生物化学与分子生物学/其他氧化与抗氧化体系

生物氧化 - 线粒体氧化体系与呼吸链 - 氧化磷酸化与ATP的生成 - 氧化磷酸化的影响因素 - 其他氧化与抗氧化体系
除了线粒体氧化体系外,细胞内也存在其他的氧化体系,主要参与物质的生物氧化。另外,线粒体呼吸链存在单电子传递过程,单电子也有机会“漏出”直接传递给氧而生成活性氧组分,而不是通过呼吸链传递给氧生成水。因此呼吸链也是产生活性氧、引起细胞氧化损伤的原因之一,机体也有相应的保护防御机制。

微粒体细胞色素P450单加氧酶催化底物分子羟基化 编辑

 
微粒体细胞色素P450单加氧酶反应机制

人微粒体细胞色素P450单加氧酶(cytochrome P450 monooxygenase)催化氧分子中的一个氧原子加到底物分子上(羟化),另一个氧原子被NADPH+H+还原成水,故又称混合功能氧化酶(mixed function oxidase)或羟化酶(hydroxylase), 参与类固醇激素等的生成以及药物、毒物的生物转化过程,其反应式如下:
RH+NADPH+H++O2→ROH+NADP++H20
单加氧酶类在肝和肾上腺的微粒体中含量最多,是反应最复杂的酶。此酶含细胞色素P450(Cyt P450), 通过血红素中的 Fe 离子进行单电子传递。 Cyt P450 在生物中广泛分布,人 Cyt P450有几百种同工酶,识别各自特异性底物。
单加氧酶催化反应过程如下:NADPH 首先将电子交给黄素蛋白;黄素蛋白将电子传递给以 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,转变成还原型 Cyt P450, 与O2结合形成 RH·P450·Fe2+·O2;Cyt P450 血红素中 Fe2+ 将电子交给O2形成 RH·P450·Fe3+·O2-;再接受铁氧还蛋白的第2个e-,使氧活化(O22-)。此时1个氧原子使底物(RH)羟化(ROH), 另1个氧原子与来自NADPH的质子结合生成 H2O。

线粒体呼吸链也可产生活性氧 编辑

O2得到单电子产生超氧阴离子(O-), 再逐步接受电子而生成过氧化氢H2O2、羟自由基(·OH)。这些未被完全还原的含氧分子,氧化性远远大于O2,合称为反应活性氧类(reactive oxygen species, ROS)。
线粒体的呼吸链是产生ROS的主要部位,呼吸链在传递电子的过程中,由于将涌出的电子直接交给氧,产生部分被还原的氧,所以得到ROS这样的“副产物”,特别是O-的产生主要源自呼吸链。复合体Ⅲ中通过Q循环传递电子,接受单电子的QH·在内膜中自由移动,通过非酶促反应直接将单电子泄漏给O2而生成O-。呼吸链末端的细胞色素c氧化酶从金属离子每次转移l个电子、通过4步单电子转移将氧彻底还原生成水,也会有少量氧接受单电子或双电子而生成O-和H2O2
除呼吸链外,细胞质中的黄嘌呤氧化酶、微粒体中的Cyt P450氧化还原酶等催化的反应,需要氧为底物,也可产生O-。但这些酶产生的ROS远低于线粒体呼吸链。另外,细菌感染、组织缺氧等病理过程,电离辐射、吸烟、药物等外源因素也可导致细胞产生大量的ROS。
ROS通过不同的方式释放到线粒体基质、膜间隙及细胞质等部位,对细胞的功能产生广泛的影响。少量的ROS能够促进细胞增殖等,但ROS的大量累积会损伤细胞功能、甚至会导致细胞死亡。例如,线粒体基质中的顺乌头酸酶,其Fe-S易被O-氧化而丧失功能,直接影响三羧酸循环的功能。O-可迅速氧化一氧化氮(NO)产生过氧亚硝酸盐(ONOO-,也属于ROS),后者能使脂质氧化、蛋白质硝基化而损伤细胞膜和膜蛋白。羟自由基等可直接氧化蛋白质、核酸,进而破坏细胞的正常结构和功能。线粒体一方面通过消耗氧用于产生ATP供能,另一方面也会产生ROS而损伤自身及细胞等。因此,生物进化已使机体发展了有效的抗氧化体系及时清除ROS,防止其累积产生有害影响。

抗氧化酶体系有清除反应活性氧的功能 编辑

体内存在的各种抗氧化酶、小分子抗氧化剂等,形成了重要的防御体系以对抗ROS的副作用。
广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-还原生成H2O2,2个相同的底物歧化产生了2个不同的产物:
O-+2H+→H2O2+O2
哺乳动物细胞有3种 SOD 同工酶,在细胞质中的 SOD,其活性中心含Cu/Zn离子,称 Cu/Zn-SOD; 线粒体中的 SOD 活性中心含Mn2+,称Mn-SOD。 SOD 是人体防御内、外环境中超氧离子损伤的重要酶。Cu/Zn-SOD 基因缺陷使O-不能及时清除而损伤神经元,可引起肌萎缩性侧索硬化症等疾病。
生成的H2O2可被过氧化氢酶(catalase)分解为H2O和O2。过氧化氢酶主要存在于过氧化酶体、细胞质及微粒体中,含有4个血红素辅基,催化活性强,每秒种可催化超过40 000 底物分子转变为产物。其催化反应如下:
2H2O2→2H2O+O2
H2O2有一定的生理作用,如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。
谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GPx)也是体内防止ROS损伤不可缺少的酶,可去除H2O2和其他过氧化物类(ROOH)。在细胞胞质、线粒体以及过氧化酶体中,GPx通过还原型的谷胱甘肽将H2O2还原为H2O, 将ROOH 转变为醇,同时产生氧化型的谷胱甘肽。它催化的反应如下:
H2O2+2GSH→2H2O+GS-SG
2GSH+ROOH→GS-SG+H2O+ROH
氧化型GS-SC经谷胱甘肽还原酶催化,由NADPH+H+提供2H, 再转变为还原型的GSH。还原型的GSH也发挥抗氧化作用,抵抗活性氧对蛋白质中巯基的氧化。
体内其他小分子自由基清除剂有维生素C、维生素E、β-胡萝卜素等,它们与体内的抗氧化酶共同组成人体抗氧化体系。