Berg • Tymoczko • Stryer
Biochemistry
Sixth Edition
Chapter 18: Oxidative Phosphorylation
Copyright © 2007 by W. H. Freeman and Company
染成绿色的线粒体在成纤维细胞内形成的网状结 构（左边）。线粒体氧化碳燃料，形成ATP（胞 内能量）。
进一步的证据：线粒体基因组序列和细菌基因组序 列比对，最可能的线粒体祖先是立克次细菌R. Prowazekii (一种伤寒的病原体)。该细菌的基因组 有100万碱基对，含有834个编码基因。现存线粒体 的DNA编码序列都存在于R. Prowazekii基因组，显 示细胞与这种细菌一次共生导致线粒体产生。
图18.1 氧化磷酸化的本 质。跨膜质子流将氧化 和ATP合成偶联。
氧化磷酸化是一系列能量转移反应。整个 氧化磷酸化过程称为细胞呼吸(简称呼吸)。柠檬 酸循环将碳原料氧化，产生高能电子。氧化磷 酸化将高能电子驱动力转化成质子驱动力，接 着转化成高能磷酸基团。呼吸链有三个电子驱 动的质子泵：NADH-Q氧化还原酶，Q-细胞色 素c氧化还原酶，和细胞色素c氧化酶。这些跨 膜复合物大，含有多个氧化还原中心，包括醌 、黄素、铁硫簇、和铜离子。氧化磷酸化的最 后阶段由ATP合成酶负责。这个ATP合成酶是合 成ATP的装置，受质子回流到线粒体基质的驱 动。其催化机理涉及蛋白组分的旋转。氧化磷 酸化是质子浓度梯度介导的自由能转化。
人类所需要的ATP量有波动。70 kg体重的男 人，静坐时一天需要8400 kJ，即83 kg ATP。但 是人体只有250 g ATP。我们实际拥有量和机体 需求量之间有差异，解决的办法是将ADP重新转 化成ATP。每天一个ATP分子循环300次左右。主 要利用氧化磷酸化完成ATP循环。氧化磷酸化将 NADH或FADH2经过一系列电子载体传递给氧气 ，结果形成ATP。在线粒体进行氧化磷酸化，是 需氧生物ATP的主要来源。一个葡萄糖分子彻底 氧化成CO2和H2O生成30分子ATP，其中26个分 子是氧化磷酸化产生的。
真核生物的氧化磷酸化在线粒体进行
线粒体是一种椭圆形细胞器，长度2 mm左右、直径0.5 mm。这 种大小与细菌相当。Eugene Kennedy和Albert Lehninger在半个世纪 前就发现线粒体有呼吸装置、柠檬酸循环的酶、脂肪酸氧化酶。
图18.2 线粒体的电子显微镜图谱（A）和结构示意图（B）。
图18.3 线粒体基因组大小。三种大小的线粒体基因组与立 克次体基因组比较。立克次氏体是线粒体的近缘，被假定 为线粒体的祖先。超过60 kb的基因组，其基因编码区用 红色标出。
线粒体的起源
推测：具有氧化磷酸化能力的独立生活细胞被另一 个细胞内吞，发生共生。
支持的理由：(1) 线粒体有两层膜;(2)基因组是环状 (也有例外)；(3)有特异的转录和翻译机制。
外膜有很多线粒体膜孔蛋白(porin)，对大多数小分子和离子的 通途性很高。线粒体膜孔蛋白大小是30 ~ 35 kD，能够形成膜孔， 使依赖于电压的阴离子通道（voltage- dependent anion channel, VDAC)。VDAC调节代谢物质跨线粒体外膜的流动。这些物质通常 是阴离子，如磷酸离子、氯离子、有机阴离子、腺嘌呤核苷酸。相 反，线粒体内膜对这些阴离子和极性物质几乎都不能透过。线粒体 内膜有很多运输器负责代谢物（如ATP, 丙酮酸，和柠檬酸）的跨内 膜运输。线粒体内膜的内面是线粒体基质，外面是细胞质（因为细 胞质大多数小分子能够自由通过线粒体外膜）。内膜内外侧也被分 别称为N侧和P侧（因为内侧电势负，外侧电势正）。
还原势能是一种电化学概念。假定一种物质有氧 化态X和还原态X-。这两种状态称为氧化还原对(redox couple)。用电压表将样品半电池（sample half-cell）与 参照半电池(standard reference half cell) 连接能够测定 这个氧化-还原对的还原势能（图18.5）。
用氧化-还原电势评价电子转移势能
在氧化磷酸化过程中，NADH和FADH2的电子转 移势能转化成ATP的磷酸转移势能。定量描述这些转 移势能的物理量是自由能变化(△Go’) 。高能磷酸基团 水解反应的△Go‘表示磷酸基团的转移势能。电子转移 势能用△Eo’ (即还原势能，也称为氧化势能或氧化-还 原势能）表示。
氧化磷酸化:用质子梯度将碳原料氧化反应与ATP合成 反应偶联
糖酵解、脂肪酸氧化、和柠檬酸循环形成的高能分子 (NADH和FADH2)。经过线粒体内膜的蛋白复合物， NADH和FADH2的电子流向O2，泵出线粒体基质的质子， 产生电化学势能。当质子经过酶复合物流回到线粒体基质 时合成ATP。因此，跨线粒体内膜的质子浓度梯度将燃料 氧化和ADP磷酸化偶联。
在原核生物中，电子 驱动的质子泵和ATP形成 复合物位于细胞质膜，即 两层细胞膜的内膜。像线 粒体外膜，细菌的外膜也 有膜孔蛋白，对大多数小 分子代谢物可透过。
பைடு நூலகம்
线粒体是胞内共生的结果
线粒体是与宿主细胞共生的半自主细胞器，有 自己的DNA，编码自身蛋白质和RNAs。早先认为 线粒体DNA就是环状分子，但是最近研究暗示很 多生物的线粒体可能是线状分子。不同物种的线粒 体大小不同。 Plasmodium faciparum的线粒体基因 组低于6 kb，而有些陆生植物线粒体基因组达到 16.6 kb（编码13个呼吸链蛋白和大的、小的rRNAs 分子、以及足量的tRNAs翻译所有线粒体基因。此 外，还有很多线粒体蛋白由细胞核DNA编码。线 粒体和宿主细胞之间是共生关系：细胞依靠线粒体 的氧化磷酸化提供能量，而线粒体的生存有赖宿主 细胞的环境。
图18.4 线粒体重叠基因互补区。用椭圆形表示各种生物所能提供的 粒体编码基因（只显示线粒体rRNA基因和蛋白编码基因）。唯有 Reclinomonas基因组能提供所有已知线粒体基因组的编码基因。
原核生物被较大细胞暂时性内吞在 微生物世界是非常稀有的事件。当细菌 细胞丢失DNA，使细菌细胞无法独立生 存，而宿主细胞依赖这个寄居者制造 ATP时，这种暂时性关系就变成永久关 系，形成线粒体。