基礎(chǔ)生物化學(xué)-生物氧化

1、6 生物氧化(Biologicaloxidation)6.1 生物氧化概述6.2 電子傳遞鏈（呼吸鏈）6.3 氧化磷酸化,6.1 生物氧化概述6.1.1 生物氧化的概念6.1.1.1 生物氧化的主要內(nèi)容生物氧化（biological oxidation）是生物細(xì)胞將糖、脂和蛋白質(zhì)等有機(jī)物進(jìn)行氧化分解，最終生成CO2和H2O并釋放能量的過程，也稱為細(xì)胞呼吸（cellular respiration）。,代謝物在體內(nèi)的氧化可

2、以分為3個(gè)階段：①糖、脂肪和蛋白質(zhì)經(jīng)過分解代謝生成乙酰輔酶A中的乙?；＂谝阴］o酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)脫氫，生成CO2并使NAD和FAD還原成NADH、FADH2。③NADH和FADH2中的氫經(jīng)呼吸鏈將電子傳遞給氧生成水，氧化過程中釋放出來的能量用于ATP合成。狹義地說只有第3個(gè)階段才是生物氧化，這是體內(nèi)能量生成的主要階段。,6.1.1.2 生物氧化的特點(diǎn)生物體內(nèi)進(jìn)行的氧化反應(yīng)與體外氧化反應(yīng)都遵循氧化反應(yīng)（脫氫、脫電子和加氧等）的

3、一般規(guī)律，最終氧化分解產(chǎn)物是CO2和H2O，同時(shí)釋放能量。但是生物氧化反應(yīng)又有其特點(diǎn)。,①生物氧化中底物是在酶的催化下，經(jīng)一系列連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)逐步氧化分解的，氧化過程產(chǎn)生的能量也是逐步釋放的。 ②生物氧化產(chǎn)生的能量部分可轉(zhuǎn)變成生命活動能夠利用的形式，即合成ATP，不是全以熱的形式釋放。③生物氧化是在常溫、常壓、近中性pH的環(huán)境中進(jìn)行。在真核細(xì)胞內(nèi)，生物氧化主要是在線粒體中進(jìn)行，原核細(xì)胞內(nèi)生物氧化是在細(xì)胞膜上進(jìn)行。,6.1.1.3

4、生物氧化中CO2和H2O的生成① CO2的生成代謝底物在酶的作用下經(jīng)一系列脫氫、加水等反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)楹然幕衔?，?jīng)脫羧反應(yīng)生成CO2，包括直接脫羧和氧化脫羧。,② H2O的生成生物氧化中底物脫下的氫與氧結(jié)合生成水。,6.1.2 生物氧化的自由能變化6.1.2.1 自由能概念生物體不能直接利用熱能做動，在生命活動過程中所需的能量都來自體內(nèi)生化反應(yīng)釋放的自由能。自由能(free energy) ：在恒溫、恒壓條件下一個(gè)體系可用

5、于做有用功的能量。又稱Gibbs自由能，以G表示。,6.1.2.3 氧化還原電位生物體內(nèi)進(jìn)行的生化反應(yīng)有許多是氧化還原反應(yīng)，生物所需要的能量就來自于體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)。在生物體中物質(zhì)進(jìn)行氧化-還原時(shí)，其基本原理和化學(xué)電池一致。在氧化-還原反應(yīng)中，電子從還原劑傳遞到氧化劑。,標(biāo)準(zhǔn)狀況下氧化還原電位變化：?E?′=標(biāo)準(zhǔn)氧化電極電位?標(biāo)準(zhǔn)還原電極電位E?′越大，得到電子的傾向越大，氧化能力越強(qiáng)；E?′越小，失去電子的傾向越大，還原能力越

6、強(qiáng)。,6.1.3 高能磷酸化合物6.1.3.1 生物體內(nèi)的高能化合物生命過程必須與放能反應(yīng)偶聯(lián)。生物氧化釋放的能量一般先貯藏在高能化合物中，機(jī)體用于做功的能量來自高能化合物水解反應(yīng)。這樣，高能化合物就成為放能反應(yīng)與吸能反應(yīng)之間的能量梭。,高能化合物中含有高能鍵，高能鍵是指具有高的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢能或水解時(shí)釋放較多自由能的磷酸酐鍵或硫酯鍵。高能鍵是不穩(wěn)定的鍵。 ATP是最重要的高能化合物。,并非含磷酸基團(tuán)的化合物均屬于高能化合物，例如

7、6-磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖、3-磷酸甘油，它們水解時(shí)只釋放出4.2~12.6 kJ·mol-1的能量，因而屬于低能磷酸化合物。,6.1.3.2 ATP的結(jié)構(gòu)及其在能量轉(zhuǎn)換中的作用糖、脂肪和蛋白質(zhì)是大多數(shù)生物賴以生存的主要能源物質(zhì)，通過細(xì)胞呼吸作用使這些貯存能源物質(zhì)氧化分解，同時(shí)釋放出能量。釋放的能量除一部分以熱的形式散失于周圍環(huán)境中之外，其余部分通過底物水平磷酸化或氧化磷酸化生成ATP，以高能磷酸鍵的形式存在。同時(shí)，ATP

8、也是生命活動利用能量的主要直接供給形式。,中度體力勞動者每日每kg體重需供給能量34~40千卡，若一成人重70kg，從事中度體力勞動，則每日應(yīng)供應(yīng)含能量2450千卡的食物，其中40%的能量轉(zhuǎn)變成化學(xué)能儲存于ATP分子的高能鍵中，這一部分能量應(yīng)為2450×0.4=980.0千卡，按每molATP水解生成ADP+Pi釋放7.3千卡能量計(jì)算，應(yīng)當(dāng)合成：980÷7.3=134.3molATP，ATP的分子量為507.22，所

9、以134.3molATP重達(dá)68.12kg，表明ATP在體內(nèi)的代謝十分旺盛。,ATP的末端有兩個(gè)以磷酸酐鍵連接的磷酸基，由于P＝O鍵的極化，電子云偏向氧原子，使磷原子帶部分正電荷，相距很近的正電荷相互排斥，使磷酸酐鍵不穩(wěn)定。,同時(shí)，在生理pH條件下，ATP約帶4個(gè)空間距離很近的負(fù)電荷，它們之間相互排斥，使磷酸酸酐鍵易水解。當(dāng)ATP水解生成ADP和Pi時(shí)，可部分消除這種應(yīng)力，而且在生理pH下ADP和Pi都帶負(fù)電荷，使平衡強(qiáng)烈地趨向水解，

10、釋放出大量自由能。,ATP的合成可與放能反應(yīng)偶聯(lián)，利用其釋放的能量由ADP和Pi合成ATP；在需要時(shí)又水解成ADP和Pi，同時(shí)將貯藏的能量釋放出來，以推動各種耗能的生命活動。如分子和離子的跨膜主動運(yùn)輸、收縮蛋白的收縮、小的構(gòu)件分子合成生物大分子等。ATP-ADP循環(huán)是生物系統(tǒng)的能量交換中樞。,ATP還可作為磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)的中間載體。ATP水解時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化位于多種物質(zhì)水解時(shí)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的中間，它能從具有更高能量的化合物接受高

11、能磷酸鍵，ATP也能將～Pi轉(zhuǎn)移給水解時(shí)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化較小的化合物。,為了衡量磷酸化合物中磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的熱力學(xué)趨勢，而引入磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢能，在數(shù)值上等于其水解反應(yīng)的-?G0′。在磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中，磷酸基從轉(zhuǎn)移勢能較高的供體轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移勢能較低的受體分子。ATP的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢能在常見的含磷酸基團(tuán)化合物中處于中間位置，因而在磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢能高的供體與低能的受體之間充當(dāng)中間載體。,例如EMP生成的高能中間產(chǎn)物1,3-二磷酸甘油酸和PEP，

12、在細(xì)胞內(nèi)并不直接水解，而是經(jīng)特殊激酶的作用，以轉(zhuǎn)移磷酸基團(tuán)的形式將捕獲的自由能傳遞給ADP生成ATP。ATP又可通過酶促磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)將磷酸酐鍵的大部分自由能傳遞給受體分子。例如葡萄糖和甘油，而形成6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油，使這些代謝物活化，以利于酶促反應(yīng)的進(jìn)行。,體內(nèi)ATP處于消耗和補(bǔ)充的動態(tài)平衡中。估計(jì)每千克活動組織含有幾個(gè)mmol·L-1的ATP，0.1mmol·L-1的ADP和0.01 mmol

13、3;L-1的AMP，這要求ATP與ADP的轉(zhuǎn)換速度能夠隨細(xì)胞生命活動的需求而不斷變化。在一般組織中，ATP消耗過程的加速伴隨著ATP合成過程的加速，ATP水解產(chǎn)物ADP的濃度對ATP的合成速度起直接調(diào)控作用。,而在動物肌肉、腦和神經(jīng)等易興奮組織中，當(dāng)其發(fā)生快速反應(yīng)時(shí)對高能磷酸化合物的立即需要大于ATP合成能力，例如人在劇烈活動時(shí)肌肉消耗ATP多達(dá)6mmol·L-1·kg-1·s-1，而在遲延幾秒鐘后發(fā)生的

14、最大ATP合成為1 mmol·L-1·kg-1·s-1。表明為了維持這些組織的快速反應(yīng)和ATP的動態(tài)平衡，必須有一種便于利用的高能磷酸貯能物質(zhì)。,6.1.3.3 磷酸肌酸以高能磷酸形式貯能的物質(zhì)統(tǒng)稱磷酸原(phosphagens)，包括磷酸肌酸、磷酸精氨酸等。ATP是細(xì)胞內(nèi)主要的磷酸載體或能量傳遞體，人體儲存能量的方式不是ATP而是磷酸肌酸。磷酸肌酸存在于肌肉、腦和神經(jīng)組織中，它可與ATP相互轉(zhuǎn)化。A

15、TP多時(shí)，以磷酸肌酸的形式貯能；ATP不足時(shí)，磷酸肌酸轉(zhuǎn)化為ATP。肌肉中磷酸肌酸的含量比ATP約高3~4倍，足以維持ATP的恒定水平。,肌細(xì)胞線粒體內(nèi)膜和胞液中均有肌酸激酶。線粒體內(nèi)膜的肌酸激酶主要催化正向反應(yīng)，生成的ADP可促進(jìn)氧化磷酸化，生成的磷酸肌酸逸出線粒體進(jìn)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應(yīng)，生成的ATP可補(bǔ)充肌肉收縮時(shí)的能量消耗，而肌酸又回到線粒體用于磷酸肌酸的合成。,肌肉中磷酸肌酸的

16、濃度為ATP濃度的5倍，可儲存肌肉幾分鐘收縮所急需的化學(xué)能。,6.2 呼吸鏈（電子傳遞鏈）6.2.1 線粒體線粒體內(nèi)膜是能量轉(zhuǎn)換的重要部位，電子傳遞鏈和氧化磷酸化有關(guān)的組分都存在于此。原核細(xì)胞沒有線粒體結(jié)構(gòu)，它的部分質(zhì)膜起著這種作用。,線粒體是有兩層膜，外膜平滑，透性高，僅有少量酶結(jié)合其上。內(nèi)膜形成了許多向內(nèi)褶疊的嵴，產(chǎn)能和需能越高的組織（如昆蟲飛翔?。┽盏臄?shù)目也越多。嵴的形成有利于增加內(nèi)膜的面積。,內(nèi)膜約含80％的蛋白質(zhì)，包括電子

17、傳遞鏈和氧化磷酸化的有關(guān)組分，是線粒體功能的主要擔(dān)負(fù)者。線粒體的內(nèi)腔充滿半流動的基質(zhì)（襯質(zhì)），其中包含大量的酶類以及線粒體DNA和核糖體。線粒體基質(zhì)酶類包括TCA酶類、脂肪酸?-氧化酶類和氨基酸分解代謝酶類。,哺乳動物線粒體DNA為環(huán)狀分子，編碼包括細(xì)胞色素氧化酶、細(xì)胞色素b和F0疏水亞基在內(nèi)的10多種蛋白質(zhì)，約占內(nèi)膜總蛋白質(zhì)的20％，其余的蛋白質(zhì)均由核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)中合成后運(yùn)入線粒體。線粒體內(nèi)膜的內(nèi)表面有一層排列規(guī)則的球形顆粒

18、，通過一個(gè)細(xì)柄與構(gòu)成嵴的內(nèi)膜相連接，這就是ATP合酶(偶聯(lián)因子F1-F0)。,6.2.2 電子傳遞鏈(electron transfer chain，ETC) 電子傳遞鏈(呼吸鏈respiratory chain)是一系列電子載體按氧化還原電位梯度排列的電子傳遞系統(tǒng)，它將代謝物脫下的氫的電子傳遞給氧生成水，同時(shí)有ATP生成。所有組成成分都嵌合于線粒體內(nèi)膜，并分段組成分離的復(fù)合物，在復(fù)合物內(nèi)各載體成分的物理排列也符合電子流動的方向。,

19、6.2.2.1 電子傳遞鏈的組成電子傳遞鏈的組分包括遞氫體(hydrogen transfer)和遞電子體(eletron transfer)。遞氫體和遞電子體是傳遞氫原子或電子的載體，由于氫原子可以看作是由H+和e組成的，所以遞氫體也是遞電子體，遞氫體和遞電子體的本質(zhì)是酶、輔酶、輔基或輔因子。NAD、FAD、FMN、Fe-S、細(xì)胞色素和泛醌等。它們都是疏水性分子。除泛醌外，其他組分都是蛋白質(zhì)通過其輔基的可逆氧化還原傳遞電子。,①

20、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD，輔酶I，CoI)。NAD是脫氫酶的輔酶，是連接作用物與呼吸鏈的重要環(huán)節(jié)。,NAD的主要功能是接受從代謝物上脫下的2H(2H+ +2e)，并傳給另一傳遞體黃素蛋白。在生理pH條件下，煙酰胺中的氮(吡啶氮)為五價(jià)的氮，它能可逆地接受電子而成為三價(jià)氮，與氮對位的碳也較活潑，能可逆地加氫還原，故可將NAD視為遞氫體。反應(yīng)時(shí)，NAD的尼克酰胺部分可接受一個(gè)氫原子及一個(gè)電子，還有一個(gè)質(zhì)子(H+)留在介質(zhì)中。,煙酰胺

21、腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP，輔酶Ⅱ，CoⅡ)也是有些脫氫酶的輔酶，它與NAD不同之處是在腺苷酸部分中核糖的2′位碳上羥基的氫被磷酸基取代而成。,當(dāng)此類酶催化代謝物脫氫后，其輔酶NADP接受氫而被還原生成NADPH，它須經(jīng)吡啶核苷酸轉(zhuǎn)氫酶(pyridine nucleotide transhydrogenase)作用將還原當(dāng)量轉(zhuǎn)移給NAD，然后再經(jīng)呼吸鏈傳遞，但NADPH一般是為合成代謝或羥化反應(yīng)提供氫。,②黃素蛋白(flavoprot

22、eins)與電子傳遞鏈有關(guān)的黃素蛋白有兩種，分別以FMN和FAD為輔基。,在FAD、FMN分子中的異咯嗪部分可進(jìn)行可逆的脫氫加氫反應(yīng)。氧化型黃素輔基從NADH接受兩個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子，或從底物(如琥珀酸)接受兩個(gè)電子和兩個(gè)質(zhì)子而還原：NADH+H++FMN=NAD++FMNH2琥珀酸+FAD=延胡索酸+FADH2,FAD或FMN與酶蛋白部分之間是通過非共價(jià)鍵相連，但結(jié)合牢固，因此氧化與還原都在同一個(gè)酶蛋白上進(jìn)行，故黃素核苷酸的氧化還

23、原電位取決于和它們結(jié)合的蛋白質(zhì)，所以有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還原電位指的是特定的黃素蛋白，而不是游離的FMN或FAD；在電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)中它們只是在黃素蛋白的活性中心部分，而其本身不能作為作用物或產(chǎn)物，這和NAD不同，NAD與酶蛋白結(jié)合疏松，當(dāng)與某酶蛋白結(jié)合時(shí)可以從代謝物接受氫，而被還原為NADH，游離的NADH可再與另一種酶蛋白結(jié)合，釋放氫后又被氧化為NAD。,很多黃素蛋白參與呼吸鏈組成，與電子轉(zhuǎn)移有關(guān)。如NADH脫氫酶以FMN為輔基，是呼吸鏈的組分

24、之一，介于NADH與其它電子傳遞體之間；琥珀酸脫氫酶，線粒體內(nèi)的甘油磷酸脫氫酶的輔基為FAD，它們可直接從作用物轉(zhuǎn)移H++e到呼吸鏈。脂肪酰CoA脫氫酶（FAD為輔基）與琥珀酸脫氫酶相似，也能將氫從作用物傳遞進(jìn)入呼吸鏈，但還需電子轉(zhuǎn)移黃素蛋白(輔基為FAD)參與才能完成。,③鐵硫蛋白(iron sulfur proteins, Fe-S)是含鐵硫絡(luò)合物的蛋白質(zhì)，又稱非血紅素鐵蛋白（或鐵硫中心），其特點(diǎn)是含鐵原子。鐵與無機(jī)S原子或與

25、肽鏈上Cys殘基的硫結(jié)合。,常見的鐵硫蛋白有3種組合方式a、單個(gè)鐵原子與4個(gè)Cys殘基上的-SH硫相連。b、2個(gè)鐵原子、2個(gè)無機(jī)硫原子組成(2Fe-2S)，其中每個(gè)鐵原子還各與兩個(gè)Cys殘基的-SH硫相結(jié)合。c、由4個(gè)鐵原子與4個(gè)無機(jī)硫原子相連(4Fe 4S)，鐵與硫相間排列在一個(gè)正六面體的8個(gè)頂角端；此外4個(gè)鐵原子還各與一個(gè)半胱氨酸殘基上的巰基硫相連。,鐵硫蛋白在氧化態(tài)時(shí)兩個(gè)鐵均為Fe3+，在還原態(tài)時(shí)變?yōu)镕e2+。由于鐵的氧化、

26、還原而達(dá)到傳遞電子作用。,④泛醌(ubiquinone,UQ或Q)也稱輔酶Q(coenzyme Q)，為一脂溶性苯醌，帶有一很長的脂肪族側(cè)鏈， 易結(jié)合到膜上或與膜脂混溶。UQ由多個(gè)異戊二烯單位構(gòu)成，不同來源的泛醌其異戊二烯單位的數(shù)目不同，在哺乳類動物組織中最多見的泛醌其側(cè)鏈由10個(gè)異戊二烯單位組成。,UQ的功能基團(tuán)是苯醌，泛醌接受一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子還原成半醌，再接受一個(gè)電子和質(zhì)子則還原成二氫泛醌，后者又可脫去電子和質(zhì)子而被氧化恢復(fù)

27、為泛醌。,⑤細(xì)胞色素體系1926年Keilin首次使用分光鏡觀察昆蟲飛翔肌振動時(shí)，發(fā)現(xiàn)有特殊的吸收光譜，因此把細(xì)胞內(nèi)的吸光物質(zhì)定名為細(xì)胞色素。,細(xì)胞色素是一類含有鐵卟啉輔基的色蛋白，屬于遞電子體。線粒體內(nèi)膜中有細(xì)胞色素b、c1、c、aa3，肝、腎等組織的微粒體中有細(xì)胞色素P450。細(xì)胞色素b、c1、c為紅色細(xì)胞素，細(xì)胞色素aa3為綠色細(xì)胞素。不同的細(xì)胞色素具有不同的吸收光譜，不但其酶蛋白結(jié)構(gòu)不同，輔基的結(jié)構(gòu)也有一些差異。,細(xì)胞色素

28、c為一外周蛋白，位于線粒體內(nèi)膜的外側(cè)。細(xì)胞色素C比較容易分離提純，其結(jié)構(gòu)已清楚。哺乳動物的Cyt c由104個(gè)氨基酸殘基組成，并從進(jìn)化的角度作了許多研究。Cyt c的輔基血紅素(亞鐵原卟啉)通過共價(jià)鍵(硫醚鍵)與酶蛋白相連，其余各種細(xì)胞色素中輔基與酶蛋白均通過非共價(jià)鍵結(jié)合。,細(xì)胞色素a和a3不易分開，統(tǒng)稱為細(xì)胞色素aa3。和細(xì)胞色素P450、b、c1、c不同，細(xì)胞色素aa3的輔基不是血紅素，而是血紅素A。細(xì)胞色素aa3可將電子直接傳遞

29、給氧，因此又稱為細(xì)胞色素氧化酶。,鐵卟啉輔基所含F(xiàn)e2+可有Fe2+=Fe3++e的互變，因此起到傳遞電子的作用。鐵原子可以和酶蛋白及卟啉環(huán)形成6個(gè)配位鍵。細(xì)胞色素aa3和P450輔基中的鐵原子只形成5個(gè)配位鍵，還能與氧再形成一個(gè)配位鍵，將電子直接傳遞給氧，也可與CO、氰化物、H2S或疊氮化合物形成一個(gè)配位鍵。細(xì)胞色素aa3與氰化物結(jié)合就阻斷了整個(gè)呼吸鏈的電子傳遞，引起氰化物中毒。,電子傳遞鏈組分除泛醌和細(xì)胞色素c外，其余組分實(shí)際

30、上形成嵌入內(nèi)膜的結(jié)構(gòu)化超分子復(fù)合物。用毛地黃皂苷、膽酸鹽等去垢劑處理分離的線粒體時(shí)，可溶解外膜，并將內(nèi)膜分裂成四種仍保存部分電子傳遞活性的復(fù)合物。①復(fù)合物I(NADH脫氫酶)相對分子質(zhì)量約70萬~90萬，含有25種不同的蛋白質(zhì)，包括以FMN為輔基的黃素蛋白和多種鐵硫蛋白，催化電子從NADH轉(zhuǎn)移到泛醌。,②復(fù)合物Ⅱ(琥珀酸脫氫酶) 相對分子質(zhì)量約14萬，含有4～5種不同的蛋白質(zhì)，包括以FAD為輔基的黃素蛋白、鐵硫蛋白和細(xì)胞色素b56

31、0，催化電子從琥珀酸傳遞到泛醌。③復(fù)合物Ⅲ(細(xì)胞色素b、cl，復(fù)合體) 相對分子質(zhì)量約25萬，含有9~10種不同的蛋白質(zhì)，包括細(xì)胞色素b、cl和鐵硫蛋白，催化電子從還原型泛醌轉(zhuǎn)移到細(xì)胞色素c。,④復(fù)合物Ⅳ(細(xì)胞色素氧化酶)相對分子質(zhì)量約16萬～17萬，哺乳動物線粒體細(xì)胞色素氧化酶至少含有13種不同的蛋白質(zhì)，包括細(xì)胞色素aa3和含銅蛋白，催化電子從還原型細(xì)胞色素c傳遞給分子氧。,6.2.2.2 呼吸鏈中各種傳遞體的排列順序①根據(jù)

32、各種組分的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位來確定。標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位越小，其還原性越強(qiáng)，容易被氧化；標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位越大，其氧化性越強(qiáng)，容易被還原。呼吸鏈中各種組分的排列順序是由低電位依次向高電位排列。,②根據(jù)在有氧條件下氧化反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)各種傳遞體的還原程度來確定。Chance和Williams使用分光光度法測定離體的線粒體在有氧條件下TCA反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，呼吸鏈中各種傳遞體的還原程度。反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)從底物到氧的各種傳遞體的還原程度是遞減的，底物

33、的最高，氧最低。,好象物理學(xué)上的聯(lián)通管，若進(jìn)水量等于出水量，即流量達(dá)到平衡時(shí)，離進(jìn)水口最近的水管中水位最高，離出水管最近的水管中水位最低，從進(jìn)水管到出水管水位逐漸減低，若把水流視為電子流，就是此情況。,③使用特異的抑制劑特異的抑制劑能阻斷呼吸鏈中的特定環(huán)節(jié)，阻斷部位的底物一側(cè)的各種傳遞體應(yīng)為還原型，阻斷部位的氧一側(cè)的各種傳遞體應(yīng)為氧化型。,表中可見FP、Cyt b位于抗霉素A阻斷部位之前，Cyt c、cl、aa3位于阻斷部位之后。用不

34、同的抑制劑作此實(shí)驗(yàn)，就可以確定呼吸鏈中各種傳遞體的排列順序。,使用抗霉素A前后遞電子體的還原型百分?jǐn)?shù),④在體外實(shí)驗(yàn)中，將線粒體分成各種復(fù)合物，檢測其各自催化的反應(yīng)，再將其重組，檢測其催化能力。美國格林(Green)等實(shí)驗(yàn)室成功地將呼吸鏈分離成具有催化活性的四種復(fù)合物以及CoQ和Cytc。將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ這四種復(fù)合物1：1：1：1的比例混合，加上CoQ和Cyt c重組，基本上恢復(fù)了線粒體原有的催化能力。,借助上述實(shí)驗(yàn)方法，呼吸鏈各組分的

35、排列順序已基本明確，但仍有些不一致的看法，其中以CoQ至細(xì)胞色素C以及Fe-S和CoQ的定位和數(shù)量也有爭議。,6.2.2.3 呼吸鏈在脫氫酶催化下底物AH2脫下的氫交給NAD生成NADH，在NADH脫氫酶作用下，NADH將兩個(gè)氫原子傳遞給FMN生成FMNH2，再將氫傳遞至CoQ生成CoQH2，此時(shí)2個(gè)氫原子解離成2H+ +2e，2H+游離于介質(zhì)中，2e經(jīng)Cyt b、c1、c、aa3傳遞，最后將2e傳遞給1/2O2，生成O2-，O2-與

36、介質(zhì)中游離的2H+結(jié)合生成水。,琥珀酸在脫氫生成的FADH2，將氫傳遞給CoQ，生成CoQH2，此后的傳遞和NADH氧化呼吸鏈相同。,線粒體中物質(zhì)代謝會生成大量的NADH和FADH2，它們可來自丙酮酸氧化脫羧、TCA、脂肪酸的β-氧化和L-谷氨酸的氧化脫氨等反應(yīng)。,6.2.3 電子傳遞抑制劑電子傳遞抑制劑能夠在呼吸鏈某一特定部位阻斷電子傳遞。,①魚藤酮(rotenone) 魚藤酮是一種極毒的植物毒素，用作殺蟲劑，它抑制復(fù)合物Ⅰ，阻斷

37、電子由NADH→CoQ的傳遞，但不影響FADH2→CoQ的氫傳遞。安密妥(amytal)、殺粉蝶菌素A(piericidin A)等與魚藤酮作用位點(diǎn)相同。,②抗霉素A(antimycin A)抗霉素A是從灰色鏈球菌分離出的一種抗菌素，抑制復(fù)合物Ⅲ的電子傳遞作用。③氰化物、疊氮化物、CO和H2S 這些抑制劑均阻斷細(xì)胞色素aa3至O2的電子傳遞，其中CN-和N3-與氧化型Cytaa3(Fe3+)有高度親和力，CO則與還原型Cyta

38、a3(Fe2+)形成復(fù)合物。,6.3 氧化磷酸化6.3.1 氧化磷酸化的概念及類型ATP幾乎是生物組織細(xì)胞能夠直接利用的唯一能源，在糖、脂類及蛋白質(zhì)等物質(zhì)氧化分解中釋放出的能量，相當(dāng)大的一部分能使ADP磷酸化成為ATP，從而把能量保存在ATP分子內(nèi)。 生物體內(nèi)通過生物氧化合成ATP的方式有底物水平磷酸化和氧化磷酸化。,①底物水平磷酸化(substrate level phospharylation)底物分子中的能量直接以高能

39、鍵形式轉(zhuǎn)移給ADP生成ATP，這個(gè)過程稱為底物水平磷酸化。,②氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)氧化磷酸化是需氧生物合成ATP的主要途徑。氧化是底物脫氫或失電子的過程，磷酸化是ADP與Pi合成ATP的過程。在結(jié)構(gòu)完整的線粒體中氧化與磷酸化這兩個(gè)過程是緊密地偶聯(lián)在一起的，即氧化釋放的能量用于ATP合成，這個(gè)過程就是氧化磷酸化，氧化是磷酸化的基礎(chǔ)，而磷酸化是氧化的結(jié)果。,電子從NADH或FADH2經(jīng)電子傳

40、遞鏈傳遞到分子氧形成水，同時(shí)偶聯(lián)ADP磷酸化生成ATP，稱為電子傳遞偶聯(lián)的磷酸化或氧化磷酸化。,6.3.2 氧化磷酸化與電子傳遞的偶聯(lián)6.3.2.1 P/0值測定P/O是指每消耗一個(gè)氧原子(或每對電子通過呼吸鏈傳遞至氧)所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADH經(jīng)呼吸鏈完全氧化時(shí)測得的P/O比值為3；FADH2完全氧化時(shí)測得的P/O比值為1.5。,在一密閉的容器中加入氧化的底物、ADP、Pi、氧飽和的緩沖液，再加入線粒體制劑時(shí)就會有氧化磷酸

41、化進(jìn)行。反應(yīng)終了時(shí)測定O2消耗量(可用氧電極法)和Pi消耗量(或ATP生成量)就可以計(jì)算出P/0值了。,6.3.2.2 電子傳遞過程的能量變化電子沿呼吸鏈由低電位流向高電位是個(gè)逐步釋放能量的過程。根據(jù)氧化還原電位計(jì)算電子傳遞釋放的能量是否能滿足ATP合成的需要。電子在兩個(gè)傳遞體間傳遞轉(zhuǎn)移時(shí)，氧化還原電位差(?E?')與自由能的變化(?G?')間的關(guān)系為： ?G?'= -nF?E?'（n為

42、反應(yīng)中電子轉(zhuǎn)移數(shù)目，F(xiàn)為法拉弟常數(shù)）,1mol ATP水解生成ADP與Pi所釋放的能量為30.5 kJ·mol-1 ，凡氧化過程中釋放的能量大于30.5 kJ·mol-1 ，均有可能生成1mol ATP，即可能存在一個(gè)偶聯(lián)部位。根據(jù)?G?'= -nF?E?' ，當(dāng)n=2時(shí)，?E?'=0.1583V時(shí)可釋放30.5 kJ·mol-1能量，所以反應(yīng)底物與生成物的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位的變化大

43、于0.1583V的部位均可能存在著一個(gè)偶聯(lián)部位。,在NAD→CoQ，Cyt b→Cyt c和Cytaa3→O2處可能存在著偶聯(lián)部位。這是反應(yīng)處在熱力學(xué)平衡狀態(tài)，溫度為25℃，pH=7.0，反應(yīng)底物和產(chǎn)物的濃度均為1mol計(jì)算的，這種條件在體內(nèi)是不存在的。因此這一計(jì)算結(jié)果只能供參考。,根據(jù)NADH和FADH2經(jīng)電子傳遞過程中的能量計(jì)算，釋放的能量大大多于實(shí)測P/O比合成ATP數(shù)所需的能量，因此氧化磷酸化是可以進(jìn)行的，即1mol NAD

44、H經(jīng)呼吸鏈氧化可偶聯(lián)產(chǎn)生2.5 mol ATP，而FAD則為1.5 mol ATP。,根據(jù)?G?‘= -nF?E?’也可算出電子從NADH和FADH2傳遞到O2時(shí)氧化磷酸化的貯能效率。NADH+2.5ADP+2.5Pi+1/2O2→NAD+4H2O+2.5ATP放能反應(yīng) NADH+1/2O2→NAD+H2O ?G?' = -nF?E?'= -220.07 kJ·mol-1合成ATP的吸能反應(yīng) 2.

45、5ADP+2.5Pi→2.5ATP+3H2O ?G?' = 76.25 kJ·mol-1貯能效率：76.25/220.07×100％=34.7％,呼吸鏈中電子傳遞和磷酸化的偶聯(lián)部位,1分子葡萄糖經(jīng)EMP-TCA徹底氧化，共生成32個(gè)ATP，葡萄糖燃燒時(shí)釋放的總能量為-2876.5kJ·mol-1，貯能效率則為：32×30.5/2876.5×100％=33.9％,6.3.3

46、 氧化磷酸化的機(jī)理在NADH和FADH2的氧化過程中，電子傳遞是如何偶聯(lián)磷酸化的機(jī)理還不完全清楚。50年代Slater及Lehninger提出了化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說，1964年Boyer又提出了構(gòu)象變化偶聯(lián)學(xué)說，但都缺乏實(shí)驗(yàn)依據(jù)。而多數(shù)人支持英國生化學(xué)家P.Mitchell于1961年提出的化學(xué)滲透學(xué)說(chemiosmotic hypothesis)，1966年完善了這一學(xué)說。因此而獲得1978年的諾貝爾化學(xué)獎。,6.3.3.1 線粒體

47、偶聯(lián)因子F1-F0ATP是由位于線粒體內(nèi)膜上的ATP合成酶催化合成的。 ATP合酶可利用電子傳遞的高能狀態(tài)將ADP和Pi合成為ATP。在電鏡下可見到線粒體內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)有許多的球狀顆化偶聯(lián)因子，其中包含ATP合酶系統(tǒng)， ATP合酶是一個(gè)膜蛋白質(zhì)復(fù)合體，主要由疏水的F0和親水的F1組成，又稱F1-F0-ATPase復(fù)合物或ATP合酶。,F1是它的球形頭部，伸入到線粒體基質(zhì)中，由五種亞基組成(?3?3???)，是合成ATP的催化部分。 ?與

48、?亞基上有ATP結(jié)合部位； ?亞基被認(rèn)為具有控制質(zhì)子通過的閘門作用；?亞基是F1與膜相連所必需，其中中心部分為質(zhì)子通路； ?亞基是酶的調(diào)節(jié)部分。,F0橫貫線粒體內(nèi)膜，主要構(gòu)成質(zhì)子通道，由十多種亞基組成。位于F1與F0之間的柄含有寡霉素敏感性蛋白(oligomycin sensitivity conferringprotein, OSCP)，參與調(diào)控F1-F0的功能。,6.3.3.2 化學(xué)滲透學(xué)說(chemiosmotic hypothe

49、sis)化學(xué)滲透學(xué)說認(rèn)為在電子傳遞與ATP合成之間起偶聯(lián)作用的是質(zhì)子電化學(xué)梯度。①呼吸鏈中的電子傳遞體在線粒體內(nèi)膜中有著特定的不對稱分布，遞氫體和電子傳遞體是間隔交替排列的，催化反應(yīng)是定向的。即在傳遞電子過程中釋放的能量不斷將線粒體基質(zhì)內(nèi)的H+逆濃度梯度泵出線粒體內(nèi)膜。,②電子傳遞過程中復(fù)合物I、Ⅲ和Ⅳ中的遞氫體起質(zhì)子泵的作用，將H+從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)定向地泵至內(nèi)膜外側(cè)空間，而將電子(2e)傳給其后的電子傳遞體。,③線粒體內(nèi)膜對質(zhì)子

50、透性很低，使泵到內(nèi)膜外側(cè)的H+積累，造成線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度，即跨膜電位。由于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)H+濃度不同，內(nèi)膜兩側(cè)還有一個(gè)pH梯度，底物氧化過程中釋放的自由能就儲存于跨膜電位和pH梯度中。這種跨膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度就是推動ATP合成的動力，稱為質(zhì)子推動力。,④線粒體F1-F0-ATPase復(fù)合物利用ATP水解能量將H+泵出內(nèi)膜。當(dāng)有足夠高的跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度時(shí)，強(qiáng)大的H+流通過F1-F0-ATPase進(jìn)入線粒體基質(zhì)時(shí)，釋放的能量推動

51、ATP合成。,因此，化學(xué)滲透學(xué)說認(rèn)為在氧化與磷酸化之間起偶聯(lián)作用的因素是H+的跨膜梯度。每對H+通過F1-F0-ATPase回到線粒體基質(zhì)中可以生成1分子ATP。以NADH作底物，其電子沿呼吸鏈傳遞在線粒體內(nèi)膜中形成3個(gè)回路，所以生成3分子ATP。以FADH2為底物，其電子沿琥珀酸氧化呼吸鏈傳遞在線粒體內(nèi)膜中形成2個(gè)回路，所以生成2兩個(gè)ATP分子。,6.3.3.3 氧化磷酸化的重建E. Racker等用重組實(shí)驗(yàn)證明了氧化磷酸化的

52、偶聯(lián)機(jī)制。用超聲波處理線粒體制備亞線粒體泡，使原來朝向基質(zhì)一側(cè)的內(nèi)膜翻轉(zhuǎn)朝外，但仍保留了進(jìn)行氧化磷酸化的功能。再用胰蛋白酶或尿素處理，將它分成可溶性的ATP酶和膜囊泡，這兩部分都喪失了氧化磷酸化功能。,再用胰蛋白酶或尿素處理，將它分成可溶性的ATP酶和膜囊泡，這兩部分都喪失了氧化磷酸化功能。,膜囊泡保留了傳遞電子的功能但不能使ADP磷酸化。若將可溶性的F1再加回到只有F0的膜囊泡中，氧化磷酸化作用又行恢復(fù)。氧化磷酸化重建實(shí)驗(yàn)證明了

53、呼吸鏈和F1-F0-ATPase的結(jié)構(gòu)與作用機(jī)理。,6.3.3.4 ATP酶的旋轉(zhuǎn)催化理論化學(xué)滲透學(xué)說并沒有解決ATP合酶如何利用質(zhì)子推動力催化ADP與Pi形成ATP。美國人Boyer. P. D.發(fā)現(xiàn)ATP合酶上ADP+Pi生成ATP無須消耗能量，而從酶上將ATP釋放出來要消耗能量。因此于1964年提出“構(gòu)象偶聯(lián)假說”，經(jīng)過20多年的充實(shí)修正，創(chuàng)立了“旋轉(zhuǎn)催化”模型，得到許多實(shí)驗(yàn)證據(jù)的有力支持，基本上闡明了ATP合酶的催化機(jī)制。

54、,Walker研究了ATP頭部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，支持了Boyer的模型，二人因此獲得1997年諾貝爾化學(xué)獎。 “旋轉(zhuǎn)催化”認(rèn)為，F(xiàn)1-F0-ATPase頭部?3?3構(gòu)成3個(gè)催化部位，中部的??亞基在質(zhì)子推動力驅(qū)動下相對于?3?3作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于3個(gè)?亞基與??亞基的不對稱接觸，分別處于不同的狀態(tài)，即無核苷酸結(jié)合的空置狀態(tài)(O)，結(jié)合ADP+Pi的松散結(jié)合狀態(tài)(L)和結(jié)合ATP的緊密結(jié)合狀態(tài)(T)。,當(dāng)質(zhì)子推動力驅(qū)使H+經(jīng)F0質(zhì)子通道進(jìn)入時(shí)，

55、F0組分質(zhì)子化而發(fā)生構(gòu)象改變，積累足夠的扭矩力推動??相對于?3?3旋轉(zhuǎn)120°。使處于T態(tài)的催化部位釋放ATP變?yōu)镺態(tài)，同時(shí)L態(tài)催化部位上生成ATP變?yōu)門態(tài)，O態(tài)結(jié)合ADP+Pi變?yōu)長態(tài)。,質(zhì)子流通過F0引起亞基Ⅲ寡聚體和??亞基一起轉(zhuǎn)動。這種旋轉(zhuǎn)配置?/?亞基之間的不對稱的相互作用，引起催化位點(diǎn)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。 ?亞基的中心?-螺旋是轉(zhuǎn)子，亞基I和Ⅱ與?亞基和在一起組成定子，它壓住?/?異質(zhì)六聚體。,6.3.3.5 腺苷酸的

56、轉(zhuǎn)運(yùn)氧化磷酸化進(jìn)行的條件是有氧、ADP、底物和電子傳遞。通常細(xì)胞中有足夠的Pi， ADP通?？刂萍?xì)胞的氧化磷酸化。細(xì)胞內(nèi)的ATP主要在線粒體內(nèi)生成，ATP在線粒體外被利用后又變?yōu)锳DP。由于ADP和ATP都不能自由地穿過線粒體內(nèi)膜，因而必須有一種機(jī)制將線粒體外的ADP運(yùn)入，同時(shí)把ATP運(yùn)到線粒體外。,線粒體內(nèi)膜上的腺苷酸載體進(jìn)行ADP/ATP的雙向運(yùn)輸，又稱ADP/ATP交換體。 ADP/ATP交換體是高度選擇性的傳遞蛋白，以二聚

57、體的形式嵌入內(nèi)膜，在跨膜電位(外正、內(nèi)負(fù))的推動下把ADP運(yùn)入基質(zhì)，同時(shí)將ATP運(yùn)到膜外側(cè)。腺苷酸載體二聚體只有一個(gè)腺苷酸結(jié)合位點(diǎn)，面向膜外側(cè)時(shí)結(jié)合位點(diǎn)對ADP有高親和力，對蒼術(shù)苷的抑制敏感；面向膜內(nèi)側(cè)的位點(diǎn)對ATP有高親和力，對米酵霉酸的抑制敏感。,6.3.4 氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制在研究氧化磷酸化中間步驟時(shí)，可利用某些物質(zhì)將氧化磷酸化過程分解成若干個(gè)反應(yīng)階段。根據(jù)這些物質(zhì)的作用方式不同分為3類：解偶聯(lián)劑、氧化磷酸化抑制劑和離

58、子載體抑制劑。,6.3.4.1 解偶聯(lián)劑(uncoupler)解偶聯(lián)劑可使電子傳遞與ADP磷酸化兩個(gè)過程分離，它只抑制ATP的形成過程，而不抑制電子傳遞過程，使電子傳遞所產(chǎn)生的自由能以熱的形式耗散。解偶聯(lián)劑使電子傳遞失去正常的控制，造成過分的氧和底物消耗，而能量卻得不到貯存。,解偶聯(lián)劑作用的本質(zhì)是增大線粒體內(nèi)膜對H+的通透性，消除H+的跨膜梯度，因而無ATP生成。2,4-二硝基苯酚(dinitrophenol，DNP) 在pH

59、7的環(huán)境中以解離形式存在，不能透過線粒體膜。在酸性環(huán)境中，解離的DNP質(zhì)子化，變?yōu)橹苄缘姆墙怆x形式，因而容易透過膜，同時(shí)將一個(gè)質(zhì)子從膜外側(cè)帶入膜內(nèi)，這樣就破壞了電子傳遞形成的跨膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度，抑制了ATP的形成。解偶聯(lián)劑只抑制電子傳遞鏈磷酸化，不影響底物水平磷酸化。,解偶聯(lián)劑只影響氧化磷酸化而不干擾底物水平磷酸化，動物棕色脂肪組織線粒體中有獨(dú)特的解偶聯(lián)蛋白，使氧化磷酸化處于解偶聯(lián)狀態(tài)，這對于維持動物的體溫十分重要。DNP、羰基-

60、氰-對-三氟甲氧基苯肼(FCCP)、雙香豆素(dicoumarin) ，過量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶聯(lián)，從而使體溫升高。,6.3.4.2 氧化磷酸化抑制劑氧化磷酸化抑制劑同時(shí)抑制氧的吸收利用和ATP的形成，卻不直接抑制電子傳遞鏈上載體的作用。這種抑制劑的作用方式是直接干擾ATP的生成過程，即干擾由電子傳遞的高能狀態(tài)形成ATP的過程，結(jié)果也使電子傳遞不能進(jìn)行。,寡霉素(oligomycin)可與F1的OSCP結(jié)合，阻塞氫離子

61、通道，從而抑制ATP合成。 二環(huán)己基碳二亞胺(dicyclohexyl carbodiimide,DCC)可與F0的DCC結(jié)合蛋白結(jié)合，阻斷H+通道，抑制ATP合成。櫟皮酮(quercetin)直接抑制參與ATP合成的ATP酶。,6.3.4.3 離子載體抑制劑(ionophore)離子載體抑制劑是一類脂溶性物質(zhì)，能插入線粒體內(nèi)膜的脂雙層，又能與某些離子相結(jié)合，并作為離子的載體使這些離子能夠穿過膜。它們與解偶聯(lián)劑的區(qū)別在于所結(jié)合的

62、是質(zhì)子以外的其他一價(jià)陽離子。,例如纈氨霉素結(jié)合K+，短桿菌肽可使K+、Na+及其他一些一價(jià)陽離子穿過膜。而解偶聯(lián)劑2,4-二硝基苯酚則是一種質(zhì)子載體。離子載體抑制劑增大了線粒體內(nèi)膜對一價(jià)陽離子的通透性，從而破壞了膜兩側(cè)的電勢梯度，最終破壞了氧化磷酸化。,6.3.5 線粒體穿梭系統(tǒng)（胞漿中NADH的轉(zhuǎn)移）生物氧化和氧化磷酸化主要在線粒體內(nèi)進(jìn)行，在胞液內(nèi)生成的NADH不能自由地透過線粒體內(nèi)膜，必須借助某些能自由通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)才能被

63、轉(zhuǎn)入線粒體，這就是所謂穿梭機(jī)制。已知動物細(xì)胞內(nèi)有兩個(gè)穿梭系統(tǒng)。,①甘油-3-磷酸穿梭系統(tǒng)(glycerol-3-phosphate shuttle) 胞質(zhì)中的甘油-3-磷酸脫氫酶先將NADH中的H轉(zhuǎn)移至磷酸二羥基丙酮形成甘油-3-磷酸，后者擴(kuò)散至線粒體外膜與內(nèi)膜之間，然后在內(nèi)膜結(jié)合的甘油-3-磷酸脫氫酶的作用下，將H轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜中的FAD上，并經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行氧化，同時(shí)產(chǎn)生的磷酸二羥基丙酮又返回胞液中參與下一輪穿梭 。,主要存在于肌細(xì)胞

64、。,②蘋果酸穿梭系統(tǒng)(malate-aspartate shuttle)主要存在于肝細(xì)胞。穿梭系統(tǒng)需要兩種谷-草轉(zhuǎn)氨酶、兩種蘋果酸脫氫酶和一系列專一的透性酶共同作用。,NADH在胞液蘋果酸脫氫酶催化下將草酰乙酸還原成蘋果酸，然后穿過內(nèi)膜，經(jīng)基質(zhì)蘋果酸脫氫酶氧化，生成草酰乙酸和NADH，后者隨即進(jìn)入呼吸鏈進(jìn)行氧化磷酸化。草酰乙酸則在基質(zhì)谷-草轉(zhuǎn)氨酶催化下形成天冬氨酸，同時(shí)將谷氨酸變?yōu)?-酮戊二酸，天冬氨酸和?-酮戊二酸通過內(nèi)膜進(jìn)人胞

65、液，再由胞液谷-草轉(zhuǎn)氨酶催化變成草酰乙酸參與下一輪穿梭運(yùn)輸，同時(shí)由?-酮戊二酸生成的谷氨酸又回到基質(zhì)。,穿梭過程均需專一的膜載體參與。,6.3.6 能荷(energy charge)在細(xì)胞中存在的ATP、ADP、AMP，統(tǒng)稱為腺苷酸庫。生物體不斷合成ATP，也不斷消耗利用ATP。 ATP、ADP、AMP在某一時(shí)間的相對數(shù)量控制著細(xì)胞的代謝活動。為了從量上表示細(xì)胞內(nèi)ATP-ADP-AMP的存在狀況，Atkinson(1968)提出了能

66、荷的概念。能荷是在總的腺苷酸系統(tǒng)中(即ATP，ADP和AMP濃度之和)所負(fù)荷的高能磷酸基數(shù)量。,能荷的大小決定于ATP和ADP的多少。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)全部腺苷酸均以ATP形式存在時(shí)，能荷最大，能荷值為1.0；全以AMP形式存在時(shí)，能荷值為零；當(dāng)全以ADP形式存在時(shí)，能荷值為0.5(由于AMP激酶催化兩分子ADP轉(zhuǎn)化為1分子ATP和1分子AMP，所以，ADP只相當(dāng)于5ATP)。三者并存時(shí)，能荷隨三者通常細(xì)胞內(nèi)處于0.8的能荷狀況。,在某些條件下

67、，能荷值可作為細(xì)胞產(chǎn)能和需能代謝過程間變構(gòu)調(diào)節(jié)的信號。能荷高時(shí)，抑制生物體內(nèi)ATP的生成，但促進(jìn)ATP的利用。能荷低時(shí)，生成ATP的速率高，生物可以通過有機(jī)物的分解代謝產(chǎn)生能量；當(dāng)能荷增高時(shí)，生成ATP的速率下降，即分解代謝減弱。說明生物體內(nèi)ATP的利用和形成有自我調(diào)節(jié)與控制的作用。根據(jù)測定，大多數(shù)細(xì)胞中的能荷在0.8～0.9之間，即兩條曲線交點(diǎn)之左右。,能荷調(diào)節(jié)是通過ATP、ADP、AMP作為代謝中某些酶分子的效應(yīng)物進(jìn)行變構(gòu)調(diào)節(jié)。例如