生物化學(xué)與分子生物學(xué)/生物氧化

{{Hierarchy header}}
體內(nèi)大部分物質(zhì)都可進(jìn)行氧化反應(yīng)，在生物體內(nèi)進(jìn)行的氧化反應(yīng)與體外氧化反應(yīng)有許多共同之處：它們都遵循氧化反應(yīng)的一般規(guī)律，常見的氧化方式有脫電子、脫氫和加氧等類型；最終氧化分解產(chǎn)物是CO2和H2O，同時(shí)釋放能量。但是[[生物]]氧化反應(yīng)又有其特點(diǎn)：①體外氧化反應(yīng)主要以熱能形式釋放能量；而生物氧化主要以生成[[ATP]]方式釋放能量，為生物體所利用。②其最大區(qū)別在于：體外氧化往往在高溫，強(qiáng)酸，強(qiáng)堿或[[強(qiáng)氧化劑]]的[[催化]]下進(jìn)行；而生物氧化是在[[恒溫]](37℃)和中性pH環(huán)境下進(jìn)行，催化氧化反應(yīng)的催化劑是酶。

==一、生物[[氧化酶]]類==

體內(nèi)催化氧化反應(yīng)的酶有許多種，按照其催化氧化反應(yīng)方式不同可分為三大類。

(一)脫氫氧化酶類

這一類中依據(jù)其反應(yīng)受氫體或氧化產(chǎn)物不同，又可以分為三種。

1.氧化酶類(oxidases)

氧化酶直接作用于[[底物]]，以氧作為受氫體或受電子體，生成產(chǎn)物是水。氧化酶均為[[結(jié)合蛋白質(zhì)]]，輔基常含有[[Cu]]2+，如[[細(xì)胞色素氧化酶]]、酚氧化酶、[[抗壞血酸氧化酶]]等?？箟难嵫趸缚纱呋率龇磻?yīng)：

{{圖片|gra6kcw7.jpg|}}

2.需氧[[脫氫酶]]類(aerobic dehydrogenases)

需氧脫氫酶以FAD或FMN為輔基，以氧為直接受氫體，產(chǎn)物為H2O2或超氧離子(O2)，某些色素如甲烯藍(lán)(methylene blue,MB)、鐵氰化鉀(［K3Fe(CN)6］、[[二氯酚靛酚]]可以作為這類酶的人工受氫體。如D[[氨基酸氧化酶]](輔基FAD)、L-氨基酸氧化酶(輔基FMN)、[[黃嘌呤氧化酶]](輔基FAD)、[[醛脫氫酶]](輔基FAD)、[[單胺氧化酶]](輔基FAD)、[[二胺氧化酶]]等。

{{圖片|gra6kli2.jpg|}}

[[粒細(xì)胞]]中NADH氧化酶和NADPH氧化酶也是需氧脫氫酶，它們催化下述反應(yīng)：

{{圖片|gra6jwox.jpg|}}

超氧離子在[[超氧化物歧化酶]](superoxidedismutase,[[SOD]])催化下生成H2O2與O2：

{{圖片|gra6kikv.jpg|}}

3.不需氧脫氫酶類(anaerobic dehydrogenases)

這是人體內(nèi)主要的脫氫酶類，其直接受氫體不是O2，而只能是某些[[輔酶]](NAD+、NADP+)或輔基(FAD、FMN)，輔酶或輔基還原后又將氫原子傳遞至[[線粒體]]氧化[[呼吸鏈]]，最后將電子傳給氧生成水，在此過(guò)程中釋放出來(lái)的能量使ADP[[磷酸]][[化生]]成ATP，如3[[磷酸甘油醛脫氫酶]]、[[琥珀酸脫氫酶]]、[[細(xì)胞色素]]體系等。

{{圖片|gra6k7bq.jpg|}}

4.[[加氧酶]]類(oxygenases)

顧名思義，加氧酶催化加氧反應(yīng)。根據(jù)向底物[[分子]]中加入氧原子的數(shù)目，又可分為[[加單氧酶]](monooxygenase)和[[加雙氧酶]](dioxygenase)。

(1)加單氧酶　又稱為多功能氧化酶、混合功能氧化酶(mixed function oxidase)、[[羥化酶]](hydroxylase)。加單氧酶催化O2分子中的一個(gè)原子加到底物分子上使之羥化，另一個(gè)氧原子被NADPH+H+提供的氫還原生成水，在此氧化過(guò)程中無(wú)[[高能磷酸化合物]]生成，反應(yīng)如下：

{{圖片|gra6ka6u.jpg|}}

加單氧酶實(shí)際上是含有[[黃素酶]]及細(xì)胞色素的酶體系，常常是由細(xì)胞色素P450、NADPH細(xì)胞色素P450[[還原酶]]、NADPH和[[磷脂]]組成的[[復(fù)合物]]。細(xì)胞色素P450是一種以血色素為輔基的b族細(xì)胞色素，其中的Fe3+可被[[Na]]2S2O3等還原為Fe2+，還原型的細(xì)胞色素P450與CO結(jié)合后在450nm有最大吸收峰，故名細(xì)胞色素P450，它的作用類似于細(xì)胞色素aa3，能與氧直接反應(yīng)，將[[電子傳遞]]給氧，因此也是一種終末氧化酶。

加單氧酶主要分布在肝、腎組織[[微粒體]]中，少數(shù)加單氧酶也存在于線粒體中，加單氧酶主要參與[[類固醇激素]]([[性激素]]、[[腎上腺皮質(zhì)激素]])、[[膽汁酸]]鹽、[[膽色素]]、活性[[維生素D]]的生成和某些藥物、毒物的[[生物轉(zhuǎn)化]]過(guò)程。加單氧酶可受底物誘導(dǎo)，而且細(xì)胞色素P450[[基質(zhì)]]特異性低，一種基質(zhì)提高了加單氧酶的活性便可同時(shí)加快幾種物質(zhì)的[[代謝]]速度，這與體內(nèi)的[[藥物代謝]]關(guān)系十分密切，例如以[[苯巴比妥]]作[[誘導(dǎo)物]]，可以提高機(jī)體代謝[[膽紅素]]、[[睪酮]]、氫化可地松、[[香豆素]]、[[洋地黃毒苷]]的速度，臨床用藥時(shí)應(yīng)予考慮。

(2)加雙氧酶　此酶催化O2分子中的兩個(gè)原子分別加到底物分子中構(gòu)成雙鍵的兩個(gè)碳原子上，如[[色氨酸]]吡咯酶(色氨酸加雙氧酶)、[[胡蘿卜素]]加雙氧酶分別催化下述反應(yīng)：

{{圖片|gra6k3ud.jpg|}}

5.[[過(guò)氧化氫酶]]和[[過(guò)氧化物酶]]

前已敘及需氧脫氫酶和超氧化物歧化酶催化的反應(yīng)中有H2O2生成。[[過(guò)氧化氫]]具有一定的[[生理]]作用，粒細(xì)胞和[[吞噬細(xì)胞]]中的H2O2可殺死吞噬的[[細(xì)菌]]，[[甲狀腺]][[上皮細(xì)胞]]和粒細(xì)胞中的H2O2可使I氧化生成I2，進(jìn)而使[[蛋白質(zhì)]]碘化，這與[[甲狀腺素]]的生成和消滅細(xì)菌有關(guān)。但是H2O2也可使[[巰基]]酶和蛋白質(zhì)氧化[[失活]]，還能氧化生物膜磷脂分子中的[[多不飽和脂肪酸]]，損傷生物膜結(jié)構(gòu)、影響生物膜的功能，此外H2O2還能破壞[[核酸]]和[[粘多糖]]。人體某些組織如肝、腎、[[中性粒細(xì)胞]]及[[小腸]]粘膜上皮細(xì)胞中的[[過(guò)氧化物酶體]]內(nèi)含有過(guò)氧化[[氫酶]](觸酶)和過(guò)氧化物酶，可利用或消除細(xì)胞內(nèi)的H2O2和[[過(guò)氧化物]]，防止其含量過(guò)高而起保護(hù)作用。

(1)過(guò)氧化氫酶(Catalase)此酶催化兩個(gè)H2O2分子的[[氧化還原]]反應(yīng)，生成H2O并釋放出O2。

{{圖片|gra6k0bv.jpg|}}

過(guò)氧化氫酶的催化效率極高，每個(gè)酶分子在0℃每分鐘可催化264萬(wàn)個(gè)過(guò)氧化氫分子分解，因此人體一般不會(huì)發(fā)生H2O2的蓄積[[中毒]]。

(2)過(guò)氧化物酶(Peroxidase)此酶催化H2O2或過(guò)氧化物直接氧化酚類或胺類物質(zhì)。

R+H2O2-—→RO+H2O或RH2+H2O2-—→R+2H2O

某些組織的[[細(xì)胞]]中還有一種含硒(Se)的[[谷胱甘肽]]過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase)，可催化下述反應(yīng)：

H2O2+2G-SH——→2H2O+GSSG

ROOH+2G-SH——→ROH+GSSG+H2O

生成的GSSG又可在[[谷胱甘肽還原酶]]催化下由NADPH+H+供氫還原生成G-SH：

{{圖片|gra6kfpl.jpg|}}

臨床工作中判定糞便、消化液中是否有隱血時(shí)，就是利用[[血細(xì)胞]]中的過(guò)氧化物酶活性將愈創(chuàng)木酯或[[聯(lián)苯胺]]氧化成藍(lán)色[[化合物]]。

==二、生物氧化的基本概念==

機(jī)體內(nèi)進(jìn)行的脫氫，加氧等氧化反應(yīng)總稱為生物氧化，按照生理意義不同可分為兩大類，一類主要是將[[代謝物]]或藥物和毒物等通過(guò)氧化反應(yīng)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，這類反應(yīng)不伴有ATP的生成；另一類是糖、脂肪和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)氧化反應(yīng)進(jìn)行分解，生成H2O和CO2，同時(shí)伴有ATP生物能的生成，這類反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中細(xì)胞要攝取O2，釋放CO2故又形象地稱之為[[細(xì)胞呼吸]](cellularrespiration)。

代謝物在體內(nèi)的氧化可以分為三個(gè)階段，首行是糖、脂肪和蛋白質(zhì)經(jīng)過(guò)[[分解代謝]]生成[[乙酰輔酶]]A中的[[乙?；鵠]；接著乙酰輔酶A進(jìn)入[[三羧酸循環(huán)]]脫氫，生成CO2并使NAD+和FAD還原成NADH+H+、FADH2；第三階段是NADH+H+和FADH2中的氫經(jīng)呼吸鏈將電子傳遞給氧生成水，氧化過(guò)程中釋放出來(lái)的能量用于ATP合成。從廣義來(lái)講，上述三個(gè)階段均為生物氧化，狹義地說(shuō)只有第三個(gè)階段才算是生物氧化，這是體內(nèi)能量生成的主要階段，有關(guān)的前兩個(gè)階段已在代謝各章中講述，本章只討論第三個(gè)階段，即代謝物脫下的氫是如何交給氧生成水的?細(xì)胞通過(guò)什么方式將氧化過(guò)程中釋放的能量轉(zhuǎn)變成ATP分子中的[[高能鍵]]的?
==參看==
*[[生物氧化]]
{{Hierarchy footer}}
{{生物化學(xué)與分子生物學(xué)圖書專題}}