ATP的生成、储存和利用（2）

 图6-14　电子传递与质子传递偶联(注：复合物Ⅱ未显示)

　　2.H+不能自由透过线粒体内膜，结果使得线粒体内膜外侧H+浓度增高，基质内H+浓度降低，在线粒体内膜两侧形成一个质子跨膜梯度，线粒体内膜外侧带正电荷，内膜内侧带负电荷，这就是跨膜电位△ψ。由于线粒体内膜两侧H+浓度不同，内膜两侧还有一个pH梯度△pH，膜外侧pH较基质pH约低1.0单位，底物氧化过程中释放的自由能就储存于△ψ和△pH中，若以△P表示总的质子移动力，那么三者的关系可用下式表示：

　　△P=△ψ-59△pH

　　3.线粒体外的H+可以通过线粒体内膜上的三分子体顺着H+浓度梯度进入线粒体基质中，这相当于一个特异的质子通道，H+顺浓度梯度方向运动所释放的自由能用于ATP的合成，寡霉素能与OSCP结合，特异阻断这个H+通道，从而抑制ATP合成。有关ATP合成的分子机制目前还不十分清楚。

　　4.解偶联剂的作用是促进H+被动扩散通过线粒体内膜，即增强线粒体内膜对H+的通透性，解偶联剂能消除线粒体内膜两侧的质子梯度，所以不能再合成ATP。

　　总之，化学渗透学说认为在氧化与磷酸化之间起偶联作用的因素是H+的跨膜梯度。

　　每对H+通过三分子体回到线粒体基质中可以生成一分子ATP。以NADH+H+作底物，其电子沿呼吸链传递在线粒体内膜中形成三个回路，所以生成3分子ATP。以FADH2为底物，其电子沿琥珀酸氧化呼吸链传递在线粒体内膜中形成两个回路，所以生成两个ATP分子。

　　自从Mitchell提出化学通透学说以来，已为大量的实验结果验证，为该学说提供了实验依据。

　　美国Cohen等人于1978年使用完整的大鼠肝细胞作实验材料，以核磁共振(nuclear magneticresonance,NMR)的方法直接观察到完整细胞中胞液与线粒体基质之间存在H+跨膜梯度，胞液的pH值比线粒体基质的pH值低0.3单位，用解偶联剂处理，或用氮气代替氧气切断氧的供应，那么胞液和线粒体基质之间的pH梯度消失。

　　嗜盐菌(halobacterium haloblum)是一种能在高浓度盐溶液中生长的细菌，该菌中有一种结合蛋白质，称为菌紫质(bacteriorhodopsin)，菌紫质能将光能转换成化学能。有人使用嗜盐菌作实验，在无O2的情况下用光照射嗜盐菌，尽管无氧化作用，菌体内仍维持一定的ATP浓度，若加入解偶联剂或加入磷酸化抑制剂DCC，则菌体内ATP浓度降低；而加入呼吸抑制剂抑制电子传递，即不影响ATP合成，ATP浓度不变，这说明电子传递和H+运动是可以分开加以研究的，嗜盐菌为研究化学渗透学说的H+运动提供了一个理想的模型。于是，有人分离嗜盐菌的菌紫质，并将其重组在人工脂质体中，然后用光照射，可测得跨膜电位为?120mV(内负外正)，同时膜外侧H+浓度增高，膜内外△pH约为1.8单位，可以算出总的质子移动力约为△P=-120mV-59×1.8mV=226mV，若再将牛心线粒体内膜重组在此脂质体中，光照后可使ADP+Pi生成ATP，这说明质子跨膜梯度可以经过线粒体内膜的三分子体将H+跨膜梯度中储存的能量转变为ATP分子中的化学能。

　　五、氧化磷酸化抑制剂

　　氧化磷酸化抑制剂可分为三类，即呼吸抑制剂、磷酸化抑制剂和解偶联剂。

　　(一)呼吸抑制剂　这类抑制剂抑制呼吸链的电子传递，也就是抑制氧化，氧化是磷酸化的基础，抑制了氧化也就抑制了磷酸化。呼吸链某一特定部位被抑制后，其底物一侧均为还原状态，其氧一侧均为氧化态，这很容易用分光光度法(双波长分光光度计)检定，重要的呼吸抑制剂有以下几种。

　　鱼藤酮(rotenone)系从植物中分离到的呼吸抑制剂，专一抑制NADH→CoQ的电子传递。

　　抗霉素A(actinomycin A)由霉菌中分离得到，专一抑制CoQ→Cyt c的电子传递。

　　CN、CO、NaN3和H2S均抑制细胞色素氧化酶。

　　(二)磷酸化抑制剂　这类抑制剂抑制ATP的合成，抑制了磷酸化也一定会抑制氧化。

　　寡霉素(oligomycin)可与F0的OSCP结合，阻塞氢离子通道，从而抑制ATP合成。

　　二环己基碳二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide,DCC)可与F0的DCC结合蛋白结合，阻断H+通道，抑制ATP合成。栎皮酮(quercetin)直接抑制参与ATP合成的ATP酶。

　　(三)解偶联剂(uncoupler)　解偶联剂使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可以进行，而磷酸化不能进行，解偶联剂作用的本质是增大线粒体内膜对H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而无ATP生成，解偶联剂只影响氧化磷酸化而不干扰底物水平磷酸化，解偶联剂的作用使氧化释放出来的能量全部以热的形式散发。动物棕色脂肪组织线粒体中有独特的解偶联蛋白，使氧化磷酸化处于解偶联状态，这对于维持动物的体温十分重要。

　　常用的解偶联剂有2，4-二硝基酚(dinitrophenol,DNP)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)，双香豆素(dicoumarin)等，过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。

　　过量的甲状腺素也有解偶联作用，甲状腺素诱导细胞膜上Na+-K+-ATP酶的合成，此酶催化ATP分解，释放的能量将细胞内的Na+泵到细胞外，而K+进入细胞，Na+-K+-ATP酶的转换率为100个分子ATP/秒，酶分子数增多，单位时间内分解的ATP增多，生成的ADP又可促进磷酸化过程。甲亢病人表现为多食、无力、喜冷怕热，基础代谢率(BMR)增高，因此也有人将甲状腺素看作是调节氧化磷酸化的重要激素。

　　六、氧化磷酸化的调节

　　机体的氧化磷酸化主要受细胞对能量需求的调节

　　(一)ATP/ADP值对氧化磷酸化的直接影响　线粒体内膜中有腺苷酸转位酶，催化线粒体内ATP与线粒体外ADP的交换，ATP分子解离后带有4个负电荷，而ADP分子解离后带有3个负电荷，由于线粒体内膜内外有跨膜电位(△ψ)，内膜外侧带正电，内膜内侧带负电，所以ATP出线粒体的速度比进线粒体速度快，而ADP进线粒体速度比出线粒体速度快。Pi进入线粒体也由磷酸转位酶催化，磷酸转位酶催化OH?与Pi交换，磷酸?二羧酸转位酶催化Pi2-与二羧酸(如苹果酸)交换。

　　当线粒体中有充足的氧和底物供应时，氧化磷酸化就会不断进行，直至ADP+Pi全部合成ATP，此时呼吸降到最低速度，若加入ADP，耗氧量会突然增高，这说明ADP控制着氧化磷酸化的速度，人们将ADP的这种作用称为呼吸受体控制。

　　机体消耗能量增多时，ATP分解生成ADP，ATP出线粒体增多，ADP进线粒体增多，线粒体内ATP/ADP值降低，使氧化磷酸化速度加快，ADP+Pi接受能量生成ATP。机体消耗能量少时，线粒体内ATP/ADP值增高，线粒体内ADP浓度减低就会使氧化磷酸化速度减慢。

　　(二)ATP/ADP值的间接影响　ATP/ADP值增高时，使氧化磷酸化速度减慢，结果NADH氧化速度减慢，NADH浓度增高，从而抑制了丙酮酸脱氢酶系、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶系和柠檬酸合成酶活性，使糖的氧化分解和TCA循环的速度减慢。

　　(三)ATP/ADP值对关键酶的直接影响　ATP/ADP值增高会抑制体内的许多关键酶，如变构抑制磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶和异柠檬酸脱氢酶，还能抑制丙酮酸脱羧酶、α-酮戊二酸脱氢酶系，通过直接反馈作用抑制糖的分解和TCA循环。

　　七、高能磷酸化合物的储存和利用

　　无论是底物水平磷酸化还是氧化磷酸化，释放的能量除一部分以热的形式散失于周围环境中之外，其余部分多直接生成ATP，以高能磷酸键的形式存在。同时，ATP也是生命活动利用能量的主要直接供给形式。

　　(一)高能化合物

　　人体存在多种高能化合物，但这些高能化合物的能量并不相同。

　　体外实验中，在pH7.0，25℃条件下，每克分子ATP水解生成ADP+Pi时释放的能量为7.1千卡或30.4千焦耳，在体内，pH7.4，37℃，ATP、ADP+Pi、Mg2+均处于细胞内生理浓度的情况下，每克分子ATP水解生成ADP+Pi时释放的能量为33.5-50千焦耳或8-12千卡(表6-4)。

?表6-4　几种常见高能化合物水解时释放的能量
 化合物 千焦耳/克分子 千卡/克分子 磷酸烯醇式丙酮酸 -62.1 -14.8 1，3-二磷酸甘油酸 -49.5 -11.8 磷酸肌酸 -43.9 -10.5 乙酰CoA -31.4 -8.2 ATP -30.4 -7.3 S-腺苷蛋氨酸 -29.3 -7.0 F-6-P -15.6 -3.8 谷氨酰胺 -14.2 -3.4 G-6-P -13.48 -3.3
　　卫生学规定，中度体力劳动者每日每kg体重需供给能量34－40千卡，若一成人重7