線粒體最重要的生理功能是通過氧化磷酸化作用產(chǎn)生ATP，參與氧化磷酸化作用的生物分子主要集中于線粒體內(nèi)膜及其周邊（包括基質(zhì)側(cè)與內(nèi)外膜間隙側(cè)），其主要成員是5 種蛋白復(fù)合體，其中復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ起傳遞電子功能，它們與輔酶 Q、細(xì)胞色素 c 組成 2 條電子傳遞鏈，又稱呼吸鏈，即 NADH 呼吸鏈和FADH₂ 呼吸鏈，NADH 呼吸鏈中，電子傳遞的路線為：NADH→復(fù)合體Ⅰ→輔酶Q→復(fù)合體Ⅲ→細(xì)胞色素c→復(fù)合體Ⅳ→O₂，FADH₂呼吸鏈中， 電子傳遞的路線為：FADH₂ （或琥珀酸）→復(fù)合體Ⅱ→輔酶 Q→復(fù)合體Ⅲ→細(xì)胞色素c→復(fù)合體Ⅳ→O₂（圖 1）。復(fù)合體 V 又稱ATP合酶，具有合成 ATP 的功能。

圖 1     NADH 呼吸鏈和 FADH₂ 呼吸鏈

（引自 Lehninger Principles of Biochemistry，2004）

      關(guān)于1對電子由NADH 或FADH₂ 傳遞給氧分子所釋放的能量究竟能產(chǎn)生多少ATP分子的問題一直受到人們的關(guān)注。早在1940年Ochoa S.等人最先測定了呼吸過程中O₂的消耗與 ATP生成的關(guān)系。實驗證明，以 NADH 為底物，每消耗 1 個氧（1/2個O₂ 分子）約合成 2～3 個ATP 分子，以琥珀酸為底物，每消耗1個氧約合成 1～2 個ATP分子，這個比例關(guān)系稱為磷-氧比（P/O ratio）。磷-氧比可看做是1對電子通過呼吸鏈傳至O₂所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。最早人們認(rèn)為電子在傳遞過程中，ATP是在數(shù)個不連續(xù)的部位合成的，磷-氧比的數(shù)值應(yīng)為整數(shù)， 因此，對NADH傳遞鏈來說，磷-氧比被確定為3，對琥珀酸（或FADH₂）傳遞鏈來說，磷-氧比為2。

      化學(xué)滲透假說的提出（1961，Mitchell P.）使人們認(rèn)識到磷-氧比值不需要為整數(shù)。根據(jù)“化學(xué)滲透假說”，當(dāng)電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量可將質(zhì)子從基質(zhì)側(cè)泵至膜間隙，使膜間隙的質(zhì)子濃度高于基質(zhì)，在內(nèi)膜的兩側(cè)形成 pH 梯度及電位梯度，兩者共同構(gòu)成電化學(xué)梯度， 即質(zhì)子動力勢。該電化學(xué)梯度可促使質(zhì)子通過 ATP 合酶上的通道回流入基質(zhì)，驅(qū)動 ATP 的合成（圖 2）。

圖 2     化學(xué)滲透假說圖解

（引自 Lehninger Principles of Biochemistry，2004）

     “化學(xué)滲透假說” 在許多實驗證據(jù)的支持下， 獲得了大多數(shù)人的認(rèn)可。諸多實驗表明復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ確實兼有質(zhì)子泵的功能，將質(zhì)子由線粒體基質(zhì)泵入內(nèi)外膜間隙。目前，關(guān)于傳遞1對電子的同時，各復(fù)合體究竟泵出幾個質(zhì)子尚存在爭議， 較為通用的說法是復(fù)合體Ⅰ、復(fù)合體Ⅲ、復(fù)合體Ⅳ能泵出質(zhì)子的數(shù)目分別為4、4 和 2 個（見圖 1、圖 2）。

      關(guān)于 ATP 的合成問題， 根據(jù) Boyer 等提出的“結(jié)合改變模型” 與“旋轉(zhuǎn)催化機(jī)制”， 合成 1 個 ATP 分子需要 3 個質(zhì)子通過 ATP 合酶回流驅(qū)動。

      此外，伴隨ATP合成的進(jìn)行，合成ATP所需的ADP和 Pi必須由細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體內(nèi)，同時合成好的ATP也必須被運(yùn)出線粒體，每一組 ATP/ ADP/Pi的轉(zhuǎn)移伴隨1個質(zhì)子的回流。所以，合成與轉(zhuǎn)移1個ATP共消耗內(nèi)外膜間隙中的4個質(zhì)子，這4個質(zhì)子通過 ATP 合酶與轉(zhuǎn)位酶回流入基質(zhì)。

      綜上所述，目前普遍認(rèn)為，每1對電子沿NADH呼吸鏈傳遞時，泵出10（4 4 2）個質(zhì)子，而每1個ATP的合成與轉(zhuǎn)移伴隨4個質(zhì)子的回流。

1 個葡萄糖分子通過糖酵解與三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化所產(chǎn)生的 ATP 數(shù)量的計算

      *1 分子葡萄糖通過糖酵解可在細(xì)胞質(zhì)中產(chǎn)生2個NADH分子，這 2 個NADH上的電子需要進(jìn)入線粒體內(nèi)膜中的電子傳遞鏈，才能用于ATP的合成。在生物體內(nèi)有2套利用這些電子的機(jī)制，分別稱為甘油-3-磷酸穿梭途徑和蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑。在甘油-3-磷酸穿梭途徑中，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)NADH上的電子未通過復(fù)合體I即傳遞給輔酶 Q，通過該途徑，1對電子的傳遞只能生成1.5個ATP；在蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑中，細(xì)胞質(zhì)內(nèi) NADH上的電子間接傳遞給基質(zhì)內(nèi)的 NAD ，再利用NADH呼吸鏈傳遞給 O₂，通過該途徑，1對電子的傳遞能生成2.5個ATP。

      因此，1對電子從NADH傳至O₂，所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)目是10/4＝2.5，即磷-氧比值為2.5。對于琥珀酸（或FADH₂）呼吸鏈來說，每1對電子沿該呼吸鏈傳遞時，泵出6（4 2）個質(zhì)子，磷-氧比值為 6/4=1.5。

      利用這2個磷-氧比值，可以計算糖、脂肪酸、氨基酸等完全降解所產(chǎn)生的ATP的數(shù)目。 對1個葡萄糖分子來說，通過糖酵解與三羧酸循環(huán)，可產(chǎn)生10個NADH、2個FADH₂與4 個ATP/GTP分子，最終通過氧化磷酸化作用共產(chǎn)生30或32個ATP分子，其計算過程見表1。

      對于脂肪酸來說，以含有16個碳的棕櫚酸為例，經(jīng)7輪β氧化，1分子棕櫚酰CoA降解產(chǎn)生8分子乙酰CoA，7分子NADH，7分子FADH₂，由于每一分子乙酰CoA分解可產(chǎn)生3 分子NADH、1分子FADH₂、1分子ATP/GTP，因此1分子乙酰CoA分解共產(chǎn)生3×2.5 1.5 1=10 個ATP分子，則1分子棕櫚酸降解產(chǎn)生ATP的數(shù)目為8×10 7×2.5 7×1.5=108。由于由棕櫚酸生成棕櫚酰CoA需要消耗2個高能磷酸鍵，則棕櫚酸的氧化分解可產(chǎn)生的ATP分子數(shù)為108-2＝106。

      對于氨基酸來說，不同氨基酸的代謝途徑不同，可產(chǎn)生的ATP分子數(shù)也不同，以最簡單的丙氨酸為例，丙氨酸通過聯(lián)合脫氨基作用，生成 1分子丙酮酸、1 分子NADH與1分子NH₄ ， 丙酮酸降解可產(chǎn)生12.5 個ATP分子，因此，最終產(chǎn)生ATP的數(shù)目為12.5 2.5＝15。