生物化学与分子生物学/生物氧化

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生物化学与分子生物学

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体内大部分物质都可进行氧化反应,在生物体内进行的氧化反应与体外氧化反应有许多共同之处:它们都遵循氧化反应的一般规律,常见的氧化方式有脱电子、脱氢和加氧等类型;最终氧化分解产物是CO2和H2O,同时释放能量。但是生物氧化反应又有其特点:①体外氧化反应主要以热能形式释放能量;而生物氧化主要以生成ATP方式释放能量,为生物体所利用。②其最大区别在于:体外氧化往往在高温,强酸,强碱或强氧化剂催化下进行;而生物氧化是在恒温(37℃)和中性pH环境下进行,催化氧化反应的催化剂是酶。

一、生物氧化酶

体内催化氧化反应的酶有许多种,按照其催化氧化反应方式不同可分为三大类。

(一)脱氢氧化酶类

这一类中依据其反应受氢体或氧化产物不同,又可以分为三种。

1.氧化酶类(oxidases)

氧化酶直接作用于底物,以氧作为受氢体或受电子体,生成产物是水。氧化酶均为结合蛋白质,辅基常含有Cu2+,如细胞色素氧化酶、酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶等。抗坏血酸氧化酶可催化下述反应:

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2.需氧脱氢酶类(aerobic dehydrogenases)

需氧脱氢酶以FAD或FMN为辅基,以氧为直接受氢体,产物为H2O2或超氧离子(O2),某些色素如甲烯蓝(methylene blue,MB)、铁氰化钾([K3Fe(CN)6]、二氯酚靛酚可以作为这类酶的人工受氢体。如D氨基酸氧化酶(辅基FAD)、L-氨基酸氧化酶(辅基FMN)、黄嘌呤氧化酶(辅基FAD)、醛脱氢酶(辅基FAD)、单胺氧化酶(辅基FAD)、二胺氧化酶等。

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粒细胞中NADH氧化酶和NADPH氧化酶也是需氧脱氢酶,它们催化下述反应:

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超氧离子在超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)催化下生成H2O2与O2:

Gra6kikv.jpg


3.不需氧脱氢酶类(anaerobic dehydrogenases)

这是人体内主要的脱氢酶类,其直接受氢体不是O2,而只能是某些辅酶(NAD+、NADP+)或辅基(FAD、FMN),辅酶或辅基还原后又将氢原子传递至线粒体氧化呼吸链,最后将电子传给氧生成水,在此过程中释放出来的能量使ADP磷酸化生成ATP,如3磷酸甘油醛脱氢酶琥珀酸脱氢酶细胞色素体系等。

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4.加氧酶类(oxygenases)

顾名思义,加氧酶催化加氧反应。根据向底物分子中加入氧原子的数目,又可分为加单氧酶(monooxygenase)和加双氧酶(dioxygenase)。

(1)加单氧酶 又称为多功能氧化酶、混合功能氧化酶(mixed function oxidase)、羟化酶(hydroxylase)。加单氧酶催化O2分子中的一个原子加到底物分子上使之羟化,另一个氧原子被NADPH+H+提供的氢还原生成水,在此氧化过程中无高能磷酸化合物生成,反应如下:

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加单氧酶实际上是含有黄素酶及细胞色素的酶体系,常常是由细胞色素P450、NADPH细胞色素P450还原酶、NADPH和磷脂组成的复合物。细胞色素P450是一种以血色素为辅基的b族细胞色素,其中的Fe3+可被Na2S2O3等还原为Fe2+,还原型的细胞色素P450与CO结合后在450nm有最大吸收峰,故名细胞色素P450,它的作用类似于细胞色素aa3,能与氧直接反应,将电子传递给氧,因此也是一种终末氧化酶。

加单氧酶主要分布在肝、肾组织微粒体中,少数加单氧酶也存在于线粒体中,加单氧酶主要参与类固醇激素(性激素肾上腺皮质激素)、胆汁酸盐、胆色素、活性维生素D的生成和某些药物、毒物的生物转化过程。加单氧酶可受底物诱导,而且细胞色素P450基质特异性低,一种基质提高了加单氧酶的活性便可同时加快几种物质的代谢速度,这与体内的药物代谢关系十分密切,例如以苯巴比妥诱导物,可以提高机体代谢胆红素睾酮、氢化可地松、香豆素洋地黄毒苷的速度,临床用药时应予考虑。

(2)加双氧酶 此酶催化O2分子中的两个原子分别加到底物分子中构成双键的两个碳原子上,如色氨酸吡咯酶(色氨酸加双氧酶)、胡萝卜素加双氧酶分别催化下述反应:

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5.过氧化氢酶过氧化物酶

前已叙及需氧脱氢酶和超氧化物歧化酶催化的反应中有H2O2生成。过氧化氢具有一定的生理作用,粒细胞和吞噬细胞中的H2O2可杀死吞噬的细菌甲状腺上皮细胞和粒细胞中的H2O2可使I氧化生成I2,进而使蛋白质碘化,这与甲状腺素的生成和消灭细菌有关。但是H2O2也可使巯基酶和蛋白质氧化失活,还能氧化生物膜磷脂分子中的多不饱和脂肪酸,损伤生物膜结构、影响生物膜的功能,此外H2O2还能破坏核酸粘多糖。人体某些组织如肝、肾、中性粒细胞小肠粘膜上皮细胞中的过氧化物酶体内含有过氧化氢酶(触酶)和过氧化物酶,可利用或消除细胞内的H2O2和过氧化物,防止其含量过高而起保护作用。

(1)过氧化氢酶(Catalase)此酶催化两个H2O2分子的氧化还原反应,生成H2O并释放出O2。

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过氧化氢酶的催化效率极高,每个酶分子在0℃每分钟可催化264万个过氧化氢分子分解,因此人体一般不会发生H2O2的蓄积中毒

(2)过氧化物酶(Peroxidase)此酶催化H2O2或过氧化物直接氧化酚类或胺类物质。

R+H2O2-—→RO+H2O或RH2+H2O2-—→R+2H2O

某些组织的细胞中还有一种含硒(Se)的谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase),可催化下述反应:

H2O2+2G-SH——→2H2O+GSSG

ROOH+2G-SH——→ROH+GSSG+H2O

生成的GSSG又可在谷胱甘肽还原酶催化下由NADPH+H+供氢还原生成G-SH:

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临床工作中判定粪便、消化液中是否有隐血时,就是利用血细胞中的过氧化物酶活性将愈创木酯或联苯胺氧化成蓝色化合物

二、生物氧化的基本概念

机体内进行的脱氢,加氧等氧化反应总称为生物氧化,按照生理意义不同可分为两大类,一类主要是将代谢物或药物和毒物等通过氧化反应进行生物转化,这类反应不伴有ATP的生成;另一类是糖、脂肪和蛋白质等营养物质通过氧化反应进行分解,生成H2O和CO2,同时伴有ATP生物能的生成,这类反应进行过程中细胞要摄取O2,释放CO2故又形象地称之为细胞呼吸(cellularrespiration)。

代谢物在体内的氧化可以分为三个阶段,首行是糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰辅酶A中的乙酰基;接着乙酰辅酶A进入三羧酸循环脱氢,生成CO2并使NAD+和FAD还原成NADH+H+、FADH2;第三阶段是NADH+H+和FADH2中的氢经呼吸链将电子传递给氧生成水,氧化过程中释放出来的能量用于ATP合成。从广义来讲,上述三个阶段均为生物氧化,狭义地说只有第三个阶段才算是生物氧化,这是体内能量生成的主要阶段,有关的前两个阶段已在代谢各章中讲述,本章只讨论第三个阶段,即代谢物脱下的氢是如何交给氧生成水的?细胞通过什么方式将氧化过程中释放的能量转变成ATP分子中的高能键的?

参看

32 胆固醇代谢 | 呼吸链 32
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