第二节　细胞的能量转换

“能量货币”ATP中所携带的能量来源于糖、氨基酸和脂肪酸等有机物的氧化，这些物质的氧化是能量转换的前提。以葡萄糖氧化为例，这是一个极其复杂的过程，大体分为3个步骤:糖酵解(glycolysis)、三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TAC)和氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)(图6-1)。蛋白质和脂肪的彻底氧化只在第1步中与糖有所区别。

图6-1　有氧呼吸的3个步骤

一、糖酵解

糖酵解在细胞质中进行，其过程可概括为以下方程式:

1分子葡萄糖经过十多步反应，生成2分子丙酮酸，同时脱下2对H交给受氢体NAD⁺携带形成2分子NADH+H⁺。NAD⁺能可逆地接受两个电子和一个H⁺，另一个H⁺则留在溶质中。糖酵解过程中在能量释放与贮存阶段生成4分子ATP，但由于在耗能阶段要消耗2分子ATP，所以净生成2分子的ATP。若从糖原开始糖酵解，因不需消耗1分子ATP使葡萄糖磷酸化，则总反应净生成3分子ATP。这种由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP或其他核苷二磷酸上使其磷酸化的作用，称为底物水平磷酸化(substratelevel phosphorylation)。

糖酵解产物丙酮酸的代谢去路，因不同生活状态的生物而异。专性厌氧生物在无氧情况下，丙酮酸可由NADH+H⁺供氢而还原为乳酸或乙醇，从而完成无氧氧化过程。专性需氧生物在供氧充足时，丙酮酸与NADH+H⁺将作为有氧氧化原料进入线粒体中。丙酮酸进入线粒体的机制尚不完全明了，可能以其自身的脂溶性通过线粒体内膜;NADH+ H⁺本身不能透过线粒体内膜，故NADH+ H⁺进入线粒体的方式较为复杂，必须借助于线粒体内膜上特异性穿梭系统进入线粒体内。生物体内主要存在着两种穿梭机制:α-磷酸甘油穿梭(glycerophosphate shuttle)机制和苹果酸--天冬氨酸穿梭(malate-aspartate shuttle)机制。肝脏、肾脏和心肌线粒体转运NADH+ H⁺的主要方式是苹果酸--天冬氨酸穿梭机制，如图6-2所示。胞液中NADH+H+经苹果酸脱氢酶作用，使草酰乙酸接受2个H而成为苹果酸;苹果酸经内膜上苹果酸-α-酮戊二酸逆向运输载体的变构作用转入线粒体内;进入线粒体的苹果酸在苹果酸脱氢酶作用下，以NAD⁺为受氢体形成草酰乙酸和NADH+ H⁺;而草酰乙酸不能经内膜回到胞液，于是它与谷氨酸经天冬氨酸氨基转移酶的作用而相互转变为天冬氨酸和α-酮戊二酸;这两者都能在逆向运输载体的帮助下透过内膜进入胞液中;线粒体内消耗的谷氨酸则由胞液内的谷氨酸与外出的天冬氨酸通过谷氨酸--天冬氨酸逆向运输载体实现交换运输以取得补充。NADH+ H⁺的氢经此机制进入NADH氧化呼吸链，生成3分子ATP。故糖酵解过程中3-磷酸甘油醛脱氢生成的NADH+ H⁺以此方式进入线粒体中，则1分子葡萄糖彻底氧化生成38分子ATP。另外，在神经组织和骨骼肌中存在α-磷酸甘油穿梭机制，如图6-3所示。胞液NADH的一对氢原子通过胞液中磷酸甘油脱氢酶(辅酶为NAD⁺)催化，转移到α-磷酸甘油，后者经线粒体内膜外侧的磷酸甘油脱氢酶(辅酶FAD)作用，生成的磷酸二羟丙酮进入胞液继续穿梭，而FADH²则进入FADH²氧化呼吸链被氧化，并产生2分子的ATP。此机制NADH+H⁺的氢最终以FADH²的形式进入琥珀酸氧化呼吸链，生成2分子ATP。故糖酵解中3-磷酸甘油醛脱H产生的NADH+H⁺经过此机制进入线粒体，则1分子葡萄糖彻底氧化生成36分子ATP。

图6-2　线粒体内膜的穿梭机制

图6-3　α-磷酸甘油穿梭机制

在线粒体基质中丙酮酸脱氢酶体系作用下，丙酮酸进一步分解为乙酰辅酶A(CoA)，NAD⁺作为受氢体被还原:

2CH_３ COCOOH+ 2HSCoA+ 2NAD⁺→2CH_３ CO-SCoA+ 2CO_２+ 2NADH+ 2H⁺

二、TAC

在线粒体基质中，乙酰CoA与草酰乙酸结合成柠檬酸而进入柠檬酸循环。由于柠檬酸有3个羧基，故也叫TAC(图6-4)。

循环中，柠檬酸经过一系列酶促的氧化脱氢和脱羧反应，其中2个碳原子氧化形成CO²，从而削减了2个碳原子。在循环的末端，又重新生成草酰乙酸，草酰乙酸又可与另一个乙酰CoA结合，生成柠檬酸，开始下一个循环，如此周而复始。整个过程中，总共消耗了3个H²O，生成1分子的GTP(可转变为1分子的ATP)、4对H和2分子CO²。脱下的4对H，其中3对以NAD⁺为受氢体，另1对以FAD为受氢体。FAD能可逆地接受2个H，即2个质子和2个电子，转变成还原态FADH。ATP/ADP及NADH/NAD⁺比值高时均能降低TAC 的速度。TAC 总的反应式为:

2CH>_２COSCoA+ 6NAD⁺+ 2FAD+ 2ADP+ 2Pi+ 6H_２O→4CO_２+ 6NADH+ 6H⁺+ 2FADH_２+ 2HSCoA+ 2ATP

图6-4　TAC

TAC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，脂肪酸和一些氨基酸也从细胞质基质进入线粒体，并进一步转化成乙酰CoA或TAC的其他中间体。TAC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TAC，有机物才能进行完全氧化，提供远比糖无氧酵解所能提供能量大得多的能量，供生命活动的需要。

三、氧化磷酸化

氧化磷酸化是释放代谢能的主要环节，在这个过程中，NADH和FADH₂分子把它们从食物氧化得来的电子转移到氧分子。这一反应相当于氢原子与氧分子反应最终形成水的过程，释放出的能量绝大部分用于生成ATP，少部分以热的形式释放。

(一)呼吸链和ATP合酶复合体

1．呼吸链　1分子的葡萄糖经无氧氧化、丙酮酸脱氢和TAC，共产生了6分子的CO2和12对H，这些H必须进一步氧化生成水，整个有氧氧化过程才告结束。但H并不能与O₂直接结合，一般认为H须首先离解为H⁺和电子e^－，电子经过线粒体内膜上酶体系的逐级传递，最终使1/2O₂成为，后者再与基质中的2个H⁺化合生成H₂O。这一传递电子的酶体系是由一系列能够可逆地接受和释放H⁺和e^－的化学物质所组成，它们在内膜上有序地排列成相互关联的链状，称为呼吸链(respiratory chain)或电子传递呼吸链(electron transport respiratory chain)(图6-5)。

图6-5　电子传递呼吸链示意图

只传递电子的酶和辅酶称为电子传递体，它们可分为醌类、细胞色素和铁硫蛋白3类化合物;既传递电子又传递质子的酶和辅酶称为递氢体。除了泛醌(CoQ)和细胞色素c(Cyt c)外，呼吸链的其他成员分别组成了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个脂类蛋白质复合体，它们是线粒体内膜的内在膜蛋白(表6-1)。CoQ是脂溶性的蛋白质，可在脂质双层中从膜的一侧向另一侧移动;Cyt c是膜外周蛋白，可在膜表面移动。

表6-1　线粒体电子传递链组分

2．ATP合酶复合体　线粒体内膜(包括嵴)的内表面并不是光滑的，其上附有许多球形基粒。基粒由头部、柄部和基片3部分组成:头部呈球形，直径8～9nm;柄部直径约4nm，长4．5～5nm;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释放的能量用于使ADP磷酸化生成ATP的关键装置，是由多种多肽构成的复合体，称为ATP合酶(ATP synthase)。ATP合酶的别名很多，如:F₀ F₁-ATP合酶(F₀ F₁-ATP synthase)、F₀ F₁-ATP酶(F₀ F₁-ATPase)、F₀ F₁复合体(F₀ F₁ complexes)(图6-6)。

(1)头部(head section):又称偶联因子F₁，是由α₃β₃γδε5种亚基组成的多亚基复合体，相对分子质量为360000。纯化的F₁可催化ATP水解，但其自然状态下(通过柄部与基片相连)的功能是合成ATP。α、β、δ3种亚基较大，α、β可能是表现活性的主要部分;δ则与基片膜蛋白相结合，作为偶联因子F₀(见下文)与F₁相偶联的门户;γ、ε亚基较小，也与F₀相连。F₁因子可被F₁抑制蛋白(F₁ inhibitory protein)结合，从而抑制ATP的合成。

(2)柄部(stalk section):这是一种对寡霉素敏感的蛋白质(OSCP)，相对分子质量为18000。OSCP能与寡霉素特异结合并使寡霉素的解偶联作用得以发挥，从而抑制ATP合成。

图6-6　ATP合酶复合体分子结构模式图

(3)基片(base section):又称偶联因子F₀，是由至少4种多肽组成的疏水蛋白，相对分子质量为70 000。其亚基类型与组成在不同物种中差别很大。F₀镶嵌于内膜的脂质双层中，不仅起连接F₁与内膜的作用，而且还是质子(H₊)流向F₁的穿膜通道。

(二)氧化磷酸化偶联

经糖酵解和TAC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。电子传递过程中释放的能量被F₁ F₀ ATP酶复合体用来催化ADP磷酸化而合成ATP，这就是氧化磷酸化作用。

在正常情况下，氧化水平总是和磷酸化水平密切偶联的，没有磷酸化就不能进行电子传递。根据对相邻电子载体的氧化还原电位的测定表明，呼吸链中有3个主要的能量释放部位，即NADH→FMN，Cyt b→Cyt c之间，Cyt a→O₂之间。这3个部位释放的能量依次为50800J、41000J和99500J，每个部位氧化还原所释放的能量都足以使1分子ADP磷酸化生成1个分子的ATP。载氢体NADH和FADH₂进入呼吸链的部位不同，所释放的自由能也有差异。1分子NADH+ H⁺经过电子传递，释放的能量可以形成3分子ATP;而1分子FADH²所释放的能量则能够形成2分子ATP。

综上所述，葡萄糖完全氧化所释放的能量主要通过两条途径形成ATP:①底物水平磷酸化生成4分子ATP，其中在糖酵解和TAC中分别生成2分子ATP;②氧化磷酸化生成34个ATP分子。在葡萄糖的氧化过程中，一共产生12对H，其中的10对以NAD⁺为载氢体、2对以FAD为载氢体进入电子传递链，经氧化磷酸化作用可生成34个ATP分子。因此，1分子葡萄糖完全氧化共可生成38分子ATP，其中仅有2分子ATP是在线粒体外通过糖酵解形成的(表6-2)。葡萄糖有氧氧化的产能效率大大高出无氧酵解的能量利用效率。

表6-2　细胞呼吸产生的ATP数量

注:*若经苹果酸穿梭机制，1个NADH+ H⁺产生3个ATP;若经磷酸甘油穿梭机制，则产生2个ATP。

(三) H⁺穿膜传递与ATP的合成

关于电子传递及磷酸化的偶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Mitchell(1961)提出的化学渗透假说(chemiosmotic coupling hypothesis)。该假说认为氧化磷酸化偶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(electrochemical proton gradient)。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(图6-7)。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，从而在内膜的两侧形成了电化学质子梯度(electrochemical proton gradient)，也称为质子动力势(proton motive force);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F₀ F₁ ATP合酶合成ATP。

图6-7　氧化磷酸化偶联的化学渗透学说

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。相继又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。目前，争论的焦点集中在电化学质子梯度如何驱动F₀ F₁ ATP合酶复合体的问题上。

四、ATP的合成

ADP和Pi在F₀ F₁ ATP合酶的催化下合成ATP，可是F¹因子究竟如何利用H⁺的电化学梯度势能使ADP和无机磷酸间建立共价键形成ATP，这仍是一个谜。Paul D．Boyer(1989)提出了结合变构机制(binding-change mechanism)来解释F₁因子在ATP合成中的作用过程(图6-8)，并因此于1997年获得诺贝尔化学奖(图6-9)。他认为当质子穿过F₁因子的活性部位时可引起F₁颗粒的构象变化，导致底物(ADP和Pi)与活性部位的紧密结合和产物(ATP)的释放。在此模型中，ADP和Pi合成ATP的反应不需要能量，而F₁构象变化时要依赖能量供应，所需的能量一方面是用来使ATP与活性部位的结合由紧密状态变为疏松状态，便于释放ATP;另一方面使ADP和Pi与活性部位的结合由疏松变为紧密以利于ADP同Pi发生反应合成ATP。有证据表明，在ATP合成过程中，ATP合酶确实发生构象变化。

图6-8　F0F1 ATP合酶变构机制

图6-9　Paul D．Boyer(右)在诺贝尔奖颁奖现场

氧化磷酸化所需的ADP和Pi是由细胞质输入线粒体基质中的，而合成ATP则要输出线粒体外，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。