生物化學與分子生物學/其他氧化與抗氧化體系

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

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（O₂^2-）。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

O₂得到單電子產生超氧陰離子（O_2·^-）, 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_2·^-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_2·^-。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_2·^-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_2·^-。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、吸煙、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_2·^-氧化而喪失功能，直接影響三羧酸循環的功能。O_2·^-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

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_2·^-氧化生成O₂，另一分子O_2·^-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_2·^-+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_2·^-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。