一份葡萄糖到底生成多少份ATP？简单考题背后的复杂科学

文章标题中的问题，对于不少生物、医学类的本科生，甚至包括高中竞赛生，都应该不陌生。在无氧酵解的情况下，假定三羧酸循环和氧化磷酸化完全不使用葡萄糖代谢物为原料，酵解1分子葡萄糖，需要消耗2分子ATP，并生成4分子ATP，最终净得2分子（见图1）。这一点没有什么争议。

但若是彻底氧化分解呢？旧版的教科书会写36-38分子ATP，新版的则变成30-32。现在问题来了：

1、为什么无论哪个版本的数据，都是一个区间而不是定值？

2、为什么新版的比旧版的低？

3、新版的就是正确的吗？

如果你是应试学习党，请关闭窗口，停止阅读。老师的PPT上写多少，你就填多少，保证万无一失。但若想了解这背后的生化原理，请耐心读完。

一、为什么ATP生成量不是定值，而是一个区间？

这个问题相当好理解。实际上，只要把教科书多翻几遍，就能找到答案了。

首先假定反应效率为100%。在分解代谢中，提取营养物质的化学能并转化为ATP的过程，是需要靠辅酶来当中介的。糖代谢产能所涉及的重要辅酶包括了NADH和FADH2。线粒体复合物能够将这些还原型的辅酶给氧化掉，抽取电子，泵出质子，从而产生质子梯度，形成化学能势差，推动ATP的生成。

划重点：这个过程是在线粒体中进行的。换句话说，如果NADH和FADH2无法进入线粒体，它们就不能作为氧化磷酸化的中介了。

这时候回过头看前面的图1。我们可以发现，1份葡萄糖在糖酵解过程中生成了2份NADH。然而，这2个NADH是待在胞浆中的，无法直接参与氧化磷酸化。同时，NADH无法自由穿透线粒体膜。

怎么办？靠shuttle。

第一种途径是Malate-aspartate shuttle（苹果酸-天冬氨酸穿梭）。如图2所示，在线粒体内膜上，有一个叫MKA的antiporter（反向协同转运体），它能将malate运入线粒体基质，并把α-ketoglutarate（α-酮戊二酸，α-KG）运出线粒体膜外。糖酵解产生的NADH，可以用于把oxaloacetate（草酰乙酸）还原为malate。这就相当于在malate身上寄存了NADH的还原力。当malate被MKA运入线粒体基质后，又会被氧化成oxaloacetate，将其中的还原力释放出来，重新形成NADH。（当然了，这个shuttle还有后半部分，请自己读图，不再详解。）如此一来，NADH就从胞浆“偷渡”到线粒体基质，参与了氧化磷酸化。

Malate-aspartate shuttle并不是唯一的途径，还有一种叫glycerol-3-phosphate shuttle（甘油-3-磷酸穿梭，G3P shuttle）。如图3所示，胞浆的G3P脱氢酶，可以利用NADH把dihydroxyacetone phosphate（磷酸二羟丙酮，DHAP）还原为G3P。携带着还原力的G3P可以被线粒体内膜上的G3P脱氢酶捕获，重新氧化成DHAP，但此时释放的还原力，是以FADH2的形式寄存的。

NADH的电子传递起始于线粒体复合物I，而FADH2则起始于复合物II，后者少传一步。因此，
NADH和FADH2相对于ATP的化学计量并不相同。因此，搭乘不同shuttle最终交换得到的ATP数量，并不相同。

二、为什么新版教材的数值比旧版的低？

答案的关键在于NADH和FADH2相对于ATP化学计量的修正。

旧版教材的数据，当然来自于早期的实验结果与推论。基本上，早期的研究是假定所有的反应速率，包括每一步氧化还原和物质转运等生化进程，都以最高且协同的步伐在运作的。因此，在那个假定所有步骤都能瞬间完成的年代，科学家认为，1个NADH可以生成3个ATP，而1个FADH2可以生成2个ATP。

然而现实世界并非那么完美。从葡萄糖开始，到ATP结束，中间涉及数十步反应，也有涉及许多物质转运步骤。然而近年针对这些酶与转运体的研究发现，它们的动力学并不是处在一致的速率水平上的。

此外，线粒体生成的ATP需要转运到胞浆中去。每转运1个ATP到胞浆，交换1个ADP到线粒体基质，就等价于消耗一个质子。这是因为ATP比ADP多带1个负电荷，当1个ATP跑到线粒体膜间质时，就相当于中和掉了膜间质的1个质子。（见图4，绿色示ADP-ATP转位酶，转位相当于净运输了负电荷到线粒体膜间质，中和了其正电电势。）

基于上述发现，近年的教科书将这部分内容修正为：1个NADH生成2.5个ATP，而1个FADH2生成1.5个ATP。因此，新版教材的数据就要比旧版的小一些。

三、修正后的数据就是准确不变的吗？

答案是否定的。

我们依然先把一些效率上的因素排除——但这并不代表效率就不重要。事实上，线粒体电子传递并不是完美的，部分电子会随机地从传递链中泄漏出去，和其他物质反应形成自由基，参与了许多正常生理与异常病理过程。

现在把目光锁定在最后一步：由ATP synthase（ATP合酶，见图5）催化的ATP生成过程。

ATP合酶是由好几个亚单位构成的，我们不逐一解读，只看几个关键的。在线粒体内膜上，镶嵌着许多c亚单位，围成一圈。每1个c亚单位能够结合1个质子，并像齿轮一样转动。在转动的过程中，把质子送到线粒体基质中，并借助传动杆γ亚单位，促使位于线粒体基质的α与β亚单位协作合成ATP。

在目前鉴定的所有线粒体结构中，α+β亚单位都是以3聚体的形式存在（请记住这个数字3），并在被驱动旋转的过程中反复发生着构象变化。大体上可以理解为这3个过程：1、吃进ADP+Pi；2、合成ATP；3、吐出ATP，又吃进ADP+Pi。

因此，c亚单位旋转一周，α+β亚单位也会跟着旋转一周，生成3个ATP（因为α+β呈3聚体）。

这时候问题就来了，一个质子到底能形成多少ATP，从理论上推测，应该是由c亚单位的数量来决定的。换句话说，要多少个质子才能推动c亚单位转一圈？

许多教科书上都会认为，在不考虑ADP-ATP转位的情况下，假定c亚单位有10个，就能得出10个质子生成3个ATP，每1个ATP需要3.3个质子（10除以固定的3）。

但是，c亚单位的数量在不同物种中是不一样的。比如，牛心脏的线粒体ATP合酶c亚单位的数量是8，酵母菌是10，大肠杆菌是10-12。总体上，这个数字会落在8-15这个区间里。然而，教科书仅仅给出了其中一种情况。

最后需要指出的是，要精确测量1个葡萄糖能够生成多少ATP，是极为困难的挑战。我们目前所得到的这些数字，是由许多实验数据共同总结并推理而成的。目前，这项工作还在继续，说不定在未来的某个时候，我们的教科书又需要改写了。

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