生物化学：第三节氧化磷酸化

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1、第三节第三节 氧化磷酸化氧化磷酸化一一. 氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理呼吸链中的电子传递是如何推动呼吸链中的电子传递是如何推动ADPADP磷磷酸化形成酸化形成ATPATP的的比较著名的假说有三个：比较著名的假说有三个： 化学偶联假说化学偶联假说 构象偶联假说构象偶联假说 化学渗透学说化学渗透学说目前得到公认的是目前得到公认的是“化学渗透学说化学渗透学说”。 ？ 1 1、化学偶联假说、化学偶联假说 chemical coupling hypothesis 19531953年，年，E.C.SlaterE.C.Slater提出。提出。 认为：电子传递和认为：电子传递和ATPATP生成的偶联是通过

2、一系列连生成的偶联是通过一系列连续的化学反应而生成一个高能共价中间产物，它在电续的化学反应而生成一个高能共价中间产物，它在电子传递过程中产生，随后又裂解将能量转移给子传递过程中产生，随后又裂解将能量转移给ADPADP而生而生成成ATPATP。 缺陷：到目前没有发现这种高能共价中间产物。缺陷：到目前没有发现这种高能共价中间产物。连他本人也已承认他的假说连他本人也已承认他的假说 “几乎肯几乎肯定是不正确的定是不正确的”。 2 2、构象偶联假说、构象偶联假说 （conformational coupling hypothesis） 19641964年，年，P PD DBoyerBoyer提出。提出。

3、 认为：作为电子传递体的蛋白质有两种不同的构认为：作为电子传递体的蛋白质有两种不同的构象：低能构象和高能构象，电子传递的结果使低能构象：低能构象和高能构象，电子传递的结果使低能构象转变成高能构象，后者再将能量传递给象转变成高能构象，后者再将能量传递给F F1 1F F0 0ATPATP合合酶，使之也发生构象变化，从而推动酶，使之也发生构象变化，从而推动ADPADP磷酸化形成磷酸化形成ATPATP。 缺陷：虽有一定实验证据，但由于测定构象变化缺陷：虽有一定实验证据，但由于测定构象变化比较困难，低能构象和高能构象的互变未能得到证实，比较困难，低能构象和高能构象的互变未能得到证实，支持这个假说的实验

4、较少。支持这个假说的实验较少。 3 3、化学渗透假说、化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis） 19611961年英国生化学家年英国生化学家P.MitchellP.Mitchell首先提出，首先提出，后经发展而成，也称后经发展而成，也称“质子梯度偶联假说质子梯度偶联假说”。 一一. 氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理电子传递体在线粒体内膜上有着不对称分布，传氢电子传递体在线粒体内膜上有着不对称分布，传氢体和传电子体交替排列，催化是定向的；体和传电子体交替排列，催化是定向的；化学渗透学说化学渗透学说1961 1961 by Mitchellby Mitchell一一. 氧化磷

5、酸化的机理氧化磷酸化的机理复合物复合物I I、IIIIII、IVIV的传氢体将的传氢体将H H+ +从基质泵向内膜外从基质泵向内膜外侧，而将电子传向其后的电子传递体；侧，而将电子传向其后的电子传递体；化学渗透学说化学渗透学说一一. 氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理内膜对质子不内膜对质子不具有通透性，具有通透性，这样在内膜两这样在内膜两侧形成质子浓侧形成质子浓度梯度，这就度梯度，这就是推动是推动ATPATP合成合成的原动力；的原动力；化学渗透学说化学渗透学说质子梯度的形成质子梯度的形成一一. 氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理当存在足够高的跨膜质子化学梯度时，强大的质子当存在足够高的跨膜质子化学梯

6、度时，强大的质子流通过流通过F F1 1-F-F0 0-ATPase-ATPase进入基质时，释放的自由能推进入基质时，释放的自由能推动动ATPATP合成。合成。 化学渗透学说化学渗透学说五五. 呼吸链的电子传递过程呼吸链的电子传递过程一一. 氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理 F F1 1：球形头部，伸球形头部，伸入线粒体基质，由五种入线粒体基质，由五种亚基组成亚基组成a a3 3b b3 3,是是ATPATP合酶的催化部分；合酶的催化部分； F F0 0: : 横贯横贯线粒体内膜线粒体内膜，含有质子通道，由十，含有质子通道，由十多种亚基组成。位于多种亚基组成。位于F F1 1与与F F0 0

7、之间的柄含有寡霉之间的柄含有寡霉素敏感性蛋白。素敏感性蛋白。 F1-F0-ATPaseF1-F0-ATPase复合物复合物离子通道离子通道基质面基质面胞液面胞液面头头柄柄ATP合合成成酶酶模模式式图图底底 亚基亚基 亚基亚基 亚基亚基 亚基亚基 亚基亚基IF1(inhibitor of F1)OSCP偶联因子偶联因子6（F6）a亚基亚基b亚基亚基c亚基亚基 3 3 ab2cnF1F0内内膜膜 ATPATP合酶（合酶（ATP synthase) ) 结构：结构：ATP合酶的工作机制3个亚基构象不同 O开放型；T紧密结合型；L疏松型一一. 氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理F1-F0-ATPaseF

8、1-F0-ATPase复合物复合物实验证明：实验证明： 质子不能自由通过线粒体内膜；质子不能自由通过线粒体内膜； 电子传递所形成的电子流确实能将质子泵到内膜外电子传递所形成的电子流确实能将质子泵到内膜外侧；侧； ATPATP的形成确实伴有质子向内膜内侧移动；的形成确实伴有质子向内膜内侧移动； 用解偶联剂或离子载体抑制剂破坏质子浓度梯度的用解偶联剂或离子载体抑制剂破坏质子浓度梯度的形成都能破坏氧化磷酸化作用的进行；形成都能破坏氧化磷酸化作用的进行； RackerRacker及同事所作的氧化磷酸化重组试验。用超声波、及同事所作的氧化磷酸化重组试验。用超声波、膜分散剂等处理线粒体，将内膜的嵴打成碎片

9、，再用胰蛋膜分散剂等处理线粒体，将内膜的嵴打成碎片，再用胰蛋白酶或尿素处理，得到缺少颗粒的亚线粒体小泡和白酶或尿素处理，得到缺少颗粒的亚线粒体小泡和F F1 1ATPATP酶两部分，前者保存了电子传递的功能，但失去了合酶两部分，前者保存了电子传递的功能，但失去了合成成ATPATP的功能，当两部分重组后，氧化磷酸化作用又恢复的功能，当两部分重组后，氧化磷酸化作用又恢复了；了； 机械性的破坏内膜的完整性，引起质子渗漏，无质子机械性的破坏内膜的完整性，引起质子渗漏，无质子浓度梯度，无浓度梯度，无ATPATP的合成；的合成； 人工建立离体线粒体膜两侧的质子浓度梯度和电位梯人工建立离体线粒体膜两侧的质子

10、浓度梯度和电位梯度证明质子移动力可驱使度证明质子移动力可驱使ATP合成，该过程无底物氧化，合成，该过程无底物氧化，无电子传递也能驱使无电子传递也能驱使ATP的合成。的合成。不足之处不足之处: : 有些问题未得到解决，如：有些问题未得到解决，如：A A 质子究竟是怎样质子究竟是怎样通过电子传递链通过电子传递链“泵泵”出到内膜外侧的？出到内膜外侧的？ B B 电子电子传递所产生的质子浓度梯度，是否是进行氧化磷酸传递所产生的质子浓度梯度，是否是进行氧化磷酸化作用的必需步骤？至今还不完全清楚。化作用的必需步骤？至今还不完全清楚。P/OP/O( (磷氧比磷氧比) )：在生物氧化过程中，伴随：在生物氧化过

11、程中，伴随ADPADP磷酸化所消耗的无机磷酸的磷原子数与消磷酸化所消耗的无机磷酸的磷原子数与消耗的分子氧的氧原子数之比。即每消耗耗的分子氧的氧原子数之比。即每消耗1 1个氧个氧原子所产生的原子所产生的ATPATP的分子数。的分子数。 二二. 氧化磷酸化的氧化磷酸化的P/O比比测定结果表明：测定结果表明：NADH经呼吸链完全氧化时，经呼吸链完全氧化时，P/O为为 2.5，即，即1 1分子分子的的NADHNADH通过呼吸链将电子最终传递给通过呼吸链将电子最终传递给O O2 2可产生可产生 2.52.5个个ATPATP；二二. 氧化磷酸化的氧化磷酸化的P/O比比二二. 氧化磷酸化的氧化磷酸化的P/O

12、比比FADH2 2经呼吸链完全氧化时，经呼吸链完全氧化时，P/O为为 1.5，即，即1 1分子的分子的FADHFADH2 2通过呼吸链将电子最终传递给通过呼吸链将电子最终传递给O O2 2可可产生产生 1.51.5个个ATPATP。为什么？为什么？二二. 氧化磷酸化的氧化磷酸化的P/O比比为什么？为什么？1. 解偶联剂 某些化合物能够消除跨膜的质子浓度梯度，某些化合物能够消除跨膜的质子浓度梯度，使使ATPATP不能合成。它们既不作用于电子传递体，不能合成。它们既不作用于电子传递体，也不作用于也不作用于ATPATP合酶复合体，只消除电子传递与合酶复合体，只消除电子传递与磷酸化的偶联，所以称为解偶

13、联剂。磷酸化的偶联，所以称为解偶联剂。 最常见的解偶联剂是最常见的解偶联剂是2,4-2,4-二硝基苯酚二硝基苯酚( (DNP)DNP)。三、氧化磷酸化的抑制剂三、氧化磷酸化的抑制剂三、氧化磷酸化的抑制剂三、氧化磷酸化的抑制剂2. 氧化磷酸化抑制剂 这类化合物直接作用于这类化合物直接作用于ATPATP合酶复合体，从而合酶复合体，从而抑制抑制ATPATP的合成。的合成。 它们使膜外质子不能通过它们使膜外质子不能通过ATPATP合酶复合体返回合酶复合体返回膜内，使膜内质子继续泵出到膜外显然越来越困难膜内，使膜内质子继续泵出到膜外显然越来越困难，最后不得不停止，所以这类抑制剂间接抑制了电，最后不得不停

14、止，所以这类抑制剂间接抑制了电子传递和分子氧的消耗。子传递和分子氧的消耗。 寡霉素寡霉素 属于此类抑制剂，它与属于此类抑制剂，它与F F0 0的一个亚基的一个亚基结合而抑制结合而抑制F F1 1。 3.离子载体抑制剂 增大了线粒体内膜对一价阳离子的通增大了线粒体内膜对一价阳离子的通透性，从而破坏了膜两侧的电位梯度，导透性，从而破坏了膜两侧的电位梯度，导致氧化磷酸化过程被抑制。如：缬氨霉素致氧化磷酸化过程被抑制。如：缬氨霉素三、氧化磷酸化的抑制剂三、氧化磷酸化的抑制剂 线粒体外的线粒体外的NADHNADH通过间接的途径通过间接的途径 穿穿梭机制进入线粒体。动物细胞内已知有两个梭机制进入线粒体。动

15、物细胞内已知有两个穿梭系统：穿梭系统： 磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统，主要存在于，主要存在于肌细胞肌细胞； 苹果酸苹果酸- -天冬氨酸天冬氨酸穿梭系统穿梭系统，主要存在于，主要存在于肝细胞肝细胞。 1. 1. 动物细胞内动物细胞内四、线粒体穿梭系统四、线粒体穿梭系统为什么存在为什么存在穿梭系统？穿梭系统？ 线粒体线粒体 内膜内膜 线粒体线粒体 外膜外膜膜间腔膜间腔 线粒体线粒体 基质基质磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统 FADH2 NAD+ FAD -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶 琥珀酸琥珀酸氧化氧化呼吸链呼吸链 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 PiCH2O-CH2OH C=OPiCH2O-CH

16、2OH C=O -磷酸甘油磷酸甘油 PiCH2O-CH2OH CHOHPiCH2O-CH2OH CHOH NADH+H+ - -磷酸甘磷酸甘油脱氢酶油脱氢酶四、线粒体穿梭系统四、线粒体穿梭系统磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统 通过通过3-3-磷酸甘油与磷酸甘油与DHAPDHAP之间的转换，胞之间的转换，胞液中的液中的NADHNADH间接地转变为内膜上的间接地转变为内膜上的FADHFADH2 2，经由内膜上的经由内膜上的3-3-磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶( (也是以也是以FADFAD为辅基的黄素蛋白为辅基的黄素蛋白) )进入进入FADHFADH2 2呼吸链。呼吸链。 这种方式不通过复合物这种方

17、式不通过复合物，P/OP/O为为1.51.5。 四、线粒体穿梭系统四、线粒体穿梭系统苹果酸苹果酸- -天冬氨酸穿梭系统天冬氨酸穿梭系统 谷草转氨酶谷草转氨酶，苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶，以及一系列，以及一系列的透性酶。的透性酶。 通过通过苹果酸苹果酸与与草酰乙酸草酰乙酸之间的转换，间接之间的转换，间接地将细胞质中的地将细胞质中的NADHNADH转变为线粒体内的转变为线粒体内的NADHNADH，从而进入从而进入NADHNADH呼吸链呼吸链。 这种方式要通过复合物这种方式要通过复合物，P/OP/O为为2.52.5。 谷氨酸谷氨酸- -天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸- - - -酮酮 戊二

18、酸转运体戊二酸转运体 胞液胞液 基质基质 NADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-C-COO-OHHNADH +H+ NAD+ -OOC-CH2-C-COO-OHH苹果酸苹果酸 -OOC-CH2-C-COO-O草酰乙酸草酰乙酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-O-OOC-CH2-CH2-C-COO-O - -酮戊二酸酮戊二酸 -OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H谷氨酸谷氨酸 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 NADH呼吸链呼吸链 -OOC-CH2-C-COO-H3N+H天冬氨酸天冬氨酸 -OOC-CH2-C-COO-H3

19、N+H-OOC-CH2-CH2-C-COO-H3N+H苹果酸穿梭系统苹果酸穿梭系统 线粒体外的线粒体外的NADHNADH直接进入呼吸链进行氧化。这些直接进入呼吸链进行氧化。这些细胞的线粒体内膜上存在着一种特殊的细胞的线粒体内膜上存在着一种特殊的NADHNADH脱氢酶脱氢酶 外外NADHNADH脱氢酶：脱氢酶： 胞液中的胞液中的NADHNADH很容易穿过线粒体的外膜进入膜间隙很容易穿过线粒体的外膜进入膜间隙，在内膜的外表面被外，在内膜的外表面被外NADHNADH脱氢酶催化脱氢，沿着脱氢酶催化脱氢，沿着FADHFADH2 2呼吸链进行氧化。这种方式不通过复合物呼吸链进行氧化。这种方式不通过复合物，P/OP/O为为1.51.5。 2 2. . 真菌和高等植物细胞内真菌和高等植物细胞内四、线粒体穿梭系统四、线粒体穿梭系统