氧化磷酸化的學(xué)習(xí)資料

氧化磷酸化的學(xué)習(xí)資料第1頁(yè)/共135頁(yè)生物氧化的三個(gè)階段第2頁(yè)/共135頁(yè)

NADH和FADH2的電子通過(guò)一系列電子傳遞載體傳遞給O2，由此產(chǎn)生一個(gè)跨膜的質(zhì)子梯度使ADP磷酸化形成ATP。

Oxidativephosphorylationisconceptuallysimpleandmechanisticallycomplex!第3頁(yè)/共135頁(yè)5.1氧化還原電勢(shì)5.2線(xiàn)粒體與氧化磷酸化5.3電子傳遞過(guò)程和呼吸鏈5.4氧化磷酸化5.5質(zhì)子梯度的其它用途5.6通過(guò)線(xiàn)粒體內(nèi)膜的物質(zhì)運(yùn)輸5.7其他線(xiàn)粒體相關(guān)問(wèn)題第4頁(yè)/共135頁(yè)5.1氧化還原電勢(shì)（Oxidation-reductionpotential）氧化還原反應(yīng)氧化還原電子對(duì)電極電勢(shì)、標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)、標(biāo)準(zhǔn)還原勢(shì)的定義和意義電勢(shì)與自由能的關(guān)系及其意義

第5頁(yè)/共135頁(yè)氧化還原反應(yīng)第6頁(yè)/共135頁(yè)A2e+BA+B2eA2e-2e-AB+2e-B2e通常氧化還原反應(yīng)是同時(shí)發(fā)生的，但為了方便描述電子的轉(zhuǎn)移，往往把氧化還原反應(yīng)分為兩個(gè)半反應(yīng)（half-reaction）。第7頁(yè)/共135頁(yè)e-e-Reduced

還原型(電子供體)Oxidized

氧化型(電子受體)某一化合物的氧化型和還原型，稱(chēng)為一對(duì)氧化還原對(duì)（redoxpair）

。如Zn/Zn2+，Cu2+/Cu。第8頁(yè)/共135頁(yè)電極電勢(shì)代表著氧化還原對(duì)得失電子的能力。低電極電勢(shì)的氧化還原對(duì)傾向于失去電子，

高電極電勢(shì)的氧化還原對(duì)傾向于得到電子。低電極電勢(shì)高電極電勢(shì)第9頁(yè)/共135頁(yè)如何測(cè)定電極電勢(shì)？

ε＝E正極－E負(fù)極電極電勢(shì)的測(cè)定以標(biāo)準(zhǔn)氫電極（H+/H2）為參照，根據(jù)以上公式計(jì)算。

標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)（ε0

）

ε0

＝E0正極－E0負(fù)極（電解質(zhì)溶液為1質(zhì)量摩爾濃度，測(cè)定條件為25oC，

pH=0）第10頁(yè)/共135頁(yè)

一對(duì)氧化還原對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)（E0）通過(guò)把氧化還原對(duì)和標(biāo)準(zhǔn)氫電極（H+/H2）組成原電池來(lái)測(cè)定。第11頁(yè)/共135頁(yè)

在生物化學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)的測(cè)定條件是pH7.0，又稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)還原勢(shì)（E’0），代表著一對(duì)氧化還原對(duì)對(duì)電子的相對(duì)親和力（affinity），即E’0

低，傾向于失去電子，E’0

值高，傾向于得到電子。第12頁(yè)/共135頁(yè)

如何從標(biāo)準(zhǔn)還原勢(shì)（E’0

）判斷氧化還原反應(yīng)方向？電子是從低E’0的氧化還原對(duì)流向高E’0的氧化還原對(duì)。即低E’0的氧化還原對(duì)的還原型失去電子，高E’0的氧化還原對(duì)的氧化型得到電子。第13頁(yè)/共135頁(yè)電勢(shì)與自由能的關(guān)系在生物化學(xué)反應(yīng)中，自由能變化意味著一個(gè)體系轉(zhuǎn)移電子的能力。自由能變化越大，體系轉(zhuǎn)移電子的能力越強(qiáng)。第14頁(yè)/共135頁(yè)5.2線(xiàn)粒體與氧化磷酸化線(xiàn)粒體的結(jié)構(gòu)外膜（outmembrane）內(nèi)膜（innermembrane）：向內(nèi)折疊為嵴（cristae）膜間腔（intermembranespace）基質(zhì)（matrix）線(xiàn)粒體是真核細(xì)胞氧化磷酸化的部位，在細(xì)胞內(nèi)的分布通常與能量的產(chǎn)生和利用相關(guān)。第15頁(yè)/共135頁(yè)線(xiàn)粒體結(jié)構(gòu)示意圖PsideNside第16頁(yè)/共135頁(yè)Cristae(theconvolutedinnermembraneofmitochondria)iswheretherespiratorychainislocated.第17頁(yè)/共135頁(yè)5.3電子傳遞過(guò)程和呼吸鏈5.3.1

呼吸鏈的概念呼吸鏈：指催化氫（包括電子）傳遞的酶及輔酶/輔基的連鎖反應(yīng)體系，它們按電子親和力遞增的順序排列。

5.3.2

呼吸鏈的分布部位在原核細(xì)胞位于質(zhì)膜，在真核細(xì)胞位于線(xiàn)粒體的內(nèi)膜。第18頁(yè)/共135頁(yè)5.3.3與呼吸鏈相關(guān)的電子載體電子載體傳遞電子方式：作為氫原子（H＋＋e-），如FAD/FADH2。作為氫負(fù)離子（:H-或者H＋＋2e-），如NAD+/NADH。單純電子（e-

），如Fe2+/Fe3+。

第19頁(yè)/共135頁(yè)電子載體吡啶核苷酸類(lèi)（pyridinenucleotide）

NAD+，NADP+大多數(shù)脫氫酶以NAD+為輔酶，有的以NADP+為輔酶，極少數(shù)能用NAD+或NADP+兩種輔酶。一般說(shuō)，用于分解代謝的脫氫酶以NAD+為輔酶，NADP+多用于合成代謝。NAD(P)+是水溶性載體，可與相應(yīng)的脫氫酶可逆結(jié)合，甚至轉(zhuǎn)移到另一種脫氫酶。第20頁(yè)/共135頁(yè)NAD(P)+-脫氫酶第21頁(yè)/共135頁(yè)NAD(P)+既存在于胞液中，又存在于線(xiàn)粒體中，彼此不能自由通過(guò)線(xiàn)粒體內(nèi)膜(見(jiàn)5.6)。某一部位的NAD(P)+只能與該部位的脫氫酶結(jié)合。NAD(P)+以氫負(fù)離子形式傳遞電子。NAD(P)H在340nm處有光吸收，

NAD(P)+則沒(méi)有。第22頁(yè)/共135頁(yè)NAD(P)+傳遞電子機(jī)制H＋＋2e-H＋:H-第23頁(yè)/共135頁(yè)Absorptionspectra第24頁(yè)/共135頁(yè)黃素核苷酸類(lèi)（flavinnucleotide）

FMN，F(xiàn)AD

FMN/FAD與蛋白質(zhì)結(jié)合緊密（有時(shí)候是共價(jià)結(jié)合），因而結(jié)合蛋白通稱(chēng)為黃素蛋白（flavoprotein）。黃素蛋白的還原電勢(shì)取決于結(jié)合的蛋白質(zhì)，F(xiàn)MN/FAD只是黃素蛋白的活性部位（activesite）。(與NAD(P)+不同)第25頁(yè)/共135頁(yè)

FMN/FAD以氫原子形式傳遞電子。氧化型FMN/FAD一般在接近570nm處有最大吸收峰，還原型FMNH2/FADH2最大吸收峰偏移至450nm。第26頁(yè)/共135頁(yè)H＋＋e-H＋＋e-HH半醌型FMN/FAD傳遞電子機(jī)制第27頁(yè)/共135頁(yè)輔酶Q（coenzymeQ,orQ）又稱(chēng)泛醌（ubiquinone），脂溶性化合物。CoQ在線(xiàn)粒體內(nèi)膜中以膜結(jié)合和游離兩種形式存在。(amobileelectron/protoncarrier)CoQ可接受多種黃素蛋白類(lèi)脫下的氫原子。這些特性使CoQ在電子傳遞鏈處于中心位置，在黃素蛋白類(lèi)與細(xì)胞色素類(lèi)之間作為一種靈活的載體起作用，并且在質(zhì)子移動(dòng)和電子傳遞的偶聯(lián)起重要作用（見(jiàn)5.3.4Qcycle）。第28頁(yè)/共135頁(yè)CoQ傳遞電子機(jī)制HH第29頁(yè)/共135頁(yè)細(xì)胞色素類(lèi)（cytochromes）根據(jù)吸收光譜的不同，分為細(xì)胞色素a、細(xì)胞色素b和細(xì)胞色素c三類(lèi)。它們各自的血紅素輔基在結(jié)構(gòu)上有一些差異。細(xì)胞色素類(lèi)載體單純傳遞電子。每一類(lèi)細(xì)胞色素的還原型和氧化型的最大吸收峰不一樣。

第30頁(yè)/共135頁(yè)P(yáng)rostheticgroupsofcytochromes第31頁(yè)/共135頁(yè)AbsorptionspectraofcytochromecReducedcytochromeshasthreeabsorptionbandsinthevisiblewavelengthsCyta:~600nm;Cytb:~560nm;Cytc:~550nm第32頁(yè)/共135頁(yè)Fe3+Fe2++e-

Cu+Cu2++e-(復(fù)合體Ⅳ)

cytochromes傳遞電子機(jī)制

第33頁(yè)/共135頁(yè)鐵硫蛋白（iron-sulfurprotein,Fe-Sprotein）在電子傳遞鏈中，還有一類(lèi)鐵不是存在于血紅素輔基中，而是與無(wú)機(jī)硫（S）原子或/和蛋白質(zhì)分子中的Cys殘基的S原子相連，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為鐵硫中心（iron-sulfurcenter,Fe-Scenter）。結(jié)合蛋白質(zhì)稱(chēng)為鐵硫蛋白。Fe-Scenter結(jié)構(gòu)有很多種，由此構(gòu)成不同的Fe-Sprotein。電子傳遞鏈至少有8種Fe-Sprotein。鐵硫蛋白載體單純傳遞電子。第34頁(yè)/共135頁(yè)Fe-Scenters2Fe-2S4Fe-4SFeS第35頁(yè)/共135頁(yè)

Fe3+Fe2++e-

鐵硫蛋白傳遞電子機(jī)制

第36頁(yè)/共135頁(yè)5.3.4呼吸鏈的組成和電子傳遞呼吸鏈由4個(gè)大的多蛋白復(fù)合體(I,II,III,和IV;其中3個(gè)為質(zhì)子泵)，以及兩個(gè)可移動(dòng)電子載體輔酶Q和細(xì)胞色素c組成。呼吸鏈中蛋白的輔基包括flavins(FMN,FAD),hemes(hemeA,ironprotoporphyrinIX,hemeC),iron-sulfurclusters(2Fe-2S,4Fe-4S),andcopper。第37頁(yè)/共135頁(yè)第38頁(yè)/共135頁(yè)

復(fù)合體I(NADHdehydrogenase):NADH

進(jìn)入呼吸鏈，最后電子傳遞到Q。

又稱(chēng)NADH:ubiquinoneoxidoreductaseorNADH-Qreductase。復(fù)合體呈“L”型，是由42個(gè)不同的亞基組成的多聚體，分子量達(dá)850kD。(largerthanaribosome!)放能的電子傳遞與需能的質(zhì)子泵出偶聯(lián)(每對(duì)電子傳遞使4H+

從基質(zhì)泵出到膜間腔)，機(jī)制未明。最后電子受體是Q，QH2可移動(dòng)到復(fù)合體Ⅲ

。第39頁(yè)/共135頁(yè)

NADH+5H+N+QNAD++QH2+4H+P放能反應(yīng)第40頁(yè)/共135頁(yè)

復(fù)合體II(succinatedehydrogenase):黃素蛋白的輔基FADH2

將電子傳遞到Q。其他黃素蛋白，如fattyacyl-CoAdehydrogenase（見(jiàn)第8章）和glycerol3-phosphatedehydrogenase（見(jiàn)5.6），與線(xiàn)粒體內(nèi)膜結(jié)合，把電子收集到FADH2，然后傳遞到Q生成QH2。電子傳遞的能量不足以使質(zhì)子泵出。第41頁(yè)/共135頁(yè)第42頁(yè)/共135頁(yè)

復(fù)合體III(ubiquinone:cytochromecoxidoreductase):電子從QH2

傳遞到cytochromec。又稱(chēng)cytochromecreductaseorcytochromebc1complex。是由11亞基組成的多聚蛋白，分子量達(dá)250kD。Complete3-Dstructurewasdeterminedin1997!

功能核心區(qū)由3個(gè)亞基組成:cytochromeb(withtwohemes,bHandbL);anFe-Sprotein;andcytochromec1。第43頁(yè)/共135頁(yè)電子從QH2傳遞到Cytc

是通過(guò)“Qcycle”機(jī)制–第一步:QH2把一個(gè)電子經(jīng)Fe-Scenter,Cytc1,最后轉(zhuǎn)移到Cytc;

另一個(gè)電子經(jīng)bL,bH,最后轉(zhuǎn)移到Q,生成Q.-;原來(lái)QH2變成Q。第二步:第二個(gè)QH2把一個(gè)電子經(jīng)Fe-Scenter,Cytc1,最后轉(zhuǎn)移到Cytc;

另一個(gè)電子經(jīng)bL,bH,最后轉(zhuǎn)移到Q.-,生成QH2;原來(lái)QH2變成Q?？偡磻?yīng)是QH2分兩步把電子傳遞到Cytc。放能的電子傳遞與需能的質(zhì)子泵出偶聯(lián)(每對(duì)電子傳遞使4H+

從基質(zhì)泵出到膜間腔)。Cytochromec是一個(gè)可溶性蛋白，位于內(nèi)膜膜間腔側(cè)，

可將把電子傳遞到復(fù)合體IV。第44頁(yè)/共135頁(yè)Cytochromebc1complex(complexIII)Thethreecoresubunits第45頁(yè)/共135頁(yè)complexIII

Qcycle第46頁(yè)/共135頁(yè)

復(fù)合體IV(cytochromeoxidase):電子從Cytc

轉(zhuǎn)移到O2。又稱(chēng)cytochromeaa3complex。是由13個(gè)亞基組成的多聚蛋白，分子量達(dá)204kD。Thestructureofbovinecytochromeoxidasewasdeterminedin1996!

起重要功能的是三個(gè)亞基，電子載體包括:Threecopperions(2CuA,1CuB),twohemeAgroups(aanda3)。第47頁(yè)/共135頁(yè)還原1分子O2需要4個(gè)電子和4個(gè)質(zhì)子，生成2分子H2O。這是在Fe-CuB活性中心(Fe-CuBcenter)通過(guò)過(guò)氧中間體(peroxyintermediate)實(shí)現(xiàn)的。還原1分子O2所需的4個(gè)“底物”質(zhì)子來(lái)自于基質(zhì)(Nside)。放能的電子傳遞與需能的質(zhì)子泵出偶聯(lián)(1個(gè)電子傳遞使1個(gè)H+

從基質(zhì)泵出到膜間腔)。第48頁(yè)/共135頁(yè)Thethreecriticalsubunitsofcytochromeoxidase(complexIV)2CuACuBHemeaHemea3CuACuA第49頁(yè)/共135頁(yè)Cytochromeoxidasemechanism第50頁(yè)/共135頁(yè)第51頁(yè)/共135頁(yè)4Cytred+8H+N+O24Cytox+4H+P+2H2O放能反應(yīng)complexIV第52頁(yè)/共135頁(yè)SummaryTherespiratorychainconsistsoffourcomplexes(I,II,III,andIV)ComplexI(NADHdehydrogenase):NADHentersthechainandfinalelectronacceptorisQ.ComplexII(succinatedehydrogenase):FADH2offlavoproteinsalsotransfertheirelectronstoQ.ComplexIII(ubiquinone:cytochromecoxidoreductase):ElectronsofQH2istransferredtocytochromec.ComplexIV(cytochromeoxidase):ElectronsofCytcaretransferredtoO2.第53頁(yè)/共135頁(yè)SummaryAnestimateof10protonsarepumpedforoxidizingoneNADHand6foroneFADH2accompanyingtheelectronsflowthroughtherespiratorychain.Aprotongradientacrosstheinnermembraneofmitochondriaisgenerated.TheenergystoredinsuchanH+gradientcanbeusedtosynthesizeATPortodootherwork.Inactivelyrespiringmitochondria,themeasuredpHisabout0.75anddifferenceinelectricalpotential()isabout0.15-0.2V.第54頁(yè)/共135頁(yè)Therespiratorychain第55頁(yè)/共135頁(yè)5.3.5呼吸鏈各組分的排列順序（研究方法）電子載體復(fù)合物的分離

4種復(fù)合物可完整地從線(xiàn)粒體內(nèi)膜分離，每種復(fù)合體都有特定的電子供體和電子受體，間接說(shuō)明呼吸鏈各成分是有序的。第56頁(yè)/共135頁(yè)Separationoffunctionalcomplexesoftherespiratorychain第57頁(yè)/共135頁(yè).根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)還原勢(shì)（E’0

）電子從還原勢(shì)低的載體流向還原勢(shì)高的載體。第58頁(yè)/共135頁(yè)ElectroncarriersmayhaveanorderofincreasingE`0第59頁(yè)/共135頁(yè)氧化動(dòng)力學(xué)研究通過(guò)吸收光譜變化來(lái)判斷呼吸鏈各電子載體的氧化或還原狀態(tài)。如果將O2（electronacceptor）供給完全處于還原態(tài)的呼吸鏈，呼吸鏈上的各個(gè)電子載體按順序被氧化。首先是cytaa3，依次向前推是cytc、cytb，最后是NADH。第60頁(yè)/共135頁(yè)電子傳遞的抑制劑電子傳遞的抑制劑:能夠?qū)Ｒ恍宰钄嗪粑溨心骋徊课浑娮觽鬟f的化學(xué)物質(zhì)。原理:阻斷位點(diǎn)前的組分處于還原狀態(tài),

阻斷位點(diǎn)后的組分處于氧化狀態(tài)。

第61頁(yè)/共135頁(yè)Variousinhibitorsgeneratevariouspatternsofreduced/oxidizedcarriersReducedOxidizedReducedOxidizedReduced第62頁(yè)/共135頁(yè)重要電子傳遞抑制劑:

魚(yú)藤酮,阿米妥,粉蝶霉素A

抗霉素ACN-,CO第63頁(yè)/共135頁(yè)5.4氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）

氧化磷酸化：在呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中釋放的能量使ADP磷酸化生成ATP的過(guò)程。

氧化磷酸化的全過(guò)程用方程式表示：NADH+H++3ADP+3Pi+1/2O2NAD++4H2O+3ATP第64頁(yè)/共135頁(yè)5.4.1氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制—化學(xué)滲透模型（ChemiosmoticModel）的建立化學(xué)滲透模型由英國(guó)科學(xué)家PeterMitchell建立。這一模型被認(rèn)為是20世紀(jì)生物學(xué)最偉大的統(tǒng)一原理之一（oneofthegreatunifyingprinciples）。它揭示了氧化磷酸化、光合磷酸化以及一些跨膜主動(dòng)運(yùn)輸、細(xì)菌鞭毛運(yùn)動(dòng)等等生命活動(dòng)過(guò)程的本質(zhì)。第65頁(yè)/共135頁(yè)第66頁(yè)/共135頁(yè)化學(xué)滲透模型:呼吸鏈電子傳遞釋放的能量驅(qū)動(dòng)質(zhì)子從線(xiàn)粒體內(nèi)膜進(jìn)入線(xiàn)粒體膜間腔，從而產(chǎn)生一個(gè)跨線(xiàn)粒體內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度。這種電化學(xué)梯度貯存的能量形成一種質(zhì)子動(dòng)力(proton-motiveforce)。當(dāng)它驅(qū)動(dòng)質(zhì)子通過(guò)ATP合酶流回線(xiàn)粒體基質(zhì)的同時(shí)，催化ATP的合成。第67頁(yè)/共135頁(yè)ChemiosmoticmodelbyMitchell第68頁(yè)/共135頁(yè)化學(xué)滲透模型是關(guān)于電子傳遞和ATP合成偶聯(lián)(coupling)的理論。一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)這種偶聯(lián)的存在。

ATP合成依賴(lài)于線(xiàn)粒體上的電子傳遞(a)。ATPwouldnotbesynthesizedwhenonlyADPandPiareaddedinisolatedmitochondriasuspensions.O2consumption,anindicationofelectronflow,wasdetectedwhenareductant(e.g.,succinate)isadded,accompaniedbyanincreaseofATPsynthesis.BothO2consumptionandATPsynthesisweresuppressedwheninhibitorsofrespiratorychain(e.g.,cyanide,CO,orantimycinA)wasadded.第69頁(yè)/共135頁(yè)

電子傳遞同樣依賴(lài)于ATP合成(b)。O2consumptionwasneitherobservedifADPwasnotaddedtothesuspension,althoughareductantisprovided.TheO2consumptionwasalsonotobservedinthepresenceofinhibitorsofATPsynthase(e.g.,oligomycinorventuricidin).第70頁(yè)/共135頁(yè)ElectrontransferwasfoundtobeobligatorilycoupledtoATPSynthesisinisolatedmitochondriasuspensions:neitheroccurswithouttheother.第71頁(yè)/共135頁(yè)更多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持化學(xué)滲透理論。密閉的膜系統(tǒng)對(duì)于ATP合成是必需的，但對(duì)于電子傳遞則不然。(testedwithdetergentorphysicalshearing).通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以檢測(cè)跨膜的質(zhì)子泵出:當(dāng)電子傳遞發(fā)生時(shí)，膜間腔pH下降。

解偶聯(lián)劑使電子傳遞和ATP合成解偶聯(lián)。解偶聯(lián)劑包括:hydrophobicweakacids(DNP(2,4-二硝基苯酚)andFCCP)andionophores(valinomycin(纈霉素))。第72頁(yè)/共135頁(yè)DNP,ahydrophobicweakacid,uncouplesATPsynthesisfromelectronflow第73頁(yè)/共135頁(yè)解偶聯(lián)劑（uncouplers）:只抑制ATP的形成過(guò)程，不抑制電子傳遞過(guò)程，使電子傳遞和ATP形成兩個(gè)過(guò)程分離，電子傳遞產(chǎn)生的自由能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊?/p>

DNP和FCCP解偶聯(lián)機(jī)制：使H+不經(jīng)Fo回流，破壞電化學(xué)梯度，因而不能形成ATP，而是以熱量形式釋放能量。離子載體（ionophores）解偶聯(lián)機(jī)制：通過(guò)增加線(xiàn)粒體內(nèi)膜對(duì)一價(jià)陽(yáng)離子的通透性破壞跨膜電荷梯度，從而影響ATP形成。

第74頁(yè)/共135頁(yè)DNPandFCCPareabletodissipatetheprotongradient.第75頁(yè)/共135頁(yè)纈氨霉素（valinomycin）-K+復(fù)合物親水內(nèi)部疏水基團(tuán)第76頁(yè)/共135頁(yè)直接的證據(jù)是對(duì)化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)：利用線(xiàn)粒體和葉綠體類(lèi)囊體，在體外人工制造一個(gè)跨膜電化學(xué)梯度，發(fā)現(xiàn)可以驅(qū)動(dòng)ATP合成。第77頁(yè)/共135頁(yè)TheartificiallyimposedprotongradientalonewasfoundtodriveATPsynthesis!(Experiment1)第78頁(yè)/共135頁(yè)(Experiment2)第79頁(yè)/共135頁(yè)

Theacross-membraneprotongradientwasthusfinallyacceptedasthedrivingforceforATPsynthesis:thechemiosmoticmodelwasacceptedasatheory!第80頁(yè)/共135頁(yè)5.4.2ATP的合成ATP合酶(ATPsynthase)的發(fā)現(xiàn)1960s，Racker通過(guò)EM觀察到，在線(xiàn)粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)有大量的圓球突出結(jié)構(gòu)(knoblikeprotrudingstructures)。通過(guò)內(nèi)翻的亞線(xiàn)粒體發(fā)現(xiàn)，這些“knobs”可以進(jìn)行電子傳遞和ATP合成。ATPsynthase由兩部分結(jié)構(gòu)組成:F1andFo，也稱(chēng)為ComplexⅤorFoF1ATPase。第81頁(yè)/共135頁(yè)當(dāng)突出結(jié)構(gòu)F1

被除去，電子傳遞仍然進(jìn)行，但不能形成質(zhì)子梯度和合成ATP。當(dāng)F1重新組合進(jìn)去，ATP合成又重新開(kāi)始。(thesolubilizedF1alonecancatalyzeATPhydrolysis,thuswasoriginallynamedasF1ATPase).F1wasthefirstessentialfactoridentifiedforoxidativephosphorylation.Fo

standsforoligomycin-sensitive.第82頁(yè)/共135頁(yè)ATP合酶（FoF1ATP酶）Fo：質(zhì)子通道。F1

：合成ATP。體外水解ATP，也稱(chēng)為F1ATPase。第83頁(yè)/共135頁(yè)ATP合酶的結(jié)構(gòu)F1部分由5種9個(gè)亞基組成:a3b3gde。F1圓球突出部分是由a和b

亞基交替排列組成的六聚體，位于棒狀的g亞基之上。Fo部分由3種亞基組成:ab2c10-12。全部c亞基在膜平面上形成一個(gè)圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。ge亞基形同

leg-and-foot，緊密結(jié)合在c亞基環(huán)上。Fo的兩個(gè)b亞基通過(guò)F1的d亞基與ab六聚體相接觸。第84頁(yè)/共135頁(yè)質(zhì)子通道(protonchannel)位于a亞基和c亞基環(huán)之間。每一個(gè)b亞基都有一個(gè)ATP合成的催化位點(diǎn)。第85頁(yè)/共135頁(yè)TheATPsynthasecomprisesaprotonchannel(Fo)andaATPase(F1)第86頁(yè)/共135頁(yè)ATP合酶的作用機(jī)理-結(jié)合變化模型(Binding-changemodel)用提純的F1進(jìn)行同位素交換實(shí)驗(yàn)揭示，ATP合成的G`0接近零。通過(guò)測(cè)定Kd值證實(shí)，ATP與酶的親和性比ADP更高。質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)ATP從酶表面釋放。第87頁(yè)/共135頁(yè)The18Oexperiment:TheG`0forATPsynthesisonpurifiedF1isclosetozero!(PaulBoyer)第88頁(yè)/共135頁(yè)ReleaseofATPfromATPsynthasewasproposedtobethemajorenergybarrierforATPsynthesis第89頁(yè)/共135頁(yè)X-ray晶體學(xué)揭示，F(xiàn)1的b亞基有三種不同的構(gòu)象，分別是結(jié)合ADP(alsoL:loose),結(jié)合ATPanalog(alsoT:tight),或者empty(alsoopen)。第90頁(yè)/共135頁(yè)Rod-shapedgsubunit.EachbsununitofATPsynthasecanassumethreedifferentconformations!OLT第91頁(yè)/共135頁(yè)結(jié)合變化模型——質(zhì)子通過(guò)Fo驅(qū)動(dòng)c亞基環(huán)和不對(duì)稱(chēng)g亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得每個(gè)b亞基在三種構(gòu)象互換，依次為結(jié)合ADP+Pi(L),合成ATP(T),釋放ATP(O)，每個(gè)b亞基依次催化ATP的合成。第92頁(yè)/共135頁(yè)Binding-changeModelproposedbyPaulBoyer.gggOLT第93頁(yè)/共135頁(yè)根據(jù)這一模型，F(xiàn)1的g

亞基每次轉(zhuǎn)動(dòng)120o。這一推測(cè)在體外實(shí)驗(yàn)通過(guò)熒光顯微鏡得到證實(shí)(poweredbyATPhydrolysiscatalyzedbythebsubunits)。第94頁(yè)/共135頁(yè)Rotationoftheg

subunitandtheringofcsubunitsintheFoF1complex.(Experiment1)第95頁(yè)/共135頁(yè)RotationofthegsubunitandtheringofcsubunitsintheFoF1complexwasdirectelyobservedbyinvitrostudiesusingfluorescencemicroscopy

(Experiment2)第96頁(yè)/共135頁(yè)質(zhì)子通道的機(jī)理c亞基的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：每條肽鏈形成一對(duì)跨膜的α-螺旋。在第二個(gè)螺旋的中間位置有一個(gè)Asp61。當(dāng)Asp處于膜的疏水部分時(shí)，Asp只能以天冬氨酸的中性形式存在。據(jù)推測(cè)a亞基的結(jié)構(gòu)包含兩條H+半通道，一條是胞漿半通道（Cytosolichalf-channel），另一條是基質(zhì)半通道（Matrixhalf-channel）。但兩條通道是分隔開(kāi)的。第97頁(yè)/共135頁(yè)一個(gè)質(zhì)子從膜間腔進(jìn)入胞漿半通道，中和了與該通道接觸的c亞基上的Asp。電荷的中和使得c亞基環(huán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（從Pside向Nside方向），質(zhì)子化的Asp基質(zhì)半通道，釋放出一個(gè)質(zhì)子。（參看示意圖）假定c亞基環(huán)為10個(gè)c亞基，c亞基和g

亞基每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈釋放10H+，合成3ATP。為方便計(jì)算，一般認(rèn)為每合成1ATP需要3H+，由于運(yùn)輸Pi還需消耗1H+（見(jiàn)5.5）

，所以每合成1ATP共需要4H+。第98頁(yè)/共135頁(yè)第99頁(yè)/共135頁(yè)P(yáng)rotonmotionacrossthemembranedrivesrotationofthecring第100頁(yè)/共135頁(yè)

第101頁(yè)/共135頁(yè)5.4.3ATP合成的抑制ATP合酶抑制劑:通過(guò)直接干擾ATP的形成過(guò)程，最終也抑制電子傳遞。如寡霉素（oligomycin）：與ATP合成酶的寡霉素敏感蛋白Fo結(jié)合，阻斷質(zhì)子通道。第102頁(yè)/共135頁(yè)第103頁(yè)/共135頁(yè)5.4.4氧化磷酸化的調(diào)節(jié)呼吸控制(或受體控制,acceptorcontrol)：ADP作為關(guān)鍵物質(zhì)對(duì)氧化磷酸化的調(diào)節(jié)作用。它的定量表示法是測(cè)定ADP存在時(shí)氧的利用速率與沒(méi)有ADP時(shí)氧的利用速率的比值。通常高于10。ATP/ADP+Pi（也稱(chēng)massactionratio，質(zhì)量作用比率）：作為細(xì)胞能量的一個(gè)指標(biāo)。ATP,ADP,NADH,NAD+都是氧化途徑中的重要調(diào)節(jié)因子。

第104頁(yè)/共135頁(yè)第105頁(yè)/共135頁(yè)5.4.5ATP合成的化學(xué)計(jì)量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)自由能（G’0

）第106頁(yè)/共135頁(yè)Fourmulti-proteinComplexes(I,II,III,andIV)TwomobileElectroncarriersIIIIIIIV形成一個(gè)ATP需要7.3kcal/mol。第107頁(yè)/共135頁(yè)

P/O值

P/O：指當(dāng)一對(duì)電子通過(guò)呼吸鏈傳到O2所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)?？赏ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。一般認(rèn)為P/O值是一個(gè)整數(shù)。NADH的P/O為3,琥珀酸的P/O為2。根據(jù)化學(xué)滲透學(xué)說(shuō),從質(zhì)子的角度計(jì)算,NADH的P/O為2.5,琥珀酸的P/O為1.5。第108頁(yè)/共135頁(yè)P(yáng)/OofNADH:10/4(2.5)P/Oofsuccinate:6/4(1.5)第109頁(yè)/共135頁(yè)5.5質(zhì)子梯度貯存的能量可用于做其他功ADP,Pi和丙酮酸運(yùn)進(jìn)線(xiàn)粒體，以及ATP運(yùn)出線(xiàn)粒體都需要利用質(zhì)子梯度。細(xì)菌鞭毛的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接由跨胞漿膜的質(zhì)子梯度供能。第110頁(yè)/共135頁(yè)Theproton-motiveforceisusedforactivetransportthroughtheinnermembraneofthemitochondria第111頁(yè)/共135頁(yè)Therotarymotionofthebacterialflagellaisenergizeddirectlybytheprotongradientacrossthecytoplasmicmembrane.第112頁(yè)/共135頁(yè)

哺乳動(dòng)物的產(chǎn)熱蛋白利用質(zhì)子梯度產(chǎn)熱。嬰兒和其他初生的哺乳類(lèi)以及冬眠動(dòng)物的頸部和背部上方有一種特殊的脂肪組織，稱(chēng)為褐色脂肪。這種褐色脂肪細(xì)胞富含線(xiàn)粒體，并且線(xiàn)粒體內(nèi)膜上有產(chǎn)熱蛋白（thermogenin），又稱(chēng)解偶聯(lián)蛋白（uncouplingprotein，UCP-1），是H+通道，可將電子傳遞泵出線(xiàn)粒體內(nèi)膜的H+流回線(xiàn)粒體基質(zhì)內(nèi)，而不是通過(guò)FoF1ATP酶。其生理意義是產(chǎn)熱御寒。如缺乏這種蛋白，會(huì)導(dǎo)致新生兒硬腫癥。

第113頁(yè)/共135頁(yè)Thermogenin(aprotonpore)ontheinnermitochondrialmembraneofbrownfattissuecellsusestheproton-gradienttoproduceheat.第114頁(yè)/共135頁(yè)

Protongradientsareacentralinterconvertiblecurrencyoffreeenergyinbiologicalsystems.第115頁(yè)/共135頁(yè)5.6通過(guò)線(xiàn)粒體內(nèi)膜的物質(zhì)運(yùn)輸5.6.1NADH穿梭系統(tǒng)(ShuttlesystemsofcytosolicNADHtomitochondrion)蘋(píng)果酸-天門(mén)冬氨酸穿梭（malate-aspartateshuttle）最活躍的NADH穿梭途徑。存在于肝臟、腎臟、心肌等細(xì)胞。使用theMalate-a-ketoglutaratetransporters和theglutamate-aspartatetransporters。通過(guò)此途徑,從胞漿進(jìn)入mt的NADH可生成2.5ATP。第116頁(yè)/共135頁(yè)Malate-aspartateshuttle第117頁(yè)/共135頁(yè)3-磷酸甘油穿梭（glycerol3-phosphateshuttle）主要存在于骨骼肌和腦細(xì)胞。由于電子通過(guò)FADH2直接進(jìn)入complexIII,產(chǎn)生能量較malate-aspartateshuttle少(1.5ATP)。第118頁(yè)/共135頁(yè)glycerol3-phosphateshuttle第119頁(yè)/共135頁(yè)5.6.2ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶(ATP-ADPtranslocase)又稱(chēng)腺苷酸轉(zhuǎn)位酶（adeninenucleotidetranslocase,ANT）。在線(xiàn)粒體內(nèi)膜含量豐富。在ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶的催化下，ATP運(yùn)出線(xiàn)粒體和ADP運(yùn)進(jìn)線(xiàn)粒體偶聯(lián)起來(lái)。由于有凈負(fù)電荷運(yùn)出線(xiàn)粒體，減弱膜電勢(shì)梯度和質(zhì)子動(dòng)力，使得這一過(guò)程相當(dāng)耗能。第120頁(yè)/共135頁(yè)ATP-ADPtranslocase第121頁(yè)/共135頁(yè)5.6.3其他代謝物的運(yùn)輸主要包括二羧酸，三羧酸，丙酮酸和磷酸等。第122頁(yè)/共135頁(yè)第123頁(yè)/共1