課堂教學(xué)隨筆：脫氫酶是不是氧化酶

1、課堂教學(xué)隨筆：脫氫酶是不是氧化酶?摘要：氧化還原反應(yīng)是物質(zhì)代謝中的一類重要反應(yīng)，催化這類反應(yīng)的酶統(tǒng)稱為氧化還原酶。然而教材 中的氧化還原酶名稱各異。學(xué)生常常疑惑，看似類似的反應(yīng)，酶的名稱卻不同。氧化還原酶的系統(tǒng)命 名原則主要取決于酶作用的對象以及氧化或脫氫的電子受體，一般稱之為A : B氧化還原酶（A電子的 供體，B電子的受體），但習(xí)慣上推薦使用的名稱則因所催化的反應(yīng)不同而異。脫氫酶和氧化酶同屬于 氧化還原酶類，但催化不同類型的反應(yīng)，因此不能混淆。本文擬歸納氧化還原酶類中各種酶的功能特 點，以期對青年教師和學(xué)生的教、學(xué)有所幫助。關(guān)鍵詞：氧化還原反應(yīng)；氧化還原酶；氧化酶；脫氫酶；加氧酶An es

2、say on classroom teaching of Biochemistry:is dehydrogenase an oxidase?Abstract: Redox reaction is a kind of important reaction in material metabolism. The enzymes catalyzing this kind of reactions are called oxidoreductases. However, there are different names for oxidoreductases in textbooks. Studen

3、ts often wonder why the names of enzymes catalyzing similar reactions are different. The principle of oxidoreductase nomenclature mainly depends on the object of the enzyme acting on and the electron acceptor of oxidation or dehydrogenation. It is generally called A : B oxidoreductase (A, the donor

4、of electron; B, the acceptor of electron), but the accepted name in practice varies with the reaction it catalyzes. Dehydrogenase and oxidase belong to the oxidoreductases, but they catalyze different types of reactions. Therefore, they should not be confused. This paper will summarize the functiona

5、l characteristics of various enzymes in oxidoreductases in order to help young teachers and students in their teaching and learning.Key Words: redox reaction; oxidoreductase; oxidase; dehydrogenase; oxygenase在生物化學(xué)的課堂上，常有學(xué)生問到：脫氫 酶不就是氧化酶嗎？這得從氧化還原反應(yīng)和氧化 還原酶類說起。物質(zhì)代謝是生物化學(xué)教學(xué)過程中的重要一 環(huán)，其中很多代謝改變屬于氧化還原反應(yīng)。一般 可以

6、從3個層次來理解氧化還原反應(yīng)。狹義的氧化 反應(yīng)指物質(zhì)與氧結(jié)合，還原反應(yīng)指物質(zhì)失去氧的 過程。廣義的氧化和還原是指物質(zhì)失去電子或得 到電子的過程。在有機(jī)物反應(yīng)中，有機(jī)物與氧結(jié)合 或脫去氫的作用叫氧化，反之則稱作為還原。實際 上，在生物化學(xué)教學(xué)中，這3種情況都是存在的。在物質(zhì)代謝過程中，催化氧化還原反應(yīng)的一 類酶，在酶學(xué)分類上稱之為氧化還原酶類(oxidore- ductases, EC 1)。但是，在教學(xué)過程中會發(fā)現(xiàn)，參 與物質(zhì)代謝的氧化還原酶名稱各不相同，如脫氫 酶、需氧脫氫酶、不需氧脫氫酶、還原酶、氧化 酶、加氧酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶等。 每一個酶該用什么樣的名稱？這些酶彼此之間又

7、有什么異同？學(xué)生往往比較困惑。實際上，氧化 還原酶的分類及命名原則主要取決于酶作用的對 象以及氧化或脫氫的電子受體，一般均可稱之為 A：B氧化還原酶(系統(tǒng)命名，A電子的供體，B電 子的受體)，但習(xí)慣上常用的名稱(推薦名稱)則因所 催化的反應(yīng)不同而異1-2o本文簡單介紹一下在生 物化學(xué)課程教學(xué)中經(jīng)常見到的各類氧化還原酶的功 能特點，以幫助青年教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)。1 脫氫酶(dehydrogenase)與還原酶(reductase)脫氫酶，顧名思義催化脫氫反應(yīng)，反應(yīng)脫下 的氫由受氫體接受，受氫體多為NAD+、NADP+、 細(xì)胞色素等，但不包括分子氧。盡管在有機(jī)反應(yīng) 中，脫氫就是氧化，脫氫酶本質(zhì)

8、上是氧化酶，但一 般不稱為氧化酶，作為專有名詞的氧化酶另有所 指。常見的脫氫酶有我們在糖代謝中見到的乳酸脫 氫酶(L-lactate dehydrogenase, EC 1.1.1.27)和氨基酸代 謝中見到的谷氨酸脫氫酶(glutamate dehydrogenase, EC 1.4.1.3)等。值得注意的是，不同脫氫酶催化同 一底物脫氫，要求的受氫體可能不一樣，如同樣 都是醇脫氫酶(alcohol dehydrogenase),但醇脫氫酶 (EC 1.1.1.1)、醇脫氫酶(EC 1.1.1.2)和醇脫氫酶 (EC 1.1.2.8)的受氫體分別為NAD+、NADP+和細(xì)胞 色素/-有時，也

9、可根據(jù)脫氫酶催化反應(yīng)的逆反應(yīng)， 將脫氫酶稱之為相應(yīng)的還原酶。如醇脫氫的產(chǎn)物 是醛(酮)，所以，上述的醇脫氫酶也可以稱為醛還 原酶(aldehyde reductase)。2氧化酶(oxidase)、加氧酶(oxygenase)與混 合功能氧化酶(mixed function oxidase)如上所述，脫氫酶催化的反應(yīng)不包括分子氧 為受氫體的反應(yīng)，但有許多氧化還原酶確實使用 分子氧為電子受體。然而，并非所有的這些酶都 將氧結(jié)合到產(chǎn)物中去，因此，根據(jù)氧是否結(jié)合到 產(chǎn)物，將這類酶分為氧化酶和加氧酶(表1,圖1)。 氧化酶以分子氧為電子受體，但氧原子并不出現(xiàn) 在氧化的產(chǎn)物中，通常轉(zhuǎn)變成H2O2。如氨基

10、酸代謝 中的氨基酸氧化酶，催化氨基酸氧化脫氨(表1)； 脂肪酸在過氧化物酶體的氧化過程中，酰基輔酶A 氧化酶(acyl-CoA oxidase, EC 1.3.3.6)催化脂酰輔酶 A脫氫產(chǎn)生雙鍵和H2O2。氧化酶產(chǎn)物也可以是 H2O，如NADH氧化酶(EC 1.6.3.4)催化NADH氧化 成H2O。線粒體電子傳遞鏈中的細(xì)胞色素c氧化酶 (cytochrome c oxidase, EC 1.9.3.1，現(xiàn)改為EC 7.1.1.9)，催化將細(xì)胞色素c的電子傳遞給。2,產(chǎn)生 H2O。氧化酶有時并不叫氧化酶，而是根據(jù)其催化 反應(yīng)特點更加具象化，如硬脂酰CoA去飽和酶 (stearoyl-CoA

11、9-desaturase, EC 1.14.19.1)，其本質(zhì) 就是氧化酶。多數(shù)氧化酶通常是與黃素(flavin)核 苷酸FMN、FAD結(jié)合的蛋白質(zhì)，也稱之為黃素蛋 白(flavoprotein)。加氧酶以分子氧為電子的受體，氧原子直接 進(jìn)入到氧化的產(chǎn)物中，形成新的羥基或羧基。其 中，雙加氧酶(dioxygenases, EC 1.13.11)催化氧分 子的2個氧原子都結(jié)合到有機(jī)物的產(chǎn)物分子，常見 的例子有色氨酸2,3-雙加氧酶(tryptophan 2,3-dioxy- genase, EC 1.13.11.11)，催化色氨酸分解代謝時五 元環(huán)的打開(圖1)國。然而，單加氧酶(monooxy

12、genases )催化的反應(yīng)只有一個氧原子進(jìn)入有機(jī)物的產(chǎn) 物分子中，另一個氧原子則還原成H2O。實際上， 此類酶需要2個底物分別作為氧分子中2個氧原子 的還原劑，主要底物接受其中的1個氧原子，輔助 底物提供氫原子去還原另外一個氧原子成H2O。氫 原子可以由FMNH2/FADH2、NADH/NADPH或其 他分子提供。例如氨基酸代謝中見到的苯丙氨酸4- 單加氧酶(phenylalanine 4-monooxygenase, EC 1.14.16.1)，催化苯丙氨酸羥化成酪氨酸。由于單加氧酶催化反應(yīng)中的主要底物通常是 被羥基化，因而單加氧酶也被稱作為羥化酶 (hydroxylase)o習(xí)慣上，前述

13、的苯丙氨酸4-單加氧 酶也稱為苯丙氨酸羥化酶(phenylalanine hydroxylase) o 細(xì)胞色素P-450也是一類常見的單加氧酶， 細(xì)胞內(nèi)的很多單加氧氧化反應(yīng)(羥化反應(yīng))都由細(xì)胞 色素P-450催化完成。因為單加氧酶能同時氧化兩 個不同的底物，所以也被稱作為混合功能氧化酶表1各種氧化還原酶的功能特點名稱功能特點舉例（名稱、編號、反應(yīng)）教材中實例脫氫酶NAD NADP 細(xì) 胞色素等氧分子以外 的輔助因子為氫或電 子的受體谷氨酸脫氫酶(EC 141.3); L-glutamate + H2O + NAD(P)+ =a-ketoglutarate + NH3 + NAD(P)H +（

14、乙醇，乙醛，3-磷酸甘油醛，乳酸，丙酮酸，二氫硫辛酰，異檸檬 酸,a-酮戊二酸，琥珀酸,蘋果酸，甘油-3-磷酸，葡萄糖-6-磷酸， 6-磷酸葡萄糖酸，酰基輔酶A, （3-羥基?；o酶A,B-羥基丁酸， 谷氨酸，二氫乳清酸）脫氫酶;（P-酮酰基-ACP,烯酰-ACP, 2,4-二 烯酰-CoA, HMG-CoA,二氫葉酸，核糖核酸）還原酶分子氧為電子受體，L-谷氨酸氧化酶(EC 1.4.3.11); L-glutamate + O2 + H2O =氧化酶氧原子不出現(xiàn)在氧化a-keto glutarate + NH3 + H2O2D-氨基酸氧化酶,L-谷氨酸氧化酶，脯氨酸氧化酶，黃喋吟氧化產(chǎn)物中，

15、通常轉(zhuǎn)變?yōu)辄SU票吟氧化酶(EC 1.17.3.2); xanthine + H2O + O2 = urate +酶，.原口卜琳原氧化酶H2O2H2O2雙加氧酶分子氧為電子受體，2個氧原子都整合到 有機(jī)物的產(chǎn)物分子色氨酸2,3-雙加氧酶(EC 1.13.11.11); L-tryptophan + O2 =N-formyl-L-kynurenine兒茶酚1,2-雙加氧酶，色氨酸2,3-雙加氧酶，對羥基苯丙酮酸雙 加氧酶，尿黑酸雙加氧酶單加氧酶（羥化 酶，混合功能氧 化酶）分子氧為電子受體，1個氧原子整合到有 機(jī)物的產(chǎn)物分子中苯丙氨酸4-單加氧酶(EC 1.14.16.1); L-phenylal

16、anine + tet- rahy drobiopterin + 02 = L-tyrosine + dihydrobiopterin苯丙氨酸羥化酶，酪氨酸羥化酶，多巴胺|3-羥化酶，色氨酸羥化 酶，細(xì)胞色素P450過氧化物酶或。2作為電子受體谷胱甘肽過氧化物酶(EC 1.11.1.9); 2 glutathione + H2O2 = glutathione disulfide + 2 H2O谷胱甘肽過氧化物酶，脂肪酸過氧化物酶，過氧化氫酶過氧化氫酶催化玦。2分解成。2和h2o過氧化氫酶(EC 1.11.1.6)； 2 H2O2 = O2 + 2 H2O過氧化氫酶過加氧酶玦。2作為電子受體，

17、其中的一個氧原子進(jìn) 入到產(chǎn)物中脂肪酸過加氧酶(EC 1.11.2.4); fatty acid + H2O2 = 3- or 2-hydroxy fatty acid + H2O脂肪酸過加氧酶轉(zhuǎn)氫酶催化氫在NADPH 與NAD*或NADH與 NADP+之間的轉(zhuǎn)移NAD(P)+ 轉(zhuǎn)氫酶(EC 1.6.1.1); NADPH + NAD+ = NADP+ +NADH煙酰胺核昔酸轉(zhuǎn)氫酶以超氧自由基作為電超氧化物歧化酶子的受體和供體，催化歧化反應(yīng)超氧化物歧化酶(EC 1.15.1.1); 2 皿 + 2 W = O2 + H2O2超氧化物歧化酶Malate圖1脫氫酶、氧化酶及加氧酶的酶促反應(yīng)特征deh

18、ydrogenasephenylalanine4-monooxygenaseTryptophantryptophan 2,3-dioxygenase(mixed function oxidases)或混合功能加氧酶。這 里的氧化酶與上述的氧化酶，在概念上是有些矛 盾的，這里的氧化可以理解是一個廣義的氧化的 概念。3需氧脫氫酶(aerobic dehydrogenase)和不需 氧脫氫酶(anaerobic dehydrogenase)根據(jù)上面的分析，脫氫酶大體上可以分為兩 類。需氧脫氫酶，催化從某些代謝物轉(zhuǎn)移氫給氧 分子形成h2o2, 一般習(xí)慣稱之為氧化酶，如黃嘌 吟氧化酶(xanthine

19、oxidase, EC 1.17.3.2),單胺氧化 酶(monoamine oxidase, EC 1.4.3.4)。不需氧脫氫酶(anaerobic dehydrogenase),催化 底物脫氫而不以分子氧為受氫體的酶類，受氫體 為NAD+、NADP+、FAD、FMN、細(xì)胞色素等。這 些輔酶或輔基接受的氫(NADH、FADH2、 FMNH2),可進(jìn)一步通過呼吸鏈氧化成玦0,或作 為還原當(dāng)量(NADPH),用于生物合成或機(jī)體的抗 氧化作用。課堂中常見的有乳酸脫氫酶以及三羧 酸循環(huán)中的異檸檬酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、蘋 果酸脫氫酶等。4過氧化物酶(peroxidase)與過加氧K(per- ox

20、ygenase)如果酶以過氧化物(H2O2)作為電子的受體，通 常稱為過氧化物酶(peroxidases, EC 1.11.1)。教學(xué) 中見到的谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, EC 1.11.1.9),通過氧化谷胱甘肽，催化玦。? 的分解(表1,圖2)。如果電子的供體也是H2O2，即 反應(yīng)的電子供體和受體都是H2O2，那催化這一反 應(yīng)的酶稱為過氧化氫酶(catalase, EC 1.11.1.6),催 化H2O2分解為。2和H2O,其實質(zhì)是H2O2的歧化反應(yīng) (自身的氧化還原反應(yīng))。但如果H2O2的一個氧原子 進(jìn)入到產(chǎn)物中，則相應(yīng)的酶稱為過加氧酶(perox

21、y- genases)(表 1),如脂肪酸過加氧酶(fatty-acid peroxygenase, EC 1.11.2.4),催化脂肪酸氧化(羥化)。5 轉(zhuǎn)氫酶(transhydrogenase)如果酶作用的對象是NADH或NADPH，催化 其脫氫，而受氫體又分別是NADP+或NAD+,通常 會有另外一個名稱轉(zhuǎn)氫酶(transhydrogenase),即催化氫在NADPH與NAD+或NADH與NADP+之 間的轉(zhuǎn)移(圖2),如NAD(P)+轉(zhuǎn)氫酶(NAD(P)+ tran-NAD,2-0NADP+2GSHcatalasef H2O + % O2glutathione peroxidaseglutathione reductasenicotinamide nucleotide transhydrogenaseNADHNADPHGSSG超氧化物歧化酶催化超氧自由基轉(zhuǎn)變?yōu)閔2o2和。2,過氧化氫酶催化h2NAD,2-0NADP+2GSHcatalasef H2O + % O2glutathione peroxidaseglutathione reductasenicotinamide nucleotide transhydrogenaseNADHNADPHGSSG超氧化物歧化酶催化超氧自由基轉(zhuǎn)變?yōu)閔2o2和。2,過氧化氫酶催化h2