氧化磷酸化

氧化磷酸化（英語：oxidative phosphorylation，縮寫作 OXPHOS）是細胞的一種代謝途徑，該過程在真核生物的粒線體內膜或原核生物的細胞膜上發生，使用其中的酶及氧化各類營養素所釋放的能量來合成三磷酸腺苷（ATP）。雖然地球上的生物消耗的能源物質範圍極廣，為合成代謝直接提供能量的分子卻幾乎都是ATP。幾乎所有的好氧性生物都以三羧酸循環-氧化磷酸化作為製造ATP的主要過程。該途徑如此普遍的原因可能是：與其他的代謝途徑，特別是糖解之類的無氧發酵途徑相比，它能更高效地釋放能量。
氧化磷酸化期間，電子在氧化還原反應中從電子供體轉移到電子受體，例如氧。氧化還原反應所釋放的能量用於合成ATP。在真核生物中，這些氧化還原反應在一系列粒線體內膜上的蛋白質複合體的參與下完成，而在原核生物中，這些蛋白質存在於細胞膜間隙中。這一串蛋白質稱為電子傳遞鏈。真核生物包含五種主要的蛋白質複合體，而原核生物中存在許多不同的酶，以便利用各種電子供體和受體。
在「電子傳遞」過程中，質子被電子流過電子傳遞鏈所釋放的能量泵出粒線體內膜。這會以pH梯度和跨膜電勢差的形式產生勢能。儲存的能量通過讓質子順梯度跨膜內流，由稱為ATP合酶的大型酶所使用；這個過程稱為化學滲透。這種酶在磷酸化反應過程中就像一台機械馬達，酶的一部分在質子流的驅動下不停旋轉，將二磷酸腺苷（ADP）合成為三磷酸腺苷。
雖然氧化磷酸化是新陳代謝的重要組成部分，它卻會產生活性氧如超氧化物和過氧化氫，使自由基擴散開來，破壞細胞及造成病變，還有可能導致老化。該代謝途徑中的酶也是許多藥物和毒物所抑制的目標。

通過化學滲透轉移能量的概述

氧化磷酸化的工作原理是利用釋放能量的化學反應來驅動需要能量的反應：這樣的反應稱為是偶聯反應。電子在電子傳遞鏈上從電子供體（如NADH）到電子受體（如氧）的流動，是一個放能的過程，而ATP的合成是一個耗能的過程，需要輸入能量。電子傳遞鏈和ATP合酶都在膜中，在稱為「化學滲透」的過程中，通過質子穿過這層膜的運動，將能量從電子傳遞鏈轉移到ATP合酶中。實際上，這就像一個簡單的電路，質子通過電子傳遞鏈中的質子泵酶，從膜帶負電位的N端流向帶正電位的P端。這些酶如同其中的電池，做功來驅動電流在迴路中流動。質子的移動產生了跨膜電化學梯度，這通常稱為「質子動力」。它包含兩部分：質子濃度差（H⁺梯度，ΔpH）和電勢差，其中N端有負電荷。
ATP合酶接通電路，讓質子順著電化學梯度流動，回到膜的N端，從中釋放儲存的能量。這動能驅動著酶的部分結構旋轉，並與ATP的合成相偶聯。
質子動力的兩種組分在熱力學上是等效的：在粒線體中，大部分能量由電勢差提供；在嗜鹼性細菌中，電能甚至要補償pH逆差造成的反作用。與之相反，葉綠體主要依靠ΔpH工作。然而，因為ATP合成的動力學要求，它們也需要一個小的膜電位。至少在梭桿菌P. modestum的情況中，它驅動ATP合酶FO轉子的a、c亞基逆向旋轉。
與通過厭氧發酵產生的能量相比較，通過氧化磷酸化釋放的能量很多。糖解只產生2個ATP分子，而通過將一分子葡萄糖轉變為二氧化碳和水而生成的10個NADH和兩分子琥珀酸氧化磷酸化，可以產生30到36個ATP。以上的ATP產量均為理論最大值；在實際中，一些質子會發生跨膜泄漏，從而降低了ATP的產量。

電子和質子的轉移分子

電子傳遞鏈能承載質子和電子，將電子從供體轉移到受體，並在膜間搬運質子。這些過程會使用可溶性的蛋白質結合轉移分子。在粒線體中，電子在膜間隙內由水溶性電子傳遞蛋白細胞色素c傳遞。它通過其結構中血基質基團的一個鐵原子的還原和氧化過程傳輸電子。在某些細菌的周質空間中也發現了細胞色素c。
粒線體內膜中的脂溶性電子載體輔酶Q10（Q）通過氧化還原循環，可同時攜帶電子和質子。這個小苯醌分子疏水性很強，所以它能自由地在膜中擴散。當Q接受兩個電子和兩個質子時，它被還原為「泛酚」形式（QH₂）；當QH₂釋放兩個電子和兩個質子時，它被氧化為「泛醌」（Q）形式。結果，如果安排兩種酶，使得Q在膜的一側被還原，而QH₂在另一側被氧化，泛醌就能耦合這些反應，並攜帶質子穿過膜。除了泛醌，一些細菌在電子傳遞鏈中還使用其他的醌類，如甲萘醌。
在蛋白質中，電子在黃素輔因子、鐵硫簇和細胞色素之間轉移。有幾種類型的鐵硫簇化合物。在電子傳遞鏈中發現的最簡單的一種包含了由兩個無機硫原子連接的兩個鐵原子；這些稱為[2Fe-2S]簇。第二種稱為[4Fe-4S]，包含了由四個鐵原子和四個硫原子組成的立方體。在這些簇中，每個鐵原子與一個額外的胺基酸配位，通常是半胱胺酸中的硫原子。金屬離子輔因子在氧化還原反應中不結合或釋放質子，因此在電子傳遞鏈中都只通過蛋白質傳輸電子。電子沿著這些輔因子鏈跳躍，在蛋白質中移動很長的距離。這些現象的本質是量子隧穿效應，在小於1.4×10⁻⁹米的距離內非常迅速。

NADH-輔酶Q氧化還原酶（複合體I）

NADH-Q還原酶，又稱「NADH去氫酶」或「複合體I」，是電子傳遞鏈中的第一個蛋白。它是一個巨大的酶，在哺乳動物中該複合體由46亞基組成，有1000千道爾頓（kDa）。目前只了解一種細菌的複合體詳細結構；大多數生物的複合體酷似有一個大「球」的靴子，從膜中穿到粒線體​​。編碼單個蛋白質的基因同時包含在細胞核和粒線體基因組中，許多粒線體酶都是這種情況。
此酶催化的反應為NADH被輔酶Q10，即粒線體膜上的一種脂溶性醌類「泛醌」（在下面公式中寫作Q）所氧化，同時轉移兩個電子：
這個反應乃至於整個電子鏈，是從NADH分子與複合體I結合及放出兩個電子而開始。電子通過附著在其上的黃素單核苷酸（FMN）輔基進入複合體I。電子的加入使FMN轉換為它的還原形式，FMNH₂。電子隨後通過一系列存在於複合體中的第二種輔基鐵硫簇轉移。複合體I中存在兩種鐵硫簇，[2Fe-2S]和[4Fe-4S]。
電子穿過複合體時，有4個質子從基質泵入膜間隙。尚不清楚其中的機制，但似乎與複合體I的構象改變有關，這可使該蛋白質在膜的N側結合質子，並在P側釋放它們。最後，電子從鐵硫簇鏈轉移到膜中的泛醌分子上。泛醌的還原也有助於質子梯度的產生，因為基質中的兩個質子被用於泛酚（QH₂）的還原。

細胞色素c氧化酶（複合體IV）

細胞色素c氧化酶，又稱「複合體IV」，是在電子傳遞鏈的最後一個蛋白質複合體。哺乳動物的酶有極其複雜的結構，包含13個亞基，2個血基質基團，以及多種金屬離子輔因子——總計3個銅原子，1個鎂原子和1個鋅原子。
這種酶承載了電子傳遞鏈的最終反應，在跨膜泵送質子時將電子轉移到氧上。這一步，氧作為最終電子受體，也稱「末端電子受體」，被還原為水。直接泵送的質子和在氧的還原中消耗的基質中質子都能影響質子梯度。所催化的反應為細胞色素c的氧化及氧的還原：

替代的還原酶和氧化酶

許多真核生物的電子傳遞鏈中的酶與上述研究較多的哺乳動物有所不同。例如，植物有替代的NADH氧化酶，可以不在粒線體基質而在細胞質中氧化NADH，並將這些電子傳遞到泛醌池。這些酶不傳送子，可在不改變跨膜電化學梯度時還原泛醌。
分岔電子傳遞鏈的另一個例子是「替代氧化酶」，存在於植物、一些真菌及原生生物中，一些動物也可能包含其中。這種酶可直接將泛酚中的電子轉移到氧。
通過這些替代NADH和泛醌氧化酶的電子傳遞途徑比完整路徑的ATP產量低。這些捷徑的優點尚不明確。然而，替代氧化酶產生於應激反應，如受寒、活性氧、病原體感染，及其他抑制完整電子傳遞鏈的因素。因此，替代途徑可能可以通過減少氧化應激，從而提高生物對傷害的抵抗力。

複合體組織 

最初的呼吸鏈複合體組織模型認為它們互相獨立，在粒線體膜中自由擴散。然而，最近的資料表明，複合體可能形成稱為超複合體或「呼吸體」的高級結構。在此模型中，各個複合體存在於有相互作用酶的有序集合中。這些關聯可能使各種酶複合體之間建立了受質通道，增加電子轉移的速率和效率。在哺乳動物的這些超複合體中，某些部件的數量可能較其它的要多，部分資料表明複合體I/II/III/IV和ATP合酶的比大致為1:1:3:7:4。然而，對超複合體假說的爭論仍未完全結束，因為部分資料似乎無法支持此模型。

歷史

對氧化磷酸化的研究起源於阿瑟·哈登1906年的報告，闡述了磷酸鹽在細胞發酵中的重要作用，但最初只知道糖磷酸鹽與此相關。然而在20世紀40年代初，糖的氧化和ATP的生成之間的聯繫被赫爾曼·卡爾卡牢牢確立，同時在1941年，弗里茨·阿爾伯特·李普曼確認ATP在能量傳遞中起核心作用。後來在1949年，莫里斯·弗里德金與阿爾伯特·倫寧格證明，輔酶NADH與代謝途徑如三羧酸循環及ATP的合成有關。
又過了二十年，ATP的生成機制依然是個謎，同時科學家也在尋找那個難以捉摸的連接氧化與磷酸化反應的「高能中間體」。這個難題在彼得·米切爾於1961年發表的化學滲透理論中得到了解決。起初，這個看法極具爭議，但隨時間流逝，它逐漸為人們所接受，米切爾也於1978年獲頒諾貝爾化學獎。隨後的研究集中於提純和描述所涉及的酶，其中戴維·格林和埃夫拉伊姆·萊克分別對電子傳遞鏈上複合體和ATP合酶的研究作出了重大貢獻。解決ATP合酶機制的關鍵步驟由保羅·博耶1973年構想的「結合變構」機制所解釋，隨後是1982年他提出的旋轉催化的激進想法。較近期的工作包括由約翰·沃克完成的氧化磷酸化酶的結構研究。沃克和博耶於1997年被授予諾貝爾化學獎。