加氧酶的发现与分类
化学先生 / 2019-07-31
加氧酶是能够在温和条件下活化分子氧，使其与底物结合形成反应中间物，加速生命体中氧化反应进行的生物酶的总称。1955年，Mason 和Hayaishi分别发现，在酚酶催化氧化3,4-二甲基苯酚和邻苯二酚酶催化氧化邻苯二酚(图示4-1)时，分子氧中的一个或两个氧原子能够直接插人有机分子。这是最早发现的加氧酶，其分子中不包含卟啉( porphyrin)，属于非卟啉类酶。
在后续的研究工作中，主要集中在卟啉类加氧酶，尤其是血红素(heme)酶，研究得最为广泛、深人和成功。主要原因是:①血红素酶的光谱易于测定，从而可以研究血红素酶在反应中形成的中间物;②血红素酶，特别是过氧化物酶易于大量纯化;③血红素酶的研究具有重要的实用意义。可以毫不夸张地说，近半个世纪以来，有关血红素酶的结构与功能及其化学模拟的研究，在现代酶化学发展中一直起着推动作用。
Mason用18O2示踪法研究在加氧酶的催化作用下，反应产物中氧原子的来源时发现，加氧酶可分成两大类:一类是单加氧酶( monooxygenase),在它的催化作用下，反应底物仅与氧分子中的一个氧原子结合，另一氧原子与氢供体结合生成水，如细胞色素P450和甲烷单加氧酶;另一类是双加氧酶(dioxygenase),在它的催化作用下，氧分子中的两个氧原子同时与底物结合，如色氨酸吡咯酶(色氨酸双加氧酶)、胡萝卜素双加氧酶。其反应式，如图示4-2、图示4-3所示，其中，XH代表底物，AH2代表电子受体。单加氧酶催化烃类有机物羟基化反应时可用式(4-2a)和式(4-2b)表示，双加氧酶催化的反应如式(4-3a)和式(4- 3b)所示。
单加氧酶:
双加氧酶:
单加氧酶只将分子氧中的一个氧原子插人底物分子中，另一个氧原子需要两个电子来还原活化，进行氧化反应生成一个水分子。因此，单加氧酶有时被称为“混合功能加氧酶”(mixed function oxygenase)或羟化酶(hydroxy-lase),因为它们同时具有加氧酶(oxygenase) 和氧化酶(oxidase) 的功能。氧化反应所需要的这两个电子可以来源于外加的还原剂，即电子给体，如NADH、NADPH等， 或来源于底物本身。前者称为外单加氧酶，后者称为内单加氧酶。与之类似，双加氧酶也可根据分子氧的两个氧原子是分别插人两个底物，还是插人同一个底物分子，而分为分子间双加氧酶或分子内双加氧酶。“单加氧酶”和“双加氧酶”这两个术语，只与氧原子插人反应的化学计量学有关，而与分子氧的活化机理无关。
目前已经发现的加氧酶广泛存在于人类，动植物及微生物的自然王国里。加氧酶有两大功能:一是非生命物质，即外源性化合物，如药物、毒物等在生物体内的代谢;二是参与具有控制生长和平衡功能的生物分子，如类固醇激素、胆汁酸盐、胆色素、活性维生素D等在生物体中的合成。
细胞色素P450(cytochrome P450，简称P450或CYP)是典型的卟啉类单加氧酶，也是利用分子氧作为底物的血红素酶中最重要的单加氧酶。细胞色素P450结构与功能及其化学模拟的研究一直受到人们的特别关注。
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