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铁-卟啉氧化还原酶体系结构与氧化还原机理分析

时间:2018-05-08     【转载】   来自:化学工程与装备

曾祥锐

(湖北工程学院化学与材料科学学院,湖北 孝感  432100)


摘  要:铁-卟啉体系是生物体内众多重要氧化还原酶的活性中心。卟啉体系属于一种大环共轭配体结构,其与铁原子结合即可形成铁-卟啉体系,由于卟啉体系与铁原子配位情况较小,使得其分子配合物较为复杂。通过对该体系氧化还原反应机理的深入研究得知在整个反应过程中会出现许多带有正电荷或者自由基的铁氧复合物中间体,这些中间体的空间构造很复杂,传统的价键理论等很难作出合理的解释。基于此,开展对铁-卟啉氧化还原酶体系机构与氧化还原机理的研究,以为生物有机化学等学科的教学与科研提供一定的借鉴。

关键词:铁-卟啉;氧化还原酶体系结构;还原机理

 

铁-卟啉体系是生物体内众多氧化还原酶的活性中心,比如在细胞色素C以及细胞色素氧化镁P450类中,该体系起着非常重要的作用。除此之外,很多非氧化还原的载体酶类也主要以铁-卟啉体系为作用中心进行化合反应,比如血红蛋白等。近年来,随着生物技术地不断发展,研究人员通过对该体系进行深入研究得知铁-卟啉体系还在生物模拟氧化反应中得到了广泛地应用,由于其对底物有较好的选择性,可促使反应朝着有利的一面进行。开展对铁-卟啉配位活性中心结构以及催化机理的研究不仅是高校生物学相关领域的教学重点内容,而且也是生物专家们所关注的焦点话题。本文通过对细胞色素氧化酶P450类的结构和催化功能进行分析,为相关科研人员在研究中提供一定的理论指导与技术支持。

1 铁-卟啉的结构与氧化还原反应机理简析

1.1铁-卟啉的结构分析

铁-卟啉体系是细胞色素氧化酶P450的活性位点,位于第一过渡系第ⅧB族的铁原子( 1.png)具有两种价电结构,具有+2到+6的可变氧化态。考虑到铁原子的+2与+3氧化态下会出现很多的d轨道,所以主要采取的是八面体场进行有效配位。传统的价键理论中以明确提出,在配位中由于铁原子的d轨道会根据配位场的强弱进行不断地变化,如果碰到胺类等较强的配位场时,d电子会在低能级轨道上形成低自旋配合物,而当碰到弱场配体时,d电子会同向地排布最终形成高自旋配合物。众所周知,不同的配位方式直接影响着中心铁离子的半径以及整个体系的氧化还原电位。卟啉属于一种大环共轭配体,在与中心铁原子进行配位时构造较为复杂。在铁-卟啉体系中,铁离子以氧化态与卟啉的4个氮原子配位如图1所示,此无配位点主要是由蛋白质中的半胱氨酸巯基补充,在缺少底物的状态下,第六配位点与水分子进行配位结合。卟啉体系整体具有一定的电子性,而且在氧化还原反应中可以形成卟啉阳离子自由基等结构,因此在对该结构进行计算描述中不仅应按照分子轨道的相关理论,而且还应依据配位场理论的相关内容。与此同时,结构的第五、第六配位点对铁-卟啉结构的活性影响程度较大,这也是造成铁-卟啉氧化还原酶在化学反应中具有一定动力学与热力学特性的主要原因所在。

1.2 铁-卟啉的氧化还原反应机理

细胞色素氧化酶P450不管是对人体内的各种代谢产物或者是药物等都有很强的羟基化以及环氧化能力,而要想将其排出体外也非常容易,只需增加水溶性即可。铁-卟啉活性中心具有较强的氧化性,其主要原因在于结构体系中具有铁氧酰结构(hemeFe(V)=O),这也被称作化合物-I(Compound-I或Cpd-I)。因为卟啉大环共轭结构具有分散正电荷的作用,这使得化合物-I也具有一定的共振式结构,如图1b所示。

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1    -卟啉中心结构及其形成化合物-I结构的过程


化合物-I形成后,在一定条件下会与烃类物质发生化学反应直接活化碳氢键从而实现羟基化的目的,还可与双键作用,经过价键转移形成环氧化物。此外,该氧鎓离子一方面可以将C-H键进行羟基化,如图2a所示,或者双键环氧化,如图2b所示,另一方面还可发生氧化杂原子反应,如图2c所示或者为杂原子去甲基化如图2d所示。

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图2    化合物-I铁氧酰结构 (hemeFe(V)=O)活性中间体典型反应


2 化合物-I结构与反应性能的理解

在整个催化循环过程中,铁氧酰结构是催化的核心,对化合物-I结构与反应性能的理解如下:一般而言,X=O结构,比如羰基或者金属氧酰,因为氧原子具有一定的电负性,因此其X也比较高,共振式极限式有两种结构,如图3a所示。由于铁原子是第Ⅷb族的过渡金属,因而可将其看作是一个电子库,它一方面可以失电子形成正氧化态,另一方面也可以得电子将其分散到卟啉体系中,使体系呈现出负氧化态。所以对于Fe=O双键,有三种不同的共振式极限式,两种典型的结构以及一种氧鎓离子状态,如图3b所示。这种氧鎓离子可以将其看作是羟基正离子,将铁-卟啉环系配合物当作为一个特殊的质子。氧原子可以呈现出空轨道或者双自由基的状态,比如图3c所示。具有双自由基的羟基正离子与其他结构物相比较而言具有很强的氧化能力,它可以在极低地能量下将氧原子插入到C-H键中从而实现结构的羟基化,如图3d所示,亦或是以空轨道的模式接受C=C双键的电子对最终实现环氧化,如图3e所示。通过上述分析可借助有机化学价键的相关理论对化合物-I的氧化还原反应进行全面地解释。尤其是在羟基化中,反应底物自身也会发生C-H键断裂后最终形成自由基,但与自由基-SAM存在差异的是底物自由基不能进行重排。Fe-O形成的阳离子自由基稳定性很差,当生成Fe-O自由基后它会在短时间内与周围的底物进行反应,生成其他产物,由于没有充分的时间让底物自由基进行重排形成稳定的化合物,所以反应底物自由基不能进行重排。


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图3    将铁-卟啉体系视为特殊“质子”的氧化过程与机理示意图(灰色球体)


3 铁元素的氧化态的理解

中心铁元素的氧化态变化情况也是研究的重点问题。由于铁较氧电负性低,所以两者形成的共价键也是具有高度极化性的,这里也可将其理解成铁原子以阳离子状态存在与氧阴离子相结合,其所形成的共价键形式与半胱氨酸的硫原子所形成的共价键是相同的。但其与氧携带一对电子与中心铁离子形成配位键还是存在一定差异的,原因在于配位键中尽管氧原子带有一个路易斯结构式的形式电荷,但由于电子型配体与金属形成的配位键键能较低,因此电子对仍归属于配位原子,而且所形成的这种配位键受外界因素的干扰程度较低,也不会影响其他金属的氧化态。这种现象与铵根离子相类似,从整体结构来看氮原子带正电荷,但单个的氮原子的氧化态呈现的是-3价,从本质上来讲金属自身的真实电荷也处于增加状态,这可以依据由Mossbaur谱有效得出。通过对铵根离子的分析,在形成铵根后氮原子氧化钛呈现的是-3价,而形式电荷则表现为+1价,铵根整体的负电荷值则会呈现出下降趋势。所以,根据对铁的氧化钛的分析可将上述的羟基化过程写成电荷/自由基两种合理的机理:一是杂原子的氧化作用;二是脱甲基作用。

4 化合物-I的产生

细胞色素氧化酶P450的催化循环从一个氧分子加成后的两个单分子还原为起点,经历化合物-0转化为铁氧卟啉氧离子自由基,即就是化合物-I,后续步骤如上文所述。此外化合物-I的形成还存在于过氧化氢酶中,主要是借助过氧化氢与铁原子进行氧化反应得到化合物-0,通过后续脱羧基反应得到化合物-I。后一种方法是利用过氧化氢既具有一定的氧化性又具有一定的还原性,将其作为双还原后的氧分子,与前一种方法相比较而言此方法直接免去两步单电子还原过程,大大增强了反应效率。要指出的是在体外研究Fe(Ⅳ)=O物种时,若需制备普通的氧化酶也可使用过氧化氢所具有的强氧化性代替双氧分子以得到化合物-I。此反应过程则是利用过氧化氢作为双还原后的氧分子,也相当于直接减免了双电子的还原过程。这也为研究人员提供了一定的帮助,能够在短时间得出反应的还原酶体系。在自然界中双电子的还原过程必须借助细胞色素P450还原酶体系进行还原,若氧化酶无从知晓,则对应的还原酶也很难确定,但借助过氧化氢或者氧酸无需明确还原酶的特性即可得到化合物-I。与此同时,研究人员还发现了很多新型的氧化酶与过氧化酶,与细胞色素氧化酶P450相比较,这些新型的氧化酶可对不同的底物进行选择。比如茶树菇真菌中的AaeA-PO,可以在过氧化氢氧化下形成化合物-I,并催化烷基与芳基的羟基化等反应,此种物质不仅可起到与细胞色素氧化酶P450相类似的作用机理,而且还能对药物与代谢产物进行羟基化,需要注意的是AaeA-PO与细胞色素氧化酶P450无任何序列同源性。但与氯化过氧化酶具有30%的序列同源性,其活性位点与底物选择性之间没有相似性。当前,对于新型的天然氧化酶的研究可使研究人员更深入地了解铁-卟啉氧化还原体系的催化过程,从而将其有效地应用于工业生产中,为人们的生活带来一定的便捷。另外,不是所有的Fe=O结构都取自heme,一些也存在于非卟啉体系的铁催化中心,根据不同的作用机理以及辅酶将其作为电子供体最终得到化合物-I。随着科技发展浪潮地不断推进,人们也在不断研究中开发出了很多模型化合物,并对这些化合物进行了大量的量化计算,对模型化合物的研究不仅可使用天然氧化酶作用机理的方法进行研究,而且还可依据模型化合物的反应活性等开展针对性地研究,从而为金属催化剂的设计提供一定的技术借鉴。

5 结论

综上所述,以铁-卟啉体系的为主的氧化还原酶存在于很多生物体内,并在其中发挥着重要的影响力。铁-卟啉体系不管是其活性中心的结构亦或是催化机理都都是较为复杂,而且理解起来也较为困难,通过开展对铁-卟啉及其氧化还原机理中的问题进行分层次分析,将复杂问题简单化,以便为课程教学以及相关研究提供一定的帮助。


参考文献:

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[3]叶丽娜.新型卟啉类化合物的合成及电化学性质和机理研究[D].江苏大学 2016.

[4]冯尚源,陈荣,杨文琴,等.血卟啉衍生物与血红蛋白相互作用的光谱特性研究[J].光谱学与光谱分析,2007,(11).


     (本文刊于《化学工程与装备》2017年第1期)


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