第八章生物氧化 物质在生物体内进行氧化称为生物氧化( biological oxidation),主要是糖、脂肪、蛋白质等在 体内分解时逐步释放能量,最终生成二氧化碳和水的过程。其中有相当一部分能量可使ADP磷酸化生 成ATP,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。 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子,遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内 外氧化时所消耗的氧量,最终产物(C2,H20)和释放能量均相同。但生物氧化是在细胞内温和的环境 中(体温,pH接近中性),在一系列酶的催化下逐步进行的,因此物质中的能量得以逐步释放,有利于 机体捕获能量提高AˆP生成的效率。生物氧化过程中进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧, 并增加脱氢的机会:生物氧化中生成的水是由脱下的氢与氧结合产生的,CO2由有机酸脱羧产生。体外 氧化(燃烧)产生的CO,HO由物质中的碳和氢直接与氧结合生成,能量是突然释放的 第一节生成ATP的氧化体系 呼吸链 代谢物脱下的成对氢原子(2H)通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递,最终与氧结合生 成水。由于此过程与细胞呼吸有关,所以将此传递链称为呼吸链( respiratory chain)。它们按一定顺序 排列在线粒体内膜上。其中传递氢的酶或辅酶称之为递氢体,传递电子的酶或辅酶称之为电子传递体 不论递氢体还是电子传递体都起传递电子的作用(2H2H+2e),所以呼吸链又称电子传递链 (electron transfer chain (一)呼吸链的组成 用胆酸,脱氧胆酸等反复处理线粒体内膜,可将呼吸链分离得到4种仍具有传递电子功能的酶复 合体( complex)(表8-1),其中复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜中,复合体Ⅱ镶嵌在内膜的 内侧(图8-1)。下面以复合体为基础叙述呼吸链电子传递的过程(图8-2)。 1.复合体Ⅰ一NAD泛醌还原酶大部分代谢物脱下的2H由氧化型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸 ( nicotinamide adenine dinucleotide,NADˆ)接受形成还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸。复合体Ⅰ将 还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸中的2H传递给泛醌( ubiquinone),泛醌又称辅酶Q( Coenzyme Q,CoQ Q)。人复合体Ⅰ中含有以黄素单核苷酸( flavin mononucleotide,FMN)为辅基的黄素蛋白 ( flavoprotein)和以铁硫簇(iron- sulfur cluster,Fe-S)为辅基的铁硫蛋白(iron- sulfur protein) 黄素蛋白和铁硫蛋白均具有催化功能。 NAD(辅酶I, coenzyme I,CoI),与NADP'(辅酶Ⅱ, Coenzyme I CoⅡ)是烟酰胺脱氢酶 类的辅酶,其结构式如下: NAD或NADP分子中烟酰胺的氮为五价,能接受电子成为三价氮。其对侧的碳原子也比较活泼,能 进行加氢反应。上述反应是可逆的。烟酰胺在加氢反应时只能接受一个氢原子和一个电子,将另一个 H游离出来,因此将还原型的NAD和NADP分别写成NADH+H(NADH)和 NADPH+H( NADPH)。 FMN中含有核黄素(维生素B2),其发挥功能的结构是异咯嗪环。氧化型或醌型的FMN可接受 1个质子和1个电子形成不稳定的半醌型FMNH·,再接受1个质子和1个电子转变为还原型或氢醌型 FMNH2
1 第八章 生物氧化 物质在生物体内进行氧化称为生物氧化(biological oxidation),主要是糖、脂肪、蛋白质等在 体内分解时逐步释放能量，最终生成二氧化碳和水的过程。其中有相当一部分能量可使 ADP 磷酸化生 成 ATP，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。 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子,遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内 外氧化时所消耗的氧量，最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。但生物氧化是在细胞内温和的环境 中（体温，pH 接近中性），在一系列酶的催化下逐步进行的，因此物质中的能量得以逐步释放，有利于 机体捕获能量提高 ATP 生成的效率。生物氧化过程中进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧， 并增加脱氢的机会；生物氧化中生成的水是由脱下的氢与氧结合产生的，CO2 由有机酸脱羧产生。体外 氧化（燃烧）产生的 CO2，H2O 由物质中的碳和氢直接与氧结合生成，能量是突然释放的。 第一节 生成 ATP 的氧化体系 一、呼吸链 代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生 成水。由于此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链（respiratory chain）。它们按一定顺序 排列在线粒体内膜上。其中传递氢的酶或辅酶称之为递氢体，传递电子的酶或辅酶称之为电子传递体。 不论递氢体还是电子传递体都起传递电子的作用（2H 2H++2e），所以呼吸链又称电子传递链 (electron transfer chain)。 （一）呼吸链的组成 用胆酸，脱氧胆酸等反复处理线粒体内膜，可将呼吸链分离得到 4 种仍具有传递电子功能的酶复 合体（complex）（表 8-1），其中复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ完全镶嵌在线粒体内膜中，复合体Ⅱ镶嵌在内膜的 内侧（图 8-1）。下面以复合体为基础叙述呼吸链电子传递的过程（图 8-2）。 1．复合体Ⅰ — NADH-泛醌还原酶 大部分代谢物脱下的 2H 由氧化型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸 （nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+）接受形成还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸。复合体Ⅰ将 还原型菸酰胺腺嘌呤二核苷酸中的 2H 传递给泛醌（ubiquinone），泛醌又称辅酶 Q（Coenzyme Q，CoQ， Q）。人复合体Ⅰ中含有以黄素单核苷酸（flavin mononucleotide, FMN）为辅基的黄素蛋白 （flavoprotein）和以铁硫簇（iron-sulfur cluster, Fe-S）为辅基的铁硫蛋白（iron-sulfur protein）。 黄素蛋白和铁硫蛋白均具有催化功能。 NAD+（辅酶Ⅰ，coenzyme I, Co I），与 NADP+（辅酶Ⅱ，Coenzyme Ⅱ Co Ⅱ）是烟酰胺脱氢酶 类的辅酶，其结构式如下： NAD+或 NADP+分子中烟酰胺的氮为五价，能接受电子成为三价氮。其对侧的碳原子也比较活泼，能 进行加氢反应。上述反应是可逆的。烟酰胺在加氢反应时只能接受一个氢原子和一个电子，将另一个 H+游离出来，因此将还原型的 NAD+和 NADP+分别写成 NADH + H（+ NADH）和 NADPH+H（+ NADPH）。 FMN 中含有核黄素（维生素 B2），其发挥功能的结构是异咯嗪环。氧化型或醌型的 FMN 可接受 1 个质子和 1 个电子形成不稳定的半醌型 FMNH·,再接受 1 个质子和 1 个电子转变为还原型或氢醌型 FMNH2
Fe-S含有等量的铁原子和硫原子(Fe2S2,Fe4S4),通过其中的铁原子与铁硫蛋白中蛋白质部分 半胱氨酸残基的硫相连接(图8-3)。 铁硫蛋白中的铁原子可进行Fe2+ Fe3+e反应而传递电子,在复合体I中,其功能是将FMN 的电子传递给泛醌 泛醌是一种脂溶性醌类化合物。它有多个异戊二烯(2-甲基丁烯)单位互相连接构成较长的侧链 因侧链的疏水作用,故它能在线粒体内膜中迅速扩散。又因它极易从线粒体内膜中分离出来,故不包 含在上述复合体中。人的CoQ侧链由10个异戊二烯单位组成,用CoQ10(Q10)表示。 泛醌接受1个电子和1个质子还原成半醌,再接受1个电子和1个质子还原成二氢泛醌,后者也 可脱去2个电子和2个质子被氧化为泛醌 2.复合体Ⅱ一琥珀酸-泛醌还原酶复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递给泛醌。人复合体Ⅱ中含有 以黄素腺嘌呤二核苷酸( flavin adenine dinucleotide,FAD)为辅基的黄素蛋白,铁硫蛋白和细胞色素 (cytochrome, Cyt bs60 o 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类,均有特殊的吸收光谱而呈现颜色。根据 它们吸收光谱不同,将细胞色素分为细胞色素a、b、c(Cyta,Cytb,Cytc)3类,每一类中又因其最 大吸收峰的微小差别再分为几种亚类。各种细胞色素的主要差别在于铁卟啉辅基的侧链以及铁卟啉与 蛋白质部分的连接方式。细胞色素b、c的铁卟啉都是铁原卟啉Ⅸ,与血红素相同,但Cytb中卟啉环 上的乙烯侧链与蛋白质部分的半胱氨酸残基相连接。Cyta中与卟啉环相连的1个甲基被甲酰基取代 1个乙烯基侧链连接一条聚异戊二烯长链。 3.复合体Ⅲ一泛醌-细胞色素C还原酶复合体Ⅲ将电子从泛醌传递给细胞色素C。人复合体 Ⅲ中含有细胞色素b(bs62,bs60,细胞色素C和铁硫蛋白。 Cytc呈水溶性,与线粒体内膜外表面结合不紧密,极易与线粒体内膜分离,故不包含在上述复 合体中 4.复合体Ⅳ一细胞色素C氧化酶复合体Ⅳ将电子从细胞色素C传递给氧。人复合体Ⅳ包含 13条多肽链,其中1条多肽链含有Cu-Cu,称之为CuA另一条多肽链结合两个铁卟啉辅基,由于其氧 化还原电位不同分别称之为Cyta和Cyta3,此外还含有一个Cu,由于其氧化还原电位与CuA不同,称 之为CuB铜原子可进行cu—tr2e反应传递电子。Cyta从Cu获得电子后依次将电子交给Cyta 和Cua.Cyta3和CuB形成活性部位,使O2还原成H2O (二)呼吸链组分的排列顺序 呼吸链组分的排列顺序是由下列实验确定的:①根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位,由低到 高的顺序排列(电位低容易失去电子)(表8-2);②在体外将呼吸链拆开 和重组,鉴定4种复合体的组成与排列:③利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递,在阻 断部位以前的组分处于还原状态,后面组分处于氧化状态,由于呼吸链每个组分的氧化和还原状态吸 收光谱不相同,故可根据吸收光谱的改变进行检测(表7—3):④利用呼吸链各组分特有的吸收光谱, 以离体线粒体无氧时处于还原状态作为对照,缓慢给氧,观察各组分被氧化的顺序 根据以上实验结果得知,体内存在两条氧化呼吸链 1.NADH氧化呼吸链生物氧化中大多数脱氢酶如乳酸脱氢酶,苹果酸脱氢酶都是以NAD为辅
2 Fe-S 含有等量的铁原子和硫原子（Fe2S2，Fe4S4），通过其中的铁原子与铁硫蛋白中蛋白质部分 半胱氨酸残基的硫相连接（图 8-3）。 铁硫蛋白中的铁原子可进行Fe2+ Fe3++e反应而传递电子，在复合体Ⅰ中，其功能是将FMN 的电子传递给泛醌。 泛醌是一种脂溶性醌类化合物。它有多个异戊二烯（2-甲基丁烯）单位互相连接构成较长的侧链。 因侧链的疏水作用，故它能在线粒体内膜中迅速扩散。又因它极易从线粒体内膜中分离出来，故不包 含在上述复合体中。人的 CoQ 侧链由 10 个异戊二烯单位组成，用 CoQ10（Q10）表示。 泛醌接受 1 个电子和 1 个质子还原成半醌，再接受 1 个电子和 1 个质子还原成二氢泛醌，后者也 可脱去 2 个电子和 2 个质子被氧化为泛醌。 2．复合体Ⅱ — 琥珀酸-泛醌还原酶 复合体Ⅱ将电子从琥珀酸传递给泛醌。人复合体Ⅱ中含有 以黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide, FAD）为辅基的黄素蛋白，铁硫蛋白和细胞色素 （cytochrome, Cyt）b560。 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，均有特殊的吸收光谱而呈现颜色。根据 它们吸收光谱不同，将细胞色素分为细胞色素 a、b、c（Cyt a, Cyt b, Cyt c）3 类，每一类中又因其最 大吸收峰的微小差别再分为几种亚类。各种细胞色素的主要差别在于铁卟啉辅基的侧链以及铁卟啉与 蛋白质部分的连接方式。细胞色素 b、c 的铁卟啉都是铁原卟啉Ⅸ，与血红素相同，但 Cyt b 中卟啉环 上的乙烯侧链与蛋白质部分的半胱氨酸残基相连接。Cyt a 中与卟啉环相连的 1 个甲基被甲酰基取代， 1 个乙烯基侧链连接一条聚异戊二烯长链。 3．复合体Ⅲ — 泛醌-细胞色素 C 还原酶 复合体Ⅲ将电子从泛醌传递给细胞色素 C。人复合体 Ⅲ中含有细胞色素 b (b562, b566)，细胞色素 C1和铁硫蛋白。 Cyt c 呈水溶性，与线粒体内膜外表面结合不紧密，极易与线粒体内膜分离，故不包含在上述复 合体中。 4．复合体Ⅳ — 细胞色素 C 氧化酶 复合体Ⅳ将电子从细胞色素 C 传递给氧。人复合体Ⅳ包含 13 条多肽链，其中 1 条多肽链含有 Cu-Cu，称之为 CuA；另一条多肽链结合两个铁卟啉辅基，由于其氧 化还原电位不同分别称之为 Cyta 和 Cyta3，此外还含有一个 Cu，由于其氧化还原电位与 CuA 不同，称 之为 CuB。铜原子可进行 Cu + Cu 2++e 反应传递电子。Cyta 从 CuA 获得电子后依次将电子交给 Cyta3 和 CuB。Cyta3 和 CuB形成活性部位，使 O2 还原成 H2O。 （二）呼吸链组分的排列顺序 呼吸链组分的排列顺序是由下列实验确定的：①根据呼吸链各组分的标准氧化还原电位，由低到 高的顺序排列（电位低容易失去电子）(表 8—2)；② 在体外将呼吸链拆开 和重组，鉴定 4 种复合体的组成与排列；③ 利用呼吸链特异的抑制剂阻断某一组分的电子传递，在阻 断部位以前的组分处于还原状态，后面组分处于氧化状态，由于呼吸链每个组分的氧化和还原状态吸 收光谱不相同，故可根据吸收光谱的改变进行检测(表 7—3)；④利用呼吸链各组分特有的吸收光谱， 以离体线粒体无氧时处于还原状态作为对照，缓慢给氧，观察各组分被氧化的顺序。 根据以上实验结果得知，体内存在两条氧化呼吸链： 1．NADH 氧化呼吸链 生物氧化中大多数脱氢酶如乳酸脱氢酶，苹果酸脱氢酶都是以 NAD+为辅
酶的。NAD接受氢生成 NADH+H,然后通过NADH氧化呼吸链再被氧化成NAD。 NADH+H脱下的2H经复合体I(FMN,Fe-S)传给CoQ,再经复合体Ⅲ(Cytb,Fe-S, Cyt cr) 传至Cytc,然后传至复合体Ⅳ(cyta,Cyta3)最后将2e交给O2 2.琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼吸链)琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下脱下的2H经复合 体Ⅱ(FAD,Fe-S,b56)使CoQ形成CoQH2,再往下的传递与NA氧化呼吸链相同。α-磷酸甘油 脱氢酶及脂酰CoA脱氢酶催化代谢物脱下的氢也由FAD接受,通过此呼吸链被氧化,故归属于琥珀酸 氧化呼吸链。 、氧化磷酸化 在机体能量代谢中,ATP是体内主要供能的高能化合物。细胞内ATP形成的主要方式是氧化磷酸 化( oxidative phosphorylation),即是在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化,生成ATP,因此又称为 偶联磷酸化。 细胞内还有一种直接将代谢物分子中的能量转移至ADP(或GDP),生成ATP(或GTP),称为 底物水平磷酸化,已在糖代谢中叙述 (一)氧化磷酸化偶联部位 根据下述实验方法及数据可以大致确定氧化磷酸化的偶联部位,即ATP生成的部位 P/O比值将底物、ADP、H3PO4、Mg2+和分离得到的较完整的线粒体在模拟细胞内液的环 境中于密闭小室内相互作用。发现在消耗氧气的同时消耗磷酸。测定氧和无机磷(或ADP) 的消耗量,即可计算出PO比值。PO比值是指物质氧化时,每消耗1摩尔氧原子所消耗无 机磷的摩尔数(或ADP摩尔数),即生成ATP的摩尔数。已知β一羟丁酸的氧化是通过NADH 呼吸链,测得P/O比值接近3,即该呼吸链传递2H可生成3分子ATP。琥珀酸氧化时,测得 PO比值接近2,即生成2分子ATP,因此表明在NADH与CoQ之间(复合体I)存在偶联 部位。此外,测得抗坏血酸氧化时PO比值接近1,还原型Cytc氧化时PO比值也接近1, 即两者均生成1分子AP;此两者的不同在于,抗坏血酸通过Cytc进入呼吸链被氧化的 而还原型Cytc则经Cyta3被氧化,表明在Cyta到氧之间(复合体Ⅳ)也存在偶联部位 从β-羟丁酸、琥珀酸和还原型Cytc氧化时PAO比值的比较表明,在CoQ与Cytc之间(复 合体Ⅲ)存在另一偶联部位。因此NADH呼吸链存在三个偶联部位,琥珀酸呼吸链存在两个 偶联部位(表8-3) 2.自由能变化 从NAD到CoQ段测得的电位差约0.36V,从CoQ到Cytc电位差为02V,从Cyta3到分子氧 为0.53V。自由能变化(△G°)与电位变化(△EO)之间有以下关系: △G=-nF△EO △G表示pH70时的标准自由能变化;n为传递电子数;F为法拉弟常数(96.5k/mol·V)。计算 结果,他们相应的△G分别约为695、40.5、1023 kJ/mol,而生成每摩尔ATP需能约30.5kJ(73kcal) 可见以上三处均足够提供生成ATP所需的能量。 (二)氧化磷酸化偶联机理 1.化学渗透假说化学渗透假说( chemiosmotic hypothesis)是20世纪60年代初由 Peter Mitchell
3 酶的。NAD+接受氢生成 NADH+H+，然后通过 NADH 氧化呼吸链再被氧化成 NAD+。 NADH+H+脱下的 2H 经复合体 I（FMN，Fe-S）传给 CoQ，再经复合体Ⅲ（Cyt b, Fe-S，Cyt c1） 传至 Cyt c，然后传至复合体Ⅳ（Cyt a, Cyt a3）最后将 2e 交给 O2。 2．琥珀酸氧化呼吸链（FADH2 氧化呼吸链） 琥珀酸在琥珀酸脱氢酶催化下脱下的 2H 经复合 体Ⅱ（FAD，Fe-S，b560）使 CoQ 形成 CoQH2，再往下的传递与 NADH 氧化呼吸链相同。α-磷酸甘油 脱氢酶及脂酰 CoA 脱氢酶催化代谢物脱下的氢也由 FAD 接受，通过此呼吸链被氧化，故归属于琥珀酸 氧化呼吸链。 二、氧化磷酸化 在机体能量代谢中，ATP 是体内主要供能的高能化合物。细胞内 ATP 形成的主要方式是氧化磷酸 化（oxidative phosphorylation），即是在呼吸链电子传递过程中偶联 ADP 磷酸化，生成 ATP，因此又称为 偶联磷酸化。 细胞内还有一种直接将代谢物分子中的能量转移至 ADP（或 GDP），生成 ATP（或 GTP），称为 底物水平磷酸化，已在糖代谢中叙述。 （一）氧化磷酸化偶联部位 根据下述实验方法及数据可以大致确定氧化磷酸化的偶联部位，即 ATP 生成的部位。 1． P/O 比值 将底物、ADP、H3PO4、Mg 2+和分离得到的较完整的线粒体在模拟细胞内液的环 境中于密闭小室内相互作用。发现在消耗氧气的同时消耗磷酸。测定氧和无机磷（或 ADP） 的消耗量，即可计算出 P/O 比值。P/O 比值是指物质氧化时，每消耗 1 摩尔氧原子所消耗无 机磷的摩尔数（或 ADP 摩尔数），即生成 ATP 的摩尔数。已知β—羟丁酸的氧化是通过 NADH 呼吸链，测得 P/O 比值接近 3，即该呼吸链传递 2H 可生成 3 分子 ATP。琥珀酸氧化时，测得 P/O 比值接近 2，即生成 2 分子 ATP，因此表明在 NADH 与 CoQ 之间（复合体Ⅰ）存在偶联 部位。此外，测得抗坏血酸氧化时 P/O 比值接近 1，还原型 Cyt c 氧化时 P/O 比值也接近 1， 即两者均生成 1 分子 ATP；此两者的不同在于，抗坏血酸通过 Cyt c 进入呼吸链被氧化的， 而还原型 Cyt c 则经 Cyt aa3 被氧化，表明在 Cyt aa3 到氧之间（复合体Ⅳ）也存在偶联部位。 从β-羟丁酸、琥珀酸和还原型 Cyt c 氧化时 P/O 比值的比较表明，在 CoQ 与 Cyt c 之间（复 合体Ⅲ）存在另一偶联部位。因此 NADH 呼吸链存在三个偶联部位，琥珀酸呼吸链存在两个 偶联部位（表 8-3）。 2．自由能变化 从 NAD+到 CoQ 段测得的电位差约 0.36V，从 CoQ 到 Cyt c 电位差为 0.21V，从 Cyt aa3 到分子氧 为 0.53V。自由能变化（△GO’）与电位变化（△E O’）之间有以下关系： △GO’= - nF△E O’ △GO’表示 pH7.0 时的标准自由能变化；n 为传递电子数；F 为法拉弟常数(96.5kJ/mol·V)。计算 结果，他们相应的△GO’分别约为 69.5、40.5、102.3kJ/mol，而生成每摩尔 ATP 需能约 30.5kJ（7.3kcal）, 可见以上三处均足够提供生成 ATP 所需的能量。 (二)氧化磷酸化偶联机理 1．化学渗透假说 化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）是 20 世纪 60 年代初由 Peter Mitchell
提出的,1978年获诺贝尔化学奖。其基本要点是电子经呼吸链传递时,可将质子(H)从线粒体内膜 的基质侧泵到内膜外侧,产生膜内外质子电化学梯度(H浓度梯度和跨膜电位差),以此储存能量。当 质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成AIP。具体说明如下: 递氢体和递电子体在线粒体内膜上交替排列。电子传递链在线粒体内膜中共构成3个回路,每个 回路均有质子泵的作用。首先由NAD提供1个H和2个e,加上线粒体基质内1个H使FMN还原成FMNH2 FNH2向内膜胞浆侧释出2个H,将2个e还原铁硫簇(Fe-S)。第二个回路开始时Fe-S放出2个e重 新被氧化,将2个e加上基质内的2个H传递给泛醌,使泛醌还原成QH2。QH2移至内膜胞浆侧释出 2个H,而将2个e交给Cytb。Cytb是跨膜蛋白,1条多肽链上结合2个血红素辅基,根据其吸收 光谱不同分别称之为b56和b。还原型Cytb将2个e交还给泛醌,加上基质内的2个H又使泛醌 还原成QH2。ⅧH2将2个H从胞浆侧释出,2个e依次通过Fe-S、C1、C、a、a3传递给氧,并与基质内 的2个H生成H2O(图8-4) 后来的实验结果证实,复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均具有质子泵的作用。每传递2个电子,它们分别向线 粒体内膜胞浆侧泵出4H、2H和4H'。 2.ATP合酶在分离得到四种呼吸链复合体的同时还可得到复合体V( Complex V),即ATP合 酶( ATP synthase)。它位于线粒体内膜的基质侧,形成许多颗粒状突起。该酶主要由Fo(疏水部分) 和F1(亲水部分)组成。F1主要由a3B3Y8e亚基组成,其功能是催化生成ATP,催化部位在β亚基 中,但β亚基必须与a亚基结合才有活性。F0由a1b2c91亚基组成。镶嵌在线粒体内膜中的c亚基形成 环状结构,a亚基位于环外侧。Fo与F1之间,其中心部位由e亚基相连,外侧由b2和δ亚基相连。F1 中的α3β3亚基间隔排列形成六聚体,部分γ亚基插入六聚体中央。由于3个β亚基与γ亚基插入部分 的不同部位相互作用,使每个β亚基形成不同的构象(图8-5)。当H顺浓度递度经F中a亚基和c 亚基之间回流时,y亚基发生旋转,3个B亚基的构象发生改变。紧密结合型(T)B亚基变成开放型 O),释放AIP;ADP和P与疏松型(L)β亚基相结合:;与紧密型β亚基结合的ADP和Pi生成AP 因此,ATP在紧密结合型β亚基中生成,在开放型中被释放(图8-6) 、影响氧化磷酸化的因素 (一)抑制剂 1.呼吸链抑制剂此类抑制剂能阻断呼吸链中某些部位电子传递。例如鱼藤酮( rotenone)、粉蝶 霉素A( piericidin A)及异戊巴比妥( amobarbital)等与复合体I中的铁硫蛋白结合,从而阻断电子传 递。抗霉素A( antimycin A)、二巯基丙醇( dimercaptopropanol,BAL)抑制复合体Ⅲ中Cytb与Cytc 间的电子传递。C0、CN、N3及HS抑制细胞色素C氧化酶,使电子不能传给氧。目前发生的城市火灾 事故中,由于装饰材料中的N和C经高温可形成HCN,因此伤员除因燃烧不完全造成CO中毒外,还 存在CN中毒。此类抑制剂可使细胞内呼吸停止,与此相关的细胞生命活动停止,引起机体迅速死亡。 2.解偶联剂解偶联剂( uncoupler)使氧化与磷酸化偶联过程脱离。其基本作用机制是使呼吸 链传递电子过程中泵出的H不经ATP合酶的Fo质子通道回流,而通过线粒体内膜中其他途径返回线粒 体基质,从而破坏了内膜两侧的电化学梯度,使ATP的生成受到抑制,以电化学梯度储存的能量以热 能形式释放。二硝基苯酚( dinitrophenol,DNP)为脂溶性物质,在线粒体内膜中可自由移动,进入基
4 提出的，1978 年获诺贝尔化学奖。其基本要点是电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜 的基质侧泵到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度（H +浓度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。当 质子顺浓度梯度回流时驱动 ADP 与 Pi 生成 ATP。具体说明如下： 递氢体和递电子体在线粒体内膜上交替排列。电子传递链在线粒体内膜中共构成 3 个回路，每个 回路均有质子泵的作用。首先由NADH提供1 个H +和2 个e，加上线粒体基质内 1个H +使FMN还原成FMNH2。 FMNH2 向内膜胞浆侧释出 2 个 H +，将 2 个 e 还原铁硫簇（Fe-S）。第二个回路开始时 Fe-S 放出 2 个 e 重 新被氧化，将 2 个 e 加上基质内的 2 个 H+传递给泛醌，使泛醌还原成 QH2。QH2 移至内膜胞浆侧释出 2 个 H+，而将 2 个 e 交给 Cyt b。Cyt b 是跨膜蛋白，1 条多肽链上结合 2 个血红素辅基，根据其吸收 光谱不同分别称之为 b566 和 b562。还原型 Cyt b 将 2 个 e 交还给泛醌，加上基质内的 2 个 H+又使泛醌 还原成 QH2。QH2 将 2 个 H +从胞浆侧释出，2 个 e 依次通过 Fe-S、C1、C、a、a3 传递给氧，并与基质内 的 2 个 H+生成 H2O（图 8-4）。 后来的实验结果证实，复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均具有质子泵的作用。每传递 2 个电子，它们分别向线 粒体内膜胞浆侧泵出 4H+、2H+和 4H+。 2．ATP 合酶 在分离得到四种呼吸链复合体的同时还可得到复合体Ⅴ（Complex V）,即 ATP 合 酶（ATP synthase）。它位于线粒体内膜的基质侧，形成许多颗粒状突起。该酶主要由 F0（疏水部分） 和 F1（亲水部分）组成。F1 主要由α3β3γδε亚基组成，其功能是催化生成 ATP，催化部位在β亚基 中，但β亚基必须与α亚基结合才有活性。F0 由 a1b2c9-12 亚基组成。镶嵌在线粒体内膜中的 c 亚基形成 环状结构，a 亚基位于环外侧。F0 与 F1 之间，其中心部位由 γε 亚基相连，外侧由 b2和 δ 亚基相连。F1 中的α3β3 亚基间隔排列形成六聚体，部分 γ 亚基插入六聚体中央。由于 3 个β亚基与 γ 亚基插入部分 的不同部位相互作用，使每个β亚基形成不同的构象（图 8—5）。当 H+顺浓度递度经 F0 中 a 亚基和 c 亚基之间回流时，γ 亚基发生旋转，3 个β亚基的构象发生改变。紧密结合型（T）β亚基变成开放型 （O），释放 ATP；ADP 和 Pi 与疏松型（L）β亚基相结合；与紧密型β亚基结合的 ADP 和 Pi 生成 ATP。 因此，ATP 在紧密结合型β亚基中生成，在开放型中被释放（图 8—6）。 三、影响氧化磷酸化的因素 （一）抑制剂 1．呼吸链抑制剂 此类抑制剂能阻断呼吸链中某些部位电子传递。例如鱼藤酮（rotenone）、粉蝶 霉素 A（piericidin A）及异戊巴比妥（amobarbital）等与复合体Ⅰ中的铁硫蛋白结合，从而阻断电子传 递。抗霉素 A (antimycin A)、二巯基丙醇（dimercaptopropanol, BAL）抑制复合体Ⅲ中 Cyt b 与 Cytc1 间的电子传递。CO、CN¯ 、N3 ¯及 H2S 抑制细胞色素 C 氧化酶，使电子不能传给氧。目前发生的城市火灾 事故中，由于装饰材料中的 N 和 C 经高温可形成 HCN，因此伤员除因燃烧不完全造成 CO 中毒外，还 存在 CN¯中毒。此类抑制剂可使细胞内呼吸停止，与此相关的细胞生命活动停止，引起机体迅速死亡。 2．解偶联剂 解偶联剂（uncoupler）使氧化与磷酸化偶联过程脱离。其基本作用机制是使呼吸 链传递电子过程中泵出的 H +不经 ATP 合酶的 Fo 质子通道回流，而通过线粒体内膜中其他途径返回线粒 体基质，从而破坏了内膜两侧的电化学梯度，使 ATP 的生成受到抑制，以电化学梯度储存的能量以热 能形式释放。二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）为脂溶性物质，在线粒体内膜中可自由移动，进入基
质侧释出H,返回胞液侧结合H,从而破坏了电化学梯度。人(尤其是新生儿)、哺乳类等动物中存 在含有大量线粒体的棕色脂肪组织,该组织线粒体内膜中存在解偶联蛋白( uncoupling protein),它是 由2个32kDa亚基组成的二聚体,在内膜上形成质子通道,H可经此通道返回线粒体基质中,同时释 放热能,因此棕色脂肪组织是产热御寒组织。新生儿硬肿症是因为缺乏棕色脂肪组织,不能维持正常 体温而使皮下脂肪凝固所致。游离脂肪酸可促进质子经解偶联蛋白返流至线粒体基质中。近年来发现 在其它组织的线粒体内膜中也存在解偶联蛋白,可能对机体的代谢速率起调节作用。 3.氧化磷酸化抑制剂这类抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如,寡霉素 ( oligomycin)可阻止质子从F质子通道回流,抑制ATP生成。此时由于线粒体内膜两侧电化学梯度 增高影响呼吸链质子泵的功能,继而抑制电子传递。 各种抑制剂对线粒体耗氧的影响见图8-7 (二)ADP的调节作用 正常机体氧化磷酸化的速率主要受ADP的调节。当机体利用ATP增多,ADP浓度增高,转运入线 粒体后使氧化磷酸化速度加快:反之ADP不足,使氧化磷酸化速度减慢。这种调节作用可使ATP的生 成速度适应生理需要。 (三)甲状腺激素 甲状腺激素诱导细胞膜上Na',K-ATP酶的生成,使ATP加速分解为ADP和Pi,ADP增多促进氧 化磷酸化,甲状腺激素(T3)还可使解偶联蛋白基因表达增加,因而引起耗氧和产热均增加。所以甲状 腺功能亢进症患者基础代谢率增高 (四)线粒体DNA突变 线粒体DNA( mitochondrial dna, mtDNA)呈裸露的环状双螺旋结构,缺乏蛋白质保护和损伤修 复系统,容易受到本身氧化磷酸化过程中产生氧自由基的损伤而发生突变,其突变率是核DNA突变率 的10~20倍。线粒体DNA含呼吸链氧化磷酸化复合体中13条多肽链的基因,线粒体蛋白质合成时所 需的22个 trnA的基因以及2个rRNA的基因。因此线粒体DNA突变可影响氧化磷酸化的功能,使ATP 生成减少而致病。线粒体DNA病出现的症状决定于线粒体DN突变的严重程度和各器官对ATP的需求 耗能较多的组织器官首先出现功能障碍,常见的有盲、聋、痴呆、肌无力、糖尿病等。因每个卵细胞 中有几十万个线粒体DNA分子,每个精子中只有几百个线粒体DNA分子,受精时,卵细胞对子代线粒 体DNA贡献较大,因此该病以母系遗传居多。随着年龄的增长,线粒体DNA突变日趋严重,因此大多 数线粒体DNA病的症状到老年时才出现。老年人心脏和骨骼肌中常可发现线粒体DNA4977个核苷酸缺 失 四、ATP 生物氧化过程中释放的能量大约有40%以化学能的形式储存于一些特殊的有机磷酸化合物中,形 成磷酸酯(磷酸酐)。这些磷酸酯键水解时释放能量较多(大于2lkJ/moⅠ),一般称之为髙能磷酸键,常 用“~P”符号表示。含有高能磷酸键的化合物称之为髙能磷酸化合物。实际上髙能磷酸键水解时释 放的能量是整个高能磷酸化合物分子释放的能量,并不存在键能特别髙的化学键。因此,“高能磷酸键” 的名称不够确切。但为了叙述方便,目前仍被采用。在体内所有髙能磷酸化合物中,以ATP末端的磷 酸键最为重要。此外体内还存在其他高能化合物(表8-4
5 质侧释出 H+，返回胞液侧结合 H+，从而破坏了电化学梯度。人（尤其是新生儿）、哺乳类等动物中存 在含有大量线粒体的棕色脂肪组织，该组织线粒体内膜中存在解偶联蛋白（uncoupling protein），它是 由 2 个 32 kDa 亚基组成的二聚体，在内膜上形成质子通道，H+可经此通道返回线粒体基质中，同时释 放热能，因此棕色脂肪组织是产热御寒组织。新生儿硬肿症是因为缺乏棕色脂肪组织，不能维持正常 体温而使皮下脂肪凝固所致。游离脂肪酸可促进质子经解偶联蛋白返流至线粒体基质中。近年来发现 在其它组织的线粒体内膜中也存在解偶联蛋白，可能对机体的代谢速率起调节作用。 3．氧化磷酸化抑制剂 这类抑制剂对电子传递及 ADP 磷酸化均有抑制作用。例如，寡霉素 （oligomycin）可阻止质子从 F0 质子通道回流，抑制 ATP 生成。此时由于线粒体内膜两侧电化学梯度 增高影响呼吸链质子泵的功能，继而抑制电子传递。 各种抑制剂对线粒体耗氧的影响见图 8-7。 （二）ADP 的调节作用 正常机体氧化磷酸化的速率主要受 ADP 的调节。当机体利用 ATP 增多，ADP 浓度增高，转运入线 粒体后使氧化磷酸化速度加快；反之 ADP 不足，使氧化磷酸化速度减慢。这种调节作用可使 ATP 的生 成速度适应生理需要。 （三）甲状腺激素 甲状腺激素诱导细胞膜上 Na +，K +–ATP 酶的生成，使 ATP 加速分解为 ADP 和 Pi，ADP 增多促进氧 化磷酸化，甲状腺激素（T3）还可使解偶联蛋白基因表达增加，因而引起耗氧和产热均增加。所以甲状 腺功能亢进症患者基础代谢率增高。 （四）线粒体 DNA 突变 线粒体 DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修 复系统，容易受到本身氧化磷酸化过程中产生氧自由基的损伤而发生突变，其突变率是核 DNA 突变率 的 10～20 倍。线粒体 DNA 含呼吸链氧化磷酸化复合体中 13 条多肽链的基因，线粒体蛋白质合成时所 需的 22 个 tRNA 的基因以及 2 个 rRNA 的基因。因此线粒体 DNA 突变可影响氧化磷酸化的功能，使 ATP 生成减少而致病。线粒体 DNA 病出现的症状决定于线粒体 DNA 突变的严重程度和各器官对 ATP 的需求， 耗能较多的组织器官首先出现功能障碍，常见的有盲、聋、痴呆、肌无力、糖尿病等。因每个卵细胞 中有几十万个线粒体 DNA 分子，每个精子中只有几百个线粒体 DNA 分子，受精时，卵细胞对子代线粒 体 DNA 贡献较大，因此该病以母系遗传居多。随着年龄的增长，线粒体 DNA 突变日趋严重，因此大多 数线粒体 DNA 病的症状到老年时才出现。老年人心脏和骨骼肌中常可发现线粒体 DNA 4977 个核苷酸缺 失。 四、ATP 生物氧化过程中释放的能量大约有 40%以化学能的形式储存于一些特殊的有机磷酸化合物中，形 成磷酸酯(磷酸酐)。这些磷酸酯键水解时释放能量较多(大于 21kJ/mol)，一般称之为高能磷酸键，常 用“～ P ”符号表示。含有高能磷酸键的化合物称之为高能磷酸化合物。实际上高能磷酸键水解时释 放的能量是整个高能磷酸化合物分子释放的能量，并不存在键能特别高的化学键。因此，“高能磷酸键” 的名称不够确切。但为了叙述方便，目前仍被采用。在体内所有高能磷酸化合物中，以 ATP 末端的磷 酸键最为重要。此外体内还存在其他高能化合物(表 8-4)
为糖原、磷脂、蛋白质合成时提供能量的UTP、CTP、GTP一般不能从物质氧化过程中直接生成, 只能在核苷二磷酸激酶的催化下,从ATP中获得~P ATP UDP ADP UTP ATP CDP ADP CTP ATP gDP -ADP GTP 另外,当体内ATP消耗过多(例如肌肉剧烈收缩)时,ADP累积,在腺苷酸激酶( adenylate kinase) 催化下由ADP转变成ATP被利用。此反应是可逆的,当ATP需要量降低时,AMP从ATP中获得~P生成 ADP ADP- atP AMP 除此,ATP还可将~P转移给肌酸生成磷酸肌酸( creatine phosphate,CP),作为肌肉和脑组织 中能量的一种贮存形式,当机体消耗ATP过多而致ADP增多时,磷酸肌酸将 ~P转移给ADP,生成ATP,供生理活动之用 生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心(图8-9)。在体外p7.0,25℃条件下每摩尔ATP 水解为ADP和Pi时释放能量为30.5kJ(7.3kca1);在生理条件下可释放能量约为51.6kJ。人体内ATP 含量虽然不多,但每日经ATP/ADP相互转变的量相当可观 五、通过线粒体内膜的物质转运 (一)胞浆中NADH的氧化 线粒体内生成的NADH可直接参加氧化磷酸化过程,但在胞浆中生成的NAD不能自由透过线粒体 内膜,故线粒体外NADH所携带的氢必须通过某种转运机制才能进入线粒体,然后再经呼吸链进行氧 化磷酸化过程。这种转运机制有α-磷酸甘油穿梭(g} ycerophosphate shuttle)和苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle 1.α-磷酸甘油穿梭作用α-磷酸甘油穿梭作用主要存在于脑和骨骼肌中。如图8-10所示,线 粒体外的NAD在胞浆中磷酸甘油脱氢酶催化下,使磷酸二羟丙酮还原成α-磷酸甘油,后者通过线粒 体外膜,再经位于线粒体内膜近胞浆侧的磷酸甘油脱氢酶催化下氧化生成磷酸二羟丙酮和FADH2。磷 酸二羟丙酮可穿岀线粒体外膜至胞浆,继续进行穿梭,而FA则进λ琥珀酸氧化呼吸链,生成2分子 ATP。因此在这些组织糖酵解过程中3-磷酸甘油醛脱氢产生的 NADH+H可通过α-磷酸甘油穿梭进入 线粒体,故1分子葡萄糖彻底氧化可生成36分子ATP 2.苹果酸-天冬氨酸穿梭作用苹果酸-天冬氨酸穿梭作用主要存在于肝和心肌中。如图8-11所 示,胞浆中的NAD在苹果酸脱氢酶的作用下,使草酰乙酸还原成苹果酸,后者通过线粒体内膜上的α -酮戊二酸载体进入线粒体,又在线粒体内苹果酸脱氢酶的作用下重新生成草酰乙酸和NADH。NADH 进入NADH氧化呼吸链,生成3分子ATP。线粒体内生成的草酰乙酸经天冬氨酸氨基转移酶的作用生 成天冬氨酸,后者经酸性氨基酸载体转运出线粒体再转变成草酰乙酸,继续进行穿梭。因此在这些组 织糖酵解过程中3-磷酸甘油醛脱氢产生的 NADH+H可通过苹果酸-天冬氨酸穿梭进入线粒体中,故1 分子葡萄糖彻底氧化可生成38分子AIP (二)腺苷酸载体 (三)线粒体蛋白质的跨膜转运
6 为糖原、磷脂、蛋白质合成时提供能量的 UTP、CTP、GTP 一般不能从物质氧化过程中直接生成， 只能在核苷二磷酸激酶的催化下，从 ATP 中获得～ P。 ATP + UDP ADP + UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP 另外，当体内 ATP 消耗过多（例如肌肉剧烈收缩）时，ADP 累积，在腺苷酸激酶（adenylate kinase） 催化下由 ADP 转变成 ATP 被利用。此反应是可逆的，当 ATP 需要量降低时，AMP 从 ATP 中获得～P 生成 ADP。 ADP + ADP ATP + AMP 除此，ATP 还可将～P 转移给肌酸生成磷酸肌酸（creatine phosphate, CP），作为肌肉和脑组织 中能量的一种贮存形式，当机体消耗 ATP 过多而致 ADP 增多时，磷酸肌酸将 ～P 转移给 ADP，生成 ATP，供生理活动之用。 生物体内能量的储存和利用都以 ATP 为中心（图 8-9）。在体外 pH7.0，25℃条件下每摩尔 ATP 水解为 ADP 和 Pi 时释放能量为 30.5kJ（7.3kcal）；在生理条件下可释放能量约为 51.6kJ。人体内 ATP 含量虽然不多，但每日经 ATP/ADP 相互转变的量相当可观。 五、通过线粒体内膜的物质转运 （一）胞浆中 NADH 的氧化 线粒体内生成的 NADH 可直接参加氧化磷酸化过程，但在胞浆中生成的 NADH 不能自由透过线粒体 内膜，故线粒体外 NADH 所携带的氢必须通过某种转运机制才能进入线粒体，然后再经呼吸链进行氧 化磷酸化过程。这种转运机制有α-磷酸甘油穿梭（glycerophosphate shuttle）和苹果酸-天冬氨酸穿梭 （malate-asparate shuttle）。 1．α-磷酸甘油穿梭作用 α-磷酸甘油穿梭作用主要存在于脑和骨骼肌中。如图 8-10 所示，线 粒体外的 NADH 在胞浆中磷酸甘油脱氢酶催化下，使磷酸二羟丙酮还原成α-磷酸甘油，后者通过线粒 体外膜，再经位于线粒体内膜近胞浆侧的磷酸甘油脱氢酶催化下氧化生成磷酸二羟丙酮和 FADH2。磷 酸二羟丙酮可穿出线粒体外膜至胞浆，继续进行穿梭，而 FADH2 则进入琥珀酸氧化呼吸链，生成 2 分子 ATP。因此在这些组织糖酵解过程中 3-磷酸甘油醛脱氢产生的 NADH+H+可通过α-磷酸甘油穿梭进入 线粒体，故 1 分子葡萄糖彻底氧化可生成 36 分子 ATP。 2．苹果酸-天冬氨酸穿梭作用 苹果酸-天冬氨酸穿梭作用主要存在于肝和心肌中。如图 8-11 所 示，胞浆中的 NADH 在苹果酸脱氢酶的作用下，使草酰乙酸还原成苹果酸，后者通过线粒体内膜上的α -酮戊二酸载体进入线粒体，又在线粒体内苹果酸脱氢酶的作用下重新生成草酰乙酸和 NADH。NADH 进入 NADH 氧化呼吸链，生成 3 分子 ATP。线粒体内生成的草酰乙酸经天冬氨酸氨基转移酶的作用生 成天冬氨酸，后者经酸性氨基酸载体转运出线粒体再转变成草酰乙酸，继续进行穿梭。因此在这些组 织糖酵解过程中 3-磷酸甘油醛脱氢产生的 NADH+H+可通过苹果酸-天冬氨酸穿梭进入线粒体中，故 1 分子葡萄糖彻底氧化可生成 38 分子 ATP。 （二）腺苷酸载体 （三）线粒体蛋白质的跨膜转运
第二节其他氧化体系 、需氧脱氢酶和氧化酶 如上所述,呼吸链中的脱氢酶,大多以某些辅酶(基)作为直接受氢体,故属于不需氧脱氢酶。 此外,体内有些物质脱下的氢可直接以氧作为受氢体,催化这类反应的酶有需氧脱氢酶和氧化酶 氧化酶的辅基含铜离子,产物中有H20。例如,细胞色素C氧化酶、抗坏血酸氧化酶等 需氧脱氢酶的辅基是FMN或FAD,反应产物中有过氧化氢,而不是H20 过氧化物酶体中的氧化酶类 (一)过氧化氢酶 过氧化氢酶( catalase)又称触酶,其辅基含有4个血红素,催化反应如下 2H2O2 在粒细胞和吞噬细胞中,H2O2可氧化杀死入侵的细菌:甲状腺细胞中产生的H2O2可使2I氧化为 I2,进而使酪氨酸碘化生成甲状腺激素 (二)过氧化物酶 过氧化物酶( peroxidase)也是以血红素为辅基,它催化H2Q2直接氧化酚类或胺类化合物,反应如 下 12O RO+H20 EX RH,+H2O R+2H,O 临床上判断粪便中有无隐血时,就是利用白细胞中含有过氧化物酶的活性,将联苯胺氧化成兰色 化合物。 三、超氧物歧化酶 呼吸链电子传递过程中可产生超氧离子(02-)(占耗O2的1%~4%左右),体内其他物质(如黄嘌 呤)氧化时也可产生O2-。02可进一步生成H2Q2和羟自由基(·O),统称为反应氧族。其化学性质活 泼,可使磷脂分子中不饱和脂肪酸氧化生成过氧化脂质,损伤生物膜;过氧化脂质与蛋白质结合形成 的复合物,积累成棕褐色的色素颗粒,称为脂褐素,与组织老化有关。 超氧物歧化酶( superoxide dismutase,S0D)可催化一分子O2-氧化生成O2,另一分子O2-还原 生成HO2 SOD H20,+o 体内还存在一种含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,可使H2O2或过氧化物(ROOH)与还原型谷胱甘 肽(GSH)反应,生成的氧化型谷胱甘肽,再由 NADPH供氢使氧化型谷胱甘肽重新被还原。此类 酶具有保护生物膜及血红蛋白免遭损伤的作用。 四、微粒体中的氧化酶类 (一)加单氧酶 加单氧酶( monooxygenase)催化一个氧原子加到底物分子上(羟化),另一个氧原子被氢(来自 NADPH+H)还原成水,故又称混合功能氧化酶( mixed- function oxidase)或羟化酶( hydroxy lase)
7 第二节 其他氧化体系 一、需氧脱氢酶和氧化酶 如上所述，呼吸链中的脱氢酶，大多以某些辅酶（基）作为直接受氢体，故属于不需氧脱氢酶。 此外，体内有些物质脱下的氢可直接以氧作为受氢体，催化这类反应的酶有需氧脱氢酶和氧化酶。 氧化酶的辅基含铜离子，产物中有 H2O。例如，细胞色素 C 氧化酶、抗坏血酸氧化酶等。 需氧脱氢酶的辅基是 FMN 或 FAD，反应产物中有过氧化氢，而不是 H2O。 二、过氧化物酶体中的氧化酶类 （一）过氧化氢酶 过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含有 4 个血红素，催化反应如下： 2H2O2 2H2O + O2 在粒细胞和吞噬细胞中，H2O2 可氧化杀死入侵的细菌；甲状腺细胞中产生的 H2O2 可使 2I–氧化为 I2，进而使酪氨酸碘化生成甲状腺激素。 （二）过氧化物酶 过氧化物酶(peroxidase)也是以血红素为辅基，它催化 H2O2 直接氧化酚类或胺类化合物，反应如 下： R + H2O2 RO + H2O 或 RH2 + H2O2 R + 2H2O 临床上判断粪便中有无隐血时，就是利用白细胞中含有过氧化物酶的活性，将联苯胺氧化成兰色 化合物。 三、超氧物歧化酶 呼吸链电子传递过程中可产生超氧离子（O2 —）（占耗 O2 的 1%～4%左右），体内其他物质（如黄嘌 呤）氧化时也可产生 O2 —。O2 —可进一步生成 H2O2 和羟自由基（·OH—），统称为反应氧族。其化学性质活 泼，可使磷脂分子中不饱和脂肪酸氧化生成过氧化脂质，损伤生物膜；过氧化脂质与蛋白质结合形成 的复合物，积累成棕褐色的色素颗粒，称为脂褐素，与组织老化有关。 超氧物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）可催化一分子 O2 —氧化生成 O2，另一分子 O2 —还原 生成 H2O2 ： SOD 2 O2 — + 2H H2O2 + O2 体内还存在一种含硒的谷胱甘肽过氧化物酶，可使 H2O2 或过氧化物（ROOH）与还原型谷胱甘 肽（G—SH）反应，生成的氧化型谷胱甘肽，再由 NADPH 供氢使氧化型谷胱甘肽重新被还原。此类 酶具有保护生物膜及血红蛋白免遭损伤的作用。 四、微粒体中的氧化酶类 （一）加单氧酶 加单氧酶（monooxygenase）催化一个氧原子加到底物分子上（羟化），另一个氧原子被氢（来自 NADPH+H+）还原成水，故又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)或羟化酶（hydroxylase）
RH+ NADPH +H++o ROH + NADP++h,o 上述反应需要细胞色素P450( Cytochrome P450,CytP450)参与。CytP450属于Cytb类, 因与CO结合后在波长450m处出现最大吸收峰而被命名。细胞色素P450在生物中广泛分布,哺乳动 物P450分属10个基因家族。人CytP450有100多种同工酶,对被羟化的底物各有其特异性。此酶在 肝和肾上腺的微粒体中含量最多,参与类固醇激素,胆汁酸及胆色素等的生成,以及药物、毒物的生 物转化过程(见后)。 连接 NADPH与CytP450的是 NADPH-细胞色素P450还原酶。 NADPH首先将电子交给该酶中的黄 素蛋白。黄素蛋白再将电子递给以Fe-S为辅基的铁氧还蛋白。与底物结合的氧化型CytP450接受铁 氧还蛋白的1个e后,与O2结合形成RH·P4s·Fe”·Q,再接受铁氧还蛋白的第2个e,使氧活化(O2)。 此时1个氧原子使底物(RH)羟化(R-OH),另1个氧原子与来自NADH的质子结合生成H0(图8-13) (二)加双氧酶 此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上。如色氨酸吡咯酶
8 RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O 上述反应需要细胞色素 P450（Cytochrome P450，Cyt P450 ）参与。Cyt P450 属于 Cyt b 类， 因与 CO 结合后在波长 450nm 处出现最大吸收峰而被命名。细胞色素 P450 在生物中广泛分布，哺乳动 物 P450 分属 10 个基因家族。人 Cyt P450 有 100 多种同工酶，对被羟化的底物各有其特异性。此酶在 肝和肾上腺的微粒体中含量最多，参与类固醇激素，胆汁酸及胆色素等的生成，以及药物、毒物的生 物转化过程（见后）。 连接 NADPH 与 Cyt P450的是 NADPH-细胞色素 P450还原酶。NADPH 首先将电子交给该酶中的黄 素蛋白。黄素蛋白再将电子递给以 Fe-S 为辅基的铁氧还蛋白。与底物结合的氧化型 Cyt P450 接受铁 氧还蛋白的 1 个 e 后，与 O2 结合形成 RH·P450·Fe3+·O2ˉ，再接受铁氧还蛋白的第 2 个 e, 使氧活化（O2 2-）。 此时 1 个氧原子使底物（RH）羟化（R-OH），另 1 个氧原子与来自 NADPH 的质子结合生成 H2O（图 8-13）。 （二）加双氧酶 此酶催化氧分子中的 2 个氧原子加到底物中带双键的 2 个碳原子上。如色氨酸吡咯酶
