王鏡巖-生物化學(xué)-第24章生物氧化—電子傳遞和氧化磷酸化作用

1、第第2424章章 生物氧生物氧化化電子傳遞和電子傳遞和氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用第24章 生物氧化電子傳遞和氧化磷酸化作用(Biological oxidation electron transport and oxidative phosphorylation)一、氧化還原電勢(shì)一、氧化還原電勢(shì)二、電子傳遞和氧化呼吸鏈二、電子傳遞和氧化呼吸鏈三、氧化磷酸化作用三、氧化磷酸化作用一、氧化還原電勢(shì)1. 1. 電池：電池：電子由負(fù)極流向正極，電流由正極流電子由負(fù)極流向正極，電流由正極流向負(fù)極，正極發(fā)生還原反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)。向負(fù)極，正極發(fā)生還原反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)。2. 2. 電解：電解：與

2、外加電源的正極相連的是陽(yáng)極，與與外加電源的正極相連的是陽(yáng)極，與外加電源的負(fù)極相連的是陰極，陽(yáng)極上發(fā)生氧化外加電源的負(fù)極相連的是陰極，陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極上發(fā)生還原反應(yīng)。反應(yīng)，陰極上發(fā)生還原反應(yīng)。3. 3. 可充電電池：可充電電池：當(dāng)電池放電時(shí)，正極發(fā)生還原當(dāng)電池放電時(shí)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)；當(dāng)給電池充電時(shí)，正反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)；當(dāng)給電池充電時(shí)，正極成為陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極成為陰極，發(fā)極成為陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極成為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)。生還原反應(yīng)。 電極的名稱與電極上發(fā)生的反應(yīng)電極的名稱與電極上發(fā)生的反應(yīng)原電池的結(jié)構(gòu)檢流計(jì)檢流計(jì)正極，還原反應(yīng)正極，還原反應(yīng)負(fù)極，氧化反

3、應(yīng)負(fù)極，氧化反應(yīng)電解裝置陽(yáng)極，氧化反應(yīng)陽(yáng)極，氧化反應(yīng)陰極，還原反應(yīng)陰極，還原反應(yīng)電極電勢(shì)和電動(dòng)勢(shì) 能斯特方程能斯特方程 bannFRTEEln0電子供體電子受體兩個(gè)電極組成電池的電動(dòng)勢(shì)兩個(gè)電極組成電池的電動(dòng)勢(shì) 負(fù)極正極EEF: 法拉弟常數(shù)法拉弟常數(shù) 96.5 kJ/Vmol 式中式中E 0 為標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)，即反應(yīng)物和產(chǎn)物的活為標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)，即反應(yīng)物和產(chǎn)物的活度都為度都為1（如果是氣體則為（如果是氣體則為1atm），溫度），溫度25下的下的電極電勢(shì)。規(guī)定氫電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為電極電勢(shì)。規(guī)定氫電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為0。令標(biāo)準(zhǔn)。令標(biāo)準(zhǔn)氫電極為負(fù)極，其它電極為正極，得到電池的電動(dòng)氫電極為負(fù)極，其它電極為

4、正極，得到電池的電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)即為其它電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)。勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)即為其它電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)。反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度與電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系式 對(duì)于一個(gè)氧化還原反應(yīng)對(duì)于一個(gè)氧化還原反應(yīng) a aAr + bBo cAo + dBr acdbABArAonFRTBrBonFRTEElnln00cdabAoBrArBonFRTEln0abcdArBoAoBrnFRTEln0KeqnFRTEln0氧化還原反應(yīng)的判據(jù) 對(duì)于氧化還原反應(yīng)來(lái)說(shuō)，對(duì)于氧化還原反應(yīng)來(lái)說(shuō)， 反應(yīng)可以自反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行，發(fā)進(jìn)行， 是反應(yīng)進(jìn)行的限度。是反應(yīng)進(jìn)行的限度。 如果已知兩個(gè)氧還電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)，可如果已知兩個(gè)氧還電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)，可

5、以根據(jù)以根據(jù)G0=nFE 0計(jì)算計(jì)算出該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由出該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化值。能變化值。00生物體中某些重要的氧化還原電勢(shì)見(jiàn)見(jiàn)P117表表24-1呼吸電子傳遞鏈中某些重要的氧化還原電勢(shì)氧化還原反應(yīng)式氧化還原反應(yīng)式標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)（標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)（V）NAD+ + 2H+ + 2e NADH0.320FAD + 2H+ + 2e FADH20.219CoQ + 2H+ + 2e CoQH2+ 0.060Cyt bL(ox) + eCyt bL(red)0.100Cyt bH(ox) + eCyt bH(red)+0.050Cyt c1(ox) + eCyt c1(red)+ 0.220Cyt c(

6、ox) + eCyt c(red)+ 0.254Cyt a(ox) + eCyt a(red)+ 0.290Cyt a3(ox) + eCyt a3 (red)+ 0.3501/2O2+ 2H+ + 2e H2O+0.816二、電子傳遞和氧化磷酸化 檸檬酸循環(huán)及其它降解代謝途徑產(chǎn)生還原型輔檸檬酸循環(huán)及其它降解代謝途徑產(chǎn)生還原型輔酶，包括酶，包括NADH和和FADH2，將其攜帶的電子經(jīng)過(guò)電，將其攜帶的電子經(jīng)過(guò)電子傳遞，最終交給分子子傳遞，最終交給分子O2，形成，形成H2O。在電子傳遞。在電子傳遞過(guò)程中釋放出大量的自由能，這些自由能被用來(lái)推過(guò)程中釋放出大量的自由能，這些自由能被用來(lái)推動(dòng)動(dòng)ATP的合

7、成。的合成。在在呼吸電子傳遞鏈中，總反應(yīng)式為呼吸電子傳遞鏈中，總反應(yīng)式為NADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ +H2O G0= 220.07 kJ/mol FADH2 + 1/2 O2 FAD +H2O G0= 181.58 kJ/mol 線粒體結(jié)構(gòu)圖 檸檬酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行，電子傳遞檸檬酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行，電子傳遞和氧化磷酸化在線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行。和氧化磷酸化在線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行。還原型輔酶中的能量 在糖酵解和檸檬酸循環(huán)中，在糖酵解和檸檬酸循環(huán)中，1分子葡萄糖完分子葡萄糖完全氧化可以生成全氧化可以生成10個(gè)個(gè)NADH和和2個(gè)個(gè)FADH2，它們它們氧化后可以釋放出的自由能為氧

8、化后可以釋放出的自由能為 220.0710 + 181.582 = 2563.86 kJ/mol 1分子葡萄糖完全氧化釋放的自由能為分子葡萄糖完全氧化釋放的自由能為2870.23 kJ/mol 還原型輔酶中貯存的能量比例為還原型輔酶中貯存的能量比例為 （2563.86/2870.23）100% = 89.3%電子傳遞的方向 在電子傳遞鏈中，有一系列電子傳遞體，這在電子傳遞鏈中，有一系列電子傳遞體，這些電子傳遞體的排列順序是根據(jù)它們的電極電位些電子傳遞體的排列順序是根據(jù)它們的電極電位決定的。電子由決定的。電子由電極電位低的氧還電對(duì)電極電位低的氧還電對(duì)中的還原中的還原態(tài)電子傳遞體傳向態(tài)電子傳遞體傳

9、向電極電位高的氧還電對(duì)電極電位高的氧還電對(duì)中的氧中的氧化態(tài)電子傳遞體?；瘧B(tài)電子傳遞體。 電子傳遞形成跨膜的質(zhì)子梯度 在電子傳遞過(guò)程中，還在電子傳遞過(guò)程中，還伴隨有伴隨有H+從線粒體內(nèi)膜從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)，向內(nèi)膜的外側(cè)運(yùn)輸，結(jié)果造成跨線粒體的基質(zhì)側(cè)，向內(nèi)膜的外側(cè)運(yùn)輸，結(jié)果造成跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度，這樣在膜內(nèi)外既造成質(zhì)子的濃度內(nèi)膜的質(zhì)子梯度，這樣在膜內(nèi)外既造成質(zhì)子的濃度梯度，又造成電勢(shì)梯度，這種電化學(xué)勢(shì)梯度貯存有梯度，又造成電勢(shì)梯度，這種電化學(xué)勢(shì)梯度貯存有能量。也就是電子傳遞過(guò)程中釋放的能量轉(zhuǎn)變成跨能量。也就是電子傳遞過(guò)程中釋放的能量轉(zhuǎn)變成跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)勢(shì)梯度中貯存的能量。當(dāng)質(zhì)子線粒體內(nèi)

10、膜的電化學(xué)勢(shì)梯度中貯存的能量。當(dāng)質(zhì)子由膜的外側(cè)向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)由膜的外側(cè)向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)ATP合成。這個(gè)過(guò)合成。這個(gè)過(guò)程稱為氧化磷酸化。程稱為氧化磷酸化。 電子傳遞鏈 呼吸電子傳遞鏈主要由蛋白質(zhì)復(fù)合體組成，呼吸電子傳遞鏈主要由蛋白質(zhì)復(fù)合體組成，在線粒體內(nèi)膜上有在線粒體內(nèi)膜上有4種參與電子傳遞的蛋白質(zhì)復(fù)種參與電子傳遞的蛋白質(zhì)復(fù)合體，分別為合體，分別為 NADHQ還原酶（還原酶（NADH-Q reductase） 琥珀酸琥珀酸Q還原酶（還原酶（succinate-Q reductase） 細(xì)胞色素還原酶（細(xì)胞色素還原酶（cytochrome reductase） 細(xì)胞色素氧化酶（細(xì)胞色素氧化酶

11、（cytochrome oxidase） 電子傳遞鏈標(biāo)準(zhǔn)氧還電勢(shì)、自由能變化和ATP形成部位示意圖上半圖下半圖Protein Complexes of the Mitochondrial Electron-Transport ChainComplexMass(kD)Sub-unitsProstheticGroupBinding Site for:N A D H - U Q reductase85030FMNFe-SNADH(matrix side)UQ(lipid core)Succinate-UQ reductase1404FADFe-SSuccinate(matrix side)UQ(li

12、pid core)UQ-Cyt creductase24811Heme bLHeme bHHeme c1Fe-SCyt c (intermembrane space side)Cytochrome c oxidase16210Heme aHeme a3CuACuBCyt c (intermembrane space side)電子傳遞鏈各個(gè)成員1.1.NADHQ還原酶還原酶 NADHQ還原酶又稱為還原酶又稱為NADH脫氫酶，簡(jiǎn)脫氫酶，簡(jiǎn)稱為復(fù)合體稱為復(fù)合體。該酶含有。該酶含有FMN輔基和輔基和Fe-S聚簇，聚簇，催化反應(yīng)時(shí)，先將催化反應(yīng)時(shí)，先將NADH的電子傳遞到的電子傳遞到FMN上，上，再傳

13、給再傳給Fe-S聚簇，最后傳給輔酶聚簇，最后傳給輔酶Q。Fe-S聚簇有聚簇有幾種類型，含有幾種類型，含有Fe-S聚簇的蛋白質(zhì)稱為鐵硫蛋聚簇的蛋白質(zhì)稱為鐵硫蛋白，又稱為非血紅素鐵蛋白。白，又稱為非血紅素鐵蛋白。 Fe-S聚簇通過(guò)其聚簇通過(guò)其中的中的Fe2+和和Fe3+的變化來(lái)傳遞電子。的變化來(lái)傳遞電子。三種類型的Fe-S cluster Fe Fe2-S2 Fe4-S4NADH-Q還原酶催化的電子傳遞每傳遞每傳遞2個(gè)電子，可個(gè)電子，可驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)4個(gè)個(gè)H+從膜內(nèi)側(cè)從膜內(nèi)側(cè)運(yùn)到膜外側(cè)運(yùn)到膜外側(cè)。NegativePositiveFP:黃素蛋白黃素蛋白IP:鐵硫蛋白鐵硫蛋白HP:疏水蛋白疏水蛋白電子傳遞鏈

14、各個(gè)成員2.2.輔酶輔酶Q 輔酶輔酶Q（Coenzyme Q ）又稱泛醌（又稱泛醌（ubiquinone），），有時(shí)簡(jiǎn)稱為有時(shí)簡(jiǎn)稱為Q或或UQ，是一種脂溶性物質(zhì)，它可以接受，是一種脂溶性物質(zhì)，它可以接受1個(gè)電子還原成半醌中間體，再接受個(gè)電子還原成半醌中間體，再接受1個(gè)電子還原成對(duì)苯個(gè)電子還原成對(duì)苯二酚形式。由于其脂溶性強(qiáng)，可以在線粒體內(nèi)膜中擴(kuò)二酚形式。由于其脂溶性強(qiáng)，可以在線粒體內(nèi)膜中擴(kuò)散。它有一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的碳?xì)鋫?cè)鏈，哺乳動(dòng)物中最常見(jiàn)的散。它有一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的碳?xì)鋫?cè)鏈，哺乳動(dòng)物中最常見(jiàn)的是具有是具有10個(gè)異戊二烯單位的側(cè)鏈，簡(jiǎn)寫(xiě)為個(gè)異戊二烯單位的側(cè)鏈，簡(jiǎn)寫(xiě)為Q10，在非哺，在非哺乳動(dòng)物中這個(gè)側(cè)鏈可能只有

15、乳動(dòng)物中這個(gè)側(cè)鏈可能只有68個(gè)異戊二烯單位。個(gè)異戊二烯單位。輔酶Q的結(jié)構(gòu)和氧化還原態(tài)輔酶Q的space-filling模型 電子傳遞鏈各個(gè)成員3.3.琥珀酸琥珀酸Q還原酶還原酶 琥珀酸琥珀酸Q還原酶又稱為復(fù)合體還原酶又稱為復(fù)合體，完整的，完整的此酶包括檸檬酸循環(huán)中的此酶包括檸檬酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶，琥珀酸，琥珀酸氧化為延胡索酸時(shí)脫下的氫還原了氧化為延胡索酸時(shí)脫下的氫還原了FAD，F(xiàn)ADH2將電子傳遞給琥珀酸將電子傳遞給琥珀酸Q還原酶的還原酶的Fe-S聚簇，再聚簇，再傳遞給輔酶?jìng)鬟f給輔酶Q。 琥珀酸Q還原酶催化的電子傳遞電子傳遞鏈各個(gè)成員4.4.細(xì)胞色素還原酶細(xì)胞色素還原酶 細(xì)胞色

16、素還原酶又稱復(fù)合體細(xì)胞色素還原酶又稱復(fù)合體、輔酶、輔酶Q細(xì)細(xì)胞色素胞色素c還原酶。它的作用是將還原型輔酶還原酶。它的作用是將還原型輔酶Q的的電子傳遞給細(xì)胞色素電子傳遞給細(xì)胞色素c。細(xì)胞色素還原酶中含有。細(xì)胞色素還原酶中含有細(xì)胞色素細(xì)胞色素b，也含有，也含有2Fe-2S聚簇。聚簇。 細(xì)胞色素（cytochrome) 細(xì)胞色素是一類含有血紅素輔基的電子傳遞蛋細(xì)胞色素是一類含有血紅素輔基的電子傳遞蛋白質(zhì)的總稱。還原型細(xì)胞色素具有明顯的白質(zhì)的總稱。還原型細(xì)胞色素具有明顯的可見(jiàn)光吸可見(jiàn)光吸收收，可以看到，可以看到、和和三個(gè)吸收峰，其中三個(gè)吸收峰，其中峰的波長(zhǎng)峰的波長(zhǎng)隨細(xì)胞色素種類的不同而各有特異的變化，

17、可用來(lái)隨細(xì)胞色素種類的不同而各有特異的變化，可用來(lái)區(qū)分不同的細(xì)胞色素。氧化型細(xì)胞色素在可見(jiàn)光區(qū)區(qū)分不同的細(xì)胞色素。氧化型細(xì)胞色素在可見(jiàn)光區(qū)看不到吸收峰。細(xì)胞色素中的血紅素有三種，分別看不到吸收峰。細(xì)胞色素中的血紅素有三種，分別稱為細(xì)胞色素稱為細(xì)胞色素a、b和和c，同一種細(xì)胞色素血紅素因結(jié)，同一種細(xì)胞色素血紅素因結(jié)合的蛋白質(zhì)不同，其合的蛋白質(zhì)不同，其吸收峰的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生小的變化，吸收峰的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生小的變化，如細(xì)胞色素還原酶中含有的細(xì)胞色素如細(xì)胞色素還原酶中含有的細(xì)胞色素b就分為就分為bH（b562）和）和bL（b566）兩種。）兩種。血紅素的結(jié)構(gòu)細(xì)胞色素c的光吸收峰還原態(tài)還原態(tài)氧化態(tài)氧化態(tài)幾種細(xì)胞

18、色素的最大吸收峰波長(zhǎng)波長(zhǎng)/nm細(xì)胞色素細(xì)胞色素a600439bL566bH562532429c550521415c1554524418細(xì)胞色素還原酶催化的電子傳遞前半個(gè)前半個(gè)Q循環(huán)，運(yùn)出去循環(huán)，運(yùn)出去2 2個(gè)質(zhì)子。個(gè)質(zhì)子。細(xì)胞色素還原酶催化的電子傳遞后半個(gè)后半個(gè)Q循環(huán)，運(yùn)出去循環(huán)，運(yùn)出去2 2個(gè)質(zhì)子。個(gè)質(zhì)子。電子傳遞鏈各個(gè)成員 細(xì)胞色素細(xì)胞色素 c 是一個(gè)分子量是一個(gè)分子量13000的單鏈球形蛋的單鏈球形蛋白質(zhì)，直徑白質(zhì)，直徑3.4nm，由，由104個(gè)氨基酸殘基組成，含個(gè)氨基酸殘基組成，含有一個(gè)血紅素輔基。它是唯一能溶于水的細(xì)胞色素，有一個(gè)血紅素輔基。它是唯一能溶于水的細(xì)胞色素，并且是了解最為

19、透徹的蛋白質(zhì)之一。并且是了解最為透徹的蛋白質(zhì)之一。 5.5.細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c細(xì)胞色素c 的三維結(jié)構(gòu) 第三個(gè)硫原子來(lái)自第三個(gè)硫原子來(lái)自Met，配位到，配位到Fe上上。電子傳遞鏈各個(gè)成員 細(xì)胞色素氧化酶又稱為復(fù)合體細(xì)胞色素氧化酶又稱為復(fù)合體、細(xì)、細(xì)胞色素胞色素 c 氧化酶。它的作用是將還原型細(xì)氧化酶。它的作用是將還原型細(xì)胞色素胞色素 c 的電子傳遞給分子的電子傳遞給分子O2，生成，生成H2O。 6.6.細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶的傳遞電子作用每傳遞每傳遞2 2個(gè)電子可個(gè)電子可以運(yùn)出以運(yùn)出2 2個(gè)質(zhì)子。個(gè)質(zhì)子。氧與a3及Cub結(jié)合的關(guān)系示意圖Binuclear centerCy

20、s電子傳遞給氧生成水Power strokephaseElectron-fillingphase電子傳遞的抑制效應(yīng)電子傳遞鏈中的抑制劑 三、氧化磷酸化作用 伴隨著伴隨著線粒體內(nèi)膜上的線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞，電子傳遞，ADP與與Pi合合成成ATP的過(guò)程稱為氧化磷酸化作用（的過(guò)程稱為氧化磷酸化作用（oxidative phosphorylation）。相應(yīng)地，我們將在代謝途徑中）。相應(yīng)地，我們將在代謝途徑中由含磷酸的底物直接把磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)到由含磷酸的底物直接把磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)到ADP上形成上形成ATP的過(guò)程，稱為底物水平磷酸化。的過(guò)程，稱為底物水平磷酸化。 P/O比 用組織勻漿以及組織切片做的實(shí)驗(yàn)表明，組

21、織利用組織勻漿以及組織切片做的實(shí)驗(yàn)表明，組織利用用O2的同時(shí)，的同時(shí)，ATP含量隨之增加，每消耗含量隨之增加，每消耗1個(gè)個(gè)O原子約原子約合成合成3個(gè)個(gè)ATP分子。這個(gè)比例稱為分子。這個(gè)比例稱為P/O比。比。P/O比又可比又可以看作是一對(duì)電子通過(guò)呼吸電子傳遞鏈傳至以看作是一對(duì)電子通過(guò)呼吸電子傳遞鏈傳至O2所產(chǎn)生所產(chǎn)生的的ATP分子數(shù)。根據(jù)分子數(shù)。根據(jù)P/O比為比為3，人們認(rèn)為在電子傳遞，人們認(rèn)為在電子傳遞鏈中，鏈中，ATP是在是在3個(gè)不連續(xù)的部位生成的，根據(jù)電子傳個(gè)不連續(xù)的部位生成的，根據(jù)電子傳遞鏈中各環(huán)節(jié)釋放的能量，也確實(shí)有遞鏈中各環(huán)節(jié)釋放的能量，也確實(shí)有3個(gè)部位釋放的能個(gè)部位釋放的能量大于合

22、成量大于合成ATP所需的能量。所需的能量。FADH2進(jìn)入電子傳遞鏈進(jìn)入電子傳遞鏈后的后的P/O比為比為2，說(shuō)明它繞過(guò)了，說(shuō)明它繞過(guò)了1個(gè)生成個(gè)生成ATP的部位。的部位?，F(xiàn)現(xiàn)在認(rèn)為氧化在認(rèn)為氧化1個(gè)個(gè)NADH可以產(chǎn)生可以產(chǎn)生2.5個(gè)個(gè)ATP，氧化，氧化1個(gè)個(gè)FADH2可以產(chǎn)生可以產(chǎn)生1.5個(gè)個(gè)ATP。 ATP的合成部位 線粒體內(nèi)膜上有許多球形突起，稱為內(nèi)膜球體線粒體內(nèi)膜上有許多球形突起，稱為內(nèi)膜球體（inner membrane sphere）。這些球體通過(guò)一個(gè)柄）。這些球體通過(guò)一個(gè)柄連接到內(nèi)膜中的基座上，我們把球體和柄合稱為連接到內(nèi)膜中的基座上，我們把球體和柄合稱為F1，基座稱為基座稱為Fo，

23、F1和和Fo合稱復(fù)合體合稱復(fù)合體。在離體條件下，。在離體條件下，這種復(fù)合體有水解這種復(fù)合體有水解ATP的活性，所以開(kāi)始稱它為的活性，所以開(kāi)始稱它為ATP酶，后來(lái)發(fā)現(xiàn)在完整的線粒體中它的功能是合酶，后來(lái)發(fā)現(xiàn)在完整的線粒體中它的功能是合成成ATP，現(xiàn)在稱它為，現(xiàn)在稱它為ATP合酶。合酶。 亞線粒體的電鏡照片ATP合酶簡(jiǎn)圖ATP合酶重組實(shí)驗(yàn)?zāi)芰颗悸?lián)假說(shuō) （1）化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)）化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō) 化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)是化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)是1953年年Edward Slater最先最先提出來(lái)的。他認(rèn)為電子傳遞過(guò)程中產(chǎn)生一種活提出來(lái)的。他認(rèn)為電子傳遞過(guò)程中產(chǎn)生一種活潑的高能共價(jià)中間物，它隨后的裂解驅(qū)動(dòng)合成潑的高能共價(jià)中間物，它

24、隨后的裂解驅(qū)動(dòng)合成ATP，就像底物水平磷酸化那樣。但是在氧化，就像底物水平磷酸化那樣。但是在氧化磷酸化中一直沒(méi)有找到任何一種活潑的高能中磷酸化中一直沒(méi)有找到任何一種活潑的高能中間產(chǎn)物。間產(chǎn)物。 能量偶聯(lián)假說(shuō)（2）構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)）構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō) 這一假說(shuō)是這一假說(shuō)是1964年年P(guān)aul Boyer最先提出來(lái)的。最先提出來(lái)的。他認(rèn)為電子沿電子傳遞鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白他認(rèn)為電子沿電子傳遞鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)發(fā)生了構(gòu)象變化，形成一種高能態(tài)。通過(guò)合成質(zhì)發(fā)生了構(gòu)象變化，形成一種高能態(tài)。通過(guò)合成ATP使蛋白質(zhì)恢復(fù)到原來(lái)的構(gòu)象。這一假說(shuō)至今使蛋白質(zhì)恢復(fù)到原來(lái)的構(gòu)象。這一假說(shuō)至今也未能找到有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。但是

25、在也未能找到有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。但是在ATP的合成的合成過(guò)程中仍可能包含有不同形式的構(gòu)象偶聯(lián)現(xiàn)象。過(guò)程中仍可能包含有不同形式的構(gòu)象偶聯(lián)現(xiàn)象。 能量偶聯(lián)假說(shuō)（3）化學(xué)滲透假說(shuō)）化學(xué)滲透假說(shuō) 這一假說(shuō)是這一假說(shuō)是1961年由英國(guó)生物化學(xué)家年由英國(guó)生物化學(xué)家Peter Mitchell最先提出的。他認(rèn)為電子傳遞釋放出的自最先提出的。他認(rèn)為電子傳遞釋放出的自由能及由能及ATP合成是與一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度合成是與一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。也就是說(shuō)，電子傳遞釋放的自由能驅(qū)動(dòng)相偶聯(lián)的。也就是說(shuō)，電子傳遞釋放的自由能驅(qū)動(dòng)H+從線粒體基質(zhì)跨過(guò)內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙，從而形成從線粒體基質(zhì)跨過(guò)內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙

26、，從而形成跨線粒體內(nèi)膜的跨線粒體內(nèi)膜的H+電化學(xué)梯度。這個(gè)梯度的電化學(xué)電化學(xué)梯度。這個(gè)梯度的電化學(xué)勢(shì)驅(qū)動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)ATP合成。合成。 化學(xué)滲透假說(shuō)的原理圖合合化學(xué)滲透假說(shuō)的實(shí)驗(yàn)證據(jù) 氧化磷酸化作用需要封閉的線粒體內(nèi)膜存在。氧化磷酸化作用需要封閉的線粒體內(nèi)膜存在。 線粒體內(nèi)膜對(duì)線粒體內(nèi)膜對(duì)H+、OH、K+、Cl等離子都是等離子都是不通透的。不通透的。 破壞破壞H+濃度梯度的形成都必將破壞氧化磷酸化濃度梯度的形成都必將破壞氧化磷酸化作用。作用。 線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞能夠?qū)⒕€粒體內(nèi)膜上的電子傳遞能夠?qū)+從基質(zhì)運(yùn)輸從基質(zhì)運(yùn)輸?shù)侥らg隙。到膜間隙。 人造的脂質(zhì)小泡上重組細(xì)菌紫膜質(zhì)和人造的脂質(zhì)小泡上重組細(xì)菌

27、紫膜質(zhì)和F1Fo ATP合酶后，在照光時(shí)有合酶后，在照光時(shí)有ATP的合成。的合成。質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)合成ATP的實(shí)驗(yàn)證明細(xì)菌紫膜質(zhì)細(xì)菌紫膜質(zhì)脂質(zhì)小泡脂質(zhì)小泡線粒體線粒體F1Fo ATP合酶合酶The Nobel Prize in Chemistry 1978for his contribution to the understanding of biological energy transfer through the formulation of the chemiosmotic theoryPeter D. MitchellGlynn Research Laboratories Bodmin,

28、 United Kingdomb. 1920 d. 1992質(zhì)子泵出是需能過(guò)程 質(zhì)子逆電化學(xué)梯度跨過(guò)線粒體內(nèi)膜的自由質(zhì)子逆電化學(xué)梯度跨過(guò)線粒體內(nèi)膜的自由能變化可以用下式表示能變化可以用下式表示G = 2.3RT pH(膜內(nèi)膜內(nèi))pH(膜外膜外)ZF 式中，式中，是膜電勢(shì)，即膜內(nèi)外的電勢(shì)差。是膜電勢(shì)，即膜內(nèi)外的電勢(shì)差。 = (膜外膜外)(膜內(nèi)膜內(nèi))質(zhì)子轉(zhuǎn)移的兩種假設(shè)機(jī)制（1）氧化還原回路機(jī)制）氧化還原回路機(jī)制 該機(jī)制由該機(jī)制由Mitchell提出。他認(rèn)為電子傳遞提出。他認(rèn)為電子傳遞鏈中有一些電子傳遞體既可以傳遞電子，也可鏈中有一些電子傳遞體既可以傳遞電子，也可以結(jié)合以結(jié)合H+，當(dāng)它們被還原時(shí)，在

29、膜內(nèi)側(cè)結(jié)合，當(dāng)它們被還原時(shí)，在膜內(nèi)側(cè)結(jié)合H+，而被氧化時(shí)，在膜外側(cè)釋放，而被氧化時(shí)，在膜外側(cè)釋放H+，這樣就，這樣就把把H+從膜內(nèi)運(yùn)到了膜外。從膜內(nèi)運(yùn)到了膜外。 氧還回路機(jī)制示意圖質(zhì)子轉(zhuǎn)移的兩種假設(shè)機(jī)制（2 2）質(zhì)子泵機(jī)制）質(zhì)子泵機(jī)制 這個(gè)機(jī)制的內(nèi)容是，電子傳遞導(dǎo)致復(fù)合這個(gè)機(jī)制的內(nèi)容是，電子傳遞導(dǎo)致復(fù)合體構(gòu)象的變化，氨基酸殘基在膜內(nèi)側(cè)結(jié)合體構(gòu)象的變化，氨基酸殘基在膜內(nèi)側(cè)結(jié)合H+，構(gòu)象變化后在膜外側(cè)釋放構(gòu)象變化后在膜外側(cè)釋放H+，從而把，從而把H+從膜從膜內(nèi)側(cè)運(yùn)到膜外。內(nèi)側(cè)運(yùn)到膜外。 合成ATP與跨膜質(zhì)子的數(shù)量關(guān)系 在生理?xiàng)l件下合成在生理?xiàng)l件下合成1個(gè)個(gè)ATP所需的自由能所需的自由能大約為大約為

30、4050kJ/mol。至少需要兩個(gè)質(zhì)子跨膜。至少需要兩個(gè)質(zhì)子跨膜回流釋放的能量才夠合成回流釋放的能量才夠合成1個(gè)個(gè)ATP。因?yàn)檗D(zhuǎn)移。因?yàn)檗D(zhuǎn)移出膜外的質(zhì)子有一部分漏回膜內(nèi)，測(cè)定的結(jié)果出膜外的質(zhì)子有一部分漏回膜內(nèi)，測(cè)定的結(jié)果表明，每合成表明，每合成1個(gè)個(gè)ATP需要泵出需要泵出23個(gè)質(zhì)子。個(gè)質(zhì)子。 電子傳遞與質(zhì)子泵出相偶聯(lián)Go = - -69.5kJ/molGo = -36.7kJ/molGo = -112kJ/mol線粒體跨內(nèi)膜的質(zhì)子梯度F1和Fo的亞基組成 F1由由5種肽鏈組成，種肽鏈組成，33。Fo由由3種疏水亞種疏水亞基組成，基組成，a 1b 2 c 9-12。Fo形成跨膜的管道，質(zhì)子通形成

31、跨膜的管道，質(zhì)子通過(guò)此管道流回到膜內(nèi)側(cè)時(shí)驅(qū)動(dòng)過(guò)此管道流回到膜內(nèi)側(cè)時(shí)驅(qū)動(dòng)ATP合成。合成。F1的的、和和亞基分別由亞基分別由510、482、272、146和和50個(gè)氨基酸殘基組成，個(gè)氨基酸殘基組成，F(xiàn)1的總分子量為的總分子量為371kD。、亞基是同源的，每一個(gè)亞基有亞基是同源的，每一個(gè)亞基有1個(gè)個(gè)ATP結(jié)合位點(diǎn)，結(jié)合位點(diǎn)，催化位點(diǎn)在催化位點(diǎn)在亞基上，亞基上，亞基上亞基上ATP結(jié)合位點(diǎn)的功結(jié)合位點(diǎn)的功能還不清楚，因?yàn)槿笔н@個(gè)位點(diǎn)并不影響能還不清楚，因?yàn)槿笔н@個(gè)位點(diǎn)并不影響F1的活的活性。性。 ATP合成與蛋白質(zhì)構(gòu)象變化 John Walker及其同事測(cè)定了及其同事測(cè)定了F1的結(jié)構(gòu)，的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)1AT

32、P合酶是一個(gè)不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，合酶是一個(gè)不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，3個(gè)個(gè)亞基有亞基有3種不種不同的構(gòu)象。同的構(gòu)象。Walker研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)亞基亞基ATP結(jié)合結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合有位點(diǎn)結(jié)合有AMP-PNP（一種不能被水解的（一種不能被水解的ATP類類似物），另一個(gè)結(jié)合有似物），另一個(gè)結(jié)合有ADP，第三個(gè)位點(diǎn)是空的。，第三個(gè)位點(diǎn)是空的。這個(gè)發(fā)現(xiàn)與這個(gè)發(fā)現(xiàn)與Paul Boyer提出的關(guān)于提出的關(guān)于ATP合成的結(jié)合合成的結(jié)合變化機(jī)制（變化機(jī)制（binding change mechanism）相符，結(jié)）相符，結(jié)合變化機(jī)制認(rèn)為，合變化機(jī)制認(rèn)為，3個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)協(xié)調(diào)地依次通過(guò)個(gè)反應(yīng)位點(diǎn)協(xié)調(diào)地依次通過(guò)ATP合成的合成的

33、3種中間狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)。種中間狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)。 ATP的結(jié)構(gòu)類似物AMP-PNPApp(NH)p(,-imidoadenosine 5-triphosphate)Nonhydrolyzable -bond33的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)側(cè)面觀側(cè)面觀 頂面觀頂面觀ATP合酶的結(jié)構(gòu)和工作原理從FO往F1方向觀分子馬達(dá) Fo的的c亞基排列成環(huán)，亞基排列成環(huán)，c亞基的構(gòu)象是一對(duì)反平行亞基的構(gòu)象是一對(duì)反平行的跨膜螺旋，在的跨膜螺旋，在內(nèi)膜外內(nèi)膜外側(cè)由一個(gè)短的發(fā)卡環(huán)連接。側(cè)由一個(gè)短的發(fā)卡環(huán)連接。c亞基環(huán)形成一個(gè)轉(zhuǎn)子（亞基環(huán)形成一個(gè)轉(zhuǎn)子（rotor），相對(duì)于），相對(duì)于a亞基旋轉(zhuǎn)，亞基旋轉(zhuǎn)，a亞基作為定子（亞基作為定子（stat

34、er），），a亞基由亞基由5個(gè)跨膜的個(gè)跨膜的螺旋螺旋組成，在膜的每一側(cè)有質(zhì)子流動(dòng)的通道（組成，在膜的每一側(cè)有質(zhì)子流動(dòng)的通道（proton access channels）。）。亞基將亞基將F1和和Fo連接起來(lái)，在連接起來(lái)，在ATP合成時(shí)合成時(shí)亞基也相對(duì)于亞基也相對(duì)于()3復(fù)合體旋轉(zhuǎn)。復(fù)合體旋轉(zhuǎn)。亞亞基固著在基固著在c亞基轉(zhuǎn)子上，它們可以一起轉(zhuǎn)動(dòng)。亞基轉(zhuǎn)子上，它們可以一起轉(zhuǎn)動(dòng)。b亞基有亞基有1個(gè)跨膜片段和個(gè)跨膜片段和1個(gè)長(zhǎng)的親水頭部，完整的定子由個(gè)長(zhǎng)的親水頭部，完整的定子由b亞亞基固著在基固著在a亞基的一端，并通過(guò)亞基的一端，并通過(guò)亞基與亞基與()3結(jié)合結(jié)合在一起。在一起。 分子馬達(dá)Fluore

35、scencetly labeledThe worlds smallestmolecular motor:rotational catalysis.(K. Kinosita, 1997)Avidin：抗生物素蛋白抗生物素蛋白分子馬達(dá)Rotation of thesubunit and the ring of c subunits in the FoF1 complex as directly observed by in vitro studiesusing fluorescence microscopy: they rotate in 120-degree increments, with e

36、ach step consume one ATP; operation efficiency near 100%.質(zhì)子從膜外側(cè)返回內(nèi)側(cè)的通道 c 轉(zhuǎn)子每一個(gè)亞基上有一個(gè)重要的殘基轉(zhuǎn)子每一個(gè)亞基上有一個(gè)重要的殘基Asp61，將這個(gè)將這個(gè)Asp突變成突變成Asn將失去將失去ATP合酶活性。合酶活性。c轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的旋轉(zhuǎn)可能依賴于相對(duì)于定子的旋轉(zhuǎn)可能依賴于Asp61上負(fù)電荷的中上負(fù)電荷的中和。質(zhì)子從和。質(zhì)子從a亞基的胞質(zhì)溶膠側(cè)的通道進(jìn)入，質(zhì)子化亞基的胞質(zhì)溶膠側(cè)的通道進(jìn)入，質(zhì)子化Asp61，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，直到到達(dá)，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，直到到達(dá)a亞基的基質(zhì)側(cè)質(zhì)亞基的基質(zhì)側(cè)質(zhì)子通道，子通道，Asp61上的

37、質(zhì)子再解離通過(guò)此通道進(jìn)入膜上的質(zhì)子再解離通過(guò)此通道進(jìn)入膜內(nèi)側(cè)。這樣的旋轉(zhuǎn)能夠引起內(nèi)側(cè)。這樣的旋轉(zhuǎn)能夠引起亞基相對(duì)于亞基相對(duì)于()3復(fù)合復(fù)合體旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致體旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致3個(gè)個(gè)亞基依次發(fā)生構(gòu)象變化。亞基依次發(fā)生構(gòu)象變化。 Model of the E. coli ATP synthase:the proton gradient drives therotation of the c ring using two half-channels on the a subunit.ATP合酶的亞基構(gòu)象循環(huán)變化與ATP合成ADP+PiADP+PiEnergyThe Nobel Prize in Chemistr

38、y 1997for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP)Paul D. BoyerUSAUniversity of California Los Angeles, CA, USAUnited KingdomMRC Laboratory of Molecular Biology Cambridge, United KingdomJohn E. WalkerF1Fo ATP合酶的抑制劑 在在ATP合酶的柄部有一種寡霉素敏感性授予合酶的柄部有一種寡霉素敏感性授予蛋白（蛋白（oligomycin-sensitivity-conferring protein，OSCP），這種蛋白使復(fù)合體對(duì)寡霉素敏感，使得），這種蛋白使復(fù)合體對(duì)寡霉素敏感，使得寡霉素抑制寡霉素抑制ATP的合成。的合成。Fo的名稱即來(lái)自于此。的名稱即來(lái)自于此。 二環(huán)己基碳二亞胺（二環(huán)己基碳二亞胺（dicyclohexylcarbodi-imide，DCCD）能夠修飾）能夠修飾Fo蛋白中某亞基的蛋白中某亞基的Glu殘基，導(dǎo)致抑制質(zhì)子通過(guò)殘基，導(dǎo)致抑制質(zhì)子通過(guò)Fo，這種能被，這種能被DCCD修修飾的蛋白又稱為飾的蛋白