探索生命《生物學》63
The Chemiosmotic Hypothesis Accounts for Electron Transport and ATP Synthesis in the Mitochondrial Membrane
1. 粒腺體合成ATP的方式類似葉綠體合成ATP的方式，它們都與化學滲透有關，這方面的說明最早是Peter Mitchell 在1961年提出。
2. Peter Mitchell一開始是為了解釋粒腺體膜上的ATP合成而提出化學滲透假說，後來才發現化學滲透假說同樣也可應用在解釋葉綠體的類囊體膜上的ATP合成。
3. 我們曾經在前面的章節解釋過，葉綠體的類囊體的靠著埋在膜上的一系列的電子傳遞分子（電子傳遞鍊）發揮功能。我們也見到，當電子沿著電子傳遞鍊上的分子流動時會釋放能量，這股能量用來將氫離子從膜的一側抽取到另一側，在膜內外兩側製造電化學梯度。
4. 電化學梯度的能量接著透過ATP合成酶將ADP與磷原子團P合成ATP。粒腺體也是用同樣的方法，透過電子傳遞鍊分子製造與維持膜內外的電化學梯度，以合成ATP。
5. 粒腺體的電子傳遞鍊上的分子們，分別組成四個大型蛋白質複合物，埋在粒腺體的內層膜。
圖說：醣酵解作用產生的丙酮酸pyruvic acid運送到粒腺體的內腔（內層膜裡面的腔室），在這裡丙酮酸被氧化成乙醯輔酶A acetyl CoA和CO2，接著乙醯輔酶A進入克氏循環。
這些反應產生的NADH和FADH2將它們的電子與氫離子H+傳遞給電子傳遞鍊上的蛋白質，電子傳遞鍊的蛋白質位於粒腺體的內層膜。數個電子傳遞鍊分子聚集形成四個大型的酵素複合物，其中三個酵素複合物在電子通過時，會將氫離子從內腔抽到外腔，跨越內層膜出去。
二個可移動式的電子受質Q和Cyt.c，在酵素複合物之間移動輸送電子。當電子沿著電子傳遞鍊從NADH和 FADH2沿著傳遞鍊輸送，氫離子從內腔抽取到外腔，在外腔建立高濃度的氫離子H+，使得內層膜的內外兩側之間產生落差極大的電化學梯度。
外腔的氫離子H+可透過ATP酵素複合物管道穿越內層膜，氫離子從高濃度區域移往低濃度區域的動作會釋放能量，這股能量讓ATP合成酶能夠催化ADP和ATP合成ATP。ATP合成酶每合成1個ATP分子通常需要2個氫離子通過。
由NADH提供給電子傳遞鍊的每一對電子能夠使6顆氫離子從粒腺體內腔抽送到外腔，因此1個NADH進行氧化反應能夠產生大約3個ATP分子。FADH2的電子，進入電子傳遞鍊的位置比較後面（Q複合物），FADH2的電子帶動下抽取到外腔的氫離子較少。一個較低能量的化合物FADH2氧化反應只會產生2個ATP分子。
醣酵解作用產生的NADHs電子也進入電子傳遞鍊，細胞質的每一個NADH能製造出2個ATP。
6. 可動式電子受質將電子從一個蛋白質複合物傳遞到另一個複合物，分子Q和Cyt.c都是可動式受質，呼吸作用步驟2和步驟3製造出來的NADH將它們的電子與氫離子H+傳遞給複合物Ⅰ，在傳遞的過程中，NADH氧化成NAD+。
7. 電子在傳遞鍊上一個接著一個按順序傳遞給蛋白質複合物，最後精準地傳遞到氧身上，氧是電子傳遞鍊的最終接收者。到這一步，我們終於看到需氧的呼吸作用。
8. 如果沒有氧接收電子，電子傳遞鍊將無法發揮功能，NADH無法變回步驟2與步驟3需要的NAD+。
9. 氧O2接收電子，並且從內腔的基質取走氫離子H+，形成水分子H2O，水是醣代謝的其中一個產物。
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10. 研究顯示，當電子穿過呼吸作用的電子傳遞鍊，氫離子並沒有尾隨著電子移動，真實的情況是，當電子經由傳遞鍊輸送到氧時，傳遞鍊上三個大型複合物將氫離子H+從內腔室抽送到外腔室。
11. 這使得外腔室的氫離子濃度增加，而內腔室的氫離子濃度減少，內外腔室相比之下，外腔室變成比較帶正電的區域，在粒腺體內膜兩側製造出一個落差極大的電化學梯度。
12. 電化學梯度的能量用來將ADP與無機磷P結合成ATP。特殊的酵素複合物，稱為ATP合成酶ATP synthetases，ATP合成酶建造於粒腺體內膜上，就像葉綠體的類囊體膜上建造的ATP合成酶。
13. ATP合成酶同時扮演讓氫離子H+穿越的氫離子通道與催化合成ATP的酵素二個角色。ATP合成酶的運作機制目前還不是很瞭解，是科學界目前探索的領域。目前比較清楚的是，氫離子電化學梯度的能量被ATP合成酶拿來用於合成ATP。
14. 當氫離子順著電化學梯度往下穿越ATP合成酶會釋放出能量合成ATP。氫離子穿越ATP合成酶的反應程序，在許多方面來看是與主動運輸相反（意思是它是被動、不需要耗能的程序，甚至可以釋放能量）。
15. 在基質製造出來的ATP由載體蛋白載運穿越粒腺體膜到細胞質，細胞在細胞質汲取ATP使用。
16. 研究顯示，至少二個氫離子穿越ATP合成酶才能創造出一個ATP分子。因為NADH提供給電子傳遞鍊的每一對電子會造成6個氫離子抽送到外腔室，所以一個NADH氧化反應會產生大約3個ATP分子。
17. 分解一個葡萄醣分子，送到粒腺體內，共產生8個NADH分子，其中2個NADH來自於氧化丙酮酸，6個NADH來自於克氏循環，這8個NADH分子共產生24個新的ATP分子。
18. FADH2提供的2個電子能量比NADH低；FADH2的電子比較晚進入電子傳遞鍊（在蛋白質複合物Ⅱ的位置切入），因此從內腔室抽送到外腔室的氫離子數量比較少。
19. 因此，較低能量化合物FADH2的氧化反應只能產生2個ATP。（一個葡萄醣分子在克氏循環製造出來的2個FADH2共可製造出4個ATP分子）
20. 那麼，一開始醣酵解作用產生的二個NADH分子跑到哪裡去了呢？這些NADH分子的能量可用來合成ATP嗎？再複習一次，醣酵解作用在細胞質進行（粒腺體外），但是電子是在粒腺體內層膜傳遞。
21. 粒腺體的膜是無法讓NADH通透的，NADH的電子要進入粒腺體的電子傳遞鍊唯一的方法是透過能各層膜間穿梭的分子shuttle molecules，NADH透過分子梭載運到內層膜的過程會流失能量。
22. NADH的電子在分子梭運送下進入粒腺體的內層膜的電子傳遞鍊，切入的位置與FADH2的電子進入電子傳遞鍊的位置一樣，最後每個醣酵解作用第一步產生的NADH分子會製造出2個ATP分子（總共製造出4個ATP分子）。
23. 簡而言之，打斷一顆葡萄醣分子會產生12個受質/載體（包括NADH和FADH2），其中8個NADH提供他們的電子對進入呼吸鍊產生最大量的ATP分子，每個NADH產生8個ATP；另外4個分別是細胞質產生的NADH和FADH2，他們在呼吸鍊比較後端的位置供應電子對，每個分子只產生2個ATP。
24. 電子傳遞鍊的光磷酸化作用phosphorylation總共產生32個ATP 分子，打斷一個葡萄醣分子進行代謝產生二氧化碳與水的整個過程，共產生36個新的ATP分子，除了光磷酸化作用的32個ATP，另外有2個ATP在醣酵解第一步驟產生，2個ATP分子在克氏循環產生。
25. 葡萄醣的能量，大約39%的自由能保留ATP裡面，其他61%的能量在反應過程釋出，主要是以熱的形式釋出。
26. 在36個ATP中只有2個ATP是無氧合成（少於總能量的6%），其他34個ATP分子是有氧呼吸的產物（超過總能量的94％）。
27. 從以上的描述我們可以理解為什麼氧氣是人類與其他絕大多數有機體維繫生命的基本要素：有氧呼吸從葡萄醣抽取的能量是無氧代謝的18倍。
28. 不過，我們身體某些部分確實可靠無氧代謝支撐一小段時間。舉例來說，進行激烈運動時，肌肉需要的能量太多，超過呼吸所能提供的氧氣量。這種情況下，身體用醣解作用提供所需的能量，不過醣解作用產生的乳酸會使身體肌肉疲倦。
29. 身體欠缺的氧氣在劇烈運動過後，以深呼吸或喘氣來回補，回補氧氣之後，累積在肌肉的發酵產物「乳酸」便可移除並運送到肝臟，乳酸在肝臟恢復成葡萄醣。
30. 在34個有氧合成的ATP分子中，32個ATP來自於電子傳遞鍊創造的H+氫離子濃度梯度。當氰化物與其他毒物與電子傳遞鍊上某些蛋白質形成複合物，卡住傳遞鍊讓電子無法通過，這會造成生物死亡。
31. 氰化物與其他毒物的致命性顯示出一個事實，如果粒腺體的電子傳遞鍊無法發揮功能，有氧呼吸的任何一個反應都無法進行，細胞從氧份中吸取到的能量太少，很快就會死亡。
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