线粒体氧化体系

第二节　线粒体氧化体系

在线粒体内的生物氧化体系中，代谢物脱下的成对氢原子，通过线粒体内膜上的一系列酶和辅酶所组成的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，并伴随能量的释放。此过程与细胞摄取氧的呼吸过程有关，故称为呼吸链（respiratory chain）或电子传递链。

一、呼吸链的组成和水的生成

（一）呼吸链的主要成分

用胆酸、脱氧胆酸等反复处理线粒体内膜，可将呼吸链分离得到四种具有传递电子功能的酶复合体及以游离形式存在的辅酶Q（CoQ）和细胞色素c（Cyt c）。各种酶复合体在线粒体的存在位置如图6－1所示。

图6－1　呼吸链各种酶复合体的位置示意图

（1）复合体Ⅰ：复合体Ⅰ又称为NADH－泛醌还原酶，含有以黄素单核苷酸（FMN）为辅基的黄素蛋白和铁硫蛋白，作用是将氢从NADH传递给泛醌（辅酶Q）。

（2）复合体Ⅱ：复合体Ⅱ又称为琥珀酸－泛醌还原酶，含有以黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为辅基的黄素蛋白和铁硫蛋白、细胞色素b（Cyt b），作用是将氢从琥珀酸传递给泛醌。

（3）复合体Ⅲ：复合体Ⅲ又称为泛醌－细胞色素还原酶，含有Cyt b、Cyt c₁和铁硫蛋白，作用是将电子从泛醌传递给Cyt c。

（4）复合体Ⅳ：复合体Ⅳ又称为细胞色素氧化酶，含有Cyt aa₃和Cu^2＋，作用是将电子由Cyt c传递给Cyt aa₃，再传递给氧。

辅酶Q和Cyt c极易从线粒体内膜分离出来，不包含在上述复合体中，是可移动的电子传递体。

四种复合体的作用如表6－1所示。

表6－1　线粒体呼吸链复合体及作用

（二）呼吸链的电子传递顺序和H₂O的生成

线粒体内重要的呼吸链有两条，即NADH氧化呼吸链和琥珀酸氧化呼吸链（FADH₂氧化呼吸链）。

1．NADH氧化呼吸链

由于人及动物细胞内的大多数不需氧脱氢酶，如乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶系等都是以NAD^＋作为辅酶，受氢后生成NADH＋H^＋；NADH＋H^＋进入NADH氧化呼吸链后进行氧化，该呼吸链是人体内的主要呼吸链。

该呼吸链由复合体Ⅰ、复合体Ⅲ、复合体Ⅳ、CoQ和Cyt c组成。代谢物脱下的氢由NAD^＋接受生成NADH＋H^＋，NADH＋H^＋脱下的2H经复合体Ⅰ传给CoQ生成QH₂，后者将2H中的2H^＋释放于介质中，而将两个电子传递给复合体Ⅲ，并经复合体Ⅲ传递至Cyt c，再传至复合体Ⅳ，最后将两个电子交给1/2O₂，使氧激活，生成O^2－。O^2－再与介质中的2H^＋结合生成水（图6－2）。

2．琥珀酸氧化呼吸链（FADH₂氧化呼吸链）

该呼吸链由复合体Ⅱ、复合体Ⅲ、复合体Ⅳ、CoQ和Cyt c组成。当代谢物受到以FAD为辅基的脱氢酶（琥珀酸脱氢酶、α－磷酸甘油脱氢酶等）催化时，其分子中脱下的2H被FAD接受产生FADH₂，经复合体Ⅱ传递给CoQ形成QH₂，后者将2H中的2H^＋释放于介质中，而将两个电子传递给复合体Ⅲ，并经复合体Ⅲ传至Cyt c，再传至复合体Ⅳ，最后将两个电子交给1/2O₂，使氧激活，生成O^2－。O^2－再与介质中的2H^＋结合生成水（图6－2）。

图6－2　呼吸链的组成

二、ATP的生成

体内有机物代谢能释放大量能量，这些能量一部分以热能形式散发，另一部分以高能键的形式储存在高能化合物中。

（一）体内生成ATP的方式

体内生成ATP的方式主要有两种：氧化磷酸化和底物水平磷酸化。其中，氧化磷酸化是体内ATP的主要生成方式。

1．氧化磷酸化

代谢物脱下的氢，经呼吸链的传递最后与氧化合成水的过程中释放能量，并偶联驱动ADP磷酸化生成ATP的过程，称为氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）。

氧化磷酸化的偶联部位（图6－3），即电子传递链中产生ATP的部位。测定氧和无机磷的消耗量，即可计算出P/O比值。P/O比值是指每消耗1mol氧原子所消耗的无机磷原子的物质的量（或生成ATP的物质的量）。这是由于无机磷的消耗伴随ATP的生成（ADP＋H₃PO₄─→ATP＋H2O）。

实验证明，代谢物脱下的氢经NADH氧化呼吸链氧化生成水的P/O比值为2．5，即消耗1mol氧原子可生成2．5mol ATP，经FADH₂氧化呼吸链氧化生成水的P/O比值为1．5，即消耗1mol氧原子可生成1．5mol ATP。

图6－3　氧化磷酸化的偶联部位

2．底物水平磷酸化

某些代谢物在氧化过程中，因脱氢、脱水等作用，使分子内部能量重新分布和集中，形成高能磷酸键（～P），高能磷酸键直接传给ADP（或其他核苷二磷酸）生成ATP（或其他核苷三磷酸）的方式，称为底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）。例如：

（二）影响氧化磷酸化的因素

1．抑制剂

（1）呼吸链抑制剂：此类抑制剂以专一的结合部位抑制呼吸链的正常传递，影响氧化磷酸化作用，从而妨碍或破坏能量的供给，如阿米妥（麻醉药）、鱼藤酮（杀虫剂）、大黄酸等能抑制NADH→CoQ之间的氢传递，抗霉素A能抑制CoQ→Cyt c之间的电子传递，氰化物（CN^－）、叠氮化物、一氧化碳和硫化氢则能抑制细胞Cyt aa₃与氧之间的电子传递。目前发生的城市火灾事故中，由于装饰材料中的氮和碳经高温可形成氰化物，因此伤员除因燃烧不完全造成一氧化碳中毒外，还存在氰化物中毒。

（2）解偶联剂：此类物质并不影响呼吸链中的电子传递，只起解除氧化和磷酸化的偶联作用。如2，4－二硝基苯酚（DNP），并不阻断氢和电子在呼吸链中的传递，但是却能使ADP不能磷酸化形成ATP。在感冒或患某种传染性疾病时，体温升高使细菌或病毒产生某种解偶联剂，从而影响氧化磷酸化的正常进行，导致较多的能量转变成热能。哺乳类动物中存在含有大量线粒体的棕色脂肪组织，该组织线粒体内膜中存在解偶联蛋白（uncoupling protein，UCP），在内膜上形成质子通道，H^＋可经此通道返回线粒体基质中，同时释放热能，因此棕色脂肪组织是产热御寒组织。新生儿因为缺乏棕色脂肪组织，不能维持正常体温而使皮下脂肪凝固，从而引起硬肿症。

2．甲状腺激素

甲状腺激素能诱导细胞膜上Na^＋、K^＋－ATP酶的生成，使ATP加速分解为ADP和Pi，释放的能量将Na^＋泵到细胞外，而K^＋进入细胞内，使ADP增多以促进氧化磷酸化。此外，甲状腺激素（T₃）还可使解偶联蛋白基因表达增加，因而引起耗氧和产热均增加。所以甲状腺功能亢进患者表现为基础代谢率增高、怕热、易出汗等临床症状。

3．ATP/ADP比值

氧化磷酸化主要受ATP/ADP比值的影响，当机体耗能增多时，ATP分解生成ADP，ATP/ADP比值降低，转运入线粒体后使氧化磷酸化速度加快；当机体耗能减少时，ATP/ADP比值增高，使氧化磷酸化速度减慢。这种调节使机体能合理使用能源，避免能源物质浪费。

（三）细胞液中NADH的氧化

细胞液中产生的NADH不能自由透过线粒体内膜，故细胞液中NADH所携带的氢必须借助穿梭机制才能被转入线粒体。体内穿梭机制主要有α－磷酸甘油穿梭和苹果酸－天冬氨酸穿梭两种。

1．α－磷酸甘油穿梭

α－磷酸甘油穿梭主要存在于脑和骨骼肌中。细胞液中的NADH在磷酸甘油脱氢酶催化下，使磷酸二羟丙酮还原成α－磷酸甘油，后者穿过线粒体外膜，再经位于线粒体内膜近细胞液侧的含FAD辅基的磷酸甘油脱氢酶催化，生成磷酸二羟丙酮和FADH2。磷酸二羟丙酮可穿出线粒体外膜至细胞液，继续进行穿梭，而FADH2则进入琥珀酸氧化呼吸链，生成1．5分子ATP。

2．苹果酸－天冬氨酸穿梭

苹果酸－天冬氨酸穿梭主要存在于肝和心肌中。细胞液中的NADH在苹果酸脱氢酶的作用下，使草酰乙酸还原成苹果酸，后者通过线粒体内膜上的α－酮戊二酸载体进入线粒体，又在线粒体内苹果酸脱氢酶的作用下重新生成草酰乙酸和NADH。在线粒体内生成的草酰乙酸经谷草转氨酶的作用生成天冬氨酸，后者经酸性氨基酸转运蛋白运出线粒体再转变成草酰乙酸，继续进行穿梭。NADH进入NADH氧化呼吸链，生成2．5分子ATP。

三、能量的转移、储存和利用

（一）高能化合物

在生物氧化过程中释放的能量大约有40%以高能键的形式储存在高能化合物中，这些能量为完成各种生命活动提供能源。当水解时释放的能量大于21kJ/mol的酯键称为高能键，常用“～”符号表示。含有高能键的化合物称为高能化合物。生物体体内能量的储存和利用都以ATP为中心，ATP含有的高能键为高能磷酸键（～P）。此外体内还存在其他高能化合物，如磷酸肌酸、乙酰磷酸、乙酰辅酶A等。

（二）能量的转移

为糖原、磷脂、蛋白质合成时提供能量的UTP、CTP、GTP一般不能从物质氧化过程中直接生成，只能在核苷二磷酸激酶的催化下，从ATP中获得高能磷酸键。

（三）能量的储存和利用

ATP可将高能磷酸键转移给肌酸生成磷酸肌酸（creatine phosphate，CP），作为肌肉和脑组织中能量的一种储存形式，当机体消耗ATP过多而导致ADP增多时，磷酸肌酸将高能磷酸键转移给ADP，生成ATP，以供生理活动用（图6－4）。

图6－4　ATP的生成和利用