南京农业大学生物化学课件23

发布于:2021-06-20 13:41:11

第三节 Oxidative phosphorylation 一. 氧化磷酸化的机理 ?What is oxidative phosphorylation 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 过程中释放的自由能,促使ADP与无机磷酸 结合生成ATP的过程。 一. 氧化磷酸化的机理 20世纪30年代包括德国生物化学家、诺贝尔 奖获得者Meyerhof & Warburg在内的许多生化 学家对代谢过程中能量的产生和利用作了深入研 究,发现无论在糖酵解或三羧酸循环等代谢过程 中,都有伴随着ATP磷酸根的放出或 ADP得到磷 酸根的变化这类化学能量高效率的传递方式,指 出腺苷三磷酸(ATP)是代谢中能量产生和利用 的关键化合物。 一. 氧化磷酸化的机理 1941年Fritz Lipmann引入“高能磷酸键 (~P)” 的概念。1949年美国生化学家Eugene Kennedy和 Albert Lehninger发现线粒体含有三羧酸循环和呼吸 链所需要的全部酶系统,并且发现生物氧化与ADP磷 酸化相偶联构成了氧化磷酸化。但是,NADH的氧化 和电子传递过程是如何与ADP磷酸化生成ATP反应偶 联起来一直不清楚。 一. 氧化磷酸化的机理 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: 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”。 化学偶联假说 Chemical coupling hypothesis 这个假说是1953年由Edward Slater最先提出。 假说认为在NADH氧化和电子传递过程中产生了一种 活泼的高能共价中间物,通过此中间物进一步氧化产 生的能量来驱动ATP的合成。这一假说完全是依据底物 水*磷酸化机理提出的,例如在糖酵解中,由3-磷酸 甘油醛脱氢酶催化的反应就产生了一种活泼且具有高 能磷酸基转移势能的酰基磷酸化合物1,3-二磷酸甘油 ,随后其分子中的高能磷酸基团在磷酸甘油酸激酶的 作用下被转移到ADP生成ATP。虽然在糖酵解过程中存 在这种例证,但是人们至今未能在线粒体中分离到与 之相类似的高能共价中间物。 构象偶联假说 Conformational coupling hypothesis 这个假说是1964年由P.D.Boyer提出。该假说认 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为 高能构象,后者再将能量传递给F0-F1-ATP合成酶, 使之也发生构象变化,从而推动ADP磷酸化形成ATP。 这种假说有一定的实验根据,在电子沿呼吸链流动时 ,观察到线粒体内膜发生迅速的物理变化,但由于测 定构象比较困难,支持这个假说的实验太少。 化学渗透学说 Chemiosmotic hypothesis 英国生物化学家Peter D Mitchell在1961年提出 化学渗透假说,由于该假说提出后逐渐拥有越来越 多的实验证据,因而成为目前解释氧化磷酸化偶联 机理最为公认的一种假说,并且Peter Mitchell因 提出该假说而获得了1978年的诺贝尔化学奖。 Chemiosmotic hypothesis—key points ? 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; 化学渗透学说 一. 氧化磷酸化的机理 ? 复合物I、III、IV将H+从基质内泵向内膜的外侧 ,而将电子传向其后的电子传递体; 化学渗透学说 ? 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; 一. 氧化磷酸化的机理 化学渗透学说 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 The reconstituted vesicles containing ATP synthase and bacteriorhodopsin, a light-driven proton pump, reported by Efraim Racker and Walther Stoeckenius in 1974 一. 氧化磷酸化的机理 ATP ADP + P i 0,02 ATP 0,00 A 492 AO AO -0,02 H+ AOH + -0,04 Gramicidin -0,06 0 30 60 90 120 (min) F1-F0-ATPase复合物 F1: 球 形 头 部 , 伸 入 线粒体基质,由五种亚 基组成?3?3? ? ?,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。 一. 氧化磷酸化的机理 重要 一. 氧化磷酸化的机理 由上述化学渗透假说可知,该模型必需具备两 个条件:一是线粒体内膜必须是质子不能透过的封 闭系统,否则质子梯度将不复存在;二是要求呼吸 链和ATP合酶在线粒体内膜中定向地组织在一起, 并定向地传递质子、电子和进行氧化磷酸化反应。 重要 一. 氧化磷酸化的机理 目前这两方面都获得了一些实验证据,例如能携 带质子穿过线粒体内膜的物质(如2,4-二硝基苯酚 )可破坏线粒体内膜对质子的透性壁垒,使质子电化 学梯度消失。 另外根据测算,膜间隙的pH较内膜低1.4个单位 ,并且线粒体内膜两侧原有的外正内负跨膜电位升高 。 F1-F0-ATPase 复 合 物 一. 氧化磷酸化的机理 二. 氧化磷酸化的P/O比 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

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