生物化學與分子生物學/氧化磷酸化的影響因素

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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
ATP 作為機體最主要的能量載體,其生成量主要取決於氧化磷酸化的速率。機體根據自身能量需求通過調節氧化磷酸化的速率來調節 ATP的合成。 因此,能夠影響NADH、FADH2的產生、影響呼吸鏈組分和 ATP合酶功能的因素,都會影響氧化磷酸化進而影響 ATP的生成。

體內能量狀態調節氧化磷酸化速率[編輯]

機體根據能量需求調節氧化磷酸化速率,從而調節 ATP的生成量。電子的氧化和 ADP的磷酸化是氧化磷酸化的根本,通常線粒體中氧的消耗量是被嚴格調控的,其消耗量取決於 ADP的含量,因此,ADP是調節機體氧化磷酸化速率的主要因素,只有 ADP和Pi充足時電子傳遞的速率和耗氧量才會提高。
細胞內 ADP的濃度以及 ATP/ADP的比值能夠迅速感應機體能量狀態的變化。當機體蛋白質合成等耗能代謝反應活躍時,對能量的需求大為增加,ATP分解為 ADP和Pi的速率增加,使 ATP/ADP 的比值降低、ADP的濃度增加,ADP進入線粒體後迅速用於磷酸化,氧化磷酸化隨之加速,合成的 ATP 用於滿足需求,直到 ATP/ADP的比值回升至正常水平後,氧化磷酸化速率也隨之放緩。通過這種方式使 ATP的合成速率適應機體的生理需要。另外,ATP和 ADP的相對濃度也同時調節糖酵解、三羧酸循環途徑,滿足氧化磷酸化對NADH和FADH2的需求。另外 ATP的濃度較高時,氧化磷酸化速率會降低,是因為ATP通過別構調節的方式抑制糖酵解、降低三羧酸循環的速率,協調調節產能的相關途徑。

抑制劑阻斷氧化磷酸化過程[編輯]

抑制劑通過阻斷電子傳遞鏈的任何環節,或者抑制 ADP的磷酸化過程,都可導致ATP的合成減少,同時線粒體對氧的需求也減少,細胞的呼吸作用降低,細胞的各種生命活動都會受到影響。

呼吸鏈抑制劑阻斷電子傳遞過程[編輯]

此類抑制劑能在特異部位阻斷線粒體呼吸鏈中的電子傳遞、降低線粒體的耗氧量,阻斷 ATP的產生。例如,魚藤酮(rotenone)、粉蝶黴素 A(piericidin A)及異戊巴比妥(amobarbital)等可抑制複合體Ⅰ, 從而阻斷電子從鐵硫中心到泛酣的傳遞。萎鏽靈(carboxin)是複合體Ⅱ的抑制劑。抗黴素 A(antimycin A )阻斷電子從Cyt b到QN的傳遞,是複合體Ⅲ的抑制劑。
CN-,N3-能夠緊密結合複合體Ⅳ中氧化型Cyt a3, 阻斷電子由Cyt a到CuB-Cyt a3的傳遞。CO與還原型Cyt a3結合,阻斷電子傳遞給O2。許多室內的火災事故,由於裝飾材料中的化學物質經高溫處理後形成HCN, 造成人員的CO、CN-中毒,能量代謝受阻,細胞的呼吸作用停止,直接威脅生命。

解偶聯劑阻斷ADP的磷酸化過程[編輯]

解偶聯劑(uncoupler)可使氧化與磷酸化的偶聯分離,電子可沿呼吸鏈正常傳遞,但建立的質子電化學梯度被破壞,不能驅動 ATP合酶來合成ATP。如二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP)為脂溶性物質,在線粒體內膜中可自由移動,進入基質時釋出H+,返回細胞質側時結合H+,從而破壞了H+的電化學梯度,無法驅動 ATP的合成。
機體也存在內源性解偶聯劑,使H+不通過 ATP合酶、而是通過其他途徑回流至線粒體基質,因而ATP的生成受到抑制。如人(尤其是新生兒)、哺乳類動物中存在棕色脂肪組織,該組織中含有大量的線粒體,因而細胞色素蛋白明顯增多,大量血紅素的強吸光能力而使其帶有顏色。棕色脂肪組織的線粒體內膜中富含一種特別的蛋白質,稱解偶聯蛋白1 (uncoupling protein 1, UCPl)。它是由2個32kD 亞基組成的二聚體,在線粒體內膜上形成質子通道,內膜細胞質側的H+可經此通道返回線粒體基質,使氧化磷酸化解偶聯不生成 ATP,但質子梯度儲存的能量以熱能形式釋放,因此棕色脂肪組織是產熱禦寒組織。新生兒硬腫症是因為缺乏棕色脂肪組織,不能維待正常體溫而使皮下脂肪凝固所致。現已發現在骨骼肌等組織的線粒體中存在UCPl的同源蛋白質UCP2、UCP3,但無解偶聯作用,它們在禁食條件下表達增加,可能有其他的功能。另外,體內游離脂肪酸也可促進H+經解偶聯蛋白回流至線粒體基質中而減少 ATP的生成。

ATP合酶抑制劑同時抑制電子傳遞和ATP的生成[編輯]

ATP合酶的抑制劑對電子傳遞及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡黴素(oligomycin)、二環已基碳二亞胺(dicyclohexyl carbodiimide, DCCD)均可結合F0,阻斷H+從F0質子半通道回流,抑制 ATP合酶活性。由於線粒體內膜兩側質子電化學梯度增高能夠影響呼吸鏈組分的質子泵功能,因此也會抑制電子的傳遞過程。另外,抑制氧化磷酸化會降低線粒體對氧的需求,氧的消耗會減少。

甲狀腺激素促進氧化磷酸化和產熱[編輯]

機體的甲狀腺激素促進細胞膜上Na+,K+-ATP酶的表達,使ATP加速分解為ADP和Pi,ADP濃度增加而促進氧化磷酸化。另外甲狀腺激素(thyroid hormoneT3)可誘導解偶聯蛋白基因表達,使氧化釋能和產熱比率均增加,ATP合成減少,導致機體耗氧量和產熱同時增加,所以甲狀腺功能亢進症病人基礎代謝率增高。

線粒體DNA突變影響氧化磷酸化功能[編輯]

線粒體 DNA(mtDNA)呈裸露的環狀雙螺旋結構,缺乏蛋白質保護和損傷修復系統,容易受到損傷而發生突變,其突變率遠高於核內的基因組DNA。
線粒體的功能蛋白質主要由細胞核的基因編碼,人的mtDNA 含37個編碼基因,用於表達呼吸鏈複合體Ⅰ中的7個亞基、複合體Ⅲ中的Cyt b、複合體Ⅳ中的3個亞基、ATP合酶的2個亞基,以及22個tRNA和2個rRNA。因此mtDNA突變可直接影響電子的傳遞過程或ADP的磷酸化,使ATP生成減少而致能量代謝紊亂、引起疾病。mtDNA突變造成的功能障礙易出現在耗能較多的組織,如骨骼肌、腦等。隨著年齡的增長,如果mtDNA突變嚴重累積,可導致帕金森病、阿爾茨海默病、糖尿病等疾病的發生。
遺傳性mtDNA 疾病以母系遺傳居多,因每個卵細胞中有幾十萬個mtDNA分子,每個精子中只有幾百個mtDNA分子,受精卵mtDNA 主要來自卵細胞,因此卵細胞mtDNA突變產生疾病的機率更高。

線粒體內膜選擇性協調轉運氧化磷酸化相關代謝物[編輯]

線粒體的基質與細胞質之間有線粒體內、外膜相隔,外膜對物質的通透性高、選擇性低,線粒體內膜含有與代謝物轉運相關的轉運蛋白質體系,對各種物質進行選擇性轉運,維持組分間的平衡,以保證生物氧化和基質內旺盛的物質代謝過程能夠順利進行。

細胞質中的NADH通過穿梭機制進入線粒體呼吸鏈[編輯]

在線粒體內生成的NADH可直接進入氧化呼吸鏈進行電子傳遞。但NADH不能自由穿過線粒體內膜,在細胞質中經糖酵解等生成的NADH需通過穿梭機制進入線粒體的呼吸鏈才能進行氧化。

甘油磷酸穿梭
  • α-磷酸甘油穿梭 腦和骨骼肌細胞的細胞質NADH主要通過此穿梭機制進入線粒體呼吸鏈進行氧化。細胞質中的NADH+H+在磷酸甘油脫氫酶催化下,將2H傳遞給磷酸二羥丙酮,使其還原成α-磷酸甘油,後者通過線粒體外膜到達線粒體內膜的膜間隙側。在線粒體內膜的膜間隙側結合著磷酸甘油脫氫酶的同工酶,此酶含FAD輔基,接受α-磷酸甘油的2H生成FADH2和磷酸二羥丙酮。FADH2直接將2H傳遞給泛醌進入氧化呼吸鏈。由於FADH2將NADH攜帶的一對電子從內膜的膜間隙側直接傳遞給Q進行氧化磷酸化,因此1分子的NADH經此穿梭能產生1.5分子ATP。
Malate-aspartate shuttle (zh-cn)
  • 蘋果酸-天冬氨酸穿梭 肝、腎及心肌細胞中主要採用此機制將細胞質NADH轉運至線粒體呼吸鏈。該穿梭需要2種內膜轉運蛋白質和2種酶協同參與。細胞質中的NADH+H+使草醯乙酸還原生成蘋果酸,蘋果酸經過線粒體內膜上的蘋果酸-α-酮戊二酸轉運蛋白進入線粒體基質後重新生成草醯乙酸,釋放NADH+H+。基質中的草醯乙酸轉變為天冬氨酸後經線粒體內膜上的天冬氨酸-穀氨酸轉運蛋白重新回到細胞質。進入基質的NADH+W則通過NADH呼吸鏈進行氧化,生成2.5分子ATP。

ATP-ADP轉位酶協調轉運ATP和ADP出入線粒體[編輯]

呼吸鏈產生的質子電化學梯度主要用於驅動ATP的合成,同時也驅動內膜上的跨膜蛋白質轉運氧化磷酸化的相關組分,包括腺苷酸轉運蛋白、磷酸鹽轉運蛋白等。
線粒體內膜富含腺苷酸轉運蛋白,也稱ATP-ADP轉位酶(ATP-ADP translocase), 可占內膜蛋白質總量的14%。它是由2個亞基組成的二聚體,形成跨膜蛋白通道,將膜間隙的ADP3-(在細胞pH中,ADP呈解離狀態)轉運至線粒體基質中,同時從基質轉運出ATP4-, 使經過線粒體內膜的ADP3-進入和ATP4-移出緊密偶聯,維持線粒體內外腺苷酸水平基本平衡。每分子ATP4-和ADP3-反向轉運時,實際向膜間隙淨轉移l個負電荷,而膜間隙的高正電性有利於ATP的泵出。此時,跨膜質子梯度的能量也驅動膜間隙側的H+和H2P04-經磷酸鹽轉運蛋白同向轉運到線粒體基質中。因此每分子ATP在線粒體基質中生成並轉運到細胞質共需4個H+回流進入線粒體基質中。
心肌、骨骼肌等耗能多的組織中線粒體膜間隙存在一種肌酸激酶同工酶,它催化經ATP-ADP轉位酶運到膜間隙中ATP與肌酸之間~P的轉移,生成的磷酸肌酸經線粒體外膜中的孔蛋白進入細胞質中,由相應的肌酸激酶同工酶催化,將~P轉移給ADP生成ATP。因此線粒體內膜的選擇性協調轉運,對於氧化磷酸化的正常運轉至關重要。