生物氧化还原反应

关于生物氧化还原反应2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107页，2024年2月25日，星期天3本章主要内容第一节生物体的氧化还原反应第二节血红素蛋白

第三节铁蛋白（贮铁）与铁传递蛋白（运送铁）第四节铁硫蛋白

第五节铜蛋白第六节维生素B12和B12辅酶第七节钼酶—氧化还原酶第3页,共107页，2024年2月25日，星期天4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4页,共107页，2024年2月25日，星期天5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。第5页,共107页，2024年2月25日，星期天6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，而一旦燃烧，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。（电极电势差EO2/H2O=1.23V，O2为强氧化剂，在热力学上，有利于氧化生成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）。

O2+H++e￫HO2E=-0.32V第6页,共107页，2024年2月25日，星期天7在生命体内，氧具有高度活性，这是由于存在过渡金属配合物催化剂的原因。有人认为，这是由于O2分子和被氧化物均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-p∏*（反馈∏键），底物E若有对称合适的轨道，就可和金属的d轨道成键，形成O2-M-E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7页,共107页，2024年2月25日，星期天8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8页,共107页，2024年2月25日，星期天9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9页,共107页，2024年2月25日，星期天10二、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10页,共107页，2024年2月25日，星期天11SH2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11页,共107页，2024年2月25日，星期天12(2)两类脱氢反应:

SH2+1/2O2S+H2O

SH2+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。第12页,共107页，2024年2月25日，星期天13AiH2和Ai(I=1,2,3,….,n)分别表示氢载体的还原态和氧化态。第13页,共107页，2024年2月25日，星期天14(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14页,共107页，2024年2月25日，星期天15三、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15页,共107页，2024年2月25日，星期天161.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16页,共107页，2024年2月25日，星期天17

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

草酰乙酸第17页,共107页，2024年2月25日，星期天18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18页,共107页，2024年2月25日，星期天192.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19页,共107页，2024年2月25日，星期天203.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20页,共107页，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21页,共107页，2024年2月25日，星期天22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22页,共107页，2024年2月25日，星期天23四、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23页,共107页，2024年2月25日，星期天24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24页,共107页，2024年2月25日，星期天25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。第25页,共107页，2024年2月25日，星期天26SH2S+NADHH+O22-

NAD脱氢酶

细胞色素b

e

O2氧化酶

4H++O22-=2H2O+Q

产生的能用于ATP的形成（储能）ADPATP第26页,共107页，2024年2月25日，星期天27

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。

生物电子传递通常为长程传递，长度约10埃第27页,共107页，2024年2月25日，星期天28(1)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，黄素蛋白有的是脱氢酶，有的是氧化酶，还有的为电子传递体。(2)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类，即细胞色素b、c1、c、a和a3。第28页,共107页，2024年2月25日，星期天(3)铁硫蛋白包含一个或多个Fe—S簇，主要功能是传递电子。(4)脂溶性维生素中，最主要的电子传递体是富酶Q，它通过结构的可逆改变传递电子。第29页,共107页，2024年2月25日，星期天30

第二节细胞色素铁蛋白可分为血红素蛋白和非血红素蛋白。血红蛋白和肌红蛋白都含有血红素辅基（铁（Ⅱ）卟啉），人体中70%的铁以血红蛋白形式存在，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）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30页,共107页，2024年2月25日，星期天31血红素辅基（铁（Ⅱ）卟啉）第31页,共107页，2024年2月25日，星期天32一、细胞色素

细胞的色素（Cytochrome）即细胞中显色的分子有a，b和c三大类，根据其还原型光谱最大吸收峰的位置来分类，还原态有3个吸收峰，分别为α、β、γ谱带，其中的α谱带从细胞色素a（570nm）、b(555-560nm)到c(548-560nm)变短。波长的长短与卟啉环侧链的不同取代基相关第32页,共107页，2024年2月25日，星期天33血红素a、b、c辅基的结构第33页,共107页，2024年2月25日，星期天34细胞色素广泛存在于细菌、酵母、植物、无脊椎动物、脊椎动物和人的组织中，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。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。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。第34页,共107页，2024年2月25日，星期天351.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)（上）血红素c的结构图。（左）细胞色素c的血红素与肽链结合示意图第35页,共107页，2024年2月25日，星期天36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36页,共107页，2024年2月25日，星期天37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37页,共107页，2024年2月25日，星期天38以马心细胞色素c为例说明细胞色素c的空间结构和电子传递过程，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），血红素辅基位于洞穴内。第38页,共107页，2024年2月25日，星期天马心细胞色素c结构图从蛋白链的结构分析得知，血红素位于疏水空腔中，与外界的连接有两个疏水孔道（水不能进入而电子可以自由通行）。这两个通道可能分别连接细胞色素c还原酶和氧化酶第39页,共107页，2024年2月25日，星期天细胞色素c与肌红蛋白结构上的差别1、辅基不同肌红蛋白的辅基为血红素b，6，7位的丙酸基处于疏水袋外2、中心离子配位数不同血红素c为饱和六配位，而肌红蛋白为五配位3、中心离子的自旋状态不同血红素c在还原态和氧化态下都是低自旋，而肌红蛋白还原态下为高自旋，氧化态下才是低自旋第40页,共107页，2024年2月25日，星期天41二．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41页,共107页，2024年2月25日，星期天42P450是一种特殊的血红素蛋白，它的还原型（Fe（II））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，p450是一类具有不同分子量不同性能的血红素蛋白。第42页,共107页，2024年2月25日，星期天431.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、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、致癌物3，4—苯并芘等，毒性不大，但催化氧化还原后，毒性大大的增加。第43页,共107页，2024年2月25日，星期天442.两类含p450的单加氧酶体系由传递电子链不同将p450分二类。A、2H++O2+S+2eH2O+SO

NAD（P）H+H+

NAD（P）++2H++2e烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

产生的2电子经NAD（P）、黄素蛋白还原酶FAD、还原蛋白中的铁硫中心Fe2S2，把电子传到p450血红素活性中心，p450血红素催化上述反应。第44页,共107页，2024年2月25日，星期天45B、

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

单加氧

NAD（P）H+H+

NAD（P）++2H++2e

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

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，p450催化上述氧化还原反应发生。

第45页,共107页，2024年2月25日，星期天463.P450的结构

一类M分子量不同，生化免疫特征不同，催化能力不同的血红素蛋白的总称细胞色素p450（特殊血红素蛋白、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素蛋白的总称。半胱氨酸：α氨基—β—硫基丙酸第46页,共107页，2024年2月25日，星期天47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。已测定多种p450的结构，本书列出三种p450结构，即单胞菌的莰酮—5—外羟化酶的p450（p450cam），兔肝p450

LM2和鼠肝p450的某些结构特征见表5—3第47页,共107页，2024年2月25日，星期天48

表5-3三种p450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位置P450cam46200412357P450LM253100466436P450b55900491438第48页,共107页，2024年2月25日，星期天494.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：

第49页,共107页，2024年2月25日，星期天50

P96

图5-9

总反应：(1).高自旋的p450（Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）氧化/还原态）与底物RH结合形成低自旋的RHFe（Ⅲ）。在静止状态，高自旋与低自旋p450处于平衡态

:HiFe（Ⅲ）t2g3eg2t2g5eg0low

Fe（Ⅱ）t2g4eg2t2g6eg0

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，高自旋p450与底物RH结合。第50页,共107页，2024年2月25日，星期天51(2).NAD（P）H—P450（烟酰胺腺）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(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[Fe—O—O]。(5).过氧化物与H+结合，形成H2O和配合物RH（Fe—O）。(6).ROH脱出后，又形成了氧化型p450，使循环闭合。第51页,共107页，2024年2月25日，星期天52细胞色素p450可能的催化羟化过程第52页,共107页，2024年2月25日，星期天53底物分子SH羟基化反应的可能过程第53页,共107页，2024年2月25日，星期天545.P450的模拟研究

p450的M~50000,氨基酸残基400多，每条蛋白链与一个血红素辅基相连，平面四个N原子配位，第5配位为半胱氨酸s，第6配位未确定。P450具有室温催化氧化，但天然p450结构复杂。石油化工生产中，由烷烃、芳烃和烯烃氧化制取，环氧化物及酯需复杂和苛刻的工艺，p450具有高效专一催化多种有机物和分子应，因p450不易制取，人们提出了多种模拟体系，主要有三种组分：催化剂、氧化剂和添加剂。第54页,共107页，2024年2月25日，星期天55P450含血红素b辅基，血红素辅基与金属卟啉结构相近，很多人研究含铁卟啉体系；自证实p450活性中心含硫基配位后，许多模拟改用卟啉加硫醇体系，来进行有机分子的常温氧化，均取得成效。血红素b第55页,共107页，2024年2月25日，星期天56三、过氧化物酶和过氧化氢酶

多数以血红素辅基（铁卟啉）的酶，蛋白为糖蛋白1.过氧化物酶催化反应SH2+H2O2S+2H2O

过氧化物酶

第56页,共107页，2024年2月25日，星期天57过氧化物酶普遍存在于动植物中，表5-5（5—7）列出了几种过氧化物酶的某些性质，催化反应：

SH2+H2O2S+2H2O

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）}。多数过氧化物酶的辅基为血红素（铁（Ⅲ）卟啉），酶蛋白多为糖蛋白，而卟啉铁（Ⅲ）为近平面，轴向第5配体为组氨酸咪唑氮原子，第6配位可能为H2O。第57页,共107页，2024年2月25日，星期天58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58页,共107页，2024年2月25日，星期天59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）p92~93（大本）

Ccp

H+

第59页,共107页，2024年2月25日，星期天60而氯过氧化物酶（ClP）催化Cl-

氧化为ClO-

ClPCl-+H2O2

ClO-+H2O第60页,共107页，2024年2月25日，星期天61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61页,共107页，2024年2月25日，星期天622.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。第62页,共107页，2024年2月25日，星期天63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63页,共107页，2024年2月25日，星期天64表5—6一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64页,共107页，2024年2月25日，星期天65一、铁蛋白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。主要功能为贮存铁。铁蛋白以Fe（Ⅲ）离子的微团为核心，微团的组织成分大致是[（FeOOH）8（FeO•PO3H2）]微团中有2000~4000个铁离子，外围被24个相同亚单位组成的脱铁铁蛋白包围着。

第65页,共107页，2024年2月25日，星期天66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66页,共107页，2024年2月25日，星期天67二.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67页,共107页，2024年2月25日，星期天68

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68页,共107页，2024年2月25日，星期天69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69页,共107页，2024年2月25日，星期天70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70页,共107页，2024年2月25日，星期天71Fe（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71页,共107页，2024年2月25日，星期天72第四节铁硫蛋白

传递电子，参与生物体内各种氧化还原反应为一类含Fe—S发色团的非血红素铁蛋白，利用铁的可变价，进行电子传递作用。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)第72页,共107页，2024年2月25日，星期天731.Fe(Cys)4蛋白—红氧还蛋白以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，分子量并不高：~6000，一般只含50~60个氨基酸残基，在肽链中，4个半胱氨酸的硫基硫配位。第73页,共107页，2024年2月25日，星期天74图5—11为红氧还蛋白（产生小球菌）结构示意图。4个半胱氨酸的s与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与Fe（Ⅲ）配位功能：传递电子。

图5—11为红氧还蛋白

图5-12植物型铁氧还蛋白结构示意图第74页,共107页，2024年2月25日，星期天752.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，S*表示无机S成活性S，肽链上只有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。植物型铁氧还蛋白的氨基酸残基有9个，其中有5个Cys，分别位于18，39，44，47，77，均用S与Fe配位。第75页,共107页，2024年2月25日，星期天76三、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）产生于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。酒色着色菌活性中心的结构见图5-14；产生于小球菌铁氧还蛋白的活性中心见图5-15

第76页,共107页，2024年2月25日，星期天77第五节铜蛋白铜蛋白的生理功能：载氧~血蓝蛋白，传递电子，贮存铜，作为氧化酶。人体各组织的正常代谢都需要铜，肝、脑、心、肾和脾中含铜高。铜以配合物的形式存在。胆和胆汁是过量铜排出的渠道和介质。第77页,共107页，2024年2月25日，星期天78铜蛋白有三种类型，即Ⅰ型铜、Ⅱ型铜和Ⅲ型铜。它们的光谱特性和磁学性质不同。第78页,共107页，2024年2月25日，星期天79含Ⅰ型铜的铜蛋白在可见光600nm处有吸收峰，本身显蓝色，这可能是L→M荷移光谱，Ⅰ型铜是顺磁性的，Ⅰ型铜处于畸变四面体配位环境中，有较高的氧化还原电位。Ⅱ型铜对吸收光谱没有明显作用，也是顺磁性，接近四方锥构型。Ⅲ型铜是反磁性，早期认为铜处于一价状态，现有认为，成对的Cu(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)由于强烈的自旋-自旋相互作用而不产生EPR（电子顺磁共振）讯号。

第79页,共107页，2024年2月25日，星期天80有些铜蛋白只含一种类型的铜如质体蓝素—Ⅰ型铜蛋白，牛超氧化物歧化酶—Ⅱ型铜蛋白；有些铜蛋白则含两种或三种类型的铜，如漆酶—含Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型铜的铜蛋白。第80页,共107页，2024年2月25日，星期天81第六节

维生素B12和B12辅酶维生素B12是重要的含钴的生物化合物，是天然存在的最复杂的配位化合物之一。存在于动物体及细菌中，动物体内维生素B12是从食物中来，另外肠道细菌也可合成vitaminB12，人和动物本身不能合成维生素B12，维生素B12治疗恶性贫血有效。1948年分离出它的氰化配合物，经结构测定，其组成和结构已较清楚。第81页,共107页，2024年2月25日，星期天82一．维生素B12及其衍生物的结构维生素B12的结构如图5—21，它是含咕啉环配体的钴（Ⅲ）配合物，咕啉有4个吡咯环，吡咯环间由三个亚甲基CH2—和一个α—碳原子直接连结。第82页,共107页，2024年2月25日，星期天83配位于低自旋钴（Ⅲ）（3d6t2g6eg0）的4个吡咯氮原子几乎在同一平面上；第5位配体位于咕啉环平面的下方是核苷酸的苯并咪唑氮；第6位配体可变，用x表示。凡第5位配位的配体为二甲基苯并咪唑核苷酸者统称为钴胺素（cobalamins）。如第6位配体是CN-，称氰钴胺素，即维生素B12，第6配体为H2O，称水合钴胺素或B12a或H2O—B12，若第6配体为甲基，得到B12甲基衍生物甲基钴胺素Me—B12，第6位为腺嘌呤核苷酸，称为腺苷钴胺素（Ado—B12），它是一种活性很高的辅酶，又称为辅酶B12。

第83页,共107页，2024年2月25日，星期天84维生素B12的结构第84页,共107页，2024年2月25日，星期天85甲基钴胺素和腺苷钴胺素都有Co—C键，是自然界中罕见的有机金属化合物。哺乳动物肝脏中的维生素B12近80%以辅酶形式存在，维生素B12在体内的功能为通过辅酶B12参与碳的代谢作用，促进核酸和蛋白质合成，叶酸储存，硫醇活化，骨磷脂形成，促进红细胞发育与成熟。第85页,共107页，2024年2月25日，星期天86二、钴胺素的性质与功能1.钴胺素的氧化还原作用

上述钴胺素都是反磁性物质，具有低自旋d6构型，Co的氧化态为+3，在适当条件下，Co（Ⅲ）可以还原为Co（Ⅱ）或Co（Ⅰ）。如用弱还原剂抗坏血酸，可以使钴胺素中Co（Ⅲ）还原为Co（Ⅱ）胺素（顺磁性），常用B12r表示；如用四硼氢化钠或四氢铝锂还原，则可使Co（Ⅱ）胺素进一步还原为Co（Ⅰ）胺素B12s。第86页,共107页，2024年2月25日，星期天87B12s(Co（Ⅰ）)胺素是强亲核试剂，通过氧化加成反应生成相应的B12衍生物。如：

B12s

+5’—脱氧腺苷甲苯磺酸盐

Ado—B12+对甲苯磺酸盐（第6位配体）

腺苷钴胺素（辅酶B12）

第87页,共107页，2024年2月25日，星期天88

B12s+CH3X

Me—B12+X

（第6位配体）第88页,共107页，2024年2月25日，星期天892.甲基转移反应

B12重要功能是参与合成蛋氨酸在B12作用下，可使一分子的甲基转移到另一分子上。

CH3—THF+HSCH2CH2CHCOOH

THF+CH3SCH2CH2CHCOOH

NH2

NH2

（甲基四氢叶酸）

（高半胱氨酸）

（蛋氨酸）

第89页,共107页，2024年2月25日，星期天90机理：

蛋氨酸

高半胱氨酸第90页,共107页，2024年2月25日，星期天91从一些微生物可分离出甲基B12（Me—B12），它参与汞甲基化反应，使汞盐转化为剧毒甲基汞。Me-B12+Hg2+

Me—Hg—Me+H2O—B12

从某些细菌中发现，Me—B12是合成甲烷的良好底物：CH3—B12+(M)

（辅酶）

B12r+CH3—(M)CH3—(M)+H2

(M)—H+CH4第91页,共107页，2024年2月25日，星期天923.分子内重排反应：R2HR1—C—C—R3HH

辅酶B12

HR2R1—C—C—R3HH第92页,共107页，2024年2月25日，星期天93三.模拟物研究维生素B12在体内主要功能为通过辅酶B12参与碳的代谢作用，促进核酸和蛋白质合成，叶酸储存，硫醇活化，骨磷脂形成，促进红细胞的发育与成熟。B12最为显著的特点之一是形成烷基衍生物的能力，烷基钴胺素中的烷基R碳原子与钴原子主要以σ键合，属于有机金属化合物。一般来说，过渡金属σ键合的烷基衍生物是不稳定的，而烷基钴胺素则比较稳定，从而使人们去研究其稳定性。研究是采取模型化合物。

第93页,共107页，2024年2月25日，星期天94目前已合成了一些钴的σ键衍生物，如图5—25中几个例子，这些模拟化合物的骨架结构与卟啉相似，与Co配位的平面配体有3—4个双键，具有一定的∏共轭作用，对模型化合物的研究加深了人们对辅酶B12钴胺素催化功能的认识，研究结果可归纳如下：第94页,共107页，2024年2月25日，星期天951.Co—R键裂解可采取以下三种方式。Co—RCo（Ⅰ）+R+

正碳离子途径Co—RCo（Ⅱ）+R自由基途径Co—RCo（Ⅲ）+R-

负碳离子途径

无论采取哪一种途径，所需活化能都不高。第95页,共107页，2024年2月25日，星期天962.咕啉中等程度的∏共轭作用，在稳定性和催化功能方面都很重