第二节 细胞呼吸与能量转换

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一、 细胞呼吸

 较高等的动物都能依靠呼吸系统从外界吸取 O２ 并排出 CO２，从某种意义上说细胞 中也存在有这样的呼吸作用，即在细胞内特定的细胞器 (主要是线粒体)内，在 O２ 的 参与下，分解各种大分子物质产生 CO２；与此同时，分解代谢所释放出的能量储存于 ATP中，这一过程称为细胞呼吸 (cellularrespiration)，也称为生物氧化 (biological oxidation)或细胞氧化 (cellularoxidation)。细胞呼吸是细胞内提供生物能源的主要途 径，它的化学本质与燃烧反应相同，最终产物都是 CO２ 和 H２O，释放的能量也完全相 等。但是，二者所进行的方式却大不相同。细胞呼吸是在细胞内进行的，反应条件温 和 (在体温及近于中性pH 值条件下进行)。细胞呼吸所包含的化学反应几乎都是在线 粒体中进行的一系列由酶系所催化的氧化还原反应，能量逐步放出，且放出的能量一 般是以化学能的方式储存在 ATP中，这样所产生的能量利用率高，不会像物质在体外氧化那样，能量以光和热的形式瞬间放出。 ATP是一种高能磷酸化合物，细胞呼吸时，释放的能量可通过 ADP 的磷酸化而 及时储存于 ATP的高能磷酸键中作为备用；反之，当细胞进行各种活动需要能量时， 又可去磷酸化，断裂一个高能磷酸键以释放能量来满足机体需要。ATP的放能、储能 反应简式如下：

随着细胞内不断进行的能量释放和储存，ATP 与 ADP 不停地进行着互变。因为 ATP是细胞内能量转换的中间携带者，所以被形象地称为 “能量货币”。ATP是细胞 生命活动的直接供能者，也是细胞内能量获得、转换、储存和利用等环节的联系纽带。 ATP中所携带的能量来源于糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化，这些物质的氧化是能 量转换的前提。以葡萄糖氧化为例，细胞有氧呼吸产生 ATP的过程大体分为四个主要 步骤：①糖酵解；②三羧酸循环；③电子传递；④ATP合成 (图５Ｇ２Ｇ１)。除糖酵解在 细胞质中完成外，其他３个阶段均在线粒体内完成。

细胞呼吸的四个主要步骤

二、 细胞质中的糖酵解 从葡萄糖分解为丙酮酸的过程中，不需要氧的参与且在细胞质中进行，故称为糖酵解 (glycolysisi)。经过糖酵解过程的十几步酶促化学反应，１分子葡萄糖分解生成２ 分子丙酮酸，２分子 NADH＋H＋ 和２分子 ATP。反应式如下： C６H１２O６＋２NAD＋ ＋２ADP＋２Pi→２CH３COCOOH＋２NADH＋２H＋ ＋２ATP ATP是通过底物水平磷酸化产生的。底物水平磷酸化 (substrateＧlevelphosphoＧ rylation)是指高能底物水解放能，直接将高能磷酸基从底物转移到 ADP上，使 ADP 磷酸化生成 ATP(图５Ｇ２Ｇ２)。在没有线粒体、不能进行有氧氧化的细胞 (如红细胞)， 糖酵解是一条重要的产能途径。它提供的能量虽然少，但产能速度快，能满足能量的 应急需求。剧烈运动时肌肉细胞的能量供应就依靠糖酵解，剧烈运动引起的肌肉酸痛， 是由于缺氧状态下糖酵解产生的丙酮酸还原为乳酸，堆积在肌组织中所致。

底物水平磷酸化过程

在供氧充足情况下，糖酵解产物丙酮酸和 “NADH＋H＋ ”从细胞质基质中进入线 粒体，在线粒体基质腔内丙酮酸脱氢酶系作用下，丙酮酸与辅酶 A(HSCoA)反应， 生成乙酰辅酶 A；同时，烟酰胺腺嘌呤二核甘酸 (NAD＋ ) 作为受氢体被还原为 NADH＋H＋ ，脱下的羧基形成 CO２。此过程称为乙酰辅酶 A(CH２COSCoA)形成。 反应式如下：

三、 线粒体中 ATP合成的三部曲 (一) 三羧酸循环 在线粒体基质腔中，乙酰辅酶 A 与草酰乙酸结合成柠檬酸进入柠檬酸循环。由于 柠檬酸有三个羧基，故柠檬酸循环也称为三羧酸循环 (tricarboxylicacidcycle，TCA cycle，图５Ｇ２Ｇ３)。三羧酸循环包括一系列酶促的氧化脱氢和脱羧反应，循环的末端又 重新生成草酰乙酸。每一次循环，消耗３个 H２O，生成４对 H 和２分子 CO２，底物水 平磷酸化生成１分子 GTP(可变为１分子 ATP)，脱下的４对 H 有３对以 NAD＋ 为受 氢体，形成３分子 NADH＋H＋ ，受氢体 FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)接受另外１对 H 后转变为还原态 FADH２。总反应式如下：

至此，１分子葡萄糖经过分解共形成了１０分子 NADH＋H＋ 、２分子 FADH２、４ 分子 ATP和６分子 CO２。

三羧酸循环

三羧酸循环是各种有机物进行最后氧化的过程，也是各类有机物相互转化的枢纽。 除了丙酮酸外，一些氨基酸也从细胞质进入线粒体，并进一步转化成乙酰 CoA 或三羧 酸循环的其他中间体。三羧酸循环的中间产物可用来合成包括氨基酸、卟啉及嘧啶核 苷酸在内的许多物质。只有经过三羧酸循环，有机物才能进行完全氧化，提供远比糖 无氧酵解所能提供的多得多的能量，供生命活动的需要。

 (二) 呼吸链

 电子传递 (electrontransport)化磷酸化 (oxidativephosphorylation)是能量 转换的主要环节。

高能电子沿线粒体内膜的电子传递链 (electrontransportchain)或 呼吸链 (respiratorychain)传递过程中释放能量，释放的能量在基粒内通过氧化磷酸 化生成 ATP。因此，电子传递链是电子传递的结构基础，基粒是 ATP合成的场所 (图 ５Ｇ２Ｇ４)

经过上述３个环节，供能物质的大部分能量已经以高能电子形式转移至 NADH＋ H＋ 、FADH２，经过电子传递链的电子传递和基粒的氧化磷酸化作用，NADH、 FADH２ 拥有的能量逐步释放并转移至 ATP中。 具有递氢、递电子作用的一系列氢载体和电子载体 (electroncarrier)，在线粒体 内膜上有序排列，构成相互关联的链状，称为电子传递链。该体系最终以氧作为电子

线粒体内膜电子传递复合物的排列及质子与电子传递示意图

接受体，与细胞摄氧有关，故又称为呼吸链。除泛醌 (ubiquinone，UQ)和细胞色素c (Cytc)外，电子传递链的其他成员均是内膜的整合蛋白质。UQ 是脂溶性醌类化合物， 可在脂双层中从膜的一侧向另一侧移动；Cytc是膜周边蛋白质，可在膜表面移动。电 子传递链的组分在线粒体内膜上分别组成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个酶复合体，它们是线粒 体内膜的整合蛋白 (表５Ｇ２Ｇ１)

线粒体呼吸链的组分

(三) ATP合成 １ 基粒催化 ATP的合成 线粒体内膜 (包括嵴)的内表面附有许多圆球形基粒。 基粒由头部、柄部和基底部 ３ 部分组成：头部呈球形，直径 ８~９nm；柄部直径约 ４nm，长４头部与柄部相连凸出在内膜表面，柄部则与嵌入内膜的基片相 连。进一步研究表明，基粒是将呼吸链电子传递过程中所释放的能量 (质子浓度梯度 和电位差)用于使 ADP 磷酸化生成 ATP 的关键装置，是由多种多肽构成的复合体， 其化学本质是 ATP 合酶 (ATPsynthetase，ATPase)或 ATP 合酶复合体，也称为 F０F１ATP合酶 (图５Ｇ２Ｇ５)

线粒体的 ATP合成酶的基本结构

(显示其头部、柄部和基底部３部分组成)

线粒体 ATP合成酶是生物能量转换的核心酶，参与氧化磷酸化，在跨膜质子动力 势能推动下催化合成 ATP。１９９７年诺贝尔化学奖授予了三位从事 ATP合成酶研究的 科学家，说明 ATP合成酶研究工作的意义。不同来源的 ATP合成酶基本有相同的亚 基组成和结构，都是由许多亚基装配形成的。 (１)头部：一般认为是 ATP复合物 (也称为偶联因子 F１)，它位于线粒体内膜的 基质侧表面，由５种亚基组成，是９聚体 (α３β３γδε)，含有 ATP合成酶活性，其中α 和β亚基上有 ADP和 ATP的结合位点；β亚基有催化活性，称为催化亚基；γ亚基可 调节质子从 F０ 蛋白向 F１ 蛋白的流动，起着 “阀门”的作用。 (２)柄部：位于头部 (F１)和基底部 (F０)之间，也起着调节质子流的作用，柄 部由三种蛋白组成，其中一种对寡霉素敏感，称为寡霉素敏感蛋白 (oligomycinsensiＧ tivityconferringprotein，OSCP)，因此也将柄部和底部合称为 F０，ATP 合成酶复合 物主要指 F０－F１ 蛋白。 (３)基底部：即 F０，为疏水的内在蛋白质，镶嵌在线粒体内膜中，呼吸链围绕其 周围，它由４种亚基组成，这些亚基在内膜中形成了跨膜的质子通道，质子从内膜外 侧径柄部流向 F１ 蛋白。F０ 中的０表示对寡霉素敏感的部位。 

２ 氧化过程伴随着磷酸化的偶联 

经糖酵解和三羧酸循环产生的 NADH 和 FADH２ 是两种还原性的电子载体，它们所携带的电子经线粒体内膜上的呼吸链逐级定 向传递给 O２，本身则被氧化 (图５Ｇ２Ｇ６)。由于电子传递所产生质子 (H＋ )浓度梯度和电位差，其中所蕴藏的能量被 F０F１ATP合酶用来催化 ADP磷酸化而合成 ATP。氧化 和磷酸化相耦联，称为氧化磷酸化。因此，线粒体内膜上的电子传递链可认为是 “放 能装置”，而基粒则是 “换能装置”，“放能”与 “换能”相耦联。

电子传递与氧化磷酸化过程

氢载体 NADH 和 FADH２ 进入电子传递的部位不同，所释放的能量也有差异。１ 分子的 NADH 经过电子传递可形成２分子 ATP，而１分子 FADH２ 经过电子传递可形成１分子 ATP。电子传递链的其他部位释放的能量不足以形成 ATP，只能以热量 形成耗散。因此，物质氧化分解经电子传递所释放的能量并不是全部形成 ATP。 综上所述，１分子葡萄糖完全分解形成的１０分子 NADH 和２分子 FADH２，经氧 化磷酸化生成２８个 ATP，糖酵解过程底物水平磷酸化产生２个 ATP(细胞质中)，三 羧酸循环过程底物水平磷酸化产生２个 ATP。所以，１分子葡萄糖完全氧化产生３２个 ATP。１２个 H 解离形成１２H＋ 与电子传递链终端产生的 O２－ 结合生成水，即12H＋ ＋ ６O２－ →６H２O。 氧化磷酸化所需要的 ADP和Pi由细胞质基质输入到线粒体基质，而线粒体内合成 的 ATP则输送到细胞质基质，供细胞的生命活动利用。可是线粒体内膜具有高度不透 性，因此，这些物质进出线粒体需要依靠专门的结构。线粒体内膜上有一些专一性转 运蛋白与这些物质进出线粒体有关，例如，其中的一种为腺苷酸转移酶能利用内膜内 外 H＋ 梯度差把 ADP和 Pi运进线粒体基质，而把 ATP输往线粒体外。 

３ 电子传递时 H＋ 穿膜形成电化学梯度 关于电子传递同磷酸化的耦联机制至今尚未彻底阐明，曾先后有过许多假说，目前被广泛接受的是英国化学家 P (１９６１)提出的化学渗透假说 (chemiosmoticcouplinghypothesis)。该假说认为氧化磷 酸化耦联的基本原理是电子传递中的自由能差造成 H＋ 穿膜传递，暂时转变为横跨线粒 体内膜的电化学质子梯度 (electrochemicalprotongradient)。然后，质子顺梯度回流 并释放出能量，驱动结合在内膜上的 ATP合酶，催化 ADP磷酸化合成 ATP。这一过 程可综合如下：①NADH 或 FADH２ 提供一对电子，经电子传递链，最后为 O２ 所接 受；②电子传递链同时起 H＋ 泵的作用，在传递电子的过程中伴随着 H＋ 从线粒体基质 到膜间腔的转移；③线粒体内膜对 H＋ 和 OH－ 具有不可透性，所以随着电子传递过程 的进行，H＋ 在膜间腔中积累，造成了内膜两侧的质子浓度差，从而保持了一定的势能 差；④膜间腔中的 H＋ 有顺浓度返回基质的倾向，能借助势能通过 ATP酶复合体F０ 上 的质子通道渗透到线粒体基质中，所释放的自由能驱动 F０F１ATP合酶合成 ATP。 化学渗透假说有两个特点，一是需要定向的化学反应；二是突出了膜的结构。该 学说可以解释氧化磷酸化过程中的许多特性，也得到了很多实验结果的支持。但是也 仍存在一些难以用化学渗透假说解释的实验结果，因此还必须不断地修改和完善。相 继有人提出了一些新的理论，包括变构假说、碰撞假说等，但都存在一定的问题。