生物化学第24章生物氧化.ppt

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1、生物化学第24章生物氧化 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望一、氧化还原电势1.1.电电池池：电电子子由由负负极极流流向向正正极极，电电流流由由正正极极流流向负极，正极发生还原反应，负极发生氧化反应。向负极，正极发生还原反应，负极发生氧化反应。2.2.电电解解：与与外外加加电电源源的的正正极极相相连连的的是是阳阳极极，与与外外加加电电源源的的负负极极相相连连的的是是阴阴极极，阳阳极极上上发发生生氧氧化化反应，阴极上发生还原反应。反应，阴极上发生还原反应

2、。3.3.可可充充电电电电池池：当当电电池池放放电电时时，正正极极发发生生还还原原反反应应，负负极极发发生生氧氧化化反反应应；当当给给电电池池充充电电时时，正正极极成成为为阳阳极极，发发生生氧氧化化反反应应，负负极极成成为为阴阴极极，发发生还原反应。生还原反应。电极的名称与电极上发生的反应电极的名称与电极上发生的反应原电池的结构检流计检流计正极，还原反应正极，还原反应负极，氧化反应负极，氧化反应电解装置阳极，氧化反应阳极，氧化反应阴极，还原反应阴极，还原反应电极电势和电动势 能斯特方程能斯特方程 两个电极组成电池的电动势两个电极组成电池的电动势 F:法拉弟常数法拉弟常数 96.5 kJ/Vmo

3、l 式式中中E 0 为为标标准准电电极极电电势势，即即反反应应物物和和产产物物的的活活度度都都为为1（如如果果是是气气体体则则为为1atm），温温度度25下下的的电电极极电电势势。规规定定氢氢电电极极的的标标准准电电极极电电势势为为0。令令标标准准氢氢电电极极为为负负极极，其其它它电电极极为为正正极极，得得到到电电池池的的电电动动势，此电动势即为其它电极的标准电极电势。势，此电动势即为其它电极的标准电极电势。反应物和产物浓度与电动势的关系式 对于一个氧化还原反应对于一个氧化还原反应 a aAr+bBo cAo+dBr 氧化还原反应的判据 对对于于氧氧化化还还原原反反应应来来说说，反反应应可可以

4、以自自发发进行，进行，是反应进行的限度。是反应进行的限度。如如果果已已知知两两个个氧氧还还电电对对的的标标准准电电极极电电势势，可可以以根根据据G0=nFE 0计计算算出出该该反反应应的的标标准准自自由能变化值。由能变化值。生物体中某些重要的氧化还原电势见见P117表表24-1呼吸电子传递链中某些重要的氧化还原电势氧化还原反应式氧化还原反应式标准电极电势（标准电极电势（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)+

5、0.050Cyt c1(ox)+eCyt c1(red)+0.220Cyt c(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、电子传递和氧化磷酸化 柠柠檬檬酸酸循循环环及及其其它它降降解解代代谢谢途途径径产产生生还还原原型型辅辅酶酶，包包括括NADH和和FADH2，将将其其携携带带的的电电子子经经过过电电子子传传递递，最最终终交交给给分分子子O2，形形成成H2O。在在电电子子传传递递过过程程中中释释放放出出大大量量的的自自由由能能，这这些些自

6、自由由能能被被用用来来推推动动ATP的合成。的合成。在在呼吸电子传递链中，总反应式为呼吸电子传递链中，总反应式为NADH+H+1/2 O2 NAD+H2O G0=220.07 kJ/mol FADH2+1/2 O2 FAD+H2O G0=181.58 kJ/mol 线粒体结构图 柠柠檬檬酸酸循循环环在在线线粒粒体体基基质质中中进进行行，电电子子传传递递和氧化磷酸化在线粒体内膜上进行。和氧化磷酸化在线粒体内膜上进行。还原型辅酶中的能量 在在糖糖酵酵解解和和柠柠檬檬酸酸循循环环中中，1分分子子葡葡萄萄糖糖完完全全氧氧化化可可以以生生成成10个个NADH和和2个个FADH2，它它们们氧化后可以释放出

7、的自由能为氧化后可以释放出的自由能为 220.0710+181.582=2563.86 kJ/mol 1分子葡萄糖完全氧化释放的自由能为分子葡萄糖完全氧化释放的自由能为2870.23 kJ/mol 还原型辅酶中贮存的能量比例为还原型辅酶中贮存的能量比例为 （2563.86/2870.23）100%=89.3%电子传递的方向 在在电电子子传传递递链链中中，有有一一系系列列电电子子传传递递体体，这这些些电电子子传传递递体体的的排排列列顺顺序序是是根根据据它它们们的的电电极极电电位位决决定定的的。电电子子由由电电极极电电位位低低的的氧氧还还电电对对中中的的还还原原态态电电子子传传递递体体传传向向电电

8、极极电电位位高高的的氧氧还还电电对对中中的的氧氧化态电子传递体。化态电子传递体。电子传递形成跨膜的质子梯度 在在电电子子传传递递过过程程中中，还还伴伴随随有有H+从从线线粒粒体体内内膜膜的的基基质质侧侧，向向内内膜膜的的外外侧侧运运输输，结结果果造造成成跨跨线线粒粒体体内内膜膜的的质质子子梯梯度度，这这样样在在膜膜内内外外既既造造成成质质子子的的浓浓度度梯梯度度，又又造造成成电电势势梯梯度度，这这种种电电化化学学势势梯梯度度贮贮存存有有能能量量。也也就就是是电电子子传传递递过过程程中中释释放放的的能能量量转转变变成成跨跨线线粒粒体体内内膜膜的的电电化化学学势势梯梯度度中中贮贮存存的的能能量量。

9、当当质质子子由由膜膜的的外外侧侧向向内内侧侧运运动动时时，推推动动ATP合合成成。这这个个过过程称为氧化磷酸化。程称为氧化磷酸化。电子传递链 呼呼吸吸电电子子传传递递链链主主要要由由蛋蛋白白质质复复合合体体组组成成，在在线线粒粒体体内内膜膜上上有有4种种参参与与电电子子传传递递的的蛋蛋白白质质复复合合体，分别为体，分别为 NADHQ还原酶（还原酶（NADH-Q reductase）琥珀酸琥珀酸Q还原酶（还原酶（succinate-Q reductase）细胞色素还原酶（细胞色素还原酶（cytochrome reductase）细胞色素氧化酶（细胞色素氧化酶（cytochrome oxidase

10、）电子传递链标准氧还电势、自由能变化和ATP形成部位示意图上半图下半图Protein Complexes of the Mitochondrial Electron-Transport ChainComplexMass(kD)Sub-unitsProstheticGroupBinding Site for:NADH-UQ reductase85030FMNFe-SNADH(matrix side)UQ(lipid core)Succinate-UQ reductase1404FADFe-SSuccinate(matrix side)UQ(lipid core)UQ-Cyt creductase

11、24811Heme bLHeme bHHeme c1Fe-SCyt c(intermembrane space side)Cytochrome c oxidase16210Heme aHeme a3CuACuBCyt c(intermembrane space side)电子传递链各个成员1.1.NADHQ还原酶还原酶 NADHQ还还原原酶酶又又称称为为NADH脱脱氢氢酶酶，简简称称为为复复合合体体。该该酶酶含含有有FMN辅辅基基和和Fe-S聚聚簇簇，催催化化反反应应时时，先先将将NADH的的电电子子传传递递到到FMN上上，再再传传给给Fe-S聚聚簇簇，最最后后传传给给辅辅酶酶Q。Fe-S聚聚

12、簇簇有有几几种种类类型型，含含有有Fe-S聚聚簇簇的的蛋蛋白白质质称称为为铁铁硫硫蛋蛋白白，又又称称为为非非血血红红素素铁铁蛋蛋白白。Fe-S聚聚簇簇通通过过其其中的中的Fe2+和和Fe3+的变化来传递电子。的变化来传递电子。三种类型的Fe-S cluster Fe Fe2-S2 Fe4-S4NADH-Q还原酶催化的电子传递每每传传递递2个个电电子子，可可驱驱动动4个个H+从从膜膜内内侧侧运到膜外侧运到膜外侧。NegativePositiveFP:黄素蛋白黄素蛋白IP:铁硫蛋白铁硫蛋白HP:疏水蛋白疏水蛋白电子传递链各个成员2.2.辅酶辅酶Q 辅辅酶酶Q（Coenzyme Q）又又称称泛泛醌醌

13、（ubiquinone），有有时时简简称称为为Q或或UQ，是是一一种种脂脂溶溶性性物物质质，它它可可以以接接受受1个个电电子子还还原原成成半半醌醌中中间间体体，再再接接受受1个个电电子子还还原原成成对对苯苯二二酚酚形形式式。由由于于其其脂脂溶溶性性强强，可可以以在在线线粒粒体体内内膜膜中中扩扩散散。它它有有一一个个长长长长的的碳碳氢氢侧侧链链，哺哺乳乳动动物物中中最最常常见见的的是是具具有有10个个异异戊戊二二烯烯单单位位的的侧侧链链，简简写写为为Q10，在在非非哺哺乳动物中这个侧链可能只有乳动物中这个侧链可能只有68个异戊二烯单位。个异戊二烯单位。辅酶Q的结构和氧化还原态辅酶Q的space-

14、filling模型 电子传递链各个成员3.3.琥珀酸琥珀酸Q还原酶还原酶 琥琥珀珀酸酸Q还还原原酶酶又又称称为为复复合合体体，完完整整的的此此酶酶包包括括柠柠檬檬酸酸循循环环中中的的琥琥珀珀酸酸脱脱氢氢酶酶，琥琥珀珀酸酸氧氧化化为为延延胡胡索索酸酸时时脱脱下下的的氢氢还还原原了了FAD，FADH2将将电电子子传传递递给给琥琥珀珀酸酸Q还还原原酶酶的的Fe-S聚聚簇簇，再再传递给辅酶传递给辅酶Q。琥珀酸Q还原酶催化的电子传递电子传递链各个成员4.4.细胞色素还原酶细胞色素还原酶 细细胞胞色色素素还还原原酶酶又又称称复复合合体体、辅辅酶酶Q细细胞胞色色素素c还还原原酶酶。它它的的作作用用是是将将还

15、还原原型型辅辅酶酶Q的的电电子子传传递递给给细细胞胞色色素素c。细细胞胞色色素素还还原原酶酶中中含含有有细胞色素细胞色素b，也含有，也含有2Fe-2S聚簇。聚簇。细胞色素（cytochrome)细细胞胞色色素素是是一一类类含含有有血血红红素素辅辅基基的的电电子子传传递递蛋蛋白白质质的的总总称称。还还原原型型细细胞胞色色素素具具有有明明显显的的可可见见光光吸吸收收，可可以以看看到到、和和三三个个吸吸收收峰峰，其其中中峰峰的的波波长长随随细细胞胞色色素素种种类类的的不不同同而而各各有有特特异异的的变变化化，可可用用来来区区分分不不同同的的细细胞胞色色素素。氧氧化化型型细细胞胞色色素素在在可可见见光

16、光区区看看不不到到吸吸收收峰峰。细细胞胞色色素素中中的的血血红红素素有有三三种种，分分别别称称为为细细胞胞色色素素a、b和和c，同同一一种种细细胞胞色色素素血血红红素素因因结结合合的的蛋蛋白白质质不不同同，其其吸吸收收峰峰的的波波长长会会发发生生小小的的变变化化，如如细细胞胞色色素素还还原原酶酶中中含含有有的的细细胞胞色色素素b就就分分为为bH（b562）和和bL（b566）两种。）两种。血红素的结构细胞色素c的光吸收峰还原态还原态氧化态氧化态几种细胞色素的最大吸收峰波长波长/nm细胞色素细胞色素a600439bL566bH562532429c550521415c1554524418细胞色素还

17、原酶催化的电子传递前半个前半个Q循环，运出去循环，运出去2 2个质子。个质子。细胞色素还原酶催化的电子传递后半个后半个Q循环，运出去循环，运出去2 2个质子。个质子。电子传递链各个成员 细细胞胞色色素素 c 是是一一个个分分子子量量13000的的单单链链球球形形蛋蛋白白质质，直直径径3.4nm，由由104个个氨氨基基酸酸残残基基组组成成，含含有有一一个个血血红红素素辅辅基基。它它是是唯唯一一能能溶溶于于水水的的细细胞胞色色素素，并且是了解最为透彻的蛋白质之一。并且是了解最为透彻的蛋白质之一。5.5.细胞色素细胞色素c c细胞色素c 的三维结构 第第三三个个硫硫原原子子来来自自Met，配位到，配

18、位到Fe上上。电子传递链各个成员 细细胞胞色色素素氧氧化化酶酶又又称称为为复复合合体体、细细胞胞色色素素 c 氧氧化化酶酶。它它的的作作用用是是将将还还原原型型细细胞色素胞色素 c 的电子传递给分子的电子传递给分子O2，生成，生成H2O。6.6.细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶的传递电子作用每每传传递递2 2个个电电子子可可以运出以运出2 2个质子。个质子。氧与a3及Cub结合的关系示意图Binuclear centerCys电子传递给氧生成水Power strokephaseElectron-fillingphase电子传递的抑制效应电子传递链中的抑制剂 三、氧化磷酸化作用 伴伴随

19、随着着线线粒粒体体内内膜膜上上的的电电子子传传递递，ADP与与Pi合合成成ATP的的过过程程称称为为氧氧化化磷磷酸酸化化作作用用（oxidative phosphorylation）。相相应应地地，我我们们将将在在代代谢谢途途径径中中由由含含磷磷酸酸的的底底物物直直接接把把磷磷酸酸基基团团转转到到ADP上上形形成成ATP的过程，称为底物水平磷酸化。的过程，称为底物水平磷酸化。P/O比 用用组组织织匀匀浆浆以以及及组组织织切切片片做做的的实实验验表表明明，组组织织利利用用O2的的同同时时，ATP含含量量随随之之增增加加，每每消消耗耗1个个O原原子子约约合合成成3个个ATP分分子子。这这个个比比例

20、例称称为为P/O比比。P/O比比又又可可以以看看作作是是一一对对电电子子通通过过呼呼吸吸电电子子传传递递链链传传至至O2所所产产生生的的ATP分分子子数数。根根据据P/O比比为为3，人人们们认认为为在在电电子子传传递递链链中中，ATP是是在在3个个不不连连续续的的部部位位生生成成的的，根根据据电电子子传传递递链链中中各各环环节节释释放放的的能能量量，也也确确实实有有3个个部部位位释释放放的的能能量量大大于于合合成成ATP所所需需的的能能量量。FADH2进进入入电电子子传传递递链链后后的的P/O比比为为2，说说明明它它绕绕过过了了1个个生生成成ATP的的部部位位。现现在在认认为为氧氧化化1个个N

21、ADH可可以以产产生生2.5个个ATP，氧氧化化1个个FADH2可以产生可以产生1.5个个ATP。ATP的合成部位 线线粒粒体体内内膜膜上上有有许许多多球球形形突突起起，称称为为内内膜膜球球体体（inner membrane sphere）。这这些些球球体体通通过过一一个个柄柄连连接接到到内内膜膜中中的的基基座座上上，我我们们把把球球体体和和柄柄合合称称为为F1，基基座座称称为为Fo，F1和和Fo合合称称复复合合体体。在在离离体体条条件件下下，这这种种复复合合体体有有水水解解ATP的的活活性性，所所以以开开始始称称它它为为ATP酶酶，后后来来发发现现在在完完整整的的线线粒粒体体中中它它的的功功

22、能能是是合成合成ATP，现在称它为，现在称它为ATP合酶。合酶。亚线粒体的电镜照片ATP合酶简图ATP合酶重组实验能量偶联假说（1）化学偶联假说）化学偶联假说 化化学学偶偶联联假假说说是是1953年年Edward Slater最最先先提提出出来来的的。他他认认为为电电子子传传递递过过程程中中产产生生一一种种活活泼泼的的高高能能共共价价中中间间物物，它它随随后后的的裂裂解解驱驱动动合合成成ATP，就就像像底底物物水水平平磷磷酸酸化化那那样样。但但是是在在氧氧化化磷磷酸酸化化中中一一直直没没有有找找到到任任何何一一种种活活泼泼的的高高能能中中间产物。间产物。能量偶联假说（2）构象偶联假说）构象偶联

23、假说 这这一一假假说说是是1964年年Paul Boyer最最先先提提出出来来的的。他他认认为为电电子子沿沿电电子子传传递递链链传传递递使使线线粒粒体体内内膜膜蛋蛋白白质质发发生生了了构构象象变变化化，形形成成一一种种高高能能态态。通通过过合合成成ATP使使蛋蛋白白质质恢恢复复到到原原来来的的构构象象。这这一一假假说说至至今今也也未未能能找找到到有有力力的的实实验验证证据据。但但是是在在ATP的的合合成成过程中仍可能包含有不同形式的构象偶联现象。过程中仍可能包含有不同形式的构象偶联现象。能量偶联假说（3）化学渗透假说）化学渗透假说 这这一一假假说说是是1961年年由由英英国国生生物物化化学学家

24、家Peter Mitchell最最先先提提出出的的。他他认认为为电电子子传传递递释释放放出出的的自自由由能能及及ATP合合成成是是与与一一种种跨跨线线粒粒体体内内膜膜的的质质子子梯梯度度相相偶偶联联的的。也也就就是是说说，电电子子传传递递释释放放的的自自由由能能驱驱动动H+从从线线粒粒体体基基质质跨跨过过内内膜膜进进入入到到膜膜间间隙隙，从从而而形形成成跨跨线线粒粒体体内内膜膜的的H+电电化化学学梯梯度度。这这个个梯梯度度的的电电化化学学势驱动势驱动ATP合成。合成。化学渗透假说的原理图合合化学渗透假说的实验证据 氧化磷酸化作用需要封闭的线粒体内膜存在。氧化磷酸化作用需要封闭的线粒体内膜存在。

25、线线粒粒体体内内膜膜对对H+、OH、K+、Cl等等离离子子都都是是不通透的。不通透的。破破坏坏H+浓浓度度梯梯度度的的形形成成都都必必将将破破坏坏氧氧化化磷磷酸酸化化作用。作用。线线粒粒体体内内膜膜上上的的电电子子传传递递能能够够将将H+从从基基质质运运输输到膜间隙。到膜间隙。人人造造的的脂脂质质小小泡泡上上重重组组细细菌菌紫紫膜膜质质和和F1Fo ATP合酶后，在照光时有合酶后，在照光时有ATP的合成。的合成。质子梯度驱动合成ATP的实验证明细菌紫膜质细菌紫膜质脂质小泡脂质小泡线粒体线粒体F1Fo ATP合酶合酶The Nobel Prize in Chemistry 1978for his

26、 contribution to the understanding of biological energy transfer through the formulation of the chemiosmotic theoryPeter D.MitchellGlynn Research Laboratories Bodmin,United Kingdomb.1920 d.1992质子泵出是需能过程 质质子子逆逆电电化化学学梯梯度度跨跨过过线线粒粒体体内内膜膜的的自自由由能变化可以用下式表示能变化可以用下式表示G=2.3RT pH(膜内膜内)pH(膜外膜外)ZF 式中，式中，是膜电势，即膜内

27、外的电势差。是膜电势，即膜内外的电势差。=(膜外膜外)(膜内膜内)质子转移的两种假设机制（1）氧化还原回路机制）氧化还原回路机制 该该机机制制由由Mitchell提提出出。他他认认为为电电子子传传递递链链中中有有一一些些电电子子传传递递体体既既可可以以传传递递电电子子，也也可可以以结结合合H+，当当它它们们被被还还原原时时，在在膜膜内内侧侧结结合合H+，而而被被氧氧化化时时，在在膜膜外外侧侧释释放放H+，这这样样就就把把H+从膜内运到了膜外。从膜内运到了膜外。氧还回路机制示意图质子转移的两种假设机制（2 2）质子泵机制）质子泵机制 这这个个机机制制的的内内容容是是，电电子子传传递递导导致致复复

28、合合体体构构象象的的变变化化，氨氨基基酸酸残残基基在在膜膜内内侧侧结结合合H+，构构象象变变化化后后在在膜膜外外侧侧释释放放H+，从从而而把把H+从从膜膜内侧运到膜外。内侧运到膜外。合成ATP与跨膜质子的数量关系 在在生生理理条条件件下下合合成成1个个ATP所所需需的的自自由由能能大大约约为为4050kJ/mol。至至少少需需要要两两个个质质子子跨跨膜膜回回流流释释放放的的能能量量才才够够合合成成1个个ATP。因因为为转转移移出出膜膜外外的的质质子子有有一一部部分分漏漏回回膜膜内内，测测定定的的结结果果表表明明，每合成每合成1个个ATP需要泵出需要泵出23个质子。个质子。电子传递与质子泵出相偶

29、联Go=-69.5kJ/molGo=-36.7kJ/molGo=-112kJ/mol线粒体跨内膜的质子梯度F1和Fo的亚基组成 F1由由5种种肽肽链链组组成成，33。Fo由由3种种疏疏水水亚亚基基组组成成，a 1b 2 c 9-12。Fo形形成成跨跨膜膜的的管管道道，质质子子通通过过此此管管道道流流回回到到膜膜内内侧侧时时驱驱动动ATP合合成成。F1的的、和和亚亚基基分分别别由由510、482、272、146和和50个个氨氨基基酸酸残残基基组组成成，F1的的总总分分子子量量为为371kD。、亚亚基基是是同同源源的的，每每一一个个亚亚基基有有1个个ATP结结合合位位点点，催催化化位位点点在在亚亚

30、基基上上，亚亚基基上上ATP结结合合位位点点的的功功能能还还不不清清楚楚，因因为为缺缺失失这这个个位位点点并并不不影影响响F1的的活活性。性。ATP合成与蛋白质构象变化 John Walker及及其其同同事事测测定定了了F1的的结结构构，F1ATP合合酶酶是是一一个个不不对对称称的的结结构构，3个个亚亚基基有有3种种不不同同的的构构象象。Walker研研究究发发现现，一一个个亚亚基基ATP结结合合位位点点结结合合有有AMP-PNP（一一种种不不能能被被水水解解的的ATP类类似似物物），另另一一个个结结合合有有ADP，第第三三个个位位点点是是空空的的。这这个个发发现现与与Paul Boyer提提

31、出出的的关关于于ATP合合成成的的结结合合变变化化机机制制（binding change mechanism）相相符符，结结合合变变化化机机制制认认为为，3个个反反应应位位点点协协调调地地依依次次通通过过ATP合成的合成的3种中间状态进行循环。种中间状态进行循环。ATP的结构类似物AMP-PNPApp(NH)p(,-imidoadenosine 5-triphosphate)Nonhydrolyzable-bond33的不对称结构侧面观侧面观 顶面观顶面观ATP合酶的结构和工作原理从FO往F1方向观分子马达 Fo的的c亚亚基基排排列列成成环环，c亚亚基基的的构构象象是是一一对对反反平平行行的的

32、跨跨膜膜螺螺旋旋，在在内内膜膜外外侧侧由由一一个个短短的的发发卡卡环环连连接接。c亚亚基基环环形形成成一一个个转转子子（rotor），相相对对于于a亚亚基基旋旋转转，a亚亚基基作作为为定定子子（stater），a亚亚基基由由5个个跨跨膜膜的的螺螺旋旋组组成成，在在膜膜的的每每一一侧侧有有质质子子流流动动的的通通道道（proton access channels）。亚亚基基将将F1和和Fo连连接接起起来来，在在ATP合合成成时时亚亚基基也也相相对对于于()3复复合合体体旋旋转转。亚亚基基固固着着在在c亚亚基基转转子子上上，它它们们可可以以一一起起转转动动。b亚亚基基有有1个个跨跨膜膜片片段段和和

33、1个个长长的的亲亲水水头头部部，完完整整的的定定子子由由b亚亚基基固固着着在在a亚亚基基的的一一端端，并并通通过过亚亚基基与与()3结结合合在在一一起。起。分子马达Fluorescencetly labeledThe worlds smallestmolecular motor:rotational catalysis.(K.Kinosita,1997)Avidin：抗生物素蛋白抗生物素蛋白分子马达Rotation of thesubunit and the ring of c subunits in the FoF1 complex as directly observed by in vi

34、tro studiesusing fluorescence microscopy:they rotate in 120-degree increments,with each step consume one ATP;operation efficiency near 100%.质子从膜外侧返回内侧的通道 c 转转子子每每一一个个亚亚基基上上有有一一个个重重要要的的残残基基Asp61，将将这这个个Asp突突变变成成Asn将将失失去去ATP合合酶酶活活性性。c转转子子相相对对于于定定子子的的旋旋转转可可能能依依赖赖于于Asp61上上负负电电荷荷的的中中和和。质质子子从从a亚亚基基的的胞胞质质溶溶

35、胶胶侧侧的的通通道道进进入入，质质子子化化Asp61，推推动动转转子子旋旋转转，直直到到到到达达a亚亚基基的的基基质质侧侧质质子子通通道道，Asp61上上的的质质子子再再解解离离通通过过此此通通道道进进入入膜膜内内侧侧。这这样样的的旋旋转转能能够够引引起起亚亚基基相相对对于于()3复复合合体体旋转，导致旋转，导致3个个亚基依次发生构象变化。亚基依次发生构象变化。Model of the E.coli ATP synthase:the proton gradient drives therotation of the c ring using two half-channels on the a

36、 subunit.ATP合酶的亚基构象循环变化与ATP合成ADP+PiADP+PiEnergyThe Nobel Prize in Chemistry 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 Cambridg

37、e,United KingdomJohn E.WalkerF1Fo ATP合酶的抑制剂 在在ATP合合酶酶的的柄柄部部有有一一种种寡寡霉霉素素敏敏感感性性授授予予蛋蛋白白（oligomycin-sensitivity-conferring protein，OSCP），这这种种蛋蛋白白使使复复合合体体对对寡寡霉霉素素敏敏感感，使使得得寡霉素抑制寡霉素抑制ATP的合成。的合成。Fo的名称即来自于此。的名称即来自于此。二二 环环 己己 基基 碳碳 二二 亚亚 胺胺（dicyclohexylcarbodi-imide，DCCD）能能够够修修饰饰Fo蛋蛋白白中中某某亚亚基基的的Glu残残基基，导导致致抑

38、抑制制质质子子通通过过Fo，这这种种能能被被DCCD修修饰的蛋白又称为饰的蛋白又称为DCCD结合蛋白。结合蛋白。二环己基碳二亚胺二环己基碳二亚胺氧化磷酸化的解偶联和抑制1解偶联剂（解偶联剂（uncouplers）解解偶偶联联剂剂的的作作用用是是将将膜膜外外侧侧的的质质子子运运到到膜膜内内侧侧，破破坏坏质质子子梯梯度度，导导致致不不能能合合成成ATP，但但不不影影响响电子传递。电子传递。氧化磷酸化的解偶联和抑制2氧化磷酸化抑制剂（氧化磷酸化抑制剂（inhibitors）这这类类试试剂剂的的作作用用是是既既抑抑制制ATP的的合合成成，又又抑抑制制氧氧的的利利用用，但但不不直直接接抑抑制制电电子子传

39、传递递链链上上的的电电子子传传递递体体。寡寡霉霉素素就就是是属属于于这这类类抑抑制制剂剂,它它阻阻止止H+通过通过Fo。寡霉素对线粒体氧消耗的抑制作用氧化磷酸化的解偶联和抑制3离子载体（离子载体（ionophores）这这是是一一类类脂脂溶溶性性物物质质，如如缬缬氨氨霉霉素素，它它们们能能与与除除H+外外的的其其它它一一价价阳阳离离子子结结合合，从从膜膜外外侧侧运运到到膜膜内内侧侧，破破坏坏由由质质子子梯梯度度造造成成的的电电势势梯梯度度，从从而而抑制抑制ATP的合成。的合成。细胞溶胶内NADH的再氧化甘油甘油-3-磷酸磷酸穿梭途径穿梭途径细胞溶胶甘油细胞溶胶甘油-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶线粒

40、体甘油线粒体甘油-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶昆昆虫虫飞飞行行肌肌中中细胞溶胶内NADH的再氧化苹果酸苹果酸-天冬氨酸天冬氨酸穿梭途径穿梭途径心脏和肝脏细胞中发生心脏和肝脏细胞中发生氧化磷酸化的调控 电电子子传传递递受受可可用用底底物物量量和和ADP量量的的调调控控。在在测测定定底底物物量量和和ADP量量对对线线粒粒体体耗耗氧氧量量的的关关系系时时，既既无无可可氧氧化化的的底底物物又又无无ADP时时为为状状态态，加加入入ADP后后为为状状态态（无无可可用用的的底底物物），加加入入底底物物后后为为状状态态，ADP用用完完后后为为状状态态，再再加加入入ADP后后为为状状态态，氧氧耗耗尽尽后后为为状状态

41、态。状状态态的的耗耗氧氧速速率率与与状状态态的的耗耗氧速率之比为呼吸控制的定量表示法。氧速率之比为呼吸控制的定量表示法。线粒体呼吸的几种状态呼吸控制值的意义 完完整整的的线线粒粒体体其其呼呼吸吸控控制制值值可可高高达达10以以上上，而而受受损损伤伤或或衰衰老老的的线线粒粒体体此此比比值值可可低低至至1，这这表表明明电电子子传传递递已已与与ATP的的合合成成失失去去了了偶偶联联，虽虽然然电电子传递仍保持最大速度，但失去了磷酸化作用。子传递仍保持最大速度，但失去了磷酸化作用。1 1分子葡萄糖彻底氧化产生的ATP数 当当细细胞胞溶溶胶胶中中的的NADH通通过过甘甘油油-3-磷磷酸酸穿穿梭梭途径进入电子传递链时，为途径进入电子传递链时，为30个个ATP；当当细细胞胞溶溶胶胶中中的的NADH通通过过苹苹果果酸酸天天冬冬氨氨酸穿梭途径进入电子传递链时，为酸穿梭途径进入电子传递链时，为32个个ATP。详见详见P142表表24-5