【教学课件】第五节质子运动势和质子回路.ppt

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1、2023/8/7,1,第五节 质子运动势 和质子回路,2023/8/7,2,生物能学（bioenergetics）是能量代谢领域中专门研究能量转换膜（如线粒体内膜、原核生物细胞的质膜等）及其功能的学说。生物能学能帮助我们分析和理解微生物有关代谢能的能量形式转换的机制。本节主要讨论化学渗透假设，电子传递链、ATP酶、载体蛋白在膜上的分布以及质子运动势的产生原理，并对生物能学中的质子回路与电学中的电路（电子回路）进行比较。,2023/8/7,3,2.5.1 化学渗透假设及质子运动势2.5.2 微生物细胞内代谢能形式的转换,2023/8/7,4,2.5.1 化学渗透假设及质子运动势,2023/8/7

2、,5,2.5.1.1 化学渗透假设 2.5.1.2 电子传递链成员、ATP合成酶 以及载体蛋白在膜上的分布2.5.1.3 质子运动势,2023/8/7,6,2.5.1.1 化学渗透假设,2023/8/7,7,化学渗透假设的要点：生物膜具有拓扑学的完整性，它对离子，特别是H+和OH-离子是不通透的（借助 特异的交换系统才能跨膜输送）；膜结构（蛋白质和脂质分布）的不对称 性导致膜功能的方向性；电子在电子传递链上的传递导致质子向 膜外排放；膜上嵌有用于质子跨膜的ATP磷酸化酶（ATP合成酶）。,2023/8/7,8,2.5.1.2 电子传递链、ATP 合成酶以及 载体蛋白在膜上的分布,2023/8/

3、7,9,由磷脂双分子层组成的单位膜中相对固定地镶嵌着电子传递链的成员、ATP合成酶及载体蛋白。电子传递链是一系列相互作用的多肽。它们各自形成的氧化还原电极对还原电位的高低顺序，以及它们在膜上的空间关系的相对固定，为电子在电子传递链上按相对固定的顺序流动提供了保证。,2023/8/7,10,呼吸链的主要成分是具有辅基的载体蛋白，这些辅基的氧化还原电位处于 NAD+和分子氧之间，在真核微生物的线粒体膜和细菌的细胞质膜上，NADH的电子经还原电位逐步提高的一连串载体，一直传送到分子氧。,2023/8/7,11,2023/8/7,12,左图描绘了大肠杆菌细胞质膜的情况：由磷脂双分子层组成的单位膜中相对

4、固定地镶嵌着电子传递链的成员、ATP合成酶及载体蛋白。电子传递链在图中被描绘成一系列相互作用的蛋白质。,2023/8/7,13,从图可见，ATP酶的F1亚基不是被包埋在膜的磷脂双分子层中，而是紧贴于膜上，是膜的周边蛋白。电子传递链的组分如黄素蛋白、铁硫蛋白、细胞色素 b、细胞色素 o 等，被包埋在磷脂双分子层中，属整合蛋白。像 ATP 合成酶的 F0 亚基和-半乳糖苷透性酶（乳糖/H+同向输送的载体蛋白），这类用于输送的载体蛋白穿透整个磷脂双分子层结构，又被称为膜输送蛋白。,2023/8/7,14,2023/8/7,15,AMP,FMN,FADH,FADH 2,FAD,2023/8/7,16,

5、2023/8/7,17,2023/8/7,18,2023/8/7,19,大肠杆菌细胞质膜上输送蛋白、电子传递链和ATP酶，及它们各自的功能的示意图。图中：1,黄素蛋白；2,铁硫蛋白；3,细胞色素b;4,细胞色素o;5/6,ATP酶；7,输送蛋白。,2023/8/7,20,真核细胞线粒体上的电子传递链及ATP酶,2023/8/7,21,2.5.1.3 质子运动势,2023/8/7,22,质子运动势（proton motive force，简称pmf）,是参照电动势（electron motive force）汉译的。质子运动势和电动势的单位都是伏特。根据化学渗透假设，膜对质子是不透的，电子传递质

6、子泵、ATP 酶质子泵的运转 在膜两边建立了质子运动势。,2023/8/7,23,质子运动势p，一般由电分量（电荷因子）和化学分量（浓度因子）Z（pH）两项组成：p=Z（pH）,2023/8/7,24,上式中，代表跨膜电位；Z（pH）代表膜两边H+浓度差引起的电位差的。p=p外 p内，=外 内，pH=pH外 pH内 Z是将pH值转变为电势单位的转换系数。Z=2.3 RT/F，30时，Z=60 mV。R为摩尔气体常数8.314 J（mol K）-1、T为绝对温度（K）、F为法拉第常数（9.618104 Cmol-1）。,2023/8/7,25,2023/8/7,26,热力学第一定律告诉我们，能量

7、既不可能创生也不可能消灭，只能从一种形式的能量转变成另一种形式的能量。微生物的代谢能来自化学能或光能，对于化能异养型微生物来说只能来自生物氧化过程中释放的化学能。代谢能的两种主要形式ATP 和p 的关系就类似于货币与银行的关系。,2023/8/7,27,2.5.2.1 电子在电子传递链上的传递建立p2.5.2.2 ATP的形成与电子传递磷酸化的产率2.5.2.3 胞内pH值自动（调节）动态平衡2.5.2.4 化学渗透质子回路及其功能的有关讨论,2023/8/7,28,2.5.2.1 电子在电子传递链上的传递 和p 的建立,2023/8/7,29,2023/8/7,30,细菌细胞膜内侧的一个H+

8、及由 NAD+运载的氢负离子（包含一个 H+和一对电子）首先被传送到横跨在膜上的 NADH 脱氢酶的组分黄素蛋白，把它的辅基 FMN 还原成 FMNH2；接着，已传送到FMNH2 的这一对电子通过NADH脱氢酶的另一组分铁硫蛋白返回到细胞膜的内表面，而2 个H+则被留在细胞膜的外侧的水相中，与此同时 FMNH2被再生为FMN。,2023/8/7,31,电子载体铁硫蛋白得到的这对电子与细胞质内的 2 个 H+一起，把 1 分子泛醌（CoQ）还原成氢醌（CoQH2）；带着这对电子和这 2 个H+的氢醌将这对电子交给贴近膜外侧的细胞色素 b，把这 2 个 H+释放到胞外，自身又回复成泛醌；然后，细胞

9、色素 b 又把这对电子传递给细胞色素 o（细胞色素氧化酶）。最后，传递到细胞色素 o 的这对电子还原胞内的分子氧，同时消耗膜内侧 2 个 H+，生成水。,2023/8/7,32,由此可见在大肠杆菌中借助电子传递链每氧化1分子NADH，就有4个H+被转移出去。H+的转移在膜两边形成质子梯度，蕴藏在这个梯度中的能量可用于推动各种细胞过程。例如，在酵母细胞质中 2 个H+通过ATP合成酶进入线粒体，可驱动 1 分子ATP的合成，质子梯度能驱动某些糖和氨基酸的简单主动输送，驱动细菌鞭毛旋转等。,2023/8/7,33,从以上分析得知，在电子传递磷酸化的电子传递过程中，像泵一样把质子泵出细胞。每当电子从

10、氢载体传到电子载体时，把质子留在膜外，当电子从电子载体传到氢载体时，从膜内侧吸取质子，完成质子泵的功能。,2023/8/7,34,细菌细胞质膜（左）和真核细胞的线粒体内膜（右）上的电子传递过程的比较图,2023/8/7,35,对大肠杆菌细胞质膜来说，NADH所负载的一对电子在经电子传递链传到最终电子受体分子氧的过程中，只能泵出 4 个H+；而在酵母细胞中经线粒体上的电子传递链（其细胞色素系统比细菌的细胞色素系统复杂），一共可泵出 6 个H+。,2023/8/7,36,有些化能自养型的细菌以硫化物、硫、亚硝酸等还原性化合物为氢供体（能源），由于这些氢供体各自形成的氧化还原对的还原电位比 NAD+

11、/NADH+H+的还原电位高，它们在热力学上不可能直接还原 NAD+，故假设在这些细菌中 NAD（P）+的还原只能由ATP驱动的反向电子传递来完成。,2023/8/7,37,在这种情况下，微生物细胞依赖于电子反向传递而形成 的 NAD（P）H+H+来把 CO2（碳源）还原成有机化合物。而ATP的合成则借助于电子传递链后段的顺向电子传递。,2023/8/7,38,2.5.2.2 ATP的形成与电子 传递磷酸化的产率,2023/8/7,39,电子传递通常与ATP的合成紧密耦合。只有当电子传递链发生并提供了质子梯度时，ATP才得以生成；只有当 ADP 同时被磷酸化成ATP时，电子才经电子传递链流向氧

12、。氧化磷酸化的实际速率取决于细胞内可利用的ATP的量（浓度）。,2023/8/7,40,氧化磷酸化需要NADH（或FADH2）、氧，以及ADP、无机磷酸。如果把ADP加到线粒体，当电子顺向传递时，氧消耗速率上升；当 ADP 已被磷酸化为 ATP 时，氧的消耗速率下降，这个过程叫做呼吸控制。,2023/8/7,41,这个机制可以保证，当需要ATP合成时，电子才向下传递。如果ATP 水平高，ADP水平低，就不会发生电子传递。如果NADH和FADH2累积，TCA环和酵解受抑制。呼吸控制按如下方式进行：关闭：【ATP】电子传递受阻【NADH或FADH2】TCA环和酵解受抑制。开启：【ADP】拉动电子传

13、递【NADH或FADH2】TCA环和酵解就畅通。,2023/8/7,42,生物化学把从 ADP 形成ATP 的过程叫做磷酸化。磷酸化有两种方式，即底物水平磷酸化和电子传递磷酸化。电子传递磷酸化是指与电子传递链上电子传递过程相耦合的磷酸化，这种磷酸化要借助膜上的 ATP合成酶，消耗p 而生成 ATP。电子传递磷酸化的产率主要取决于以下因素：用来泵出质子并形成p 的细胞色素系统；最终电子受体的类型；ATP合成酶的效率。,2023/8/7,43,因此就出现了电子传递磷酸化的产率问题，即ATP/NADH之比值。例如，需氧生长中的大肠杆菌与酵母菌两者都形成NADH，它的一对电子经电子传递链传到分子氧，大

14、肠杆菌泵出 4 个 H+，而酵母菌泵出 6 个H+，这是因为它们的细胞色素系统不同。,2023/8/7,44,此外，大肠杆菌的ATP合成酶合成 1个ATP需消耗23个H+，而酵母线粒体的 ATP合成酶只有消耗将近 2个H+。因此，1 分子NADH（即每对电子）在大肠杆菌可能相当于12分子ATP，而酵母能产 3 个ATP分子。,2023/8/7,45,2.5.2.3 微生物细胞内代谢能形式的转换,2023/8/7,46,微生物细胞内代谢能的主要存在形式是 ATP 和p。借助于 ATP 酶，ATP 形式的代谢能和p 形式的代谢能，能够互相转换。如果把ATP看作为生物体的能量货币，那么p 相当于能量

15、银行，也就是能库。货币可以存入银行，也可以从银行取出。银行和货币都有支付的功能。,2023/8/7,47,代谢能形式的转换与代谢能的支出,2023/8/7,48,估计微生物细胞产生代谢能的潜在能力远远超过代谢能的消耗，酵解酶系统以及线粒体氧化还原酶系统所形成的ATP量，也大大超过生物合成过程以及种种做功过程所需要的ATP量。然而，细胞始终根据实际需要对ATP的形成进行精细的调节，根据需要控制代谢能的来路和去向。,2023/8/7,49,在细胞中，ATP的周转十分迅速，有的细菌的ATP半衰期也就是存在于细胞中的全部ATP分子总数的一半用于驱动需能反应并从放能反应再生所需的时间通常只有几秒钟甚至更

16、短。,2023/8/7,50,ATP 和p 这两种不同形式的代谢能同时支持生命活动，一刻也不能松弛；因而有代谢能支撑之说。,2023/8/7,51,2.5.2.4 胞内pH值自动动态平 衡（pH homeostasis）,2023/8/7,52,大多数酶和蛋白质都有一个相当狭窄的表现活性的最适 pH 值范围。相对而言，微生物细胞具有在较宽的 pH 值范围内生长的能力。细菌具有在宽广的 pH 值范围的介质中生长的能力。按细菌适宜生长的 pH 值范围，可以把它们分成嗜酸性、嗜中性和嗜碱性 3 类。,2023/8/7,53,大肠杆菌是嗜中性的，其生长 pH 值为 58，H+浓度变化可达 1000 倍

17、，其存活的 pH 值范围是 49，H+浓度变化可达100000倍。即使环境pH 值有如上变化，胞内H+浓度变化不到10 倍，通常远远小于10 倍。外部 pH 值从 5.5 上升到 8，而胞内 pH 值的变化仅仅是7.2到7.7，这种pH自动动态平衡究竟是怎样完成的呢?,2023/8/7,54,许多因素都可能缓冲胞内 pH 值，维持胞内 pH 值自动动态平衡（pH homeostasis）。它们包括：细胞内化学物质自身的缓冲能力，与呼吸和 ATP水解相关的H+向外输送，以H+交换某些阳离子的电中性的输送系统，特别是H+与Na+（或K+）交换的输送系统，,2023/8/7,55,例如，当环境 pH

18、 值下降时，细胞内pH值的任何下降都将触发K+/H+反向输送，当它逐出H+的时候将 K+带入细胞，从而使细胞内pH值维持在7.5 左右，造成一个较大的pH。同样地，外部pH 值的上升将引起细胞质的碱化，触发 Na+/H+反向输送，从而逐出 Na+，引入H+，酸化细胞质。此外，细菌还能诱导对抗酸性的保护体系（耐酸性响应），以抵抗环境的酸性。,2023/8/7,56,2.5.2.4 化学渗透质子回路及其功能的 有关讨论 质子泵及其正向运转的定义 跨越能量转换膜的质子回路 质子回路与电路的比较研究,2023/8/7,57,质子泵及其正向运转的定义 原核细胞（如细菌细胞）的质膜，真核细胞（如酵母细胞）

19、的线粒体内膜都是能量转换膜，从以上讨论可以看出每一种能量转换膜都具有两类质子泵，一类是通过电子转移（或捕获光子）来驱动，而另一类则是通过水解ATP来驱动。,2023/8/7,58,这两类质子泵的作用是一致的，即电子沿电子传递链的顺向传递及ATP 酶对 ATP 的水解都会将质子（H+）“泵出”，从而形成膜电位（外正内负）。我们把质子泵的“泵出”定义为正向运转。,2023/8/7,59,跨越能量转换膜的质子回路 在有氧条件下，微生物体内的ATP不断地被细胞质内各种反应所消耗（在线粒体内也因种种原因而使 ATP 浓度下降），因此就必须通过消耗膜电位而合成的ATP来补充。也就是要求ATP合成酶质子泵反

20、向运转，使质子不断进入细胞（或线粒体）内。,2023/8/7,60,ATP合成酶质子泵反向运转所消耗的膜电位则可由呼吸条件下的电子传递链质子泵的正向运转（泵出）来补充，从而形成跨越能量转换膜的质子回路。根据化学渗透假设可以画出化学渗透质子回路：,2023/8/7,61,2023/8/7,62,这种回路与电路（电子回路）在形式上十分相似。它们都有电源、用电器和导线等，只是在质子回路中流动的是质子，在电子回路中流动的是电子。在质子回路中，质子流的“导线”分别为膜两侧的溶液；而“用电器”一般是指 ATP 酶复合物。,2023/8/7,63,在详尽地讨论复杂的电子或质子流动时，这种相似性仍然保持，仍然

21、正确如同在电学中一样，我们可以测定或计算质子回路的“电动势”，“电流强度”和“电阻”。这里“电动势”相当于质子运动势，“电流强度”相当于质子流强度，“电阻”则反映质子回路组分的质子传导性能（conductance of proton），在数值上等于质子流量除跨越回路中的这一组分前后的电位降。,2023/8/7,64,显然，为了防止“短路”（质子无阻力跨膜），膜必须是封闭的，并且对质子流来说并非“导体”，而这些事实上也就是化学渗透学说成立的先决条件或基本假定。,2023/8/7,65,从质子回路这个观点出发，可以清楚地认识到：通过电子传递而发生的氧化过程与ADP的磷酸化过程之间的偶联，需要质子运

22、动势p（能库）作为中间媒介。,2023/8/7,66,质子回路与电路的比较研究 如左图（a）所示，质子回路正常运转并做有用功，也就是ATP酶（质子回路的用电器）合成ATP。对照电路，电源与电灯接通，电灯亮。,2023/8/7,67,如图2-34（b）所示，ATP合成酶复合物的质子阱（F0亚基）受阻塞，比如寡霉素与真菌的 ATP 合成酶复合物中的寡霉素敏感授予蛋白 OSCP 结合，使质子阱阻塞，质子回路不通。在这种情况下，电子传递链质子泵打出去的质子 无法重新回到线粒体的基质中去，膜电位达一定值后，电子传递链质子泵停止运行，膜电位达到最大值。因为电子传递过程必须与 ADP 的磷酸化过程偶联，质子

23、阱阻塞使呼吸作用不能继续下去，相当于电路中的断路状态。这里寡霉素起了能量转移抑制剂的作用。,2023/8/7,68,如图2-34（c）所示，在质子回路中，因加入质子移位体，如羰基氰-对-三氟甲氧基苯腙（FCCP）或2,4-二硝基苯酚（DNP），造成质子回路的短路，也就是说质子实际上不经过ATP 合成酶复合体，而是在质子移位体的帮助下，轻易地进入细菌细胞或线粒体的。它们的加入能促进电子传递过程（即促进呼吸作用），但没有相应化学计量的ATP合成。正如电路短路时，电路中实际上没有电流通过，或几乎没有电流通过电灯，电流没有做使灯发光的有用功，而以放热的方式被消耗掉。起这种作用的质子移位体被称为解偶联剂，实质上它们能瓦解已形成的能库。,2023/8/7,69,如图2-34（d）)所示，在质子回路中，因加入某些会破坏电子传递链的成员的化合物（如氰化物、抗霉素），使电子传递过程不能正常进行，从而抑制p 的形成，使质子回路失去动力，或者说无法形成质子回路，当然也就没有ATP的形成。这种情况正如没有电源的电路一样，灯是不会亮的。这类加入的化合物称为电子传递链抑制剂，其作用是阻止或抑制能库的形成。质子回路的功能除了形成ATP外，还有驱动简单主动传送等，前面已有叙述。,