生物氧化——電子傳遞和氧化磷酸化作用ppt課件

1、第24章 生物氧化電子傳送和氧化磷酸化作用(Biological oxidation electron transport and oxidative phosphorylation)一、氧化復(fù)原電勢(shì)一、氧化復(fù)原電勢(shì)二、電子傳送和氧化呼吸鏈二、電子傳送和氧化呼吸鏈三、氧化磷酸化作用三、氧化磷酸化作用一、氧化復(fù)原電勢(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) 96.5 kj/Vmol反響物和產(chǎn)物濃度與電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系式 對(duì)于一個(gè)氧化復(fù)原反響對(duì)于一個(gè)氧化復(fù)原反響 aAr + bBo cAo aAr +

2、bBo cAo + dBr + dBr acdbABArAonFRTBrBonFRTEElnln00cdabAoBrArBonFRTEln0abcdArBoAoBrnFRTEln0KeqnFRTEln0氧化復(fù)原反響的判據(jù) 對(duì)于氧化復(fù)原反響來說，對(duì)于氧化復(fù)原反響來說， 反響可以自反響可以自發(fā)進(jìn)展，發(fā)進(jìn)展， 是反響進(jìn)展的限制。是反響進(jìn)展的限制。 假設(shè)知兩個(gè)氧還電對(duì)的規(guī)范電極電勢(shì)，可以假設(shè)知兩個(gè)氧還電對(duì)的規(guī)范電極電勢(shì)，可以根據(jù)根據(jù)G0G0= =nFE0nFE0計(jì)算出該反響的規(guī)范自在能計(jì)算出該反響的規(guī)范自在能變化值。變化值。00二、電子傳送和氧化磷酸化 檸檬酸循環(huán)及其它降解代謝途徑產(chǎn)生復(fù)原型輔檸檬酸循

3、環(huán)及其它降解代謝途徑產(chǎn)生復(fù)原型輔酶，包括酶，包括NADHNADH和和FADH2FADH2，將其攜帶的電子經(jīng)過電子，將其攜帶的電子經(jīng)過電子傳送，最終交給分子傳送，最終交給分子O2O2，構(gòu)成，構(gòu)成H2OH2O。在電子傳送過。在電子傳送過程中釋放出大量的自在能，這些自在能被用來推進(jìn)程中釋放出大量的自在能，這些自在能被用來推進(jìn)ATPATP的合成。在呼吸電子傳送鏈中，總反響式為的合成。在呼吸電子傳送鏈中，總反響式為NADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ +H2ONADH + H+ + 1/2 O2 NAD+ +H2O G0G0= = 220.07 kj/mol220.07 kj/mol FADH

4、2 + 1/2 O2 FAD +H2O FADH2 + 1/2 O2 FAD +H2O G0G0= = 181.58 kj/mol 181.58 kj/mol 線粒體構(gòu)造圖 檸檬酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中進(jìn)展，電子傳送檸檬酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中進(jìn)展，電子傳送和氧化磷酸化在線粒體內(nèi)膜上進(jìn)展。和氧化磷酸化在線粒體內(nèi)膜上進(jìn)展。復(fù)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 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1010個(gè)個(gè)NADHNADH和和2 2個(gè)個(gè)FADH2FADH2，它們氧化，它們氧化后可以釋放出的自在能為后可以釋放出的自在能為 kj/molkj/mol 1 1

5、分子葡萄糖完全氧化釋放的自在能為分子葡萄糖完全氧化釋放的自在能為 2870.23 kj/mol2870.23 kj/mol 復(fù)原型輔酶中儲(chǔ)存的能量比例為復(fù)原型輔酶中儲(chǔ)存的能量比例為 2563.86/2870.232563.86/2870.23100% = 89.3%100% = 89.3%86.256358.181207.22010電子傳送的方向 在電子傳送鏈中，有一系列電子傳送體，這在電子傳送鏈中，有一系列電子傳送體，這些電子傳送體的陳列順序是根據(jù)它們的電極電位些電子傳送體的陳列順序是根據(jù)它們的電極電位決議的。電子由電極電位低的氧還電對(duì)中的復(fù)原決議的。電子由電極電位低的氧還電對(duì)中的復(fù)原態(tài)電子

6、傳送體傳向電極電位高的氧還電對(duì)中的氧態(tài)電子傳送體傳向電極電位高的氧還電對(duì)中的氧化態(tài)電子傳送體?；瘧B(tài)電子傳送體。 電子傳送構(gòu)成跨膜的質(zhì)子梯度 在電子傳送過程中，還伴隨有在電子傳送過程中，還伴隨有H+H+從線粒體從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)，向內(nèi)膜的外側(cè)運(yùn)輸，結(jié)果呵斥內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)，向內(nèi)膜的外側(cè)運(yùn)輸，結(jié)果呵斥跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度，這樣在膜內(nèi)外既呵跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度，這樣在膜內(nèi)外既呵斥質(zhì)子的濃度梯度，又呵斥電勢(shì)梯度，這種電斥質(zhì)子的濃度梯度，又呵斥電勢(shì)梯度，這種電化學(xué)勢(shì)梯度儲(chǔ)存有能量，當(dāng)質(zhì)子由膜的外側(cè)向化學(xué)勢(shì)梯度儲(chǔ)存有能量，當(dāng)質(zhì)子由膜的外側(cè)向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，推進(jìn)內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，推進(jìn)ATPATP合成。合成。 電子傳

7、送鏈 呼吸電子傳送鏈主要由蛋白質(zhì)復(fù)合體組成，呼吸電子傳送鏈主要由蛋白質(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 4種參與電子傳送的蛋白質(zhì)復(fù)種參與電子傳送的蛋白質(zhì)復(fù)合體，分別為合體，分別為 NADHNADHQ Q復(fù)原酶復(fù)原酶NADH-Q reductaseNADH-Q reductase 琥珀酸琥珀酸Q Q復(fù)原酶復(fù)原酶succinate-Q reductasesuccinate-Q reductase 細(xì)胞色素復(fù)原酶細(xì)胞色素復(fù)原酶cytochrome reductasecytochrome reductase 細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶cytochrome oxidasecytochro

8、me oxidase 電子傳送鏈規(guī)范氧還電勢(shì)、自在能變化和ATP構(gòu)成部位表示圖上半圖下半圖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(lipid core)U

9、Q-Cyt creductase24811Heme bLHeme bHHeme c1Fe-SCyt c (intermembrane space side)Cytochrome c oxidase16210Heme aHeme a3CuACuBCyt c (intermembrane space side)電子傳送鏈各個(gè)成員1.NADH1.NADHQ Q復(fù)原酶復(fù)原酶 NADH NADHQ Q復(fù)原酶又稱為復(fù)原酶又稱為NADHNADH脫氫酶，簡稱為脫氫酶，簡稱為復(fù)合體復(fù)合體。該酶含有。該酶含有FMNFMN輔基和輔基和Fe-SFe-S聚簇，催化聚簇，催化反響時(shí)，先將反響時(shí)，先將NADHNADH的電子

10、傳送到的電子傳送到FMNFMN上，再傳給上，再傳給Fe-SFe-S聚簇，最后傳給輔酶聚簇，最后傳給輔酶Q Q。Fe-SFe-S聚簇有幾種類聚簇有幾種類型，含有型，含有Fe-SFe-S聚簇的蛋白質(zhì)稱為鐵硫蛋白，又聚簇的蛋白質(zhì)稱為鐵硫蛋白，又稱為非血紅素鐵蛋白。稱為非血紅素鐵蛋白。 Fe-S Fe-S聚簇經(jīng)過其中的聚簇經(jīng)過其中的Fe2+Fe2+和和Fe3+Fe3+的變化來傳送電子。的變化來傳送電子。三種類型的Fe-S cluster Fe Fe2-S2 Fe4-S4半胱氨酸的巰基硫半胱氨酸的巰基硫NADH-Q復(fù)原酶催復(fù)原酶催化的電子傳送化的電子傳送每傳送每傳送2 2個(gè)電子，可個(gè)電子，可驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)4

11、4個(gè)個(gè)H+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)。電子傳送鏈各個(gè)成員2.2.輔酶輔酶Q Q 輔 酶輔 酶 Q Q C o e n z y m e Q C o e n z y m e Q 又 稱 泛 醌 又 稱 泛 醌ubiquinoneubiquinone，有時(shí)簡稱為，有時(shí)簡稱為Q Q或或UQUQ，是一種脂溶性，是一種脂溶性物質(zhì)，它可以接受物質(zhì)，它可以接受1 1個(gè)電子復(fù)原成半醌中間體，再接個(gè)電子復(fù)原成半醌中間體，再接受受1 1個(gè)電子復(fù)原成對(duì)苯二酚方式。由于其脂溶性強(qiáng)，個(gè)電子復(fù)原成對(duì)苯二酚方式。由于其脂溶性強(qiáng)，可以在線粒體內(nèi)膜中分散。它有一個(gè)長長的碳?xì)鋫?cè)可以在線粒體內(nèi)膜中分散。它有一個(gè)長長的

12、碳?xì)鋫?cè)鏈，哺乳動(dòng)物中最常見的是具有鏈，哺乳動(dòng)物中最常見的是具有1010個(gè)異戊二烯單位個(gè)異戊二烯單位的側(cè)鏈，簡寫為的側(cè)鏈，簡寫為Q10Q10，在非哺乳動(dòng)物中這個(gè)側(cè)鏈能夠，在非哺乳動(dòng)物中這個(gè)側(cè)鏈能夠只需只需6868個(gè)異戊二烯單位。個(gè)異戊二烯單位。輔酶Q的構(gòu)造和氧化復(fù)原態(tài)輔酶Q的space-filling模型 電子傳送鏈各個(gè)成員3.3.琥珀酸琥珀酸Q Q復(fù)原酶復(fù)原酶 琥珀酸琥珀酸Q Q復(fù)原酶又稱為復(fù)合體復(fù)原酶又稱為復(fù)合體，完好，完好的此酶包括檸檬酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶，琥的此酶包括檸檬酸循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶，琥珀酸氧化為延胡索酸時(shí)脫下的氫復(fù)原了珀酸氧化為延胡索酸時(shí)脫下的氫復(fù)原了FADFAD，F(xiàn)ADH

13、2FADH2將電子傳送給琥珀酸將電子傳送給琥珀酸Q Q復(fù)原酶的復(fù)原酶的Fe-SFe-S聚聚簇，再傳送給輔酶簇，再傳送給輔酶Q Q。 琥珀酸Q復(fù)原酶催化的電子傳送電子傳送鏈各個(gè)成員4.4.細(xì)胞色素復(fù)原酶細(xì)胞色素復(fù)原酶 細(xì)胞色素復(fù)原酶又稱復(fù)合體細(xì)胞色素復(fù)原酶又稱復(fù)合體、輔酶、輔酶Q Q細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c復(fù)原酶。它的作用是將復(fù)原型輔酶復(fù)原酶。它的作用是將復(fù)原型輔酶Q Q的電子傳送給細(xì)胞色素的電子傳送給細(xì)胞色素c c。細(xì)胞色素復(fù)原酶中。細(xì)胞色素復(fù)原酶中含有細(xì)胞色素含有細(xì)胞色素b b，也含有，也含有2Fe-2S2Fe-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

14、子傳送蛋細(xì)胞色素是一類含有血紅素輔基的電子傳送蛋白質(zhì)的總稱。復(fù)原型細(xì)胞色素具有明顯的可見光吸白質(zhì)的總稱。復(fù)原型細(xì)胞色素具有明顯的可見光吸收，可以看到收，可以看到、和和三個(gè)吸收峰，其中三個(gè)吸收峰，其中峰的峰的波長隨細(xì)胞色素種類的不同而各有特異的變化，可波長隨細(xì)胞色素種類的不同而各有特異的變化，可用來區(qū)分不同的細(xì)胞色素。氧化型細(xì)胞色素在可見用來區(qū)分不同的細(xì)胞色素。氧化型細(xì)胞色素在可見光區(qū)看不到吸收峰。細(xì)胞色素中的血紅素有三種，光區(qū)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)胞色素分別稱為細(xì)胞色素a a、b b和和c c，同一種細(xì)胞色素血紅素，同一種細(xì)胞色素血紅素因結(jié)合的蛋白質(zhì)不同，其因結(jié)合的

15、蛋白質(zhì)不同，其吸收峰的波長會(huì)發(fā)生小吸收峰的波長會(huì)發(fā)生小的變化，如細(xì)胞色素復(fù)原酶中含有的細(xì)胞色素的變化，如細(xì)胞色素復(fù)原酶中含有的細(xì)胞色素b b就分就分為為bHbHb562b562和和bLbLb566b566兩種。兩種。B型和型和C型血紅素的構(gòu)造型血紅素的構(gòu)造 b型血紅素型血紅素 c型血紅素型血紅素復(fù)原型細(xì)胞色素c的光吸收峰幾種細(xì)胞色素的最大吸收峰波長波長/nm細(xì)胞色素細(xì)胞色素a600439bL566bH562532429c550521415c1554524418細(xì)胞色素復(fù)原酶催化的電子傳送前半個(gè)前半個(gè)Q 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)胞色素復(fù)原酶催化的電子傳送后半個(gè)后半個(gè)Q

16、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。電子傳送鏈各個(gè)成員 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c是一個(gè)分子量是一個(gè)分子量1300013000的單鏈球形的單鏈球形蛋白質(zhì)，直徑蛋白質(zhì)，直徑3.4nm3.4nm，由，由104104個(gè)氨基酸殘基組成，個(gè)氨基酸殘基組成，含有一個(gè)血紅素輔基。它是獨(dú)一能溶于水的細(xì)含有一個(gè)血紅素輔基。它是獨(dú)一能溶于水的細(xì)胞色素，并且是了解最為透徹的蛋白質(zhì)之一。胞色素，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 的三維構(gòu)造 電子傳送鏈各個(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 c氧化酶。它的作用是將復(fù)原型細(xì)胞氧

17、化酶。它的作用是將復(fù)原型細(xì)胞色素色素c c的電子傳送給分子的電子傳送給分子O2O2，生成，生成H2OH2O。 6.6.細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶的傳送電子作用 每傳送每傳送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)系表示圖電子傳送給氧生成水電子傳送的抑制效應(yīng)電子傳送鏈中的抑制劑 三、氧化磷酸化作用 伴隨著電子傳送，伴隨著電子傳送，ADPADP與與PiPi合成合成ATPATP的的過程稱為氧化磷酸化作用過程稱為氧化磷酸化作用oxidative oxidative phosphorylationphosphorylation。相應(yīng)地，我們將在代。

18、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)謝途徑中由含磷酸的底物直接把磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)到ADPADP上構(gòu)成上構(gòu)成ATPATP，稱為底物程度磷酸化。，稱為底物程度磷酸化。 P/O比比 用組織勻漿以及組織切片做的實(shí)驗(yàn)闡明，組織用組織勻漿以及組織切片做的實(shí)驗(yàn)闡明，組織利用利用O2O2的同時(shí)，的同時(shí)，ATPATP含量隨之添加，每耗費(fèi)含量隨之添加，每耗費(fèi)1 1個(gè)個(gè)O O原原子約合成子約合成3 3個(gè)個(gè)ATPATP分子。這個(gè)比例稱為分子。這個(gè)比例稱為P/OP/O比。比。P/OP/O比比又可以看作是一對(duì)電子經(jīng)過呼吸電子傳送鏈傳至又可以看作是一對(duì)電子經(jīng)過呼吸電子傳送鏈傳至O2O2所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的ATP

19、ATP分子數(shù)。根據(jù)分子數(shù)。根據(jù)P/OP/O比為比為3 3，人們以為在，人們以為在電子傳送鏈中，電子傳送鏈中，ATPATP是在是在3 3個(gè)不延續(xù)的部位生成的，個(gè)不延續(xù)的部位生成的，根據(jù)電子傳送鏈中各環(huán)節(jié)釋放的能量，也確實(shí)有根據(jù)電子傳送鏈中各環(huán)節(jié)釋放的能量，也確實(shí)有3 3個(gè)部位釋放的能量大于合成個(gè)部位釋放的能量大于合成ATPATP所需的能量。所需的能量。FADH2FADH2進(jìn)入電子傳送鏈后的進(jìn)入電子傳送鏈后的P/OP/O比為比為2 2，闡明它繞過了，闡明它繞過了1 1個(gè)個(gè)生成生成ATPATP的部位。的部位。 ATP的合成部位的合成部位 線粒體內(nèi)膜上有許多球形突起，稱為內(nèi)膜球線粒體內(nèi)膜上有許多球形突

20、起，稱為內(nèi)膜球體體inner membrane sphereinner membrane sphere。這些球體經(jīng)過。這些球體經(jīng)過一個(gè)柄銜接到內(nèi)膜中的基座上，我們把球體和柄一個(gè)柄銜接到內(nèi)膜中的基座上，我們把球體和柄合稱為合稱為F1F1，基座稱為，基座稱為FoFo，F(xiàn)1F1和和FoFo合稱復(fù)合體合稱復(fù)合體。在離體條件下，這種復(fù)合體有水解在離體條件下，這種復(fù)合體有水解ATPATP的活性，的活性，所以開場(chǎng)稱它為所以開場(chǎng)稱它為ATPATP酶，后來發(fā)如今完好的線粒酶，后來發(fā)如今完好的線粒體中它的功能是合成體中它的功能是合成ATPATP，如今稱它為，如今稱它為ATPATP合酶。合酶。 亞線粒體的電鏡照片A

21、TP合酶簡圖合酶簡圖ATP合酶重組實(shí)驗(yàn)合酶重組實(shí)驗(yàn)?zāi)芰颗悸?lián)假說 1化學(xué)偶聯(lián)假說化學(xué)偶聯(lián)假說 化學(xué)偶聯(lián)假說是化學(xué)偶聯(lián)假說是19531953年年Edward SlaterEdward Slater最先最先提出來的。他以為電子傳送過程中產(chǎn)生一種活提出來的。他以為電子傳送過程中產(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，它隨后的裂解驅(qū)動(dòng)合成ATPATP，就像底物程度磷酸化那樣。但是在氧化磷，就像底物程度磷酸化那樣。但是在氧化磷酸化中不斷沒有找到任何一種活潑的高能中間酸化中不斷沒有找到任何一種活潑的高能中間產(chǎn)物。產(chǎn)物。 能量偶聯(lián)假說2構(gòu)象偶聯(lián)假說構(gòu)象偶聯(lián)假說 這一假說是這一假說

22、是19641964年年P(guān)aul BoyerPaul Boyer最先提出來最先提出來的。他以為電子沿電子傳送鏈傳送使線粒體內(nèi)的。他以為電子沿電子傳送鏈傳送使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)發(fā)生了構(gòu)象變化，構(gòu)成一種高能態(tài)。膜蛋白質(zhì)發(fā)生了構(gòu)象變化，構(gòu)成一種高能態(tài)。經(jīng)過合成經(jīng)過合成ATPATP使蛋白質(zhì)恢復(fù)到原來的構(gòu)象。這一使蛋白質(zhì)恢復(fù)到原來的構(gòu)象。這一假說至今也未能找到有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。但是在假說至今也未能找到有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。但是在ATPATP的合成過程中仍能夠包含有不同方式的構(gòu)象的合成過程中仍能夠包含有不同方式的構(gòu)象偶聯(lián)景象。偶聯(lián)景象。 能量偶聯(lián)假說3化學(xué)浸透假說化學(xué)浸透假說 這一假說是這一假說是19611961年由

23、英國生物化學(xué)家年由英國生物化學(xué)家Peter Peter MithellMithell最先提出的。他以為電子傳送釋放出的最先提出的。他以為電子傳送釋放出的自在能及自在能及ATPATP合成是與一種跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子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，電子傳送釋放的自梯度相偶聯(lián)的。也就是說，電子傳送釋放的自在能驅(qū)動(dòng)在能驅(qū)動(dòng)H+H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入到膜間從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙，從而構(gòu)成跨線粒體內(nèi)膜的隙，從而構(gòu)成跨線粒體內(nèi)膜的H+H+電化學(xué)梯度。電化學(xué)梯度。這個(gè)梯度的電化學(xué)勢(shì)驅(qū)動(dòng)這個(gè)梯度的電化學(xué)勢(shì)驅(qū)動(dòng)ATPATP合成。合成。 化學(xué)浸透假說的原理圖化學(xué)浸透假說的實(shí)驗(yàn)證據(jù)

24、 氧化磷酸化作用需求封鎖的線粒體內(nèi)膜存在。氧化磷酸化作用需求封鎖的線粒體內(nèi)膜存在。 線粒體內(nèi)膜對(duì)線粒體內(nèi)膜對(duì)H+、OH、K+、Cl等離子等離子都是不通透的。都是不通透的。 破壞破壞H+濃度梯度的構(gòu)成都必將破壞氧化磷酸濃度梯度的構(gòu)成都必將破壞氧化磷酸化作用的進(jìn)展?；饔玫倪M(jìn)展。 線粒體內(nèi)膜上的電子傳送可以將線粒體內(nèi)膜上的電子傳送可以將H+從基質(zhì)運(yùn)從基質(zhì)運(yùn)輸?shù)侥らg隙。輸?shù)侥らg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F

25、1FoF1Fo ATP ATP合酶合酶Peter Mitchell Peter Peter MitchellMitchell因提出了因提出了化學(xué)浸透假說而獲化學(xué)浸透假說而獲得了得了19781978年的諾貝年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。爾化學(xué)獎(jiǎng)。質(zhì)子泵出是需能過程 一個(gè)質(zhì)子逆電化學(xué)梯度跨過線粒體內(nèi)膜的一個(gè)質(zhì)子逆電化學(xué)梯度跨過線粒體內(nèi)膜的自在能變化可以用下式表示自在能變化可以用下式表示G = 2.3RT pH(G = 2.3RT pH(膜內(nèi)膜內(nèi)) )pH(pH(膜外膜外)ZFZF 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

26、設(shè)機(jī)制1 1氧化復(fù)原回路機(jī)制氧化復(fù)原回路機(jī)制 該機(jī)制由該機(jī)制由MitchellMitchell提出。他以為電子傳送提出。他以為電子傳送鏈中有一些電子傳送體既可以傳送電子，也可鏈中有一些電子傳送體既可以傳送電子，也可以結(jié)合以結(jié)合H+H+，當(dāng)它們被復(fù)原時(shí)，在膜內(nèi)側(cè)結(jié)合，當(dāng)它們被復(fù)原時(shí)，在膜內(nèi)側(cè)結(jié)合H+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+H+，這樣就把，這樣就把H+H+從從膜內(nèi)運(yùn)到了膜外。膜內(nèi)運(yùn)到了膜外。 氧還回路機(jī)制表示圖質(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，電子傳送導(dǎo)致復(fù)合這個(gè)機(jī)制的內(nèi)容是，電子傳送導(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

27、構(gòu)象的變化，氨基酸殘基在膜內(nèi)側(cè)結(jié)合H+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+H+，從而把，從而把H+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 1個(gè)個(gè)ATPATP所需的自在能大所需的自在能大約為約為404050kj/mol50kj/mol。至少需求兩個(gè)質(zhì)子跨膜回。至少需求兩個(gè)質(zhì)子跨膜回流釋放的能量才夠合成流釋放的能量才夠合成1 1個(gè)個(gè)ATPATP。由于轉(zhuǎn)移出膜。由于轉(zhuǎn)移出膜外的質(zhì)子有一部分漏回膜內(nèi)，測(cè)定的結(jié)果闡明，外的質(zhì)子有一部分漏回膜內(nèi)，測(cè)定的結(jié)果闡明，每合成每合成1 1個(gè)個(gè)ATPATP需求泵出需求泵出2 23

28、 3個(gè)質(zhì)子。個(gè)質(zhì)子。 電子傳送與質(zhì)子泵出相偶聯(lián)線粒體跨內(nèi)膜的質(zhì)子梯度F1和和Fo的亞基組成的亞基組成 F1 F1由由5 5種肽鏈組成，種肽鏈組成，3333。FoFo由由3 3種種疏水亞基組成，疏水亞基組成，a1b2c9-12a1b2c9-12。FoFo構(gòu)成跨膜的管道，構(gòu)成跨膜的管道，質(zhì)子經(jīng)過此管道流回到膜內(nèi)側(cè)時(shí)驅(qū)動(dòng)質(zhì)子經(jīng)過此管道流回到膜內(nèi)側(cè)時(shí)驅(qū)動(dòng)ATPATP合成。合成。F1F1的的、和和亞基分別由亞基分別由510510、482482、272272、146146和和5050個(gè)氨基酸殘基組成，個(gè)氨基酸殘基組成，F(xiàn)1F1的總分子量的總分子量為為371kD371kD。、亞基是同源的，每一個(gè)亞基結(jié)亞基是

29、同源的，每一個(gè)亞基結(jié)合有合有1 1個(gè)個(gè)ATPATP，催化位點(diǎn)在，催化位點(diǎn)在亞基上，亞基上，亞基上亞基上ATPATP結(jié)合位點(diǎn)的功能還不清楚，由于缺失這個(gè)位結(jié)合位點(diǎn)的功能還不清楚，由于缺失這個(gè)位點(diǎn)并不影響點(diǎn)并不影響F1F1的活性。的活性。 ATP合成與蛋白質(zhì)構(gòu)象變化合成與蛋白質(zhì)構(gòu)象變化 John Walker John Walker及其同事測(cè)定了及其同事測(cè)定了F1F1的構(gòu)造，的構(gòu)造，F(xiàn)1F1ATPATP合酶是一個(gè)不對(duì)稱的構(gòu)造，合酶是一個(gè)不對(duì)稱的構(gòu)造，3 3個(gè)個(gè)亞基有亞基有3 3種不種不同的構(gòu)象。同的構(gòu)象。WalkerWalker研討發(fā)現(xiàn)，一個(gè)研討發(fā)現(xiàn)，一個(gè)亞基亞基ATPATP結(jié)合結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合有位點(diǎn)

30、結(jié)合有AMP-PNPAMP-PNP一種不能被水解的一種不能被水解的ATPATP類似類似物，另一個(gè)結(jié)合有物，另一個(gè)結(jié)合有ADPADP，第三個(gè)位點(diǎn)是空的。這，第三個(gè)位點(diǎn)是空的。這個(gè)發(fā)現(xiàn)與個(gè)發(fā)現(xiàn)與Paul BoyerPaul Boyer提出的關(guān)于提出的關(guān)于ATPATP合成的結(jié)合變合成的結(jié)合變化機(jī)制化機(jī)制binding change mechanismbinding change mechanism相符，結(jié)相符，結(jié)合變化機(jī)制以為，合變化機(jī)制以為，3 3個(gè)反響位點(diǎn)協(xié)調(diào)地依次經(jīng)過個(gè)反響位點(diǎn)協(xié)調(diào)地依次經(jīng)過ATPATP合成的合成的3 3種中間形狀進(jìn)展循環(huán)。種中間形狀進(jìn)展循環(huán)。 33的不對(duì)稱構(gòu)造側(cè)面觀側(cè)面觀 頂

31、面觀頂面觀分子馬達(dá) Fo Fo的的c c亞基陳列成環(huán)，亞基陳列成環(huán)，c c亞基的構(gòu)象是一對(duì)反亞基的構(gòu)象是一對(duì)反平行的跨膜螺旋，在胞質(zhì)溶膠側(cè)由一個(gè)短的發(fā)卡平行的跨膜螺旋，在胞質(zhì)溶膠側(cè)由一個(gè)短的發(fā)卡環(huán)銜接。環(huán)銜接。c c亞基環(huán)構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)子亞基環(huán)構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)子rotorrotor，相對(duì)，相對(duì)于于a a亞基旋轉(zhuǎn)，亞基旋轉(zhuǎn)，a a亞基作為定子亞基作為定子staterstater，a a亞基亞基由由5 5個(gè)跨膜的個(gè)跨膜的螺旋組成，在膜的每一側(cè)有質(zhì)子流螺旋組成，在膜的每一側(cè)有質(zhì)子流動(dòng)的通道動(dòng)的通道proton access channelsproton access channels。亞基亞基將將F1F1和和

32、FoFo銜接起來，在銜接起來，在ATPATP合成時(shí)合成時(shí)亞基也相對(duì)于亞基也相對(duì)于()3()3復(fù)合體旋轉(zhuǎn)。假設(shè)復(fù)合體旋轉(zhuǎn)。假設(shè)亞基固著在亞基固著在c c亞基轉(zhuǎn)亞基轉(zhuǎn)子上，它們就可以一同轉(zhuǎn)動(dòng)。子上，它們就可以一同轉(zhuǎn)動(dòng)。b b亞基有亞基有1 1個(gè)跨膜片個(gè)跨膜片段和段和1 1個(gè)長的親水頭部，完好的定子由個(gè)長的親水頭部，完好的定子由b b亞基固著亞基固著在在a a亞基的一端，并經(jīng)過亞基的一端，并經(jīng)過亞基與亞基與()3()3結(jié)合在結(jié)合在一同。一同。 ATP合酶的構(gòu)造和任務(wù)原理合酶的構(gòu)造和任務(wù)原理Rotation of the g subunit and the ring of c subunitsin t

33、he FoF1 complexwas observed byin vitro studies using fluorescenceMicroscopy (K. Kinosita, 1997)FluorescencetlylabeledThe worlds smallestmolecular motor:rotational catalysis.Rotation of the g subunit and the ring of c subunits in in the FoF1 complex as directly observed by in vitro studies using fluo

34、rescence microscopy: they rotate in 120-degree increments,with each step consume one ATP; operation efficiency near 100%.質(zhì)子從膜外側(cè)前往內(nèi)側(cè)的通道 c 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Asp61Asp61，將這個(gè)將這個(gè)AspAsp突變成突變成AsnAsn將失去將失去ATPATP合酶活性。合酶活性。c c轉(zhuǎn)子相轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的旋轉(zhuǎn)能夠依賴于對(duì)于定子的旋轉(zhuǎn)能夠依賴于Asp61Asp61上負(fù)電荷的中和。上負(fù)電荷的中和。質(zhì)子從質(zhì)子從a a亞基的胞質(zhì)

35、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Asp61Asp61，推進(jìn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，直到到達(dá)，推進(jìn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，直到到達(dá)a 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，Asp61Asp61上的質(zhì)子再解離經(jīng)過此通道進(jìn)入膜上的質(zhì)子再解離經(jīng)過此通道進(jìn)入膜內(nèi)側(cè)。這樣的旋轉(zhuǎn)可以引起內(nèi)側(cè)。這樣的旋轉(zhuǎn)可以引起亞基相對(duì)于亞基相對(duì)于()3()3復(fù)復(fù)合體旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致合體旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致3 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 u

36、sing two half-channels on the a subunit.(3ATP made per 10-14 protons transported:3H+/ATP.)ATP合酶的合酶的亞基構(gòu)象循環(huán)亞基構(gòu)象循環(huán)變化與變化與ATP合成合成ADP+PiADP+PiEnergy Paul Boyer Paul Boyer和和John WalkerJohn Walker因上述發(fā)現(xiàn)因上述發(fā)現(xiàn)共享了共享了19971997年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 F1Fo ATP合酶的抑制劑合酶的抑制劑 在在ATPATP合酶的柄部有一種寡霉素敏感性授予蛋合酶的柄部有一種寡霉素敏感性授予蛋白白o(hù)lig

37、omycin-sensitivity-conferring oligomycin-sensitivity-conferring proteinprotein，OSCPOSCP，這種蛋白使復(fù)合體對(duì)寡霉素敏，這種蛋白使復(fù)合體對(duì)寡霉素敏感，使得寡霉素抑制感，使得寡霉素抑制ATPATP的合成。的合成。FoFo的稱號(hào)即來自的稱號(hào)即來自于此。于此。 二環(huán)己基碳二亞胺二環(huán)己基碳二亞胺dicyclohexylcarbodi-dicyclohexylcarbodi-imideimide，DCCDDCCD可以修飾可以修飾FoFo蛋白中某亞基的蛋白中某亞基的GluGlu殘殘基，導(dǎo)致抑制質(zhì)子經(jīng)過基，導(dǎo)致抑制質(zhì)子經(jīng)過FoFo，這種能被，這種能被DCCDDCCD修