ATP的生成、储存和利用

宝枫林

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，

(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。

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△G'O与反应底物和产物标准氧化还原电位差值(△E'O)

之间存在下述关系：△G'O=nF△E'O

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

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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，△E'O=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+1/2O2→NAD++3ATP+4H2O

FADH2+2ADP+2Pi+1/2O2→FAD+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?/P>380kD，由α3、β3、γ、δ、ε等9种多肽亚基组成，β与α亚基上有ATP结合部位；

γ亚基被认为具有控制质子通过的闸门作用；δ亚基是F1与膜相连所必需，其中中心部分为

质子通路；ε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。

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ll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

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理还不十分清楚。

2.H+不能自由透过线粒体内膜，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△ψ。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△ψ

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=△ψ-59△pH

3.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，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Mitchell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(bacteriorhodopsin)，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

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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=-120mV-59×1.8mV=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)系从植物中分离到的呼吸抑制剂，专一抑制NADH→CoQ的电子传递。

抗霉素A(actinomycin A)由霉菌中分离得到，专一抑制CoQ→Cyt 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，过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温

升高。

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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(△ψ)，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

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、α-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。

(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、α-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

与Pi交换，磷酸二羧酸转位酶催

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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ADP+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G－6－P。

(二)ATP能量的转移

ATP是细胞内的主要磷酸载体，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+ATP→UTP+ADP

GDP+ATP→GTP+ADP

CDP+ATP→CTP+ADP

dNTP由dNDP的生成过程也需要ATP供能：

dNDP+ATP→dNTP+ADP

(三)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。

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

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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。

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。