氧化磷酸化:ATP形成機(jī)制[細(xì)胞生物學(xué)]

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氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在活細(xì)胞中伴隨著呼吸鏈的氧化作用所發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換和ATP的形成過(guò)程。
    ■ 呼吸鏈含有三個(gè)氧化磷酸化偶聯(lián)位點(diǎn)
    ● 電子傳遞與ATP合成偶聯(lián)的假設(shè)
    早在20世紀(jì)30年代, Vladimir Belitzer首先提出電子傳遞與ATP合成偶聯(lián)的假設(shè)。他在體外測(cè)定肌組織制備物合成ATP與氧消耗比值時(shí)發(fā)現(xiàn),呼吸鏈每傳遞一對(duì)電子至少可合成兩個(gè)ATP.后來(lái)有人發(fā)現(xiàn)P/O比值(形成的ATP數(shù)與每個(gè)還原氧的比值)接近3,也就是說(shuō)可合成三分子ATP。
    ● 氧化磷酸化偶聯(lián)位點(diǎn)
    根據(jù)對(duì)呼吸鏈中不同復(fù)合物間氧化還原電位的研究,發(fā)現(xiàn)復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ每傳遞一對(duì)電子,釋放的自由能都足夠合成一分子ATP,因此將復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ看成是呼吸鏈中電子傳遞與氧化磷酸化偶聯(lián)的三個(gè)位點(diǎn)。
    如果以FADH2作為電子供體,則只有兩個(gè)ATP合成偶聯(lián)位點(diǎn)。因?yàn)镕ADH2提供的電子是經(jīng)復(fù)合物Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ傳遞的,而復(fù)合物Ⅱ不能作為ATP合成的偶聯(lián)位點(diǎn),所以只有兩個(gè)偶聯(lián)位點(diǎn),這就意味著由FADH2作為電子供體時(shí),只能合成兩分子的ATP.
    ● 實(shí)驗(yàn)證明
    上述ATP合成的數(shù)量和偶聯(lián)位點(diǎn)得到實(shí)驗(yàn)的支持。如將分離的線粒體內(nèi)膜小泡與抗霉素(antimycin)一起溫育,由于抗霉素阻止電子通過(guò)細(xì)胞色素b-c1(復(fù)合物Ⅲ),NADH釋放的電子只能傳遞到輔酶Q,其結(jié)果,每傳遞一對(duì)電子只合成一分子ATP.因此可以推論復(fù)合物Ⅰ是ATP合成的偶聯(lián)位點(diǎn)。用同樣的方法證明復(fù)合物Ⅲ和復(fù)合物Ⅳ也都是ATP合成與電子傳遞偶聯(lián)位點(diǎn)。
    ■ 偶聯(lián)因子1(coupling factor 1)的發(fā)現(xiàn)及功能預(yù)測(cè)
    ● 發(fā)現(xiàn): 在二十世紀(jì)七十年代初,Humberto-Fernandez Moran 用負(fù)染技術(shù)檢查分離的線粒體時(shí)發(fā)現(xiàn):線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)一側(cè)的表面附著一層球形顆粒,球形顆粒通過(guò)柄與內(nèi)膜相連(圖7-30)。幾年后,Efraim Racker分離到內(nèi)膜上的顆粒,稱(chēng)為偶聯(lián)因子1,簡(jiǎn)稱(chēng)F1.
    圖7-30 ATP偶聯(lián)因子電鏡照片
    牛心臟線粒體的負(fù)染電鏡照片,可見(jiàn)球形顆粒通過(guò)小柄附著在線粒體內(nèi)膜嵴上。
    ● 功能預(yù)測(cè)  
    如果按照常規(guī)的方式思考所發(fā)現(xiàn)顆粒的問(wèn)題,似難理解線粒體內(nèi)膜上需要ATP水解酶,如果將ATP的水解看成是ATP合成的相反過(guò)程,F(xiàn)1球形顆粒的功能就顯而易見(jiàn)了:它含有ATP合成的功能位點(diǎn),即ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成,到底行使何種功能,視反應(yīng)條件而定。
    ● 實(shí)驗(yàn)證明
    通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)證明上述的推測(cè)是正確的,現(xiàn)在將該酶稱(chēng)為ATP合酶。
    請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成
    ● 線粒體ATP合酶的發(fā)現(xiàn)和功能預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)證實(shí)表明,在科學(xué)研究中,不能總是按常規(guī)思維去認(rèn)識(shí)事物,反向理論也有很重要的作用。
    ■ ATP合酶功能的鑒定: 線粒體膜重建實(shí)驗(yàn)
    為了證明F1具有ATP合酶的作用,人們?cè)噲D進(jìn)行線粒體膜的重建實(shí)驗(yàn),主要是將線粒體內(nèi)膜與其嵴上的F1顆粒分離出來(lái),重新裝配后研究F1的功能。