細(xì)胞色素P450酶催化氧化反應(yīng)機(jī)理
化學(xué)先生 / 2019-07-31
細(xì)胞色素P450酶能夠催化飽和碳?xì)滏I羥基化反應(yīng)、雙鍵環(huán)氧化反應(yīng)、雜原子氧化反應(yīng)、脫烷基化反應(yīng)和芳香烴氧化反應(yīng)等。在使用分子氧作為氧化劑的反應(yīng)中，P450將分子氧中的一個氧原子插人到底物中，第二個氧原子則利用由還原酶蛋白中NAD (P) H提供的兩個電子得到還原生成水分子。由于只有分子氧O2中的一個氧原子與底物結(jié)合，因此細(xì)胞色素P450屬于單加氧酶。
細(xì)胞色素P450催化烴類C-H鍵的羥基化反應(yīng)循環(huán)，可以CYP101(P450cam)為例加以說明，如圖4-5所示，其中鐵卟啉配合物核心結(jié)構(gòu)按圖4-3(b)進(jìn)行了簡化。底物與低自旋三價鐵中心(1) 干擾了水分子與血紅素鐵的第六位配位，并使自旋態(tài)向與底物結(jié)合后的高自旋配合物(2) 轉(zhuǎn)變，高自旋Fe3+具有很高的還原電位，因此在CYP101中易于還原為亞鐵態(tài)(3)， 結(jié)合氧生成的oxy-P450配合物(4)是該循環(huán)中相對穩(wěn)定的中間體。oxy P450配合物還原后依次形成過氧正鐵中間體(5a) 及質(zhì)子化后的氫過氧正鐵中間體(5b)，遠(yuǎn)端氧原子處第二次質(zhì)子化后依次進(jìn)行0- O鍵異裂和形成“化合物I”(6)及水，然后底物發(fā)生氧合作用得到產(chǎn)物配合物(7)， 最終產(chǎn)物ROH被釋放。這個循環(huán)被許多實(shí)驗(yàn)方法所證實(shí)，由于在動力學(xué)研究中，中間體十分活潑而且難以發(fā)生明顯積累，因此該反應(yīng)循環(huán)很難直接測定。
在此循環(huán)中有多個中間體，至少有3個分支點(diǎn)，可導(dǎo)致在生理條件下使反應(yīng)發(fā)生中斷。三個使催化循環(huán)發(fā)生天折的主要副反應(yīng)(abortive reaction) 如虛線箭頭所示，分別為:①oxy-P450配合物(4)的自氧化反應(yīng)，同時生成過氧離子和酶返回到穩(wěn)定態(tài)(2) (resting state); ②過氧化物支路，配位的過氧化物和氫過氧化物陰離子(5a, 5b)從鐵原子上解離，得到過氧化氫;③氧化酶解偶聯(lián)，而鐵-氧中間體(6)被氧化成水，而不是與底物發(fā)生氧合反應(yīng)，導(dǎo)致分子氧四電子還原生成兩分子水。
細(xì)胞色素P450催化機(jī)理的研究，對其它單加氧酶反應(yīng)機(jī)理的研究有指導(dǎo)意義，例如甲烷單加氧酶的反應(yīng)機(jī)理，在初期結(jié)構(gòu)表征信息尚不充分的情況下，主要是根據(jù)細(xì)胞色素P450的研究結(jié)果推測出來的。
有關(guān)細(xì)胞色素P450催化機(jī)理的討論主要集中在血紅素中鐵和氧的狀態(tài)變化:①氧結(jié)合到還原的血紅素鐵形成氧合血紅素鐵Fe3+-0O (4);②該配合物單電子還原得到過氧態(tài)鐵Fe3+ -002- (5)，并易于質(zhì)子化形成氫過氧化物Fe3+ -OOH- (5);③Fe3+ -OOH-配合物的末端氧原子的第二次質(zhì)子化，形成不穩(wěn)定的過渡態(tài)Fe -OOH2，然后發(fā)生異裂釋放出H2O分子;④在各種反應(yīng)中保持高價態(tài)的卟啉鐵氧配合物(6)，即所謂的“化合物I”.
在上述反應(yīng)第②~④步中的中間體是下列活性酶所共同具有的:細(xì)胞色素P450、過氧化酶、細(xì)胞色素氧化酶、血紅素加氧酶等。從催化氧活化反應(yīng)機(jī)理角度看，目前涉及“活性氧中間體”的血紅素酶有:血紅素加氧酶(hemeoxygenase)、過氧化物酶(peroxidase)、 過氧化氫酶(catalase)、 氧化氮合成酶(nitric oxide synthase)、過氧合酶(peroxygenase) 等。這些具有不同功能的活性酶中擁有相似的高活性血紅素氧配合物，它們通過蛋白質(zhì)來有效控制不同的反應(yīng)功能，通過對比不同種類酶中的類似活性中間體，有助于區(qū)分每種酶的主要特征，有利于發(fā)現(xiàn)血紅素基酶催化中蛋白質(zhì)的活性功能。過氧化物酶、加氧酶(oxygenase)和過氧化氫酶(catalase) 在各自的反應(yīng)循環(huán)中，都具有類似的高價態(tài)金屬離子中間體。
針對P450催化環(huán)烴、芳香烴側(cè)鏈羥基化反應(yīng)，也有學(xué)者提出了自由基機(jī)理。
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