生物化學與分子生物學/其他氧化與抗氧化體系

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生物氧化 - 線粒體氧化體系與呼吸鏈 - 氧化磷酸化與ATP的生成 - 氧化磷酸化的影響因素 - 其他氧化與抗氧化體系
除了線粒體氧化體系外,細胞內也存在其他的氧化體系,主要參與物質的生物氧化。另外,線粒體呼吸鏈存在單電子傳遞過程,單電子也有機會「漏出」直接傳遞給氧而生成活性氧組分,而不是通過呼吸鏈傳遞給氧生成水。因此呼吸鏈也是產生活性氧、引起細胞氧化損傷的原因之一,機體也有相應的保護防禦機制。

微粒體細胞色素P450單加氧酶催化底物分子羥基化[編輯]

微粒體細胞色素P450單加氧酶反應機制

人微粒體細胞色素P450單加氧酶(cytochrome P450 monooxygenase)催化氧分子中的一個氧原子加到底物分子上(羥化),另一個氧原子被NADPH+H+還原成水,故又稱混合功能氧化酶(mixed function oxidase)或羥化酶(hydroxylase), 參與類固醇激素等的生成以及藥物、毒物的生物轉化過程,其反應式如下:
RH+NADPH+H++O2→ROH+NADP++H20
單加氧酶類在肝和腎上腺的微粒體中含量最多,是反應最複雜的酶。此酶含細胞色素P450(Cyt P450), 通過血紅素中的 Fe 離子進行單電子傳遞。 Cyt P450 在生物中廣泛分布,人 Cyt P450有幾百種同工酶,識別各自特異性底物。
單加氧酶催化反應過程如下:NADPH 首先將電子交給黃素蛋白;黃素蛋白將電子傳遞給以 Fe-S為輔基的鐵氧還蛋白;與底物結合的氧化型 Cyt P450 接受鐵氧還蛋白的 1 個 e-後,轉變成還原型 Cyt P450, 與O2結合形成 RH·P450·Fe2+·O2;Cyt P450 血紅素中 Fe2+ 將電子交給O2形成 RH·P450·Fe3+·O2-;再接受鐵氧還蛋白的第2個e-,使氧活化(O22-)。此時1個氧原子使底物(RH)羥化(ROH), 另1個氧原子與來自NADPH的質子結合生成 H2O。

線粒體呼吸鏈也可產生活性氧[編輯]

O2得到單電子產生超氧陰離子(O-), 再逐步接受電子而生成過氧化氫H2O2、羥自由基(·OH)。這些未被完全還原的含氧分子,氧化性遠遠大於O2,合稱為反應活性氧類(reactive oxygen species, ROS)。
線粒體的呼吸鏈是產生ROS的主要部位,呼吸鏈在傳遞電子的過程中,由於將湧出的電子直接交給氧,產生部分被還原的氧,所以得到ROS這樣的「副產物」,特別是O-的產生主要源自呼吸鏈。複合體Ⅲ中通過Q循環傳遞電子,接受單電子的QH·在內膜中自由移動,通過非酶促反應直接將單電子泄漏給O2而生成O-。呼吸鏈末端的細胞色素c氧化酶從金屬離子每次轉移l個電子、通過4步單電子轉移將氧徹底還原生成水,也會有少量氧接受單電子或雙電子而生成O-和H2O2
除呼吸鏈外,細胞質中的黃嘌呤氧化酶、微粒體中的Cyt P450氧化還原酶等催化的反應,需要氧為底物,也可產生O-。但這些酶產生的ROS遠低於線粒體呼吸鏈。另外,細菌感染、組織缺氧等病理過程,電離輻射、吸菸、藥物等外源因素也可導致細胞產生大量的ROS。
ROS通過不同的方式釋放到線粒體基質、膜間隙及細胞質等部位,對細胞的功能產生廣泛的影響。少量的ROS能夠促進細胞增殖等,但ROS的大量累積會損傷細胞功能、甚至會導致細胞死亡。例如,線粒體基質中的順烏頭酸酶,其Fe-S易被O-氧化而喪失功能,直接影響三羧酸循環的功能。O-可迅速氧化一氧化氮(NO)產生過氧亞硝酸鹽(ONOO-,也屬於ROS),後者能使脂質氧化、蛋白質硝基化而損傷細胞膜和膜蛋白。羥自由基等可直接氧化蛋白質、核酸,進而破壞細胞的正常結構和功能。線粒體一方面通過消耗氧用於產生ATP供能,另一方面也會產生ROS而損傷自身及細胞等。因此,生物進化已使機體發展了有效的抗氧化體系及時清除ROS,防止其累積產生有害影響。

抗氧化酶體系有清除反應活性氧的功能[編輯]

體內存在的各種抗氧化酶、小分子抗氧化劑等,形成了重要的防禦體系以對抗ROS的副作用。
廣泛分布的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD ) , 可催化1分子O-氧化生成O2,另一分子O-還原生成H2O2,2個相同的底物歧化產生了2個不同的產物:
O-+2H+→H2O2+O2
哺乳動物細胞有3種 SOD 同工酶,在細胞質中的 SOD,其活性中心含Cu/Zn離子,稱 Cu/Zn-SOD; 線粒體中的 SOD 活性中心含Mn2+,稱Mn-SOD。 SOD 是人體防禦內、外環境中超氧離子損傷的重要酶。Cu/Zn-SOD 基因缺陷使O-不能及時清除而損傷神經元,可引起肌萎縮性側索硬化症等疾病。
生成的H2O2可被過氧化氫酶(catalase)分解為H2O和O2。過氧化氫酶主要存在於過氧化酶體、細胞質及微粒體中,含有4個血紅素輔基,催化活性強,每秒種可催化超過40 000 底物分子轉變為產物。其催化反應如下:
2H2O2→2H2O+O2
H2O2有一定的生理作用,如在粒細胞和吞噬細胞中,H2O2可氧化殺死入侵的細菌;甲狀腺細胞中產生的H2O2可使2I-氧化為I2,進而使酪氨酸碘化生成甲狀腺激素。
穀胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GPx)也是體內防止ROS損傷不可缺少的酶,可去除H2O2和其他過氧化物類(ROOH)。在細胞胞質、線粒體以及過氧化酶體中,GPx通過還原型的穀胱甘肽將H2O2還原為H2O, 將ROOH 轉變為醇,同時產生氧化型的穀胱甘肽。它催化的反應如下:
H2O2+2GSH→2H2O+GS-SG
2GSH+ROOH→GS-SG+H2O+ROH
氧化型GS-SC經穀胱甘肽還原酶催化,由NADPH+H+提供2H, 再轉變為還原型的GSH。還原型的GSH也發揮抗氧化作用,抵抗活性氧對蛋白質中巰基的氧化。
體內其他小分子自由基清除劑有維生素C、維生素E、β-胡蘿蔔素等,它們與體內的抗氧化酶共同組成人體抗氧化體系。