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，使無機磷酸酯化先形成一個高能中間代謝物，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程中偶聯(lián)ATP的生成。生物體內(nèi)95%的ATP來自這種方式?！ ?/p>
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，使無機磷酸酯化先形成一個高能中間代謝物，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程中偶聯(lián)ATP的生成。生物體內(nèi)95%的ATP來自這種方式。
2.偶聯(lián)部位：根據(jù)實驗測定氧的消耗量與ATP的生成數(shù)之間的關系以及計算氧化還原反應中ΔGO＇和電極電位差ΔE的關系可以證明。
P/O比值是指代謝物氧化時每消耗1摩爾氧原子所消耗的無機磷原子的摩爾數(shù)，即合成ATP的摩爾數(shù)。實驗表明， NADH在呼吸鏈被氧化為水時的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，計算出相應的ΔGO＇分別為69.5、40.5、102.3kJ/mol。于是普遍認為下述3個部位就是電子傳遞鏈中產(chǎn)生ATP的部位。
NADH→NADH脫氫酶→‖Q → 細胞色素bc1復合體→‖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(chǎn)生的NADH ，如糖酵解生成的NADH則要通過穿梭系統(tǒng)（shuttle system）使NADH的氫進入線粒體內(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在蘋果酸脫氫酶催化下，使草酰乙酸還原成蘋果酸，后者借助內(nèi)膜上的α-酮戊二酸載體進入線粒體，又在線粒體內(nèi)蘋果酸脫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)機制
（一）化學滲透假說（chemiosmotic hypothesis）
1961年，英國學者Peter Mitchell提出化學滲透假說（1978年獲諾貝爾化學獎），說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ATP的合成。這一過程概括如下：
1.NADH的氧化，其電子沿呼吸鏈的傳遞，造成H 被3個H 泵，即NADH脫氫酶、細胞色素bc1復合體和細胞色素氧化酶從線粒體基質(zhì)跨過內(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)負的跨膜電位增高，由此形成的電化學質(zhì)子梯度成為質(zhì)子動力，是H 的化學梯度和膜電勢的總和。
3.H 通過ATP合酶流回到線粒體基質(zhì)，質(zhì)子動力驅(qū)動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)，通道的開關受柄部某種蛋白質(zhì)的調(diào)節(jié)?！ ?/p>
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的氧化仍然能進行。
抗霉素A抑制電子在細胞色素bc1復合體處的傳遞。
對電子傳遞及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)過程，使電子傳遞照常進行而不生成ATP。DNP的作用機制是作為H 的載體將其運回線粒體內(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，電子才通過呼吸鏈流向氧。如果提供ADP，隨著ADP的濃度下降，電子傳遞進行，ATP在合成，但電子傳遞隨ADP濃度的下降而減緩。此過程稱為呼吸控制，這保證電子流只在需要ATP合成時發(fā)生。
氧化磷酸化作用
氧化磷酸化作用是需氧細胞生命活動的基礎，是主要的能量來源。真核細胞是在線粒體內(nèi)膜上進行?！ ?/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
高勢能電子從NADH或FADH2沿呼吸鏈傳遞給氧的過程中，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）上的磷酸基團的轉(zhuǎn)移相偶聯(lián)，其特點是不需要分子氧參加。
2．P／O比和磷酸化部位
磷氧比（P／O）是指一對電子通過呼吸鏈傳遞到氧所產(chǎn)生ATP的分子數(shù)。由NADH開始氧化脫氫脫電子，電子經(jīng)過呼吸鏈傳遞給氧，生成3分子ATP，則P／O比為3。這3分子ATP是在三個部位上生成的，第一個部位是在NADH和CoQ之間，第二個部位是在Cytb與Cytc1之間；第三個部位是在Cytaa3和氧之間。如果從FADH2開始氧化脫氫脫電子，電子經(jīng)過呼吸鏈傳遞給氧，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，當使用某些試劑而導致的電子傳遞與ATP形成這兩個過程分開，只進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理
與電子傳遞相偶聯(lián)的氧化磷酸化作用機理雖研究多年，但仍不清楚。曾有三種假說試圖解釋其機理。這三種假說為：化學偶聯(lián)假說、構(gòu)象偶聯(lián)假說、化學滲透假說。
（1）化學偶聯(lián)假說 認為電子傳遞中所釋放的自由能以一個高能共價中間物形式暫時存在，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例。
（2）構(gòu)象偶聯(lián)假說 認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酶復原時將能量轉(zhuǎn)給ADP形成ATP。
（3）化學滲透假說 該假說由英國生物化學家Peter Mitchell提出的。他認為電子傳遞的結(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)之間含有一種勢能，該勢能是H 返回內(nèi)膜內(nèi)側(cè)的一種動力。H 通過F0F1-ATP酶分子上的特殊通道又流回內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)。當H 返回內(nèi)膜內(nèi)側(cè)時，釋放出自由能的反應和ATP的合成反應相偶聯(lián)。該假說目前得到較多人的支持。
實驗證明氧化磷酸化作用的進行需要完全的線粒體內(nèi)膜存在。當用超聲波處理線粒體時，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，內(nèi)膜上的球體F1脫下，F(xiàn)0留在膜上。這種處理過的囊泡仍具有電子傳遞鏈的功能，但失去合成ATP的功能。當將F1球狀體再加回到只有F0的囊泡時，氧化磷酸化作用又恢復。這一實驗說明線粒體內(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是一種酶的復合體。
5．能荷
細胞中存在三種腺苷酸即AMP、ADP、ATP，稱為腺苷酸庫。在細胞中ATP、ADP和AMP在某一時間的相對數(shù)量控制著細胞活動。Atkinson提出了能荷的概念。認為能荷是細胞中高能磷酸狀態(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，當細胞中都是ATP時，能荷為1.0。此時，可利用的高能磷酸鍵數(shù)量最大。都為ADP時，能荷為0.5，系統(tǒng)中有一半的高能磷酸健。都為AMP時，能荷為0，此時無高能磷酸化合物存在。實驗證明能荷高時可抑制ATP的生成，卻促進ATP的利用。也就是說，能荷高可促進合成代謝而抑制分解代謝，相反，能荷低則促進分解代謝而抑制合成代謝。
能荷調(diào)節(jié)是通過ATP、ADP和AMP分子對某些酶分子進行變構(gòu)調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。
5、線粒體的穿梭系統(tǒng)
真核生物在細胞質(zhì)中進行糖酵解時所生成的NADH是不能直接透過線粒體內(nèi)膜被氧化的，但是NADH＋H 上的質(zhì)子可以通過一個穿梭的間接途徑而進入電子傳遞鏈。3-磷酸甘油的穿梭過程是最早發(fā)現(xiàn)的。其過程是胞質(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生成3-磷酸甘油。3-磷酸甘油可進入線粒體，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進入呼吸鏈氧化，這樣只能產(chǎn)生2分于ATP。
在動物的肝、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 到達線粒體內(nèi)又生成NADH＋H 。從能量產(chǎn)生來看，草酰乙酸-蘋果酸穿梭優(yōu)于α- 磷酸甘油穿梭機制；但α-磷酸甘油穿梭機制比草酰乙酸-蘋果酸穿梭速度要快很多。
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