标题：氧化磷酸化体
氧化磷酸化
概念氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）是指在生物氧化中伴随着ATP生成的作用。
类别有代谢物连接的磷酸化和呼吸链连接的磷酸化两种类型。
即ATP生成方式有两种。一种是代谢物脱氢后，分子内部能量重新分布，使无机磷酸酯化先形成一个高能中间代谢物，促使ADP变成ATP。这称为底物水平磷酸化。如3-磷酸甘油醛氧化生成1，3-二磷酸甘油酸，再降解为3-磷酸甘油酸。
另一种是在呼吸链电子传递过程中偶联ATP的生成。生物体内95%的ATP来自这种方式。
名词中英文对照
1．  生物氧化（biological oxidation）                          
2．  呼吸链（respiratory chain）
3．  氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）              
4．  磷氧比P/O（P/O）
5．  底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation）
6．  能荷（energy charge）
氧化磷酸化的概念和偶联部位
1.概念氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）是指在生物氧化中伴随着ATP生成的作用。有代谢物连接的磷酸化和呼吸链连接的磷酸化两种类型。即ATP生成方式有两种。一种是代谢物脱氢后，分子内部能量重新分布，使无机磷酸酯化先形成一个高能中间代谢物，促使ADP变成ATP。这称为底物水平磷酸化。如3-磷酸甘油醛氧化生成1，3-二磷酸甘油酸，再降解为3-磷酸甘油酸。另一种是在呼吸链电子传递过程中偶联ATP的生成。生物体内95%的ATP来自这种方式。2.偶联部位根据实验测定氧的消耗量与ATP的生成数之间的关系以及计算氧化还原反应中ΔGO'和电极电位差ΔE的关系可以证明。
P/O比值是指代谢物氧化时每消耗1摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数，即合成ATP的摩尔数。实验表明， NADH在呼吸链被氧化为水时的P/O值约等于3，即生成3分子ATP；FADH2氧化的P/O值约等于2，即生成2分子ATP。
氧-还电势沿呼吸链的变化是每一步自由能变化的量度。根据ΔGO'= - nFΔE O'(n是电子传递数,F是法拉第常数)，从NADH到Q段电位差约0.36V，从Q到Cytc为0.21V，从aa3到分子氧为0.53V，计算出相应的ΔGO'分别为69.5、40.5、102.3kJ/mol。于是普遍认为下述3个部位就是电子传递链中产生ATP的部位。 
NADH→NADH脱氢酶→‖Q → 细胞色素bc1复合体→‖Cytc →aa3→‖O2
胞液中NADH的氧化
糖代谢中的三羧酸循环和脂肪酸β-氧化是在线粒体内生成NADH（还原当量），可立即通过电子传递链进行氧化磷酸化。在细胞的胞浆中产生的NADH ，如糖酵解生成的NADH则要通过穿梭系统（shuttle system）使NADH的氢进入线粒体内膜氧化。（一）α-磷酸甘油穿梭作用这种作用主要存在于脑、骨骼肌中，载体是α-磷酸甘油。
胞液中的NADH在α-磷酸甘油脱氢酶的催化下，使磷酸二羟丙酮还原为α-磷酸甘油，后者通过线粒体内膜，并被内膜上的α-磷酸甘油脱氢酶（以FAD为辅基）催化重新生成磷酸二羟丙酮和FADH2，后者进入琥珀酸氧化呼吸链。葡萄糖在这些组织中彻底氧化生成的ATP比其他组织要少，1摩尔G→36摩尔ATP。（二）苹果酸-天冬氨酸穿梭作用主要存在肝和心肌中。1摩尔G→38摩尔ATP
胞液中的NADH在苹果酸脱氢酶催化下，使草酰乙酸还原成苹果酸，后者借助内膜上的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催化下重新生成草酰乙酸和NADH。NADH进入NADH氧化呼吸链，生成3分子ATP。草酰乙酸经谷草转氨酶催化生成天冬氨酸，后者再经酸性氨基酸载体转运出线粒体转变成草酰乙酸。
氧化磷酸化偶联机制
（一）化学渗透假说1961年，英国学者Peter Mitchell提出化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）（1978年获诺贝尔化学奖），说明了电子传递释出的能量用于形成一种跨线粒体内膜的质子梯度（H 梯度），这种梯度驱动ATP的合成。这一过程概括如下：
1.NADH的氧化，其电子沿呼吸链的传递，造成H 被3个H 泵，即NADH脱氢酶、细胞色素bc1复合体和细胞色素氧化酶从线粒体基质跨过内膜泵入膜间隙。
2.H 泵出，在膜间隙产生一高的H 浓度，这不仅使膜外侧的pH较内侧低（形成pH梯度），而且使原有的外正内负的跨膜电位增高，由此形成的电化学质子梯度成为质子动力，是H 的化学梯度和膜电势的总和。
3.H 通过ATP合酶流回到线粒体基质，质子动力驱动ATP合酶合成ATP。（二）ATP合酶ATP合酶由两部分组成（Fo-F1），球状的头部F1突向基质液，水溶性。亚单位Fo埋在内膜的底部，是疏水性蛋白，构成H 通道。在生理条件下，H 只能从膜外侧流向基质，通道的开关受柄部某种蛋白质的调节。
影响氧化磷酸化的因素
（一）抑制剂能阻断呼吸链某一部位电子传递的物质称为呼吸链抑制剂。
鱼藤酮、安密妥在NADH脱氢酶处抑制电子传递，阻断NADH的氧化，但FADH2的氧化仍然能进行。
抗霉素A抑制电子在细胞色素bc1复合体处的传递。
氰化物、CO、叠氮化物（N3-）抑制细胞色素氧化酶。
对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用的物质称氧化磷酸化抑制剂，如寡霉素。（二）解偶联剂2，4-二硝基苯酚（DNP）和颉氨霉素可解除氧化和磷酸化的偶联过程，使电子传递照常进行而不生成ATP。DNP的作用机制是作为H 的载体将其运回线粒体内部，破坏质子梯度的形成。由电子传递产生的能量以热被释出。（三）ADP的调节作用正常机体氧化磷酸化的速率主要受ADP水平的调节，只有ADP被磷酸化形成ATP，电子才通过呼吸链流向氧。如果提供ADP，随着ADP的浓度下降，电子传递进行，ATP在合成，但电子传递随ADP浓度的下降而减缓。此过程称为呼吸控制，这保证电子流只在需要ATP合成时发生。
氧化磷酸化作用
氧化磷酸化作用是需氧细胞生命活动的基础，是主要的能量来源。真核细胞是在线粒体内膜上进行。
生物氧化与氧化磷酸化
1．氧化磷酸化作用高势能电子从NADH或FADH2沿呼吸链传递给氧的过程中，所释放的能量转移给ADP形成ATP，即ATP的形成与电子传递相偶联，称为氧化磷酸化作用，其特点是需要氧分子参与。
氧化磷酸化作用与底物水平磷酸化作用是有区别的：底物水平磷酸化作用是指代谢底物由于脱氢或脱水，造成其分子内部能量重新分布，产生的高能键所携带的能量转移给ADP生成ATP，即ATP的形成直接与一个代谢中间高能磷酸化合物（如磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸等）上的磷酸基团的转移相偶联，其特点是不需要分子氧参加。2．P/O比和磷酸化部位磷氧比（P/O）是指一对电子通过呼吸链传递到氧所产生ATP的分子数。由NADH开始氧化脱氢脱电子，电子经过呼吸链传递给氧，生成3分子ATP，则P/O比为3。这3分子ATP是在三个部位上生成的，第一个部位是在NADH和CoQ之间，第二个部位是在Cytb与Cytc1之间；第三个部位是在Cytaa3和氧之间。如果从FADH2开始氧化脱氢脱电子，电子经过呼吸链传递给氧，只能生成2分子ATP，其P/O比为2。
3．氧化磷酸化的解偶联作用（1）氧化磷酸化的解偶联作用
在完整线粒体内，电子传递与磷酸化是紧密偶联的，当使用某些试剂而导致的电子传递与ATP形成这两个过程分开，只进行电子传递而不能形成ATP的作用，称为解偶联作用。
（2）氧化磷酸化的解偶联剂
能引起解偶联作用的试剂称为解偶联剂，解偶联作用的实质是解偶联剂消除电子传递中所产生的跨膜质子浓度或电位梯度，只有电子传递而不产生ATP。
（3）解偶联剂种类
典型的解偶联剂是化学物质2,4-二硝基苯酚（DNP），DNP具弱酸性，在不同pH环境可结合H 或释放H ；并且DNP具脂溶性，能透过磷脂双分子层，使线粒体内膜外侧的H 转移到内侧，从而消除H 梯度。此外，离子载体如由链霉素产生的抗菌素——缬氨霉素，具脂溶性，能与K 离子配位结合，使线粒体膜外的K 转运到膜内而消除跨膜电位梯度。另外还有存在于某些生物细胞线粒体内膜上的天然解偶联蛋白，该蛋白构成的质子通道可以让膜外质子经其通道返回膜内而消除跨膜的质子浓度梯度，不能生成ATP而产生热量使体温增加。
解偶联剂与电子传递抑制剂是不同的，解偶联剂只消除内膜两侧质子或电位梯度，不抑制呼吸链的电子传递，甚至加速电子传递，促进呼吸底物和分子氧的消耗，但不形成ATP，只产生热量。
4．氧化磷酸化的作用机理与电子传递相偶联的氧化磷酸化作用机理虽研究多年，但仍不清楚。曾有三种假说试图解释其机理。这三种假说为：化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说。
（1）化学偶联假说
认为电子传递中所释放的自由能以一个高能共价中间物形式暂时存在，随后裂解将其能量转给ADP以形成ATP。但不能从呼吸链中找到高能中间物的实例。
（2）构象偶联假说
认为电子沿呼吸链传递释放的自由能使线粒体内膜蛋白质发生构象变化而形成一种高能形式暂时存在。这种高能形式将能量转给F0F1-ATP酶分子使之发生构象变化，F0F1-ATP酶复原时将能量转给ADP形成ATP。
（3）化学渗透假说
该假说由英国生物化学家Peter Mitchell提出的。他认为电子传递的结果将H 从线粒体内膜上的内侧“泵”到内膜的外侧，于是在内膜内外两侧产生了H 的浓度梯度。即内膜的外侧与内膜的内侧之间含有一种势能，该势能是H 返回内膜内侧的一种动力。H 通过F0F1-ATP酶分子上的特殊通道又流回内膜的内侧。当H 返回内膜内侧时，释放出自由能的反应和ATP的合成反应相偶联。该假说目前得到较多人的支持。
实验证明氧化磷酸化作用的进行需要完全的线粒体内膜存在。当用超声波处理线粒体时，可将线粒体内膜嵴打成片段：有些片段的嵴膜又重新封闭起来形成泡状体，称为亚线粒体泡（内膜变为翻转朝外）。这些亚线粒体泡仍具有进行氧化磷酸化作用的功能。在囊泡的外面可看到F1球状体。用尿素或胰蛋白酶处理这些囊泡时，内膜上的球体F1脱下，F0留在膜上。这种处理过的囊泡仍具有电子传递链的功能，但失去合成ATP的功能。当将F1球状体再加回到只有F0的囊泡时，氧化磷酸化作用又恢复。这一实验说明线粒体内膜嵴上的酶（F0）起电子传递的作用，而其上的F1是形成ATP的重要成分，F0和F1是一种酶的复合体。5．能荷1、数量上的衡量
细胞中存在三种腺苷酸即AMP、ADP、ATP，称为腺苷酸库。在细胞中ATP、ADP和AMP在某一时间的相对数量控制着细胞活动。Atkinson提出了能荷的概念。认为能荷是细胞中高能磷酸状态的一种数量上的衡量，能荷大小可以说明生物体中ATP-ADP-AMP系统的能量状态。
2、能荷大小决定因素
可看出，能荷的大小决定于ATP和ADP的多少。能荷的从0到1.0，当细胞中都是ATP时，能荷为1.0。此时，可利用的高能磷酸键数量最大。都为ADP时，能荷为0.5，系统中有一半的高能磷酸健。都为AMP时，能荷为0，此时无高能磷酸化合物存在。实验证明能荷高时可抑制ATP的生成，却促进ATP的利用。也就是说，能荷高可促进合成代谢而抑制分解代谢，相反，能荷低则促进分解代谢而抑制合成代谢。
能荷调节是通过ATP、ADP和AMP分子对某些酶分子进行变构调节来实现的。6、线粒体的穿梭系统真核生物在细胞质中进行糖酵解时所生成的NADH是不能直接透过线粒体内膜被氧化的，但是NADH+H 上的质子可以通过一个穿梭的间接途径而进入电子传递链。3-磷酸甘油的穿梭过程是最早发现的。其过程是胞质中NADH十H 在3-磷酸甘油脱氢酶作用下与磷酸二羟丙酮反应生成3-磷酸甘油。3-磷酸甘油可进入线粒体，在线粒体内膜上的3-磷酸甘油脱氢酶（辅基为FAD）作用下，生成磷酸二羟丙酮和FADH2。磷酸二羟丙酮透出线粒体，继续作为氢的受体，FADH2将氢传递给CoQ进入呼吸链氧化，这样只能产生2分于ATP。
在动物的肝、肾及心脏的线粒体存在另一种穿梭方式，即草酰乙酸-苹果酸穿梭。这种方式在胞液及线粒体内的脱氢酶辅酶都是NAD+，所以胞液中的NADH H 到达线粒体内又生成NADH+H 。从能量产生来看，草酰乙酸-苹果酸穿梭优于α- 磷酸甘油穿梭机制；但α-磷酸甘油穿梭机制比草酰乙酸-苹果酸穿梭速度要快很多。