第五章生物氧化 ( Biological oxidation) 第一节概论 生物氧化的概念和特点 物质在生物体内进行的脱氢,加氧等氧化反应,并有ATP的生成的过程 称为生物氧化( biological oxidation)。 按照生理意义不同,生物氧化可分为两大类,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;另一类(主要)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AIP生物能的生成,供生命活动之需,其余能量主要以热能形式释放,可 用于维持体温。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( cellular respiration 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AIP 方式释放能量,为生物体所利用 2)最大区别在于:体外氧化往往在高温,强酸,强碱或强氧化剂的催化 下进行;而生物氧化是在恒温(37℃)和中性p环境下进行,催化氧化反应的 催化剂是酶 代谢物在体内的氧化可以分为三个阶段: 首先是糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰COA中的乙酰基 接着乙酰CoA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AP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
第五章 生物氧化 (Biological oxidation) 第一节 概 论 一、生物氧化的概念和特点 物质在生物体内进行的脱氢，加氧等氧化反应，并有 ATP 的生成的过程 称为生物氧化（biological oxidation）。 按照生理意义不同，生物氧化可分为两大类，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；另一类(主要)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，供生命活动之需，其余能量主要以热能形式释放，可 用于维持体温。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(cellular respiration)。 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）最大区别在于：体外氧化往往在高温，强酸，强碱或强氧化剂的催化 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。 代谢物在体内的氧化可以分为三个阶段： 首先是糖、脂肪和蛋白质经过分解代谢生成乙酰 CoA 中的乙酰基； 接着乙酰 CoA 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
二、自由能与高能化合物 自由能 生物体能量代谢同整个自然界一样要服从热力学定律,主要是热力学第 定律(能量守恒定律),指能量既不能创造也不能消灭,只能从一种形式转 变为另一种形式。 热力学第一定律不能预测某一反应能否自发进行。 热力学第二定律是指热的传导只能由高温物体传至低温物体 热力学第二定律是指任何一种物理或化学的过程都自发地趋向于增加体 系与环境的总熵。对生命机体所发生的各种生化反应来说,最重要的热力学 函数是自由能。自由能是生物体(或恒温恒压下)用来作功的能量。在没有 作功条件时,自由能将转变为热能丧失。熵是指混乱度或无序性,是一种无 用的能。在恒温恒压条件(生物体系内)下,自由能变化ΔG、总热能变化Δ H、总体滴的改变ΔS,三者间关系可用下式表示: △G=△H-T△S 该方程式表明 △G0时,反应不能自发进行,当给体系补充自由能时,才 能推动反应进行(为吸能反应) △G=0时,表明体系已处于平衡状态。 在25℃,101325Pa(1个大气压),反应物浓度lmo/L时,反应系统自由 能变化为标准自由能变化,用ΔG表示;因生物体内的pH接近7,用△G 表示生物体内的标准自由能变化,单位为KJ/mol 研究反应体系自由能的变化,对于了解生物体内进行的反应有重要作用 对于任何一化学反应: A+B++C+D (1) 其自由能变化ΔG遵循下式 △G=△(+RTln!C 这表明,某一反应能否进行取决于△G,而△G决定于标准状况下,产物 自由能与反应物自由能之差ΔG,并与反应物与产物的浓度,反应体系的温 度有关。 当反应处于平衡,即△G=0时,(2)式可改写为 △G=-8mAB 反应平衡常数
二、自由能与高能化合物 1. 自由能 生物体能量代谢同整个自然界一样要服从热力学定律，主要是热力学第 一定律（能量守恒定律），指能量既不能创造也不能消灭，只能从一种形式转 变为另一种形式。 热力学第一定律不能预测某一反应能否自发进行。 热力学第二定律是指热的传导只能由高温物体传至低温物体。 热力学第二定律是指任何一种物理或化学的过程都自发地趋向于增加体 系与环境的总熵。对生命机体所发生的各种生化反应来说，最重要的热力学 函数是自由能。自由能是生物体（或恒温恒压下）用来作功的能量。在没有 作功条件时，自由能将转变为热能丧失。熵是指混乱度或无序性，是一种无 用的能。在恒温恒压条件（生物体系内）下，自由能变化ΔG、总热能变化Δ H、总体滴的改变ΔS，三者间关系可用下式表示： ΔG=ΔH-TΔS 该方程式表明： ΔG＜0 时，体系的反应能自发进行（为放能反应）； ΔG＞0 时，反应不能自发进行，当给体系补充自由能时，才 能推动反应进行（为吸能反应）； ΔG＝ 0 时，表明体系已处于平衡状态。 在 25℃，101325Pa（1 个大气压），反应物浓度 lmol/L 时，反应系统自由 能变化为标准自由能变化，用ΔGo 表示；因生物体内的 pH 接近 7，用ΔGo’ 表示生物体内的标准自由能变化，单位为 KJ／mol。 研究反应体系自由能的变化，对于了解生物体内进行的反应有重要作用。 对于任何一化学反应： A＋B↔C＋D (1) 其自由能变化ΔG 遵循下式： 这表明，某一反应能否进行取决于ΔG，而ΔG 决定于标准状况下，产物 自由能与反应物自由能之差ΔGo，并与反应物与产物的浓度，反应体系的温 度有关。 当反应处于平衡，即ΔG＝0 时，（2）式可改写为：
式中R为气体常数(R=8315J/mol一度),T为绝对温度,InK为平衡 常数的自然对数。△G可以由在平衡时所测定的反应物与产物的浓度计算出 来。这种从已知平衡常数,计算反应自由能变化的方法,在生物化学中有较 大的实际意义。以A∽B反应为例,若平衡常数K大于1时,△G°为一负值 反应趋向于生成B的方向进行。若平衡常数大小于1时,则ΔG为正值。 表:K和△Go之间的关系 平衡雷数K △G=-2,303RnEK=-13631gk(c)=-571gK(k]) 0,001 408917,1 1363=5.7 =4089m=17.1 生物体系内,用ΔGo’代替ΔGo,则: △G 2.303RTIgK 应注意的是,一反应系统的△G只取决于产物与反应物的自由能之差,而 与反应历程无关。例如葡萄糖在体外燃烧与体内氧化分解成CO2和HO,反 应历程截然不同,但却释放相同的ΔG。葡萄糖在体内氧化总的自由能变化等 于各步反应自由能变化的代数和 2.高能化合物 在生化反应中,含自由能特多的某些化合物,即随水解反应或基因转移 反应可放出大量自由能的称高能化合物。高能化合物一般对酸、碱和热不稳 定 机体内存在着各种磷酸化合物,它们所含的自由能多少不等,含自由能 特多的磷酸化合物称为高能磷酸化合物,当磷酰基水解时,释放出大量的自 由能。含自由能高的磷酸化合物水解时,每摩尔化合物放出的自由能高达 30~67kJ,含自由能少的磷酸化合物如葡糖-6-磷酸、甘油磷酸等水解时,每摩 尔仅释放出8~20kJ自由能。高能磷酸化合物常用~P或~①来表示 生物体中常见的高能化合物,根据结构的特点,可以分成几种类型(见 下表)
式中 R 为气体常数（R=8.315J／mol 一度），T 为绝对温度，InK 为平衡 常数的自然对数。ΔGo 可以由在平衡时所测定的反应物与产物的浓度计算出 来。这种从已知平衡常数，计算反应自由能变化的方法，在生物化学中有较 大的实际意义。以 A↔B 反应为例，若平衡常数 K 大于 1 时，ΔGo 为一负值， 反应趋向于生成 B 的方向进行。若平衡常数大小于 1 时，则ΔGo 为正值。 表：K 和ΔGo 之间的关系 在生物体系内，用ΔGo’代替ΔGo，则： ΔGo’＝－2.303RTlgK （5） 应注意的是，一反应系统的ΔG 只取决于产物与反应物的自由能之差，而 与反应历程无关。例如葡萄糖在体外燃烧与体内氧化分解成 CO2 和 H2O，反 应历程截然不同，但却释放相同的ΔG。葡萄糖在体内氧化总的自由能变化等 于各步反应自由能变化的代数和。 2.高能化合物 在生化反应中，含自由能特多的某些化合物，即随水解反应或基因转移 反应可放出大量自由能的称高能化合物。高能化合物一般对酸、碱和热不稳 定。 机体内存在着各种磷酸化合物，它们所含的自由能多少不等，含自由能 特多的磷酸化合物称为高能磷酸化合物，当磷酰基水解时，释放出大量的自 由能。含自由能高的磷酸化合物水解时，每摩尔化合物放出的自由能高达 30~67kJ，含自由能少的磷酸化合物如葡糖-6-磷酸、甘油磷酸等水解时，每摩 尔仅释放出 8~20kJ 自由能。高能磷酸化合物常用~P 或~ 来表示。 生物体中常见的高能化合物，根据结构的特点，可以分成几种类型（见 下表）
表:高能化合物类型 高能化合物类型 高能化合物举例 水解时放出标 △G°《u/ml EXO 烯醇磷酸化合物 CC-U-P 烯醉内酮酸磷酸 磷酸化合物砖酸化合物 C-0-P 焦媾酸化合物 腺建0 P--O-P 音三磷酸(ATP) 胍基磷酸化合物 磷酸化合物 NCH, 酯键化合物 乙酰轴A 磷酸化合物 甲魏键化合物 活性甲虱酸 高能磷酸化合物是最多、最常见的高能化合物,此外尚有硫酯型、甲硫 型等化合物 高能化合物水解产生的自由能多,其结构特点有哪些规律?从大多数情 况看来,是由于水解产物自由能大大降低,远较原来化合物稳定。至于促成 产物稳定的因素,因不同化合物可能不完全相同,目前虽已有些解释,尚不 够肯定。 在上表中,ATP的作用最重要。从低等的单细胞生物到高等的人类,能 量的释放、贮存和利用都是以ATP为中心的。 3.AIP的结构基础 ATP是由位于线粒体内膜上的ATP合成酶催化ADP与P合成的。在细 胞的产能和需能过程中起着重要的桥梁作用。是由腺嘌呤、核糖和一个三磷 酸单位组成的核苷酸。AIP的活化形式通常为ATP与Mg2+(或Mm2+)的复 合物。AIP中的2个磷酸基团(βγ磷酸)可从γ端依次移去而生成腺苷二 磷酸(ADP)和腺苷一磷酸(AMP)。 机体在物质氧化的某些过程释放出的大量自由能往往先形成高能磷酸化
表：高能化合物类型 高能磷酸化合物是最多、最常见的高能化合物，此外尚有硫酯型、甲硫 型等化合物。 高能化合物水解产生的自由能多，其结构特点有哪些规律？从大多数情 况看来，是由于水解产物自由能大大降低，远较原来化合物稳定。至于促成 产物稳定的因素，因不同化合物可能不完全相同，目前虽已有些解释，尚不 够肯定。 在上表中，ATP 的作用最重要。从低等的单细胞生物到高等的人类，能 量的释放、贮存和利用都是以 ATP 为中心的。 3.ATP 的结构基础 ATP 是由位于线粒体内膜上的 ATP 合成酶催化 ADP 与 Pi 合成的。在细 胞的产能和需能过程中起着重要的桥梁作用。是由腺嘌呤、核糖和一个三磷 酸单位组成的核苷酸。ATP 的活化形式通常为 ATP 与 Mg2+（或 Mn2+）的复 合物。ATP 中的 2 个磷酸基团（βγ磷酸）可从γ端依次移去而生成腺苷二 磷酸（ADP）和腺苷一磷酸（AMP）。 机体在物质氧化的某些过程释放出的大量自由能往往先形成高能磷酸化
合物ATP,再由AIP水解为ADP和无机磷酸而释放出大量自由能供给需能反 应。在pH=7环境中,AP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的 离子形式(AIP4),具有较大势能,加之水解产物稳定,因而水解自由能很大 (△G°′=30.5千焦/摩尔)。 一般将水解时释放20.92KJ/mo以上自由能的化合物称为高能化合物。 TP的磷酸酐键称为高能键 区别:化学上的键能是断裂一个键所需要的能量,而生物化学中的高 能化合物是水解该键时反应的ΔG,而不是指断裂该键所需要的能量) ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂。由于ATP+H2O→ADP+Pi其△ p=-30.5kJ/mol:当ADP+Pi→AIP时,也需吸收305lkJ/mol的自由能 ATP可以把分解代谢的放能反应与合成代谢的吸能反应偶联在一起。利用ATP 水解释的自由能可以驱动各种需能的生命活动。例如原生质的流动、肌肉的 运动、电鳗放出的电能、萤火虫放出的光能,以及动植物分泌、吸收的渗透 能,都靠ATP供给(下图)。 机械能(运动) 一化学能(合成作用) 分解代谢 (氧化作用) 港透能(分泌吸收钠泵) 一电能(生物电 热能(体温维持 光能(生物发光 图:ATP的生理功能 体内有些合成反应不一定都直接利用ATP供能,而可以用其他核苷三磷 酸。例如UTP用于多糖合成、CTP用于磷脂合成、GTP用于蛋白质合成等 但物质氧化时释放的能量大都是必须先合成AIP,然后AIP可使UDP、CDP 或GDP生成相应的UTP、CTP或GTP。 ATP是能量的携带者或传递者,但严格地说不是能量的贮存者。在可兴奋 组织,如肌肉、神经组织,肌酸磷酸是能量的贮存形式。当ATP合成迅速时, 在肌酸磷酸激酶催化下,AP将能量和磷酰基传给肌酸生成肌酸磷酸,肌酸 磷酸含有的能量不能直接为生物体利用,而必须把能量传给ADP生成ATP后 再利用 ADP CNH N—CH COOH
合物 ATP，再由 ATP 水解为 ADP 和无机磷酸而释放出大量自由能供给需能反 应。在 pH=7 环境中，ATP 分子中的三个磷酸基团完全解离成带 4 个负电荷的 离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大 （ΔG°′=-30.5 千焦/摩尔）。 一般将水解时释放 20.92KJ/mol 以上自由能的化合物称为高能化合物。 ATP 的磷酸酐键称为高能键。 （区别：化学上的键能是断裂一个键所需要的能量，而生物化学中的高 能化合物是水解该键时反应的ΔG，而不是指断裂该键所需要的能量） ATP 是生物细胞内能量代谢的偶联剂。由于 ATP＋H2O→ADP＋Pi 其Δ Go’＝-30.5lkJ／mol；当 ADP＋Pi→ATP 时，也需吸收 30.51kJ/mo1 的自由能。 ATP 可以把分解代谢的放能反应与合成代谢的吸能反应偶联在一起。利用 ATP 水解释的自由能可以驱动各种需能的生命活动。例如原生质的流动、肌肉的 运动、电鳗放出的电能、萤火虫放出的光能，以及动植物分泌、吸收的渗透 能，都靠 ATP 供给（下图）。 图： ATP 的生理功能 体内有些合成反应不一定都直接利用 ATP 供能，而可以用其他核苷三磷 酸。例如 UTP 用于多糖合成、CTP 用于磷脂合成、GTP 用于蛋白质合成等。 但物质氧化时释放的能量大都是必须先合成 ATP，然后 ATP 可使 UDP、CDP 或 GDP 生成相应的 UTP、CTP 或 GTP。 ATP 是能量的携带者或传递者，但严格地说不是能量的贮存者。在可兴奋 组织，如肌肉、神经组织，肌酸磷酸是能量的贮存形式。当 ATP 合成迅速时， 在肌酸磷酸激酶催化下，ATP 将能量和磷酰基传给肌酸生成肌酸磷酸，肌酸 磷酸含有的能量不能直接为生物体利用，而必须把能量传给 ADP 生成 ATP 后 再利用
、生物氧化酶类 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 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: 氧化酶类( oxidases 氧化酶直接作用于底物,以O2作为受氢体或受电子体,生成产物是H2O 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。如抗坏血酸氧化酶可催化下述反应: 抗坏血酸 抗坏血酸氧化清 脱氢抗坏血酸+HO 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 ([ K Fe(CN]、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。 22+hO 次黄嘌呤(或黄嘌岭)√HO+O. 醛HO+NH 黄哪呤(或尿酸 HO 单胺氧化酶(含FAD)黄哪呤氧化酶后含FAD.Mo,Fe) 2.需氧脱氢酶类( aerobic dehydrogenases) 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: NAD (P)H+20, NADP)H氧化降 NAD(P)+202+H+ 超氧离子在超氧化物歧化酶( superoxide dismutase,SOD)催化下生成H2O2 与 SOD O2+02+2H→+H2O2+02 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 酶等 3-磷酸甘油醛 NAD°+P 球珀酸 FAD 1,3一二磷酸廿油酸<NADH+H'延胡索酸<FADH 3-磷酸甘油醛脱氢酶 魂珀酸脱氢酶SDH)
三、生物氧化酶类 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 O2 作为受氢体或受电子体，生成产物是 H2O。 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。如抗坏血酸氧化酶可催化下述反应： 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。 2. 需氧脱氢酶类(aerobic dehydrogenases) 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： 超氧离子在超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)催化下生成 H2O2 与 O2： 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 酶等
(二)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) 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: RH+ NADPH+H+O,、加单氧豳gOH+NADP+H2 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NaS2O3等还原 为Fe2,还原型的细胞色素P45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a3,能与氧直接反应,将电子传递 给O2,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ⅤD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 以苯巴比妥作诱导物,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列反 应 CH-CHCOOH 色氨酸吐咯酶,O2 CHCOOH 色氨酸加双氧酶 色氨酸 甲酰犬尿酸元 CH-CH-CH-C18-胡萝卜震 CH CII 双氯酶.O2 B一胡费卜素 视黄醛 (三)过氧化氢酶和过氧化物酶 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
（二）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： 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 O2，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 VD 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 以苯巴比妥作诱导物，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列反 应： （三） 过氧化氢酶和过氧化物酶 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HO2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:还能破坏核酸和粘多糖。人体某些组织如肝、肾、中性粒 细胞及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 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 过氧化氢 HyO,+H,O3 2H,0+O, 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 H2O2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+H2O 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 H202+2G-SH 2H20+ GSSO 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 CSsG+ NADPH+H+爸跳甘还NADP+2G-sH 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
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；还能破坏核酸和粘多糖。人体某些组织如肝、肾、中性粒 细胞及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。 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 H2O2 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： 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
第二节呼吸链 呼吸链( respiratory chain,或电子传递链)是由一系列的递氢体( hydrogen transfer)和递电子体( eletron transfer)按一定的顺序排列所组成的连续反应体 系,它将代谢物脱下的成对H原子交给O2生成H2O,同时有ATP生成。实 际上呼吸链的作用代表着线粒体最基本的功能,呼吸链中的递氢体和递电子 体就是能传递H原子或电子的载体,由于氢原子可以看作是由H和e组成的 所以递氢体也是递电子体。递氢体和递电子体的本质是酶、辅酶、辅基或辅 因子 、呼吸链的递氢体和递电子体 构成呼吸链的递氢体和递电子体主要分为以下五类: 1.尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)或称辅酶I(Co)。 为体内很多脱氢酶的辅酶,是连 接作用物与呼吸链的重要环节,分子 中除含尼克酰胺(维生素PP)外,还含 有核糖、磷酸及一分子腺苷酸(AMP), 其结构如左: NAD的主要功能是接受从代谢 物上脱下的2H(2H+2e),然后传给另 传递体黄素蛋白 Nicotinamide adenine dinucleotide (NAn+e 在生理pH条件下,尼克酰胺中的 氮(吡啶氮)为五价的氮(N+),它能可逆地接受电子而成为三价氮(N),与氮 对位的碳也较活泼,能可逆地加氢还原,故可将NAD视为递氢体。反应时, NAD的尼克酰胺部分可接受一个氢原子及一个电子,尚有一个质子(H)留在 介质中。 此外,亦有不少脱氢酶的辅酶为尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP), 又称辅酶Ⅱ(CoⅡ),它与NAD不同之处是在腺苷酸部分中核糖的2′位碳上 羟基的氢被磷酸基取代而成(如下图)。 当此类酶催化代谢物脱氢后,其辅酶NADP+接受氢而被还原生成 NADPH+H+,它须经吡啶核苷 酸转氢酶( pyridine nucleotide transhydrogenase)作用将还原 当量转移给NAD,然后再经 呼吸链传递,但 NADPH+H 般是为合成代谢或羟化反 NADP"(CoⅡ)結构 应提供氢 ADPH+H++NAD+吡定咳世酸持氢胸 NADP+NADII+II+
第二节 呼吸链 呼吸链(respiratory chain，或电子传递链)是由一系列的递氢体(hydrogen transfer)和递电子体(eletron transfer)按一定的顺序排列所组成的连续反应体 系，它将代谢物脱下的成对 H 原子交给 O2 生成 H2O，同时有 ATP 生成。实 际上呼吸链的作用代表着线粒体最基本的功能，呼吸链中的递氢体和递电子 体就是能传递 H 原子或电子的载体，由于氢原子可以看作是由 H+和 e 组成的， 所以递氢体也是递电子体。递氢体和递电子体的本质是酶、辅酶、辅基或辅 因子。 一、呼吸链的递氢体和递电子体 构成呼吸链的递氢体和递电子体主要分为以下五类： 1. 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+ )或称辅酶 I(CoI)。 为体内很多脱氢酶的辅酶，是连 接作用物与呼吸链的重要环节，分子 中除含尼克酰胺(维生素 PP)外，还含 有核糖、磷酸及一分子腺苷酸(AMP)， 其结构如左： NAD+的主要功能是接受从代谢 物上脱下的 2H(2H+ + 2e)，然后传给另 一传递体黄素蛋白。 在生理 pH 条件下，尼克酰胺中的 氮(吡啶氮)为五价的氮（N5+），它能可逆地接受电子而成为三价氮(N3+)，与氮 对位的碳也较活泼，能可逆地加氢还原，故可将 NAD+视为递氢体。反应时， NAD+的尼克酰胺部分可接受一个氢原子及一个电子，尚有一个质子(H+ )留在 介质中。 此外，亦有不少脱氢酶的辅酶为尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+ )， 又称辅酶Ⅱ(CoⅡ)，它与 NAD+不同之处是在腺苷酸部分中核糖的 2′位碳上 羟基的氢被磷酸基取代而成（如下图）。 当此类酶催化代谢物脱氢后，其辅酶 NADP+接受氢而被还原生成 NADPH+H+，它须经吡啶核苷 酸转氢酶(pyridine nucleotide transhydrogenase) 作用将还原 当量转移给 NAD+，然后再经 呼吸链传递，但 NADPH+H+ 一般是为合成代谢或羟化反 应提供氢
2.黄素蛋白 flavo proteins, FP) 黄素蛋白种类很多,其辅基有两种,一种为黄素单核苷酸(FMN),另一种 为黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD),两者均含核黄素(维生素B2),此外FMN尚含 分子磷酸,而FAD则比FMN多含一分子腺苷酸(AMP),其结构如下: CHOH H-C-H H→C-oH H-C-OH OHOH 章单核苷散F Flavin adenine dinucleotide (FAD) 在FAL ,,咨嗪部分可以进行可逆的脱氢加氢反应 FAD或FMN FAD·H3(成FMN·H FAD或FMN与酶蛋白部分之间是通过非共价键(有的甚至是共价键)相连 但结合牢固,因此氧化与还原(即电子的失与得)都在同一个酶蛋白上进行。故黄素 核苷酸的氧化还原电位取决于与它们结合的蛋白质,所以有关的标准还原电位指的 是特定的黄素蛋白,而不是游离的FMN或FAD;在电子转移反应中它们只是在黄 素蛋白的活性中心部分,而其本身不能作为作用物或产物,这和NAD不同,NAD 与酶蛋白结合疏松,当与某酶蛋白结合时可以从代谢物接受氢,而被还原为NADH, NADH可以游离,再与另一种酶蛋白结合,释放氢后又被氧化为NAD+。 多数黄素蛋白参与呼吸链组成,与电子转移有关,如NADH脱氢酶(NADH ehy drogenase)以FMN为辅基,是呼吸链的组分之一,介于NADH与其它电子 传递体之间;琥珀酸脱氢酶,线粒体内的甘油磷酸脱氢酶( glycerol phosphate dehydrogenase)的辅基为FAD,它们可直接从作用物转移还原当量H+e到呼吸 链,此外脂肪酰CoA脱氢酶与琥珀酸脱氢酶相似,亦属于以FAD为辅基的黄 素蛋白类,也能将还原当量从作用物传递进呼吸链中,但中间尚需另一电子传 递体一电子转移黄素蛋白( electron transferring flavo protein, ETFP,辅基为FAD) 的参与才能完成
2. 黄素蛋白(flavo proteins,FP) 黄素蛋白种类很多，其辅基有两种，一种为黄素单核苷酸(FMN)，另一种 为黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，两者均含核黄素(维生素 B2)，此外 FMN 尚含 一分子磷酸，而 FAD 则比 FMN 多含一分子腺苷酸(AMP)，其结构如下： 在 FAD、FMN 分子中的异咯嗪部分可以进行可逆的脱氢加氢反应: FAD 或 F MN 与酶蛋白部分之 间是通过非共价键（有的甚至是共价键）相连， 但结合牢固，因此氧化与还原(即电子的失与得)都在同一 个酶蛋白上进行 。故黄素 核苷酸的氧化还原电位取决于与它们结合的蛋白质，所以有关的标准还原电位指的 是特定的黄素蛋白，而不是游离的 F MN 或 FAD；在电子转移反应中它们只是在黄 素蛋白的活性中心部分，而其本身不能作为作用物或产物，这和 NAD+不同，N AD+ 与酶蛋白结合疏松，当与某酶蛋白结合时可以从代谢物接受氢，而被还原为 N ADH， NADH 可以游离，再与另一种酶蛋白结合，释放氢后又被氧化为 NAD+。 多数 黄 素蛋 白 参与 呼 吸链 组 成，与 电子 转 移有 关，如 NADH 脱 氢酶( N A D H dehydrogenase)以 F M N 为辅 基 ，是呼 吸 链的 组 分之 一 ，介 于 NADH 与 其 它电 子 传 递 体 之 间 ； 琥 珀 酸 脱 氢 酶 ， 线 粒 体 内 的 甘 油 磷 酸 脱 氢 酶 (glycerol phosphate dehydrogenase)的辅 基 为 FA D，它 们 可直 接 从作 用 物转 移 还原 当 量 H+ + e 到呼 吸 链， 此 外脂 肪 酰 Co A 脱 氢 酶与 琥 珀酸 脱 氢酶 相 似， 亦 属 于以 F A D 为 辅 基的 黄 素 蛋白 类 ， 也 能将 还 原 当 量从 作 用 物 传递 进 呼 吸 链中 ， 但 中 间尚 需 另 一电 子 传 递体 — 电子 转 移黄 素 蛋白(electron transferring flavo protein,E TF P ，辅 基 为 FA D) 的参与才 能完 成
