[化学ppt ]生物化学课件.ppt
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1、节节OxidativephosphorylationOxidativephosphorylation一一.氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理What is oxidative phosphorylation氧化磷酸化(氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指细胞内伴随有机物氧化,利用生物氧化是指细胞内伴随有机物氧化,利用生物氧化过程中释放的自由能,促使过程中释放的自由能,促使ADP与无机磷酸与无机磷酸结合生成结合生成ATP的过程。的过程。?一一.氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理 20世世纪纪30年年代代包包括括德德国国生生物物化化学学家家、诺诺贝贝尔尔奖奖获获得得者者
2、Meyerhof&Warburg在在内内的的许许多多生生化化学学家家对对代代谢谢过过程程中中能能量量的的产产生生和和利利用用作作了了深深入入研研究究,发发现现无无论论在在糖糖酵酵解解或或三三羧羧酸酸循循环环等等代代谢谢过过程程中中,都都有有伴伴随随着着ATP磷磷酸酸根根的的放放出出或或ADP得得到到磷磷酸酸根根的的变变化化这这类类化化学学能能量量高高效效率率的的传传递递方方式式,指指出出腺腺苷苷三三磷磷酸酸(ATP)是是代代谢谢中中能能量量产产生生和和利利用用的关键化合物。的关键化合物。一一.氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理 1941年年Fritz Lipmann引引入入“高高能能磷磷酸酸键键
3、(P)”的的概概念念。1949年年美美国国生生化化学学家家Eugene Kennedy和和Albert Lehninger发发现现线线粒粒体体含含有有三三羧羧酸酸循循环环和和呼呼吸吸链链所所需需要要的的全全部部酶酶系系统统,并并且且发发现现生生物物氧氧化化与与ADP磷磷酸酸化化相相偶偶联联构构成成了了氧氧化化磷磷酸酸化化。但但是是,NADH的的氧氧化化和和电电子子传传递递过过程程是是如如何何与与ADP磷磷酸酸化化生生成成ATP反反应应偶偶联起来一直不清楚。联起来一直不清楚。一一.氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理关于这一问题目前至少有三种假说关于这一问题目前至少有三种假说 比较著名的假说有三个:
4、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”。这这个个假假说说是是1953年年由由Edward Slater最最先先提提出出。假假说说认认为为在在NADH氧氧化化和和电电子子传传递递过过程程中中产产生生了了一一种种活活泼泼的的高高能能共共价价中中间间物物,通通过过此此中中间间物物进进一一步步氧氧化化产产生生的的能能量量来来驱驱动动ATP的的合合成成。这这一一假假说说完完全全是是依依据据底底物物水水平平磷磷酸酸化化机机理理提提出出的的,例例如如在在糖糖酵酵解解中中,由由3-磷磷酸酸甘
5、甘油油醛醛脱脱氢氢酶酶催催化化的的反反应应就就产产生生了了一一种种活活泼泼且且具具有有高高能能磷磷酸酸基基转转移移势势能能的的酰酰基基磷磷酸酸化化合合物物1,3-二二磷磷酸酸甘甘油油,随随后后其其分分子子中中的的高高能能磷磷酸酸基基团团在在磷磷酸酸甘甘油油酸酸激激酶酶的的作作用用下下被被转转移移到到ADP生生成成ATP。虽虽然然在在糖糖酵酵解解过过程程中中存存在在这这种种例例证证,但但是是人人们们至至今今未未能能在在线线粒粒体体中中分分离离到到与与之之相类似的高能共价中间物。相类似的高能共价中间物。化学偶联假说化学偶联假说 Chemical coupling hypothesis 这这个个假假
6、说说是是1964年年由由P.D.Boyer提提出出。该该假假说说认认为为作作为为电电子子传传递递体体的的蛋蛋白白质质有有两两种种不不同同的的构构象象:低低能能构构象象和和高高能能构构象象。电电子子传传递递的的结结果果使使低低能能构构象象转转变变为为高高能能构构象象,后后者者再再将将能能量量传传递递给给F0-F1-ATP合合成成酶酶,使使之之也也发发生生构构象象变变化化,从从而而推推动动ADP磷磷酸酸化化形形成成ATP。这这种种假假说说有有一一定定的的实实验验根根据据,在在电电子子沿沿呼呼吸吸链链流流动动时时,观观察察到到线线粒粒体体内内膜膜发发生生迅迅速速的的物物理理变变化化,但但由由于于测测
7、定定构象比较困难,支持这个假说的实验太少。构象比较困难,支持这个假说的实验太少。构象偶联假说构象偶联假说 Conformational coupling hypothesis 英英国国生生物物化化学学家家Peter D Mitchell在在1961年年提提出出化化学学渗渗透透假假说说,由由于于该该假假说说提提出出后后逐逐渐渐拥拥有有越越来来越越多多的的实实验验证证据据,因因而而成成为为目目前前解解释释氧氧化化磷磷酸酸化化偶偶联联机机理理最最为为公公认认的的一一种种假假说说,并并且且Peter Mitchell因提出该假说而获得了因提出该假说而获得了1978年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。化
8、学渗透学说化学渗透学说 Chemiosmotic hypothesis电电子子传传递递体体在在线线粒粒体体内内膜膜上上有有着着不不对对称称分分布布,传传氢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;Chemiosmotic hypothesiskey points一一.氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理复复合合物物I、III、IV将将H+从从基基质质内内泵泵向向内内膜膜的的外外侧侧,而将电子传向其后的电子传递体;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内膜膜对对质质子子不不具具有有通通透透性性,这这样样在在内内膜
9、膜两两侧侧形形成成质质子子浓浓度度梯梯度度,这这就就是是推推动动ATPATP合合成成的原动力;的原动力;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当当存存在在足足够够高高的的跨跨膜膜质质子子化化学学梯梯度度时时,强强大大的的质质子子流流通通过过F1-F0-ATPase进进入入基基质质时时,释释放放的的自自由由能能推动推动ATP合成。合成。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The reconstituted vesicles containing ATP synthase and bacteriorhodopsin,a light-driven p
10、roton pump,reported by Efraim Racker and Walther Stoeckenius in 1974化学渗透学说化学渗透学说(min)0306090120A 492-0,06-0,04-0,020,000,02ATPGramicidinAOADP+PAOH+AOH+ATPi一一.氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理 F1:球球形形头头部部,伸伸入入线线粒粒体体基基质质,由由五五种种亚亚基基组组成成 3 3 ,是是ATP合酶的催化部分;合酶的催化部分;F0:横横贯贯线线粒粒体体内内膜膜,含含有有质质子子通通道道,由由十十多多种种亚亚基基组组成成。位位于于F1与与F
11、0之之间间的的柄柄含含有有寡寡霉霉素素敏感性蛋白。敏感性蛋白。F1-F0-ATPase复合物复合物一一.氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理 由由上上述述化化学学渗渗透透假假说说可可知知,该该模模型型必必需需具具备备两两个个条条件件:一一是是线线粒粒体体内内膜膜必必须须是是质质子子不不能能透透过过的的封封闭闭系系统统,否否则则质质子子梯梯度度将将不不复复存存在在;二二是是要要求求呼呼吸吸链链和和ATPATP合合酶酶在在线线粒粒体体内内膜膜中中定定向向地地组组织织在在一一起起,并并定向地传递质子、电子和进行氧化磷酸化反应。定向地传递质子、电子和进行氧化磷酸化反应。重重 要要一一.氧化磷酸化的机理氧化
12、磷酸化的机理 目目前前这这两两方方面面都都获获得得了了一一些些实实验验证证据据,例例如如能能携携带带质质子子穿穿过过线线粒粒体体内内膜膜的的物物质质(如如2,4-二二硝硝基基苯苯酚酚)可可破破坏坏线线粒粒体体内内膜膜对对质质子子的的透透性性壁壁垒垒,使使质质子子电电化化学学梯度消失。梯度消失。另另外外根根据据测测算算,膜膜间间隙隙的的pH较较内内膜膜低低1.4个个单单位位,并且线粒体内膜两侧原有的外正内负跨膜电位升高。并且线粒体内膜两侧原有的外正内负跨膜电位升高。重重 要要一一.氧化磷酸化的机理氧化磷酸化的机理F1-F0-ATPaseF1-F0-ATPase复合物复合物P/OP/O(磷磷氧氧比
13、比):在在生生物物氧氧化化过过程程中中,伴伴随随ADPADP磷磷酸酸化化所所消消耗耗的的无无机机磷磷酸酸的的磷磷原原子子数数与与消消耗耗的的分分子子氧氧的的氧氧原原子子数数之之比比。即即每每消消耗耗1 1个个氧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经经呼呼吸吸链链完完全全氧氧化化时时,P/O为为 3,即即1 1分分子子的的NADHNADH通通过过呼呼吸吸链链将将电电子子最最终终传传递递给给O O2 2可可产产生生 3 3 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
14、化磷酸化的P/O比比FADH2 2经经呼呼吸吸链链完完全全氧氧化化时时,P/O为为 2,即即1 1分分子子的的FADHFADH2 2通通过过呼呼吸吸链链将将电电子子最最终终传传递递给给O O2 2可可产生产生 2 2 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?二二.氧化磷酸化的氧化磷酸化的P/O比比 但是但是,近年来很多实验结果都证明,以近年来很多实验结果都证明,以NADH作作为电子供体时,测得的为电子供体时,测得的P/O比值大于比值大于2。以琥珀酸作为。以琥珀酸作为电子供体时,侧得的电子供体时,侧得的P/O比值大于比值大于1;所以;所以P/O比
15、值不比值不一定是整数。例如,一定是整数。例如,-羟丁酸经过羟丁酸经过NADH途径的途径的P/O比值为比值为2.42.6,产生的,产生的ATP数目为数目为2.5;而琥珀酸经;而琥珀酸经过过FADH2的的P/O比值为比值为1.7,产生的,产生的ATP数目为数目为1.5。二二.氧化磷酸化的氧化磷酸化的P/O比比 因此,因此,虽然电子转移伴随着虽然电子转移伴随着ATP的合成,但不能的合成,但不能仅以仅以P/O比值作为比值作为ATP生成数的依据,而应考虑一对电生成数的依据,而应考虑一对电子从子从NADH或或FADH2传递到氧的过程中,有多少质子传递到氧的过程中,有多少质子从线粒体基质泵出,以及有多少质子
16、必须通过从线粒体基质泵出,以及有多少质子必须通过ATP合合酶返回基质以用于酶返回基质以用于ATP的合成,这样才能从本质上确的合成,这样才能从本质上确定定ATP的生成数量。的生成数量。二二.氧化磷酸化的氧化磷酸化的P/O比比 目前被广泛接受的观点是:目前被广泛接受的观点是:ATP、ADP和无机磷和无机磷酸通过线粒体内膜的转运是由酸通过线粒体内膜的转运是由ATP-ADP载体和磷酸转载体和磷酸转位酶催化的。已知每合成位酶催化的。已知每合成1个个ATP需要需要3个质子通过个质子通过ATP合酶。与此同时,把一个合酶。与此同时,把一个ATP分子从线粒体基质分子从线粒体基质转运到胞液需要消耗转运到胞液需要消
17、耗1个质子,所以每形成个质子,所以每形成1个分子的个分子的ATP就需要就需要4个质子的流动。因此,如果一对电子通过个质子的流动。因此,如果一对电子通过NADH电子传递链可泵出电子传递链可泵出10个质子,则可形成个质子,则可形成2.5 个个分子分子ATP;如果一对电子通过如果一对电子通过FADH2电子传递链有电子传递链有6个质子泵出,则可形成个质子泵出,则可形成1.5个个ATP分子。分子。三三.ATP酶酶-构象偶联假说构象偶联假说 该假说是该假说是 1964年由美国生物化学家年由美国生物化学家Paul Boyer最先提出,他认为电子传递过程中,线粒体内膜上的最先提出,他认为电子传递过程中,线粒体
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