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3.3 催化氧化实验操作 18
3.4 苯乙烯氧化的产物分析 18
3.5 苯乙烯氧化结果分析 19
结论 22
致谢 23
参考文献 24
附图 26
1 引言
1.1 细胞色素P450
1.1.1 细胞色素P450的简单介绍
细胞色素P450酶是一类含血红素的电子传递蛋白，它在生物氧化、固氮和能量转换及存储中都有重要功能，广泛存在于微生物、动物的肝脏和植物的叶、花、茎等器官中。细胞色素P450包含414个氨基酸残基，蛋白质呈三角形，整个结构由12个螺旋组成，原卟啉铁平面平行于该三角形平面，被包埋于邻近和末端的单环中，除与精氨酸和组氨酸生成酯键以外，还被非极性的残基包围[1]。由图1可以看出，活性中心的亚铁血红素基团均被限制在末端螺旋I和邻近的螺旋L之间。催化中心附近的半胱氨酸与邻近主链的氨基形成两个氢键；螺旋I形成了亚铁血红素内壁，并且含有特征氨基酸序列；活性位点处另具有高度保守苏氨酸，参与催化作用，结构高度保守的细胞色素P450还具有足够的结构差异，便于不同底物与各类细胞色素P450特异性的结合[2]。
1.1.2 细胞色素P450的作用机理
P450酶系是自然界中最具有催化作用的生物催化剂，由于其作为催化剂的专属性和高效性，可用来作用于很多物质的生物转化，包括农药、致癌物、药物、抗氧化剂、添剂、染料和石油产品等。P450可以用来催化成千上万种反应，甚至对具有相似化学结构的底物也表现出多重反应类型，因而被人们称为万能催化剂[3]。而其催化机理也是今年来诸多科学家们致力研究的内容之一。P450酶的催化机理涉及的步骤有多个，但典型的反应机理是通过电子的传递将氧分子还原，并传递其中的一个氧原子加到底物中，而反应需要NADPH。反应基本方程式如下：
RH+O2+NADPH+H+ → ROH+H2O+NADP+
P450的催化机理可以简单的如下描述：血红素铁结合一个氧气分子，活性中心将还原性辅酶NADPH的电子传递给血红素中的三价铁，将其还原成二价铁，此时，亚铁血红素比较容易与氧分子结合形成氧合亚铁血红素复合物 [P-Fe(III)+O2+e- → P-Fe(II)-O2] 或者与H2O2反应通过捷径生成Fe(III)-氢过氧化复合物[P-Fe(III)+H2O2 → P-Fe(III)-O-OH+H+]；P-Fe(II)-O2形成Fe(III)-氢过氧化复合物[P-Fe(II)-O2+e-+H+→ P-Fe(III)-O-OH+H2O]；P-Fe(III)-O-OH生成高活性氧合铁中间体 [P-Fe(III)-O-OH+H+→ [P-Fe(IV)=O]+ + H2O]；最后氧化底物，底物的接近使酶变成五配位的高自旋状态，空出来的配位位置与氧连接，铁从低自旋变为高自旋，增加了酶的还原电势，得到电子以变成五配位的脱氧亚铁态才能与氧相连，酶与氧结合后形成血红素亚铁氧络合物，然后质子化形成铁超氧加合物，O-O键发生一列脱去水形成氧-高铁[Fe(IV)=O]卟啉自由基中间体，它是P450氧化不活泼C-H的活性氧形式，当其将氧转移给底物形成氧化物并返回到静态时，催化循环就结束了[4](如图1.1)。
图1.1 细胞色素P450酶的催化循环
1.2 血红素的概况
1.2.1 血红素的性质和来源
血红素是由四个吡咯环和四个亚甲基侨联而成的大π共轭体系，具有高度芳香性，结构十分稳定，吡咯和中位亚甲基带上侧链，再和一分子亚铁配合构成铁卟啉化合物，即为血红素[5, 6]，见图1.2。血红素是细胞色素P450酶的核心结构，它在自然界中有两种形态，一种是非游离态，主要存在于P450中，另一种是游离态，主要存在于动物的血液中，平常用到的血红素一般都是从动物的血液中提取出来的。药理实验证明血红素可作为铁强化剂和抗贫血药，且疗效显著，它也可以用作治疗卟啉症的特效药，另外，在食品工业上还可以用作色素。血红素不溶于水但溶于碱性水溶液，溶于酸性丙酮，血红素的衍生物都是在卟啉环的侧链上带上取代基团[7]。血红素的8个β位都带有取代基，4个中位(meso)都不带有取代基，由于它的来源比较广泛，且易于提取，一般可以对其β位的取代基进行改性，改变其结构性质，也可以在4个中位(meso)加上不同的取代基，同时还可以替换卟啉中心不同的金属离子，这些方面的改性都保留了卟啉的母体结构不变，但改变了其性质，拓宽了其应用范围，增强了其应用价值。