加氧酶的發(fā)現(xiàn)與分類
化學先生 / 2019-07-31
加氧酶是能夠在溫和條件下活化分子氧，使其與底物結(jié)合形成反應(yīng)中間物，加速生命體中氧化反應(yīng)進行的生物酶的總稱。1955年，Mason 和Hayaishi分別發(fā)現(xiàn)，在酚酶催化氧化3,4-二甲基苯酚和鄰苯二酚酶催化氧化鄰苯二酚(圖示4-1)時，分子氧中的一個或兩個氧原子能夠直接插人有機分子。這是最早發(fā)現(xiàn)的加氧酶，其分子中不包含卟啉( porphyrin)，屬于非卟啉類酶。
在后續(xù)的研究工作中，主要集中在卟啉類加氧酶，尤其是血紅素(heme)酶，研究得最為廣泛、深人和成功。主要原因是:①血紅素酶的光譜易于測定，從而可以研究血紅素酶在反應(yīng)中形成的中間物;②血紅素酶，特別是過氧化物酶易于大量純化;③血紅素酶的研究具有重要的實用意義?？梢院敛豢鋸埖卣f，近半個世紀以來，有關(guān)血紅素酶的結(jié)構(gòu)與功能及其化學模擬的研究，在現(xiàn)代酶化學發(fā)展中一直起著推動作用。
Mason用18O2示蹤法研究在加氧酶的催化作用下，反應(yīng)產(chǎn)物中氧原子的來源時發(fā)現(xiàn)，加氧酶可分成兩大類:一類是單加氧酶( monooxygenase),在它的催化作用下，反應(yīng)底物僅與氧分子中的一個氧原子結(jié)合，另一氧原子與氫供體結(jié)合生成水，如細胞色素P450和甲烷單加氧酶;另一類是雙加氧酶(dioxygenase),在它的催化作用下，氧分子中的兩個氧原子同時與底物結(jié)合，如色氨酸吡咯酶(色氨酸雙加氧酶)、胡蘿卜素雙加氧酶。其反應(yīng)式，如圖示4-2、圖示4-3所示，其中，XH代表底物，AH2代表電子受體。單加氧酶催化烴類有機物羥基化反應(yīng)時可用式(4-2a)和式(4-2b)表示，雙加氧酶催化的反應(yīng)如式(4-3a)和式(4- 3b)所示。
單加氧酶:
雙加氧酶:
單加氧酶只將分子氧中的一個氧原子插人底物分子中，另一個氧原子需要兩個電子來還原活化，進行氧化反應(yīng)生成一個水分子。因此，單加氧酶有時被稱為“混合功能加氧酶”(mixed function oxygenase)或羥化酶(hydroxy-lase),因為它們同時具有加氧酶(oxygenase) 和氧化酶(oxidase) 的功能。氧化反應(yīng)所需要的這兩個電子可以來源于外加的還原劑，即電子給體，如NADH、NADPH等， 或來源于底物本身。前者稱為外單加氧酶，后者稱為內(nèi)單加氧酶。與之類似，雙加氧酶也可根據(jù)分子氧的兩個氧原子是分別插人兩個底物，還是插人同一個底物分子，而分為分子間雙加氧酶或分子內(nèi)雙加氧酶。“單加氧酶”和“雙加氧酶”這兩個術(shù)語，只與氧原子插人反應(yīng)的化學計量學有關(guān)，而與分子氧的活化機理無關(guān)。
目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的加氧酶廣泛存在于人類，動植物及微生物的自然王國里。加氧酶有兩大功能:一是非生命物質(zhì)，即外源性化合物，如藥物、毒物等在生物體內(nèi)的代謝;二是參與具有控制生長和平衡功能的生物分子，如類固醇激素、膽汁酸鹽、膽色素、活性維生素D等在生物體中的合成。
細胞色素P450(cytochrome P450，簡稱P450或CYP)是典型的卟啉類單加氧酶，也是利用分子氧作為底物的血紅素酶中最重要的單加氧酶。細胞色素P450結(jié)構(gòu)與功能及其化學模擬的研究一直受到人們的特別關(guān)注。
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