细胞色素P450酶催化氧化反应机理
化学先生 / 2019-07-31
细胞色素P450酶能够催化饱和碳氢键羟基化反应、双键环氧化反应、杂原子氧化反应、脱烷基化反应和芳香烃氧化反应等。在使用分子氧作为氧化剂的反应中，P450将分子氧中的一个氧原子插人到底物中，第二个氧原子则利用由还原酶蛋白中NAD (P) H提供的两个电子得到还原生成水分子。由于只有分子氧O2中的一个氧原子与底物结合，因此细胞色素P450属于单加氧酶。
细胞色素P450催化烃类C-H键的羟基化反应循环，可以CYP101(P450cam)为例加以说明，如图4-5所示，其中铁卟啉配合物核心结构按图4-3(b)进行了简化。底物与低自旋三价铁中心(1) 干扰了水分子与血红素铁的第六位配位，并使自旋态向与底物结合后的高自旋配合物(2) 转变，高自旋Fe3+具有很高的还原电位，因此在CYP101中易于还原为亚铁态(3)， 结合氧生成的oxy-P450配合物(4)是该循环中相对稳定的中间体。oxy P450配合物还原后依次形成过氧正铁中间体(5a) 及质子化后的氢过氧正铁中间体(5b)，远端氧原子处第二次质子化后依次进行0- O键异裂和形成“化合物I”(6)及水，然后底物发生氧合作用得到产物配合物(7)， 最终产物ROH被释放。这个循环被许多实验方法所证实，由于在动力学研究中，中间体十分活泼而且难以发生明显积累，因此该反应循环很难直接测定。
在此循环中有多个中间体，至少有3个分支点，可导致在生理条件下使反应发生中断。三个使催化循环发生天折的主要副反应(abortive reaction) 如虚线箭头所示，分别为:①oxy-P450配合物(4)的自氧化反应，同时生成过氧离子和酶返回到稳定态(2) (resting state); ②过氧化物支路，配位的过氧化物和氢过氧化物阴离子(5a, 5b)从铁原子上解离，得到过氧化氢;③氧化酶解偶联，而铁-氧中间体(6)被氧化成水，而不是与底物发生氧合反应，导致分子氧四电子还原生成两分子水。
细胞色素P450催化机理的研究，对其它单加氧酶反应机理的研究有指导意义，例如甲烷单加氧酶的反应机理，在初期结构表征信息尚不充分的情况下，主要是根据细胞色素P450的研究结果推测出来的。
有关细胞色素P450催化机理的讨论主要集中在血红素中铁和氧的状态变化:①氧结合到还原的血红素铁形成氧合血红素铁Fe3+-0O (4);②该配合物单电子还原得到过氧态铁Fe3+ -002- (5)，并易于质子化形成氢过氧化物Fe3+ -OOH- (5);③Fe3+ -OOH-配合物的末端氧原子的第二次质子化，形成不稳定的过渡态Fe -OOH2，然后发生异裂释放出H2O分子;④在各种反应中保持高价态的卟啉铁氧配合物(6)，即所谓的“化合物I”.
在上述反应第②~④步中的中间体是下列活性酶所共同具有的:细胞色素P450、过氧化酶、细胞色素氧化酶、血红素加氧酶等。从催化氧活化反应机理角度看，目前涉及“活性氧中间体”的血红素酶有:血红素加氧酶(hemeoxygenase)、过氧化物酶(peroxidase)、 过氧化氢酶(catalase)、 氧化氮合成酶(nitric oxide synthase)、过氧合酶(peroxygenase) 等。这些具有不同功能的活性酶中拥有相似的高活性血红素氧配合物，它们通过蛋白质来有效控制不同的反应功能，通过对比不同种类酶中的类似活性中间体，有助于区分每种酶的主要特征，有利于发现血红素基酶催化中蛋白质的活性功能。过氧化物酶、加氧酶(oxygenase)和过氧化氢酶(catalase) 在各自的反应循环中，都具有类似的高价态金属离子中间体。
针对P450催化环烃、芳香烃侧链羟基化反应，也有学者提出了自由基机理。
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