氧化磷酸化體
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概念：氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）是指在生物氧化中伴隨著ATP生成的作用。有代謝物連接的磷酸化和呼吸鏈連接的磷酸化兩種類型。即ATP生成方式有兩種。一種是代謝物脫氫后，分子內(nèi)部能量重新分布，使無(wú)機(jī)磷酸酯化先形成一個(gè)高能中間代謝物，促使ADP變成ATP。這稱為底物水平磷酸化。如3-磷酸甘油醛氧化生成1，3-二磷酸甘油酸，再降解為3-磷酸甘油酸。另一種是在呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中偶聯(lián)ATP的生成。生物體內(nèi)95%的ATP來(lái)自這種方式。
目錄 |
氧化磷酸化體-名詞解釋
1． 生物氧化（biological oxidation）
2． 呼吸鏈（respiratory chain）
3． 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）
4． 磷氧比P/O（P/O）
5． 底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）
6． 能荷（energy charge）
氧化磷酸化體-氧化磷酸化的概念和偶聯(lián)部位
1.概念：氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）是指在生物氧化中伴隨著ATP生成的作用。有代謝物連接的磷酸化和呼吸鏈連接的磷酸化兩種類型。即ATP生成方式有兩種。一種是代謝物脫氫后，分子內(nèi)部能量重新分布，使無(wú)機(jī)磷酸酯化先形成一個(gè)高能中間代謝物，促使ADP變成ATP。這稱為底物水平磷酸化。如3-磷酸甘油醛氧化生成1，3-二磷酸甘油酸，再降解為3-磷酸甘油酸。另一種是在呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中偶聯(lián)ATP的生成。生物體內(nèi)95%的ATP來(lái)自這種方式。
2.偶聯(lián)部位：根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定氧的消耗量與ATP的生成數(shù)之間的關(guān)系以及計(jì)算氧化還原反應(yīng)中ΔGO＇和電極電位差ΔE的關(guān)系可以證明。
P/O比值是指代謝物氧化時(shí)每消耗1摩爾氧原子所消耗的無(wú)機(jī)磷原子的摩爾數(shù)，即合成ATP的摩爾數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明， NADH在呼吸鏈被氧化為水時(shí)的P/O值約等于3，即生成3分子ATP；FADH2氧化的P/O值約等于2，即生成2分子ATP。
氧-還電勢(shì)沿呼吸鏈的變化是每一步自由能變化的量度。根據(jù)ΔGO＇= - nFΔE O＇(n是電子傳遞數(shù),F是法拉第常數(shù))，從NADH到Q段電位差約0.36V，從Q到Cytc為0.21V，從aa3到分子氧為0.53V，計(jì)算出相應(yīng)的ΔGO＇分別為69.5、40.5、102.3kJ/mol。于是普遍認(rèn)為下述3個(gè)部位就是電子傳遞鏈中產(chǎn)生ATP的部位。
NADH→NADH脫氫酶→‖Q → 細(xì)胞色素bc1復(fù)合體→‖Cytc →aa3→‖O2
氧化磷酸化體-胞液中NADH的氧化
糖代謝中的三羧酸循環(huán)和脂肪酸β-氧化是在線粒體內(nèi)生成NADH（還原當(dāng)量），可立即通過(guò)電子傳遞鏈進(jìn)行氧化磷酸化。在細(xì)胞的胞漿中產(chǎn)生的NADH ，如糖酵解生成的NADH則要通過(guò)穿梭系統(tǒng)（shuttle system）使NADH的氫進(jìn)入線粒體內(nèi)膜氧化。
（一）α-磷酸甘油穿梭作用
這種作用主要存在于腦、骨骼肌中，載體是α-磷酸甘油。
胞液中的NADH在α-磷酸甘油脫氫酶的催化下，使磷酸二羥丙酮還原為α-磷酸甘油，后者通過(guò)線粒體內(nèi)膜，并被內(nèi)膜上的α-磷酸甘油脫氫酶（以FAD為輔基）催化重新生成磷酸二羥丙酮和FADH2，后者進(jìn)入琥珀酸氧化呼吸鏈。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→36摩爾ATP。
主要存在肝和心肌中。1摩爾G→38摩爾ATP
胞液中的NADH在蘋(píng)果酸脫氫酶催化下，使草酰乙酸還原成蘋(píng)果酸，后者借助內(nèi)膜上的α-酮戊二酸載體進(jìn)入線粒體，又在線粒體內(nèi)蘋(píng)果酸脫氫酶的催化下重新生成草酰乙酸和NADH。NADH進(jìn)入NADH氧化呼吸鏈，生成3分子ATP。草酰乙酸經(jīng)谷草轉(zhuǎn)氨酶催化生成天冬氨酸，后者再經(jīng)酸性氨基酸載體轉(zhuǎn)運(yùn)出線粒體轉(zhuǎn)變成草酰乙酸?！ ?/p>
氧化磷酸化體-氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制
（一）化學(xué)滲透假說(shuō)（chemiosmotic hypothesis）
1961年，英國(guó)學(xué)者Peter Mitchell提出化學(xué)滲透假說(shuō)（1978年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)），說(shuō)明了電子傳遞釋出的能量用于形成一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度（H 梯度），這種梯度驅(qū)動(dòng)ATP的合成。這一過(guò)程概括如下：
1.NADH的氧化，其電子沿呼吸鏈的傳遞，造成H 被3個(gè)H 泵，即NADH脫氫酶、細(xì)胞色素bc1復(fù)合體和細(xì)胞色素氧化酶從線粒體基質(zhì)跨過(guò)內(nèi)膜泵入膜間隙。
2.H 泵出，在膜間隙產(chǎn)生一高的H 濃度，這不僅使膜外側(cè)的pH較內(nèi)側(cè)低（形成pH梯度），而且使原有的外正內(nèi)負(fù)的跨膜電位增高，由此形成的電化學(xué)質(zhì)子梯度成為質(zhì)子動(dòng)力，是H 的化學(xué)梯度和膜電勢(shì)的總和。
3.H 通過(guò)ATP合酶流回到線粒體基質(zhì)，質(zhì)子動(dòng)力驅(qū)動(dòng)ATP合酶合成ATP。
（二）ATP合酶
ATP合酶由兩部分組成（Fo-F1），球狀的頭部F1突向基質(zhì)液，水溶性。亞單位Fo埋在內(nèi)膜的底部，是疏水性蛋白，構(gòu)成H 通道。在生理條件下，H 只能從膜外側(cè)流向基質(zhì)，通道的開(kāi)關(guān)受柄部某種蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)。
氧化磷酸化體-影響氧化磷酸化的因素
（一）抑制劑
能阻斷呼吸鏈某一部位電子傳遞的物質(zhì)稱為呼吸鏈抑制劑。
魚(yú)藤酮、安密妥在NADH脫氫酶處抑制電子傳遞，阻斷NADH的氧化，但FADH2的氧化仍然能進(jìn)行。
抗霉素A抑制電子在細(xì)胞色素bc1復(fù)合體處的傳遞。
氰化物、CO、疊氮化物（N3-）抑制細(xì)胞色素氧化酶。
對(duì)電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用的物質(zhì)稱氧化磷酸化抑制劑，如寡霉素。
（二）解偶聯(lián)劑
2，4-二硝基苯酚（DNP）和頡氨霉素可解除氧化和磷酸化的偶聯(lián)過(guò)程，使電子傳遞照常進(jìn)行而不生成ATP。DNP的作用機(jī)制是作為H 的載體將其運(yùn)回線粒體內(nèi)部，破壞質(zhì)子梯度的形成。由電子傳遞產(chǎn)生的能量以熱被釋出。
（三）ADP的調(diào)節(jié)作用
正常機(jī)體氧化磷酸化的速率主要受ADP水平的調(diào)節(jié)，只有ADP被磷酸化形成ATP，電子才通過(guò)呼吸鏈流向氧。如果提供ADP，隨著ADP的濃度下降，電子傳遞進(jìn)行，ATP在合成，但電子傳遞隨ADP濃度的下降而減緩。此過(guò)程稱為呼吸控制，這保證電子流只在需要ATP合成時(shí)發(fā)生。
氧化磷酸化作用
氧化磷酸化作用是需氧細(xì)胞生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，是主要的能量來(lái)源。真核細(xì)胞是在線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行?！ ?/p>
氧化磷酸化體-生物氧化與氧化磷酸化
1．氧化磷酸化作用
高勢(shì)能電子從NADH或FADH2沿呼吸鏈傳遞給氧的過(guò)程中，所釋放的能量轉(zhuǎn)移給ADP形成ATP，即ATP的形成與電子傳遞相偶聯(lián)，稱為氧化磷酸化作用，其特點(diǎn)是需要氧分子參與。
氧化磷酸化作用與底物水平磷酸化作用是有區(qū)別的：底物水平磷酸化作用是指代謝底物由于脫氫或脫水，造成其分子內(nèi)部能量重新分布，產(chǎn)生的高能鍵所攜帶的能量轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP，即ATP的形成直接與一個(gè)代謝中間高能磷酸化合物（如磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸等）上的磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移相偶聯(lián)，其特點(diǎn)是不需要分子氧參加。
2．P／O比和磷酸化部位
磷氧比（P／O）是指一對(duì)電子通過(guò)呼吸鏈傳遞到氧所產(chǎn)生ATP的分子數(shù)。由NADH開(kāi)始氧化脫氫脫電子，電子經(jīng)過(guò)呼吸鏈傳遞給氧，生成3分子ATP，則P／O比為3。這3分子ATP是在三個(gè)部位上生成的，第一個(gè)部位是在NADH和CoQ之間，第二個(gè)部位是在Cytb與Cytc1之間；第三個(gè)部位是在Cytaa3和氧之間。如果從FADH2開(kāi)始氧化脫氫脫電子，電子經(jīng)過(guò)呼吸鏈傳遞給氧，只能生成2分子ATP，其P／O比為2。
3．氧化磷酸化的解偶聯(lián)作用
（1）氧化磷酸化的解偶聯(lián)作用 在完整線粒體內(nèi)，電子傳遞與磷酸化是緊密偶聯(lián)的，當(dāng)使用某些試劑而導(dǎo)致的電子傳遞與ATP形成這兩個(gè)過(guò)程分開(kāi)，只進(jìn)行電子傳遞而不能形成ATP的作用，稱為解偶聯(lián)作用。
（2）氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑 能引起解偶聯(lián)作用的試劑稱為解偶聯(lián)劑，解偶聯(lián)作用的實(shí)質(zhì)是解偶聯(lián)劑消除電子傳遞中所產(chǎn)生的跨膜質(zhì)子濃度或電位梯度，只有電子傳遞而不產(chǎn)生ATP。
（3）解偶聯(lián)劑種類 典型的解偶聯(lián)劑是化學(xué)物質(zhì)2,4-二硝基苯酚（DNP），DNP具弱酸性，在不同pH環(huán)境可結(jié)合H 或釋放H ；并且DNP具脂溶性，能透過(guò)磷脂雙分子層，使線粒體內(nèi)膜外側(cè)的H 轉(zhuǎn)移到內(nèi)側(cè)，從而消除H 梯度。此外，離子載體如由鏈霉素產(chǎn)生的抗菌素——纈氨霉素，具脂溶性，能與K 離子配位結(jié)合，使線粒體膜外的K 轉(zhuǎn)運(yùn)到膜內(nèi)而消除跨膜電位梯度。另外還有存在于某些生物細(xì)胞線粒體內(nèi)膜上的天然解偶聯(lián)蛋白，該蛋白構(gòu)成的質(zhì)子通道可以讓膜外質(zhì)子經(jīng)其通道返回膜內(nèi)而消除跨膜的質(zhì)子濃度梯度，不能生成ATP而產(chǎn)生熱量使體溫增加。
解偶聯(lián)劑與電子傳遞抑制劑是不同的，解偶聯(lián)劑只消除內(nèi)膜兩側(cè)質(zhì)子或電位梯度，不抑制呼吸鏈的電子傳遞，甚至加速電子傳遞，促進(jìn)呼吸底物和分子氧的消耗，但不形成ATP，只產(chǎn)生熱量。
4．氧化磷酸化的作用機(jī)理
與電子傳遞相偶聯(lián)的氧化磷酸化作用機(jī)理雖研究多年，但仍不清楚。曾有三種假說(shuō)試圖解釋其機(jī)理。這三種假說(shuō)為：化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)、構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)、化學(xué)滲透假說(shuō)。
（1）化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō) 認(rèn)為電子傳遞中所釋放的自由能以一個(gè)高能共價(jià)中間物形式暫時(shí)存在，隨后裂解將其能量轉(zhuǎn)給ADP以形成ATP。但不能從呼吸鏈中找到高能中間物的實(shí)例。
（2）構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō) 認(rèn)為電子沿呼吸鏈傳遞釋放的自由能使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)發(fā)生構(gòu)象變化而形成一種高能形式暫時(shí)存在。這種高能形式將能量轉(zhuǎn)給F0F1-ATP酶分子使之發(fā)生構(gòu)象變化，F(xiàn)0F1-ATP酶復(fù)原時(shí)將能量轉(zhuǎn)給ADP形成ATP。
（3）化學(xué)滲透假說(shuō) 該假說(shuō)由英國(guó)生物化學(xué)家Peter Mitchell提出的。他認(rèn)為電子傳遞的結(jié)果將H 從線粒體內(nèi)膜上的內(nèi)側(cè)“泵”到內(nèi)膜的外側(cè)，于是在內(nèi)膜內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生了H 的濃度梯度。即內(nèi)膜的外側(cè)與內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)之間含有一種勢(shì)能，該勢(shì)能是H 返回內(nèi)膜內(nèi)側(cè)的一種動(dòng)力。H 通過(guò)F0F1-ATP酶分子上的特殊通道又流回內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)。當(dāng)H 返回內(nèi)膜內(nèi)側(cè)時(shí)，釋放出自由能的反應(yīng)和ATP的合成反應(yīng)相偶聯(lián)。該假說(shuō)目前得到較多人的支持。
實(shí)驗(yàn)證明氧化磷酸化作用的進(jìn)行需要完全的線粒體內(nèi)膜存在。當(dāng)用超聲波處理線粒體時(shí)，可將線粒體內(nèi)膜嵴打成片段：有些片段的嵴膜又重新封閉起來(lái)形成泡狀體，稱為亞線粒體泡（內(nèi)膜變?yōu)榉D(zhuǎn)朝外）。這些亞線粒體泡仍具有進(jìn)行氧化磷酸化作用的功能。在囊泡的外面可看到F1球狀體。用尿素或胰蛋白酶處理這些囊泡時(shí)，內(nèi)膜上的球體F1脫下，F(xiàn)0留在膜上。這種處理過(guò)的囊泡仍具有電子傳遞鏈的功能，但失去合成ATP的功能。當(dāng)將F1球狀體再加回到只有F0的囊泡時(shí)，氧化磷酸化作用又恢復(fù)。這一實(shí)驗(yàn)說(shuō)明線粒體內(nèi)膜嵴上的酶（F0）起電子傳遞的作用，而其上的F1是形成ATP的重要成分，F(xiàn)0和F1是一種酶的復(fù)合體。
5．能荷
細(xì)胞中存在三種腺苷酸即AMP、ADP、ATP，稱為腺苷酸庫(kù)。在細(xì)胞中ATP、ADP和AMP在某一時(shí)間的相對(duì)數(shù)量控制著細(xì)胞活動(dòng)。Atkinson提出了能荷的概念。認(rèn)為能荷是細(xì)胞中高能磷酸狀態(tài)的一種數(shù)量上的衡量，能荷大小可以說(shuō)明生物體中ATP-ADP-AMP系統(tǒng)的能量狀態(tài)。
能荷＝
可看出，能荷的大小決定于ATP和ADP的多少。能荷的從0到1.0，當(dāng)細(xì)胞中都是ATP時(shí)，能荷為1.0。此時(shí)，可利用的高能磷酸鍵數(shù)量最大。都為ADP時(shí)，能荷為0.5，系統(tǒng)中有一半的高能磷酸健。都為AMP時(shí)，能荷為0，此時(shí)無(wú)高能磷酸化合物存在。實(shí)驗(yàn)證明能荷高時(shí)可抑制ATP的生成，卻促進(jìn)ATP的利用。也就是說(shuō)，能荷高可促進(jìn)合成代謝而抑制分解代謝，相反，能荷低則促進(jìn)分解代謝而抑制合成代謝。
能荷調(diào)節(jié)是通過(guò)ATP、ADP和AMP分子對(duì)某些酶分子進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
5、線粒體的穿梭系統(tǒng)
真核生物在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行糖酵解時(shí)所生成的NADH是不能直接透過(guò)線粒體內(nèi)膜被氧化的，但是NADH＋H 上的質(zhì)子可以通過(guò)一個(gè)穿梭的間接途徑而進(jìn)入電子傳遞鏈。3-磷酸甘油的穿梭過(guò)程是最早發(fā)現(xiàn)的。其過(guò)程是胞質(zhì)中NADH十H 在3-磷酸甘油脫氫酶作用下與磷酸二羥丙酮反應(yīng)生成3-磷酸甘油。3-磷酸甘油可進(jìn)入線粒體，在線粒體內(nèi)膜上的3-磷酸甘油脫氫酶（輔基為FAD）作用下，生成磷酸二羥丙酮和FADH2。磷酸二羥丙酮透出線粒體，繼續(xù)作為氫的受體，F(xiàn)ADH2將氫傳遞給CoQ進(jìn)入呼吸鏈氧化，這樣只能產(chǎn)生2分于ATP。
在動(dòng)物的肝、腎及心臟的線粒體存在另一種穿梭方式，即草酰乙酸-蘋(píng)果酸穿梭。這種方式在胞液及線粒體內(nèi)的脫氫酶輔酶都是NAD＋，所以胞液中的NADH H 到達(dá)線粒體內(nèi)又生成NADH＋H 。從能量產(chǎn)生來(lái)看，草酰乙酸-蘋(píng)果酸穿梭優(yōu)于α- 磷酸甘油穿梭機(jī)制；但α-磷酸甘油穿梭機(jī)制比草酰乙酸-蘋(píng)果酸穿梭速度要快很多。
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