细胞的能量代谢

生物的基本能量来源于太阳能，不过生物体不能直接利用太阳能，必须将太阳能转换为化学能才能为生物体所利用。植物和低等的藻类利用叶绿体或者光合片层将光能转换为化学能，并储存在糖类、脂肪和蛋白质等大分子有机物中。而对于不具有光合作用能力的生物体则以植物合成的有机物为营养，通过分解代谢获取能量。线粒体则是生物体中一种高效地将有机物转换为细胞生命活动的能量通货ATP的细胞器。因此，线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。线粒体普遍存在于真核细胞中，而叶绿体仅存在于植物细胞中。本章将重点介绍这两种细胞器的结构、功能、ATP形成的机制以及它们的起源。

细胞溶质中发生的一系列反应所产生的能量被用来合成细胞的化学能——ATP。这一过程需要能捕获各种来源的能量的一张膜。原核生物利用它们的质膜产生ATP，而真核生物利用产能细胞器中特异的膜制造它们的ATP。这些膜包裹的细胞器包括几乎所有真核生物(包括真菌、动物、植物、藻类和原生动物)细胞中的线粒体，以及仅存在于植物和藻类中的质体，特别是叶绿体。在电子显微照片中线粒体和叶绿体最显著的形态特征是它们的内膜，细胞中该内膜上电子传递过程中产生ATP。

线粒体、叶绿体和原核生物通过化学渗透偶联过程产生能量，该偶联过程反映了产生ATP(化学的)的反应过程和膜传递过程(渗透的)之间的关联。这种偶联过程包括镶嵌在膜上的蛋白质复台体所履行的两个相互关联的阶段。

第1个阶段，高能电子(来自食物分子的氧化、太阳光反应，或者其他来源)沿镶嵌在膜上的一系列电子传递体传递。这些电子传递体释放能量用于泵质子(H⁺来自细胞中的水)穿越膜并形成一个电化学质子势。跨膜的离子势是一种储能形式，当离子被允许跨膜夏着电化学势回流时，这种储能形式可以用来做有用功。

第2个阶段，H⁺顺着电化学势穿过称为ATP合成酶的蛋白质机器回流时，可催化垃ADP和无机磷(P1)为底物的ATP的需能合成。这种普遍存在的酶行使涡轮机的角色，之许质子势去驱动ATP的产生(图7-1)。

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