10.2 ATP的合成与化学渗透假说在线视频

同学们好

本节课我们学习ATP的合成

以及化学渗透假说

我们首先来看一个实验

在分离的线粒体悬浮液中

我们加入ATP合成所需的原料

ADP和磷酸

但是我们发现并没有ATP生成

只有加入了还原剂琥珀酸之后

才检测到氧气的消耗

同时伴随着ATP的生成

而当加入了氰根离子

氰根离子的作用是

抑制氧化过程中的电子传递

我们就可以看到氧气的消耗

和ATP的合成同时停止

那如果反过来 我们先加琥珀酸

还是没有氧气的消耗和ATP的生成

只有二者同时存在

氧气的消耗和ATP的生成

才能够同时发生

如果我们加入杀黑星菌素

或者是寡霉素

来抑制ATP的合成

这时候氧气的消耗也是会停止的

这说明了电子转移

与ATP的合成是耦合的

任何一种反应

在没有另一种反应参与的时候

都是不会发生的

但是如果加入了解偶联剂

2 4-二硝基苯酚

也就是DNP

它会破坏跨膜的质子梯度

这样我们就可以看到

氧气消耗和ATP合成的偶联就被打破

那我们仍然可以看到氧气的消耗

但是没有了ATP合成

这说明ATP的合成

是需要跨膜的质子梯度的

在1961年Peter Mitchell

他首先提出了化学渗透假说

来解释电子流和ATP合成之间的耦合

这个假说是二十世纪生物学当中

最伟大的统一原则之一

它主要的内容是

电子的转移它释放出来的能量

首先用来从线粒体基质中

泵出质子到膜空腔

或者是在叶绿体中

是从基质泵到类囊体

那由此产生跨内膜的质子梯度

这种质子原动力在ATP合成酶处

将质子转移回基质当中

同时驱动了ATP的合成

Mitchell因此获得了

1978年的诺贝尔化学奖

是为了表彰他在通过化学渗透理论

来解释生物能量转移

这方面所做出的贡献

这一个假说在最开始提出的时候

并没有太多的实验证据来支持

但是随着实验的研究

越来越多的证据是被发现了

人们也越来越认识到

这一个假说的正确性

比如说刚刚提到的解偶联剂的加入

可以使ATP的合成

与电子传递链解偶联

这就是其中的证据之一

又比如人工强加的

跨叶绿体类囊体膜的电化学梯度

和跨线粒体内膜的电化学梯度

可以驱动ATP的合成

跨膜质子梯度最终被接受为

驱动ATP合成的驱动力

化学渗透假说也被接受成为一种理论

化学渗透假说

它统一了明显分离的能量传递过程

这里边包括像氧化磷酸化

光合磷酸化

主动跨膜转移

以及细菌的鞭毛运动等等

我们重点来了解一下ATP的合成

ATP合酶最先是通过

解离和重组研究来鉴定的

在线粒体内膜基质侧

我们可以观察到

有大量的球状的突起结构

有球状结构的

内外相反的亚线粒体颗粒

也是可以进行电子转移和ATP合成的

这些突出的球状结构

就是ATP合酶的F₁部分

可以通过搅动

把它从线粒体内膜上分离出来

之后电子转移仍然是可以发生的

但是就不产生

质子梯度和ATP的合成了

当F₁部分重新组装回去

ATP就可以再次进行合成

而如果将F₁这部分溶解在溶液当中

它可以单独的进行ATP的水解的催化

因此这部分叫做F₁ ATP酶

采用同位素交换实验可以看到

纯的F₁合成ATP的自由能变化

它是几乎为0的

当溶解的F₁在氧18标记的水中

与ATP一起孵育的时候

三个或四个氧18原子

可以结合到磷酸上

这说明在酶活性位点

已经发生了多次的ATP的合成和分解

随后又发现

ATP对酶的亲和力是比较强的

将ATP从ATP合成酶上解离

是需要消耗比较高的能量

因此这一个过程被认为是

ATP合成的最主要的能量壁垒

这是与一般的酶催化反应有所不同的

质子梯度被认为是可以驱动ATP

从ATP表面脱离的这个能量来源

ATP合成酶的全酶

它包含一个质子通道F0

和一个ATP酶F₁

F₁部分它包含了五种亚基

一共有9个亚基

其中的球状的F₁部分是一个六聚体

由α和β亚基交替组成

结合在单独的杆状的γ亚基上

F0部分包括了三种亚基

其中c亚基是每个有两个跨膜螺旋

在膜表面会形成一个甜甜圈形状的环

而腿和脚形的γε亚基

是紧密地结合在c亚基的环上的

F0的两个b亚基是通过F₁的δ亚基

连接α和β的六聚体的

质子通道被认为

是在a亚基和c亚基的环之间的部分

X射线晶体学研究显示

F₁的三个β亚基

存在有三种不同的构象

分别结合了ADP ATP以及空位

因此基于动力学和结合研究

提出了结合-变构模型

来解释ATP合成酶的作用机制

这个过程被描述为

下方通过F0的质子运动

驱动c亚基环和不对称γ亚基的转动

并且导致各个β亚基

在三种构象之间进行转换

最终各自轮流结合ADP+磷酸

合成并释放ATP

科学家采用荧光素标记的

肌动蛋白纤维

附着在F₁单元的γ亚基上

可以在荧光显微镜下观察到

不连续的120度的这种转动

那为表彰Boyer和Walker

在ATP合成机制的研究

1997年的诺贝尔化学奖

颁发给了他们

质子梯度除了用于ATP的合成

还可以用于很多其它的生理过程

像ADP和磷酸

被认为是转运进线粒体的基质

ATP是转运出线粒体的基质

那么这些转运的过程

都是利用的是质子梯度来实现的

细菌的鞭毛的旋转运动

也是直接的利用了

质子梯度跨细胞膜的能量来驱动的

在褐色脂肪组织细胞的线粒体当中

它的线粒体内膜的增温素

可以使用质子梯度来产生热量

来维持比如说冬眠动物 新生动物

或者是一些耐冷的哺乳动物的体温

以上就是关于化学渗透假说

和ATP的合成的内容

那么还有两个问题

首先

NADH它主要是在细胞质当中生成的

那么NADH是如何进入线粒体的呢

在肝脏 肾脏和心脏当中

NADH进入线粒体主要是

通过苹果酸-天冬氨酸穿梭系统

来实现的

使用线粒体膜上的

苹果酸-α-酮戊二酸

和谷氨酸-天冬氨酸转运体

可以实现NADH的跨膜转运

而在骨骼肌和大脑中

细胞质的NADH的电子

通常是采用3-磷酸甘油

穿梭进线粒体的基质当中的

将电子传递给复合体III

所以这一个途径

只能泵出6个质子到膜空腔当中

所以一分子NADH

产生的能量会比较少

植物的细胞质当中

生成的NADH的电子

它可以直接进入呼吸链

而不需要进行穿梭

这是因为植物当中

有外侧的NADH脱氢酶

所以它可以直接进入呼吸链

那么与ATP合成的第二个问题

就是细胞当中的ATP合成

是怎样进行调节的呢

呼吸的速率基本上

是由ADP的可利用度来控制的

因为ADP作为磷酸的受体

这种调节方式也叫做受体控制

ATP ADP NADH 或者是NAD+

可以在更上游的步骤中

通过调控燃料的氧化的速率

来进行调控

那在大多数的组织当中

我们可以看到ATP和ADP之间的比例

它是波动很小的

这是因为所有导致ATP合成的途径

都是协调调控的

与线粒体的氧化磷酸化类似的过程

还有像叶绿体的光合磷酸化

细菌的氧化磷酸化等等

同学们可以课后通过查阅资料

进一步进行了解

好 本节课就上到这里