生物化學與分子生物學/生物氧化

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體內大部分物質都可進行氧化反應，在生物體內進行的氧化反應與體外氧化反應有許多共同之處：它們都遵循氧化反應的一般規律，常見的氧化方式有脫電子、脫氫和加氧等類型；最終氧化分解產物是CO2和H2O，同時釋放能量。但是生物氧化反應又有其特點：①體外氧化反應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其最大區別在於：體外氧化往往在高溫，強酸，強鹼或強氧化劑的催化下進行；而生物氧化是在恆溫(37℃)和中性pH環境下進行，催化氧化反應的催化劑是酶。

一、生物氧化酶類

體內催化氧化反應的酶有許多種，按照其催化氧化反應方式不同可分為三大類。

(一)脫氫氧化酶類

這一類中依據其反應受氫體或氧化產物不同，又可以分為三種。

1.氧化酶類(oxidases)

氧化酶直接作用於底物，以氧作為受氫體或受電子體，生成產物是水。氧化酶均為結合蛋白質，輔基常含有Cu2+，如細胞色素氧化酶、酚氧化酶、抗壞血酸氧化酶等。抗壞血酸氧化酶可催化下述反應：

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，產物為H2O2或超氧離子(O2)，某些色素如甲烯藍(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胺基酸氧化酶(輔基FAD)、L-胺基酸氧化酶(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。

粒細胞中NADH氧化酶和NADPH氧化酶也是需氧脫氫酶，它們催化下述反應：

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

3.不需氧脫氫酶類(anaerobic dehydrogenases)

這是人體內主要的脫氫酶類，其直接受氫體不是O2，而只能是某些輔酶(NAD+、NADP+)或輔基(FAD、FMN)，輔酶或輔基還原後又將氫原子傳遞至粒線體氧化呼吸鏈，最後將電子傳給氧生成水，在此過程中釋放出來的能量使ADP磷酸化生成ATP，如3磷酸甘油醛脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、細胞色素體系等。

4.加氧酶類(oxygenases)

顧名思義，加氧酶催化加氧反應。根據向底物分子中加入氧原子的數目，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分子中的一個原子加到底物分子上使之羥化，另一個氧原子被NADPH+H+提供的氫還原生成水，在此氧化過程中無高能磷酸化合物生成，反應如下：

加單氧酶實際上是含有黃素酶及細胞色素的酶體系，常常是由細胞色素P450、NADPH細胞色素P450還原酶、NADPH和磷脂組成的複合物。細胞色素P450是一種以血色素為輔基的b族細胞色素，其中的Fe3+可被Na2S2O3等還原為Fe2+，還原型的細胞色素P450與CO結合後在450nm有最大吸收峰，故名細胞色素P450，它的作用類似於細胞色素aa3，能與氧直接反應，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，少數加單氧酶也存在於粒線體中，加單氧酶主要參與類固醇激素(性激素、腎上腺皮質激素)、膽汁酸鹽、膽色素、活性維生素D的生成和某些藥物、毒物的生物轉化過程。加單氧酶可受底物誘導，而且細胞色素P450基質特異性低，一種基質提高了加單氧酶的活性便可同時加快幾種物質的代謝速度，這與體內的藥物代謝關係十分密切，例如以苯巴比妥作誘導物，可以提高機體代謝膽紅素、睾酮、氫化可地松、香豆素、洋地黃毒苷的速度，臨床用藥時應予考慮。

(2)加雙氧酶　此酶催化O2分子中的兩個原子分別加到底物分子中構成雙鍵的兩個碳原子上，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：

5.過氧化氫酶和過氧化物酶

前已敘及需氧脫氫酶和超氧化物歧化酶催化的反應中有H2O2生成。過氧化氫具有一定的生理作用，粒細胞和吞噬細胞中的H2O2可殺死吞噬的細菌，甲狀腺上皮細胞和粒細胞中的H2O2可使I氧化生成I2，進而使蛋白質碘化，這與甲狀腺素的生成和消滅細菌有關。但是H2O2也可使巰基酶和蛋白質氧化失活，還能氧化生物膜磷脂分子中的多不飽和脂肪酸，損傷生物膜結構、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、中性粒細胞及小腸粘膜上皮細胞中的過氧化物酶體內含有過氧化氫酶(觸酶)和過氧化物酶，可利用或消除細胞內的H2O2和過氧化物，防止其含量過高而起保護作用。

(1)過氧化氫酶(Catalase)此酶催化兩個H2O2分子的氧化還原反應，生成H2O並釋放出O2。

過氧化氫酶的催化效率極高，每個酶分子在0℃每分鐘可催化264萬個過氧化氫分子分解，因此人體一般不會發生H2O2的蓄積中毒。

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

R+H2O2-—→RO+H2O或RH2+H2O2-—→R+2H2O

某些組織的細胞中還有一種含硒(Se)的谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase)，可催化下述反應：

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：

臨床工作中判定糞便、消化液中是否有隱血時，就是利用血細胞中的過氧化物酶活性將愈創木酯或聯苯胺氧化成藍色化合物。

二、生物氧化的基本概念

機體內進行的脫氫，加氧等氧化反應總稱為生物氧化，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氧化反應進行生物轉化，這類反應不伴有ATP的生成；另一類是糖、脂肪和蛋白質等營養物質通過氧化反應進行分解，生成H2O和CO2，同時伴有ATP生物能的生成，這類反應進行過程中細胞要攝取O2，釋放CO2故又形象地稱之為細胞呼吸(cellularrespiration)。

代謝物在體內的氧化可以分為三個階段，首行是糖、脂肪和蛋白質經過分解代謝生成乙醯輔酶A中的乙醯基；接著乙醯輔酶A進入三羧酸循環脫氫，生成CO2並使NAD+和FAD還原成NADH+H+、FADH2；第三階段是NADH+H+和FADH2中的氫經呼吸鏈將電子傳遞給氧生成水，氧化過程中釋放出來的能量用於ATP合成。從廣義來講，上述三個階段均為生物氧化，狹義地說只有第三個階段才算是生物氧化，這是體內能量生成的主要階段，有關的前兩個階段已在代謝各章中講述，本章只討論第三個階段，即代謝物脫下的氫是如何交給氧生成水的?細胞通過什麼方式將氧化過程中釋放的能量轉變成ATP分子中的高能鍵的?