生物氧化
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生物氧化(biological oxidation)，代謝物脫下的氫及電子，通過一系列酶促反應(yīng)與氧化合成水，并釋放能量的過程。生物氧化過程出現(xiàn)障礙，或其產(chǎn)生的能量不能保留為ATP，均將嚴(yán)重危害機(jī)體的健康，這也是許多抗菌藥物的機(jī)理所在。生物在生活過程中不停地消耗能量，當(dāng)然必須有能量的供給，能量的基本來源是食物。經(jīng)過消化吸收的食物和一小部分體內(nèi)原有的組成成分，在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行降解，釋出所蘊(yùn)藏的能量以供生命活動(dòng)的需要。最基本的釋放能量的反應(yīng)是氧化作用。生物體內(nèi)的氧化作用與能量的生成有其特點(diǎn)，這就稱為生物氧化。
若使體內(nèi)的各種代謝物質(zhì)在體外進(jìn)行氧化，一般都需高溫或酸鹼等強(qiáng)烈條件方能進(jìn)行；由分子氧直接氧化代謝物上的氫及碳，分別生成最終氧化產(chǎn)物H2O及CO2，同時(shí)驟然放出大量熱能，其能量通常難于被有效利用。
而生物氧化則是在一系列酶的催化下完成的，反應(yīng)條件溫和，溫度近于體溫， 酸堿度近于中性。 生物氧化并非代謝物與氧直接結(jié)合，而以脫氫為主。首先是在酶的作用下，氫原子失去電子變成H+，再脫下來，逐步脫氫（氧化的一種方式），脫羧（脫CO2的一種方式），脫下的氫在線粒體中，經(jīng)一連串的遞氫體和遞電子體組成的呼吸鏈的傳遞，最后同氧結(jié)合成水。在此氫和電子傳遞過程中，逐步釋出能量，不會(huì)產(chǎn)生高熱。根據(jù)可逆過程可做最大功的原則，部分釋出的能量可以轉(zhuǎn)化成三磷酸腺苷 (ATP)中的高能磷酸鍵的化學(xué)能形式，供體內(nèi)各種生理、生物化學(xué)活動(dòng)的需要。如
可見，體內(nèi)吸入氧氣是為了接受經(jīng)呼吸鏈傳遞而來的氫或電子，而非直接用于氧化代謝物上的氫。脫羧作用所生成的CO2則是呼氣中CO2的主要來源。值得注意的是，葡萄糖在體內(nèi)氧化所釋出的總能量與體外氧化者完全等同，均為686千卡。但體外氧化所釋出的能量全部以熱能的形式散失；而體內(nèi)氧化所釋出的能量中，則有一部分（約262千卡）可轉(zhuǎn)化為ATP的形式，供做有用功之用，其余散發(fā)為熱。
目錄 |
糖、脂肪、蛋白質(zhì)在體內(nèi)氧化降解的過程
在體內(nèi)，糖、脂肪和氨基酸（蛋白質(zhì)的組成成分）經(jīng)過各種脫氫酶催化的脫氫反應(yīng)，脫羧酶催化的脫羧反應(yīng)，以及為脫氫、脫羧作準(zhǔn)備的一系列酶促轉(zhuǎn)變，不同長(zhǎng)度的碳鏈斷裂降解成二碳單位（乙酰輔酶 A）。然后此二碳單位再經(jīng)三羧酸循環(huán)的一系列酶促化學(xué)轉(zhuǎn)變，加水脫氫、脫羧而被完全降解成CO2及氫。
經(jīng)各種脫氫酶催化脫下的氫被脫氫酶的輔酶所接受，然后經(jīng)呼吸鏈的傳遞，最后統(tǒng)統(tǒng)交給氧生成水。一個(gè)在安靜狀態(tài)下體重為70kg的成人，每分鐘耗氧264ml，每分子氧接受2原子氫或2個(gè)電子；則經(jīng)脫氫酶和呼吸鏈傳遞的電子數(shù)多達(dá)每分鐘2.86×1022，據(jù)推算，以此電流所做的功相當(dāng)于100W的電機(jī)所做的功。
生物氧化的酶類及氫和電子傳遞體
生物氧化過程包括脫氫酶激活氫，氧化酶激活氧，以及一連串遞氫體和遞電子體組成的呼吸鏈中介。
氧化酶
這類酶的輔基多含金屬離子，能利用代謝物上的電子激活分子氧并使之與氫結(jié)合成水。如廣泛分布于各種哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的細(xì)胞色素氧化酶，它的輔基是鐵卟啉，并含銅離子。它對(duì)氰化物有極大的親和力，少量氰化物即可抑制該酶的活性，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)呼吸抑制而使機(jī)體死亡。
脫氫酶
可分為兩類：①需氧脫氫酶。是以黃素核苷酸（FMN或FAD）為輔基的一類黃素蛋白。它催化代謝物脫氫，脫下的氫轉(zhuǎn)交給氧原子，生成過氧化氫。它不產(chǎn)生可做有用功的能。例如催化神經(jīng)遞質(zhì)兒茶酚胺、5-羥色胺等單胺類化合物氧化脫氨基的單胺氧化酶即屬于需氧脫氫酶。抑郁癥患者神經(jīng)突觸中的兒茶酚胺類含量減少，臨床上可應(yīng)用單胺氧化酶抑制藥，以阻斷單胺氧化酶對(duì)這類神經(jīng)遞質(zhì)的氧化降解，使癥狀得以改善。②不需氧脫氫酶類。能使作用物的氫活化，又不以氧為受氫體，而由輔酶或輔基作為受氫體。這些輔酶或輔基包括有輔酶Ⅰ（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，NAD+），輔酶Ⅱ（磷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，NADP+）、 FMN或FAD等。這些輔酶接受氫后，將氫或電子通過呼吸鏈傳遞，經(jīng)氧化酶的催化，交給氧生成水。例如，葡萄糖代謝的重要中間步驟，催化三磷酸甘油醛脫氫的脫氫酶系以輔酶Ⅰ為受氫體。此酶可被重金屬離子、烷化劑及砷酸根所抑制，這也是這些毒物中毒的機(jī)理之一。
遞氫體和遞電子體
組成呼吸鏈的成分包括各種遞氫體和遞電子體。
①輔酶Ⅰ(NAD+)和輔酶Ⅱ(NADP+)。它們?yōu)闊燉０泛塑账?，其分子中煙酰胺上?a href="/w/%E5%90%A1%E5%95%B6" title="吡啶">吡啶氮為五價(jià)，能夠可逆地接受電子而變?yōu)?價(jià)，失去電子而回復(fù)為5價(jià)。其對(duì)位的碳原子也比較活潑，能可逆地加氫和脫氫。
②黃酶。以FMA或FAD為輔基，系黃素核苷酸，其分子中的異咯嗪上的兩個(gè)氮原子部位可以可逆地加氫和脫氫。
③鐵硫蛋白(Fe2S2)。含有非血紅素鐵與硫。鐵硫蛋白中鐵原子為3價(jià)，兩個(gè)鐵原子中只有一個(gè)鐵原子可以接受電子成2價(jià)鐵。
④輔酶Q。系生物界廣泛分布的一類醌類，其分子中的醌部分能可逆地接受氫而成氫醌。
⑤細(xì)胞色素。一類以鐵卟啉為輔基的結(jié)合蛋白質(zhì)，可根據(jù)吸收光譜的不同，分為三組細(xì)胞色素，即細(xì)胞色素a、b和c，其中a又可區(qū)分為a和a3等，a3能直接激活氧接受電子，故又稱為細(xì)胞色素氧化酶。c又可區(qū)分為 c1、c 等。細(xì)胞色素分子中鐵卟啉上的鐵能可逆地氧化還原，接受電子而被還原成Fe2+，或放出電子而被氧化為Fe3+。
呼吸鏈的組成
參與生物氧化的遞氫體和遞電子體高度有序地組裝在線粒體內(nèi)膜上，主要按它們的氧化還原電極電位遞增的順序排列。因?yàn)殡娮佑傻碗娢涣飨蚋唠娢唬噪娢坏偷奈镔|(zhì)容易失去電子而被氧化，電位高的物質(zhì)容易獲得電子而被還原。現(xiàn)已基本研究確定的呼吸鏈中的電子傳遞順序（圖2）。
NADH氧化呼吸鏈
生物氧化過程中絕大多數(shù)脫氫酶以 NAD+ 為輔酶， NAD+ 接受代謝物上脫下的兩個(gè)氫原子成 （NADH＋H+）， 以后又依次將氫或電子傳遞給在傳遞過程中細(xì)胞色素只接受電子，而將質(zhì)子(H+)游離于介質(zhì)中，最后經(jīng)過aa3將電子傳給氧原子，生成O2-，然后O2-即與介質(zhì)中的 2H+化合成水。各遞電子（氫）體在線粒體內(nèi)膜上的排列見圖3。
琥珀酸氧化呼吸鏈
琥珀酸是三羧酸循環(huán)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在琥珀酸脫氫酶的催化下，以 FAD為受氫體，形成FADH2，然后再依次把氫或電子傳遞給輔酶。用于殺死魚類和日本血吸蟲的魚藤酮，以及巴比妥類催眠藥可抑制見環(huán)節(jié)，所以魚藤酮中毒時(shí)NADH氧化呼吸鏈?zhǔn)芤种疲坏晁嵫趸粑溔酝〞场?a href="/w/%E6%8A%97%E9%9C%89%E7%B4%A0" title="抗霉素">抗霉素抑制細(xì)胞色素b→c1的電子傳遞；氰化物抑制細(xì)胞色素a3，所以它們能同時(shí)阻斷兩條氧化呼吸鏈，而致哺乳動(dòng)物于死地。
氧化磷酸化
在氫或電子沿呼吸鏈傳遞至氧生成水的過程中，能量逐步釋出，部分能量促使 ADP+Pi→ATP（二磷酸腺苷 +無機(jī)磷酸→三磷酸腺苷），以高能磷酸鍵的形式將能量保存在 ATP中。這兩個(gè)過程是緊密偶聯(lián)的，若無電子沿呼吸鏈的下傳，則無ADP磷酸化成ATP；但若組織中有限的ADP均被磷酸化成ATP，而ATP又不能被耗用時(shí)，則電子沿呼吸鏈的下傳也將不能進(jìn)行，以節(jié)制能量。2，4-二硝基酚(DNP)則能拆離它們的偶聯(lián)，使?fàn)I養(yǎng)物大量被氧化脫氫，經(jīng)呼吸鏈與氧化合成水，其釋放出的能量不能保留為ATP，而被散失為熱能，因此曾作為減肥藥物。
現(xiàn)已研究確定在呼吸鏈上與氧化磷酸化偶聯(lián)的部位有三處：①自NADH→輔酶Q；②自細(xì)胞色素b→細(xì)胞色素c1；③自細(xì)胞色素a/a3→O2。當(dāng)一對(duì)氫（或電子）沿呼吸鏈下傳時(shí)，在此三處釋放的能量較多，可分別與ADP+Pi→ATP的過程相偶聯(lián)，分別生成一分子ATP。所以當(dāng)一對(duì)氫（或電子）沿NADH氧化呼吸鏈傳遞時(shí)，可生成三分子ATP；而若系沿琥珀酸氧化呼吸鏈傳遞，則只生成二分子ATP。呼吸鏈傳遞電子時(shí)釋出的能量何以能驅(qū)動(dòng) ADP+Pi→ATP，迄今尚未完全闡明，比較滿意的解釋是米切爾氏(1961)的化學(xué)滲透學(xué)說。這一學(xué)說認(rèn)為，呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜上，當(dāng)氫或電子沿呼吸鏈傳下去時(shí)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)氫離子由線粒體基質(zhì)穿過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入內(nèi)外膜間的膜間腔。因?yàn)闅潆x子不能自由通透線粒體脂質(zhì)內(nèi)膜，從而建立了跨膜的電化學(xué)質(zhì)子梯度。這個(gè)質(zhì)子梯度包含氫離子濃度差 (△pH)和電位差（△E），這個(gè)梯度就蘊(yùn)藏著電子傳遞過程中所釋出的能量。然后，當(dāng)氫離子經(jīng)位于線粒體內(nèi)膜上的F1-F0-ATP 酶復(fù)合物構(gòu)成的特殊通道（圖3），滲透進(jìn)入膜內(nèi)時(shí)，驅(qū)動(dòng)ADP+Pi→ATP。
偶聯(lián)拆離劑2，4-二硝基酚(DNP)可與線粒體膜外的質(zhì)子結(jié)合，并直接通過脂質(zhì)內(nèi)膜進(jìn)入基質(zhì)，從而破壞了內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度，使氧化磷酸化不能進(jìn)行。寡霉素則可與內(nèi)膜上F1-F0-ATP酶的F0部分結(jié)合，抑制了ATP酶的活性，使ADP+Pi→ATP的過程不能進(jìn)行。甲狀腺功能亢進(jìn)者的基礎(chǔ)代謝率增高，產(chǎn)熱增多，這是因?yàn)?a href="/w/%E7%94%B2%E7%8A%B6%E8%85%BA%E7%B4%A0" title="甲狀腺素">甲狀腺素能促進(jìn)細(xì)胞膜上Na+、K+-ATP酶的合成，此酶是促使ATP分解的酶，從而促使ATP加速分解為ADP和磷酸，并將其化學(xué)能散失為熱能。ADP的生成增多又反過來促進(jìn)ATP的合成和分解增強(qiáng)，以及呼吸鏈的加速進(jìn)行，于是出現(xiàn)耗氧量和產(chǎn)熱量的增加。
ATP的來源、儲(chǔ)存和利用
體內(nèi)各種生理活動(dòng)的能量來源，直接或間接的由ATP提供，如肌肉收縮需要ATP的水解供能，陽離子（如Na+、Ca2+、H+）在細(xì)胞膜內(nèi)外的主動(dòng)轉(zhuǎn)移，蛋白質(zhì)及核酸等生物大分子的生物合成及代謝物的磷酸化等等都無不有賴于ATP提供能量。ATP主要由氧化磷酸化生成；也可直接由代謝物分子中的高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移至ADP，以合成ATP，但后者只占ATP生成總量的一小部分。如在葡萄糖無氧分解時(shí)的重要中間產(chǎn)物 1，3-二磷酸甘油酸上的1位高能磷酸鍵，可轉(zhuǎn)移給ADP以生成ATP。
當(dāng)ATP水解成ADP及磷酸時(shí)，約可釋出7.5千卡可供利用的能量。既然體內(nèi)各種生命活動(dòng)都離不開 ATP提供能量，但體內(nèi)ATP的實(shí)際含量又極少（不足1g），據(jù)估計(jì)只夠維持2秒鐘的活動(dòng);而一個(gè)安靜狀態(tài)的成人一天約需消耗40公斤的ATP，若劇烈運(yùn)動(dòng)則每分鐘所消耗的ATP量多達(dá)0.5公斤。因此，一方面需要不斷的通過ADP匑ATP源源不斷地再生ATP。ADP的積累可刺激氧化磷酸化過程，生成更多的ATP。另一方面肌肉及腦組織中富含磷酸，磷酸肌酸是體內(nèi)高能磷酸的儲(chǔ)存形式，其高能磷酸鍵系由ATP轉(zhuǎn)移給肌酸所合成，它不能直接利用以支持生理生化作用，只是當(dāng)機(jī)體消耗大量ATP而導(dǎo)致ADP增多時(shí)，磷酸肌酸分子中的高其高能磷酸鍵方能轉(zhuǎn)移給ADP而合成ATP，以供生理活動(dòng)的需要。
生物氧化的其他類型
生物氧化的主要方式是脫氫，并將氫經(jīng)呼吸鏈的傳遞與氧化合成水，這是體內(nèi)產(chǎn)生能量的主要途徑。有些物質(zhì)也可經(jīng)其他類型的生物氧化以氧化之，這并不產(chǎn)生可供做功的能，但有一定的生理意義。例如：
加氧酶類反應(yīng)體系
這類酶催化氧原子加入代謝物中，形成加氧化合物。如肝細(xì)胞微粒體中存在有加單氧酶體系，可使許多代謝物、藥物及毒物通過羥化（即加氧）而進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，使其轉(zhuǎn)變成生物學(xué)活性或非活性物質(zhì)，或增加其極性和水溶性，易于排出體外。如解熱鎮(zhèn)痛藥非那西汀是一種中性脂溶性化合物，水中溶解度低。經(jīng)肝中微粒體加氧轉(zhuǎn)變后，增加了親水性，才易于被清除。又如血紅素也須先經(jīng)微粒體加氧酶的作用以破壞而生成膽綠素，再代謝轉(zhuǎn)變成膽紅素。其他如膽固醇的轉(zhuǎn)變成腎上腺皮質(zhì)激素或性激素，維生素D的活化等無不有加氧酶的參與。
過氧化物酶和過氧化氫酶反應(yīng)體系
這些酶能使過氧化氫分解，生成水，從而消除體內(nèi)生成的過多過氧化氫的有害作用。在某些組織中，氧化過程中產(chǎn)生的過氧化氫有其他積極的生理意義。例如嗜中性粒細(xì)胞產(chǎn)生的過氧化氫可用于殺死吞噬進(jìn)來的細(xì)菌。甲狀腺中產(chǎn)生的過氧化氫可用于酪氨酸的碘化以合成甲狀腺素。有的組織在氧化過程中可生成超氧化基團(tuán)(O娛)，超氧離子對(duì)細(xì)菌等具殺傷作用，但同時(shí)也能危及細(xì)胞的生命活動(dòng)。通過超氧化物歧化酶可將O娛轉(zhuǎn)變成過氧化氫，然后經(jīng)過氧化物酶以清除之。老年時(shí)超氧化物歧化酶的活力降低，這可能是促進(jìn)衰老的因素之一。
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