第6配体现仍未确定。第69页，共154页，2023年，2月20日，星期五4.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，由于有p450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：总反应：P450NADPHNADPR-H+O2+H+ROH+H2O第70页，共154页，2023年，2月20日，星期五(1).高自旋的p450（Fe（Ⅲ））与底物RH结合形成低自旋的（RH）Fe（Ⅲ）。在静止状态，高自旋与低自旋p450处于平衡态:HighFe（Ⅲ）t2g3eg2t2g5eg0low

低自旋p450的第6配位可能是含—OH基团（如氨基酸中的OH），而高自旋态的p450中只有第5配位为半胱氨酸的硫，第6配位空着，这时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P450的氧化还原电位比低自旋P450高0.1V。

第71页，共154页，2023年，2月20日，星期五(2).NAD（P）H－P450还原酶使NAD（P）H的电子转移至p450血红素铁卟啉，使Fe3+还原为Fe2+。(3).分子氧结合到p450上，形成三元配合物（RH）Fe（Ⅱ）·O2(Fe2+为中心，卟啉N（4个），半胱氨酸的S及分子氧)。(4).第二个电子离开NAD（P）H还原酶，形成不稳定的过氧化物（RH）Fe（Ⅲ）·O22-。(5).过氧化物与H+结合，形成H2O和配合物(RH)

Fe(Ⅴ)=O。(6).ROH脱出后，又形成了氧化型p450，使循环闭合。第72页，共154页，2023年，2月20日，星期五第73页，共154页，2023年，2月20日，星期五Fe（Ⅲ）（P450）+RH

Fe（Ⅲ）（P450）(RH)

e

2H+

Fe（Ⅱ）（P450）(RH)

O2O2Fe（P450）(RH)

e

(O2Fe)（P450）(RH)

Fe（Ⅲ）（P450）+

ROH+H2O

第74页，共154页，2023年，2月20日，星期五三．过氧化物酶和过氧化氢酶

1.过氧化物酶催化反应SH2+H2O2S+2H2O过氧化物酶

第75页，共154页，2023年，2月20日，星期五从组成看，均为结合酶，{全酶=酶蛋白+辅助因子，辅助因子有辅基（与蛋白结合牢）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基，多数辅基是Fe(Ⅲ)原卟啉IX，酶蛋白多为糖蛋白，Fe(Ⅲ)的轴向配体是组氨酸的咪唑氮，另一个轴向配体可能是小分子。第76页，共154页，2023年，2月20日，星期五位于配位中心的Fe（Ⅲ）也有高自旋与低自旋之分，如从植物中分离纯化的过氧化物酶（高铁血红素辅基）在低PH值时为高自旋，高PH值时为低自旋。Fe（Ⅲ）t2g5eg0Fe（Ⅲ）t2g3eg2

PH下降

PH升高~11

第77页，共154页，2023年，2月20日，星期五细胞色素c过氧化物酶催化H2O2分解为H2O。

2（cyt.c）Fe（Ⅱ）+H2O2

2（cyt.c）Fe（Ⅲ）+2H2O

注：Ccp：细胞色素过氧化酶：为细胞色素a和a3复合体，辅基为血红素a（比较血红素b和血红素c）。

Ccp

H+

第78页，共154页，2023年，2月20日，星期五而氯过氧化物酶（ClP）催化Cl-氧化为ClO-

ClPCl-+H2O2

ClO-+H2O第79页，共154页，2023年，2月20日，星期五对大多数组织来说，H2O2有害，H2O2可氧化含巯基的酶或蛋白质，使之失去活力，将体内不饱和脂肪酸氧化为过氧化物，会产生疾病，如发生溶血症等，过氧化物酶催化H2O2转化为H2O，从而消除了毒性。第80页，共154页，2023年，2月20日，星期五2.过氧化氢酶过氧化氢酶活性不及过氧化物酶，但它催化

H2O2H2O+O2是高效的，过氧化氢酶为结合蛋白，由高铁血红素辅基和相应的蛋白组成，相对分子量24000，每个分子含4个亚基，每一个亚基含一个高自旋正铁血红素。铁（Ⅲ）的轴向配体可能是氨基酸和H2O。蛋白+血红素辅基，M=24000，4个亚基，含4个Fe（Ⅲ）卟啉第81页，共154页，2023年，2月20日，星期五第三节铁蛋白（贮铁）与铁传递蛋白（运送铁）为非血红素铁蛋白，不含血红素辅基，但含铁，在这一类蛋白质中，铁有多种存在形式，按生理功能的不同，将非血红素铁蛋白分成如下几类：（四类）第82页，共154页，2023年，2月20日，星期五一些非血红素蛋白的生理功能非血红素铁蛋白生理功能来源铁蛋白铁传递蛋白卵清铁传递蛋白乳铁传递蛋白贮存、输送铁动物组织血清卵清乳红氧还蛋白铁氧还蛋白肾上腺皮质铁氧还蛋白传递电子细菌叶绿体、细菌肾上腺皮质蚯蚓血红蛋白载氧蚯蚓、星虫顺乌头酸酶邻苯二酚双加氧酶氢酶催化动植物细菌细菌、藻类第83页，共154页，2023年，2月20日，星期五一.铁蛋白铁蛋白(ferritin)是哺乳动物体内贮存铁的主要蛋白质，主要存在与动物脾脏、肝脏和骨髓中，在植物叶绿体及某些细菌中也发现有铁蛋白。第84页，共154页，2023年，2月20日，星期五铁蛋白以一个直径约7nm的含Fe(Ⅲ)离子的微团为核心。微团的组织成分大致是[(FeOOH)8(FeO·PO3H2)]。微团中的Fe(Ⅲ)与配位氧原子可能呈八面体构型，也可能呈四面体构型，或者两者的混合物。磷酸根也许只结合在微团表面，因此磷酸根的存在与否并不影响微团的结构。微团中的铁离子含量一般为2

000个左右。

由24个相同亚单位组成的脱铁铁蛋白(apoferritin)把这个微团包围着。

第85页，共154页，2023年，2月20日，星期五铁蛋自的主要生理功能是贮存铁。体内暂时不用的铁，由铁传递蛋白运输给脱铁铁蛋白，然后经过中介体焦磷酸铁。生成上述的含铁微团，最后与脱铁铁蛋白结合形成铁蛋白而贮存起来。当机体需要铁时，在还原剂作用下使处于铁蛋白核心的微团中的Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)以后释放出来。第86页，共154页，2023年，2月20日，星期五铁贮存：Fe2+-eFe3+

nFe3++脱铁铁蛋白铁蛋白

铁释放：铁蛋白+ne脱铁铁蛋白+nFe2+

[O]

第87页，共154页，2023年，2月20日，星期五二.铁传递蛋白

存在：动物体和细胞中；功能：运送Fe（Ⅲ）；组成：金属糖蛋白；1945年首次在人血清中发现。第88页，共154页，2023年，2月20日，星期五存在：主要血清中。铁传递蛋白为金属糖蛋白，不同动物的铁传递蛋白，其氨基酸组成和糖含量不同。相对分子量是67000~74000，人血清铁传递蛋白是由一条含676个氨基酸残基的肽链和两条相同的糖支链组成，主要功能是运送铁（Ⅲ）离子。第89页，共154页，2023年，2月20日，星期五铁传递蛋白的生理功能：主要是在体内运送Fe3+离子，铁传递蛋白存在两个结构域，（~600—700氨基酸残基，M~7万，2个相同糖支链），各有一个结合金属的部位，分别称为A位和B位，A位结合的铁主要运送到骨髓和胎盘，B位结合的铁主要运送到肝细胞、小肠粘摸和其它组织细胞。第90页，共154页，2023年，2月20日，星期五食物和饮料中铁主要以Fe3+形式存在，需要在胃肠道内还原为Fe2+才能被十二指肠及空肠上段的粘膜细胞吸收。一部分从小肠进入血液的Fe2+，经铜蓝蛋白催化，转变为Fe3+，在CO2存在下与脱铁蛋白结合，然后随血液运送到骨髓细胞中，用于血红蛋白的合成，有些被送到各组织细胞中用于合成酶；其余被运送到肝、脾脏贮存起来。第91页，共154页，2023年，2月20日，星期五Fe（Ⅲ）

Fe（Ⅱ）

血液

Fe（Ⅲ）

Fe（Ⅲ）+脱铁蛋白

小肠、胃中

还原

十二指肠

等粘摸

[O]

CO2脱铁蛋白

（铁传递蛋白）

{

A部位B部位骨髓细胞（用于血红蛋白合成），或各组织用于合成酶肝脾脏（贮存Fe（Ⅲ））

第92页，共154页，2023年，2月20日，星期五第四节铁硫蛋白

铁硫蛋白为一类含Fe—S发色团的非血红素铁蛋白，利用铁的可变价，作为电子传递体参与生物体内多种氧化还原反应

。根据氧化还原反应中心的组成和结构，铁硫蛋白可分为三大类：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)。

S*称为无机硫或活泼硫，当遇到无机酸时会变成H2S放出。第93页，共154页，2023年，2月20日，星期五1.Fe(Cys)4蛋白—红氧还蛋白（Rd）以Fe(Cys)4为中心的蛋白呈红色，故称红氧还蛋白，主要存在于细菌中，分子量：~6000，一般只含50~60个氨基酸残基。第94页，共154页，2023年，2月20日，星期五产气小球菌Rd的X射线结构分析表明铁与Cys-6、Cys-9、Cys-38、Cys-41的4个Cys的巯基硫配位。4个Fe-S键的键长差别较大，键角101°～108°，呈畸变四面体构型。

第95页，共154页，2023年，2月20日，星期五红氧还蛋白参与在脂肪酸的ω−位或碳氢化合物的末端导入羟基的反应。当O2存在时，ω−羟化酶、NADH、红氧还蛋白、氧化还原酶参与的羟化反应如下进行。第96页，共154页，2023年，2月20日，星期五2.Fe2S*2(cys)4蛋白—植物型铁氧还蛋白Fe2S*2(cys)4来源于植物的叶绿体，参与光合作用，故称为植物型铁氧还蛋白（Fd），肽链上有5个半胱氨酸巯基硫与铁配位（Cys：18，39，44，47，77），无机S作为掺连S原子。第97页，共154页，2023年，2月20日，星期五

1966年Gibson等提出Fd的结构模型。还原态时一个Fe为高自旋Fe2+(S=2)，另一个为高自旋Fe3+(S=5/2)。两者通过硫桥实现反铁磁性耦合(antiferromagneticcoupling)，使电子总自旋S=1/2；氧化态时为两个高自旋Fe3+，总自旋S=0。这个模型能解释植物型Fd一些性质。

第98页，共154页，2023年，2月20日，星期五3.Fe4S*4(cys)4蛋白—高电位铁硫蛋白和细菌型铁氧还蛋白该类铁硫蛋白以Fe4S*4(cys)4为活性中心，来源不同，含活性中心数可能不同。如：从酒色着色菌分离出的铁硫蛋白含1个Fe4S*4(cys)4活性中心，4个Fe和4个S*交替连接成立方烷结构，每一个Fe与一个cys连结（巯基）。第99页，共154页，2023年，2月20日，星期五第100页，共154页，2023年，2月20日，星期五产气小球菌铁氧还蛋白分子含有二个Fe4S*4(cys)4活性中心，二者相距1.2nm，作用为传递电子。第101页，共154页，2023年，2月20日，星期五第五节铜蛋白

铜是生命必需的微量元素，参与人体内许多重要的代谢过程和生理作用。游离的Cu2+离子仅可在酸度较高的胃中存在。在体内其它部位与蛋白质、多肽、氨基酸或其它有机物结合，以配合物形式存在。

铜蛋白(cuprein)有多种生理功能，如载氧、传递电子、贮存铜、作为氧化酶等。许多铜蛋白因具有美丽的蓝色而被称为蓝铜蛋白(bluecopperprotein)，不显蓝色的称为非蓝铜蛋白。

第102页，共154页，2023年，2月20日，星期五某些铜蛋白的性质铜蛋白相对分子量含铜原子数功能来源I型II型III型质体蓝素10

5001

传递电子植物、细菌超化物歧化酶32

000

2

O2−歧化红血球血蓝蛋白(5∼8)×104

2载氧节肢动物漆酶64

000112二酚、二胺氧化漆树、真菌抗坏血酸氧化酶140

000314抗坏血酸氧化植物、细菌细胞色素c氧化酶130

0001

1细胞色素c氧化线粒体第103页，共154页，2023年，2月20日，星期五1.铜蛋白中三种类型的铜

含有I型铜的铜蛋白在可见光的600nm附近有强吸收峰而显蓝色，摩尔消光系数ε≈103。I型铜的EPR超精细分裂常数A∥值较小，它表示I型铜是顺磁性的。一般来说，较小的A∥值与未成对电子的离域作用有关，或与平面正方形构型向畸变四面体转变有关，因此，I型铜处于畸变四面体的配位环境中。第104页，共154页，2023年，2月20日，星期五II型铜吸收光谱没有明显作用，但它有特征的EPR讯号，说明它也呈顺磁性。与I型铜相比，它的A∥值较大。II型铜的A∥值与一般低分子量的Cu(II)配合物类似，可以认为II型铜处于正常配位状态，采取接近四方锥的构型。第105页，共154页，2023年，2月20日，星期五III型铜不能用EPR检测。早期认为这些反磁性铜处于一价状态。目前一般认为，成对的Cu(II)−Cu(II)由于强烈的自旋−自旋相互作用而不能产生EPR讯号。第四章介绍的血蓝蛋白就含有III型铜。有些铜蛋白只含一种类型的铜，有些则同时含有两种或三种类型的铜。第106页，共154页，2023年，2月20日，星期五2.质体蓝素——I型铜蛋白

质体蓝素(plastocyanin)是一种蓝铜蛋白。杨树质体蓝素的相对分子质量10500，有99个氨基酸残基，其分子结构如下所示。第107页，共154页，2023年，2月20日，星期五第108页，共154页，2023年，2月20日，星期五Freeman等确定，铜的周围由两个组氨酸(His-37和87)的咪唑氮、半胱氨酸(Cys-84)和蛋氨酸(Met-92)的硫配位，是畸变四面体构型，它的键角偏离正四面体多达50°。配位给予体(硬的氮和软的硫)兼顾Cu(I)和Cu(II)的要求，立体化学介于对Cu(I)有利的平面正方形和对Cu(II)有利的四面体结构之间，所以降低了电子传递的活化能，有利于电子快速传递。质体蓝素是光合作用过程中的一种电子传递体。传递电子时，铜参加氧化还原反应。第109页，共154页，2023年，2月20日，星期五3.牛超氧化物歧化酶——II型铜蛋白

生物体生存必要条件之一是通过呼吸作用产生能量，其基本过程是将氧还原为H2O：O2+4H++4e→2H2O这个反应由细胞色素c氧化酶催化，还原可分步进行：O2+e→O2−

O2−+e→O22−

第110页，共154页，2023年，2月20日，星期五首先得到超氧自由基阴离子，接着再接受电子变为过氧离子，它们是高活性的有毒物种，可以用过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶有效地除去。天然存在的超氧化物歧化酶(superoxidedismutase，SOD)有三种：Cu-Zn-SOD、Fe-SOD和Mn-SOD，它们广泛存在于人、动物、植物、藻类及原核生物体内。第111页，共154页，2023年，2月20日，星期五不同来源的SOD酶除个别性质差异较大外，一般具有类似性质，但蛋白链部分因种属来源不同，氨基酸次序和组成略有差异，而使酶的性质不完全相同，在三类天然存在的SOD中，研究得比较深入的是Cu-Zn-SOD，例如牛超氧化物歧化酶。第112页，共154页，2023年，2月20日，星期五牛超氧化物歧化酶(bovinesuperoxide，BSOD)属于II型铜蛋白。它的相对分子质量为32000，每个酶分子含两个铜(II)离子和两个锌(II)离子。它的生物功能是催化超氧化物歧化为O2和H2O2：2O2−+2H+→H2O2+O2

第113页，共154页，2023年，2月20日，星期五第114页，共154页，2023年，2月20日，星期五X射线结构分析证实，铜离子的配体为4个组氨酸残基和水分子，呈畸变四方锥构型；锌离子由3个组氨酸和1个天冬氨酸残基配位，是拟四面体；其中His-61的咪唑基是铜离子和锌离子共用的桥连配体，这种酶可以称为异二核配合物。第115页，共154页，2023年，2月20日，星期五采用取代活性中心离子的实验方法证明，这两种离子的作用不同。铜离子是催化中心，锌离子只起次要的结构作用。如果以天然酶的活性为100，那么完全脱辅基蛋白的活性为零，而含铜的Cu2CoBSOD为90，完全不含铜的M2Zn2BSOD为零(M为非铜离子)。第116页，共154页，2023年，2月20日，星期五第六节维生素B12和B12辅酶

维生素B12(vitaminB12)是重要的含钴生物配位化合物。它存在于细菌及其许多生物体内。动物组织中的维生素B12，一部分由食物中摄取，一部分由肠道中的细菌合成。动物和人体本身不能合成维生素B12。维生素B12能有效地治疗恶性贫血，因此引起人们的注意。

第117页，共154页，2023年，2月20日，星期五第118页，共154页，2023年，2月20日，星期五维生素B12有两个独特的组成部分。第一部分是咕啉环(corrinring)，由181个原子组成。与卟啉相似，咕琳也有4个吡咯环，但其中两个吡咯环不通过亚甲基相连，而是借α碳原子直接连结。整个咕琳环有6个双键，其共轭性不及卟啉环高。环上有8个甲基和7个酰胺取代基，其中有3个乙酰胺、3个丙酰胺、l个N-取代丙酰胺。第二部分是核糖核苷酸，即α-5，6-二甲基苯并咪唑核苷酸，它通过核糖核苷酸的3'磷酸根与咕啉环的一个支链丙酰胺间形成酯键相连。第119页，共154页，2023年，2月20日，星期五配位于低自旋钴(Ⅲ)的4个吡咯氮原子几乎在同一平面上。第五位配体(在咕啉环平面下方)是核苷酸的苯并咪唑氮。第六位配体用X表示。凡第五位配体为二甲基苯并咪唑核苷酸者统称为钴胺素(cobalamins)。维生素B12的第六位配体是CN−，因此又称为氰钴胺素(cyanocobalamin)。应该指出，CN−配体是为了离析B12结晶而加的，它并非产生于生物体系。在生物体系中的第六位配体是一个结合松弛的水分子。

第120页，共154页，2023年，2月20日，星期五改变第六位配体就形成B12的各种衍生物。如第六位配体为H2O，则称为水合钴胺素(aquocobalamin)，B12a或H2O-B12。若第六位配体为甲基，即得到B12的甲基衍生物甲基钴胺素(methylcobalamin)，Me-B12。第121页，共154页，2023年，2月20日，星期五在生物体内起辅酶作用的钴胺素已分出3种，按第六位配体不同，分别称为腺苷钴胺素、苯并咪唑钴胺素和二甲苯并咪唑钴胺素，其中活性最高的是腺苷钴胺素(Ado-B12)，又称辅酶B12。甲基钴胺素与腺苷钴胺素都具有Co-C键，是自然界罕见的有机金属化合物。第122页，共154页，2023年，2月20日，星期五第123页，共154页，2023年，2月20日，星期五第124页，共154页，2023年，2月20日，星期五维生素B12在生物体内的功能实际上是通过辅酶B12参与碳的代谢作用，促进核酸和蛋白质合成、叶酸(folacin)储存、硫醇活化、骨磷酯形成、红细胞(erythrocyte)发育与成熟。第125页，共154页，2023年，2月20日，星期五第七节钼酶——氧化还原酶

第126页，共154页，2023年，2月20日，星期五表中前三种钼酶彼此非常相似，除钼外还含有铁硫蛋白和FAD。其它的酶也含有铁硫蛋白或细胞色素。一般来说，钼酶参与氧化还原作用，特别是参与嘌呤化合物的代谢、铁与铜的代谢。所有的钼酶都是氧化还原酶。钼酶的特点是以铁蛋白(铁硫蛋白或细胞色素)作为电子载体，而钼作为底物的结合部位以及氧化还原部位。第127页，共154页，2023年，2月20日，星期五黄嘌呤氧化酶

可以催化多种嘌呤、醛类和SO32-氧化。

黄嘌呤的C-8被羟化，与单加氧酶不同。在这个反应中加到黄嘌呤中的氧是来自介质中的水而不是O2，O2则被还原为H2O2。

这个反应的意义在于，核酸分解所形成的氮碱、鸟嘌呤和腺嘌呤随着血液到达肝脏时，经特定的酶作用后脱氨基化而得到黄嘌呤等物质，在这种酶的作用下氧化为尿酸。第128页，共154页，2023年，2月20日，星期五第六章

固氮作用及其化学模拟第129页，共154页，2023年，2月20日，星期五第一节固氮酶

目前工业固氮采用高温高压在催化剂存在下由N2与H2反应合成氨，这种固氮条件苛刻，且成本高。生物固氮是在常温常压在固氮酶的存在下，把氮转变为氨、供植物吸收。故生物固氮模拟是很多科学家所关注的一大问题，实质上这一关注早在上世纪60年代就已开始。

第130页，共154页，2023年，2月20日，星期五

一.固氮微生物固氮微生物有两个主要类群1、