一、電子傳遞系統

  線粒體中的NADH主要來源於下列反應過程:三羧酸迴圈、糖酵解和葉片光呼吸時甘氨酸的氧化作用。當NADH氧化時產生ATP,由三羧酸迴圈中琥珀酸脫氫酶催化產生的UQH2也可以氧化產生ATP。所有這些氧化過程都涉及到O2的吸收和H2O的產生。不過,無論是NADHUQH2都不能直接將電子傳遞給O2而生成H2O。電子供體上的電子要將O2還原產生H2O,要經過幾種中間化合物(載體),這些電子載體組成線粒體電子傳遞系統(electron-transport system)。在這個系統中,能量水準較高的電子經過不同的載體傳遞到能量較低的水準,最後電子(e)和質子(H2)結合氧形成水(圖2-6)。電子載體以四種主要蛋白複合體的方式排列在線粒體的內膜上,每個線粒體存在幾千個電子傳遞系統。

 

  線粒體電子傳遞系統的主要成分有:細胞色素(含鐵的蛋白,包括4cyt.b2cyt.c)、Fe-S蛋白、黃素蛋白(FP,含FMNFAD)、輔酶QUQ,電子傳遞鏈中的非蛋白成員)和細脫色素氧化酶(包含有cyt.aa3)。關於電子傳遞的途徑,如圖2-6所示為:內源NADHFP(含FMN)→Fe-S蛋白→輔酶Qcyt.bFe-S蛋白→輔酶Qcyt.c1caa3O2。在這個電子傳遞鏈上,Fe-S蛋白和細胞色素每次只傳遞1個電子,不接受質子。黃素蛋白和輔酶Q每次可接受2個電子和2個質子。因此,電子傳遞過程中輔酶Q和黃素蛋白從線粒體基質接受質子後不再往下傳遞,而是將質子傳遞到膜間腔。由於電子傳遞而引起H+的跨膜運轉,建立起跨膜的pH梯度(基質的pH約為8.5,膜間腔pH接近7),進而推動ATP的合成。


二、氧化磷酸化作用

  氧化磷酸化作用(oxidative phosphorylation),是指線粒體中NADH上的一對電子被傳遞到O2時,推動ADP磷酸化形成ATP的作用。Mitchell提出的化學滲透學說能較好解釋電子傳遞與ATP形成的機制。可以將電子傳遞系統看作是一個質子泵,由此產生的質子電化學勢梯度,推動ATP的合成(圖27)。線粒體的ATP合成酶(F1F0複合體)與葉綠體的ATP合成酶相似,具有小球體頭部和柄部。頭部嵌入內膜並伸入線粒體基質內,柄部則橫跨內膜向外伸展到膜間腔。在基質的頭部合成ATP後,ATP通過內膜上的反向運轉體運到膜間腔,同時反方向運轉ADP。線粒體外膜的透性較大,具有允許小於5kD的分子通過的通道。代謝物很容易通過線粒體外膜,ATP通過這些通道進入細胞質中。

 

  如圖26所示,由線粒體基質內三羧酸迴圈產生的內源NADHH+首先將2個電子和2H+傳遞給內膜內側含FMN的黃素蛋白。黃素蛋白將電子傳遞給Fe-S蛋白。由於FeS蛋白不接受H+,所以2H+以某種方式運送到膜間腔。這是電子傳遞鏈上跨膜轉運到膜間腔的第一對質子。第二和第三對質子的跨膜運轉是在UQFe-S蛋白接受2個電子時,從基質中吸收2H+還原成UQH2Cyt.bCyt.c1只接受電子,2H+被運送到膜間腔。最近的研究指出,Cyt.c被細胞色素氧化酶氧化時,伴隨著一對H+從基質運到膜間腔。不過,具體機制還不清楚。

  從還原勢(ψ0)來看,NADH的ψ0-0.32伏,而O2+0.82伏,總變化△ψ0+1.14伏。在線粒體中,每氧化1mol由三羧酸迴圈產生的NADH釋放220kJ的能量,4H+由線粒體基質跨內膜運轉到膜間腔,產生的pH梯度足夠推動ATP合成酶合成3分子ATP。許多研究也表明,植物的離體線粒體每氧化一分子三羧酸迴圈NADH,產生3分子ATP

  由糖酵解產生的NADH以及琥珀酸產生的UQH2的電子沒有參與電子傳遞系統中產生第一對H+跨膜的過程(圖2-6)。因而它們氧化時產生較小的pH梯度差異。植物線粒體還可以氧化戊糖磷酸途徑產生的NADPH,電子傳遞途徑與糖酵解NADH的相同。

  線粒體的氧化與磷酸化作用可以被一些解偶聯化合物抑制。大多數解偶聯劑通過運載H+進入線粒體基質而中和pH梯度。在這種情況下,電子傳遞仍然進行,甚至更為迅速。但ATP的合成則因缺乏質子驅動力而不能進行。如圖27所示,線粒體膜間腔的質子由解偶聯劑(如對三氟甲醯基羰基氰苯腙,簡稱FCCP)運轉進入基質,而不再通過ATP合成酶。因此,解偶聯劑抑制了ATP的合成。線粒體氧化磷酸化的解偶聯劑還有羧基氰-m-氯苯腙(CCCP),和二硝基苯酚(DNP)等。

  除解偶聯劑外,一些化合物對氧化磷酸化雖然不起解偶聯作用,但卻分別抑制電子傳遞和磷酸化過程。例如寡黴素通過抑制ATP合成酶的活性而抑制ATP合成。一些化合物通過抑制H+/Pi的同向運轉體或通過抑制ADP/ATP以反向運轉體的作用而阻礙ATP合成。電子傳遞鏈上也存在一些抑制劑,如魚藤酮抑制電子由內源NADHFPFe-S蛋白傳遞;抗黴素是細胞色素的抑制劑,可能阻礙電子由cyt.bFe-S蛋白或相鄰的電子載體的傳遞;氰化物和一氧化碳則對細胞色素氧化酶具有抑制作用。


三、抗氰呼吸

  大多數生物包括部分植物的有氧呼吸會被一些能與細胞色素氧化酶中的鐵原子結合的陰離子強烈地抑制。這些陰離子中以氰化物(CN-)和疊氮物(N3-)最為有效。此外,一氧化碳(CO)也能與鐵原子形成極強的複合物而阻礙電子的傳遞和毒害呼吸作用。但是對於一些植物組織,在細胞色素氧化酶抑制劑存在時呼吸作用仍然進行,這類抑制劑對呼吸作用的影響並不大。這時的呼吸作用稱為抗氰呼吸(cyanidereststantrespiration)。

  當細胞色素氧化酶活性受到抑制時呼吸作用仍然進行,這是由於抗氰線粒體的電子傳遞途徑中存在一條較短的電子傳遞支路。這一分支起始於泛醌輔酶Q,經黃素蛋白至末端氧化酶。這個電子傳遞支路稱為交替途徑(alternative pathway),末端氧化酶稱為交替氧化酶(alternative oxidase)。交替氧化酶對O2的親和力很高。但相對細胞色素氧化酶來說,交替氧化酶對O2的親和力稍低些。抗氰呼吸時很少或無氧化磷酸化作用。即主要是釋放熱量,而不是產生ATP。這些熱量對於促進一些植物的授粉作用有一定的生理意義。例如,許多沼澤地帶植物如天南星科植物在早春開花時,環境溫度較低,通過抗氰呼吸放熱,使花器官的溫度大大高於環境溫度,從而保證了花序的發育和授粉作用的進行(圖2-8)。此外種子萌發初期的抗氰呼吸有促進萌發的作用。

 

  近年來已有人分離得到交替氧化酶,並對該酶的一些特性進行研究。在佛焰花序附屬物存在下,交替氧化酶活性增加7倍,而正常電子傳遞途徑(細胞色素途徑)活性下降10倍。這種活性的改變迫使電子通過交替途徑傳遞給O2,並產生大量熱量。但是在植物體內交替途徑與正常途徑之間運作的比例如何,人們還不甚瞭解。許多的研究結果都是在加入CN-N3-CO使細胞色素氧化酶活性受到抑制的非自然情況下得到的,因而不能說明植物體內的真實情況。不過,可以肯定植物中交替途徑是經常運行著的。例如,在經光合作用積累了大量糖分的細胞中,糖酵解和三羧酸迴圈進行得非常迅速,正常的電子傳遞途徑不能處理供給過剩的電子。這時細胞中交替氧化酶活性達到最高。因此,有研究認為,糖酵解和三羧酸迴圈的迅速進行,使細胞色素途徑電子傳遞呈飽和狀態時,交替途徑則通過流出機制運走那些過剩的電子。

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