第三节生物氧化中ATP的生成

第三节生物氧化中ATP的生成
一、ATP与高能磷酸化合物
生物体内营养物质经过分解产生能量的一部分可以转变成为化学能供机体利用。

在机体细胞内的各种高能化合物中，ATP的作用非同小可。

因为其水解自由能的水平在所有磷酸化合物中处于中间位置（见5-3），所以它既可以容易地从自由能水平较高的化合物获得能量，也可以较容易地向自由能水平较低的化合物传递能量。

表5-3 各种磷酸化合物的水解自由能
磷酸化合物水解自由能，ΔG（kJ/mol）
磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）-61.69
氨基甲酰磷酸-50.50
乙酰基磷酸
-43.12
磷酸肌酸（CP）-43.12
焦磷酸（PPi）-33.49
ATP（→ADP + Pi）-30.56
葡萄糖-1-磷酸（G-1-P）-20.93
葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）-13.82
α-磷酸甘油-9.21
ATP还可以通过各种核苷酸激酶（nucleotide kinase）的催化，将其能量转移给其他的核苷酸，生成各种核苷三磷酸，用于机体内的特定的代谢反应。

ATP AMP ADP ADP
+−−→+
ATP GMP ADP GDP
+−−→+
ATP GDP ADP GTP
+−−→+
ATP CDP ADP CTP
+−−→+
ATP的水解放能过程还能够同许多耗能反应相偶联，推动这些非自发的反应的进行。

O
SCoA H3C
乙酰辅酶A
CO2
+HOOC CH
2
SCoA
O
丙二酸单酰辅酶A
二、ATP的生成有两种方式
即底物磷酸化（substrate phosphorylation）和氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）。

尤其是后者，它是需氧生物获得ATP的主要方式。

（一）底物磷酸化
当营养物质在代谢过程中经过脱氢、脱羧、分子重排和烯醇化反应，产生高能磷酸基团或高能键，随后直接将高能磷酸基团转移给ADP生成ATP，或水解产生的高能键，将释放的能量用于ADP与无机磷酸反应，生成ATP。

以这样方式生成ATP称为底物磷酸化。

如：
CHO
CH
2
OH
3-磷酸甘油醛
O
++
3-磷酸甘油醛脱氢酶
COO
CH
2
OH
O
~
1,3-二磷酸甘油酸
磷酸甘油酸激酶
COOH
CH
2
OH
O
3-磷酸甘油酸P
P
P P
底物磷酸化生成ATP不需要经过呼吸链的传递过程，也不需要消耗氧气，也不利用线粒体ATP酶的系统。

因此，生成ATP的速度比较快，但是生成量不多。

在机体缺氧或无氧条件下，底物磷酸化无疑是一种生成ATP的快捷和便利的方式。

例如糖酵解途径中生成的2分子ATP就是以底物磷酸化的方式产生的。

（二）氧化磷酸化
机体内营养物质的氧化分解，多数情况下是在氧气充足的条件下进行的。

因此，氧化磷酸化便是产生ATP的主要方式。

底物脱下的氢经过呼吸链的依次传递，最终与氧结合生成H2O，这个过程所释放的能量用于ADP的磷酸化反应（ADP+Pi）生成ATP，这样，底物的氧化作用与ADP的磷酸化作用通过能量相偶联。

ATP的这种生成方式称为氧化磷酸化（oxidative phosphorylation），或称氧化磷酸化偶联。

（1）P/O比值与偶联次数
P/O比值是指当底物进行氧化时，每消耗1个氧原子所消耗的用于ADP磷酸化的无机磷酸中的磷原子数。

因此，P/O比值是确定氧化磷酸化次数的重要指标。

例如，以NADH 为首的呼吸链，传递一对氢给1个氧原子生成1分子H2O时，可供2.5mol无机磷酸参与ADP的磷酸化反应，生成2.5mol ATP，因此P/O比值为2.5/1，即为2.5。

而以琥珀酸脱氢酶为首的呼吸链的P/O比值为1.5，也就是说，生成1.5mol ATP。

（2）偶联部位
生物氧化的特点之一，就是在营养物质的氧化过程中，能量是逐步释放的。

当底物脱下的氢沿着呼吸链传递时，自由能由高到低逐渐降低，释放的总自由能为-220.23kJ/mol，足可以供ADP与无机磷酸作用生成ATP反应所需要的能量（ΔG ═+30.5 kJ/mol）。

NADH CoQ −−→ ΔG = -50.24 kJ/mol
1Cytb Cytc −−→
ΔG = -41.87 kJ/mol 32
Cyta,a O −−→ ΔG = -100.48 kJ/mol 上述偶联部位分别位于传递体复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ。

根据研究，复合物Ⅱ上没有偶联。

这个结论同两个呼吸链P/O 比值大致吻合。

因此，可以得出不同的呼吸链的偶联部位，如图所示。

（三）偶联机制
目前化学渗透学说（chemiosmotic hypothesis ）是普遍为人们所公认的氧化磷酸化偶联机制。

化学渗透学说是由英国生物化学家Peter Mitchell 于1961年提出的。

其要点如下： ① 呼吸链中的氢和电子的传递体以复合物的形式，按照一定的顺序排列在线粒体内膜上，氧化与磷酸化的偶联依赖于线粒体内膜的完整性。

② 底物脱下的氢在通过呼吸链传递的时候，氢和电子传递体发挥了类似质子“泵”的作用，将H +从线粒体的基质中通过内膜转运到膜间隙中，造成了[H +]的跨膜电化学浓度。

据测定，每转运一对电子，有5对质子从线粒体的基质中转运到膜间隙里。

因此，膜间隙侧的质子浓度高，为正电荷，而基质一侧质子浓度低，为负电荷。

其内部蕴涵的质子的电位差和浓度差将驱动H +向线粒体内回流和ATP 的合成。

③当“泵”出到膜间隙中的H +顺着浓度梯度通过位于线粒体的内膜球体，即F o F 1-ATP 酶重新转运回线粒体内腔基质中时，在ATP 酶的催化下，ADP 与Pi 发生磷酸化反应，生成ATP 。

（四）解偶联作用
在氧化磷酸化过程中，底物的脱氢氧化与ADP 的磷酸化是通过能量进行偶联的。

某些物质，如2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol ，DNP ），能够解除这个偶联过程，其结果是底物的脱氢氧化继续进行，同样有电子的传递和氧气的消耗，同样有能量的释放，但却不能利用所释放的能量进行ADP 的磷酸化，即不能生成ATP 。

这种作用称为解偶联作用（uncoupling ）。

具有解偶联作用的物质叫解偶联剂（uncoupler ）。

本章小结
生物氧化是营养物质在体内氧化分解产生能量的共同的代谢过程。

生物氧化同一般的氧化反应相比有其自己的特点：其反应过程是在生物细胞内进行的，有水的环境，pH 近中性，
低温（体温）下进行反应，反应过程所释放的能量是逐步释放的，并且可以转化为可以利用的化学能。

生物氧化的产物包括CO2、H2O和能量（ATP）。

生物氧化的场所是在线粒体。

CO2的生成主要是在各种脱羧酶或脱氢酶的催化下，以脱羧反应的形式进行的。

H2O的生成主要是在各种脱氢酶的催化下，通过NAD+和NADP+的携带，经过由各种递氢体和电子传递体的顺次传递，最终与O2结合而生成的。

胞液中生成的NADH不能直接透过线粒体内膜而进入线粒体内，但可以通过磷酸穿梭或苹果酸穿梭的方式进入线粒体，参加呼吸链的传递，最终与O2结合生成H2O。

有些物质能够抑制呼吸链中某一些传递体的传递作用，使得整个呼吸链受到阻断，称为呼吸链的抑制作用。

生物氧化中ATP的生成有两种方式：底物磷酸化和氧化磷酸化。

底物磷酸化是当底物经过脱氢、脱羧、烯醇化或分子重排等反应时，产生高能键，再将其转移到ADP上产生ATP。

氧化磷酸化是底物脱下的氢经过呼吸链的传递，最终与O2结合生成H2O的过程中所释放的能量与ADP的磷酸化进行偶联生成ATP。

氧化磷酸化偶联的次数可以用P/O比值来测定。

P/O比值是指：当底物脱下的一对H沿呼吸链传递，消耗1个氧原子时用于ADP磷酸化所需要的无机磷酸中的磷原子的数目。

以NADH为首的呼吸链的P/O为2.5，以琥珀酸脱氢酶为首的呼吸链的P/O为1.5。

目前被人们普遍接受的ATP的生成机制是“化学渗透学说”：当底物脱下的H被传递体传递的时候，被解离为H+和电子，H+被“泵”出线粒体进入胞液，产生[H+]梯度，其中就蕴藏着能量。

当这些H+再度被位于线粒体内膜上的“三分子体”转运回到线粒体内时，在F o F1-ATP 酶的催化下应用[H+]梯度中所蕴藏的能量，使ADP与Pi反应产生ATP。

ATP的能量居于细胞内众多物质的中间水平，因此，它既可以由能量较高的物质获得能量，又可以向能量较低的物质传递能量，所以被称为能量“货币”，在大多情况下，生理活动所需要的能量都是由ATP直接提供的。