1、ATP 的生成、储存和利用一、ATP 的生成方式体内 ATP 生成有两种方式(一) 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) 底物分子中的能量直接以高能键形式转移给 ADP 生成 ATP，这个过程称为底物水平磷酸化，这一磷酸化过程在胞浆和线粒体中进行，包括有：(二) 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation) 氧化和磷酸化是两个不同的概念。氧化是底物脱氢或失电子的过程，而磷酸化是指 ADP 与 Pi 合成 ATP 的过程。在结构完整的线粒体中氧化与磷酸化这两个过程是紧密地偶联在一起的，即氧化释放的能量用于 ATP 合成，这个过程就是
2、氧化磷酸化，氧化是磷酸化的基础，而磷酸化是氧化的结果。机体代谢过程中能量的主要来源是线粒体，既有氧化磷酸化，也有底物水平磷酸化，以前者为主要来源。胞液中底物水平磷酸化也能获得部分能量，实际上这是酵解过程的能量来源。对于酵解组织、红细胞和组织相对缺氧时的能量来源是十分重要的。建议找专业的健身行业咨询公司咨询一下，一般情况下，国内做的最早的管理公司的莫过于“金钥匙国际健身咨询管理有限公司”了，百度搜索“jys007” 就可以找到。二、氧化磷酸化偶联部位的测定确定氧化磷酸化偶联部位通常用两种方法。(一)P/0 值测定 P/0 值指在氧化磷酸化过程中消耗一克原子氧所消耗的无机磷的克原子数，或者说消耗一
3、克原子氧所生成的 ATP 的克分子数。P/0 值实质上指的是呼吸过程中磷酸化的效率。测定 P/0 值的方法通常是在一密闭的容器中加入氧化的底物、ADP、Pi 、氧饱和的缓冲液，再加入线粒体制剂时就会有氧化磷酸化进行。反应终了时测定 O2 消耗量( 可用氧电极法)和 Pi 消耗量(或 ATP 生成量)就可以计算出 P/0 值了。在反应系统中加入不同的底物，可测得各自的 P/0 值，结合我们所了解的呼吸链的传递顺序，就可以分析出大致的偶联部位了。(二)根据氧化还原电位计算电子传递释放的能量是否能满足 ATP 合成的需要氧化还原反应中释放的自由能GO 与反应底物和产物标准氧化还原电位差值( EO)之
4、间存在下述关系：GO=nF EO式中 n 为氧化还原反应中电子转移数目，F 为法拉弟常数(23.062 千卡/克分子伏特，或 96500 库仑/克分子)。一克分子 ATP 水解生成 ADP 与 Pi 所释放的能量为 7.3 千卡，凡氧化过程中释放的能量大于 7.3 千，均有可能生成一克分子 ATP，就是说可能存在有一个偶联部位，根据上式计算，当 n=2 时，EO=0.1583V 时可释放 7.3 千卡能量，所以反应底物与生成物的标准氧化还原电位的变化大于 0.1583V 的部位均可能存在着一个偶联部位。呼吸链磷酸化的全过程可用下述方程式表示NADH+H+3ADP+3Pi+1/2O2NAD+3A
5、TP+4H2OFADH2+2ADP+2Pi+1/2O2FAD+2ATP+3H2O三、氧化磷酸化中 ATP 生成的结构基础ATP 是由位于线粒体内膜上的 ATP 合成酶催化 ADP 与 Pi 合成的。ATP 合成酶是一个大的膜蛋白质复合体，分子量在 480?00kD，是由两个主要组成 (或称因子)构成，一是疏水的 F0，另一是亲水的 F1，又称 F0F1 复合体。在电子显微镜下观察线粒体时，可见到线粒体内膜基质侧有许多球状颗粒突起，这就是 ATP 合成酶，其中球状的头与茎是 F1 部分，分子量为 350?/P380kD，由 3、3、 等 9 种多肽亚基组成， 与 亚基上有 ATP结合部位； 亚基
6、被认为具有控制质子通过的闸门作用； 亚基是 F1 与膜相连所必需，其中中心部分为质子通路； 亚基是酶的调节部分，F0 是由 3?个大小不一的亚基组成，其中有一个亚基称为寡霉素敏感蛋白质(oligomycinsensitivityconferringprotein,OSCP) ，此外尚有一个蛋白质部分为分子量 28kD 的因子，F0 主要构成质子通道。线粒体内膜上三联体(三分子体)结构示意图四、氧化磷酸化的偶联机制有关氧化磷酸化的偶联机理已经作了许多研究，目前氧化磷酸化的偶联机理还不完全清楚，50 年代 Slater 及 Lehninger 提出了化学偶联学说，1964 年 Boear 又提出了
7、构象变化偶联学说，这两种学说的实验依据不多，支持这两种观点的人已经不多了。目前多数人支持化学渗透学说(chemiosmotic hypothesis)，这是英国生化学家 P.Mitchell 于 1961 年提出的，当时没有引起人们的重视，1966 年他根据逐步积累的实验证据和生物膜研究的进展，逐步地完善了这一学说。氧化磷酸化的化学渗透学说的基本观点是：1.线粒体的内膜中电子传递与线粒体释放 H+是偶联的，即呼吸链在传递电子过程中释放出来的能量不断地将线粒体基质内的 H+逆浓度梯度泵出线粒体内膜，这一过程的分子机理还不十分清楚。电子传递与质子传递偶联(注：复合物未显示)2.H+ 不能自由透过线
8、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。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 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=-59pH3.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
9、，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 M
10、itchell 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(bacteriorhodopsi
11、n)，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=-120
12、mV-591.8mV=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
13、植物中分离到的呼吸抑制剂，专一抑制 NADHCoQ 的电子传递。抗霉素 A(actinomycin A)由霉菌中分离得到，专一抑制 CoQCyt 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
14、 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
15、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
16、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()，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
17、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、-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。
18、(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、-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 AD
19、P+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。ATP 在能量代谢中之所以重要，就是因为 ATP 水解时的标准自由能变化位于多种物质水解时标准自由能变化的中间，它能从具有更高能量的化合物接受高能磷酸键，如接受 PEP、1，3二磷酸甘油、磷酸肌酸分子中的Pi 生成 ATP，ATP 也能将Pi 转移给水解时标准自由能变化较小的化合物，如转移给葡萄糖生成 G6P。(二)ATP 能量的转移ATP 是细胞内
20、的主要磷酸载体，ATP 作为细胞的主要供能物质参与体内的许多代谢反应，还有一些反应需要 UTP 或 CTP 作供能物质，如 UTP 参与糖元合成和糖醛酸代谢，GTP 参与糖异生和蛋白质合成，CTP 参与磷脂合成过程，核酸合成中需要 ATP、CTP、UTP和 GTP 作原料合成 RNA，或以 dATP、dCTP、dGTP 和 dTTP 作原料合成 DNA。作为供能物质所需要的 UTP、CTP 和 GTP 可经下述反应再生：UDP+ATPUTP+ADPGDP+ATPGTP+ADPCDP+ATPCTP+ADPdNTP 由 dNDP 的生成过程也需要 ATP 供能：dNDP+ATPdNTP+ADP(三
21、) 磷酸肌酸ATP 是细胞内主要的磷酸载体或能量传递体，人体储存能量的方式不是 ATP 而是磷酸肌酸。肌酸主要存在于肌肉组织中，骨骼肌中含量多于平滑肌，脑组织中含量也较多，肝、肾等其它组织中含量很少。磷酸肌酸的生成反应如下：肌细胞线粒体内膜和胞液中均有催化该反应的肌酸激酶，它们是同工酶。线粒体内膜的肌酸激酶主要催化正向反应，生成的 ADP 可促进氧化磷酸化，生成的磷酸肌酸逸出线粒体进入胞液，磷酸肌酸所含的能量不能直接利用；胞液中的肌酸激酶主要催化逆向反应，生成的 ATP 可补充肌肉收缩时的能量消耗，而肌酸又回到线粒体用于磷酸肌酸的合成。磷酸肌酸的生成与利用肌肉中磷酸肌酸的浓度为 ATP 浓度的 5 倍，可储存肌肉几分钟收缩所急需的化学能，可见肌酸的分布与组织耗能有密切关系。
