生物体内一大类氧化还原酶以铁-卟啉体系为活性中心，典型例子如细胞色素氧化酶P450类(CYPs)^[1]、细胞色素C^[2]等。同时，一些非氧化还原的重要载体酶类也以其为作用中心，如血红蛋白与肌红蛋白^[3]。另一方面，铁-卟啉及其衍生物、替代物体系已经被广泛应用于体外的生物模拟氧化反应，且有较好的底物立体选择性^[4]。因此，铁-卟啉配位活性中心的结构和功能，及其催化机理的研究与教学，长期以来是生物无机化学、配位化学、生物有机化学及酶学的重点问题之一。

细胞色素氧化酶P450是一类极其重要的代谢酶，在药物设计领域将其统称为“肝药酶”，可以实现对于众多代谢产物、毒物、药物的氧化过程，以完成相应的代谢、毒物药物分解、脂溶性分子水溶性化等生化过程。因此，细胞色素氧化酶P450是人体极为重要的保护性酶类^[5]。同时，“肝药酶”对药物的作用是很多药物开发过程中需要考虑的重要因素之一^[6]。下面对细胞色素氧化酶P450类的结构和催化功能进行分析，希望通过化繁为简、化难为易的方式帮助读者理解其核心。

铁-卟啉体系是细胞色素氧化酶P450的活性位点。位于第一过渡系第ⅧB族的铁原子(3d⁶ 4s²)具有+2到+6的可变氧化态。由于通常的+2与+3氧化态下存在较多空的d轨道，因此其一般以八面体 场进行配位。经典价键理论认为，在配位过程中铁原子的d轨道能级会随着不同配体配位场强弱的变化而变化。当遇到胺类等强场配体时，d电子倾向于配对占据低能级轨道形成低自旋配合物；而当遇到弱场配体时，d电子倾向于自旋同向地排布而形成高自旋配合物。不同的配位方式会影响中心铁离子的半径及体系的氧化还原电位。

卟啉本身作为大环共轭配体，与中心铁原子配位状态复杂。在铁-卟啉体系中，铁离子以Ⅱ氧化态与卟啉的4个氮原子配位(图 1a)，而其第五配位点由蛋白质中的半胱氨酸巯基占据，第六配位点在没有底物时与水分子配位。虽然同样是以4个氮原子进行配位，但是卟啉环系整体有富电子性，且在氧化还原过程中可以形成非典型的卟啉阳离子自由基等结构。故而其形成的非典型配合物结构需要基于分子轨道理论及配位场理论进行计算描述^[7]。此外，第五和第六配位位点对铁-卟啉的结构及氧化还原活性也有较大影响。正是铁-卟啉的复杂物理化学性质导致铁-卟啉氧化还原酶在反应过程中也有独特的动力学和热力学性质^[8]。

图 1

Fig. 1

图 1 铁-卟啉中心结构及其形成化合物-I结构的过程 Fig. 1 Structure of iron-heme and the generation of Cpd-I

细胞色素氧化酶P450对人体内的各种代谢产物、毒物、药物等，均有强的羟基化、环氧化能力，通过增加水溶性而将其排出体外。铁-卟啉活性中心极强的氧化性能主要归因于铁氧酰结构(hemeFe (Ⅴ)=O)，这一中间体通常也被称为化合物-I(Compound-I或Cpd-I)。由于卟啉大环共轭结构具有分散正电荷的作用，化合物-I也存在另外一种共振式极限式，即卟啉阳离子自由基结构(heme+·Fe (Ⅳ)=O)(图 1 b)。

在形成后，该高活性中间体进一步与烃类等底物反应并直接活化碳氢键实现羟基化，也可以与双键作用形成环氧化等。此外，该氧鎓离子不仅仅可以将C-H键羟基化(图 2 a)或者双键环氧化(图 2b)，还可以氧化杂原子(图 2c)或者为杂原子去甲基化(图 2d)^[9]。

图 2

Fig. 2

图 2 化合物-I铁氧酰结构(hemeFe (Ⅴ)=O)活性中间体典型反应 Fig. 2 Typical reactions of active intermediate Cpd-I as hemeFe (Ⅴ)=O

在该催化循环中，铁氧酰结构是其核心，其后续的纷繁多样的氧化过程也是不易理解的。首先对此提出一种简单且可行的理解方式。对于普通的X=O结构，例如羰基或金属氧酰，由于氧原子的电负性一般较X为高，故而其主要共振式极限式只有2种(图 3a)。但是铁原子作为第ⅧB族的过渡金属，可以视为一个电子库，即既可给予电子成正氧化态，也可以接纳电子而分散到卟啉环系整体成负氧化态。故而对于Fe=O双键，可以有3种不同的共振式极限式,包括典型的2种及1种额外的氧鎓离子状态(图 3b)。

图 3

Fig. 3

图 3 将铁-卟啉体系视为特殊“质子”的氧化过程与机理示意图(灰色球体) Fig. 3 Scheme of the oxidation process and mechanism while regarding the iron-heme as a special “proton”(shown as gray sphere)

这种氧鎓离子可以简单视为羟基正离子，而把铁-卟啉环系配合物整体视为一个特殊的“质子”(或者任一大体积的路易斯酸)。氧原子可以体现空轨道或者双自由基形态(图 3c)。这个双自由基的羟基正离子具有极强的氧化能力，可以将氧原子插入C-H键而实现羟基化(图 3d)，或者以空轨道接受C=C双键的电子对而实现环氧化(图 3e)。通过这种简化的理解方式，能够简要地利用有机化学价键理论对化合物-I的氧化还原行为进行解释。特别是在羟基化过程中，底物也会发生C—H键断裂形成自由基，但是与腺苷钴胺素和自由基-SAM不同的是，底物自由基是不会发生重排反应的。这是由于Fe—O形成的阳离子自由基极为不稳定，一旦形成即立即与周围的底物自由基结合，而没有足够的时间让底物自由基重排成最稳定的产物自由基。

另一个重要的问题则是中心铁元素的氧化态变化情况。这里首先需要明确，因为Fe较O电负性低很多，因此即便是2者形成的“共价键”也是高度极化的，还是可以认为Fe是以阳离子态与氧阴离子结合(与半胱氨酸的硫原子形成共价键的情况相同)。但是，这里与氧携带一对电子与中心铁离子形成配位键还是不同，因为配位键中虽然氧原子应该带一个路易斯结构式的形式电荷，但给电子型配体与金属形成配位键较真实共价键键能低，所以电子对还归属于配位原子，且形成这种配位键并不会影响金属的氧化态(氧化态是人为规定的，只与真正得失电子相关)。这里就像铵根离子，虽然其氮原子带正的形式电荷(也可以把这个电荷视为对于整体的)，但是氮原子的氧化态还是-3。即便如此，实质上金属的真实电荷还是增加了，这可以由Mssbauer谱读出。借用氨的比喻，即在形成铵根后氮原子氧化态还是-3，形式电荷为+1，但绝对负电荷值会相应降低。因此，考虑铁的氧化态可以将上述的羟基化过程重新写出电荷/自由基2种合理的机理(图 4a和b)，及对杂原子的氧化作用(图 4c)和脱甲基作用(图 4d)。

图 4

Fig. 4

图 4 化合物-I实现底物羟基化过程、氧化杂原子或者脱甲基化的机理及氧化态变化情况 Fig. 4 Mechanism and oxidation state of Cpd-I in the process of substrate hydroxylation,heteroatom oxidation,and demethylation

细胞色素氧化酶P450的催化循环起始于一个氧分子加成后的2个单电子还原的过程，经历化合物-0(Compound-0) 转化为铁氧卟啉阳离子自由基(即化合物-I)，后续步骤如前文所述(图 1b)。另外一种得到化合物-I的方式存在于过氧化氢酶中，是直接用过氧化氢或者过氧酸对Fe(Ⅱ)进行氧化直接得到化合物-0，经过后续脱羟基反应得到化合物-I。这过程利用过氧化氢作为双还原后的氧分子，相当于避免了2步单电子还原过程。特别地，在体外研究Fe (Ⅳ)=O物种时，对于普通氧化酶也可以使用过氧化氢作为氧化剂代替双氧分子以得到化合物-I。此过程利用过氧化氢作为双还原后的氧分子，相当于避免了双电子还原过程。这在研究工作中是有优势的，因为在自然界，这个双电子还原过程需要细胞色素P450还原酶体系进行还原，而对于未知的氧化酶，很难且不必要知道其对应的还原酶。这时候，利用过氧化氢或者过氧酸可以便于获得并研究对应的化合物-I。

同时，人们还发现了很多新型的氧化酶和过氧化酶(peroxygenase)，他们相对于细胞色素氧化酶P450具有不同的底物选择性和反应性。例如一大类新发现的芳基过氧化酶(APO)，包括最近从茶树菇真菌(Agrocybeaegerita)中发现的AaeAPO，可以在过氧化氢氧化下形成化合物-I，并催化烷基和芳基的羟基化、环氧化，及卤化、醚切割反应等。它一方面与作为单氧化酶(monooxygenase)的细胞色素氧化酶P450类似，可以对药物和代谢产物进行羟基化，但是其与细胞色素氧化酶P450没有任何序列同源性。相反，它虽然和氯过氧化酶(chloroperoxidase)享有30%的序列同源性，但是活性位点构造和底物选择性与后者没有相似性^[10]。对这些新型的天然氧化酶的研究既能为我们深入理解其催化过程提供理论意义，又能将其进一步改造后应用于工业生产。

此外，并不是所有的Fe=O结构都来自heme，还有很多天然存在的非卟啉体系的铁催化中心按照以不同的机理及不同的辅酶作为电子供体得到化合物-I，例如以酮酸为辅酶的氧化酶，以生物蝶呤为辅酶的氧化酶等。人们进一步开发了模型化合物，见图 5，并进行了大量的量化计算^[11]。一方面，对于模型化合物的研究可以用于分析天然氧化酶的作用机理；同时，对模型化合物反应活性及其影响因素的研究可以为金属催化剂的设计提供指导。

图 5

Fig. 5

图 5 几种典型的铁-配体活性中心的模型化合物 Fig. 5 Structure of several typical iron-ligand model compound

基于铁-卟啉体系的氧化还原酶在生物体内广泛存在，并起到不可替代的作用。其活性中心的结构、功能及催化机理是一个重要而复杂的问题。结合铁-卟啉及其氧化还原机理，对其中的若干相关问题提出一些新的理解认识角度，通过化繁为简的方式明确并建立其核心观点。以期对相关课程的教学与研究有助。

感谢Texas A&M University的Tadhg P. Begley教授对本文的启发。感谢Columbia University博士生张艳对本文修改提出的建议。