能量偶聯

能量偶聯是指在反應或一個系統中，釋放能量過程放出的能量被用來推動耗能過程的進行。

定義

主要用於如下三種情形：[1]氧化與還原的偶聯。電子供體AH2在氧化成A時，電子受體B必須還原成BH2，此時稱這二個反應為偶聯。例如在醇發酵中3-磷酸甘油醛的脫氫與乙醛的還原以NAD+為媒介由二個脫氫酶的作用相偶聯。[2]氧化還原反應或分解反應與磷酸化反應相偶聯。在生物體內酶反應中可看到放能反應的進行與由ADP和正磷酸生成ATP（吸能反應）相偶聯。這是由一個酶直接作用，或由二種以上的酶作用經由中間物的生成而進行的，這樣的偶聯因為直接把反應的自由能以高能磷酸鍵的形式貯存，所以是重要的。還有與逆反應的偶聯，即與ATP的分解相偶聯，發生吸能的合成和氧化還原反應，或肌肉收縮、主動運輸等。

生物中的能量偶聯

線粒體，是一種存在於大多數細胞中的由兩層膜包被的細胞器，直徑在0.5到10微米左右。大多數真核細胞擁有線粒體，但它們各自擁有的線粒體在大小、數量及外觀等方面上都有所不同。線粒體擁有自身的遺傳物質和遺傳體系，但因其基因組大小有限，所以線粒體是一種半自主細胞器。線粒體是細胞內氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷（ATP）的主要場所，為細胞的活動提供了能量，所以有“細胞動力工廠”之稱。除了為細胞供能外，線粒體還參與諸如細胞分化、細胞信息傳遞和細胞凋亡等過程，並擁有調控細胞生長和細胞周期的能力。

線粒體是真核生物進行氧化代謝的部位，是糖類、脂肪和胺基酸最終氧化釋放能量的場所。線粒體負責的最終氧化的共同途徑是三羧酸循環與氧化磷酸化，分別對應有氧呼吸的第二、三階段。細胞質基質中完成的糖酵解和線上粒體基質中完成的三羧酸循環在會產還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinarnide adenine dinucleotide，NADH）和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸（reduced flavin adenosine dinucleotide，FADH2）等高能分子，而氧化磷酸化這一步驟的作用則是利用這些物質還原氧氣釋放能量合成ATP。在有氧呼吸過程中，1分子葡萄糖經過糖酵解、三羧酸循環和氧化磷酸化將能量釋放後，可產生30-32分子ATP（考慮到將NADH運入線粒體可能需消耗2分子ATP）。如果細胞所在環境缺氧，則會轉而進行無氧呼吸。此時，糖酵解產生的丙酮酸便不再進入線粒體內的三羧酸循環，而是繼續在細胞質基質中反應（被NADH還原成乙醇或乳酸等發酵產物），但不產生ATP。所以在無氧呼吸過程中，1分子葡萄糖只能在第一階段產生2分子ATP。

磷酸化（phosphorylation）是指在生物氧化中伴隨著ATP生成的作用。有代謝物連線的磷酸化和呼吸鏈連線的磷酸化兩種類型。即ATP生成方式有兩種。一種是代謝物脫氫後，分子內部能量重新分布，使無機磷酸酯化先形成一個高能中間代謝物，促使ADP變成ATP。這稱為底物水平磷酸化。如3-磷酸甘油醛氧化生成1，3-二磷酸甘油酸，再降解為3-磷酸甘油酸。另一種是在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯ATP的生成，這就是氧化磷酸化。生物體內95%的ATP來自這種方式。

糖酵解中生成的每分子丙酮酸會被主動運輸轉運穿過線粒體膜。進入線粒體基質後，丙酮酸會被氧化，並與輔酶A結合生成CO2、還原型輔酶Ⅰ和乙醯輔酶A。乙醯輔酶A是三羧酸循環（也稱為“檸檬酸循環”或“Krebs循環”）的初級底物。參與該循環的酶除位於線粒體內膜的琥珀酸脫氫酶外都游離於線粒體基質中。在三羧酸循環中，每分子乙醯輔酶A被氧化的同時會產生起始電子傳遞鏈的還原型輔因子（包括3分子NADH和1分子FADH2）以及1分子三磷酸鳥苷（GTP）。

NADH和FADH2等具有還原性的分子（在細胞質基質中的還原當量可從由逆向轉運蛋白構成的蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統或通過磷酸甘油穿梭作用進入電子傳遞鏈）在電子傳遞鏈裡面經過幾步反應最終將氧氣還原並釋放能量，其中一部分能量用於生成ATP，其餘則作為熱能散失。線上粒體內膜上的酶複合物（NADH-泛醌還原酶、泛醌-細胞色素c還原酶、細胞色素c氧化酶）利用過程中釋放的能量將質子逆濃度梯度泵入線粒體膜間隙。雖然這一過程是高效的，但仍有少量電子會過早地還原氧氣，形成超氧化物等活性氧（ROS），這些物質能引起氧化應激反應使線粒體性能發生衰退。

當質子被泵入線粒體膜間隙後，線粒體內膜兩側便建立起了電化學梯度，質子就會有順濃度梯度擴散的趨勢。質子唯一的擴散通道是ATP合酶（呼吸鏈複合物V）。當質子通過複合物從膜間隙回到線粒體基質時，電勢能被ATP合酶用於將ADP和磷酸合成ATP。這個過程被稱為“化學滲透”，是一種協助擴散。

影響因素與實例

解偶聯，即雖有電子傳遞但無ATP形成。該作用在生物體內有重要的意義，可用於恆定體溫，以度過寒冷的冬季。

解偶聯劑是氧化磷酸化的一類抑制劑，使氧化與磷酸化脫離，雖然氧化照常進行，但不能生成ATP，則P/O比值降低，甚至為零。2，4-二硝基苯酚（DNP）和頡氨黴素可解除氧化和磷酸化的偶聯過程，使電子傳遞照常進行而不生成ATP。DNP的作用機制是作為H+的載體將其運回線粒體內部，破壞質子梯度的形成。由電子傳遞產生的能量以熱被釋出。

DNP作為解偶聯劑的作用機理是：DNP對電子的傳遞沒有抑制作用，但是它能消除產生ATP合成所需的質子推動力。因為DNP是一種親脂的弱酸性化合物，它能以中性的質子狀態穿過線粒體脂質雙分子層的內膜。當存在跨膜的質子梯度時，它在膜的酸性側結合質子，成為一種中性的不帶電荷的狀態，通過擴散穿過膜，並在膜的鹼性側釋放出質子，從而瓦解跨膜的質子梯度。這裡，DNP起到了一個離子載體的作用。以具有強的親電子基團（NO2－）為特徵，在為鹵素置換的苯酚中，則有這種更強效的物質。

甲狀腺功能亢進症（hyperthyroidism ,甲亢），俗稱"大脖子病",是一種常見病、多發病，按病因分為毒性瀰漫性甲狀腺腫Graves病（突眼性甲狀腺腫或巴色杜病、Basedow病）和自主功能性甲狀腺瘤；臨床可分為原發性和繼發性兩大類。原發性甲亢最為常見，是一種自體免疫性疾病，繼發性甲亢較少見，由結節性甲狀腺腫轉變而來。甲狀腺功能亢進症是一種較難治癒的疑難雜症，雖不是頑症，但由於甲狀腺激素分泌過多而引起的高代謝疾病。

臨床上甲亢患者主要表現為：心慌、心動過速、怕熱、多汗、食慾亢進、消瘦、體重下降、疲乏無力及情緒易激動、性情急躁、失眠、思想不集中、眼球突出、手舌顫抖、甲狀腺腫或腫大、女性可有月經失調甚至閉經，男性可有陽痿或乳房發育等。甲狀腺腫大呈對稱性，也有的患者是非對稱性腫大，甲狀腺腫或腫大會隨著吞咽上下移動，也有一部分甲亢患者有甲狀腺結節。

可能與解偶聯有關的月經失調

甲狀腺激素分泌過多的病理生理作用是多方面的，但其作用原理尚未完全闡明。以往認為過量的甲狀腺激素作用於線粒體，對氧化磷酸化過程具有拆偶聯的作用。以致氧化過程所產生的自由能，不能以ATP的形式貯存而消耗殆盡，故氧化率增加而能源供應不足，從而引起臨床症狀。近年發現，在甲亢患者中並無拆偶聯的證據，相反，甲狀腺激素可促進磷酸化，主要通過刺激細胞膜的Na-K-ATP酶（即Na-K泵），後者在維持細胞內外Na-K梯度的過程中，需要大量能量以促進Na的主動轉移，以致ATP水解增多，從而促進線粒體氧化磷酸化反應，結果氧耗和產熱均增加。