十二章 电子传递与氧化磷酸化

第十二章 电子传递与氧化磷酸化,葡萄糖氧化时，产生的12对电子不是直接交给分子氧的，而是被转移到脱氢酶的辅酶NAD和FAD上，生成了10分子的NADH和2分子的FADH2（图121）。电子以还原性的辅酶形式进入到线粒体电子传递系统，发生下述反应事件：    1、NADH和FADH2上的电子被转移到其他的电子载体上，本身被氧化成NAD和FAD，可以继续参与代谢物的氧化反应。    2、被转移的电子经由线粒体内膜上的四个有序的酶复合物构成的电子传递系统电子传递（或呼吸链）的传递，最后使O2还原成H2O。    3、当电子被转移时，伴随着氢质子从线粒体内膜基质侧跨膜转移到内膜外侧，产生一种跨膜的电子梯度。蕴藏在电化学梯度中的能量，推动ATP酶促磷酸化，生成ATP。,第一节  线粒体的结构与功能,线粒体是真核生物重要的细胞器，是真核生物氧化性代谢的场所。线粒体含有丙酮酸脱氢酶复合物、柠檬酸循环的酶、催化脂肪酸氧化的酶以及电子传递和氧化磷酸化所涉及的酶和氧化还原蛋白。   因此，线粒体常被描述为细胞的“动力车间”。,一、线粒体的形态和结构,电子传递和氧化磷酸化过程与细胞的膜结构密切相关。在原核生物中，由于细胞结构简单，电子传递和氧化磷酸化过程发生在质膜上。在真核生物中，这样的过程出现在线粒体的内膜上。线粒体是由双层膜包围的细胞器（图122）。外膜含有一种丰富的（膜）孔蛋白（porin），它是一种跨膜蛋白，富含折叠片。该蛋白能形成很大的跨膜通道，允许相对分子质量10 000以下的分子自由扩散。线粒体内膜富含蛋白质，蛋白质约占80。因此，内膜的密度比外膜高。内膜脂质所含的脂肪酸是高度不饱和的。,线粒体内膜连续内折，形成脊，从而为内膜在一个小的线粒体范围内提供较大的表面积。与电子传递和氧化磷酸化过程密切相关的蛋白质传递体一般都位于内膜和脊上。内膜的存在把线粒体分隔成膜间空间和内侧基质和内侧基质。膜间空间位于内膜和外膜之间，几种能够利用ATP的酶可在这一分隔间找到。线粒体基质是液态的，它含有柠檬酸循环和脂肪酸氧化的绝大多数酶。在参与柠檬酸循环的酶中，只有琥珀酸脱氢酶是一种膜结合蛋白。,二、线粒体的跨膜转运系统,在胞液中，糖酵解产生的NADH必须获得进入到线粒体电子传递系统的机会才能在有氧的条件下被氧化。然而线粒体内膜缺乏NADH转运蛋白，只有来自胞液中的NADH上的电子通过间接的“穿梭”系统才能被转运到线粒体内膜的电子传递链中。苹果酸天冬氨酸穿梭和磷酸甘油穿梭可以完成这一使命。,1、苹果酸天冬氨酸穿梭,苹果酸天冬氨酸穿梭（malate-aspartate shuttle）在哺乳动物的肝脏、肾和心肌中是很活跃的。该途径涉及苹果酸脱氢酶和天冬氨酸转氨酶。这两种酶在胞液和线粒体基质中都存在。此外，还涉及到内膜上的转运蛋白。苹果酸天冬氨酸穿梭如图123所示。胞液中的NADH在胞液苹果酸脱氢酶的催化下，使草酰乙酸还原为苹果酸。苹果酸经内膜上的转运蛋白与基质中的酮戊二酸进行交换，从而进入到线粒体基质中。基质中的苹果酸脱氢酶催化苹果酸重新氧化形成草酰乙酸，同时伴随基质中的NAD+还原为NADH，NADH即可进入呼吸链系统进行电子的传递。该途径的继续运转需要草酰乙酸返回到胞液中。这不是一个直接过程，因为草酰乙酸本身不能穿过线粒体内膜。在线粒体天冬氨酸转氨酶催化下，将谷氨酸上的转移给草酰乙酸，生成天冬氨酸；而谷氨酸则转变成它的相应的酮酸 酮戊二酸。,酮戊二酸经二羧酸移位酶的输出，换取苹果酸的进入。天冬氨酸经另一种转运蛋白（谷氨酸天冬氨酸移位酶）输出，换取谷氨酸进入到线粒体基质中。进入到胞液中的天冬氨酸和酮戊二酸是胞液天冬氨酸转氨酶的底物，该酶催化谷氨酸和草酰乙酸的形成。谷氨酸与天冬氨酸作相反方向交换，重新进入线粒体基质中；草酰乙酸再与胞液中的另一分子NADH反应，开始另一轮循环反应。由于草酰乙酸在胞液中的还原反应消耗一个来自线粒体基质中苹果酸氧化产生的H，所以胞液NADH经呼吸链间接氧化对跨膜的质子浓度贡献出H比线粒体NADH直接进入呼吸链贡献的要少，来自胞液两分子NADH上的电子经呼吸链产生的ATP数是4.5而不是5.0。,2、磷酸甘油穿梭,磷酸甘油穿梭在昆虫的飞翔肌中是一种占优势的途径（图124）。在哺乳动物中，该途径主要存在于肌肉和脑组织中。该途径涉及两种3磷酸甘油脱氢酶：一种是胞液型的，以NAD（H）作为辅酶；另一种是位于线粒体内膜外表面的，以FAD作为辅酶的黄素蛋白。来自糖酵解的NADH在胞液3磷酸甘油脱氢酶催化下，使磷酸二羟丙酮还原为3磷酸甘油，后者进入膜间空间，被位于内膜外表面的3磷酸甘油脱氢酶催化，重新氧化生成磷酸二羟丙酮，来自胞液NADH上的电子被该酶的辅基