7.4: 氧化磷酸化

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培养技能

描述电子如何在电子传输链中移动以及它们的能量水平会发生什么
解释电子传输链是如何建立和维持质子 (H ⁺) 梯度的

你刚刚读过大约两种产生 ATP 的葡萄糖分解途径——糖酵解和柠檬酸循环。但是，葡萄糖有氧分解代谢过程中产生的大多数ATP不是直接由这些途径产生的。相反，它源于一个过程，该过程始于通过一系列经历氧化还原反应的电子转运体移动电子。这会导致氢离子在基质空间内积聚。因此，形成浓度梯度，其中氢离子通过ATP合成酶扩散出基质空间。氢离子的电流为 ATP 合成酶的催化作用提供动力，ATP 合酶磷酸化 ADP，产生 ATP。

电子传输链

电子传输链（图\(\PageIndex{1}\)）是有氧呼吸的最后一个组成部分，也是葡萄糖代谢中唯一使用大气氧气的部分。氧气不断扩散到植物中；在动物体内，氧气通过呼吸系统进入人体。电子传输是一系列氧化还原反应，类似于接力赛或斗式大队，因为电子从一种成分迅速传递到另一种成分，到达链的终点，电子减少分子氧，产生水。有四种由蛋白质组成的复合物，在图\(\PageIndex{1}\)中标记为 I 到 IV，这四种复合物以及相关的移动辅助电子载流子的聚集称为电子传输链。电子传输链以多个副本形式存在于真核生物的线粒体内部膜和原核生物的质膜中。

复合体 I

首先，两个电子被带到NADH上的第一个复合体。这种标记为 I 的复合物由黄素单核苷酸 (FMN) 和含铁硫 (Fe-S) 的蛋白质组成。 FMN 源自维生素 B _2，也称为核黄素，是电子传输链中的几个假体基团或辅助因子之一。假体基团是蛋白质活性所需的非蛋白质分子。假体基团是与促进其功能的蛋白质结合的有机或无机、非肽分子；假体基团包括辅酶，它们是酶的假体基团。复合物 I 中的酶是 NADH 脱氢酶，是一种非常大的蛋白质，包含 45 个氨基酸链。 Complex I 可以将四个氢离子从基质穿过膜泵送到膜间空间，正是通过这种方式在由内部线粒体膜隔开的两个隔室之间建立和维持氢离子梯度。

Q 和 Complex II

复合物 II 直接接收 FADH ₂，它不通过复合物 I。连接第一个和第二个复合物与第三个复合物的化合物是泛酮（Q）。 Q 分子可溶于脂质，可自由穿过膜的疏水核心。一旦还原（QH ₂），泛酮就会将其电子输送到电子传输链中的下一个复合体。 Q 从复合物 I 接收源自 NADH 的电子，从复合物 II 接收来自 FADH ₂ 的电子，包括琥珀酸脱氢酶。这种酶和 FADH ₂ 形成一个小型复合物，绕过第一个复合体，将电子直接输送到电子传输链。由于这些电子绕过了第一个复合体中的质子泵，因此由 FADH ₂ 电子产生的 ATP 分子较少。最终获得的 ATP 分子的数量与泵送到线粒体内部膜的质子数量成正比。

综合体 III

第三种复合物由细胞色素 b、另一种 Fe-S 蛋白、Rieske 中心（2Fe-2S 中心）和细胞色素 c 蛋白组成；这种复合物也被称为细胞色素氧化还原酶。细胞色素蛋白具有一组假体的血红素。血红素分子类似于血红蛋白中的血红素，但它携带电子，而不是氧气。结果，其核心的铁离子在通过电子时会被还原和氧化，在不同的氧化态之间波动：Fe ⁺⁺（还原）和 Fe ⁺⁺⁺（氧化）。由于不同蛋白质结合它们的影响，细胞色素中的血红素分子具有略有不同的特征，每种复合物的特征略有不同。 Complex III 通过膜泵送质子并将其电子传递给细胞色素 c，然后输送到第四种蛋白质和酶复合物（细胞色素 c 是来自 Q 的电子的受体；但是，而 Q 携带成对的电子，而细胞色素 c 一次只能接受一个）。

综合体 IV

第四种复合物由细胞色素蛋白 c、a 和 a ₃ 组成。 _{这种复合物含有两个血红素基团（两个细胞色素 a 和 a ₃ 中各一个）和三个铜离子（细胞色素 a ₃ 中的一对 Cu _{A 和一个 Cu B}）。} 细胞色素在铁离子和铜离子之间紧密地保持氧分子，直到氧气完全减少。然后，还原的氧气会从周围的介质中吸收两个氢离子来生成水（H ₂ O）。从系统中去除氢离子有助于提高化学渗透过程中使用的离子梯度。

化学渗透

在化学渗透中，刚才描述的一系列氧化还原反应产生的自由能用于将氢离子（质子）泵送到膜上。由于氢离子的正电荷及其聚集在膜的一侧，H ⁺ 离子在膜上的不均匀分布会产生浓度和电梯度（因此是电化学梯度）。

如果膜可以被氢离子扩散，那么在电化学梯度的驱动下，离子往往会扩散回基质中。回想一下，如果没有离子通道的帮助，许多离子就无法通过磷脂膜的非极性区域扩散。同样，基质空间中的氢离子只能通过一种称为ATP合成酶的整体膜蛋白穿过线粒体内部膜（图\(\PageIndex{2}\)）。这种复杂的蛋白质充当微小的生成器，在氢离子扩散的力量下，向下转动其电化学梯度。利用氢离子梯度的势能，该分子机器的各个部分的转动有助于在ADP中添加磷酸盐，形成ATP。

艺术连接

此插图显示了嵌入线粒体内膜的 ATP 合成酶。 ATP 合成酶允许质子从膜间空间中的高浓度区域移动到线粒体基质中的低浓度区域。这种 exergonic 过程产生的能量用于从 ADP 和无机磷酸盐中合成 ATP。 — 图\(\PageIndex{2}\)：ATP 合成酶是一种复杂的分子机器，它使用质子 (H ⁺) 梯度从 ADP 和无机磷酸盐 (Pi) 中形成 ATP。（来源：克劳斯·霍夫迈尔对作品的修改）

二硝基苯酚（DNP）是一种解耦剂，它使线粒体内部膜泄漏给质子。直到1938年，它一直被用作减肥药。你预计 DNP 会对线粒体内膜 pH 值的变化产生什么影响？你为什么认为这可能是一种有效的减肥药物？

Chemiosmosis（图\(\PageIndex{3}\)）用于生成有氧葡萄糖分解代谢过程中产生的90％的ATP；它也是光合作用光反应中用于在光磷酸化过程中利用阳光能量的方法。回想一下，使用线粒体中的化学渗透过程产生 ATP 被称为氧化磷酸化。这些反应的总体结果是从氢原子中移除的电子能量中产生 ATP。这些原子最初是葡萄糖分子的一部分。在路径的尽头，电子被用来将氧分子还原为氧离子。氧气上多余的电子从周围介质中吸收氢离子（质子），然后形成水。

艺术连接

此插图显示了电子传输链、嵌入线粒体内部膜中的 ATP 合成酶以及线粒体基质中发生的柠檬酸循环。柠檬酸循环将 NADH 和 FADH_ {2} 输送到电子传输链。电子传输链氧化这些衬底，并在此过程中将质子泵入膜间空间。 ATP 合成酶允许质子泄漏回基质中并合成 ATP。 — 图\(\PageIndex{3}\)：在氧化磷酸化中，ATP 合成酶使用电子传输链形成的 pH 梯度来形成 ATP。

氰化物抑制细胞色素 c 氧化酶，这是电子传输链的组成部分。如果发生氰化物中毒，你会预计膜间空间的pH值会增加还是降低？氰化物会对 ATP 合成产生什么影响？

ATP 收益率

葡萄糖分解代谢产生的ATP分子的数量各不相同。例如，电子传输链复合物可以通过膜泵送的氢离子数量因物种而异。另一个差异来源来自电子穿过线粒体膜的穿梭运动。（糖酵解产生的NADH不容易进入线粒体。）因此，NAD ^{+ 或 FAD ⁺} 从线粒体内部拾取电子。正如你之前所了解的那样，这些 FAD ⁺ 分子可以输送更少的离子；因此，当 FAD ⁺ 充当载体时，产生的 ATP 分子就会减少。 NAD ⁺ 用作肝脏中的电子转运蛋白，而 FAD ⁺ 在大脑中起作用。

影响由葡萄糖产生的ATP分子产量的另一个因素是，这些途径中的中间化合物用于其他目的。葡萄糖分解代谢与构建或分解细胞中所有其他生化化合物的途径有关，结果比迄今为止描述的理想情况要混乱一些。例如，葡萄糖以外的糖被送入糖酵解途径以提取能量。此外，形成核酸的五碳糖是由糖酵解中的中间体制成的。某些非必需氨基酸可以由糖酵解和柠檬酸循环的中间体制成。脂质，例如胆固醇和甘油三酯，也由这些途径中的中间体制成，氨基酸和甘油三酯都通过这些途径分解以获得能量。总体而言，在生命系统中，这些葡萄糖分解代谢途径提取了葡萄糖所含能量的约34％。

摘要

电子传输链是有氧呼吸的一部分，它使用游离氧作为葡萄糖分解代谢中从中间化合物中去除的电子的最终电子受体。电子传输链由嵌入线粒体内部膜中的四个大型多蛋白复合物和两个在它们之间穿梭电子的小型扩散电子载体组成。电子通过一系列氧化还原反应，在三个点使用少量的自由能将氢离子输送到膜上。该过程有助于提高化学渗透中使用的梯度。通过电子传输链的电子逐渐失去能量，NADH 或 FADH ₂ 捐赠给链的高能电子完成了链，因为低能电子会减少氧分子并形成水。电子的自由能水平从 NADH 中的大约 60 kcal/mol 或 FADH ₂ 中的 45 kcal/mol 下降到水中的大约 0 kcal/mol。电子传输链的最终产物是水和 ATP。柠檬酸循环的许多中间化合物可以转化为其他生化分子（例如非必需氨基酸、糖和脂质）的合成代谢。这些相同的分子可以作为葡萄糖途径的能量来源。

艺术联系

图\(\PageIndex{2}\)：二硝基苯酚（DNP）是一种解耦剂，它使线粒体内部膜泄漏给质子。直到1938年，它一直被用作减肥药。你预计 DNP 会对线粒体内膜 pH 值的变化产生什么影响？你为什么认为这可能是一种有效的减肥药物？

回答: DNP 中毒后，电子传输链无法再形成质子梯度，ATP 合成酶也无法产生 ATP。 DNP 是一种有效的减肥药物，因为它可以分离 ATP 的合成；换句话说，服用后，一个人从他或她所吃的食物中获得的能量就会减少。有趣的是，这种药物最严重的副作用之一是体温过高或身体过热。由于无法形成 ATP，因此电子传输产生的能量会作为热量流失。

图\(\PageIndex{3}\)：氰化物抑制细胞色素 c 氧化酶，这是电子传输链的组成部分。如果发生氰化物中毒，你会预计膜间空间的pH值会增加还是降低？氰化物会对 ATP 合成产生什么影响？

回答: 氰化物中毒后，电子传输链无法再将电子泵入膜间空间。膜间空间的pH值将增加，pH梯度将降低，ATP合成将停止。

词汇表

ATP 合成酶: （也是 F1F0 ATP 合成酶）膜包埋蛋白质复合物，它在 ADP 中添加磷酸盐，质子的能量通过它扩散

假体组: （也是假体辅助因子）与促进蛋白质功能的蛋白质结合的分子

泛酮: 将第一或第二复合体连接到第三个复合物的电子传输链中的可溶性电子转运体