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主要内容

氧化磷酸化

氧化磷酸化的概述。电子传递链在线粒体内膜上形成质子梯度,通过化学渗透驱动ATP的合成。

为什么我们需要氧气?

和许多其它生物一样,你需要氧气才能生存。如果你曾经试图长时间屏住呼吸就会知道,缺氧会让你头晕、昏厥,如果缺氧的时间太长,甚至可以造成死亡。但你有没有想过为什么会这样,你的身体需要这么多氧气做什么呢?
答案是这样的:你需要氧气,是因为你身体里的细胞在呼吸的最后阶段,也就是氧化磷酸化的过程中需要用到氧分子。氧化磷酸化由两个密切相关的部分组成:电子传递链与化学渗透。在电子传递链中,电子从一个分子传递到下一个分子,在转移过程中释放的能量会形成一个电化学梯度。在化学渗透中,梯度中存储的能量被用于制造三磷酸腺苷(ATP)。
那么,这和氧气有什么关系呢?氧分子处于电子传递链的末端,它接受电子,吸引质子,生成水分子。如果没有氧分子接受电子(比方说,假如有人吸入的氧气量不足),电子传递链就会停止运行,细胞就不能通过化学渗透制造ATP。没有足够的ATP,细胞正常工作时需要的化学反应就不能进行,这种情形如果持续一定时间,细胞甚至会死亡。
在本文中,我们将深入了解氧化磷酸化的过程,学习它是如何提供你身体里的细胞所需的绝大部分化学能(ATP)的。

概述: 氧化磷酸化

电子传递链 由线粒体内膜上的一系列蛋白质和有机分子组成。电子以氧化还原反应的方式流过传递链的各个组成部分。在氧化还原反应中产生的能量会形成一个质子梯度,然后通过一种名为化学渗透的过程制造ATP。电子传递链和化学渗透合起来就是氧化磷酸化。上图展示了简化的氧化磷酸化过程,其关键步骤包括:
  • NADH 和 FADH2释放出电子。在细胞呼吸的其它步骤中被还原的电子载体 (NADH 和 FADH2)把得到的电子传递给电子传递链接近开端的地方。在这个过程中,它们重新成为NAD+ 和FAD, 继续参加之前提到的细胞呼吸。
  • 电子的传递和质子泵。 当电子在传递链中下行的时候,其能量状态逐渐降低,同时释放出能量。其中的一些能量被用于将基质里的H+泵到膜间隙去。质子泵的这种行为造成了一个电化学梯度。
  • 劈开氧分子,形成水。 在电子传递链的尽头,电子被转移给氧气分子,将氧分子劈成两半,与H+一起形成水分子。
  • 利用梯度合成ATP. 在H+离子顺着梯度流回基质时,会经过ATP合成酶,这种酶能够利用质子流合成 ATP.
下面的章节中,我们会更详细地介绍电子传递链和化学渗透的过程。

电子传递链

电子传递链是嵌在细胞膜上的一系列蛋白质与有机分子的集合,其中的大部分组成了从I到IV的四个大型复合体。 真核生物有多个电子传递链,位于线粒体内膜中;而原核生物的电子传递链位于细胞膜上。
当电子沿着传递链移动,其能量逐渐减小,所经过的分子对电子的吸引力越来越强。这样的“下山”过程会释放能量,传递链有几个复合体用释放出来的能量将质子从线粒体基质泵到膜间隙中,形成质子梯度。
此图基于大学生物, "氧化磷酸化: 图 1", 有修改 (CC BY 3.0).
进入传递链的电子从NADH和FADH2分子中来,而这两种分子是细胞呼吸早期阶段:糖酵解、丙酮酸氧化和三羧酸循环的产物。
  • NADH在氧化还原反应中极易贡献出电子(也就是说,它的电子处于高能状态), 所以它能把电子直接转给复合体I, 成为离子态NAD+. 当电子在一系列氧化还原反应中穿过复合体I时,会释放能量,复合体利用这些能量将质子从基质泵入膜间隙。
  • FADH2贡献电子的能力不如NADH (也就是说,它的电子能量较低), 所以不能把电子转给复合体I. 它把电子转给传递链的复合体II, 这个复合体不能把质子输送到膜的另一端。
因为FADH2分子 “跳过”了一个复合体,它所输送的质子数少于一个NADH分子输送的质子数(对质子梯度的贡献也不如NADH)。
除了头二个复合体之外,来自NADH和FADH2的电子经过的是完全相同的路线。复合体I和复合体II将电子传递给一个名叫泛醌 (Q)的可以活动的小电子载体,此载体接受电子后被还原为QH2,穿过膜壁将电子运送给复合体III。电子穿过复合体III的时候,更多的H+离子从基质被泵入膜间隙,而被传送的电子最终被运送给另一个可以活动的载体,名为细胞色素C (cyt C)。细胞色素(cyt C)将电子送到复合体IV, 最后一次将一批H+离子泵过膜壁。复合体IV把电子运送给O2, 将氧气分子分解成两个氧原子,并从基质中接受质子,形成水分子。分解每个O2分子需要四个电子,形成两个水分子。
综上所述,电子传递链对细胞有什么用呢?它有两个重要的作用:
  • 重新生成电子载体. NADH and FADH2将电子交给电子传递链,再次变成NAD+ 和 FAD. 这一点很重要,因为糖酵解和三羧酸循环需要用到这些电子载体的氧化状态,如果没有这一步,这些工序就不能持续运行。
  • 形成质子梯度. 传递链会在线粒体内膜内外制造一个质子梯度,令膜间隙的H+离子浓度高于基质的H+离子浓度。这个梯度是能量的一种储存形式,我们马上会看到,这个梯度可以用于制作ATP.

化学渗透

在电子传递链中,复合体I, III, 和 IV是离子泵 . 当电子流向能量低态时,复合体利用释放的能量将H+离子从基质泵到膜间隙里去。这样会在线粒体内膜的两边形成一个电化学梯度。这个梯度又名 质子动力势, 你可以将它想象为一种存储起来的能量,像电池一样。
与很多其它离子一样,质子具有疏水性,所以不能直接透过膜的双层磷脂。H+离子要沿着浓度差形成的梯度下行,必须经过管道蛋白质提供的亲水性通道,才能穿过膜。
在线粒子内膜上,H+离子只有一个穿过膜的渠道:一种名为ATP合成酶的横贯膜蛋白质。从原理上来说,ATP合成酶很像水力发电站里的涡轮。 涡轮靠水流旋转,而ATP合成酶靠顺着电化学梯度下行的H+离子流旋转。ATP合成酶旋转的时候,会催化ADP得到一个磷酸基,将质子梯度里的能量转化为ATP的形式。
此图基于大学生物, "氧化磷酸化: 图 3", 有修改 (CC BY 3.0).
这个利用质子梯度里储存的能量制造ATP的过程名为化学渗透. 广义地说,任何利用质子梯度里的能量完成工作的过程都可以称为化学渗透。尽管化学渗透在细胞呼吸,分解葡萄糖的过程中贡献了超过80% 的ATP,它的应用并不局限于细胞呼吸。 比如,化学渗透在光合作用中也扮演了重要的角色。
假设质子梯度里存储的能量没有用于合成ATP或者其它细胞活动,它会怎样呢? 它会以热量的方式释放出来, 有意思的时,有些细胞会故意将质子梯度用于发热,而不是合成ATP. 这样看起来很浪费,但是对于需要保暖的动物来说,却是一个很重要的策略。举例来说,冬眠的哺乳动物(例如熊)有一种特殊的细胞,名为棕色脂肪细胞。棕色脂肪细胞会制造解偶联蛋白并嵌入到线粒体内膜中。这些蛋白质是让质子不经过ATP合成酶,就从膜间隙回到基质的通道。质子有了解偶联蛋白这一条回到基质的通道,梯度能量就可以以热量的形式散发出去。

ATP的产量

在细胞呼吸的过程中,每个葡萄糖分子能生成多少ATP?如果你看不同的书,或是问不同的教授,得到的答案可能会略有不同。不过,根据最新资料的估计,每个葡萄糖分子最多可以生成大约30-32个ATP2,3,4。这个估值比以前的顾忌要低,因为它考虑了将二磷酸腺苷(ADP)运进线粒体,以及将三磷酸腺苷(ATP)运出线粒体所需的能量。
30-32个ATP这个数字是怎么来的呢?糖酵解会得到两个ATP,三羧酸循环又会得到两个ATP(或者同样能量的GTP)。除了这四个之外,其余的ATP都是氧化磷酸化制造的。经过大量的实验,我们认为要合成一个ATP分子,需要四个H+离子经过ATP合成酶回流到基质中。当一个NADH的电子经过电子传递链的时候,有大约10个H+离子会从基质中被泵到膜间隙里,所以每个NADH能生产大约2.5个ATP。从FADH2来的电子进入电子传递链的部位比较靠后,所以只能泵出大约6个H+离子,产生大约1.5个ATP。
有了这个信息,我们可以对每个葡萄糖分子的产出进行一个小计:
阶段直接产品 (净)最终ATP产出 (净)
糖酵解2 ATP2 ATP
2 NADH3-5 ATP
丙酮酸氧化2 NADH5 ATP
三羧酸循环2 ATP/GTP2 ATP
6 NADH15 ATP
2 FADH23 ATP
总计30-32 ATP
上表中还有一处不精确的地方: 糖酵解的过程中从NADH得到的ATP数量。 这是因为糖酵解是在细胞液中发生的,而NADH无法穿过线粒体内膜将电子转移给复合体I. 它必须把电子传递给一个分子“运输系统”,通过一系列的步骤,才能最终到达电子传递链。
  • 你身体里的某些细胞的运输系统将FADH2释放的电子传输给电子传递链。在这种情况下,糖酵解产生的两个NADH只能制造3个ATP。
  • 你身体里的其它细胞的运输系统将NADH释放的电子传输给电子传递链,得到5个ATP.
细菌的糖酵解和三羧酸循环都是在细胞液里发生的,因此不需要运输系统,会产生5个ATP.
每个葡萄糖分子分解生成30-32个ATP是一个偏高的估计,实际产出可能低于这个值。比如,有些细胞呼吸的中间产物可能会离开细胞,被用到其它生物合成活动里去,从而降低ATP的产量。细胞呼吸是细胞中很多不同的新陈代谢活动的交汇点,它形成的 网络 中,葡萄糖的分解只是一条支线。

自测题

  1. 氰化物是毒药,因为它会阻断复合体IV,让它不能再传递电子。 氰化物中毒会如何影响1) 电子传递链 2) 线粒体内膜两端的质子梯度?
    选出正确答案:
  2. 二硝基酚 (DNP) 是一种解偶剂,让线粒体内膜发生质子泄漏。在1938年以前,这种药剂曾被用于减肥。DNP会如何影响细胞呼吸里ATP的产量? 你觉得为什么这种药现在不生产了?*
    选出正确答案:

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