第五章 血红素蛋白及催化体系-simple-6 slides
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NH3+
• 大多数p450相对分子质量为50000，含氨基 酸残基400多，每一条蛋白链都与一个血红素 （卟啉铁）相连，平面四个氮原子与Fe（Ⅱ） 配位，第5配位原子是蛋白质链上半胱氨酸残 基的硫，不同的p450，第5配位的蛋白链的 半胱氨酸硫的位置不同，第6配体现仍未确定。 • 已测定多种p450的结构，本书列出三种p450 结构，即单胞菌的莰酮-5-外羟化酶的p450 （p450cam），兔肝p450 LM2和鼠肝p450 的某些结构特征见表5-3
相对分子质量为13,500， 有一条104个氨基酸残基的 多肽链包围着一个血红素 辅基。
• 人们研究了从小麦到人类共50多种不同生物 来源的细胞色素c的一级结构（氨基酸数目 及排列顺序），发现不同生物，肽链的组成 是不同的，且生物亲缘越远，差别越大。 • 如人与猩猩的细胞色素c分子，各有104个氨 基酸残基，这些氨基酸残基的种类及排列顺 序大体相同，但人与马相比，氨基酸残基的 种类就有12处不同。
1
2015/4/27
一.细胞色素 {血红素蛋白，传递e，H。有a， b和c三大类，根据其还原型光谱最大吸收峰 的位置来分类，还原态有3个吸收峰，分别 为α、β、γ谱带。 二.α谱带从细胞色素a（570nm）、b(555560nm)到c(548-560nm)变短。 三.γ谱带=Soret 峰。 四.各种细胞色素吸收峰位置参见P52.
磁性和ESR证明， a3中的Fe和Cu之间有强烈的相互作用
细胞色素a和细胞色素a3很难分离，它们的 复合体在呼吸链中作为末端酶紧接在细胞色素c 后面，因此细胞色素a和a3合称为细胞色素c氧化 酶。它氧化细胞色素c，并使氧还原为H2O。
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2015/4/27
氰化物中毒机理
1. 细胞色素c氧化酶中的铁是配位不饱和的，它还空着一个配位位 置，所以能与 CN― 等结合而引起中毒。 CN― 配位后的细胞色素 a3 便不能再被还原，使呼吸链中断，导致机体死亡。 2. 氰化物中毒的急救方法之一是使中毒者吸入亚硝酸异戊酯，其 目的在于把体内部分血红蛋白迅速氧化为高铁血红蛋白，而后 者再与CN― 形成对人畜无害的稳定的氰合高铁血红蛋白。
2.细胞色素c氧化酶
Cyt.c oxidase是一种脂蛋白(lipoprotein)。光谱证 实它含有铁卟啉辅基和定量的铜，也就是说，它是一个 异多金属酶。Cu和Fe离子组成四中心还原体系, 能同时 提供4个电子给氧分子，使反应活化能大大降低。 结构: 细胞色素c氧化酶是细胞色素 a 和a3 的合称。细胞色素 a和a3 的辅基是血红素a。
第一节 细胞色素：电子传递
• 细胞色素是含铁卟啉辅基的蛋白，其主要功能是传 递电子。在某些情况下，还具有氧化酶或加氧酶的 功能。细胞色素的种类很多，从高等植物中至少可 以分离出三类，即细胞色素a, b, c。
• 细胞色素广泛存在于动植物组织中，动物 中 主要存在于心脏及其它活跃的运动肌中，如 鸟类和昆虫的飞翔肌中较高。 • 细胞色素是一类血红素蛋白，其基本功能是 通过分子中的血红素铁的价态的可逆变化在 生物体内起电子及氢的传递作用。 • 目前从已知的细胞色素有50余种。不同的细 胞色素具有不同的性能。
2.细胞色素c氧化酶
细胞色素a和 a3的辅基是血红素a，它与血红素b的 主要区别是第2和第8位的取代基不同。 细胞色素a具有一个配位完全的血红素a，它的軸 向配位位置由两个组氨酸咪唑占据。细胞色素a的 Fe(II) 和Fe(III)都是低自旋的， 细胞色素a3的血红素铁,一个轴向配体是组氨酸咪 唑，另一个軸向位置是空的，所以能结合氧分子， 促使底物氧化。细胞色素a3 的铁，在Fe(II)价态时 是高自旋，在 Fe(III)价态时是高自旋和低自旋的 热平衡混合物。
P450类型 相对分子 质量 P450cam 46200
氨基酸残 基数 412 466 491
轴向配体半 胱氨酸位 置 357 436 438
P450LM2 53100 P450b 55900
(2)
Humans Cyto. P450 -18 families, 43 subfamilies
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • CYP1 drug metabolism (3 subfamilies, 3 genes, 1 pseudogene) CYP2 drug and steroid metabolism (13 subfamilies, 16 genes, 16 pseudogenes) CYP3 drug metabolism (1 subfamily, 4 genes, 2 pseudogenes) CYP4 arachidonic acid or fatty acid metabolism (5 subfamilies, 11 genes, 10 pseudogenes) CYP5 Thromboxane A2 synthase (1 subfamily, 1 gene) CYP7A bile acid biosynthesis 7-alpha hydroxylase of steroid nucleus (1 subfamily member) CYP7B brain specific form of 7-alpha hydroxylase (1 subfamily member) CYP8A prostacyclin synthase (1 subfamily member) CYP8B bile acid biosynthesis (1 subfamily member) CYP11 steroid biosynthesis (2 subfamilies, 3 genes) CYP17 steroid biosynthesis (1 subfamily, 1 gene) 17-alpha hydroxylase CYP19 steroid biosynthesis (1 subfamily, 1 gene) aromatase forms estrogen CYP20 Unknown function (1 subfamily, 1 gene) CYP21 steroid biosynthesis (1 subfamily, 1 gene, 1 pseudogene) CYP24 vitamin D degradation (1 subfamily, 1 gene) CYP26A retinoic acid hydroxylase important in development (1 subfamily member) CYP26B probable retinoic acid hydroxylase (1 subfamily member) CYP26C probabvle retinoic acid hydroxylase (1 subfamily member) CYP27A bile acid biosynthesis (1 subfamily member) CYP27B Vitamin D3 1-alpha hydroxylase activates vitamin D3 (1 subfamily member) CYP27C Unknown function (1 subfamily member) CYP39 unknown function (1 subfamily member) CYP46 cholesterol 24-hydroxylase (1 subfamily member) CYP51 cholesterol biosynthesis (1 subfamily, 1 gene, 3 pseudogenes) lanosterol 14-alpha demethylase
1．细胞色素 c
(1) 结构特征：分子量较小，易结晶。由一条多肽 链组成，含一个heme，heme通过硫醚键（Cys14 Cys-17）与肽链共价结合。Heme轴上的第五 配体是His-18(组），第六配体是Met-80（蛋）。Tyr48(酪），Tyr-59通过氢键与血红素的丙酸基相连。 （2）保守性：从人到小麦，100多种氨基酸残基有35 个是相同的；人与马仅12个不同。 （3）传递电子机制：马心胞色素C有104个氨基酸残基 的多肽链包围着血红素c，1-47居一侧，48-91在另 一侧，92-104处于顶端。肽链形成两个槽，各含有2， 3个芳香基，可能参与电子传递。
八面体配位结构 Fe(II, III) 低自旋
• 共同点：尽管不同生物的细胞色素各不相 同，但各个生物的100多个氨基酸残基（肽 链~蛋白链）中，有35个氨基酸残基是各种 生物共有的；另外，每条肽链含铁卟啉， 铁卟啉周围的配体及其传递电子的功能也 是相同的。 • 以马心细胞色素c为例说明细胞色素c的空间 结构和电子传递过程，马心的细胞色素c相对 分子量是13500，有一条104个氨基酸残基肽 链包围着血红素C辅基（铁卟啉），血红素 辅基位于洞穴内，现认为是通过血红素Fe来 传递电子。
P450 是一种特殊的血红素蛋白。它是 50 年代中期在肝微粒体 (microsome)中发现， 60年代初经验证为一类 b族细胞色素。它 的还原型与CO结合后在光谱的450nm处具有最大吸收峰，因而命 名为细胞色素P450，以别于其它b族细胞色素。
P450的结构
• 一类分子量不同，生化免疫特征不同， 催化能力不同的血红蛋白的总称 • 细胞色素p450（特殊血红蛋白、催 化近300种脂溶性化合物进行氧化还 原反应）是一类具有不同分子量、不 同生化和免疫特征及不同催化能力的 血红蛋白的总称。 CH2 COOCH • 半胱氨酸：HS
半胱氨酸
1. 细胞色素c • 细胞色素c分子较小，易于结晶，其组成和 结构已研究清楚。 • 细胞色素c：血红素c + 相应蛋白构成。 血红素c以共价键与蛋白链中的Cys（半） 相联 (α谱带的最大吸收在548~560 nm)
Meຫໍສະໝຸດ Baidu(蛋)， His(组)
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细胞色素 c
（1）细胞色素C
3
2015/4/27
六配位结构 Fe(II) 低自旋
不清楚
五配位结构 Fe(II) 高自旋
不清楚
功能；在生物体中起电子及氢的传递作用。 氧化细胞色素c并使O2 还原为H2O 。
电子传递体系中， 氧化还原中心之间 的距离非常重要
细胞色素a：接受还原态细胞色素c提供电子的部位。 细胞色素 a3：还原氧分子到水分子的部位。
第一节 血红素蛋白 （细胞色素c— 血红素c类； 细胞色素p450 —血红素b类）
• 铁蛋白可分为血红素蛋白和非血红素蛋白。 • 血红蛋白和肌红蛋白都含有血红素辅基（铁 （Ⅱ）卟啉），人体中70%的铁以血红蛋白 形 式存在， • 第四章介绍了作为输送、贮存氧的血红蛋白和 肌红蛋白（结合蛋白） • 本节介绍在生物氧化还原过程中作为酶或电子 传递体的一些血红素蛋白。
2015/4/27
第一节 细胞色素：电子传递 第五章 血红素蛋白及催化体系
1. 载氧的体系（四章） 2. 在体内起着传递电子、参与各种酶催化体系 （五、六章） 3. 铁自身的吸收、储存、运送等（七章）
1. 电子传递: 基本反应. 变价：Fe(II, III) Cu(I,II). 2. 三大类：铁硫蛋白：含有铁硫的非血红素蛋白 血红素为辅基的血红素类：细胞色素类 铜蓝蛋白
4.细胞色素P450 单加氧酶(简称P450)
• 3. 细胞色素b
• b族细胞色素所含的辅基为铁原卟啉IX，其氧化还 原电位较低(E~0) 。天然状态的血红素铁是低自旋 的。軸上配体是两个氨基酸残基（即铁是配位饱和 的），因此b族细胞色素难以自动氧化。从线粒体 膜上分离它们相当困难。虽然从牛心肌能得到纯的 细胞色素b, 但他们高度聚合而不溶于水，因此其 结构和机制目前仍不清楚。
α 氨基—β—硫基丙酸
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表5-3
三种p450 某些结构特征 • • • • •
(1) Cytochrome P450 Highlights
P450s absorb light (/ 450 nm); Major drug metal enzymes in the body; The active site is a heme protein; The liver has the greatest concentration; Almost all the tissues in the body have some P450 (Lungs, kidney, skin, brain, etc);
• 大多数p450相对分子质量为50000，含氨基 酸残基400多，每一条蛋白链都与一个血红素 （卟啉铁）相连，平面四个氮原子与Fe（Ⅱ） 配位，第5配位原子是蛋白质链上半胱氨酸残 基的硫，不同的p450，第5配位的蛋白链的 半胱氨酸硫的位置不同，第6配体现仍未确定。 • 已测定多种p450的结构，本书列出三种p450 结构，即单胞菌的莰酮-5-外羟化酶的p450 （p450cam），兔肝p450 LM2和鼠肝p450 的某些结构特征见表5-3
相对分子质量为13,500， 有一条104个氨基酸残基的 多肽链包围着一个血红素 辅基。
• 人们研究了从小麦到人类共50多种不同生物 来源的细胞色素c的一级结构（氨基酸数目 及排列顺序），发现不同生物，肽链的组成 是不同的，且生物亲缘越远，差别越大。 • 如人与猩猩的细胞色素c分子，各有104个氨 基酸残基，这些氨基酸残基的种类及排列顺 序大体相同，但人与马相比，氨基酸残基的 种类就有12处不同。
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一.细胞色素 {血红素蛋白，传递e，H。有a， b和c三大类，根据其还原型光谱最大吸收峰 的位置来分类，还原态有3个吸收峰，分别 为α、β、γ谱带。 二.α谱带从细胞色素a（570nm）、b(555560nm)到c(548-560nm)变短。 三.γ谱带=Soret 峰。 四.各种细胞色素吸收峰位置参见P52.
磁性和ESR证明， a3中的Fe和Cu之间有强烈的相互作用
细胞色素a和细胞色素a3很难分离，它们的 复合体在呼吸链中作为末端酶紧接在细胞色素c 后面，因此细胞色素a和a3合称为细胞色素c氧化 酶。它氧化细胞色素c，并使氧还原为H2O。
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氰化物中毒机理
1. 细胞色素c氧化酶中的铁是配位不饱和的，它还空着一个配位位 置，所以能与 CN― 等结合而引起中毒。 CN― 配位后的细胞色素 a3 便不能再被还原，使呼吸链中断，导致机体死亡。 2. 氰化物中毒的急救方法之一是使中毒者吸入亚硝酸异戊酯，其 目的在于把体内部分血红蛋白迅速氧化为高铁血红蛋白，而后 者再与CN― 形成对人畜无害的稳定的氰合高铁血红蛋白。
2.细胞色素c氧化酶
Cyt.c oxidase是一种脂蛋白(lipoprotein)。光谱证 实它含有铁卟啉辅基和定量的铜，也就是说，它是一个 异多金属酶。Cu和Fe离子组成四中心还原体系, 能同时 提供4个电子给氧分子，使反应活化能大大降低。 结构: 细胞色素c氧化酶是细胞色素 a 和a3 的合称。细胞色素 a和a3 的辅基是血红素a。
第一节 细胞色素：电子传递
• 细胞色素是含铁卟啉辅基的蛋白，其主要功能是传 递电子。在某些情况下，还具有氧化酶或加氧酶的 功能。细胞色素的种类很多，从高等植物中至少可 以分离出三类，即细胞色素a, b, c。
• 细胞色素广泛存在于动植物组织中，动物 中 主要存在于心脏及其它活跃的运动肌中，如 鸟类和昆虫的飞翔肌中较高。 • 细胞色素是一类血红素蛋白，其基本功能是 通过分子中的血红素铁的价态的可逆变化在 生物体内起电子及氢的传递作用。 • 目前从已知的细胞色素有50余种。不同的细 胞色素具有不同的性能。
2.细胞色素c氧化酶
细胞色素a和 a3的辅基是血红素a，它与血红素b的 主要区别是第2和第8位的取代基不同。 细胞色素a具有一个配位完全的血红素a，它的軸 向配位位置由两个组氨酸咪唑占据。细胞色素a的 Fe(II) 和Fe(III)都是低自旋的， 细胞色素a3的血红素铁,一个轴向配体是组氨酸咪 唑，另一个軸向位置是空的，所以能结合氧分子， 促使底物氧化。细胞色素a3 的铁，在Fe(II)价态时 是高自旋，在 Fe(III)价态时是高自旋和低自旋的 热平衡混合物。
P450类型 相对分子 质量 P450cam 46200
氨基酸残 基数 412 466 491
轴向配体半 胱氨酸位 置 357 436 438
P450LM2 53100 P450b 55900
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Humans Cyto. P450 -18 families, 43 subfamilies
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • CYP1 drug metabolism (3 subfamilies, 3 genes, 1 pseudogene) CYP2 drug and steroid metabolism (13 subfamilies, 16 genes, 16 pseudogenes) CYP3 drug metabolism (1 subfamily, 4 genes, 2 pseudogenes) CYP4 arachidonic acid or fatty acid metabolism (5 subfamilies, 11 genes, 10 pseudogenes) CYP5 Thromboxane A2 synthase (1 subfamily, 1 gene) CYP7A bile acid biosynthesis 7-alpha hydroxylase of steroid nucleus (1 subfamily member) CYP7B brain specific form of 7-alpha hydroxylase (1 subfamily member) CYP8A prostacyclin synthase (1 subfamily member) CYP8B bile acid biosynthesis (1 subfamily member) CYP11 steroid biosynthesis (2 subfamilies, 3 genes) CYP17 steroid biosynthesis (1 subfamily, 1 gene) 17-alpha hydroxylase CYP19 steroid biosynthesis (1 subfamily, 1 gene) aromatase forms estrogen CYP20 Unknown function (1 subfamily, 1 gene) CYP21 steroid biosynthesis (1 subfamily, 1 gene, 1 pseudogene) CYP24 vitamin D degradation (1 subfamily, 1 gene) CYP26A retinoic acid hydroxylase important in development (1 subfamily member) CYP26B probable retinoic acid hydroxylase (1 subfamily member) CYP26C probabvle retinoic acid hydroxylase (1 subfamily member) CYP27A bile acid biosynthesis (1 subfamily member) CYP27B Vitamin D3 1-alpha hydroxylase activates vitamin D3 (1 subfamily member) CYP27C Unknown function (1 subfamily member) CYP39 unknown function (1 subfamily member) CYP46 cholesterol 24-hydroxylase (1 subfamily member) CYP51 cholesterol biosynthesis (1 subfamily, 1 gene, 3 pseudogenes) lanosterol 14-alpha demethylase
1．细胞色素 c
(1) 结构特征：分子量较小，易结晶。由一条多肽 链组成，含一个heme，heme通过硫醚键（Cys14 Cys-17）与肽链共价结合。Heme轴上的第五 配体是His-18(组），第六配体是Met-80（蛋）。Tyr48(酪），Tyr-59通过氢键与血红素的丙酸基相连。 （2）保守性：从人到小麦，100多种氨基酸残基有35 个是相同的；人与马仅12个不同。 （3）传递电子机制：马心胞色素C有104个氨基酸残基 的多肽链包围着血红素c，1-47居一侧，48-91在另 一侧，92-104处于顶端。肽链形成两个槽，各含有2， 3个芳香基，可能参与电子传递。
八面体配位结构 Fe(II, III) 低自旋
• 共同点：尽管不同生物的细胞色素各不相 同，但各个生物的100多个氨基酸残基（肽 链~蛋白链）中，有35个氨基酸残基是各种 生物共有的；另外，每条肽链含铁卟啉， 铁卟啉周围的配体及其传递电子的功能也 是相同的。 • 以马心细胞色素c为例说明细胞色素c的空间 结构和电子传递过程，马心的细胞色素c相对 分子量是13500，有一条104个氨基酸残基肽 链包围着血红素C辅基（铁卟啉），血红素 辅基位于洞穴内，现认为是通过血红素Fe来 传递电子。
P450 是一种特殊的血红素蛋白。它是 50 年代中期在肝微粒体 (microsome)中发现， 60年代初经验证为一类 b族细胞色素。它 的还原型与CO结合后在光谱的450nm处具有最大吸收峰，因而命 名为细胞色素P450，以别于其它b族细胞色素。
P450的结构
• 一类分子量不同，生化免疫特征不同， 催化能力不同的血红蛋白的总称 • 细胞色素p450（特殊血红蛋白、催 化近300种脂溶性化合物进行氧化还 原反应）是一类具有不同分子量、不 同生化和免疫特征及不同催化能力的 血红蛋白的总称。 CH2 COOCH • 半胱氨酸：HS
半胱氨酸
1. 细胞色素c • 细胞色素c分子较小，易于结晶，其组成和 结构已研究清楚。 • 细胞色素c：血红素c + 相应蛋白构成。 血红素c以共价键与蛋白链中的Cys（半） 相联 (α谱带的最大吸收在548~560 nm)
Meຫໍສະໝຸດ Baidu(蛋)， His(组)
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细胞色素 c
（1）细胞色素C
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六配位结构 Fe(II) 低自旋
不清楚
五配位结构 Fe(II) 高自旋
不清楚
功能；在生物体中起电子及氢的传递作用。 氧化细胞色素c并使O2 还原为H2O 。
电子传递体系中， 氧化还原中心之间 的距离非常重要
细胞色素a：接受还原态细胞色素c提供电子的部位。 细胞色素 a3：还原氧分子到水分子的部位。
第一节 血红素蛋白 （细胞色素c— 血红素c类； 细胞色素p450 —血红素b类）
• 铁蛋白可分为血红素蛋白和非血红素蛋白。 • 血红蛋白和肌红蛋白都含有血红素辅基（铁 （Ⅱ）卟啉），人体中70%的铁以血红蛋白 形 式存在， • 第四章介绍了作为输送、贮存氧的血红蛋白和 肌红蛋白（结合蛋白） • 本节介绍在生物氧化还原过程中作为酶或电子 传递体的一些血红素蛋白。
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第一节 细胞色素：电子传递 第五章 血红素蛋白及催化体系
1. 载氧的体系（四章） 2. 在体内起着传递电子、参与各种酶催化体系 （五、六章） 3. 铁自身的吸收、储存、运送等（七章）
1. 电子传递: 基本反应. 变价：Fe(II, III) Cu(I,II). 2. 三大类：铁硫蛋白：含有铁硫的非血红素蛋白 血红素为辅基的血红素类：细胞色素类 铜蓝蛋白
4.细胞色素P450 单加氧酶(简称P450)
• 3. 细胞色素b
• b族细胞色素所含的辅基为铁原卟啉IX，其氧化还 原电位较低(E~0) 。天然状态的血红素铁是低自旋 的。軸上配体是两个氨基酸残基（即铁是配位饱和 的），因此b族细胞色素难以自动氧化。从线粒体 膜上分离它们相当困难。虽然从牛心肌能得到纯的 细胞色素b, 但他们高度聚合而不溶于水，因此其 结构和机制目前仍不清楚。
α 氨基—β—硫基丙酸
5
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表5-3
三种p450 某些结构特征 • • • • •
(1) Cytochrome P450 Highlights
P450s absorb light (/ 450 nm); Major drug metal enzymes in the body; The active site is a heme protein; The liver has the greatest concentration; Almost all the tissues in the body have some P450 (Lungs, kidney, skin, brain, etc);