单加氧酶及其化学模拟

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第864页（2840字）

单加氧酶，又称羟化酶或混合功能氧化酶，其主要成份是细胞色素P－450。

它主要存在于人的肝和肾皮质线粒体和动物的肝、脾和肾的皮质网中，是生物体内解毒系统的主要物质。它能催化有机底物的羟化(或环氧化)反应。

其催化作用是通过对O₂分子的活化而实现的：

其中，O₂分子的一个氧原子插入有机底物中形成羟基，另一个氧原子还原成水。当然，酶体系的催化作用还要电子授体(如NADH或NADPH)和其它物质的配合。

细胞色素P－450是德国Kligenberg于1958年从鼠肝的微粒体中发现的。它是以血红素b(原卟啉IX的铁配合物)作为辅基的金属蛋白。

其还原态(Fe^Ⅱ)与CO生成的配合物使电子光谱的Soret谱带红移至不寻常的450nm处是它的主要特征，细胞色素P－450正是由此而命名的。现已清楚，它的血红素辅基的轴向第五配位是半胱氨酸残基的硫。

具有较高推电子能力的硫的配位结合，对于P－450活化O₂分子起着重要的作用。

在无酶的情况下，R－H羟化的活化能约为418～464kl／mol，若要通过有机合成的方法把有机物直接羟化是很困难的。然而在单加氧酶的催化作用下，生物体却能在温和的条件下利用空气中的O₂很容易地把有机底物直接羟化，这是由于单加氧酶使羟化反应的活化能降低至38～71kl／mol之故。若能把生物羟化过程成功地模拟到化工生产上去，那将对基本有机合成工业带来重大的突破。

这也是近20多年来国内外对单加氧酶进行化学模拟研究持久不断的原因。

单加氧酶的化学模拟，主要是以一些较简单的金属配合物作为细胞色素P－450的模型物，并以这些模型物为主体组成模拟酶体系以模拟单加氧酶的催化性能。

60年代至70年代，模拟酶体系的研究主要集中于由一些金属离子和简单配体分子所组成的多组份体系。例如Udenfriend体系是以Fe²⁺或Fe³⁺加EDTA作为活性物质，抗环血酸或嘧啶四氢喋啶作为电子授体，O₂为氧源，羟基化反应的底物是环已烷、乙酰替苯胺氮萘等；Ulrich体系以Cu⁺、Fe²⁺、Ti³⁺、Sn²⁺等金属离子加EDTA或巯基苯甲酸作为活性物质，O₂为氧源，底物为甲苯、苯甲醚、环已烷等；Hamilton体系以Fe²⁺加邻苯二酚作为活性物质，H₂O₂为氧源，底物为卤代苯等。

所有这些体系都能催化芳香烃或烷烃的羟基化反应，但是催化活性较低。70年代末以来，模拟体系逐渐转向合成一些结构与P－450的活性中心更加类似的金属大环配合物作为模型物。大环配体无论是在电子因素方面还是在几何因素方面，都优越于其他体系中所用的小分子配体，其中以金属卟啉配合物研究得最多。1980年Groves等以铁卟啉配合物作为模型物，以O₂或亚碘酰苯为氧源进行烷烃或芳烃的羟基化和烯烃的环氧化反应，取得较好结果。

近年来，中国学者在利用金属卟啉配合物作为P－450的模型物进行烷烃或芳烃的羟基化和烯烃的环氧化研究方面做了不少很有意义的工作。

例如，1988年以来计亮年等合成了多种具有拉电子和推电子基团的金属卟啉配合物作为P－450的模型物，研究了它们对苯和环已烷的羟化催化作用，羟化产率可达30%，并发现不对称的卟啉配合物有较好的催化活性。李志贤等合成了多种水溶性和非水溶性金属卟啉配合物作为模型物，研究了它们对苯丙氨酸(产物为酪氨酸和多巴)和苯(产物为苯酚)的催化作用，并用光谱电化学方法研究了双氧活化和催化羟化的机理。

前已述及，细胞色素P－450的血红素辅基中，中心铁原子的第五配位是半胱氨酸残基的硫，硫的配位结合对O₂的活化起着重要的作用。

为了更好地模拟细胞色素P－450，1982年Collman等合成了含“硫醇尾巴”的卟啉铁配合物，并研究了它们的轴向配位性能。研究结果发现，在碱性介质中，在CO的存在下，此模型物能形成六配位的RS－Fe(Ⅱ)卟啉－CO配合物，此配合物具有细胞色素P－450特征的MCD光谱。这说明了些类模型物更接近了细胞色素P－450活性中心的结构。李志贤等也合成了两种巯基“尾式”卟啉铁(Ⅱ)配合物：中位－［邻－(3－巯基苯酰氨基)苯基］三苯基卟啉铁(Ⅱ)和中位－［邻－(4－巯基苯酰氨基)苯基］三苯基卟啉铁(Ⅱ)，并研究了它们的轴向配位性能，得到了类似于Collman的结论。

因此，含巯基(硫醇)“尾式”卟啉的金属配合物是模拟细胞色素P－450活性部位较好的一类模型物。但至今未见此类模型物催化有机底物羟化反应的报道。

然而，至今单加氧酶的化学模拟研究，仍处于基础研究的阶段，距实用化还有相当的距离。相信在不久的将来，经过人们的努力一定会有突破性的进展。

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【参考文献】：

1 Klingenberg M. Arch Biochem Biophys, 1958,75.376

2 Hamilton G A. Molecular mechanisms of oxygen activation-Hayaishi O. (ed) New y'ork,London:Acad Press ,1974

3 Groves J T,et al. J Mol Catal ,1980, 7:169

4 Collman JP.et al.J Am. Chem Soc,1982,104 = 1391

5 计亮年，等．无机化学学报，1988，4(4)∶54

6 李志贤，等．厦门大学学报，1990，29(5)∶546

7 Zhixian Li, et al. International Symposium on Applied Bioinorganic Chemistry , Huazhong University of Science and Technology Press,1990,169

8 Liangnian Ji.et al.Inorg. Chemical Acta, 1991, 178(1) :59

9 李志贤，等．中国化学会第四届无机化学讨论会论文摘要集．1992，178

(厦门大学李志贤副教授撰)