細胞生物學/細胞呼吸與能量轉換

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線粒體與細胞的能量轉換 - 線粒體的基本特徵 - 細胞呼吸與能量轉換 - 線粒體與疾病
較高等的動物都能依靠呼吸系統從外界吸取O2並排出CO2。從某種意義上說細胞中也存在有這樣的呼吸作用,即在細胞內特定的細胞器(主要是線粒體)內,在O2的參與下,分解各種大分子物質,產生CO2;與此同時,分解代謝所釋放出的能量儲存於ATP中,這一過程稱為細胞呼吸(cellular respiration), 也稱為生物氧化(biological oxidation)或細胞氧化(cellular oxidation)。細胞呼吸是細胞內提供生物能源的主要途徑,它的化學本質與燃燒反應相同,最終產物都是CO2和H2O, 釋放的能量也完全相等。但是,細胞呼吸具有以下特點:①細胞呼吸本質上是在線粒體中進行的一系列由酶系所催化的氧化還原反應;②所產生的能雖儲存於ATP的高能磷酸鍵中;③整個反應過程是分步進行的,能量也是逐步釋放的;④反應是在恆溫(37℃)和恆壓條件下進行的;⑤反應過程中需要H2O的參與。
細胞呼吸所產生的能量並不像燃燒所產生的熱能那樣散發出來,而是儲存於細胞能噩轉換分子ATP中。ATP是一種高能磷酸化合物,細胞呼吸時,釋放的能量可通過ADP的磷酸化而及時儲存於ATP的高能磷酸鍵中作為備用;反之,當細胞進行各種活動需要能量時,又可去磷酸化,斷裂一個高能磷酸鍵以釋放能量來滿足機體需要。
隨着細胞內不斷進行的能盤釋放和儲存,ATP與ADP不停地進行着互變。因為ATP是細胞內能量轉換的中間攜帶者,所以被形象地稱為「能量貨幣」。ATP是細胞生命活動的直接供能者,也是細胞內能量獲得、轉換儲存和利用等環節的聯繫紐帶。
ATP中所攜帶的能量來源於糖、胺基酸和脂肪酸等的氧化,這些物質的氧化是能量轉換的前提。以葡萄糖氧化為例,從糖酵解到ATP的形成是一個極其複雜的過程,大體分為三個步驟:即糖酵解(glycolysis)、三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)和氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)。蛋白質和脂肪的徹底氧化只在第一步中與糖有所區別。

葡萄糖在細胞質中的糖酵解[編輯]

糖酵解在細胞質中進行,其過程可概括如下:
1分子葡萄糖經過十多步反應,生成2分子丙酮酸,同時脫下2對H交給受氫體NAD+攜帶,形成2分子NADH+H+。NAD+能可逆地接受2個電子和1個H+, 另l個H+則留在溶質中。在糖酵解過程中一共生成4分子ATP,但由於要消耗2分子ATP,所以淨生成2分子的ATP。若從糖原開始糖酵解,因不需消耗1分子ATP使葡萄糖磷酸化,則總反應淨生成3分子ATP。這種由高能底物水解放能,直接將高能磷酸鍵從底物轉移到ADP上,使ADP磷酸化生成ATP的作用,稱為底物水平磷酸化(substrate-level phosphorylation)。
糖酵解產物丙酮酸的代謝去路,因不同生活狀態的生物而異。專性厭氧生物在無氧情況下,丙酮酸可由NADH+H+供氫而還原為乳酸或乙醇,從而完成無氧氧化過程。專性需氧生物在供氧充足時,丙酮酸與NADH+H+將作為有氧氧化原料進入線粒體中。丙酮酸進入線粒體的機制尚不完全明了,可能以其自身的 脂溶性通過線粒體內膜;NADH+H+本身不能透過線粒體內膜,故NADH+H+進入線粒體的方式較為複雜,必須藉助於線粒體內膜上特異性穿梭系統進入線粒體內。肝臟、腎臟和心肌線粒體轉運NADH+H+的主要方式為胞質中NADH+H+經蘋果酸脫氫酶作用,使草醯乙酸接受2個H而成為蘋果酸;蘋果酸經內膜上蘋果酸-α-酮戊二酸逆向運輸載體的變構作用轉入線粒體內;進入線粒體的蘋果酸在蘋果酸脫氫酶作用下,以NAD+為受氫體形成草醯乙酸和NADH+H+;而草醯乙酸不能經內膜回到胞液,於是它與穀氨酸經谷-草轉氨酶的作用而相互轉變為天冬氨酸和α-酮戊二酸,這兩者都能在逆向運輸載體的幫助下透過內膜進入胞質中去;線粒體內消耗的穀氨酸則由胞液內的穀氨酸與外出的天冬氨酸通過穀氨酸-天冬氨酸逆向運輸載體實現交換運輸以取得補充。另外,在腦和昆蟲的飛翔肌中還存在一種α-磷酸甘油穿梭系統。
在線粒體基質中丙酮酸脫氫酶體系作用下,丙酮酸進一步分解為乙醯輔酶A ,NAD+作為受氫體被還原:

2CH3COCOOH+2HSCoA+2NAD+→2CH3CO-ScoA+2CO2+2NADH+2H+

線粒體基質中的三羧酸循環[編輯]

在線粒體基質中,乙醯CoA與草醯乙酸結合成檸檬酸而進入檸檬酸循環,由於檸檬酸有3個羧基,故也叫三羧酸循環(TCA循環)。
循環中,檸檬酸經過一系列酶促的氧化脫氫和脫羧反應,其中的2個碳原子氧化形成CO2, 從而削減了2個碳原子。在循環的未端,又重新生成草醯乙酸,而草醯乙酸又可和另1分子乙醯CoA結合,生成檸檬酸,開始下一個循環,如此周而復始。整個過程中,總共消耗了3分子H2O, 生成1分子的GTP(可轉換為1分子的ATP)、4對H和2分子CO2。脫下的4對H, 其中3對以NAD+為受氫體,另l對以FAD為受氫體。FAD能可逆地接受2個H, 即2個質子和2個電子,轉變成還原態FADH2。ATP/ADP及NADH/NAD+比值高時均能降低三羧酸循環的速度。三羧酸循環總的反應式為:

2CH2COSCoA+6NAD++2FAD+2ADP+2Pi+6H2O→4CO2+6NADH+6H++2FADH2+2HSCoA+2ATP

三羧酸循環是各種有機物進行最後氧化的過程,也是各類有機物相互轉化的樞紐。除了丙酮酸外,脂肪酸和一些胺基酸也從細胞質進入線粒體,並進一步轉化成乙醯CoA或三羧酸循環的其他中間體。三羧酸循環的中間產物可用來合成包括胺基酸、卟啉及嘧啶核苷酸在內的許多物質。只有經過三羧酸循環,有機物才能進行完全氧化,提供遠比糖無氧酵解所能提供的多得多的能量,供生命活動的需要。

氧化磷酸化耦聯與ATP形成[編輯]

氧化磷酸化是釋放代謝能的主要環節,在這個過程中,NADH和FADH2分子把它們從食物氧化得來的電子轉移到氧分子。這一反應相當於氫原子在空氣中燃燒最終形成水的過程,釋放出的能量絕大部分用於生成ATP,少部分以熱的形式釋放。

呼吸鏈和ATP合酶複合體是氧化磷酸化的結構基礎[編輯]

1、呼吸鏈是一系列能夠可逆地接受和釋放H+和e-的酶體系 1分子的葡萄糖經無氧氧化、丙酮酸脫氫和三羧酸循環,共產生了6分子的CO2和12對H,這些H必須進一步氧化成為水,整個有氧氧化過程才告結束。但H並不能與O2直接結合,一般認為H須首先離解為H+和e-,電子經過線粒體內膜上酶體系的逐級傳遞,最終使1/2 O2成為O2-,後者再與基質中的2個H+化合生成H2O。這一傳遞電子的酶體系是由一系列能夠可逆地接受和釋放H+和e-的化學物質所組成,它們在內膜上有序地排列成相互關聯的鏈狀,稱為呼吸鏈(respiratory chain)或電子傳遞呼吸鏈(electron transport respiratory chain)。
只傳遞電子的酶和輔酶稱為電子傳遞體,它們可分為醌類、細胞色素和鐵硫蛋白三類化合物;既傳遞電子又傳遞質子的酶和輔酶稱為遞氫體。除了泛醌(輔酶Q,CoQ)和細胞色素c(Cyt c)之外,呼吸鏈其他成員分別組成了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個脂類蛋白質複合體,它們是線粒體內膜的整合蛋白。CoQ是脂溶性的蛋白質,可在脂雙層中從膜的一側向另一側移動;細胞色素c是膜周邊蛋白,可在膜表面移動。
2、ATP合酶複合體催化ATP的合成 線粒體內膜(包括嵴)的內表面附有許多圓球形基粒。基粒由頭部、柄部和基片3部分組成:頭部呈球形,直徑約8 ~9nm; 柄部直徑約4nm,長4.5~5nm; 頭部與柄部相連凸出在內膜表面,柄部則與嵌入內膜的基片相連。進一步研究表明,基粒是將呼吸鏈電子傳遞過程中所釋放的能量(質子濃度梯度和電位差)用於使ADP磷酸化生成ATP的關鍵裝置,是由多種多肽構成的複合體,其化學本質是ATP合酶或ATP合酶複合體,也稱F0F1ATP合酶。

氧化過程伴隨着磷酸化的耦聯[編輯]

經糖酵解和三羧酸循環產生的NADH和FADH2是兩種還原性的電子載體,它們所攜帶的電子經線粒體內膜上的呼吸鏈逐級定向傳遞給O2,本身則被氧化。由於電子傳遞所產生的質子(H+)濃度梯度和電位差,其中所蘊藏的能量被F0F1ATP合酶用來催化ADP磷酸化而合成ATP, 這就是氧化磷酸化耦聯或氧化磷酸化作用。
在正常情況下,氧化水平總是和磷酸化水平密切耦聯的。根據對相鄰電子載體的氧化還原電位和質子數的測定表明,呼吸鏈中有3個主要的質子由基質轉運到膜間腔的部位,即NADH→FMN, 細胞色素b→細胞色素c之間,細胞色素a-O2之間。由這些質子在線粒體膜間腔和線粒體基質之間形成的濃度梯度和電位差,足以使2.5分子ADP磷酸化生成2.5分子的ATP。載氫體NADH和FADH2進入呼吸鏈的部位不同,所形成的ATP也有差異。1分子NADH+H+經過電子傳遞, 釋放的能量可以形成2.5分子ATP;而1分子FADH2所釋放的能量則能夠形成1.5分子ATP。
綜上所述,葡萄糖完全氧化所釋放的能量主要通過兩條途徑形成ATP: ①底物水平磷酸化生成4分子ATP,其中在糖酵解和三狻酸循環中分別生成2分子ATP;②氧化磷酸化生成28個ATP分子。在葡萄糖的氧化過程中,一共產生12對H, 其中的10對以NAD+為載氫體,經氧化磷酸化作用可生成25個ATP分子,2對以FAD為載氫體進入電子傳遞鏈,經氧化磷酸化作用可生成3個ATP分子,共產生28個ATP分子。因此,1分子葡萄糖完全氧化共可生成32分子ATP, 其中僅有2分子ATP 是在線粒體外通過糖酵解形成的。葡萄糖有氧氧化的產能效率大大高出無氧酵解的能量利用效率。

電子傳遞時H+穿膜形成電化學梯度[編輯]

關於電子傳遞同磷酸化的耦聯機制至今尚未徹底闡明,曾先後有過許多假說,目前被廣泛接受的是英國化學家P.Mitchell(l961)提出的化學滲透假說(chemjosmotic coupling hypothesis)。該假說認為氧化磷酸化耦聯的基本原理是電子傳遞中的自由能差造成H+穿膜傳遞,暫時轉變為橫跨線粒體內膜的電化學質子梯度(electrochemical proton gradient)。然後,質子順梯度回流並釋放出能量, 驅動結合在內膜上的ATP合酶,催化ADP磷酸化合成ATP。這一過程可綜合如下:①NADH或FADH2提供一對電子,經電子傳遞鏈,最後為O2所接受;②電子傳遞鏈同時起H+泵的作用,在傳遞電子的過程中伴隨着H+從線粒體基質到膜間腔的轉移;③線粒體內膜對H+和OH-具有不可透性,所以隨着電子傳遞過程的進行,H+在膜間腔中積累,造成了內膜兩側的質子濃度差,從而保持了一定的勢能差;④膜間腔中的H+有順濃度返回基質的傾向,能藉助勢能通過ATP酶複合體F0上的質子通道滲透到線粒體基質中,所釋放的自由能驅動F0F1ATP合酶合成ATP。
化學滲透假說有兩個特點,一是需要定向的化學反應;二是突出了膜的結構。該學說可以解釋氧化磷酸化過程中的許多特性,也得到了很多實驗結果的支持。但是也仍存在一些難以用化學滲透假說解釋的實驗結果,因此還必須不斷地修改和完善。相繼有人提出了一些新的理論,包括變構假說、碰撞假說等,但都存在一定的問題。

電化學梯度所包含的能量轉換成ATP的化學能[編輯]

ADP和Pi在F。F0F1ATP合酶的催化下合成ATP, 可是F1因子究竟如何利用H+的電化學梯度勢能使ADP和無機磷酸間建立共價鍵形成ATP, 這仍是一個謎。Paul D. Boyer(1989)提出了結合變構機制(binding-change mechanism )來解釋F1因子在ATP合成中的作用過程。他認為當質子穿過F1因子的活性部位時可引起F1顆粒的構象變化,導致底物(ADP和Pi)同活性部位的緊密結合和產物(ATP)的釋放。在此模型中,ADP和Pi合成ATP的反應不需要能量,而F1構象變化時要依賴能量供應,所需的能量一方面是用來使ATP同活性部位的結合由緊密狀態變為疏鬆狀態,便於釋放ATP; 另一方面使ADP和Pi同活性部位的結合由疏鬆變為緊密以利於ADP同Pi發生反應合成ATP, Boye1因此獲得了1997年的諾貝爾化學獎。
氧化磷酸化所需的ADP和Pi是細胞質輸入到線粒體基質中的,而合成ATP則要輸往線粒體外,可是線粒體內膜具有高度不透性,因此這些物質進出線粒體俙要依靠專門的結構。線粒體內膜上有一些專一性轉運蛋白同這些物質進出線粒體有關,例如其中的一種為腺昔酸轉移酶能利用內膜內外H+梯度差把ADP和Pi運進線粒體基質,而把ATP輸往線粒體外。