生物化学与分子生物学/氧化磷酸化与ATP的生成

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生物氧化 - 线粒体氧化体系与呼吸链 - 氧化磷酸化与ATP的生成 - 氧化磷酸化的影响因素 - 其他氧化与抗氧化体系
细胞内由ADP磷酸化生成ATP的方式有两种,一种是与高能键水解反应偶联,直接将高能代谢物的能量转移至ADP, 生成ATP的过程,称为底物水平磷酸化,能够产生少量的ATP。人体90%的ATP是由线粒体中的氧化磷酸化产生的,而产生ATP所需的能量由线粒体氧化体系提供。即NADH和FADH2通过线粒体呼吸链逐步失去电子被氧化生成水,电子传递过程伴随着能量的逐步释放,此释能过程驱动ADP磷酸化生成ATP,所以NADH和FADH2的氧化过程与ADP的磷酸化过程相偶联,因而称之为氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)。

氧化磷酸化偶联部位在复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ内[编辑]

氧化磷酸化在线粒体中进行,包含两个关键过程,一是电子传递,二是将电子传递过程中释放的能量用于产生ATP,使能量通过ATP被储存起来供机体使用。成对电子经呼吸链传递所能合成ATP的分子数可反映该过程的效率。理论推测,将呼吸链中能够产生足够的能量使ADP磷酸化的部位称之为氧化与磷酸化的偶联部位,也就是能够生成ATP的部位,可根据下述实验方法及数据大致确定。

P/O比值[编辑]

一对电子通过氧化呼吸链传递给1个氧原子生成1分子H2O,其释放的能量使ADP磷酸化合成ATP, 此过程需要消耗氧和磷酸。P/O比值(phosphate/oxygen ratio)是指氧化磷酸化过程中,每消耗1/2mol O2所需磷酸的摩尔数,即所能合成ATP的摩尔数(或一对电子通过呼吸链传递给氧所生成ATP分子数)。
实验证明,丙酮酸等底物脱氢反应产生NADH+H+,通过NADH呼吸链传递,P/O比值接近2.5, 说明一对电子传递给l个氧原子需消耗约2.5分子的磷酸,因此NADH呼吸链可能存在3个ATP生成部位。而琥珀酸脱氢时,P/O比值接近1.5,说明琥珀酸呼吸链可能存在2个ATP生成部位。根据NADH、琥珀酸呼吸链P/O比值的差异,提示在NADH和泛醌之间(复合体Ⅰ)存在1个ATP生成部位。抗坏血酸底物可以直接通过Cyt c 传递电子进行氧化,其 P/O比值接近1,推测Cyt c 和O2之间(复合体Ⅳ)存在1个ATP生成部位。由此推测另1个ATP生成部位应在Q和Cyt c 之间(复合体Ⅲ)。所以,复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ可能是氧化磷酸化的偶联部位、用于产生ATP。一对电子经NADH呼吸链传递,P/O比值约为2.5, 生成2.5分子的ATP;一对电子经琥珀酸呼吸链传递,P/O比值约为1.5, 可产生1.5分子的ATP。

自由能变化[编辑]

根据热力学公式,pH7.0时标准自由能变化(ΔG)与还原电位变化(ΔE,标准还原电位表示物质对电子的亲和力,还原电位高更易于接受电子)之间有以下关系:
ΔG= -nFΔE
n为传递电子数;F为法拉第常数(96.5kJ/mol·V)。
从NAD+到Q之间测得的还原电位差约0.36V,从Q到Cyt c 电位差为0.19V, 从Cyt a、a3到分子氧为0.58V, 分别对应复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的电子传递。计算结果,它们相应释放的氧为0.58V, 分别对应复合体I、皿、N的电子传递 。计箕结果,它们相应释放的ΔG分别约为69.5kJ/mol、36.7kJ/mol、112 kJ/mol,而生成lmolATP约需要30.5kJ,可见复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ传递一对电子释放的能量能够满足生成ATP所需的能量。需要指出的是,偶联部位并非意味着这三个复合体是直接产生ATP的部位,而是指电子传递释放的能量,能满足ADP磷酸化生成ATP的需要。
电子传递过程中,一对电子经复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ传递分别向膜间隙侧泵出4H+、4H+和2H+, 共10个H+。由于线粒体内膜的不通透性,导致内膜两侧的H+浓度和电荷的差异。因此,呼吸链蛋白质复合体的质子泵功能形成线粒体内膜两侧的质子梯度,储存了电子传递过程释放的部分能量。

氧化磷酸化偶联机制是产生跨线粒体内膜的质子梯度[编辑]

1961年,英国科学家Mitchell P提出的化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)阐明了氧化磷酸化的偶联机制。其基本要点是:

  • 电子经呼吸链传递时释放的能量,通过复合体的质子泵功能,转运H+从线粒体基质到内膜的胞质侧;
  • 由于质子不能自由穿过线粒体内膜返回基质,从而形成跨线粒体内膜的质子电化学梯度(H+浓度梯度和跨膜电位差),储存电子传递释放的能量;
  • 质子的电化学梯度转变为质子驱动力,促使质子从膜间隙侧顺浓度梯度回流至基质、释放储存的势能,用于驱动ADP与Pi结合生成ATP。如一对电子自 NADH 传递至氧可释放约-220kJ/mol 的能量,同时将 10 个 H+从基质转移至膜间隙侧,形成的H+梯度储存约-200 kJ/mol, 当质子顺浓度梯度回流至基质时用于驱动ATP合成。

化学渗透假说示意图及各种抑制剂对电子传递链的影响.png
化学渗透假说已经得到广泛的实验支待:

  • 氧化磷酸化依赖于完整封闭的线粒体内膜;
  • 线粒体内膜对H+,OH-、K+、Cl-是不通透的;
  • 电子传递链可驱动质子移出线粒体,形成可测定的跨内膜电化学梯度;
  • 增加线粒体内膜外侧酸性可增加 ATP 合成,而阻止质子从线粒体基质泵出,可降低内膜两侧的质子梯度,虽然电子仍可以传递,但ATP生成却减少。

质子顺浓度梯度回流释放能量用于合成ATP[编辑]

跨线粒体内膜的H+梯度驱动质子顺浓度梯度回流至基质时,储存的能量被ATP合酶(ATP synthase)充分利用,催化ADP与Pi生成ATP。线粒体内膜上的复合体Ⅴ, 即为ATP合酶。ATP 合酶是多蛋白组成的蘑菇样结构,含F1(亲水部分,F1表示第一个被鉴定的与氧化磷酸化相关的因子)和F0(疏水部分,F0表示寡霉素敏感)两个功能结构域。F1为线粒体基质侧的蘑菇头状突起,其功能是催化ATP合成;而F0的大部分结构嵌入线粒体内膜中,组成离子通道,用于质子的回流。
动物细胞中,ATP合酶的F1部分主要由α3β3γσε亚基复合体和寡霉素敏感蛋白(oligomycin sensitive conferring protein, OSCP,易与寡霉素结合而失去活性)组成。3个α、β亚基间隔排列,形成αβ功能单元,像橘子瓣样围绕γ亚基形成六聚体 。F0嵌于线粒体内膜中,由疏水的a、b2、c9~12亚基组成,形成跨内膜质子通道。c亚基由短环连接的2个反向跨膜α-螺旋组成,9~12个c亚基围成环状结构;a亚基紧靠c亚基环外侧,由5个跨膜α-螺旋形成2个半穿透线粒体内膜的、不连通的亲水质子半通道,两个开口分别位于线粒体的基质侧和内膜的细胞质侧,两个半通道分别与1个c亚基相对应。
目前认为,ATP合酶由F0和F1组装成可旋转的发动机样结构,完成质子回流并驱动ATP合成。F0起支撑作用的2个b亚基通过长的亲水端铀定F1的a亚基,并通过σ亚基与α3β3稳固结合;嵌入内膜的b亚基的疏水端与F0中的a亚基结合,使a、b2和F1中的α3β3、σ亚基组成稳定的“定子”部分。F1部分γ和ε亚基共同形成中心轴,上端穿过α3β3的六聚体,γ可与β亚基疏松结合(相互作用),影响β亚基活性中心构象;下端与嵌入内膜的c亚基环紧密结合,使c亚基环、γ和ε亚基组成“转子”部分。
当质子顺梯度穿内膜向基质回流时,转子部分围绕定子部分进行旋转,使F1中的αβ功能单元利用释放的能量结合ADP和Pi并生成ATP。质子梯度强大势能驱动质子从a亚基的细胞质侧进入半通道,当通道口对应的1个c亚基的第61位关键Asp残基所带负电荷被H+中和后,c亚基能与疏水内膜相互接触而发生转动,当其转到能接触另一半通道口时,H+梯度的势能迫使Asp结合的H+从半通道出口释放进入线粒体基质。各c亚基可依次进行上述循环,导致c环和γ、ε亚基相对α3β3转动。因此,跨内膜质子形成的电化学梯度势能是ATP合酶转动的驱动力。
BoyerP提出了ATP合成的结合变构机制(binding change mechanism), β亚基有3种构象:开放型(O)无活性,与ATP亲和力低;疏松型(L)无活性,可与ADP和Pi底物疏松结合;紧密型(T)有催化ATP合成的活性,可紧密结合ATP。γ亚基转动时,会依次接触3组αβ单元中的β亚基,其相互作用 导致β亚基的构象发生周期性循环变化,ADP和Pi底物结合于L型的β亚基,质子流能量驱动合酶的转子部分进行转动,使该β亚基变构为T型,用于合成ATP;再次转动使β亚基变构为O型,释放出ATP。质子流能量用于驱动β亚基构象按顺序改变,分别结合ADP和Pi, 合成的ATP可从活性中心释放。
ATP合酶转子循环一周生成3分子ATP。实验数据表明,合成1分子ATP需要4个H+,其中3个H+通过ATP合酶穿线粒体内膜回流入基质,另l个H+用于转运ADP、Pi和ATP。每分子NADH经呼吸链传递泵出lOH+,生成约2.5(10/4)分子ATP;而琥珀酸呼吸链每传递2个电子泵出6H+,生成l.5(6/4)分子ATP。

ATP在能量代谢中起核心作用[编辑]

生物体内能址代谢有自己的特点:其一,细胞内生物大分子体系多通过弱键能的非共价键维系,不能承受能量的大增或大量释放的化学过程,故代谢反应都是依序进行、能量逐步得失;其二,生物体不直接利用营养物质的化学能,需要使之转变为细胞可以利用的能量形式,如ATP的化学能。ATP属于高能磷酸化合物,可直接为细胞的各种生理活动提供能量。所谓高能磷酸化合物是指那些水解时能释放较大自由能的含有磷酸基的化合物,通常其释放的标准自由能ΔG'大于25kJ/mol,并将水解时释放能量较多的磷酸酯键,称之为高能磷酸键,用"~P"符号表示。如水解ATP末端的磷酸酯键,ΔG'为-30.5kJ/mol, 是高能化合物;水解葡糖-6-磷酸的磷酸酯键,其ΔG'为-13.8kJ/mol, 即为普通的磷酸化合物。事实上,共价键的断裂是需要提供能量的,而具有高能磷酸键的化合物作为底物进行水解时,其产物比底物具有更低的自由能,因而释放的能量较多。此外,生物体内还有其他含高能磷酸键、高能硫酯键的化合物。

ATP是能量捕获和释放利用的重要分子[编辑]

ATP是体内最重要的高能磷酸化合物,是细胞可直接利用的能量形式。营养物分解产生的能量大约40%用于产生ATP。在标准状态下,ATP水解释放的自由能为30.5kJ/mol。但在活细胞中,ATP、ADP和无机磷浓度比标准状态低得多,而pH比标准状态的pH7.0高,ATP和ADP的全部磷酸基都处于解离状态,显示携带4个或3个负电荷的阴离子形式,并与细胞内Mg2+形成复合物。考虑到浓度等各种影响因素,细胞内ATP水解释放自由能可能达到52.3kJ/mol , 可用于驱动与之偶联反应的进行。因此,ATP最重要的意义是通过其水解释放大量自由能,当与需要供能的反应偶联时,能促进这些反应在生理条件下完成。如 ATP 直接参与各种代谢物的活化反应、合成生物大分子的反应;通过 ATP使分解代谢与合成代谢紧密相连;ATP 通过水解反应为耗能的跨膜转运、骨骼肌收缩、蛋白质构象的改变提供能量。

ATP是能量转移和核苷酸相互转变的核心[编辑]

细胞中存在的腺苷酸激酶(adenylate kinase)可催化ATP、ADP、AMP间互变。当体内ATP消耗过多(例如骨骼肌剧烈收缩)时,ADP累积,在腺苷酸激酶催化下由 ADP 转变成 ATP。当 ATP 的需求量降低时,AMP 从 ATP 中获得 ~P 生成 ADP。
UTP、CTP、GTP可为糖原、磷脂、蛋白质等合成反应提供能量,但它们一般不能从物质氧化过程中直接生成,而是在核苷二磷酸激酶的催化下,从 ATP 中获得 ~P 产生。反应如下:
ATP+UDP→ADP+UTP
ATP+CDP→ADP+CTP
ATP+GDP→ADP+GTP
生物体内能量的生成、转移和利用都以 ATP 为中心。ATP分子性质稳定,但寿命仅数分钟,不在细胞中储存,而是不断进行 ATP/ADP 的再循环,其相互转变的量十分可观,转变过程中伴随自由能的释放和获得,在各种生理活动中完成能量的穿梭转换,因此称为“能量货币”。

ATP通过转移自身基团提供能量[编辑]

因为 ATP分子中的高能磷酸键水解释放能量多,并产生 Pi、PPi 基团,很多酶促反应由 ATP 通过共价键与底物或蛋白质等相连,将ATP分子中的 Pi、PPi 或者 AMP 基团转移到底物或蛋白分子上而形成中间产物,使其获得更多的自由能,经过化学转变后再将这些基团水解而形成终产物。因此,ATP通过这种方式参与酶促反应并提供能量,而不仅仅是单纯的水解反应。例如,ATP 给葡萄糖提供磷酸基和能量,合成的葡糖-6-磷酸容易进入糖酵解或其他代谢途径。

磷酸肌酸也是储存能量的高能化合物[编辑]

ATP 的生成、储存和利用

ATP 充足时,通过转移末端 ~P 给肌酸,生成磷酸肌酸(creatine phosphate, CP), 储存于需能较多的骨骼肌、心肌和脑组织中。当迅速消耗 ATP 时,磷酸肌酸可将~P 转移给 ADP, 生成 ATP, 补充 ATP 的不足。所以 ATP 在体内能量捕获、转移、储存和利用过程中处于中心位置。