生物化學與分子生物學/氧化磷酸化與ATP的生成

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生物氧化 - 線粒體氧化體系與呼吸鏈 - 氧化磷酸化與ATP的生成 - 氧化磷酸化的影響因素 - 其他氧化與抗氧化體系
細胞內由ADP磷酸化生成ATP的方式有兩種,一種是與高能鍵水解反應偶聯,直接將高能代謝物的能量轉移至ADP, 生成ATP的過程,稱為底物水平磷酸化,能夠產生少量的ATP。人體90%的ATP是由線粒體中的氧化磷酸化產生的,而產生ATP所需的能量由線粒體氧化體系提供。即NADH和FADH2通過線粒體呼吸鏈逐步失去電子被氧化生成水,電子傳遞過程伴隨著能量的逐步釋放,此釋能過程驅動ADP磷酸化生成ATP,所以NADH和FADH2的氧化過程與ADP的磷酸化過程相偶聯,因而稱之為氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)。

氧化磷酸化偶聯部位在複合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ內[編輯]

氧化磷酸化在線粒體中進行,包含兩個關鍵過程,一是電子傳遞,二是將電子傳遞過程中釋放的能量用於產生ATP,使能量通過ATP被儲存起來供機體使用。成對電子經呼吸鏈傳遞所能合成ATP的分子數可反映該過程的效率。理論推測,將呼吸鏈中能夠產生足夠的能量使ADP磷酸化的部位稱之為氧化與磷酸化的偶聯部位,也就是能夠生成ATP的部位,可根據下述實驗方法及數據大致確定。

P/O比值[編輯]

一對電子通過氧化呼吸鏈傳遞給1個氧原子生成1分子H2O,其釋放的能量使ADP磷酸化合成ATP, 此過程需要消耗氧和磷酸。P/O比值(phosphate/oxygen ratio)是指氧化磷酸化過程中,每消耗1/2mol O2所需磷酸的摩爾數,即所能合成ATP的摩爾數(或一對電子通過呼吸鏈傳遞給氧所生成ATP分子數)。
實驗證明,丙酮酸等底物脫氫反應產生NADH+H+,通過NADH呼吸鏈傳遞,P/O比值接近2.5, 說明一對電子傳遞給l個氧原子需消耗約2.5分子的磷酸,因此NADH呼吸鏈可能存在3個ATP生成部位。而琥珀酸脫氫時,P/O比值接近1.5,說明琥珀酸呼吸鏈可能存在2個ATP生成部位。根據NADH、琥珀酸呼吸鏈P/O比值的差異,提示在NADH和泛醌之間(複合體Ⅰ)存在1個ATP生成部位。抗壞血酸底物可以直接通過Cyt c 傳遞電子進行氧化,其 P/O比值接近1,推測Cyt c 和O2之間(複合體Ⅳ)存在1個ATP生成部位。由此推測另1個ATP生成部位應在Q和Cyt c 之間(複合體Ⅲ)。所以,複合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ可能是氧化磷酸化的偶聯部位、用於產生ATP。一對電子經NADH呼吸鏈傳遞,P/O比值約為2.5, 生成2.5分子的ATP;一對電子經琥珀酸呼吸鏈傳遞,P/O比值約為1.5, 可產生1.5分子的ATP。

自由能變化[編輯]

根據熱力學公式,pH7.0時標準自由能變化(ΔG)與還原電位變化(ΔE,標準還原電位表示物質對電子的親和力,還原電位高更易於接受電子)之間有以下關係:
ΔG= -nFΔE
n為傳遞電子數;F為法拉第常數(96.5kJ/mol·V)。
從NAD+到Q之間測得的還原電位差約0.36V,從Q到Cyt c 電位差為0.19V, 從Cyt a、a3到分子氧為0.58V, 分別對應複合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ的電子傳遞。計算結果,它們相應釋放的氧為0.58V, 分別對應複合體I、皿、N的電子傳遞 。計箕結果,它們相應釋放的ΔG分別約為69.5kJ/mol、36.7kJ/mol、112 kJ/mol,而生成lmolATP約需要30.5kJ,可見複合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ傳遞一對電子釋放的能量能夠滿足生成ATP所需的能量。需要指出的是,偶聯部位並非意味著這三個複合體是直接產生ATP的部位,而是指電子傳遞釋放的能量,能滿足ADP磷酸化生成ATP的需要。
電子傳遞過程中,一對電子經複合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ傳遞分別向膜間隙側泵出4H+、4H+和2H+, 共10個H+。由於線粒體內膜的不通透性,導致內膜兩側的H+濃度和電荷的差異。因此,呼吸鏈蛋白質複合體的質子泵功能形成線粒體內膜兩側的質子梯度,儲存了電子傳遞過程釋放的部分能量。

氧化磷酸化偶聯機制是產生跨線粒體內膜的質子梯度[編輯]

1961年,英國科學家Mitchell P提出的化學滲透假說(chemiosmotic hypothesis)闡明了氧化磷酸化的偶聯機制。其基本要點是:

  • 電子經呼吸鏈傳遞時釋放的能量,通過複合體的質子泵功能,轉運H+從線粒體基質到內膜的胞質側;
  • 由於質子不能自由穿過線粒體內膜返回基質,從而形成跨線粒體內膜的質子電化學梯度(H+濃度梯度和跨膜電位差),儲存電子傳遞釋放的能量;
  • 質子的電化學梯度轉變為質子驅動力,促使質子從膜間隙側順濃度梯度回流至基質、釋放儲存的勢能,用於驅動ADP與Pi結合生成ATP。如一對電子自 NADH 傳遞至氧可釋放約-220kJ/mol 的能量,同時將 10 個 H+從基質轉移至膜間隙側,形成的H+梯度儲存約-200 kJ/mol, 當質子順濃度梯度回流至基質時用於驅動ATP合成。

化學滲透假說示意圖及各種抑制劑對電子傳遞鏈的影響.png
化學滲透假說已經得到廣泛的實驗支待:

  • 氧化磷酸化依賴於完整封閉的線粒體內膜;
  • 線粒體內膜對H+,OH-、K+、Cl-是不通透的;
  • 電子傳遞鏈可驅動質子移出線粒體,形成可測定的跨內膜電化學梯度;
  • 增加線粒體內膜外側酸性可增加 ATP 合成,而阻止質子從線粒體基質泵出,可降低內膜兩側的質子梯度,雖然電子仍可以傳遞,但ATP生成卻減少。

質子順濃度梯度回流釋放能量用於合成ATP[編輯]

跨線粒體內膜的H+梯度驅動質子順濃度梯度回流至基質時,儲存的能量被ATP合酶(ATP synthase)充分利用,催化ADP與Pi生成ATP。線粒體內膜上的複合體Ⅴ, 即為ATP合酶。ATP 合酶是多蛋白組成的蘑菇樣結構,含F1(親水部分,F1表示第一個被鑑定的與氧化磷酸化相關的因子)和F0(疏水部分,F0表示寡黴素敏感)兩個功能結構域。F1為線粒體基質側的蘑菇頭狀突起,其功能是催化ATP合成;而F0的大部分結構嵌入線粒體內膜中,組成離子通道,用於質子的回流。
動物細胞中,ATP合酶的F1部分主要由α3β3γσε亞基複合體和寡黴素敏感蛋白(oligomycin sensitive conferring protein, OSCP,易與寡黴素結合而失去活性)組成。3個α、β亞基間隔排列,形成αβ功能單元,像橘子瓣樣圍繞γ亞基形成六聚體 。F0嵌於線粒體內膜中,由疏水的a、b2、c9~12亞基組成,形成跨內膜質子通道。c亞基由短環連接的2個反向跨膜α-螺旋組成,9~12個c亞基圍成環狀結構;a亞基緊靠c亞基環外側,由5個跨膜α-螺旋形成2個半穿透線粒體內膜的、不連通的親水質子半通道,兩個開口分別位於線粒體的基質側和內膜的細胞質側,兩個半通道分別與1個c亞基相對應。
目前認為,ATP合酶由F0和F1組裝成可旋轉的發動機樣結構,完成質子回流並驅動ATP合成。F0起支撐作用的2個b亞基通過長的親水端鈾定F1的a亞基,並通過σ亞基與α3β3穩固結合;嵌入內膜的b亞基的疏水端與F0中的a亞基結合,使a、b2和F1中的α3β3、σ亞基組成穩定的「定子」部分。F1部分γ和ε亞基共同形成中心軸,上端穿過α3β3的六聚體,γ可與β亞基疏鬆結合(相互作用),影響β亞基活性中心構象;下端與嵌入內膜的c亞基環緊密結合,使c亞基環、γ和ε亞基組成「轉子」部分。
當質子順梯度穿內膜向基質回流時,轉子部分圍繞定子部分進行旋轉,使F1中的αβ功能單元利用釋放的能量結合ADP和Pi並生成ATP。質子梯度強大勢能驅動質子從a亞基的細胞質側進入半通道,當通道口對應的1個c亞基的第61位關鍵Asp殘基所帶負電荷被H+中和後,c亞基能與疏水內膜相互接觸而發生轉動,當其轉到能接觸另一半通道口時,H+梯度的勢能迫使Asp結合的H+從半通道出口釋放進入線粒體基質。各c亞基可依次進行上述循環,導致c環和γ、ε亞基相對α3β3轉動。因此,跨內膜質子形成的電化學梯度勢能是ATP合酶轉動的驅動力。
BoyerP提出了ATP合成的結合變構機制(binding change mechanism), β亞基有3種構象:開放型(O)無活性,與ATP親和力低;疏鬆型(L)無活性,可與ADP和Pi底物疏鬆結合;緊密型(T)有催化ATP合成的活性,可緊密結合ATP。γ亞基轉動時,會依次接觸3組αβ單元中的β亞基,其相互作用 導致β亞基的構象發生周期性循環變化,ADP和Pi底物結合於L型的β亞基,質子流能量驅動合酶的轉子部分進行轉動,使該β亞基變構為T型,用於合成ATP;再次轉動使β亞基變構為O型,釋放出ATP。質子流能量用於驅動β亞基構象按順序改變,分別結合ADP和Pi, 合成的ATP可從活性中心釋放。
ATP合酶轉子循環一周生成3分子ATP。實驗數據表明,合成1分子ATP需要4個H+,其中3個H+通過ATP合酶穿線粒體內膜回流入基質,另l個H+用於轉運ADP、Pi和ATP。每分子NADH經呼吸鏈傳遞泵出lOH+,生成約2.5(10/4)分子ATP;而琥珀酸呼吸鏈每傳遞2個電子泵出6H+,生成l.5(6/4)分子ATP。

ATP在能量代謝中起核心作用[編輯]

生物體內能址代謝有自己的特點:其一,細胞內生物大分子體系多通過弱鍵能的非共價鍵維繫,不能承受能量的大增或大量釋放的化學過程,故代謝反應都是依序進行、能量逐步得失;其二,生物體不直接利用營養物質的化學能,需要使之轉變為細胞可以利用的能量形式,如ATP的化學能。ATP屬於高能磷酸化合物,可直接為細胞的各種生理活動提供能量。所謂高能磷酸化合物是指那些水解時能釋放較大自由能的含有磷酸基的化合物,通常其釋放的標準自由能ΔG'大於25kJ/mol,並將水解時釋放能量較多的磷酸酯鍵,稱之為高能磷酸鍵,用"~P"符號表示。如水解ATP末端的磷酸酯鍵,ΔG'為-30.5kJ/mol, 是高能化合物;水解葡糖-6-磷酸的磷酸酯鍵,其ΔG'為-13.8kJ/mol, 即為普通的磷酸化合物。事實上,共價鍵的斷裂是需要提供能量的,而具有高能磷酸鍵的化合物作為底物進行水解時,其產物比底物具有更低的自由能,因而釋放的能量較多。此外,生物體內還有其他含高能磷酸鍵、高能硫酯鍵的化合物。

ATP是能量捕獲和釋放利用的重要分子[編輯]

ATP是體內最重要的高能磷酸化合物,是細胞可直接利用的能量形式。營養物分解產生的能量大約40%用於產生ATP。在標準狀態下,ATP水解釋放的自由能為30.5kJ/mol。但在活細胞中,ATP、ADP和無機磷濃度比標準狀態低得多,而pH比標準狀態的pH7.0高,ATP和ADP的全部磷酸基都處於解離狀態,顯示攜帶4個或3個負電荷的陰離子形式,並與細胞內Mg2+形成複合物。考慮到濃度等各種影響因素,細胞內ATP水解釋放自由能可能達到52.3kJ/mol , 可用於驅動與之偶聯反應的進行。因此,ATP最重要的意義是通過其水解釋放大量自由能,當與需要供能的反應偶聯時,能促進這些反應在生理條件下完成。如 ATP 直接參與各種代謝物的活化反應、合成生物大分子的反應;通過 ATP使分解代謝與合成代謝緊密相連;ATP 通過水解反應為耗能的跨膜轉運、骨骼肌收縮、蛋白質構象的改變提供能量。

ATP是能量轉移和核苷酸相互轉變的核心[編輯]

細胞中存在的腺苷酸激酶(adenylate kinase)可催化ATP、ADP、AMP間互變。當體內ATP消耗過多(例如骨骼肌劇烈收縮)時,ADP累積,在腺苷酸激酶催化下由 ADP 轉變成 ATP。當 ATP 的需求量降低時,AMP 從 ATP 中獲得 ~P 生成 ADP。
UTP、CTP、GTP可為糖原、磷脂、蛋白質等合成反應提供能量,但它們一般不能從物質氧化過程中直接生成,而是在核苷二磷酸激酶的催化下,從 ATP 中獲得 ~P 產生。反應如下:
ATP+UDP→ADP+UTP
ATP+CDP→ADP+CTP
ATP+GDP→ADP+GTP
生物體內能量的生成、轉移和利用都以 ATP 為中心。ATP分子性質穩定,但壽命僅數分鐘,不在細胞中儲存,而是不斷進行 ATP/ADP 的再循環,其相互轉變的量十分可觀,轉變過程中伴隨自由能的釋放和獲得,在各種生理活動中完成能量的穿梭轉換,因此稱為「能量貨幣」。

ATP通過轉移自身基團提供能量[編輯]

因為 ATP分子中的高能磷酸鍵水解釋放能量多,並產生 Pi、PPi 基團,很多酶促反應由 ATP 通過共價鍵與底物或蛋白質等相連,將ATP分子中的 Pi、PPi 或者 AMP 基團轉移到底物或蛋白分子上而形成中間產物,使其獲得更多的自由能,經過化學轉變後再將這些基團水解而形成終產物。因此,ATP通過這種方式參與酶促反應並提供能量,而不僅僅是單純的水解反應。例如,ATP 給葡萄糖提供磷酸基和能量,合成的葡糖-6-磷酸容易進入糖酵解或其他代謝途徑。

磷酸肌酸也是儲存能量的高能化合物[編輯]

ATP 的生成、儲存和利用

ATP 充足時,通過轉移末端 ~P 給肌酸,生成磷酸肌酸(creatine phosphate, CP), 儲存於需能較多的骨骼肌、心肌和腦組織中。當迅速消耗 ATP 時,磷酸肌酸可將~P 轉移給 ADP, 生成 ATP, 補充 ATP 的不足。所以 ATP 在體內能量捕獲、轉移、儲存和利用過程中處於中心位置。