二、氧化磷酸化 (一)磷酸化的概念及类型 生物氧化过程中释放的自由能,促使ADP形成ATP的方式一般有两种,即底物水平的磷酸化和氧化磷酸化。 1.底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)指底物脱氢(或脱水),其分子内部所含的能量重新分布,即可生成某些高能中间代谢物,再通过酶促磷酸基团转移反应直接偶联ATP的生成。在高等植物中以这种形式形成的ATP只占一小部分,糖酵解过程中有两个步骤发生底物水平磷酸化: (1) 甘油醛-3-磷酸被氧化脱氢,生成一个高能硫酯键,再转化为高能磷酸键,其磷酸基团再转移到ADP上,形成ATP。 (2) 2-磷酸甘油酸通过烯醇酶的作用,脱水生成高能中间化合物(PEP),经激酶催化转移磷酸基团到ADP上,生成ATP。 在TCA循环中,α-酮戊二酸经氧化脱羧形成高能硫酯键,然后再转化形成高能磷酸键生成ATP。 2. 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation) 是指电子从NADH或FADH2经电子传递链传递给分子氧生成水,并偶联ADP和Pi生成ATP的过程。它是需氧生物合成ATP的主要途径。电子沿呼吸链由低电位流向高电位是个逐步释放能量的过程。有些学者认为,电子在两个电子传递体之间传递转移时释放的能量如可满足ADP磷酸化形成ATP的需要时, 即视为氧化磷酸化的偶联部位(coupled site)或氧化磷酸化位点。2mol电子在从NADH传递到O2这一氧化过程中,其自由能变化△G°′为-220kJ·mol-1。已知在pH为7和存在Mg2+的条件下,由ADP磷酸化形成ATP至少需要 35.1kJ·mol-1的能量,电子从NADH到UQ之间△G°′为-51.90kJ·mol-1(部位I),从Cyt b到Cyt c之间△G°′为-38.5kJ·mol-1(部位Ⅱ),从Cytaa3到O2之间△G°′为-103.81kJ·mol-1部位Ⅲ),这样在三个部位释放的能量都大于35.1kJ·mol-1,即都足以分别合成 1molATP。 氧化磷酸化作用的活力指标为P/O比,是指每消耗一个氧原子有几个ADP变成ATP。呼吸链从NADH开始至氧化成水,可形成3分子的ATP,即P/O比是3。NADH+H++3ADP+3Pi+1O2NAD++3ATP+H2O(5-15)如从琥珀酸脱氢生成的FADH2通过泛醌进入呼吸链,则只形成2分子的ATP,即P/O比是2。 FADH2+2ADP+2Pi+O2→FAD+2ATP+H2O (5-16) (二)氧化磷酸化的机理 在电子传递过程中所释放出的自由能是怎样转入ATP分子中的, 这就是氧化磷酸化作用的机理问题。有多种假说,如化学偶联学说、化学渗透学说和构象学说。不过,目前为大家所公认的、实验证据较充足的是英国生物化学家米切尔的化学渗透学说。根据该学说的原理,呼吸链的电子传递所产生的跨膜质子动力是推动ATP合成的原动力(图5-13)。其要点如下: 图 5-13 化学渗透偶联机制示意图 1.呼吸传递体不对称地分布在线粒体内膜上 呼吸链上的递氢体与电子传递体在线粒体内膜上有着特定的不对称分布,彼此相间排列,定向传递。 2.呼吸链的复合体中的递氢体有质子泵的作用 它可以将H+从线粒体内膜的内侧泵至外侧。一般来说一对电子从NADH传递到O2时,共泵出6个H+。从FADH2开始,则共泵出4个H+。膜外侧的H+,不能自由通过内膜而返回内侧,这样在电子传递过程中,在内膜两侧建立起质子浓度梯度(△pH)和膜电势差(△E),二者构成跨膜的H+电化学势梯度△μH+,若将△μH+转变为以电势V为单位,则为质子动力[见(4-32)式]。 质子的浓度梯度越大,则质子动力就越大,用于合成ATP的能力越强。 3.由质子动力推动ATP的合成 质子动力使H+流沿着ATP酶(偶联因子)的H+广西气排球比赛规则通道进入线粒体基质时,释放的自由能推动ADP和Pi合成ATP(图5-14)。 化学渗透学说已得到充足的实验证据。当把线粒体悬浮在无O2缓冲液中,通入O2时,介质很快酸化,跨膜的H+浓度差可以达到1.5pH单位,电势差达0.5V,内膜的外表面对内表面是正的,并保持相对稳定,证实内膜不允许外侧的H+渗漏回内膜内侧。但当加入解偶联剂2,4-二硝基苯酚(DNP)时,跨膜的H+浓度差和电势差就不能形成,就会阻止ATP的产生。有人将嗜盐菌的紫膜蛋白和线粒体ATPase嵌入脂质体,悬浮在含ADP和Pi溶液中,在光照下紫膜蛋白从介质中摄取H+,产生跨膜的H+浓度差,推动ATP的合成。当人工建立起跨内膜的合适的H+浓度差时,也发现ADP和Pi合成了ATP。 图 5-14 ATP生成过程中构造变化的模型。 F1复合物有三个核苷酸结合位点。每一部位有三种完全不同的结构状态。松散的核苷酸结合部位(L),紧密核苷酸结合部位(T)和开放核苷酸结合部位(O)。在任何时候。F1复合物包括这三种不同的结构,其中有一个与酶复合物的每一个催化中心相连。ADP和Pi开始被结合到开放状态未被占有的部位(1)。质子运动通过F0释放能量引起γ亚单位旋转。这种旋转自发改变了三个核苷酸结合位点的构造。结合有ATP的T型被转变成O型,ATP被释放出来。同时,结合有ADP和Pi的L型被转化成T型,疏水性的结合正有利于ATP生成。第上步中结合ADP和Pi的开放部位转化或松散型结构(2)。被紧密结合的ADP和Pi转化生成ATP,此步骤不需消耗能量和构型改变(3) (三)氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂 线粒体电子传递链的抑制剂。图中表示了每一线粒体电子传递复合物的特定抑制剂及抑制剂竞争结合的底物。 1.解偶联剂(uncoupler) 植物在遇到干旱或某些化学物质作用时,会抑制ADP形成ATP的磷酸化作用,但不抑制电子传递,使电子传递产生的自由能以热的形式散失掉,导致氧化过程与磷酸化作用不偶联,这就是氧化磷酸化解偶联现象。能对呼吸链产生氧化磷酸化解偶联作用的化学试剂叫解偶联剂。最常见的解偶联剂有DNP,含有一个酸性基团的DNP是脂溶性的,可以穿透线粒体内膜,并把一个H+从膜外带入膜内,从而破坏了跨内膜的质子梯度,抑制了ATP的生成。解偶联时会促进电子传递的进行,O2的消耗加大。 2.抑制剂(depressant) 抑制剂与解偶联剂的区别在于,这类试剂不仅抑制ATP的形成,还同时抑制O2的消耗。这是因为像寡霉素(oligomycin)这一类的化学物质可以阻止膜间空间中的H+通过ATP合成酶的F0进入线粒体基质,这样不仅会阻止ATP生成,还会维持和加强质子动力势,对电子传递产生反馈抑制,O2的消耗就会相应减少。 3.离子载体抑制剂(ionophore depressant) 离子载体抑制剂与解偶联剂的区别在于它不是H+载体,而是可能和某些阳离子结合,生成脂溶性的复合物,并作为离子载体使这些离子能够穿过内膜,这样就增大了内膜对某些阳离子的通透性;同时因为在转运阳离子到基质中时消耗了自由能,降低了质子动力,从而抑制了ATP的形成。例如缬氨霉素(valinomycin)与K+形成的复合物较易通过内膜进入基质,会抑制氧化磷酸化过程。 |