生物化学与分子生物学/氧化磷酸化的影响因素

生物氧化 - 线粒体氧化体系与呼吸链 - 氧化磷酸化与ATP的生成 - 氧化磷酸化的影响因素 - 其他氧化与抗氧化体系
ATP 作为机体最主要的能量载体，其生成量主要取决于氧化磷酸化的速率。机体根据自身能量需求通过调节氧化磷酸化的速率来调节 ATP的合成。 因此，能够影响NADH、FADH₂的产生、影响呼吸链组分和 ATP合酶功能的因素，都会影响氧化磷酸化进而影响 ATP的生成。

体内能量状态调节氧化磷酸化速率

机体根据能量需求调节氧化磷酸化速率，从而调节 ATP的生成量。电子的氧化和 ADP的磷酸化是氧化磷酸化的根本，通常线粒体中氧的消耗量是被严格调控的，其消耗量取决于 ADP的含量，因此，ADP是调节机体氧化磷酸化速率的主要因素，只有 ADP和Pi充足时电子传递的速率和耗氧量才会提高。
细胞内 ADP的浓度以及 ATP/ADP的比值能够迅速感应机体能量状态的变化。当机体蛋白质合成等耗能代谢反应活跃时，对能量的需求大为增加，ATP分解为 ADP和Pi的速率增加，使 ATP/ADP 的比值降低、ADP的浓度增加，ADP进入线粒体后迅速用于磷酸化，氧化磷酸化随之加速，合成的 ATP 用于满足需求，直到 ATP/ADP的比值回升至正常水平后，氧化磷酸化速率也随之放缓。通过这种方式使 ATP的合成速率适应机体的生理需要。另外，ATP和 ADP的相对浓度也同时调节糖酵解、三羧酸循环途径，满足氧化磷酸化对NADH和FADH₂的需求。另外 ATP的浓度较高时，氧化磷酸化速率会降低，是因为ATP通过别构调节的方式抑制糖酵解、降低三羧酸循环的速率，协调调节产能的相关途径。

抑制剂阻断氧化磷酸化过程

抑制剂通过阻断电子传递链的任何环节，或者抑制 ADP的磷酸化过程，都可导致ATP的合成减少，同时线粒体对氧的需求也减少，细胞的呼吸作用降低，细胞的各种生命活动都会受到影响。

呼吸链抑制剂阻断电子传递过程

此类抑制剂能在特异部位阻断线粒体呼吸链中的电子传递、降低线粒体的耗氧量，阻断 ATP的产生。例如，鱼藤酮（rotenone）、粉蝶霉素 A(piericidin A)及异戊巴比妥(amobarbital)等可抑制复合体Ⅰ, 从而阻断电子从铁硫中心到泛醌的传递。萎锈灵(carboxin)是复合体Ⅱ的抑制剂。抗霉素 A(antimycin A )阻断电子从Cyt b到Q_N的传递，是复合体Ⅲ的抑制剂。
CN^-,N₃^-能够紧密结合复合体Ⅳ中氧化型Cyt a₃, 阻断电子由Cyt a到Cu_B-Cyt a₃的传递。CO与还原型Cyt a₃结合，阻断电子传递给O₂。许多室内的火灾事故，由于装饰材料中的化学物质经高温处理后形成HCN, 造成人员的CO、CN^-中毒，能量代谢受阻，细胞的呼吸作用停止，直接威胁生命。

解偶联剂阻断ADP的磷酸化过程

解偶联剂(uncoupler)可使氧化与磷酸化的偶联分离，电子可沿呼吸链正常传递，但建立的质子电化学梯度被破坏，不能驱动 ATP合酶来合成ATP。如二硝基苯酚(dinitrophenol, DNP)为脂溶性物质，在线粒体内膜中可自由移动，进入基质时释出H⁺，返回细胞质侧时结合H⁺，从而破坏了H⁺的电化学梯度，无法驱动 ATP的合成。
机体也存在内源性解偶联剂，使H⁺不通过 ATP合酶、而是通过其他途径回流至线粒体基质，因而ATP的生成受到抑制。如人（尤其是新生儿）、哺乳类动物中存在棕色脂肪组织，该组织中含有大量的线粒体，因而细胞色素蛋白明显增多，大量血红素的强吸光能力而使其带有颜色。棕色脂肪组织的线粒体内膜中富含一种特别的蛋白质，称解偶联蛋白1 (uncoupling protein 1, UCPl)。它是由2个32kD 亚基组成的二聚体，在线粒体内膜上形成质子通道，内膜细胞质侧的H⁺可经此通道返回线粒体基质，使氧化磷酸化解偶联不生成 ATP,但质子梯度储存的能量以热能形式释放，因此棕色脂肪组织是产热御寒组织。新生儿硬肿症是因为缺乏棕色脂肪组织，不能维待正常体温而使皮下脂肪凝固所致。现已发现在骨骼肌等组织的线粒体中存在UCPl的同源蛋白质UCP2、UCP3,但无解偶联作用，它们在禁食条件下表达增加，可能有其他的功能。另外，体内游离脂肪酸也可促进H⁺经解偶联蛋白回流至线粒体基质中而减少 ATP的生成。

ATP合酶抑制剂同时抑制电子传递和ATP的生成

ATP合酶的抑制剂对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。例如寡霉素(oligomycin)、二环已基碳二亚胺（dicyclohexyl carbodiimide, DCCD)均可结合F₀，阻断H⁺从F₀质子半通道回流，抑制 ATP合酶活性。由于线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高能够影响呼吸链组分的质子泵功能，因此也会抑制电子的传递过程。另外，抑制氧化磷酸化会降低线粒体对氧的需求，氧的消耗会减少。

甲状腺激素促进氧化磷酸化和产热

机体的甲状腺激素促进细胞膜上Na⁺,K⁺-ATP酶的表达，使ATP加速分解为ADP和Pi,ADP浓度增加而促进氧化磷酸化。另外甲状腺激素(thyroid hormoneT₃)可诱导解偶联蛋白基因表达，使氧化释能和产热比率均增加，ATP合成减少，导致机体耗氧量和产热同时增加，所以甲状腺功能亢进症病人基础代谢率增高。

线粒体DNA突变影响氧化磷酸化功能

线粒体 DNA(mtDNA)呈裸露的环状双螺旋结构，缺乏蛋白质保护和损伤修复系统，容易受到损伤而发生突变，其突变率远高于核内的基因组DNA。
线粒体的功能蛋白质主要由细胞核的基因编码，人的mtDNA 含37个编码基因，用于表达呼吸链复合体Ⅰ中的7个亚基、复合体Ⅲ中的Cyt b、复合体Ⅳ中的3个亚基、ATP合酶的2个亚基，以及22个tRNA和2个rRNA。因此mtDNA突变可直接影响电子的传递过程或ADP的磷酸化，使ATP生成减少而致能量代谢紊乱、引起疾病。mtDNA突变造成的功能障碍易出现在耗能较多的组织，如骨骼肌、脑等。随着年龄的增长，如果mtDNA突变严重累积，可导致帕金森病、阿尔茨海默病、糖尿病等疾病的发生。
遗传性mtDNA 疾病以母系遗传居多，因每个卵细胞中有几十万个mtDNA分子，每个精子中只有几百个mtDNA分子，受精卵mtDNA 主要来自卵细胞，因此卵细胞mtDNA突变产生疾病的概率更高。

线粒体内膜选择性协调转运氧化磷酸化相关代谢物

线粒体的基质与细胞质之间有线粒体内、外膜相隔，外膜对物质的通透性高、选择性低，线粒体内膜含有与代谢物转运相关的转运蛋白质体系，对各种物质进行选择性转运，维持组分间的平衡，以保证生物氧化和基质内旺盛的物质代谢过程能够顺利进行。

细胞质中的NADH通过穿梭机制进入线粒体呼吸链

在线粒体内生成的NADH可直接进入氧化呼吸链进行电子传递。但NADH不能自由穿过线粒体内膜，在细胞质中经糖酵解等生成的NADH需通过穿梭机制进入线粒体的呼吸链才能进行氧化。

甘油磷酸穿梭

• α-磷酸甘油穿梭 脑和骨骼肌细胞的细胞质NADH主要通过此穿梭机制进入线粒体呼吸链进行氧化。细胞质中的NADH+H⁺在磷酸甘油脱氢酶催化下，将2H传递给磷酸二羟丙酮，使其还原成α-磷酸甘油，后者通过线粒体外膜到达线粒体内膜的膜间隙侧。在线粒体内膜的膜间隙侧结合着磷酸甘油脱氢酶的同工酶，此酶含FAD辅基，接受α-磷酸甘油的2H生成FADH₂和磷酸二羟丙酮。FADH₂直接将2H传递给泛醌进入氧化呼吸链。由于FADH₂将NADH携带的一对电子从内膜的膜间隙侧直接传递给Q进行氧化磷酸化，因此1分子的NADH经此穿梭能产生1.5分子ATP。

Malate-aspartate shuttle (zh-cn)

• 苹果酸－天冬氨酸穿梭 肝、肾及心肌细胞中主要采用此机制将细胞质NADH转运至线粒体呼吸链。该穿梭需要2种内膜转运蛋白质和2种酶协同参与。细胞质中的NADH+H⁺使草酰乙酸还原生成苹果酸，苹果酸经过线粒体内膜上的苹果酸-α-酮戊二酸转运蛋白进入线粒体基质后重新生成草酰乙酸，释放NADH+H⁺。基质中的草酰乙酸转变为天冬氨酸后经线粒体内膜上的天冬氨酸－谷氨酸转运蛋白重新回到细胞质。进入基质的NADH+W则通过NADH呼吸链进行氧化，生成2.5分子ATP。

ATP-ADP转位酶协调转运ATP和ADP出入线粒体

呼吸链产生的质子电化学梯度主要用于驱动ATP的合成，同时也驱动内膜上的跨膜蛋白质转运氧化磷酸化的相关组分，包括腺苷酸转运蛋白、磷酸盐转运蛋白等。
线粒体内膜富含腺苷酸转运蛋白，也称ATP-ADP转位酶(ATP-ADP translocase), 可占内膜蛋白质总量的14%。它是由2个亚基组成的二聚体，形成跨膜蛋白通道，将膜间隙的ADP^3-(在细胞pH中，ADP呈解离状态）转运至线粒体基质中，同时从基质转运出ATP^4-, 使经过线粒体内膜的ADP^3-进入和ATP^4-移出紧密偶联，维持线粒体内外腺苷酸水平基本平衡。每分子ATP^4-和ADP^3-反向转运时，实际向膜间隙净转移l个负电荷，而膜间隙的高正电性有利于ATP的泵出。此时，跨膜质子梯度的能量也驱动膜间隙侧的H⁺和H₂P0₄^-经磷酸盐转运蛋白同向转运到线粒体基质中。因此每分子ATP在线粒体基质中生成并转运到细胞质共需4个H⁺回流进入线粒体基质中。
心肌、骨骼肌等耗能多的组织中线粒体膜间隙存在一种肌酸激酶同工酶，它催化经ATP-ADP转位酶运到膜间隙中ATP与肌酸之间～P的转移，生成的磷酸肌酸经线粒体外膜中的孔蛋白进入细胞质中，由相应的肌酸激酶同工酶催化，将～P转移给ADP生成ATP。因此线粒体内膜的选择性协调转运，对于氧化磷酸化的正常运转至关重要。