1、第24章 生物氧化电子传递和氧化磷酸化作用(Biological oxidation electron transport and oxidative phosphorylation)一、氧化还原电势一、氧化还原电势二、电子传递和氧化呼吸链二、电子传递和氧化呼吸链三、氧化磷酸化作用三、氧化磷酸化作用一、氧化还原电势1.1.电池：电池：电子由负极流向正极，电流由正极流电子由负极流向正极，电流由正极流向负极，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.电解：电解：与外加电源的正极相连的是阳极，与与外加电源的正极相连的是阳极，与外加电源的负极相连的是阴极，
2、阳极上发生氧化外加电源的负极相连的是阴极，阳极上发生氧化反应，阴极上发生还原反应。反应，阴极上发生还原反应。3.3.可充电电池：可充电电池：当电池放电时，正极发生还原当电池放电时，正极发生还原反应，负极发生氧化反应；当给电池充电时，正反应，负极发生氧化反应；当给电池充电时，正极成为阳极，发生氧化反应，负极成为阴极，发极成为阳极，发生氧化反应，负极成为阴极，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
3、 能斯特方程能斯特方程 bannFRTEEln0电子供体电子受体两个电极组成电池的电动势两个电极组成电池的电动势 负极正极EEF:法拉弟常数法拉弟常数 96.5 kJ/Vmol 式中式中E 0 为标准电极电势，即反应物和产物的活为标准电极电势，即反应物和产物的活度都为度都为1（如果是气体则为（如果是气体则为1atm），温度），温度25下的下的电极电势。规定氢电极的标准电极电势为电极电势。规定氢电极的标准电极电势为0。令标准。令标准氢电极为负极，其它电极为正极，得到电池的电动氢电极为负极，其它电极为正极，得到电池的电动势，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
4、。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 acdbABArAonFRTBrBonFRTEElnln00cdabAoBrArBonFRTEln0abcdArBoAoBrnFRTEln0KeqnFRTEln0氧化还原反应的判据 对于氧化还原反应来说，对于氧化还原反应来说，反应可以自反应可以自发进行，发进行，是反应进行的限度。是反应进行的限度。如果已知两个氧还电对的标准电极电势，可如果已知两个氧还电对的标准电极电势，可以根据以根据G0=nFE 0计算计算出该反应的标准自由出该反应的标准自由能变化值。能变化值。00生物体中某些重要
5、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)+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)+0.3501/2
6、O2+2H+2e H2O+0.816二、电子传递和氧化磷酸化 柠檬酸循环及其它降解代谢途径产生还原型辅柠檬酸循环及其它降解代谢途径产生还原型辅酶，包括酶，包括NADH和和FADH2，将其携带的电子经过电，将其携带的电子经过电子传递，最终交给分子子传递，最终交给分子O2，形成，形成H2O。在电子传递。在电子传递过程中释放出大量的自由能，这些自由能被用来推过程中释放出大量的自由能，这些自由能被用来推动动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+H2
7、O G0=181.58 kJ/mol 线粒体结构图 柠檬酸循环在线粒体基质中进行，电子传递柠檬酸循环在线粒体基质中进行，电子传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 在糖酵解和柠檬酸循环中，在糖酵解和柠檬酸循环中，1分子葡萄糖完分子葡萄糖完全氧化可以生成全氧化可以生成10个个NADH和和2个个FADH2，它们它们氧化后可以释放出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
8、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 在电子传递链中，有一系列电子传递体，这在电子传递链中，有一系列电子传递体，这些电子传递体的排列顺序是根据它们的电极电位些电子传递体的排列顺序是根据它们的电极电位决定的。电子由决定的。电子由电极电位低的氧还电对电极电位低的氧还电对中的还原中的还原态电子传递体传向态电子传递体传向电极电位高的氧还电对电极电位高的氧还电对中的氧中的氧化态电子传递体。化态电子传递体。电子传递形成跨膜的质子梯度 在电子传递过程中，还在电子传递过程中，还伴随有伴随有H+从线粒体内膜从线粒体内膜的基质侧，向内膜的外侧运输，结
9、果造成跨线粒体的基质侧，向内膜的外侧运输，结果造成跨线粒体内膜的质子梯度，这样在膜内外既造成质子的浓度内膜的质子梯度，这样在膜内外既造成质子的浓度梯度，又造成电势梯度，这种电化学势梯度贮存有梯度，又造成电势梯度，这种电化学势梯度贮存有能量。也就是电子传递过程中释放的能量转变成跨能量。也就是电子传递过程中释放的能量转变成跨线粒体内膜的电化学势梯度中贮存的能量。当质子线粒体内膜的电化学势梯度中贮存的能量。当质子由膜的外侧向内侧运动时，推动由膜的外侧向内侧运动时，推动ATP合成。这个过合成。这个过程称为氧化磷酸化。程称为氧化磷酸化。电子传递链 呼吸电子传递链主要由蛋白质复合体组成，呼吸电子传递链主要
10、由蛋白质复合体组成，在线粒体内膜上有在线粒体内膜上有4种参与电子传递的蛋白质复种参与电子传递的蛋白质复合体，分别为合体，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）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 Chain
11、ComplexMass(kD)Sub-unitsProstheticGroupBinding Site for:N A D H-U Q reductase85030FMNFe-SNADH(matrix side)UQ(lipid core)Succinate-UQ reductase1404FADFe-SSuccinate(matrix side)UQ(lipid core)UQ-Cyt creductase24811Heme bLHeme bHHeme c1Fe-SCyt c(intermembrane space side)Cytochrome c oxidase16210Heme aHe
12、me a3CuACuBCyt c(intermembrane space side)电子传递链各个成员1.1.NADHQ还原酶还原酶 NADHQ还原酶又称为还原酶又称为NADH脱氢酶，简脱氢酶，简称为复合体称为复合体。该酶含有。该酶含有FMN辅基和辅基和Fe-S聚簇，聚簇，催化反应时，先将催化反应时，先将NADH的电子传递到的电子传递到FMN上，上，再传给再传给Fe-S聚簇，最后传给辅酶聚簇，最后传给辅酶Q。Fe-S聚簇有聚簇有几种类型，含有几种类型，含有Fe-S聚簇的蛋白质称为铁硫蛋聚簇的蛋白质称为铁硫蛋白，又称为非血红素铁蛋白。白，又称为非血红素铁蛋白。Fe-S聚簇通过其聚簇通过其中的中的
13、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传递每传递2个电子，可个电子，可驱动驱动4个个H+从膜内侧从膜内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 辅酶辅酶Q（Coenzyme Q）又称泛醌（又称泛醌（ubiquinone），），有时简称为有时简称为Q或或UQ，是一种脂溶性物质，它可以接受，是一种脂溶性物质，它可以接受1个电子还原成半醌中间体，再接受个电子还原成半
14、醌中间体，再接受1个电子还原成对苯个电子还原成对苯二酚形式。由于其脂溶性强，可以在线粒体内膜中扩二酚形式。由于其脂溶性强，可以在线粒体内膜中扩散。它有一个长长的碳氢侧链，哺乳动物中最常见的散。它有一个长长的碳氢侧链，哺乳动物中最常见的是具有是具有10个异戊二烯单位的侧链，简写为个异戊二烯单位的侧链，简写为Q10，在非哺，在非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-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 琥珀酸琥珀酸Q还原酶又称为复合体还原酶又称为复合体，完整的，完整的此酶
15、包括柠檬酸循环中的此酶包括柠檬酸循环中的琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶，琥珀酸，琥珀酸氧化为延胡索酸时脱下的氢还原了氧化为延胡索酸时脱下的氢还原了FAD，FADH2将电子传递给琥珀酸将电子传递给琥珀酸Q还原酶的还原酶的Fe-S聚簇，再聚簇，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 细胞色素还原酶又称复合体细胞色素还原酶又称复合体、辅酶、辅酶Q细细胞色素胞色素c还原酶。它的作用是将还原型辅酶还原酶。它的作用是将还原型辅酶Q的的电子传递给细胞色素电子传递给细胞色素c。细胞色素还原酶中含有。细胞色素还原酶中含有细胞色素细胞色素b，也含有，
16、也含有2Fe-2S聚簇。聚簇。细胞色素（cytochrome)细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白质的总称。还原型细胞色素具有明显的白质的总称。还原型细胞色素具有明显的可见光吸可见光吸收收，可以看到，可以看到、和和三个吸收峰，其中三个吸收峰，其中峰的波长峰的波长随细胞色素种类的不同而各有特异的变化，可用来随细胞色素种类的不同而各有特异的变化，可用来区分不同的细胞色素。氧化型细胞色素在可见光区区分不同的细胞色素。氧化型细胞色素在可见光区看不到吸收峰。细胞色素中的血红素有三种，分别看不到吸收峰。细胞色素中的血红素有三种，分别称为细胞色素称为细胞色素a、
17、b和和c，同一种细胞色素血红素因结，同一种细胞色素血红素因结合的蛋白质不同，其合的蛋白质不同，其吸收峰的波长会发生小的变化，吸收峰的波长会发生小的变化，如细胞色素还原酶中含有的细胞色素如细胞色素还原酶中含有的细胞色素b就分为就分为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细胞色素细胞色素abLbHcc1600566562550554波长波长/nm532521524439429415418细胞色素还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
18、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 细胞色素细胞色素 c 是一个分子量是一个分子量13000的单链球形蛋的单链球形蛋白质，直径白质，直径3.4nm，由，由104个氨基酸残基组成，含个氨基酸残基组成，含有一个血红素辅基。它是唯一能溶于水的细胞色素，有一个血红素辅基。它是唯一能溶于水的细胞色素，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 第三个硫原子来自第三个硫原子来自Met，配位到，配位到Fe上上。电子传递链各个成员 细胞色素氧化酶又称为复合体细胞色素氧化酶又称为复合体、细、细胞色素
19、胞色素 c 氧化酶。它的作用是将还原型细氧化酶。它的作用是将还原型细胞色素胞色素 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传递每传递2 2个电子可个电子可以运出以运出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 伴随着伴随着线粒体内膜上的线粒体内膜上的电子传递，电子传递，ADP与与Pi合合成成ATP的过程称为氧化
20、磷酸化作用（的过程称为氧化磷酸化作用（oxidative phosphorylation）。相应地，我们将在代谢途径中）。相应地，我们将在代谢途径中由含磷酸的底物直接把磷酸基团转到由含磷酸的底物直接把磷酸基团转到ADP上形成上形成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 用组织匀浆以及组织切片做的实验表明，组织利用组织匀浆以及组织切片做的实验表明，组织利用用O2的同时，的同时，ATP含量随之增加，每消耗含量随之增加，每消耗1个个O原子约原子约合成合成3个个ATP分子。这个比例称为分子。这个比例称为P/O比。比。P/O比又可比又可以看作是一对电子通过呼吸电子传递链传
21、至以看作是一对电子通过呼吸电子传递链传至O2所产生所产生的的ATP分子数。根据分子数。根据P/O比为比为3，人们认为在电子传递，人们认为在电子传递链中，链中，ATP是在是在3个不连续的部位生成的，根据电子传个不连续的部位生成的，根据电子传递链中各环节释放的能量，也确实有递链中各环节释放的能量，也确实有3个部位释放的能个部位释放的能量大于合成量大于合成ATP所需的能量。所需的能量。FADH2进入电子传递链进入电子传递链后的后的P/O比为比为2，说明它绕过了，说明它绕过了1个生成个生成ATP的部位。的部位。现现在认为氧化在认为氧化1个个NADH可以产生可以产生2.5个个ATP，氧化，氧化1个个FA
22、DH2可以产生可以产生1.5个个ATP。ATP的合成部位 线粒体内膜上有许多球形突起，称为内膜球体线粒体内膜上有许多球形突起，称为内膜球体（inner membrane sphere）。这些球体通过一个柄）。这些球体通过一个柄连接到内膜中的基座上，我们把球体和柄合称为连接到内膜中的基座上，我们把球体和柄合称为F1，基座称为基座称为Fo，F1和和Fo合称复合体合称复合体。在离体条件下，。在离体条件下，这种复合体有水解这种复合体有水解ATP的活性，所以开始称它为的活性，所以开始称它为ATP酶，后来发现在完整的线粒体中它的功能是合酶，后来发现在完整的线粒体中它的功能是合成成ATP，现在称它为，现在称
23、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 化学偶联假说是化学偶联假说是1953年年Edward Slater最先最先提出来的。他认为电子传递过程中产生一种活提出来的。他认为电子传递过程中产生一种活泼的高能共价中间物，它随后的裂解驱动合成泼的高能共价中间物，它随后的裂解驱动合成ATP，就像底物水平磷酸化那样。但是在氧化，就像底物水平磷酸化那样。但是在氧化磷酸化中一直没有找到任何一种活泼的高能中磷酸化中一直没有找到任何一种活泼的高能中间产物。间产物。能量偶联假说（2）构象偶联假说）构象偶联假说 这一假说是这一假说是1964
24、年年Paul Boyer最先提出来的。最先提出来的。他认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜蛋白他认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜蛋白质发生了构象变化，形成一种高能态。通过合成质发生了构象变化，形成一种高能态。通过合成ATP使蛋白质恢复到原来的构象。这一假说至今使蛋白质恢复到原来的构象。这一假说至今也未能找到有力的实验证据。但是在也未能找到有力的实验证据。但是在ATP的合成的合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 这一假说是这一假说是1961年由英国生物化学家年由英国生物化学家Peter Mitch
25、ell最先提出的。他认为电子传递释放出的自最先提出的。他认为电子传递释放出的自由能及由能及ATP合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。也就是说，电子传递释放的自由能驱动相偶联的。也就是说，电子传递释放的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的跨线粒体内膜的H+电化学梯度。这个梯度的电化学电化学梯度。这个梯度的电化学势驱动势驱动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。线粒体内膜对线
26、粒体内膜对H+、OH、K+、Cl等离子都是等离子都是不通透的。不通透的。破坏破坏H+浓度梯度的形成都必将破坏氧化磷酸化浓度梯度的形成都必将破坏氧化磷酸化作用。作用。线粒体内膜上的电子传递能够将线粒体内膜上的电子传递能够将H+从基质运输从基质运输到膜间隙。到膜间隙。人造的脂质小泡上重组细菌紫膜质和人造的脂质小泡上重组细菌紫膜质和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 contri
27、bution 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 质子逆电化学梯度跨过线粒体内膜的自由质子逆电化学梯度跨过线粒体内膜的自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，即膜内外的电势差。是
28、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 该机制由该机制由Mitchell提出。他认为电子传递提出。他认为电子传递链中有一些电子传递体既可以传递电子，也可链中有一些电子传递体既可以传递电子，也可以结合以结合H+，当它们被还原时，在膜内侧结合，当它们被还原时，在膜内侧结合H+，而被氧化时，在膜外侧释放，而被氧化时，在膜外侧释放H+，这样就，这样就把把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 这个机制的内容是，电子传递导致复合这个机制的内容是，电子传递导
29、致复合体构象的变化，氨基酸残基在膜内侧结合体构象的变化，氨基酸残基在膜内侧结合H+，构象变化后在膜外侧释放构象变化后在膜外侧释放H+，从而把，从而把H+从膜从膜内侧运到膜外。内侧运到膜外。合成ATP与跨膜质子的数量关系 在生理条件下合成在生理条件下合成1个个ATP所需的自由能所需的自由能大约为大约为4050kJ/mol。至少需要两个质子跨膜。至少需要两个质子跨膜回流释放的能量才够合成回流释放的能量才够合成1个个ATP。因为转移。因为转移出膜外的质子有一部分漏回膜内，测定的结果出膜外的质子有一部分漏回膜内，测定的结果表明，每合成表明，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
30、与质子泵出相偶联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种肽链组成，种肽链组成，33。Fo由由3种疏水亚种疏水亚基组成，基组成，a 1b 2 c 9-12。Fo形成跨膜的管道，质子通形成跨膜的管道，质子通过此管道流回到膜内侧时驱动过此管道流回到膜内侧时驱动ATP合成。合成。F1的的、和和亚基分别由亚基分别由510、482、272、146和和50个氨基酸残基组成，个氨基酸残基组成，F1的总分子量为的总分子量为371kD。、亚基是同源的，每一个亚基有亚基是同源的，每一个亚基有1个个ATP结合位点，结合位
31、点，催化位点在催化位点在亚基上，亚基上，亚基上亚基上ATP结合位点的功结合位点的功能还不清楚，因为缺失这个位点并不影响能还不清楚，因为缺失这个位点并不影响F1的活的活性。性。ATP合成与蛋白质构象变化 John Walker及其同事测定了及其同事测定了F1的结构，的结构，F1ATP合酶是一个不对称的结构，合酶是一个不对称的结构，3个个亚基有亚基有3种不种不同的构象。同的构象。Walker研究发现，一个研究发现，一个亚基亚基ATP结合结合位点结合有位点结合有AMP-PNP（一种不能被水解的（一种不能被水解的ATP类类似物），另一个结合有似物），另一个结合有ADP，第三个位点是空的。，第三个位点是
32、空的。这个发现与这个发现与Paul Boyer提出的关于提出的关于ATP合成的结合合成的结合变化机制（变化机制（binding change mechanism）相符，结）相符，结合变化机制认为，合变化机制认为，3个反应位点协调地依次通过个反应位点协调地依次通过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亚基排列成环，亚基
33、排列成环，c亚基的构象是一对反平行亚基的构象是一对反平行的跨膜螺旋，在的跨膜螺旋，在内膜外内膜外侧由一个短的发卡环连接。侧由一个短的发卡环连接。c亚基环形成一个转子（亚基环形成一个转子（rotor），相对于），相对于a亚基旋转，亚基旋转，a亚基作为定子（亚基作为定子（stater），），a亚基由亚基由5个跨膜的个跨膜的螺旋螺旋组成，在膜的每一侧有质子流动的通道（组成，在膜的每一侧有质子流动的通道（proton access channels）。）。亚基将亚基将F1和和Fo连接起来，在连接起来，在ATP合成时合成时亚基也相对于亚基也相对于()3复合体旋转。复合体旋转。亚亚基固着在基固着在c亚基转
34、子上，它们可以一起转动。亚基转子上，它们可以一起转动。b亚基有亚基有1个跨膜片段和个跨膜片段和1个长的亲水头部，完整的定子由个长的亲水头部，完整的定子由b亚亚基固着在基固着在a亚基的一端，并通过亚基的一端，并通过亚基与亚基与()3结合结合在一起。在一起。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
35、in the FoF1 complex as directly observed by in vitro 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 转子每一个亚基上有一个重要的残基转子每一个亚基上有一个重要的残基Asp61，将这个将这个Asp突变成突变成Asn将失去将失去ATP合酶活性。合酶活性。c转子转子相对于定子的旋转可能依赖于相对
36、于定子的旋转可能依赖于Asp61上负电荷的中上负电荷的中和。质子从和。质子从a亚基的胞质溶胶侧的通道进入，质子化亚基的胞质溶胶侧的通道进入，质子化Asp61，推动转子旋转，直到到达，推动转子旋转，直到到达a亚基的基质侧质亚基的基质侧质子通道，子通道，Asp61上的质子再解离通过此通道进入膜上的质子再解离通过此通道进入膜内侧。这样的旋转能够引起内侧。这样的旋转能够引起亚基相对于亚基相对于()3复合复合体旋转，导致体旋转，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 th
37、erotation of the c ring using two half-channels on the a 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,USAUn
38、ited KingdomMRC Laboratory of Molecular Biology Cambridge,United KingdomJohn E.WalkerF1Fo ATP合酶的抑制剂 在在ATP合酶的柄部有一种寡霉素敏感性授予合酶的柄部有一种寡霉素敏感性授予蛋白（蛋白（oligomycin-sensitivity-conferring protein，OSCP），这种蛋白使复合体对寡霉素敏感，使得），这种蛋白使复合体对寡霉素敏感，使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。二环己基碳二亚胺（二环己基碳二亚胺（dicyclohexylca
39、rbodi-imide，DCCD）能够修饰）能够修饰Fo蛋白中某亚基的蛋白中某亚基的Glu残基，导致抑制质子通过残基，导致抑制质子通过Fo，这种能被，这种能被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）解偶联剂的作用是将膜外侧的质子运到膜内解偶联剂的作用是将膜外侧的质子运到膜内侧，破坏质子梯度，导致不能合成侧，破坏质子梯度，导致不能合成ATP，但不影，但不影响电子传递。响电子传递。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）这类试剂
40、的作用是既抑制这类试剂的作用是既抑制ATP的合成，又抑的合成，又抑制氧的利用，但不直接抑制电子传递链上的电子制氧的利用，但不直接抑制电子传递链上的电子传递体。寡霉素就是属于这类抑制剂传递体。寡霉素就是属于这类抑制剂,它它阻止阻止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）这是一类脂溶性物质，如缬氨霉素，它们能这是一类脂溶性物质，如缬氨霉素，它们能与除与除H+外的其它一价阳离子结合，从膜外侧运到外的其它一价阳离子结合，从膜外侧运到膜内侧，破坏由质子梯度造成的电势梯度，从而膜内侧，破坏由质子梯度造成的电势梯度，从而抑制抑制AT
41、P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体甘油线粒体甘油-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶昆虫飞行肌昆虫飞行肌中中细胞溶胶内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 电子传递受电子传递受可用底物量可用底物量和和ADP量量的调控。在测的调控。在测定底物量和定底物量和ADP量对线粒体耗氧量的关系时，既无量对线粒体耗氧量的关系时，既无可氧化的底物又无可氧化的底物又无ADP时为状态时为状态，加入，加入ADP后为后为状态状态（无可用的底物）
42、，加入底物后为状态（无可用的底物），加入底物后为状态，ADP用完后为状态用完后为状态，再加入，再加入ADP后为状态后为状态，氧，氧耗尽后为状态耗尽后为状态。状态。状态的耗氧速率与状态的耗氧速率与状态的耗的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 完整的线粒体其呼吸控制值可高达完整的线粒体其呼吸控制值可高达10以上，以上，而受损伤或衰老的线粒体此比值可低至而受损伤或衰老的线粒体此比值可低至1，这表，这表明电子传递已与明电子传递已与ATP的合成失去了偶联，虽然电的合成失去了偶联，虽然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 当细胞溶胶中的当细胞溶胶中的NADH通过甘油通过甘油-3-磷酸穿梭磷酸穿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；当细胞溶胶中的当细胞溶胶中的NADH通过苹果酸天冬氨通过苹果酸天冬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
