生物膜与能量转换

线粒体电子传递链
电子传递链
• 电子传递起始于NADH脱氢酶催化 NADH氧化，形成高能电子(能量转化)， 终止于O 形成水。 2 • 电子传递方向按氧化还原电势递增的方 向（自由能降低）传递(NAD+/NAD最 低，H O/O 最高) 2 2
电子传递链
• 高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三 + + 大复合物(H ­泵)将H 从基质侧泵到膜间 隙 + • 形成跨线粒体内膜H 梯度(能量转化)，整 + 个过程共泵出10个H
ATP合成的能力学
+ • 实验表明，ATP合成的 H /ATP » 3 • 从能量的角度考虑，沿浓度梯度方向移 + 动3摩尔H 所释放的能量3Dm ，应大于 H+ 合成1摩尔ATP的自由能变化
• 即 3Dm ³ DG H+
ATP合成的能力学
• 对反应 ADP+Pi®ATP
+ H 的传递方式及旋转驱动
• 当一圈c亚单位旋 + 转时，将H 从a的 一个半通道传到另 一个半通道 • 质子的跨膜传递驱 动旋转
+ H
a subunit + H
ring of c subunits
Mitochondrial F F 1 o
E. coli F F 1 o
g subunit 在a & b subunits 环之间形成一 个支柱"shaft" （Colors: a, b, g, d, e.）
w 一个 b subunit （ b )结合 ATP TP 类似物 (tight). w 第二个 b subunit （b ）结合ADP DP (loose). w 第三个 b subunit (b )处于空的状态 E (open).
K ATP [ ] DG = RT ln [ ADP P ] ][ i
ATP合成的能力学
+ • 膜两侧H 的电化学势差为
Dm H + = FDy o -i + RT (ln[ ] - ln[ ] ) H o H i
+ • 因为 pH = – lg[H ], 所以
+
mitochondrion
ultrasound F1
SMP
+ 特异性阻断 H 运输与ATP合成的 Inhibitors
– oligomycin, an antibiotic – DCCD (dicyclohexylcarbodiimide), 与 处于疏水环境中的carboxyl groups 反 应，形成共价加和物 • oligomycin or DCCD 阻断 去除了F 膜的 1 + H 的流出 • oligomycin 和DCCD 通过与F 作用抑制 o ATP Synthase
还有研究表明 o o o § 每个120 步骤又含有90 & 30 的小步骤， 中间也有停顿 § 这些小的步骤可能与反应循环的特定阶段 有关，如 ADP 结合 或ATP释放.
F 中c亚单位的结构和功能 0
PDB 1A91
§ c subunit 具有发卡 （ hairpin） 式结构， 由2个a­helices 组成 § 其中一个a­helix 中央 含有一个Asp 或 Glu， 是DCCD的作用位点 (Asp61 in E coli) § 定点突变研究表明， + 该残基是H 通过F 运 o 输的必须残基
loose binding ADP + Pi
Binding Change Mechanism
ATP ADP + Pi ATP
ATP
open
ATP tight binding
ATP
ADP + Pi
repeat
F 的晶体结构表明 1 w 三个b催化亚基处于不同结合状态 w 三个b催化亚基处于不同构象状态 结构与binding change model完全符合, John Walker 与Paul Boyer分享了1997 Nobel 化学 奖
Asp61
Fo subunit c
F 中a亚单位的结构和功能 0
PDB 1A91
Asp61
Fo subunit c
§ a subunit 含有多个跨膜 螺旋 § 在膜中形成2个半通道 （ half­ channels） 或质 子导线（proton wires)， + 使得H 可通过膜的一叶 + § H 以接力的方式从膜 的一叶传到另一叶 § 接力是通过一圈c 亚单 位中央残基的羧基进行的
[ ATP ] D = DG + RT ln G [ ADP P ] ][ i
o
• 平衡时， DG = 0 [ ATP eq ] Þ o
D = - RT ln G [ ADP eq [ P ] ] i eq
= RT ln K
• 带入DG的表达式，得
§ b subunits 被固定 在载玻片上 § g subunit (shaft) 与荧光标记的肌动 蛋白纤维相连 § 供给ATP时，肌 动蛋白发生旋转
最近的研究表明 ATP­induced o rotation 以 120 为步骤进行，中 间有停顿
g b b
a
Rotation of g relative to a & b
核苷酸结合及催化位点
b a b a g a b F1 in cross section
§ 在 ab 的交界处存在3个核苷酸结合/催化位 点（ nucleotide­binding catalytic sites) § 结合的氨基酸主要来自于 b subunits. § 每一个 a subunit 含有一个紧密结合的ATP, 但不参与催化反应
loose binding ADP + Pi
Binding Change Mechanism
ATP ADP + Pi ATP
ATP
open
ATP tight binding
ATP
ADP + Pi
repeat
绿色亚单位按顺序在下列三种状态变化: w 松散 ( loose) 构象，活性部位松散的结 合ADP + P i w 紧密 (tight）构象， 活性部位紧密结合 底物并形成ATP w 开放 (open）构象， 形成的ATP从活 性部位释放
ATP合成­化学渗透耦联
ATP合成­化学渗透耦联
化学渗透耦联膜的四要素
+ 1. H 的输运电子体系：在电子传递过程中 进行质子跨膜输运 + + 2. H ­ATPase: 在H 电化学梯度驱动下， 合成ATP 3. 载体蛋白：利用Dm 介导必要代谢物质 H+ 的进出 + ­ 4. 对离子（特别是H , OH )不通透
能量转换
• 光能转换为渗透能 – 细菌视紫红质 • 化学能转换为渗透能 – 利用ATP水解建立跨膜离子梯度 • 渗透能转换为化学能 – 线粒体­ ATP合成
ATP合成­化学渗透耦联 （Chemiosmotic coupling）
Mitchell (1962）提出： • 生物氧化，电子传递过程中释放出来的 + 能量以跨膜H 的自由能差­电化学势 （Dm )的物理能量贮存 H+ + • Dm 使膜上的H ­ATP酶逆转合成ATP H+
ATP类似物­AMPPNP
NH 2 N N N
O ­O P O­
H N
O P O­ O
O P O­ H O CH 2 H OH O H
N
H OH
AMPPNP (ADPNP) ATP analog
支持证据 2：g 的旋转
（Noji, Yasuda, Yoshida & Kinoshita.）
ATP合成酶的结构模式
线粒体
大肠杆菌
ATP合成酶工作机制
Banding Change Mechanism
Binding change mechanism
Paul Boyer 提出： w 与F 相连的不规则形状的亚单位相对于3个 o b subunits进行旋转. + w 旋转由流过F 的H 驱动. o w 旋转改变了3个b subunits的构象，驱动ATP 合成
换转量能与膜物生 换转量能与膜物生
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生物膜的功能
能量转换
• 生命体系的能量转换常常发生在特定的膜上­ 能量转换膜 – 原核生物­质膜：细菌，蓝绿藻 – 真核生物­线粒体膜，叶绿体膜 • 膜上反应的特点 – 膜蛋白集中于较小的空间，高度浓缩 – 反应具有方向性 • 反应的方向性导致膜内外的浓度差­ 渗透能量 • 渗透能量与其它形式的能量可相互转换
ATP合成酶的亚基­F 1
大肠杆菌的F 含5种多肽链 1 § a , b , g, d, e 3 3 § a & b subunits 的氨基酸组成类似 （homologous）. 从膜平面看，a & b subunits 交替排列，形 成一个环.
b a b a g a b
F1 in cross section
线粒体电子传递链
ATP合成酶的模型
ATP 合成酶的构成
F , the catalytic subunit 1 § 当将F1从膜上分离下 来时，发现F1可催化 ATP hydrolysis F ，a “proton o channel.” § 当把F 从膜上分离 1 + 时， H 可从含F 的膜 0 中流出 § 当把F 重新加回时， 1
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