最新臨牀執業醫師《生物化學》備考：生物氧化

生物氧化是在生物體內，從代謝物脱下的氫及電子﹐通過一系列酶促反應與氧化合成水﹐並釋放能量的過程。也指物質在生物體內的一系列氧化過程。主要為機體提供可利用的能量。

　　概念、特點

1.概念：有機物質在生物體細胞內氧化分解產生二氧化碳、水，並釋放出大量能量的過程稱為生物氧化(biological oxidation)，又稱細胞呼吸或組織呼吸。

2.特點：生物氧化和有機物質體外燃燒在化學本質上是相同的，遵循氧化還原反應的一般規律，所耗的氧量、最終產物和釋放的能量均相同。

(1)是在細胞內進行酶催化的氧化過程，反應條件温和(水溶液中PH約為7和常温)。

(2)在生物氧化的過程中，同時伴隨生物還原反應的產生。

(3)水是許多生物氧化反應的供氧體，通過加水脱氫作用直接參與了氧化反應。

(4)在生物氧化中，碳的氧化和氫化是非同步進行。氧化過程中脱下來的質子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞給氧並最終生成水。[1]

(5)生物氧化是一個分步進行的過程。每一步都有特殊的酶催化，每一步反應的產物都可以分離出來。這種逐步反應的模式有利於在温和的條件下釋放能量，提高能源利用率。

(6)生物氧化釋放的能量，通過與ATP合成相偶聯，轉換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。

3.部位：在真核生物細胞內，生物氧化都是在線粒體內進行，原核生物則在細胞膜上進行。

　　所屬體系

1.酶類：重要的為氧化酶和脱氫酶兩類，脱氫酶尤為重要。

氧化酶為含銅或鐵的蛋白質，能激活分子氧，促進氧對代謝物的直接氧化，只能以氧為受氫體，生成水。重要的有細胞色素氧化酶，可使還原型氧化成氧化型，亦可將氫放出的電子傳遞給分子氧使其活化。心肌中含量甚多。此外還有過氧化物酶、過氧化氫酶等。

脱氫酶分需氧脱氫酶和不需氧脱氫酶。前者可激活代謝物分子中的氫，與分子氧結合，產生過氧化氫。在無分子氧時，可利用亞甲藍為受氫體。需氧脱氫酶皆以FMN或FAD為輔酶。不需氧脱氫酶可激活代謝物分子中的氫，使脱出的氫轉移給遞氫體或非分子氧。一般在無氧或缺氧環境下促進代謝物氧化。大部分以NAD或NADP為輔酶。

2.體系：有不需傳遞體和需傳遞體的兩種體系。

不需傳遞體的最簡單，在微粒體、過氧化酶體及胞液中代謝物經氧化酶或需氧脱氫酶作用後脱出的氫給分子氧生成水或過氧化氫。其特點是不伴磷酸化，不生成ATP，主要與體內代謝物、藥物和毒物的生物轉化有關。

需傳遞體的最典型的是呼吸鏈。是在線粒體經多酶體系催化，即通過電子傳遞鏈完成，與ATP的生成相關。

　　氧化生成

生物氧化中CO2的生成是代謝中有機酸的脱羧反應所致。有直接脱羧和氧化脱羧兩種類型。按脱羧基的位置又有α-脱羧和β-脱羧之分。

　　水的生成

　　呼吸鏈的概念和類型

代謝物上的氫原子被脱氫酶激活脱落後，經過一系列的傳遞體，最後與激活的氧結合生成水的全部體系，此過程與細胞呼吸有關，所以將此傳遞鏈稱為呼吸鏈(respiratory chain)或電子傳遞鏈(electron transfer chain)。

在呼吸鏈中，酶和輔酶按一定順序排列在線粒體內膜上。其中傳遞氫的酶或輔酶稱為遞氫體，傳遞電子的酶或輔酶稱為電子傳遞體。遞氫體和電子傳遞體都起着傳遞電子的作用(2H→2H++2e)。

生物體內的呼吸鏈有多種型式。人體細胞線粒體內最重要的有兩條，即NADH氧化呼吸鏈和琥珀酸氧化呼吸鏈(FADH2氧化呼吸鏈)。它們的初始受氫體、生成ATP的數量及應用有差別。NADH氧化呼吸鏈應用最廣，糖、脂、蛋白質三大物質分解代謝中的脱氫氧化反應，絕大多數是通過該呼吸鏈來完成的。琥珀酸氧化呼吸鏈在Q處與上述NADH氧化呼吸鏈途徑交匯。其脱氫黃酶只能催化某些代謝物脱氫，不能催化NADH或NADPH脱氫。

　　呼吸鏈的組成

組成呼吸鏈的成分已發現20餘種，分為5大類。

　　1.輔酶Ⅰ和輔酶Ⅱ

輔酶Ⅰ(NAD+或CoⅠ)為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸。輔酶Ⅱ(NADP+或CoⅡ)為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。它們是不需氧脱氫酶的輔酶，分子中的煙酰胺部分，即維生素PP能可逆地加氫還原或脱氫氧化，是遞氫體。以NAD+作為輔酶的脱氫酶佔多數。

　　2.黃素酶

黃素酶的種類很多，輔基有2種，即FMN和FAD。FMN是NADH脱氫酶的輔基，FAD是琥珀酸脱氫酶的輔基，都是以核黃素為中心構成的.，其異咯嗪環上的第1位及第10位兩個氮原子能可逆地進行加氫和脱氫反應，為遞氫體。

　　3.鐵硫蛋白

分子中含有非血紅素鐵和對酸不穩定的硫，因而常簡寫為FeS形式。在線粒體內膜上，常與其他遞氫體或遞電子體構成複合物，複合物中的鐵硫蛋白是傳遞電子的反應中心，亦稱鐵硫中心，與蛋白質的結合是通過Fe與4個半胱氨酸的S相連接。

　　4.泛醌(又名輔酶Q)

一類廣泛分佈於生物界的脂溶性醌類化合物。分子中的苯醌為接受和傳遞氫的核心，其C-6上帶有異戊二烯為單位構成的側鏈，在哺乳動物，這個長鏈為10個單位，故常以Q10表示。

　　5.細胞色素類

細胞色素(cytochrome, Cyt)是一類以鐵卟啉為輔基的結合蛋白質，存在於生物細胞內，因有顏色而得名。已發現的有30多種，按吸收光譜分a、b、c三類，每類又有好多種。

Cyta和a3 結合緊，迄今尚未分開，故寫成aa3，位於呼吸鏈的終末部位，其輔基為血紅素A，傳遞電子的機制是以輔基中鐵價的變化Fe3+ →Fe2+，a3還含有銅離子，把電子直接交給分子氧Cu+ →Cu2+，所以a3又稱細胞色素氧化酶。a3中的鐵原子可以與氧結合，也可以與氰化物離子(CN—)、CO等結合，這種結合一旦發生，a3便失去使氧還原的能力，電子傳遞中止，呼吸鏈阻斷，導致機體不能利用氧而窒息死亡。

　　呼吸鏈中傳遞體的順序

呼吸鏈中氫和電子的傳遞有着嚴格的順序和方向。根據氧化還原原理，氧化-還原電勢E是物質對電子親和力的量度，電極電位的高低反映電子得失的傾向，E O'值愈低的氧還對(A/AH2)釋放電子的傾向愈大，愈容易成為還原劑而排在呼吸鏈的前面。所以NADH還原能力最強，氧分子的氧化能力最強。電子的自發流向是從電極電位低的物質(還原態)到電位高的氧化態，目前一致認可的是按標準氧還電位遞增值依次排列。

電子由NADH的傳遞到氧分子通過3個大的蛋白質複合體，即 NADH脱氫酶、細胞色素bc1複合體和細胞色素氧化酶到氧(又稱複合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ)。電子從FADH2的傳遞是通過琥珀酸-輔酶Q還原酶(複合體Ⅱ)經Q、複合體Ⅲ、Ⅳ到氧(琥珀酸-輔酶Q還原酶催化的反應的自由能變化太小)。

　　氧化作用

糖代謝中的三羧酸循環和脂肪酸β-氧化是在線粒體內生成NADH(還原當量)，可立即通過電子傳遞鏈進行氧化磷酸化。在細胞的胞漿中產生的NADH ，如糖酵解生成的NADH則要通過穿梭系統(shuttle system)使NADH的氫進入線粒體內膜氧化。

　　(一)α-磷酸甘油穿梭作用

　　這種作用主要存在於腦、骨骼肌中，載體是α-磷酸甘油。

胞液中的NADH在α-磷酸甘油脱氫酶的催化下，使磷酸二羥丙酮還原為α-磷酸甘油，後者通過線粒體內膜，並被內膜上的α-磷酸甘油脱氫酶(以FAD為輔基)催化重新生成磷酸二羥丙酮和FADH2，後者進入琥珀酸氧化呼吸鏈，生成1.5分子ATP。葡萄糖在這些組織中徹底氧化生成的ATP比其他組織要少，1摩爾G→30摩爾ATP。

　　(二)蘋果酸-天冬氨酸穿梭作用

　　主要存在肝和心肌中。1摩爾G→32摩爾ATP

胞液中的NADH在蘋果酸脱氫酶催化下，使草酰乙酸還原成蘋果酸，後者藉助內膜上的α-酮戊二酸載體進入線粒體，又在線粒體內蘋果酸脱氫酶的催化下重新生成草酰乙酸和NADH。NADH進入NADH氧化呼吸鏈，生成2.5分子ATP。草酰乙酸經穀草轉氨酶催化生成天冬氨酸，後者再經酸性氨基酸載體轉運出線粒體轉變成草酰乙酸。