生物化学：第三节氧化磷酸化

1、第三节 氧化磷酸化,一. 氧化磷酸化的机理,呼吸链中的电子传递是如何推动ADP磷酸化形成ATP的,比较著名的假说有三个： 化学偶联假说 构象偶联假说 化学渗透学说 目前得到公认的是“化学渗透学说”。,？,1、化学偶联假说 chemical coupling hypothesis 1953年，E.C.Slater提出。 认为：电子传递和ATP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，它在电子传递过程中产生，随后又裂解将能量转移给ADP而生成ATP。 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 “几乎肯定是不正确的”。,2、构象偶联假说 （confor

2、mational coupling hypothesis） 1964年，PDBoyer提出。 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转变成高能构象，后者再将能量传递给F1F0ATP合酶，使之也发生构象变化，从而推动ADP磷酸化形成ATP。 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，支持这个假说的实验较少。,3、化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis） 1961年英国生化学家P.Mitchell首先提出，后经发展而成，也称“质子梯度偶联假说”。,一. 氧化磷酸化的机理,电子传

3、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；,化学渗透学说1961 by Mitchell,一. 氧化磷酸化的机理,复合物I、III、IV的传氢体将H+从基质泵向内膜外侧，而将电子传向其后的电子传递体；,化学渗透学说,一. 氧化磷酸化的机理,内膜对质子不具有通透性，这样在内膜两侧形成质子浓度梯度，这就是推动ATP合成的原动力；,化学渗透学说,质子梯度的形成,一. 氧化磷酸化的机理,当存在足够高的跨膜质子化学梯度时，强大的质子流通过F1-F0-ATPase进入基质时，释放的自由能推动ATP合成。,化学渗透学说,五. 呼吸链的电子传递过程,一. 氧化磷酸化的机理,F1

4、：球形头部，伸入线粒体基质，由五种亚基组成a3b3,是ATP合酶的催化部分； F0: 横贯线粒体内膜，含有质子通道，由十多种亚基组成。位于F1与F0之间的柄含有寡霉素敏感性蛋白。,F1-F0-ATPase复合物,离子通道,基质面,胞液面,头,柄,A T P合成酶模式图,底,亚基 亚基 亚基 亚基 亚基,IF1(inhibitor of F1) OSCP 偶联因子6（F6）,a亚基 b亚基 c亚基, 3 3 ,ab2cn,F1,F0,内 膜,ATP合酶（ATP synthase) 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. 氧化磷酸化的机理,F1-F0

5、-ATPase复合物,实验证明： 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侧； ATP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形成都能破坏氧化磷酸化作用的进行；, Racker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，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F1ATP酶两部分，前者保存了电子传递的功能，但失去了合成ATP的功能，当两部分重组后，氧化磷酸化作用又恢复了； 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ATP的合成； 人工建立离体线粒体膜两侧的

6、质子浓度梯度和电位梯度证明质子移动力可驱使ATP合成，该过程无底物氧化，无电子传递也能驱使ATP的合成。,不足之处: 有些问题未得到解决，如：A 质子究竟是怎样通过电子传递链“泵”出到内膜外侧的？ B 电子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。,P/O(磷氧比)：在生物氧化过程中，伴随ADP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1个氧原子所产生的ATP的分子数。,二. 氧化磷酸化的P/O比,测定结果表明： NADH经呼吸链完全氧化时，P/O为 2.5，即1分子的NADH通过呼吸链将电子最终传递给O2可产生 2.5个ATP

7、；,二. 氧化磷酸化的P/O比,二. 氧化磷酸化的P/O比,FADH2经呼吸链完全氧化时，P/O为 1.5，即1分子的FADH2通过呼吸链将电子最终传递给O2可产生 1.5个ATP。,为什么？,二. 氧化磷酸化的P/O比,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，使ATP不能合成。它们既不作用于电子传递体，也不作用于ATP合酶复合体，只消除电子传递与磷酸化的偶联，所以称为解偶联剂。 最常见的解偶联剂是2,4-二硝基苯酚(DNP)。,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ATP合酶复合体，从而抑制ATP的合成。 它们使膜

8、外质子不能通过ATP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，最后不得不停止，所以这类抑制剂间接抑制了电子传递和分子氧的消耗。 寡霉素 属于此类抑制剂，它与F0的一个亚基结合而抑制F1。,3.离子载体抑制剂,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,线粒体外的NADH通过间接的途径 穿梭机制进入线粒体。动物细胞内已知有两个穿梭系统： 磷酸甘油穿梭系统，主要存在于肌细胞； 苹果酸-天冬氨酸穿梭系统，主要存在于肝细胞。,1. 动物细胞内,四、线粒体穿梭系统,为什么存在穿梭系统？,磷酸甘油穿梭系

9、统,FADH2,NAD+,FAD,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,NADH+H+,-磷酸甘油脱氢酶,四、线粒体穿梭系统,磷酸甘油穿梭系统,通过3-磷酸甘油与DHAP之间的转换，胞液中的NADH间接地转变为内膜上的FADH2，经由内膜上的3-磷酸甘油脱氢酶(也是以FAD为辅基的黄素蛋白)进入FADH2呼吸链。 这种方式不通过复合物，P/O为1.5。,四、线粒体穿梭系统,苹果酸-天冬氨酸穿梭系统,谷草转氨酶，苹果酸脱氢酶，以及一系列的透性酶。 通过苹果酸与草酰乙酸之间的转换，间接地将细胞质中的NADH转变为线粒体内的NADH，从而进入NADH呼吸链。 这种方式要通过复合物，P/O为2.5。,NADH +H+,NAD+,苹果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,天冬氨酸,苹果酸穿梭系统,线粒体外的NADH直接进入呼吸链进行