丙酮酸和还原性氢进入线粒体

（2008年广东生物竞赛试题）每1分子葡萄糖在需氧呼吸第一阶段将分解产生2分子丙酮酸和2分子NADH。已知在线粒体中，每1分子NADH经电子传递将生成3分子ATP。但上述过程产生的NADH最终经线粒体中的电子传递只产生4分子ATP。损失ATP的原因是（ C ）。

A．该过程产生的NADH与线粒体中的NADH不是相同的物质

B．线粒体中的NADH不是全部都参与电子传递

C．细胞溶胶中的NADH跨线粒体膜运输消耗能量

D．细胞溶胶中的NADH不能与O2结合产生H2O

问题：NADH到底是怎样进入线粒体的，同时也带来一个问题，丙酮酸是怎样进入线粒体的。

分析：

1．NADH进入线粒体的途径

NADH是还原型辅酶，是一种特殊的核苷酸。NADH不能直接进入，所以它必须将氢转移给能穿过线粒体膜的受氢体，通过受氢体的转运而把氢从胞质带入线粒体内，这种作用称为穿梭作用。

目前了解比较多的是苹果酸穿梭作用和3-磷酸甘油穿梭作用。这两种作用使胞质中的NADH氧化为NAD+，使其浓度恢复到反应前的水平。氧化脱下的氢以穿梭分子的一部分被带到线粒体内，并在呼吸链中氧化生成水且伴有氧化磷酸反应产生能量物质ATP。

（1）苹果酸穿梭作用

当胞液中NADH浓度升高时，由苹果酸脱氢酶催化，使草酰乙酸还原成苹果酸。苹果酸在线粒体内膜转位酶的催化下穿过线粒体内膜，进入线粒体，在线粒体内，通过苹果酸脱氢酶作用，脱氢生成草酰乙酸，生成NADH+H+。生成的NADH+H+通过呼吸电子链传递进行氧化磷酸化，生成2.5分子ATP。

草酰乙酸不能直接透过线粒体内膜返回胞液，其在天冬氨酸转氨酶作用下从谷氨酸接受氨基生成天冬氨酸，谷氨酸转出氨基后生成α-酮戊二酸，α-酮戊二酸与天冬氨酸能在膜上转位酶的作用下，穿过线粒体内膜进入胞液，在胞液中的天冬氨酸与α-酮戊二酸在天冬氨酸转氨酶的作用下，又重新合成草酰乙酸和谷氨酸，草酰乙酸又可重新参与苹果酸穿梭作用。

（2）3-磷酸甘油穿梭作用

穿梭机制主要在脑及骨骼肌中，当胞液中NADH浓度升高时，胞液中的磷酸二羟丙酮首先被NADH还原成3－磷酸甘油，反应由甘油磷酸脱氢酶催化，生成的3-磷酸甘油可再经位于线粒体内膜近外侧部的甘油磷酸脱氢酶催化氧化生成磷酸二羟丙酮。线粒体与胞液中的甘油磷酸脱氢酶为同工酶，两者不同在于线粒体内的酶是以FAD为辅基的脱氢酶，而不是NADH+，FAD所接受的质子、电子可直接经泛醌、复合体Ⅲ、Ⅳ传递到氧，这样线粒体外的还原当量就被转运到线粒体氧化了，但通过这种穿梭机制果只能生成1.5分子ATP而不是2.5分子ATP。

2．丙酮酸进入线粒体的途径

线粒体的外膜含40%的脂类和60%的蛋白质，具有孔蛋白构成的亲水通道，丙酮酸是在丙酮酸转运酶的帮助下进入线粒体，不需要消耗能量，相当于通过自由扩散通过外膜。丙酮酸通过内膜是协同运输，协同运输是一类靠间接提供能量完成的主动运输方式。物质跨膜运动所需要的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵，据资料，丙酮酸通过线粒体内膜是利用质子泵浓度梯度协同运输。