分子氧_活性氧与生命_临床医学_医药卫生_专业资料
8页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,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
2、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,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“
3、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
4、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
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