第三节 ATP的生成
生物体需要利用生物氧化过程中释放的能量，维持生命活动。生命活动所需总能量约95%来自线粒体氧化体系。糖、脂、蛋白质等代谢物的能量均蕴藏于其分子结构中，通过生物氧化逐步释放出来，一部分以热能的形式维持体温或散失于环境中，一部分约40%以化学能形式生成高能化合物，以供机体利用。ATP是体内最主要的高能化合物。
一、高能化合物
生物化学中把每摩尔化学键在水解时释放的能量高于21kJ以上者称之为高能键，常用“～”符号表示主要有高能磷酸键（～P）和高能硫酯键（～S）。含有高能键的化合物称为高能化合物。如ATP、ADP是体内最重要的高能化合物。当ATP水解生成ADP和Pi时，释放的能量为30.5kJ/mol，ADP水解生成AMP和Pi时释放的能量与ATP相同。还有一些代谢物如磷酸烯醇式丙酮酸、磷酸肌酸及其他三磷酸核苷（如GTP、CTP、UTP等）也属于高能磷酸化合物。含有高能硫酯键的化合物称为高能硫酯化合物，如乙酰CoA、脂酰CoA和琥珀酰CoA等，这些化合物在CoA～SH转移时释放较多的自由能，所以可以参与许多代谢反应。在生命活动中能量的释放、储存和利用主要是以ATP为中心。
二、ATP生成的方式
ATP是由ADP磷酸化生成的，其生成方式有两种，一种是底物水平磷酸化，另一种是氧化磷酸化。
（一）底物水平磷酸化
代谢物在氧化分解过程中，由于脱氢或脱水引起分子内部能量的重新分布，所形成的高能磷酸键直接转移给ADP（或GDP）而生成ATP（或GTP）的过程称为底物水平磷酸化。如：
底物水平磷酸化在胞液和线粒体都能进行。
（二）氧化磷酸化
氧化和磷酸化是两个不同的概念。氧化是代谢物脱氢或失电子的过程，是一放能反应；而磷酸化是指ADP和无机磷（Pi）合成ATP的过程，为一耗能反应。在结构完整的线粒体中，氧化（放能）与磷酸化（耗能）两者同时紧密地偶联在一起才有ATP产生。
氧化磷酸化的概念：在物质氧化分解代谢过程中，代谢物脱下的氢通过呼吸链传递给氧生成水释放能量的同时，使ADP磷酸化生成ATP的过程称为氧化磷酸化。氧化磷酸化在线粒体中进行。
（三）氧化磷酸化的耦联部位
说一说：
代谢物脱氢经NADH呼吸链和琥珀酸呼吸链各产生的ATP的数？
确定氧化磷酸化的耦联部位，最常用的方法是测定线粒体的P/O比值。P/O比值是指在氧化磷酸化过程中，每消耗1/2mol O2所生成ATP的摩尔数（或一对电子通过氧化呼吸链传递给氧生成ATP的分子数）。实验证实，一对电子经NADH氧化呼吸链传递，P/O比值约为2.5，一对电子经琥珀酸氧化呼吸链传递，P/O比值约为1.5。氧化磷酸化的耦联部位有三个。第一个部位在NADH和CoQ之间；第二个部位在CoQ和细胞色素c之间；第三个部位在细胞色素aa3和O2之间。呼吸链氧化磷酸化耦联部位如图6－9所示。
（四）影响氧化磷酸化的因素
1.ADP的调节 氧化磷酸化主要受细胞对能量需求的影响。细胞内能量供应缺乏时，ADP增加，ADP/ATP比值增大，氧化磷酸化速率加快，NADH迅速减少而NAD+增多，促进三羧酸循环；反之，细胞内能量供应充足时，即ATP增加，ADP减少，ADP/ATP比值减少，氧化磷酸化速率减慢，NADH消耗减少，三羧酸循环减缓。ADP是调节氧化磷酸化的基本因素，这种反馈调节可使机体适应生理需要，合理利用并节约能源。
2.甲状腺素的作用 甲状腺素能诱导许多组织细胞膜Na+－K+－ATP酶的生成，使ATP水解生成ADP和Pi的速度加快，从而促进氧化磷酸化的进行。由于ATP的合成和分解都加快，机体耗氧量和产热量均增加，所以甲状腺功能亢进患者出现基础代谢率（BMR）增加，因产热量增加，患者喜冷怕热、易出汗。
图5－9 氧化磷酸化偶联部位示意图
3.抑制剂的作用 一些药物和毒物对氧化磷酸化有抑制作用，据作用原理分为两类：
（1）电子传递抑制剂：指阻断呼吸链上某部位电子传递的物质，也称为呼吸链抑制剂。如阿米妥、鱼藤酮、抗霉素A、一氧化碳和氰化物等，这类物质使呼吸链中氢和电子传递中断，线粒体的呼吸作用受阻，如图6－10所示。
图5－10 各种抑制剂对呼吸链的抑制作用
这类抑制剂对机体的危害在于抑制氧化（抑制放能）。因为氧化为磷酸化过程提供能量，因此抑制了氧化也就抑制了ATP合成。如CO极易和还原型细胞色素氧化酶Fe2+结合，使生物氧化中断，氰化物（CN-）极易与氧化型细胞色素氧化酶Fe3+结合，生成氰化高铁细胞色素氧化酶，阻断电子传至氧，结果呼吸链中断，氧化磷酸化不能进行。此时，即使氧的供应充足，细胞也不能利用，造成组织严重缺氧、能源断绝，甚至危及生命。
（2）磷酸化抑制剂：与呼吸链抑制剂不同，这类物质的作用特点是既抑制氧的利用又抑制ATP的形成，但不直接抑制电子传递链上载体的作用，如寡霉素等。它们作用于ATP合酶，使ADP不能磷酸化生成ATP。
（3）解偶联剂：使电子传递和磷酸化生成ATP的耦联过程分离的一类物质，称为解偶联剂。它们不影响呼吸链的电子传递，而是解除氧化与磷酸化的偶联，使氧化过程产生的能量不能用于ATP的生成，而是以热能形式散发。如2，4－二硝基酚（DNP）是最早发现的解耦联剂。某些药物如双香豆素、水杨酸、水杨酰苯胺都有解偶联作用。感冒或患某些传染性疾病时体温升高，就是由于细菌或病毒产生的解偶联剂所致。
4.线粒体DNA突变 线粒体DNA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，容易受到本身氧化磷酸化过程中产生氧自由基的损伤而发生突变。线粒体DNA突变可影响氧化磷酸化的功能，使ATP生成减少而致病。
【知识链接】
氰化物中毒的急救知识
氰化物属剧毒品，动物的致死量只有几毫克。食入过多含有氰化物的植物或中药（如苦杏仁、银杏等）或在有氰化氢污染的环境中长时间工作，均可造成中毒。因CN-可与呼吸链中细胞色素氧化酶牢固结合，使其丧失传递电子能力，迅速引起脑部损害，几分钟可致死。氰化物中毒抢救时，可给患者吸入亚硝酸异戊酯或注射亚硝酸钠。这些药物能使部分血红蛋白氧化成极易与氰化物结合的高铁血红蛋白。后者在体内达到一定浓度后，就能夺取已与细胞色素氧化酶结合的CN-，而转变为氰化高铁血红蛋白，使细胞色素氧化酶的活力得以恢复。但生成的氰化高铁血红蛋白并不稳定，还可释放出CN-，因此，还需注射硫代硫酸钠，在肝中经硫氰酸酶催化，与解离出来的CN-反应，生成毒性较小的硫氰酸盐随尿排出体外。
三、ATP的利用、转移及储存
（一）ATP的利用
1.提供物质代谢时需要的能量 在有机物质分解代谢的反应中，有许多耗能的磷酸化反应需要ATP。在物质的合成代谢中，也有许多反应需ATP（或其他三磷酸核糖核苷）参与。例如，脂肪酸的合成、胆固醇的合成及蛋白质的生物合成等反应都需要较多的ATP。机体在合成代谢中所需要的能量占机体总耗能量的10%左右。
2.提供生命活动需要的能量 机体的各种生理活动（如腺体分泌、肌肉收缩、神经传导、物质合成、离子转运、体温维持等）所需要的能量绝大部分来自ATP。ATP水解为ADP和Pi时释放的能量可以满足各种生理活动的需要。肌肉收缩耗能占机体总耗能量的50%～60%；体内离子主动转运耗能占总耗能量的20%～30%。
（二）ATP的转移和储存
1.ATP的转移 体内某些生物合成过程除需要ATP外，尚需要其他的三磷酸核糖核苷（如UTP、CTP、GTP）参与，如糖原合成需要UTP、磷脂合成需要CTP、蛋白质合成需要GTP。这些三磷酸核糖核苷的生成和补充都依赖于ATP，ATP可将其～P转移给其他相应的二磷酸核糖核苷形成三磷酸核糖核苷。
ATP＋UDP ───→ADP＋UTP
ATP＋GDP ───→ADP＋GTP
ATP＋CDP ───→ADP＋GTP
2.ATP的储存 当ATP充足时，ATP可以与肌酸在肌酸激酶（CK）催化下生成磷酸肌酸（CP）。磷酸肌酸是体内能量的储存形式，当机体急需ATP（如肌肉收缩）时，磷酸肌酸可在CK催化下，迅速将“～P”转移给ADP生成ATP以满足需要。
肌酸 磷酸肌酸
肌酸激酶在心肌、骨骼肌、脑中含量较多，当心肌梗死时，血清CK可于数小时内升高数十倍。故测定血清中CK的含量有助于心肌梗死的早期诊断。
图5－11 ATP的生成、储存和利用总结示意图
C：肌酸。C～P：磷酸肌酸
第四节 非线粒体氧化体系
一、过氧化物酶体中的氧化酶类
（一）过氧化氢酶
过氧化氢酶（catalase）又称触酶，其辅基含有4个血红素，催化反应如下：
2H2O2───→2H2O＋O2
在粒细胞和吞噬细胞中，H2O2可氧化杀死入侵的细菌；甲状腺细胞中产生的H2O2可使2I-氧化为I2，进而使酪氨酸碘化生成甲状腺激素。
（二）过氧化物酶
过氧化物酶（peroxidase）也是以血红素为辅基，它催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物，反应如下：
R＋H2O2─→RO＋H2O 或 RH2＋H2O2─→R＋2H2O
临床上判断粪便中有无隐血时，就是利用白细胞中含有过氧化物酶的活性，将联苯胺氧化成蓝色化合物。
二、超氧化物歧化酶
呼吸链电子传递过程中可产生超氧离子
，体内其他物质（如NADPH、黄嘌呤等）氧化时也可产生
。
可进一步生成H2O2和羟自由基（·OH），统称为反应氧族。其化学性质活泼，可使磷脂分子中不饱和脂肪酸氧化生成过氧化脂质，损伤生物膜；过氧化脂质的产生与肿瘤、心血管疾病、组织老化等密切相关。
超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）可催化一分子
氧化生成O2，另一分子
还原生成H2O2
在真核细胞胞浆中，该酶以Cu2+、Zn2+为辅基，称为CuZn－SOD；线粒体内以Mn2+为辅基，称为Mn－SOD。生成的H2O2可被活性极强的过氧化氢酶分解。SOD是人体防御内、外环境中超氧离子损伤的重要酶。
三、微粒体氧化体系
微粒体中含有氧化酶体系，这类酶的特点是催化氧分子中的一个氧原子加到底物分子中，使底物羟化；另一个氧原子被还原生成水，因此称为单加氧酶（也称羟化酶或混合功能氧化酶）。单加氧酶催化的反应进行时需要还原型NADP参加，其反应通式如下：
单加氧酶主要存在于肝、肾、肠、肺等组织细胞的微粒体中，以肝中作用最强。单加氧酶可催化多种化合物的羟化或加氧反应，具有重要的生理意义。如：肾上腺皮质激素、性激素、胆汁酸的合成；维生素D3转化成活性形式；饱和脂肪酸的去饱和；一些亲脂性药物或毒物经羟化作用其水溶性（极性）增强，以利于运输和排泄等。
小 结
物质在生物体内的氧化分解称为生物氧化，它主要是指糖、脂肪及蛋白质等在体内氧化分解最终生成二氧化碳和水，并释放出能量的过程。线粒体上的递氢体和递电子体构成了细胞内的呼吸链，呼吸链的组成成分有NADH或NADPH为辅酶的不需氧脱氢酶、黄素蛋白、铁硫蛋白、泛醌和细胞色素体系（cyta、cytb、cytc）。线粒体内有两条呼吸链：NADH氧化呼吸链、琥珀酸氧化呼吸链。胞浆中生成的NADH不能直接进入线粒体，而必须经α－磷酸甘油穿梭或苹果酸穿梭进入线粒体后才能进行氧化。氢原子或电子沿呼吸链传递过程中释放的能量可用于ATP合成，这是人体ATP的主要来源。根据P/O比值的测定，现已知氧化磷酸化的偶联部位在NADH与泛醌之间、细胞色素b与c之间、细胞色素aa3与O2之间。NADH呼吸链有三个偶联部位，琥珀酸呼吸链有2个偶联部位。氧化磷酸化受ADP/ATP比值和甲状腺素的调节，也受某些化合物的抑制。体内能量的产生、利用、储存和转化都以ATP为中心。磷酸肌酸是ATP的储存形式。
其他非线粒体氧化体系的特点是不伴有磷酸化，不能生成ATP，主要与某些生理活性物质的合成及体内代谢物、药物、毒物等的生物转化有关。
