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1、第9卷第5期大学化学9914年10月翼氯分 子氧、活性 氧与 生命刘 剑波宋心琦(清 华大学化学 系10 0084)氧气维持着地球上绝大多数生物的生命,它涉及 到需氧生物生命过程的许多环节。过去,人们认为氧对需氧生物总是有益无害的。但 自从1 968年MeCord与Fridovieh发现 了超氧化物歧化酶(简称SOD)并研究其生物学作用以后,人们发现氧 尚有对需氧生物 不利的一面。本文想讨论氧气的生物源及活性氧与生命体相互作用的一 些例子。一氧气的生物源地球大气中的氧气,并非一 开始就象现 在这样有2 3 %的浓度,这一状态的形成经 历 了一段漫长的过程。大约 3 5亿年前,地球上开始有了生命
2、,那时大气中还没有氧气,厌氧生物(主要是厌氧细菌)只能利用一 些有机酸和简单的无机物进行氧化代谢获取能量。到大约2 5亿年前,一种原始的海洋生物蓝一绿藻大量繁殖,这种植物能利用光合作用,把水分解为电子、质子和氧分子。ZHZo竺二02+4H+4e-植 物和 细 菌进行光合作用 最根本的目的都是利用太阳能并把CO:转化为碳水化合物,产氧只是植物光合作用的一个 副产物。至于在植 物体内怎样产 生氧是一个非常复杂的问题。一般认为,光合系统包括两个部分,光合系统I和光合系统I,两者串联工作,共同完成光合作用,02的产生则完全发生在光合系统I里。因为单个光子的能量不足以分解水分子,所以光合系统亚要从四个光
3、子取得能量分解两个水分子,从而释放出四个质子和四个 电子。但这样的机制会产生一个困难,因为 光化 学 系统一 次只能处理 一个电子。为了解决这一问题,1 9 70年Kok川提 出 了一种简单 的假设,认为植物细胞光合系统l里有一种专门分解水的催化剂,后来这一设想被称为“水一氧化钟”(或称“水一氧化循环”)。这是一4个光子 、户。、Sa , 、更李一尹图1“水一氧化钟”循环机制 3 j 种特有的生化循 环 机制,它 可以逐个地 吸 收光子和传递电子,每经四个 步骤就产 生一个氧分子图1中的P6 8O是一种特殊形式的叶 绿素a分子,在化学 上类似“天线色素”,在 6 80nm下呈 现 最大光吸收,
4、它构成光合系统I的反应中心。S。54态则是“水一氧化钟”中催化剂的不同氧化态。光合系统I吸收一个光 子 后,P68 0被激活,将一个电子经中间电子传递链转移到 光合系统I,自身则变成P680十。此时“水一氧化钟”要经 历 一次变化,由S。态进入S,态。并释放一个电子使P68o+恢复成为P68 0。P86o每吸 收 一个光 子,“水一氧化钟”就前进一个S态,从而释放出一个电子。当“水一氧化钟”达到S;态时已经释放出四个电子并准备好完成水一氧化反应,然后,“水一氧化钟”从二个结合的水分子中提取四个 电子,释放一个氧分子,并由54态回到S。态,使这个循环重新开始。在水分裂 中还产生四个质子,一个是在
5、S。态向51态转变 时释放 的,一个 是在S:态向53态转变时 释放的,最后 两个 质子是在53态向S;态再向S。态转变时释放的。“水一氧化钟”中的催化剂是由蛋 白质和 色素组成的复合物,锰是这种产氧复合物不可缺少的活性组分。对于每个P68 0分子必须有四个锰原子才能产生氧,这四个锰原子以二 聚体或四聚体 的形式存在,从S。态 到S态的每一 步转变都可能涉及其 中一个锰的单 电子氧化。但这种产氧复合物的结构及其不 同SoMnZH。+02H.+. -H、rlO|M54,Mn l 叼尹n, o么noH卜一Mn 百、IM/tjH润谧OM卜 气 工/e 人/丫训了喊n一丫擎 尸.扮。少n,公。o ;沪
6、口.Mno“”2,图2“水一氧化钟”的化学模型S态中锰的实 际价态目前还不清楚。B rd uv ig和r Cab te re川提出了“水一氧化钟”的一个化学模型(见 图2),其 中S。,S,和S:态中锰以类似Mn旧的立方构型存在,在53态中则转变为类似Mn刀。的金刚烷构型,但他们未指定模型中的锰价态。总之从2 5亿年前,植 物就开始用“水一氧化钟”连续不断地制氧,但大气中氧气浓度始终只有1%左右。这是因为产生的氧气要与地球上大量低价金属化合物和还原性物质反应,这一过程 整整持续了7.5亿年。直到 1 7亿年前,大气中的氧气浓度才增加到 1 72 1 %。同时,高空大气中一小部分氧气通过吸收太阳
7、光中的紫外辐射转变为臭氧,在平流层形成一层可以阻挡太阳光中能损伤生 物机体的紫外辐射的臭氧保护层。大气中高浓度的氧气出现和臭氧层的形成,在生 物进化 中引起了具有革命性的结 果,一方面,一批厌氧 生物被淘 汰,大量生物 则 由此演变为好氧生物;另一方面,臭氧层的形成使得 生 物在陆地上也可以免遭致命的紫外辐射,从此生命不再局限在 海洋之中,陆地 也 开始成为生命的乐 园。二氧气代谢过程中的活性中间体活性氧川1.活性氧的化学性质氧分子可以通过单电子接受反 应,依次转变为O厂,H OZ,HO OH与. OH等。由于这些物质都是直接或间接地 由分子氧转化 而来,而且具有较分子氧活泼的化学 反应性,遂
8、统称为活性氧。2 7A.HZO(PH 7): +120 VySNH E仇- 二生丝v吸一,H:O:H:O十.OH三巴袋ZHZOB.HZO:O,+e-一0.16V . . .月卜. 峨卜仇一竺攀竹H之O:+凭O:+OHH:02+HOZ 一H:O 02+e一 ,O二一+H.O+(O:一HO:+H伪一,.O HH:O:,心H,一OH)图3水溶液中02(单位活度)的氧化还原电势图3概括了水溶液中O:电子转移反应的氧化还原电势困。这 些活性氧都对生物机体有“毒”,这与它们的化学性质有关。超氧阴离子自由基O厂既可以作为还原剂供给 电子,又可以作为氧化剂接受电子。作为单电子还原剂 时,可使氧化型 细胞色素C
9、、过氧化物酶复合物I,对苯醒等化合物还原。作为单 电子氧化剂 时,则可使半胧氨酸、同型半胧氨酸、抗坏血酸、肾上腺素、儿茶酚等化合物氧化。00一 中一中一00(单 电子还原)O H l CHC HZOH+02,一()H i CHC H:O司二 +”0单 电子氧化在水溶液 中,O厂 可与一个、二 个甚至三个水分子形成水 化复合物,因此它 对其他物质供给电子的亲核性就比非水溶剂中的O厂 小得多。换言之,非水溶剂中O厂的化学 活性要比水溶液中0厂高。O厂能与H+结合生成H OZ,HOZ的pK一4.7,因而在正常生理情况 下,O厂 浓度远高于HOz 。HOZ的还原能力和氧化能力比O厂更强。如HOZ还原过
10、氧化物酶复合物I的反应速率常数为2.2x10 51mo l一s一,比O厂与此复合物的反应速率高10 0倍。H 02还可使未饱和脂肪酸氧化,而O厂却无 此氧化能力。因而HOZ的生物毒性比O厂更大。轻自由基OH是化学性质最活泼的活性氧物种。其反应特点是无专一性,几乎与生物体内的所有物质如糖、氨基酸、磷脂、DN A碱基及有机酸都能 反应,而且反应快(反应速率常数为10 510 101mo l一s一 )它可使非 自由基反应物变成自由基。O H的反应类型有氢抽提、加成与电子转移三类。旱H|H|+OH一H一毛一毛一刃H+HZO(氢抽提) IHlH1H!HC H3/_C一夭)H(加成)o|c/o|c/N|,
11、 H手H一NC一毛Hs十O H一l ()C一H C一H /N|H/N|HC l一+.OH一C l.+O H一(电子转 移)过氧化氢HZOZ,是一种弱氧化剂,HZO:的p犬,=1 1.7,pK:=1 618。HZO:可氧化抗坏血酸等有机物,并可直接使少数酶如CuZn一SOD失活。在一般情况 下,生物体内产生的HZOZ常被过氧化氢酶 或谷胧甘肤过氧化物酶分解为HO z和02。如果HZO:得不 到及时清除,它可以与O厂 在铁赘合物如Fe+一ADP等催化下发生Habe r一Weis s反应,产生OH。o厂+HZoZ兰兰丝玩)2+o H+o H-HZOZ在强烈紫外线照射下,也能发生均裂,产生O H。单线
12、态0:,分子中没有不成 对的电子。O:能激发其他分子如N,N一二甲基苯胺、乙基胺、日一胡萝 卜素、a一妊娠醇等进入激发态,自身则转为基态302。O。还可与具有沐、结构的一些化合物化合,如与二苯基异苯并吠喃反应生成内过氧化物。C H一戒二 HHC H=C HH / C HC H+102一CC / RRRO一气RO:可使脂类过氧化,产生氢过氧化物。丙烯遇0:也生成类似化合物。C HZK 二H一代二 HZ一H+10:一CHZ一CH一毛HZ一戒一戒一H,O:可氧化色氨酸、组氨酸、蛋氨酸与半胧氨酸,此外还可损伤D NA。活性氧都是02还原 为水的中间物,它们之间的相互作用密切l 0 ,如O厂可以歧化生成
13、HZO:,O厂与H202在铁金属离子鳌合物存在下发生Habe r一Wei ss反应生成O H。严格地讲,03也是一种活性氧,O。可转变为HZOZ、O H与O厂,而且还可分 解为02与O。但在 生 物体 内没有内 源性03。iSg nh7认为,不能孤立地看待一种活性氧的危害,他用右图表示 了它们之间的相互关系。2.生物体内活性氧的产生 与消除102个/H01 一0:.念,0“冷 !T了_t! 02.如卜-刁卜H:( )2Oa寺/O一H202生物体内的活性氧可 由非酶反应和酶反应产生,简述如下:A.柞酶反应生成O厂的非酶反应,主要包括在O:的存在下,某些生物分子氧化产生O厂,如甘油醛、还原型 核黄
14、素、FMN与FAD、肾上腺素、四氢嚓吟和半胧氨酸等,以及铁离子鳌合物中的FeZ+对HZOZ或02的单 电子转移反应巨sj。2 9AD P一Fe+ZHZO:一AD P一Fe+O厂+ZHZO蛋 白质一血红素一FeZ+一O:一一硕)厂+蛋白质一血红素一Fe+(氧合血红蛋白)(高铁血红蛋 白)氧合血红蛋白转变为高铁血红 蛋白时产生的O厂 最值得重视,因为 人体内的红 细胞中每日约有3%的氧合血红 蛋白转变为高铁血红 蛋白,循此途径有相当量O厂产生。生成O H的非酶反应,有铁离子赘合物催化的Ha be r一Wi es s反 应。由于 生物体内,游离的Fe+极少,因而发生Fenton反 应,即Fe,+与H
15、ZO:直接反应生成OH的可能性极小。某些药物如6一轻基 多巴胺、6一氨基多巴胺、四氧嚓 陡、博莱霉素等进入生物体内,也可产 生O H口8。02可 由光敏反 应 生成,眼角膜中柱细胞含有的视黄醛可充当光敏剂。O2hF -目-月卜 光敏剂,02脂类过氧化过程中,ROZ与ROZ的相互作用也能产生02。ROZ+ROZ一RO OR+02B、酶反应生成0厂给O:的方式产生的酶反应,有在黄嚓吟氧化酶催化下,黄漂吟(或次黄嗓吟)通过将单电子传O厂卿黄嚓吟+202+HZO一尿酸+20厂醛氧化酶催 化醛与氧反 应生成酸和O厂。+ZH+线粒体呼吸链中的酶如细 胞色素C( Cy tC3+)可使UQHZ(辅酶Q)氧 化
16、为UQH自由基,UQH可与O:反应 产生O厂。UQHZ+CytC3+一UQH+CytCZ+H+UQH+O:一UQ+O厂+H+产生O厂的酶反 应尚有多种酶,如 二氢乳清酸脱氢酶、NAD PH氧化酶、铁氧还蛋白-NAD P H还原酶、微粒体中的黄素蛋 白和血红素蛋白等等。生 成O H的酶反 应川,包括黄嚓吟氧化酶催化黄嚓吟氧化反 应中产生 的O厂与HZO:,在生物体内FeZ十或铁离子鳌合物 的存在条件下转变为O H。肝微粒体中的醇脱氢酶使乙醇氧化为乙醛时 产 生H:02,同样也 间接产 生O H。前列腺素合成酶,鸟嗦吟环化酶等酶促反 应,以及嗜中性白细 胞及巨噬细胞吞噬细菌 时也产生O H。生成HZO:的酶反应很多,如_._黄嗓吟氧化酶_,_ 黄嚎吟+02+HZOw e二二
