第五节　组织呼吸

一、人体内氧分压梯度及其生理学意义

在海平面，依道尔顿定律，干燥空气氧分压为PB×FO2 = 760×21% = 159.6mmHg（21.3kPa）。当干燥空气经鼻腔等被吸入气管内，受饱和水蒸气的加湿作用，其氧分压PIO2 =（760-47）×21% ≈ 150mmHg（20kPa）。按简化肺泡气方程，由于氧气在肺泡内与二氧化碳发生气体交换，故肺泡气氧分压PAO2 = PIO2-PACO2 = 150-40 = 110mmHg（14.7kPa）。因呼吸交换率并非为1，加之肺循环存在右至左的分流，故动脉血氧分压PaO2约为100mmHg（13.3kPa）。因此，在人体内形成氧分压梯度（图1-2-5-1）。正是由于气体分子可以穿过许多层生物膜的障碍，在体内的各个气相与液相之间不断地进行弥散运动；而气体弥散运动的方向，也正是由不同部位间气体分压的差值，或者说压力梯度（pressure gradient）所决定的，由高分压部位向低分压部位弥散。所以，体内不同部位氧分压梯度的生理性意义在于：氧分压梯度不仅决定氧气弥散的方向，而且决定弥散氧气的量。

二、细胞内呼吸与氧化磷酸化过程

生物氧化又称细胞氧化或细胞呼吸，主要在细胞线粒体的嵴上进行。线粒体将代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过由多种酶和辅酶组成的连锁反应逐步传递，最终与氧结合成水。在此过程中，细胞摄取O2与细胞呼吸有关，故将此氢氧化合的连锁反应称为呼吸链。能量物质供应不足，呼吸链发生障碍，以及缺氧均可影响生物氧化过程，并继而影响组织换气。

组织细胞利用O2，经线粒体氧化磷酸化生成ATP。营养物质在体内经分解代谢，在线粒体基质内产生还原底物烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）或黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FADH2），NADH或FADH2经过线粒体电子传递链（electron transport chain，ETC）上的结合位点，将电子传入ETC，经过ETC上一系列电子传递载体的传递，最终电子传递至O2，将O2还原为H2O，同时释放能量，驱动ADP磷酸化生成ATP，供人体各种生命活动的需要。

影响线粒体水平ATP生成的因素可以分为两个部分：宏观上组织细胞内肌红蛋白（myoglobin，Mb）的含量以及线粒体的数目、形态、结构的变化；微观上线粒体内膜氧化磷酸化耦联生成ATP的数目。首先，Mb是细胞内O2的暂时储存载体，细胞内Mb含量越高，细胞储氧量越大。不同的组织线粒体数目不同，心肌、骨骼肌以及脑组织的线粒体含量较多，细胞利用O2的能力较强。研究发现，线粒体内膜的嵴结构对膜上复合体的稳定发挥了重要作用。其次，关于线粒体内膜上的电子传递耦联生成ATP的研究已比较清楚：线粒体ETC由4个不同的蛋白质复合体组成，分别称之为复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。ETC上电子的传递有复合体Ⅰ→复合体Ⅱ→复合体Ⅳ和复合体Ⅱ→复合体Ⅲ→复合体Ⅳ两条途径。伴随着电子传递释放的电势能可以驱动线粒体基质侧的H+转移至线粒体膜间腔。复合体Ⅰ将还原底物“NADH + H+”中的2个电子传递给泛醌，同时耦联4个H+从内膜基质侧泵到内膜与外膜形成的膜间腔；而复合体Ⅱ的底物为FADH2，可以将FADH2的电子传递到泛醌，由于该过程释放的自由能较小，不足以将H+泵出线粒体内膜；复合体Ⅲ将2个电子从还原型泛醌传递至细胞色素c，同时泵出4个H+至膜间腔；复合体Ⅳ将2个电子传递给1个O2-生成1个H2O，同时使2个H+跨内膜向膜间腔侧转移。泵出到膜间腔的H+顺浓度梯度回流至基质时，释放的电化学势能被内膜上的ATP合酶（即复合体Ⅴ）所利用，催化腺苷二磷酸（adenosine diphosphate，ADP）与Pi生成ATP。这就是氧化磷酸化并耦联生成ATP过程。

ATP在线粒体生成之后，需要运送到细胞内的耗能部位才可以被利用。磷酸肌酸作为体内ATP储存和转运的重要载体，是细胞内的一种高能磷酸化合物，主要在肾脏中合成，分布于心肌、骨骼肌、脑和肾脏等组织中。磷酸肌酸与细胞外结合位点有高亲和力，能够通过细胞屏障，穿过细胞膜，直接进入细胞。当ATP迅速合成时，肌酸激酶即催化ATP和肌酸之间进行Pi转移，生成磷酸肌酸储存能量，从而使ATP处于相对稳定的浓度水平；当人体需要消耗大量ATP供能而使ATP含量有可能下降时，磷酸肌酸可在酶的作用下释放出Pi给ADP，从而生成ATP，以保证人体活动对能量的需求。

三、细胞内氧的其他利用

除上述众所周知的O2作为电子受体，帮助线粒体合成ATP外，O2在细胞内还有其他重要的作用。大致而言，生成ATP所消耗O2占细胞内约80%氧量，另有约20%的O2用于生成活性氧簇（ROS）与被需氧酶利用。细胞质、线粒体、溶酶体、细胞核、内质网与细胞膜等处，存在多种酶，在利用O2的条件下，催化生成ROS（参见第三章的详细描述）。另外，生理条件下，线粒体复合体Ⅰ与复合体Ⅲ存在少量电子漏，电子直接传递给O2生成ROS，因此也消耗少量的O2。细胞内含有适量的ROS，发挥着重要的生理功能，详情参见第三章。