氧化磷酸化

氧化磷酸化（英语：oxidative phosphorylation，缩写作 OXPHOS）是细胞的一种代谢途径，该过程在真核生物的线粒体内膜或原核生物的细胞膜上发生，使用其中的酶及氧化各类营养素所释放的能量来合成三磷酸腺苷（ATP）。虽然地球上的生物消耗的能源物质范围极广，为合成代谢直接提供能量的分子却几乎都是ATP。几乎所有的好氧性生物都以三羧酸循环-氧化磷酸化作为制造ATP的主要过程。该途径如此普遍的原因可能是：与其他的代谢途径，特别是糖酵解之类的无氧发酵途径相比，它能更高效地释放能量。
氧化磷酸化期间，电子在氧化还原反应中从电子供体转移到电子受体，例如氧。氧化还原反应所释放的能量用于合成ATP。在真核生物中，这些氧化还原反应在一系列线粒体内膜上的蛋白质复合体的参与下完成，而在原核生物中，这些蛋白质存在于细胞膜间隙中。这一串蛋白质称为电子传递链。真核生物包含五种主要的蛋白质复合体，而原核生物中存在许多不同的酶，以便利用各种电子供体和受体。
在“电子传递”过程中，质子被电子流过电子传递链所释放的能量泵出线粒体内膜。这会以pH梯度和跨膜电势差的形式产生势能。储存的能量通过让质子顺梯度跨膜内流，由称为ATP合酶的大型酶所使用；这个过程称为化学渗透。这种酶在磷酸化反应过程中就像一台机械马达，酶的一部分在质子流的驱动下不停旋转，将二磷酸腺苷（ADP）合成为三磷酸腺苷。
虽然氧化磷酸化是新陈代谢的重要组成部分，它却会产生活性氧如超氧化物和过氧化氢，使自由基扩散开来，破坏细胞及造成病变，还有可能导致老化。该代谢途径中的酶也是许多药物和毒物所抑制的目标。

通过化学渗透转移能量的概述

氧化磷酸化的工作原理是利用释放能量的化学反应来驱动需要能量的反应：这样的反应称为是偶联反应。电子在电子传递链上从电子供体（如NADH）到电子受体（如氧）的流动，是一个放能的过程，而ATP的合成是一个耗能的过程，需要输入能量。电子传递链和ATP合酶都在膜中，在称为“化学渗透”的过程中，通过质子穿过这层膜的运动，将能量从电子传递链转移到ATP合酶中。实际上，这就像一个简单的电路，质子通过电子传递链中的质子泵酶，从膜带负电位的N端流向带正电位的P端。这些酶如同其中的电池，做功来驱动电流在回路中流动。质子的移动产生了跨膜电化学梯度，这通常称为“质子动力”。它包含两部分：质子浓度差（H⁺梯度，ΔpH）和电势差，其中N端有负电荷。
ATP合酶接通电路，让质子顺着电化学梯度流动，回到膜的N端，从中释放储存的能量。这动能驱动着酶的部分结构旋转，并与ATP的合成相偶联。
质子动力的两种组分在热力学上是等效的：在线粒体中，大部分能量由电势差提供；在嗜碱性细菌中，电能甚至要补偿pH逆差造成的反作用。与之相反，叶绿体主要依靠ΔpH工作。然而，因为ATP合成的动力学要求，它们也需要一个小的膜电位。至少在梭杆菌P. modestum的情况中，它驱动ATP合酶FO转子的a、c亚基逆向旋转。
与通过厌氧发酵产生的能量相比较，通过氧化磷酸化释放的能量很多。糖酵解只产生2个ATP分子，而通过将一分子葡萄糖转变为二氧化碳和水而生成的10个NADH和两分子琥珀酸氧化磷酸化，可以产生30到36个ATP。以上的ATP产量均为理论最大值；在实际中，一些质子会发生跨膜泄漏，从而降低了ATP的产量。

电子和质子的转移分子

电子传递链能承载质子和电子，将电子从供体转移到受体，并在膜间搬运质子。这些过程会使用可溶性的蛋白质结合转移分子。在线粒体中，电子在膜间隙内由水溶性电子传递蛋白细胞色素c传递。它通过其结构中血红素基团的一个铁原子的还原和氧化过程传输电子。在某些细菌的周质空间中也发现了细胞色素c。
线粒体内膜中的脂溶性电子载体辅酶Q10（Q）通过氧化还原循环，可同时携带电子和质子。这个小苯醌分子疏水性很强，所以它能自由地在膜中扩散。当Q接受两个电子和两个质子时，它被还原为“泛酚”形式（QH₂）；当QH₂释放两个电子和两个质子时，它被氧化为“泛醌”（Q）形式。结果，如果安排两种酶，使得Q在膜的一侧被还原，而QH₂在另一侧被氧化，泛醌就能耦合这些反应，并携带质子穿过膜。除了泛醌，一些细菌在电子传递链中还使用其他的醌类，如甲萘醌。
在蛋白质中，电子在黄素辅因子、铁硫簇和细胞色素之间转移。有几种类型的铁硫簇化合物。在电子传递链中发现的最简单的一种包含了由两个无机硫原子连接的两个铁原子；这些称为[2Fe-2S]簇。第二种称为[4Fe-4S]，包含了由四个铁原子和四个硫原子组成的立方体。在这些簇中，每个铁原子与一个额外的氨基酸配位，通常是半胱氨酸中的硫原子。金属离子辅因子在氧化还原反应中不结合或释放质子，因此在电子传递链中都只通过蛋白质传输电子。电子沿着这些辅因子链跳跃，在蛋白质中移动很长的距离。这些现象的本质是量子隧穿效应，在小于1.4×10⁻⁹米的距离内非常迅速。

NADH-辅酶Q氧化还原酶（复合体I）

NADH-Q还原酶，又称“NADH脱氢酶”或“复合体I”，是电子传递链中的第一个蛋白。它是一个巨大的酶，在哺乳动物中该复合体由46亚基组成，有1000千道尔顿（kDa）。目前只了解一种细菌的复合体详细结构；大多数生物的复合体酷似有一个大“球”的靴子，从膜中穿到线粒体​​。编码单个蛋白质的基因同时包含在细胞核和线粒体基因组中，许多线粒体酶都是这种情况。
此酶催化的反应为NADH被辅酶Q10，即线粒体膜上的一种脂溶性醌类“泛醌”（在下面公式中写作Q）所氧化，同时转移两个电子：
这个反应乃至于整个电子链，是从NADH分子与复合体I结合及放出两个电子而开始。电子通过附着在其上的黄素单核苷酸（FMN）辅基进入复合体I。电子的加入使FMN转换为它的还原形式，FMNH₂。电子随后通过一系列存在于复合体中的第二种辅基铁硫簇转移。复合体I中存在两种铁硫簇，[2Fe-2S]和[4Fe-4S]。
电子穿过复合体时，有4个质子从基质泵入膜间隙。尚不清楚其中的机制，但似乎与复合体I的构象改变有关，这可使该蛋白质在膜的N侧结合质子，并在P侧释放它们。最后，电子从铁硫簇链转移到膜中的泛醌分子上。泛醌的还原也有助于质子梯度的产生，因为基质中的两个质子被用于泛酚（QH₂）的还原。

细胞色素c氧化酶（复合体IV）

细胞色素c氧化酶，又称“复合体IV”，是在电子传递链的最后一个蛋白质复合体。哺乳动物的酶有极其复杂的结构，包含13个亚基，2个血红素基团，以及多种金属离子辅因子——总计3个铜原子，1个镁原子和1个锌原子。
这种酶承载了电子传递链的最终反应，在跨膜泵送质子时将电子转移到氧上。这一步，氧作为最终电子受体，也称“末端电子受体”，被还原为水。直接泵送的质子和在氧的还原中消耗的基质中质子都能影响质子梯度。所催化的反应为细胞色素c的氧化及氧的还原：

替代的还原酶和氧化酶

许多真核生物的电子传递链中的酶与上述研究较多的哺乳动物有所不同。例如，植物有替代的NADH氧化酶，可以不在线粒体基质而在细胞质中氧化NADH，并将这些电子传递到泛醌池。这些酶不传送子，可在不改变跨膜电化学梯度时还原泛醌。
分岔电子传递链的另一个例子是“替代氧化酶”，存在于植物、一些真菌及原生生物中，一些动物也可能包含其中。这种酶可直接将泛酚中的电子转移到氧。
通过这些替代NADH和泛醌氧化酶的电子传递途径比完整路径的ATP产量低。这些捷径的优点尚不明确。然而，替代氧化酶产生于应激反应，如受寒、活性氧、病原体感染，及其他抑制完整电子传递链的因素。因此，替代途径可能可以通过减少氧化应激，从而提高生物对伤害的抵抗力。

复合体组织 

最初的呼吸链复合体组织模型认为它们互相独立，在线粒体膜中自由扩散。然而，最近的数据表明，复合体可能形成称为超复合体或“呼吸体”的高级结构。在此模型中，各个复合体存在于有相互作用酶的有序集合中。这些关联可能使各种酶复合体之间建立了底物通道，增加电子转移的速率和效率。在哺乳动物的这些超复合体中，某些部件的数量可能较其它的要多，部分数据表明复合体I/II/III/IV和ATP合酶的比大致为1:1:3:7:4。然而，对超复合体假说的争论仍未完全结束，因为部分数据似乎无法支持此模型。

历史

对氧化磷酸化的研究起源于阿瑟·哈登1906年的报告，阐述了磷酸盐在细胞发酵中的重要作用，但最初只知道糖磷酸盐与此相关。然而在20世纪40年代初，糖的氧化和ATP的生成之间的联系被赫尔曼·卡尔卡牢牢确立，同时在1941年，弗里茨·阿尔伯特·李普曼确认ATP在能量传递中起核心作用。后来在1949年，莫里斯·弗里德金与阿尔伯特·伦宁格证明，辅酶NADH与代谢途径如三羧酸循环及ATP的合成有关。
又过了二十年，ATP的生成机制依然是个谜，同时科学家也在寻找那个难以捉摸的连接氧化与磷酸化反应的“高能中间体”。这个难题在彼得·米切尔于1961年发表的化学渗透理论中得到了解决。起初，这个看法极具争议，但随时间流逝，它逐渐为人们所接受，米切尔也于1978年获颁诺贝尔化学奖。随后的研究集中于提纯和描述所涉及的酶，其中戴维·格林和埃夫拉伊姆·莱克分别对电子传递链上复合体和ATP合酶的研究作出了重大贡献。解决ATP合酶机制的关键步骤由保罗·博耶1973年构想的“结合变构”机制所解释，随后是1982年他提出的旋转催化的激进想法。较近期的工作包括由约翰·沃克完成的氧化磷酸化酶的结构研究。沃克和博耶于1997年被授予诺贝尔化学奖。