生物氧化還原反應

關于生物氧化還原反應第1頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五2除了厭氧生物以外，一切生物都需要氧，因此，氧化還原反應是生物體內的重要反應。但氧化還原反應并不僅僅局限于生物體的呼吸作用。光合作用，固氮作用以及生物體內的許多代謝過程都涉及到氧化還原反應。本章介紹生物氧化還原反應過程中的部分金屬蛋白與金屬酶。第2頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五3本章主要內容第一節(jié)生物體的氧化還原反應第二節(jié)血紅素蛋白

第三節(jié)鐵蛋白（貯鐵）與鐵傳遞蛋白（運送鐵）第四節(jié)鐵硫蛋白

第五節(jié)銅蛋白第六節(jié)維生素B12和B12輔酶第七節(jié)鉬酶—氧化還原酶第3頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五4第一節(jié)生物體的氧化還原反應一、分子氧及其活化根據(jù)分子軌道法。氧分子軌道由兩個氧原子軌道組成：O2[KK（σ2S）2（σ2S*）2（σ2Px）2（∏2Py）2（∏2Pz）2（∏2Py*）1（∏2Pz*）1]第4頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五5若在反鍵軌道上加入一個電子，則可以成為超氧離子O2-；若在反鍵軌道上加入兩個電子，則可以成為過氧離子O22-；若氧分子失去一個電子，則可以成為雙氧陽離子O2+。

O2-和O22-的鍵能比O2低，表明他們的

O-O

鍵能削弱了，故可把O2-和O22-看為雙氧的兩種活化態(tài)。第5頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五6大氣中的氧活性較差，鐵在空氣中緩慢氧化。木材，碳不會自燃，而一旦燃燒，非常迅速發(fā)生氧化反應，表明氧是一個強氧化劑，只是需在一定溫度下進行。（電極電勢差EO2/H2O=1.23V，O2為強氧化劑，在熱力學上，有利于氧化生成CO2和H2O，但是實際上它同大多數(shù)底物在室溫的氣相或均相溶液的反應進行得很慢，這是由于動力學上的原因）。

O2+H++e?HO2E=-0.32V第6頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五7在生命體內，氧具有高度活性，這是由于存在過渡金屬配合物催化劑的原因。有人認為，這是由于O2分子和被氧化物均可和金屬離子反應形成三元配合物O2-M-E，其中氧分子與過渡金屬M形成一個σ鍵，還可能形成d-p∏*（反饋∏鍵），底物E若有對稱合適的軌道，就可和金屬的d軌道成鍵，形成O2-M-E一個擴展的分子軌道，使電子能順利地從底物轉移到氧分子，實現(xiàn)氧化還原反應。

第7頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五8分子氧與過渡金屬可以以側基配位，端基配位和端基角向配位。以側基配位時，分子氧的∏*軌道簡并通過配體場的作用而消除，這將有利于消除自旋守恒對反應的限制，使電子容易成對地轉移到分子氧的反鍵軌道。如果中心金屬能程度不同地把電子轉移給O2，則配位雙氧可變?yōu)槌跣突蜻^氧型配體，O2就被不同程度地活化了。第8頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五9這種活化方式不消耗外部能量，但配體反應能力卻大大加強。當然不是任何過渡金屬都可以使分子氧活化。事實上只有少數(shù)過渡金屬配合物可以完全與分子氧鍵合，這取決于金屬和配體的性質。第9頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五10二、生物氧化還原作用的類型生物體的氧化還原作用主要有三大類型:

(1)以氧作為末端電子受體的電子傳遞過程：第10頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五11SH2和S

為底物的還原態(tài)和氧化態(tài)，Cired和Ciox代表一系列傳遞電子物質的還原態(tài)和氧化態(tài)，這類反應的特點是在末端以前的氧化還原反應是一系列電子傳遞鏈，末端由O2接受電子生成水。

相當于反應:2SH2+O22S+2H2O第11頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五12(2)兩類脫氫反應:

SH2+1/2O2S+H2O

SH2+O2S+H2O2

實際上這兩個反應要經過一個或多個中間氫載體，并以氧作為末端氫受體的體系來進行，實際上也是一條電子傳遞鏈。第12頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五13AiH2和Ai(I=1,2,3,….,n)分別表示氫載體的還原態(tài)和氧化態(tài)。第13頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五14(3)底物與氧分子的氧原子結合這類氧化還原反應往往要相應的加氧酶參與?？傊?，脫氫過程中脫去一個氫原子（即一個質子和一個電子），加氧反應常伴有氧分子接受質子和電子而被還原為水。生物氧化的主要方式是脫氫作用，在依靠氧氣生存的生物體內，從代謝物脫下的氫通過呼吸鏈的逐步傳遞最后被分子氧接受并生成水。第14頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五15三、氧化還原酶的分類及其催化的反應

氧化還原酶是六大酶之一，它們大部分與金屬離子有關。這類酶在生物體內的氧化還原產生能量、解毒及某些生理活性物質形成過程中起重要作用，氧化還原酶習慣上分為四類。第15頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五161.脫氫酶[輔酶：NAD、NADP，這些酶受氫或提供氫]

脫氫酶S+AH2

A為受氫體，SH2和S為底物還原型和氧化型。大部分脫氫酶需要輔酶，即為結合酶。脫氫酶的輔酶主要為NAD（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）或NADP（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸），少數(shù)為FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）或黃素單核苷酸（FMN）。SH2+A

第16頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五17

這些輔酶起供氫或受氫作用，例如含鋅的L-蘋果酸脫氫酶可催化蘋果酸脫氫反應：

蘋果酸脫氫酶L-蘋果酸

草酰乙酸第17頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五18很多脫氫酶均含金屬離子——金屬酶，如谷氨酸脫氫酶，乳酸脫氫酶均為鋅酶，黃嘌呤脫氫酶為鉬—鐵酶。第18頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五192.氧化酶當脫氫酶的氫受體是分子氧時，稱為氧化酶，氧化酶催化兩類反應。

SH2+O2S+H2O2這類酶的催化產物為H2O2，另一類酶催化產物為H2O。SH2+1/2O2

S

+H2O第19頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五203.過氧化物酶

過氧化物酶催化以H2O2為氧化劑的氧化還原反應。

SH2+H2O2S+2H2O過氧化氫酶催化H2O2

的歧化反應。

2H2O2O2+2H2O過氧化物酶

過氧化氫酶

第20頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五214.加氧酶加氧酶催化氧分子的氧原子直接加合到有機物分子中，分為雙加氧酶和單加氧酶。

雙加氧酶:SH2+O2SO2H2

雙加氧酶

順，順—己二烯二酸

第21頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五22單加氧酶，又稱羥化酶。R3C—H+O2+AH2

R3C—OH+A+H2O

肝微粒體單加氧酶

NADPH為還原態(tài)的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,肝微粒體單加氧酶為一與細胞色素p450有關的單加氧酶，p450（存在于肝臟濃度最高）為血紅素輔基酶蛋白。第22頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五23四、呼吸鏈與電子傳遞體

1.呼吸鏈生物體的各種運動均需要能量，這種能量來源于糖、脂肪、蛋白質等有機物在體內的氧化。這些有機物在活細胞內氧化分解，產生CO2和H2O并放出能量的作用稱為生物氧化。第23頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五24有機物在生物體內的生物氧化與在體外化學氧化的產物和能量變化相同，即產物均為CO2和H2O，并釋放出相等的能量，不同的是，生物氧化是在活細胞內由酶催化，經一系列的化學反應（分步反應）逐步氧化，分次放出能量，這些能量主要以三磷酸腺苷（ATP）等高能化合物的形式儲存起來，供需要時使用。故ATP是生物體的能量“儲存庫”和“轉運站”。第24頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五25在生物氧化過程中，糖、脂、氨基酸等代謝物首先經過以NAD（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）等為輔酶的脫氫酶催化脫氫，脫出的氫經一個或多個遞氫體沿一定方向傳遞，當氫和電子被傳到細胞色素b時，H+留在溶液中，電子則繼續(xù)通過細胞色素體系和細胞色素氧化酶傳遞到氧分子，使分子氧激活產生O22-，再與H+結合生成H2O，在氧與電子傳遞過程中，有三處放出能量，這些能量通過氧化磷酸化作用產生ATP，這個體系稱為電子傳遞體系或呼吸鏈。第25頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五26SH2S+NADHH+O22-

NAD脫氫酶

細胞色素b

e

O2氧化酶

4H++O22-=2H2O+Q

產生的能用于ATP的形成（儲能）ADPATP第26頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五27

2、電子傳遞體(多種)

在呼吸鏈中，有一類稱為電子傳遞體的物質，它們通過自身的氧化還原作用傳遞氫和電子，把呼吸鏈起始的脫氫酶和末端的氧化酶連接起來。主要包括黃素蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白和某些脂溶性維生素。

生物電子傳遞通常為長程傳遞，長度約10埃第27頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五28(1)黃素蛋白含黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）或黃素單核苷酸（FMN）輔基，黃素蛋白有的是脫氫酶，有的是氧化酶，還有的為電子傳遞體。(2)細胞色素是含鐵卟啉輔基的蛋白，其主要功能是傳遞電子。在某些情況下，還具有氧化酶或加氧酶的功能。細胞色素的種類很多，從高等植物中至少可以分離出5類，即細胞色素b、c1、c、a和a3。第28頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五(3)鐵硫蛋白包含一個或多個Fe—S簇，主要功能是傳遞電子。(4)脂溶性維生素中，最主要的電子傳遞體是富酶Q，它通過結構的可逆改變傳遞電子。第29頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五30

第二節(jié)細胞色素鐵蛋白可分為血紅素蛋白和非血紅素蛋白。血紅蛋白和肌紅蛋白都含有血紅素輔基（鐵（Ⅱ）卟啉），人體中70%的鐵以血紅蛋白形式存在，第四章介紹了作為輸送、貯存氧的血紅蛋白和肌紅蛋白（結合蛋白）本節(jié)介紹在生物氧化還原過程中作為酶或電子傳遞體的一些血紅素蛋白。第30頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五31血紅素輔基（鐵（Ⅱ）卟啉）第31頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五32一、細胞色素

細胞的色素（Cytochrome）即細胞中顯色的分子有a，b和c三大類，根據(jù)其還原型光譜最大吸收峰的位置來分類，還原態(tài)有3個吸收峰，分別為α、β、γ譜帶，其中的α譜帶從細胞色素a（570nm）、b(555-560nm)到c(548-560nm)變短。波長的長短與卟啉環(huán)側鏈的不同取代基相關第32頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五33血紅素a、b、c輔基的結構第33頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五34細胞色素廣泛存在于細菌、酵母、植物、無脊椎動物、脊椎動物和人的組織中，動物中主要存在于心臟及其它活躍的運動肌中，如鳥類和昆蟲的飛翔肌中較高。細胞色素是一類血紅素蛋白，其基本功能是通過分子中的血紅素鐵的價態(tài)的可逆變化在生物體內起電子及氫的傳遞作用。目前從已知的細胞色素有50余種。不同的細胞色素具有不同的性能。第34頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五351.細胞色素c細胞色素c分子較小，易于結晶，其組成和結構已研究清楚。細胞色素c：血紅素c+相應蛋白構成。血紅素c以共價鍵與蛋白鏈中的Cys相聯(lián)(α譜帶的最大吸收在548~560nm)（上）血紅素c的結構圖。（左）細胞色素c的血紅素與肽鏈結合示意圖第35頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五36人們研究了從小麥到人類共50多種不同生物來源的細胞色素c的一級結構（氨基酸數(shù)目及排列順序），發(fā)現(xiàn)不同生物，肽鏈的組成是不同的，且生物親緣越遠，差別越大。如人與猩猩的細胞色素c分子，各有104個氨基酸殘基，這些氨基酸殘基的種類及排列順序大體相同，但人與馬相比，氨基酸殘基的種類就有12處不同。第36頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五37共同點：盡管不同生物的細胞色素各不相同，但各個生物的100多個氨基酸殘基（肽鏈~蛋白鏈）中，有35個氨基酸殘基是各種生物共有的；另外，每條肽鏈含鐵卟啉，鐵卟啉周圍的配體及其傳遞電子的功能也是相同的。

第37頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五38以馬心細胞色素c為例說明細胞色素c的空間結構和電子傳遞過程，馬心的細胞色素c相對分子量是13500，有一條104個氨基酸殘基肽鏈包圍著血紅素C輔基（鐵卟啉），血紅素輔基位于洞穴內。第38頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五馬心細胞色素c結構圖從蛋白鏈的結構分析得知，血紅素位于疏水空腔中，與外界的連接有兩個疏水孔道（水不能進入而電子可以自由通行）。這兩個通道可能分別連接細胞色素c還原酶和氧化酶第39頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五細胞色素c與肌紅蛋白結構上的差別1、輔基不同肌紅蛋白的輔基為血紅素b，6，7位的丙酸基處于疏水袋外2、中心離子配位數(shù)不同血紅素c為飽和六配位，而肌紅蛋白為五配位3、中心離子的自旋狀態(tài)不同血紅素c在還原態(tài)和氧化態(tài)下都是低自旋，而肌紅蛋白還原態(tài)下為高自旋，氧化態(tài)下才是低自旋第40頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五41二．細胞色素p450（簡稱p450

)屬一類b族細胞色素，用p450表示，以別于其它b族細胞色素（血紅蛋白、肌紅蛋白）藥物、農藥、工業(yè)污染物等通過呼吸，口及皮膚進入人和動物體內，動物體通過消化道排除大部分污染物，通過尿液排出大部分水溶性污染及毒素。但脂溶性物都很難由以上兩途徑排出，人體肝臟彌補了這一缺陷，肝臟有很強的解毒功能，它主要通過肝臟中的p450混合功能氧化酶系統(tǒng)發(fā)揮作用。第41頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五42P450是一種特殊的血紅素蛋白，它的還原型（Fe（II））與CO結合在450nm處有最大吸收峰，因而命名為細胞色素p450，實質上，p450是一類具有不同分子量不同性能的血紅素蛋白。第42頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五431.P450的功能P450廣泛存在于動物、植物及微生物體內，以致被稱為自然界中無處不在的酶，它參與許多代謝過程，人體肝、腎、腦及皮膚中濃度最高，目前所知，p450在動物體中（哺乳動物）可以催化近300種各種脂溶性化合物進行氧化還原反應、羥化、環(huán)氧化等，各種脂溶性化合物經p450催化氧化還原后，變?yōu)樗苄曰衔铮浤I臟、尿液排出體外——解毒作用，這是有利的一方面；但另一方面，有些化合物經p450催化氧化還原反應后，毒性反而更高，如黃曲霉素、亞硝胺、致癌物3，4—苯并芘等，毒性不大，但催化氧化還原后，毒性大大的增加。第43頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五442.兩類含p450的單加氧酶體系由傳遞電子鏈不同將p450分二類。A、2H++O2+S+2eH2O+SO

NAD（P）H+H+

NAD（P）++2H++2e煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

產生的2電子經NAD（P）、黃素蛋白還原酶FAD、還原蛋白中的鐵硫中心Fe2S2，把電子傳到p450血紅素活性中心，p450血紅素催化上述反應。第44頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五45B、

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

單加氧

NAD（P）H+H+

NAD（P）++2H++2e

煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸

產生的2個電子經更復雜的黃素蛋白還原酶（黃素腺嘌呤二核苷酸FAD、黃素單核苷酸FMN），把電子轉移到p450血紅素中，p450催化上述氧化還原反應發(fā)生。

第45頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五463.P450的結構

一類M分子量不同，生化免疫特征不同，催化能力不同的血紅素蛋白的總稱細胞色素p450（特殊血紅素蛋白、催化近300種脂溶性化合物進行氧化還原反應）是一類具有不同分子量、不同生化和免疫特征及不同催化能力的血紅素蛋白的總稱。半胱氨酸：α氨基—β—硫基丙酸第46頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五47大多數(shù)p450相對分子質量為50000，含氨基酸殘基400多，每一條蛋白鏈都與一個血紅素（卟啉鐵）相連，平面四個氮原子與Fe（Ⅱ）配位，第5配位原子是蛋白質鏈上半胱氨酸殘基的硫，不同的p450，第5配位的蛋白鏈的半胱氨酸硫的位置不同，第6配體現(xiàn)仍未確定。已測定多種p450的結構，本書列出三種p450結構，即單胞菌的莰酮—5—外羥化酶的p450（p450cam），兔肝p450

LM2和鼠肝p450的某些結構特征見表5—3第47頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五48

表5-3三種p450某些結構特征P450類型相對分子質量氨基酸殘基數(shù)軸向配體半胱氨酸位置P450cam46200412357P450LM253100466436P450b55900491438第48頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五494.雙氧活化和底物羥化作用有機物與氧反應，需高溫，在生物體內，由于有p450酶的催化，可使氧分子活化，現(xiàn)人們普遍認為在生物體內發(fā)生如下反應：

第49頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五50

P96

圖5-9

總反應：(1).高自旋的p450（Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）氧化/還原態(tài)）與底物RH結合形成低自旋的RHFe（Ⅲ）。在靜止狀態(tài)，高自旋與低自旋p450處于平衡態(tài)

:HiFe（Ⅲ）t2g3eg2t2g5eg0low

Fe（Ⅱ）t2g4eg2t2g6eg0

低自旋p450的第6配位可能是含—OH基團（如氨基酸中的OH），而高自旋態(tài)的p450中，只有第5配位為半胱氨酸的硫，第6配位空著，這時的鐵高出卟啉環(huán)平面，高自旋p450與底物RH結合。第50頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五51(2).NAD（P）H—P450（煙酰胺腺）還原酶使NAD（P）H的電子轉移至p450血紅素鐵卟啉，使Fe3+還原為Fe2+。(3).分子氧結合到p450上，形成三元配合物(Fe2+為中心，卟啉N（4個），半胱氨酸的s及分子氧)。(4).第二個電子離開NAD（P）H還原酶，形成不穩(wěn)定的過氧化物[Fe—O—O]。(5).過氧化物與H+結合，形成H2O和配合物RH（Fe—O）。(6).ROH脫出后，又形成了氧化型p450，使循環(huán)閉合。第51頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五52細胞色素p450可能的催化羥化過程第52頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五53底物分子SH羥基化反應的可能過程第53頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五545.P450的模擬研究

p450的M~50000,氨基酸殘基400多，每條蛋白鏈與一個血紅素輔基相連，平面四個N原子配位，第5配位為半胱氨酸s，第6配位未確定。P450具有室溫催化氧化，但天然p450結構復雜。石油化工生產中，由烷烴、芳烴和烯烴氧化制取，環(huán)氧化物及酯需復雜和苛刻的工藝，p450具有高效專一催化多種有機物和分子應，因p450不易制取，人們提出了多種模擬體系，主要有三種組分：催化劑、氧化劑和添加劑。第54頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五55P450含血紅素b輔基，血紅素輔基與金屬卟啉結構相近，很多人研究含鐵卟啉體系；自證實p450活性中心含硫基配位后，許多模擬改用卟啉加硫醇體系，來進行有機分子的常溫氧化，均取得成效。血紅素b第55頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五56三、過氧化物酶和過氧化氫酶

多數(shù)以血紅素輔基（鐵卟啉）的酶，蛋白為糖蛋白1.過氧化物酶催化反應SH2+H2O2S+2H2O

過氧化物酶

第56頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五57過氧化物酶普遍存在于動植物中，表5-5（5—7）列出了幾種過氧化物酶的某些性質，催化反應：

SH2+H2O2S+2H2O

從組成看，均為結合酶，{全酶=酶蛋白+輔助因子，輔助因子有輔基（與蛋白結合牢）和輔酶（與蛋白結合不牢）}。多數(shù)過氧化物酶的輔基為血紅素（鐵（Ⅲ）卟啉），酶蛋白多為糖蛋白，而卟啉鐵（Ⅲ）為近平面，軸向第5配體為組氨酸咪唑氮原子，第6配位可能為H2O。第57頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五58位于配位中心的Fe（Ⅲ）也有高自旋與低自旋之分，如從植物中分離純化的過氧化物酶（高鐵血紅素輔基）在低PH值時為高自旋，高PH值時為低自旋。Fe（Ⅲ）t2g5eg0Fe（Ⅲ）t2g3eg2

PH下降

PH升高~11

第58頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五59細胞色素c過氧化物酶催化H2O2分解為H2O。

2（cyt.c）Fe（Ⅱ）+H2O2

2（cyt.c）Fe（Ⅲ）+2H2O

注：Ccp：細胞色素過氧化酶：為細胞色素a和a3復合體輔基為血紅素a（比較血紅素b和血紅素C）p92~93（大本）

Ccp

H+

第59頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五60而氯過氧化物酶（ClP）催化Cl-

氧化為ClO-

ClPCl-+H2O2

ClO-+H2O第60頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五61對大多數(shù)組織來說，H2O2有害，H2O2可氧化含巰基的酶或蛋白質，使之失去活力，將體內不飽和脂肪酸氧化為過氧化物，會產生疾病，如發(fā)生溶血癥等，過氧化物酶催化H2O2轉化為H2O，從而消除了毒性。第61頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五622.過氧化氫酶過氧化氫酶活性不及過氧化物酶，但它催化H2O2H2O+O2是高效的，過氧化氫酶為結合蛋白，由高鐵血紅素輔基和相應的蛋白組成，相對分子量24000，每個分子含4個亞基，每一個亞基含一個高自旋正鐵血紅素鐵（Ⅲ）的軸向配體可能是氨基酸和H2O。第62頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五63第三節(jié)鐵蛋白（貯鐵）與鐵傳遞蛋白（運送鐵）為非血紅素鐵蛋白，不含血紅素輔基，但含鐵，在這一類蛋白質中，鐵有多種存在形式，按生理功能的不同，將非血紅素鐵蛋白分成如下幾類：（四類）第63頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五64表5—6一些非血紅素蛋白的生理功能非血紅素鐵蛋白生理功能來源鐵蛋白鐵傳遞蛋白卵清鐵傳遞蛋白乳鐵傳遞蛋白

貯存、輸送鐵動物組織血清卵清乳紅氧還蛋白鐵氧還蛋白腎上腺皮質鐵氧還蛋白

傳遞電子細菌葉綠體、細菌腎上腺皮質蚯蚓血紅蛋白

載氧蚯蚓、星蟲順烏頭酸酶鄰苯二酚雙加氧酶氫酶

催化動植物細菌細菌、藻類第64頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五65一、鐵蛋白主要存在與動物脾臟、肝臟和骨髓中，在植物葉綠體及某些細菌中也發(fā)現(xiàn)有鐵蛋白。主要功能為貯存鐵。鐵蛋白以Fe（Ⅲ）離子的微團為核心，微團的組織成分大致是[（FeOOH）8（FeO?PO3H2）]微團中有2000~4000個鐵離子，外圍被24個相同亞單位組成的脫鐵鐵蛋白包圍著。

第65頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五66鐵貯存：Fe2+-eFe3+

nFe3++脫鐵鐵蛋白鐵蛋白

鐵釋放：鐵蛋白+ne

脫鐵鐵蛋白+nFe2+

[O]

第66頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五67二.鐵傳遞蛋白

存在：動物體和細胞中；功能：運送Fe（Ⅲ）；組成：金屬糖蛋白；1945年首次在人血清中發(fā)現(xiàn)。第67頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五68

存在：主要血清中。鐵傳遞蛋白為金屬糖蛋白，不同動物的鐵傳遞蛋白，其氨基酸組成和糖含量不同。相對分子量是67000~74000，人血清鐵傳遞蛋白是由一條含676個氨基酸殘基的肽鏈和兩條相同的糖支鏈組成，主要功能是運送鐵（Ⅲ）離子。第68頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五69鐵傳遞蛋白的生理功能：主要是在體內運送Fe3+

離子，鐵傳遞蛋白存在兩個結構域，（~600—700氨基酸殘基，M~7萬，2個相同糖支鏈），各有一個結合金屬的部位，分別稱為A位和B位，A位結合的鐵主要運送到骨髓和胎盤，B位結合的鐵主要運送到肝細胞、小腸粘摸和其它組織細胞。第69頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五70食物和飲料中鐵主要以Fe3+形式存在，需要在胃腸道內還原為Fe2+才能被十二指腸及空腸上段的粘膜細胞吸收。一部分從小腸進入血液的Fe2+，經銅藍蛋白催化，轉變?yōu)镕e3+，在CO2存在下與脫鐵蛋白結合，然后隨血液運送到骨髓細胞中，用于血紅蛋白的合成，有些被送到各組織細胞中用于合成酶；其余被運送到肝、脾臟貯存起來。第70頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五71Fe（Ⅲ）

Fe（Ⅱ）

血液

Fe（Ⅲ）

Fe（Ⅲ）+脫鐵蛋白

小腸、胃中

還原

十二指腸

等粘摸

[O]

CO2脫鐵蛋白

（鐵傳遞蛋白）

{

A部位B部位骨髓細胞（用于血紅蛋白合成），或各組織用于合成酶肝脾臟（貯存Fe（Ⅲ））

第71頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五72第四節(jié)鐵硫蛋白

傳遞電子，參與生物體內各種氧化還原反應為一類含F(xiàn)e—S發(fā)色團的非血紅素鐵蛋白，利用鐵的可變價，進行電子傳遞作用。根據(jù)氧化還原反應中心的組成和結構，鐵硫蛋白可分為三大類：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頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五731.Fe(Cys)4蛋白—紅氧還蛋白以Fe(Cys)4為中心的蛋白呈紅色，故稱紅氧還蛋白，主要存在于細菌中，分子量并不高：~6000，一般只含50~60個氨基酸殘基，在肽鏈中，4個半胱氨酸的硫基硫配位。第73頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五74圖5—11為紅氧還蛋白（產生小球菌）結構示意圖。4個半胱氨酸的s與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與Fe（Ⅲ）配位功能：傳遞電子。

圖5—11為紅氧還蛋白

圖5-12植物型鐵氧還蛋白結構示意圖第74頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五752.Fe2S*2(cys)4蛋白—植物型鐵氧還蛋白Fe2S*2(cys)4來源于植物的葉綠體，參與光合作用，故稱為植物型鐵氧還蛋白，S*表示無機S成活性S，肽鏈上只有5個半胱氨酸巰基硫與鐵配位（Cys：18，39，44，47，77）無機S作為摻連S原子。植物型鐵氧還蛋白的氨基酸殘基有9個，其中有5個Cys，分別位于18，39，44，47，77，均用S與Fe配位。第75頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五76三、Fe4S*4(cys)4蛋白—高電位鐵硫蛋白和細菌型鐵氧還蛋白該類鐵硫蛋白以Fe4S*4(cys)4為活性中心，來源不同，含活性中心數(shù)可能不同。如：從酒色著色菌分離出的鐵硫蛋白含1個Fe4S*4(cys)4活性中心，4個Fe和4個S*交替連接成立方烷結構，每一個Fe與一個cys連結（巰基）產生于小球菌鐵氧還蛋白分子含有二個Fe4S*4(cys)4活性中心，二者相距1.2nm，作用為傳遞電子。酒色著色菌活性中心的結構見圖5-14；產生于小球菌鐵氧還蛋白的活性中心見圖5-15

第76頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五77第五節(jié)銅蛋白銅蛋白的生理功能：載氧~血藍蛋白，傳遞電子，貯存銅，作為氧化酶。人體各組織的正常代謝都需要銅，肝、腦、心、腎和脾中含銅高。銅以配合物的形式存在。膽和膽汁是過量銅排出的渠道和介質。第77頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五78銅蛋白有三種類型，即Ⅰ型銅、Ⅱ型銅和Ⅲ型銅。它們的光譜特性和磁學性質不同。第78頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五79含Ⅰ型銅的銅蛋白在可見光600nm處有吸收峰，本身顯藍色，這可能是L→M荷移光譜，Ⅰ型銅是順磁性的，Ⅰ型銅處于畸變四面體配位環(huán)境中，有較高的氧化還原電位。Ⅱ型銅對吸收光譜沒有明顯作用，也是順磁性，接近四方錐構型。Ⅲ型銅是反磁性，早期認為銅處于一價狀態(tài)，現(xiàn)有認為，成對的Cu(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)由于強烈的自旋-自旋相互作用而不產生EPR（電子順磁共振）訊號。

第79頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五80有些銅蛋白只含一種類型的銅如質體藍素—Ⅰ型銅蛋白，牛超氧化物歧化酶—Ⅱ型銅蛋白；有些銅蛋白則含兩種或三種類型的銅，如漆酶—含Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型銅的銅蛋白。第80頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五81第六節(jié)

維生素B12和B12輔酶維生素B12是重要的含鈷的生物化合物，是天然存在的最復雜的配位化合物之一。存在于動物體及細菌中，動物體內維生素B12是從食物中來，另外腸道細菌也可合成vitaminB12，人和動物本身不能合成維生素B12，維生素B12治療惡性貧血有效。1948年分離出它的氰化配合物，經結構測定，其組成和結構已較清楚。第81頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五82一．維生素B12及其衍生物的結構維生素B12的結構如圖5—21，它是含咕啉環(huán)配體的鈷（Ⅲ）配合物，咕啉有4個吡咯環(huán)，吡咯環(huán)間由三個亞甲基CH2—和一個α—碳原子直接連結。第82頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五83配位于低自旋鈷（Ⅲ）（3d6t2g6eg0）的4個吡咯氮原子幾乎在同一平面上；第5位配體位于咕啉環(huán)平面的下方是核苷酸的苯并咪唑氮；第6位配體可變，用x表示。凡第5位配位的配體為二甲基苯并咪唑核苷酸者統(tǒng)稱為鈷胺素（cobalamins）。如第6位配體是CN-，稱氰鈷胺素，即維生素B12，第6配體為H2O，稱水合鈷胺素或B12a或H2O—B12，若第6配體為甲基，得到B12甲基衍生物甲基鈷胺素Me—B12，第6位為腺嘌呤核苷酸，稱為腺苷鈷胺素（Ado—B12），它是一種活性很高的輔酶，又稱為輔酶B12。

第83頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五84維生素B12的結構第84頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五85甲基鈷胺素和腺苷鈷胺素都有Co—C鍵，是自然界中罕見的有機金屬化合物。哺乳動物肝臟中的維生素B12近80%以輔酶形式存在，維生素B12在體內的功能為通過輔酶B12參與碳的代謝作用，促進核酸和蛋白質合成，葉酸儲存，硫醇活化，骨磷脂形成，促進紅細胞發(fā)育與成熟。第85頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五86二、鈷胺素的性質與功能1.鈷胺素的氧化還原作用

上述鈷胺素都是反磁性物質，具有低自旋d6構型，Co的氧化態(tài)為+3，在適當條件下，Co（Ⅲ）可以還原為Co（Ⅱ）或Co（Ⅰ）。如用弱還原劑抗壞血酸，可以使鈷胺素中Co（Ⅲ）還原為Co（Ⅱ）胺素（順磁性），常用B12r表示；如用四硼氫化鈉或四氫鋁鋰還原，則可使Co（Ⅱ）胺素進一步還原為Co（Ⅰ）胺素B12s。第86頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五87B12s(Co（Ⅰ）)胺素是強親核試劑，通過氧化加成反應生成相應的B12衍生物。如：

B12s

+5’—脫氧腺苷甲苯磺酸鹽

Ado—B12+對甲苯磺酸鹽（第6位配體）

腺苷鈷胺素（輔酶B12）

第87頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五88

B12s+CH3X

Me—B12+X

（第6位配體）第88頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五892.甲基轉移反應

B12重要功能是參與合成蛋氨酸在B12作用下，可使一分子的甲基轉移到另一分子上。

CH3—THF+HSCH2CH2CHCOOH

THF+CH3SCH2CH2CHCOOH

NH2

NH2

（甲基四氫葉酸）

（高半胱氨酸）

（蛋氨酸）

第89頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五90機理：

蛋氨酸

高半胱氨酸第90頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五91從一些微生物可分離出甲基B12（Me—B12），它參與汞甲基化反應，使汞鹽轉化為劇毒甲基汞。Me-B12+Hg2+

Me—Hg—Me+H2O—B12

從某些細菌中發(fā)現(xiàn)，Me—B12是合成甲烷的良好底物：CH3—B12+(M)

（輔酶）

B12r+CH3—(M)CH3—(M)+H2

(M)—H+CH4第91頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五923.分子內重排反應：R2HR1—C—C—R3HH

輔酶B12

HR2R1—C—C—R3HH第92頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五93三.模擬物研究維生素B12在體內主要功能為通過輔酶B12參與碳的代謝作用，促進核酸和蛋白質合成，葉酸儲存，硫醇活化，骨磷脂形成，促進紅細胞的發(fā)育與成熟。B12最為顯著的特點之一是形成烷基衍生物的能力，烷基鈷胺素中的烷基R碳原子與鈷原子主要以σ鍵合，屬于有機金屬化合物。一般來說，過渡金屬σ鍵合的烷基衍生物是不穩(wěn)定的，而烷基鈷胺素則比較穩(wěn)定，從而使人們去研究其穩(wěn)定性。研究是采取模型化合物。

第93頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五94目前已合成了一些鈷的σ鍵衍生物，如圖5—25中幾個例子，這些模擬化合物的骨架結構與卟啉相似，與Co配位的平面配體有3—4個雙鍵，具有一定的∏共軛作用，對模型化合物的研究加深了人們對輔酶B12鈷胺素催化功能的認識，研究結果可歸納如下：第94頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五951.Co—R鍵裂解可采取以下三種方式。Co—RCo（Ⅰ）+R+

正碳離子途徑Co—RCo（Ⅱ）+R自由基途徑Co—RCo（Ⅲ）+R-

負碳離子途徑

無論采取哪一種途徑，所需活化能都不高。第95頁，共107頁，2022年，5月20日，9點0分，星期五962.咕啉中等程度的∏共軛作用，在穩(wěn)定