生物化學(xué)與分子生物學(xué):第一節(jié)　概　述

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Cu2+，如細(xì)胞色素氧化酶、酚氧化酶、抗壞血酸氧化酶等�？箟难�酸氧化酶可催化下述反應(yīng)：

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。

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)：

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(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，在此過程中釋放出來的能量使ADP磷酸化生成ATP，如3�擦姿�甘油醛脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、細(xì)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(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(yīng)如下：

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Na2S2O3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gydjdsj.org.cn作用類似于gydjdsj.org.cn/job/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，臨床用藥時應(yīng)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(gòu)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(yīng)：

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(yīng)中有H2O2生成。過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�惭趸�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)胞中的過氧化物酶體內(nèi)含有過氧化氫酶(觸酶)和過氧化物酶，可利用或消除細(xì)胞內(nèi)的H2O2和過氧化物，防止其含量過高而起保護(hù)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(yīng)，生成H2O并釋放出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(fā)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(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：

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(xì)胞中的過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)等營養(yǎng)物質(zhì)通過氧化反應(yīng)進(jìn)行分解，生成H2O和CO2，同時伴有ATP生物能的生成，這類反應(yīng)進(jìn)行過程中細(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階段，首行是糖、脂肪和蛋白質(zhì)經(jīng)過分解代謝生成乙酰輔酶A中的乙�；�；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，氧化過程中釋放出來的能量用于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(nèi)能量生成的主要階段，有關(guān)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(xì)胞通過什么方式將氧化過程中釋放的能量轉(zhuǎn)變成ATP分子中的高能鍵的?