\é
pes
<
)
7 ey HAGA ti
t eT
生物 的 能 量 贮存
[ 英 ] C. W. HH =F
李 立 人 译
科 院 植物 所 图 书馆
上
wt
22473
3
| | I Bites SE
i | NS
ae Mt }
本 书 以 氧化 磷酸 化 反应 为 主要 例子 ， 扼 要 地 介绍 了 生物 能 量 贮存 :
的 主要 特征 和 可 能 的 机 理 。 本 书 的 前 面 几 章 叙 述 生 物体 系 中 能 流 的 本
质 和 在 活 细胞 中 进行 的 各 种 类 型 的 能 量 贮存 过 程 ， 着 重 曾 述 了 与 之 相
连接 的 氧化 -还 原 反 应 的 概念 , 这 类 反应 使 电子 和 和 氢 在 传递 过 程 中 ， BZ
级 释放 能 量 ， 并 使 它 转换 成 为 可 供 各 种 生物 功能 包括 各 种 生理 生化 反
应 所 利用 的 能 量 贮存 的 形式 。 后 面 几 章 则 讨论 生物 膜 在 能 量 贮存 中 的 “
作用 ,它们 的 定向 性 质 和 作用 机 理 。
本 书 对 于 从 事 生物 力 能 学 、 生 物 膜 和 细胞 代谢 等 方面 的 研究 工作
者 , 是 一 本 适宜 的 入 门 蔬 , 对 大 专 院 校 的 生物 化 学 ,生物 物理 和 植物 生
理 等 专业 的 教师 及 高 年 级 学 生 和 研究 生 也 是 一 本 有 用 的 参考 书 。
C. W. Jones
Outline Studies in Biology
BIOLOGICAL ENERGY CONSERVATION
Champman and Hall 1976
“生物 学 研究 概 说 。
生物 的 .能量 贮存
[ 英 ] C. W. 琼斯 著
BA 译
RIE Be
*
Ex BRK
北京 朝阳 门 内 大 街 137 号
+ G4 = ee AIS EDR
新 华 书店 北京 发 行 所 发 行 ” 各 地 新 华 书 店 经 售
ok
1980449 月 第 一 版 开本 : 787X1092 1/32
1980 年 9 月 第 一 次 印刷 印张 :3 1/4
印 数 ; 0001 一 3,980 字数 : 70,000
统一 书号 ; 13031 + 1336
本 和 社 书 号 ; 1855 + 13—10
定价 : 0.55 元
区
目 录
1. AE Wy FRESE cece ees eeceece rece ens ees Freee,
11 生物 能 的 换 能 和
1.2 “三 磷酸 腺 并 (ATP) …………………
1.3 ”和 磷 酰 基 的 转移 反应 .…………………
1.4” 焦 磷酸 的 型 解 ee
4 1.5 底 物 水 平 磷酸 化 pe
-1.6 电子 传递 中 的 一 些 氧化 -还 原 反应
1.7 呼吸 作用 ………: 让
2. 呼吸 链 的 组 份 PP
2.1“” 烟 酰胺 核 昔 酸 脱 氢 酶 “……………….
2.2 “呼吸 链 的 一 些 脱 氢 酶 “9
2.2.1 BERT ceceeecececcecccccecceereeeees
A gale” SS <7 aden Se EN Aes
2.2.3 NADH ST RG s--cecceceecenssseneeees
2.2.4 琥珀 酸 脱 氢 酶 +00. SRG:
2.3” 烟 酰胺 核 昔 酸 转氨酶
2.4 FRB ees esate terdipaakasas Mada
人
条 腹 色 宁 0
2.5.2 c=- 型 细胞 色素 ee
2.5.3 二 型 细胞 色素 :于 全
2.6 ”分光 光 度 测定 的 研究 结果 oe
wie 1s 4. SEE ee
2.6.2 SAAL-IA VERA YIP ceveneeteees
ms So
2.7 :电子 传递 seceencceseccssssesseeenes are es aks
3. 偶 联 膜 的 机 构 和 功能 pp 37
3.1 线粒体 的 结构 与 功能 coc cec cee ceeseeeeeweeeeeseneesene3Q
3.2 能 量 贮存 系统 的 机 构 ee 40
3.2.1 呼吸 链 复 合 物 one 40
3.2.2 ATP. 酶 复合 物 的 形态 和 性 质 ceeeeeeeceeseeeneeee oe: ee
3.2.3， 呼 吸 链 组 份 的 不 对 称 性 排列 cceececeeneseececceeseeees 44
3 壕 : 地 偶 联 及 的 重组 -mine 全 二 1 46
3.3 深 质 通过 偶 联 膜 的 运输 pp seed]
3.3.1 阴离子 coccecccccccccccccccecccccesecseceecesececessecsaseens 48
3.3.2” 阳 离子 ccvceccccseccesecceccenssssccccnesenssescsonssennsenss 50
A, TEBE AR pp 51
4 能量 偶 联 部 位 -ee 52
4.2 呼吸 控制 pe 2°53
43 AEM pH cncccescescccccecavencan son aa 55
.: 4.4 解 个 联 剂 pe 站 debe
4.5 ”磷酸 化 作用 的 抑制 剂 pe 0 57
4.6 YEE REA FPG coe eee nceceneeneencenecscavescnesessane 58
4.7 PEREZ AIH AR ccccreceeeceeeeeerenreeeeerereeeeseseneess 60
5. 氧化 磷酸 化 反应 的 机 理 pp 61
5.1.1., BES HOTS OL BE RRR. ncrrecccnnpecnnnescoctdbabuooooante 62
5.1.2 联系 能 量 的 反应 …… 本 63
5.2” 化 学 渗透 学 说 pe re 64
5.2.1 运输 质子 的 呼吸 链 ween nev ecncececerecccevecnensecenesers 65
“5.2.2 偶 联 膜 的 离子 不 透 性 99eeeeeoeevoeeeeeeeeee 68
5.2.3 交换 扩散 系统 eeoveeeooveoeeveeeveeseeevvevoosvoosseoeevsivessses 68
5.2.4 运输 质子 的 ATP 酶 eeeeeeeeeeeeoooeo se 69
5.2.5 联系 能 量 的 反应 coccecceceecceceeeeseeseesseeecepessssecce 71
; dy > > - FT SAT
“Gaal ely een Fe ag an re oF. : * i Se wa , Ss ees
本 一 ete %, ae
ete ie bs - =e
LSet Ore | :
Pear ed a i ba
+. \
: * is + ©
Aer eG Bai oy v¢ / wi
¥ tans RAS. Cae 2a |
t as ¢ Fs] . +
5 oe
4 tr
a
eee 构象 学 说 人 eee A la alo” pwr UF 2
AP BA FERRY - Pee hoe
Sa S RiUeS walody's shu aidan 和 ee 和 人 IE
te Mt RN 呼吸 作用 PE 下 全 soa dani enki sues oc Uno a esa
Be eg 氧化 磷酸 化 作用 生生 i
: Bering 3 供 能 态 的 利用 9 让 83
a. 6.4 无 机 的 电子 供 体 和 受 体 的 利用 MORON ge coses 05
6.4.1 无 机 的 呼吸 作用 We cedcudesccdusuaceds cosdscecdpesedeses oo 86.
= 6-4, 2 化 能 矿质 营养 细菌 (化 能 合成 作用 ) 0 26 87
i) ik i Ee 紫色 膜 的 能 量 贮存 ， 989
J a. 后 记 pp ..91
| GES ORB 全
本 人
+E hey ee Ne tree ee eae pe
7 .
Glenn 和， » Rega EH ocd «eee ne veces tied. ae ae ee
‘ 。 7
* 2 - 、 r
nee Meee tg Cage Fay 于
2 Ba vas One eat
ay [CH,0] + OF + H,0 3
许多 细菌 也 能 进行 类 似 的 目 养 《自我 喂 饲 ) 过 程 , 但 不 放出 氧
气 , 而 是 用 其 他 无 机 的 或 有 机 的 还 原 剂 , 例如 HS, eR
来 代替 水 。
CO, + HS > [CHO] + 28 + H,0
这 种 依赖 光 的 碳水 化 合 物 合 成 反应 被 称 为 光合 作用 。
把 还 原 当量 从 还 原 态 的 供 体 (H;O, HS) 转移 到 氧化 态
的 受 体 , 是 押 有 光合 系统 的 共同 特征 。 这 种 转移 先是 以 比较
复杂 的 有 机 分 子 作 为 氧化 态 的 受 体 ,如 NAD ”或 NADP 《第
2 章 ): 而 最 终 的 受 体 则 是 Co。 这 种 一 连 串 多 步骤 的 反应 在
一 个 或 不 焉 一 个 点 上 受到 光 能 的 强化 (图 1.1)， 因 此 ,把 这 种
， 传递 反应 称 为 光合 电子 传递 (虽然 它 也 有 涉及 电子 、 氢 原子 和
氢化 物 离 子 的 转移 )。 太阳 能 先是 被 特殊 适应 的 吸收 光 的 色
素 ( 叶 绿 素 和 胡 葛 卜 素 ) 捕 集 ， 然 后 再 转化 为 -种 生物 学 上 普
遍 的 能 量 形式 ， 时 CATP)。 这 种 转换 的 过 程 是 电
SAT ABA Ae ERE 的 细胞 反应 ， 例如 , 细胞
ee eee
| | 2NADPt [cH,0] +H,0
4H 7
02 2 NADPH + 2H* | co,
ATP
+
生物 合成
营养 物 和 离子 的 运输
1.1 简化 的 光合 作用 图 解
物质 的 还 原 方式 生物 合成 (合成 代谢 ), 营 养 物 运输 ,维持 离子
平衡 等 。
植物 光合 作用 的 最 几 产 物 (细胞 物质 和 分 子 氧 ) 后 来 被 异
养 有 机 体 ( 非 自 我 喂 饲 ) 的 代谢 和 能 量 转换 系统 所 利用 s 因 此 ，
异 养 有 机 体 也 利用 太阳 能 , 只 不 过 是 简 接 而 已 。 它们 先 把 碳
水 化 合 物 , 脂 肪 和 蛋白质 裂解 成 单 体 , 然后 重新 分 配 , 形成 各
种 较 小 的 \ 更 为 氧化 的 碳 骨 腑 ,以 及 提高 另 一 些 分 子 的 还 原 程
度 ( 例 如 NADH,NADPH)。 这 个 过 程 (分 解 代 谢 ) 可 导致 少量
能 量 的 释放 ， i I Mk
ATP.
底 物 水 平 磷酸 化 是 一 种 较 简 单 的 二 步 或 三 步 的 反应 过
ke, 并 且 是 大 多 数 厌 氧 生物 所 采用 的 唯一 能 量 贮存 机 理 。 分
解 代 谢 中 所 形成 的 NADGP)H， 大 部 分 是 用 于 还 原 某 些 氧化
的 碳 骨 肛 , 把 它 同 化 为 特异 的 细胞 大 分 子 , 小 部 分 NAD(P)H
是 在 合成 低 分 子 量 的 废弃 物 中 被 氧化 掉 ， 例 如 在 酵母 的 笨 精
合成 中 、 或 在 动物 组 织 和 某 些 细菌 的 乳酸 合成 中 被 氧化 。 这
种 以 有 机 代谢 物 作为 起 始 还 原 剂 CAH, AURA Hl CED
的 氧化 还 原 反应 《图 1.2) 被 称 为 发 酵 作 用 。
人
和
有
es ele
- 4 a . _~ >
Sy i oe
as Pals diate maa jus
了 e wre.
ic = Se reads ie
4 | a
% 4 ae 了
hye ’ ae —_ is 人 &
eee meee, teat 能 量
”到 存 能 力 的 一 小 部 分 ， 因 为 所 得 到 heey 8
葛 NAD 百 还 可 以 通过 一 系列 的 复杂 |
Ti
—-
is
反应 被 分 子 氧 ( 一 种 强 的 氧化 剂 ) 氧 ns :
ho BE CPOE | |
Bi FEM AT AHIR, ae
HCPL LU AL A iat
pe 用 (或 呼吸 链 磷 酸化 ,图 1.3) 储 存 于 | oe
”An 中。 氧化 磷酸 化 的 效率 比 底 物 eed
KTR: WME a2 一 种 假设 的
BASAL BLE MRI AIF SMB
由 在 有 得 傅 况 下 ， 一 个 克 分 子 的 区 区 精 完 全 氧化 为 二 氧化 碳 和
he) eae ex
图 1.3 简化 的 氧化 磷酸 化 图 解
水 ,可 净 得 38 个 克 分 子 的 ATP。 而 在 缺 氧 时 (例如 在 剧烈 运
上 动 的 肌肉 由 )， 葡 萄 糖 被 不 完全 地 氧化 为 二 个 克 分 子 的 乳酸
中。 (和 糖 酵 解 或 同型 发 酵 )， 只 同时 净 产生 二 个 克 分 子 的 ATP。 值
0 得 注意 的 是 。 氧 化 代谢 的 最 终 产 物 一 二氧化碳 和 水 ， 就 是
光合 作用 的 主要 底 物 。 因此 ;呼吸 作用 和 光合 作用 构成 了 碳 、
氢 * 氧 循环 的 重要 部 分 。
有 少数 几 种 细菌 还 改进 了 它们 的 厌 氧 的 能 量 贮存 能
， 筷 们 除了 进行 底 物 水 平 磷酸 化 之 外 ， 还 有 一 种 不 用 分 子 氧 而
U 是 用 另外 一 些 种 类 的 氧化 剂 ,来 进行 氧化 反应 的 呼吸 作用 (大
，。 氧 必 呼吸 作用 )。 所 用 的 氧化 剂 包括 有 氨 的 氧化 物 (例如 NO ，
7
“a
a 二 3 6
‘ » OH OH
~<-(aMep) 一 & RM RR. >
(ADP) 二 KF KR KtF—
(ATP) 三 磅 Re hk.
图 1.4 ATIP 的 结构
高 能 磷酸 键 (常用 符号 ~ 表示 ) 的 概念 是 不 正确 的 。 产 生 这 些 、
E 错误 观念 的 原因 ,是 当 ATP 在 pH 7 进行 水 解 反应 时 , 它 的 表
划 | ATP*- + H,O == ADP*- + HPO?- + Ht . 1. 1)
BPR CK) 相当 高 * 这 是 因为 它 的 反应 受 较 高 pH 的 促
° 区 它 的 主要 产物 (ADPs- 和 HPOi-), 都 带 有 负电
共振 杂 化 键 的 关系 , 这 就 是 说 ;它们 所 含 的 自由 能 , 比 原
ers |
AG” = —2.303RT log K’
3 这 里 AGv 是 水 解 时 改变 的 标准 自由 能 ( 干 焦 克 分 子 -，R 是
气体 常数 (8.314 焦 克 分 子 -K-D, 了 是 绝对 温度 (K)。 因 此 ，
. 2 298K(25°C) 时 观察 到 的 天 AH 3.5 X 10° 的 数值 ， 这 相当
上 二 Are MAG 有 一 31 千 焦 克 分 子 -K( 王 一 7.4 千 卡 克 分 子 -9;
— 负 值 的 意思 是 指 能 量 从 系统 中 释放 出 来 。 在 下 面 我 们 将 看 到 ，
a 这 只 是 一 个 中 等 大 小 的 数值 ， 而 且 当然 与 反应 时 的 pH 值 有
关 , 因 为 它 的 产物 之 一 就 是 质子 。
因此 ATP 水 解 所 释放 的 能 量 大 小 ， 在 反映 产物 和 ATP
盆子 总 结构 的 本 质 上 多 于 反映 末端 磷酸 键 的 化 学 本 身 。 这 对
二 ADP 也 全 这 样 当 它 水 解 为 AMP 和 HPO? 时 ,也 伴随 有
e 5 e
2
中 等 大 小 的 自由 能 的 变化 (AG” = —31 FRO, 因
此 ATP 分 子 中 的 符号 (~) 仅 说 明 , 它 在 这 一 点 水 解 时 会 引起
中 等 到 较 大 的 自由 能 释放 。 在 实际 中 , ATP 水 解 为 ADP 和
无 机 磷酸 的 过 程 中 ,单纯 以 热 的 形式 释放 能 量 的 情况 是 很 少
发 生 的 ;如 果 发 生 这 种 情况 则 对 代谢 有 害 。
由 于 ATP 的 水 解 是 一 种 释 能 ( 放 能 ) 反 应 , 因此 , 从 ADP
和 无 机 磷酸 合成 ATP 时 , 也 需要 吸收 同等 数量 的 能 量 , 这 也
就 是 说 ,这 个 反应 在 标准 条 件 下 ,是 吸收 十 31 千 焦 克 分 子 -: 能
量 的 吸 能 反应 。 因 此 把 生物 学 的 氧化 -还 原 反 应 中 ;有 释放 的 自
由 能 用 于 合成 ATP， 看 来 这 是 一 种 合适 的 能 量 贮存 的 办 法 。
但 是 ,这 种 办 法 只 是 在 底 物 水 平 的 磷酸 化 反应 中 , 才 是 一 种 较
为 简单 的 储 能 过 程 。
1.3 ” 磷 酰 基 的 转移 反应
醇 式 磷酸 盐 的 水 解 (例如 AMP:- 或 葡萄 糖 -6- 磷 酸 一 ) 至 少
产生 一 个 不 带电 和 荷 的 产物 ,并 且 不 产生 质子 。
AMP?" + H,O=— gilt + HPO (1.2)
葡萄 糖 -6- 磷 本 二 十 H,O =— 葡萄糖 + HPO? (1.3)
因此 ,这 种 水 解 仅 是 较 弱 的 放 能 反应 CAG” < —17 千 焦 克 分
子 -0D， 并 与 pH 无 关 。 但 是 如 果 这 分 子 是 一 个 羧 酸 和 一 休 正
磷酸 的 较 不 稳定 的 混合 酸 本 ， 水 解 时 则 情况 完全 不 同 《〈 例 如
1,3- 二 磷酸 甘油 酸 或 乙酰 磷酸 ), 它 们 产生 十 分 稳定 的 带 质 电
荷 的 产物 和 一 个 质子 。
1, 3- 二 磷酸 甘油 酸 生 + H2O = 一 3- 磷酸 甘 油 酸 ”
+ HPO?- + Ht | (1.4)
乙酰 磷酸 一 十 HO—=Z7,-+ HPO? + Ht (1.5)
因此 这 些 反应 是 很 强 的 放 能 反应 (AC" > 41 FRAP),
4
; ya pH 有 关 。，
eer re err ae AL
a “' 它们 排 成 一 张 类 别 表 GE 1.1)。 ERNE, ATP ELE
， ， 挨 在 中 间 , 在 其 上 面 是 混合 的 磷酸 栈 ,而 在 其 下 面 的 则 是 醇 式
«BARR Eto
is 1.1 ABRAM AGC” ff
有 机 磷酸 化 合 物 AG” (FREAD).
1，3- 二 磷酸 甘油 酸 一 49.3
乙酰 磷酸 一 43.9
ATP(==ADP + Pj) — 31.0
葡萄 糖 -6- 磷 酸 一 13.8
一 磷酸 腺 苷 CAMP) —8.4
是 ATP-ADP 系统 在 生物 学 中 所 起 的 作用 。 与 在 这 个 表 中
。 十 中 间 的 位 置 完全 吻合 ， 这 就 是 它 向 其 他 有 机 磷酸 化 合 物 提
。。 供 一 个 占 一 中 心 位 署 的 确 酰 基 (PO) 供 体 - 受 体系 统 。 因
it, ATP 能 提供 一 个 磷 酰 基 给 葡萄 糖 (在 已 糙 激 酶 存在 时 ，
因为 在 表 中 葡 葡 糖 -6- 磷 酸 是 在 ATP 之 下 。
_ ATP* + Bae =—— ADP? 十 和 葡萄糖 -6- 磷 酸 二 + HF (1.6)
4 反之 , ADP 能 从 1, 3- 二 磷酸 甘油 酸 接受 一 个 磷 酰 基 ( 在
磷酸 甘油 酸 激酶 存在 时 ) ,因为 在 表 中 ATP 是 在 1, 3- 二 磷酸
”甘油 酸 之 下 。
1, 3- 二 磷酸 甘油 酸 秘 十 ADP 一 一 > 3- 磷 酸 甘油 酸 一
+ ADP‘ (7)
应 该 指出 : 在 这 二 类 反应 中 , 都 没有 有 机 磷 水 解 的 实际
反应 发 生 。 然 而 ,由 于 热力 学 仅 关 心 反应 的 始末 状态 ,而 不 考
起 实际 的 反应 机 理 。 这 些 反应 的 AG” 值 , 可 以 分 别 由 水 解 反
二 “应 和 陪 水 反应 的 各 自 AG" 的 总 和 来 计算 得 到 。 因 此 ,从 热力
«FRA, RM (16) 可 看 作 是 反应 〈1.1) 和 (1.3) 的 逆 过 程 的
es 7 e
总 和 ， 而 反应 〈1.7) 则 是 反应 (1.4) 和 《1.1) 的 逆 过 程 的 总
， 和 4 必须 着 重 指出 的 是 ,这 两 个 总 反应 进行 时 5 交 让 由 能 略 有
释 出 以 保证 反应 平衡 移 向 右边 。
1.4， 焦 磷酸 的 裂解
有 时 候 ， 能 量 的 转移 是 以 ATP 22h AMP 和 焦 磷酸
(P~P) 方式 进行 的 , 例如 在 活化 脂肪 酸 时 , ATP 就 是 这 样 乳
解 的 , 它 释 出 的 能 量 则 被 储存 于 共 价 的 硫 酯 CC~S) 键 中 。
R- 1 “CH + ATP + CoA -SH==R: | ~SCoA
O O
++ AMP + P~P
产物 P~ 了 然后 再 水 解 为 二 个 分 子 的 正 磷酸 ;同时 以 热 的 形式
放出 自由 能 ,这 使 初始 活化 反应 的 平衡 有 利于 形成 脂肪 酰 辅
酶 A。 在 蛋白 质 生 物 合成 时 焦 磷 酸 的 裂解 反应 还 伴随 氨基 酸
的 活化 ;因而 使 这 些 反应 实质 上 也 不 可 逆 。
15 ， 底 物 水 平 磷酸 化
我 们 在 第 1.3 节 曾 看 到 : ATP 的 合成 也 可 以 依靠 从 高 能
的 有 机 磷酸 盐 转 移 磷 酰 基 来 推动 ,例如 从 1, 3- 三 磷酸 甘油 酸
或 乙酰 磷酸 转移 一 个 磷 酰 基 给 ADP。 这 样 ， 凡 是 能 使 这 种 相 。
对 不 稳定 分 子 形成 的 任何 代谢 反应 系 iri. one
物 水 平 上 进行 磷酸 化 的 潜在 能 源 。 ie
在 动物 和 微生物 的 糖 酵 解 时 , 1, 3-H th RT
3- 磷 酸 甘油 醛 (RCHO) 的 氧化 而 形成 ,如 以 下 所 示 :
« 8 。
_ R- CHO +E-SH+ NADt==R- oe A
4 Te 入
© = oa
e+
Pat A
% : a -
Be ; y ,
ae R: C~S-E+HPO}==R + C~OPO? + E- SH
O -OO
a. °
Stas «
: <2 rae
=
het
R + C ~OPO} + ADP<==R + C—O- + ATP*
|
~ >
ey
» ne
-
| O O
SRT DERE ELAS CE - SH) 的 初始 反应 是 与 NAD+ 结 合 ，，
然后 再 催化 R+ CHO 的 氧化 。 这 种 反应 所 释 出 的 能 量 就 被
二 储存 于 酶 结合 的 硫 酯 中 (C~S;AG" 一 一 43.1 千 焦 克 分 子 -)，
其 余 的 能 量 再 储存 于 以 后 的 磷酸 取代 反应 中 ,产生 1, 3- 二 磷
«BREA (C~O; AG” = 一 49.3 干 焦 克 分 子 -)。 1，3- 二 磷
， ， 酸 甘 油 酸 最 后 在 磷酸 甘油 酸 激酶 的 作用 下 ， 通 过 磷 酰 基 的 转
. Binslig ATP 的 合成 。
ss EAS RAM RAEKE, ARC Re
。 酸 而 氧化 成 乙酸 ， 是 一 个 重要 的 能 量 贮存 过 程 。 这 是 一 个 更
为 复杂 的 过 程 ,包括 形成 酶 结合 的 硫 酯 、. 乙 酰 辅酶 A、 乙 酰 磅
— 酸 ,以 及 然后 才 形 成 ATP。
呈 这些 反 应 的 显著 特点 ,是 氧化 -还 原 反应 发 生 在 磷 酰 基 转
， 移 至 ADP 之 前 ,并 且 这 两 过 程 是 先 有 一 个 非 磷酸 化 的 高 能 中
PY, 而 后 又 有 一 个 磷酸 化 的 高 能 中 间 产 物 来 连接 的 。 总
«BRA, 这 两 个 反应 都 是 有 少量 热 释 放 的 放 热 反 应 。 同时 也
必须 指出 ， 整 个 系列 的 能 量 转移 反应 都 是 被 水 溶性 的 酶 所 俊
“化 ,通过 形成 共 价 的 ,易于 分 离 的 中 间 产 物 而 完成 的 。
16 ”电子 传递 中 的 一 些 氧化 -还 原 反应
有 一 种 更 重要 的 特征 是 一 切 生物 能 量 贮 存 类 型 所 共有
e 9 «
的 。 这 个 特征 在 上 一 节 底 物 水 平 磷酸 化 中 已 谈 到 过 , 它 特 别
与 光合 磷酸 化 和 氧化 磷酸 化 的 电子 传递 系统 有 关 。 这 就 是 有
氧化 -还 原 反 应 参与 的 磷酸 化 反应 。
任何 氧化 反应 必定 有 -一 个 还 原 反应 同时 发 符 。 因此 , 在
AH: 氧 化 为 A 时 , B 就 被 还 原 为 BH，;。
AH, B
A BH,
这 种 4 个 组 分 的 系统 是 由 2 个 氧化 - RHR AH,/A 和
BH,/B 构成 , 其 中 任 一 对 都 可 接受 或 提供 2HC2H* + 2c);
其 他 种 类 的 氧化 还 原 对 偶 也 可 以 传递 氢化 物 离子 〈 互 - 三
Ht 十 2e-), 或 者 就 是 单单 传递 一 个 或 二 个 电子 。 如 果 一 个
对 偶 (AH/A) 在 供给 还 原 当量 的 倾向 上 比 另 一 对 偶 (BH2:/B)
更 强 时 ,那么 就 会 有 净 还 原 等 当量 从 还 原 对 偶 (AH:/A) 的 更
还 原 的 组 分 ,转移 到 氧化 对 偶 (B) 的 更 氧化 的 组 分 。-
这 种 供给 或 接受 还 原 当 量 的 倾向 ,可 与 一 标准 氧化 = 还 原
对 偶 ( 即 标准 电极 ， 如 氢 电 极 或 甘 汞 电极 ) 参 考 而 给 出 定量 数
值 。 在 温度 (25°C), 浓度 (AH, = [A]) 和 pH (7.0, BUS
作 说 明 ) 的 标准 条 件 下 , 测 得 以 毫 伏 表示 的 电位 值 , 称 之 为 标
准 氧化 -还 原 电位 〈 忆 0)。 在 非 标准 条 件 下 测 得 的 氧化 -还 原
电位 值 , 则 以 符号 E, 值 代表 之 。 由 于 NADH + H*/NAD* 和
H,0/30, 2 个 对 偶 的 值 分 别 为 一 320 和 +820 BK, MH
呼吸 时 , 有 2 HEM NADH(+H"*) 转移 到 氧 , 而 不 是 从 水
转移 到 NAD+, 即 向 增加 氧化 -还 原 正 电位 值 的 方向 转移 。
这 个 反应 的 标准 自由 能 的 变化 《AcGv ) 与 氧化 偶 联 和 还
原价 联 的 标准 氧化 -还 原 电 位 之 差 值 大 小 CAE 有 关 ， 它 们
的 关系 可 用 下 面 简单 的 方程 式 表示 :
AG” = —nFAE,
«10 。
|
me = aes
> Bah: oi Ss eR
* See 六
二 ~
二
这 时 为 传递 的 电子 数目 (2)。 为 法 拉 第 常数 〈96,649 千
PROR4E), Bit, 4 NADH(+H*) 被 分 子 氧 ( 瑟 一
了 Pi 140 毫 伏 ) 氧 化 时 ,标准 自由 能 的 变化 量 为 一 219 千 焦 克 分
也 '。 要 使 反应 逆转 ,就 得 向 系统 供给 能 量 ,因为 这 时 的 AG”
值 是 正 的 (第 4、5、6 章 )。
.光合 作用 就 是 这 种 着 反应 的 很 好 的 例子 。 在 这 个 情况 中 ，
，， 还原 当量 必须 从 氧化 -还 原 电位 高 的 对 偶 (H;O/3O,) 转移 到
氧化 -还 原 电位 低 的 对 偶 (NADPH + H+/NADP+)， 即 向 需
Ren, 克服 这 一 问题 的 办 法 , 是 向 供 能 系统 注入 太
2 «PRE (15). 太阳 辐射 引起 两 个 光 反 应 系统 叶绿素 的
” 惠 荷 分 离 ， 从 而 产生 2 个 电子 供 体 (X- 和 Z-7 和 2 个 电子 受
Yt Wt), Wt 是 一 种 强 氧化 齐 ， 易于 从 水 接受 还 原 当
让 i, 同时 释放 出 分 子 氧 。X- 是 一 种 强 还 原 剂 , 易于 提供 还 原
当量 给 NADP+。 SH Z- RESCH Y+ 的 氧化 ,是 一
， 种 中 等 程度 的 释 能 反应 , 它 可 以 与 从 ADP 和 无 机 磷 合 成 ATP
的 反应 相 联接 。 电 子 从 2 转移 到 Y*, 经 过 一 系列 彼此 衔接
5 ‘fe:
4
5 x
=. sae,
a o]+H,0
~~ 0 2
= | CFs
y*
to SERRA
a a
#800 ak
+
总 反应 : 2H,0 + CO, <= 0,+ [CH,0O]+H,0
图 1.2 光合 作用 的 氧化 -还 原 简 图
| 的 氧化 -还 原 反应 ， 这 些 反应 与 呼吸 系统 中 相应 的 疏 十 分 相
“ i iM: ee Sa
{Uo
和 底 物 水 平 的 磷酸 化 不 同 ， 在 光合 磷酸 化 和 氧化 磷酸 化
反应 过 程 中 , 测 不 到 高 能 的 有 机 磷酸 化 合 物 存在 ;这 两 个 反应
都 是 与 膜 结 构 有 联系 的 现象 。 膜 的 作用 是 建立 起 一 个 下 水 的
而 不 是 水 相 占 优势 的 环境 ， 这 种 环境 对 氧化 还 原 组 分 施加 严
格 的 区 域 性 限制 ,从 而 使 这 两 种 磷酸 化 系统 ;都 表现 有 一 种 高
度 的 空间 组 织 结构 。 此 外 , 膜 的 小 麦 泡 性 质 意味 着 这 和 种 能
量 贮 存 系 统 ， 必 须 有 运输 系统 伴随 来 保证 底 物 和 辅 因 子 的 供
给 与 移 走 的 收 支 平 衡 ;并 与 细胞 对 ATP 的 需求 相 协调 。
因此 ,电子 传递 和 磷酸 化 系统 的 性 质 和 机 构 ,基本 上 汪 调
和 一 致 的 ， 这 种 调和 一 致 性 不 能 为 它们 许多 (相对 的 ) 细 微 的
差异 所 掩盖 。 为 此 ,我 们 将 在 本 书 中 集中 主要 的 篇 幅 ; 讨 论 呼
吸 和 氧化 磷酸 化 作用 ， 而 对 光合 作用 只 是 讨论 那些 与 生物 能
量 转化 机 理 的 基本 知识 明显 有 关 的 问题
1.7 呼吸 作用
认为 呼吸 作用 是 结合 在 膜 上 的 有 高 度 组 织 次 序 的 氧化 还
原 载体 (呼吸 链 ) 所 催化 的 这 个 普遍 接受 的 概念 ， 主要 是 在 本
世纪 二 十 和 三 十 年 代 ，Wieland、 Warburg 和 Keilin 的 工作
所 得 的 结果 。
Wieland 从 有 机 化 学 的 例子 推理 ， 认 为 还 原 底 物 的 氧化
是 通过 脱 氢 酶 的 作用 ,将 氢 原 子 移 去 的 结果 ,然后 氢 原 子 册 目
发 地 把 分 子 氧 还 原 成 水 。 然而 ， 另 一 位 杰出 的 学 者 Warburg
则 认为 细胞 中 的 氧化 反应 ,是 先 由 呼吸 酶 (呼吸 作用 的 酶 或
-现在 称 之 为 细胞 色素 氧化 酶 ) 活化 氧 分 子 起 始 的 。 Keilia 在
1925 年 对 细胞 色素 系统 的 重新 发 现 , 指出 了 两 者 之 间 的 联系 .
» We
Ce ee ee ”， o .
eae % (氧化 ) exe ) CHU) 上
AN pesce 7. 细胞 色素 mNGER AER” ho,
aS Cat)
| 图 1.6 呼吸 作用 的 早期 观点
Ve, (A 1.6), 而 大 大 调和 了 这 二 种 相反 的 观点 。
把 呼吸 作用 看 成 为 一 系列 衔接 的 氧化 - 还 原 反 应 的 这 种
时 期 观点 。 后 来 又 为 Warburg, Theorl 和 其 他 学 者 在 三 7h
ERA, ULMER (NAD+ 和 NADP+) ARK
ie * HAG (FMN 和 FAD)， 以 及 证 明 这 些 氧化 - 还 原 化 合 物 与 脱
Sisis tes RIMSII. Keilin 和 Hartree 在 1939 年 ,对
4" 细胞 色素 成 员 的 排列 程序 的 经 典 性 证 握 ， 以 及 在 时 间 上 -
WAS HERI it (Fe-S) SAAN 2H WES TAL
+ 时 也 大 大 增加 了 总 过 程 的 复杂 性 。
由 于 所 有 这 些 氧化 -还 原 组 分 的 Ey 值 都 是 间隔 很 近 地 排
«FE 一 320 至 +375 毫 伏 之 间 , 因 此 还 原 当量 从 NADH 至 分
。 隆 氧 之 间 , 实 际 上 是 通过 一 系列 小 的 氧化 -还 原 电位 阶梯 而 传
A) LZ). GREE, 总 反应 过 程 中 可 利用 的 大 量 自由 能
NADH。
从 T
黄 素 、Fe.s
of mame! | “ao
| 细胞 色素
As
+400 \
1
wo
+800 ES 2
H_O
, ‘
; Eo {mv)
1.7 呼吸 作用 中 的 氧化 -还 原 关 系
9 13 。
(AGY = 219 千 焦 克 分 子 -") 就 能 小 量 分 批 地 释放 。 因此 也
就 能 够 最 有 效 地 用 于 从 ADP 和 无 机 磷酸 合成 ATP 这 个 需 能
反应 (AGY = 十 31 FRESE).
NADHCTHT+) 的 形成 主要 是 依靠 消耗 久 酶 解 、 三 羧 酸
循环 或 脂肪 酸 氧 化 循环 的 中 间 产 物 〈 例 如 3- 磷 酸 甘 油 酸 、 两
酮 酸 、c- 酮 戊 二 酸 、 苹 果 酸 或 6- 产 酰 辅酶 A) 在 分 解 代谢 中 ，
通过 与 NAD+ 联结 的 脱 氢 酶 的 作用 而 完成 的 。 其 他 分 解 代 谢
的 还 原 产 物 如 琥珀 酸 、c- 磷 酸 甘 油 酸 或 脂肪 酰 辅酶 A 的 氧化
则 相反 ,并 不 是 通过 NAD* 进行 的 ,因为 它们 组 成 的 氧化 = 还
原 对 偶 的 EVA, 大 大 高 于 一 320 Sek Clan Ey BERR FE
索 酸 = 十 30 毫 伏 )。 然 而 这 些 底 物 可 以 被 呼吸 链 通过 高 电位
的 黄 素 相 联系 的 脱氧 酶 直接 氧化 。 Al, RABRD TA
(AG” = 一 152 千 焦 克 分 子 -0 氧化 时 ， 释 放 的 能 量 也 就 比
NADH + H* 的 氧化 要 小 得 多 ,并 且 形 成 ATP 量 也 成 比例 地
降低 (第 4 章 )。
电子 传递 呼吸 链 的 命名 是 与 相应 的 电子 供 体 和 受 体 对 等
的 。 因 此 ,催化 分 子 氧 的 氧化 NADH + Ht 或 琥珀 酸 的 呼吸
载体 ,分 别 被 总 括 地 称 为 NADH 氧化 酶 和 琥珀 酸 氧化 酶 。 同
样 , 催 化 琥珀 酸 还 原 细胞 色素 “ 的 呼吸 链 片段 被 称 为 琥珀 酸 -=
细胞 色素 “ 还 原 酶 ,而 还 原 态 细胞 色素 被 分 子 氧 的 氧化 , 则
是 细胞 色素 氧化 酶 催化 的 。NADH 脱 氢 酶 和 琥珀 酸 脱氧 酶
这 种 传统 的 术语 ， 通 常 是 被 用 来 描述 由 泛 醒 或 人 工 电子 受 体
NADH 或 琥珀 酸 的 起 始 氧化 的 反应 。
2. WEIR SE 28 US
ee
et:
ee rrr res 它 催化 还 原
Re 2 PRN. EATS O TR, MRS |
吸 链 中 每 个 组 份 的 分 子 性 质 和 氧化 还 原 性 质 ， 去 充分 地
TAREE OL ACRE :
‘hal
ee PD I AEF eA
Rep
‘4, as
a 3 参与 在 细胞 氢化 - 还 原 反应 中 的 那些 烟 酰胺 (吡啶 ) BaF
mee. LSA NAD* ( 烟 酰 胺 嗓 吟 二 核 昔 酸 ;原来 叫 辅
ie 1, 辅酶 或 DPN+) 或 NADP+ 的 ( 烟 酰 胺 味 叭 二 核 苷 酸 磷酸
“SRNR RTP eH, HRA
RE, DETR
。 必 不 可 少 的 ， 但 是 又 易于 从 蛋 0 cee
BRT ATID HE Heo -to-o 0 (et
: NADE* 与 NAD+ 不 同 之 处 ,是 |
在 味 聆 核糖 分 子 的 C-2 上 的 羟 -o-tan
oe. 基 为 一 个 磷酸 基 团 所 取代 (图 or at O A 第
ee 2. 1)o Xe M
7 OH
时 这 二 种 辅酶 的 氧化 -还 原
于 性 质 都 是 由 于 烟 酰胺 的 一 个 部 全 人 eee
位 (图 2.2), 能 接受 一 个 氢化 物 离子 (H- = BF 十 2e-) 的
PERERA. 因此 , 例如 在 苹果 酸 通 过 苹果 酸 说 氢 酶 氧化
; AMELIE, NAD* 接受 一 个 A”, HB— TRF RAMA
e 15 «
于 周围 介质 中 , REA TEA io OE bo MING
还 原形 式 应 正确 地 写成 NADPH + H*, 然而 在 实际 上 Ht
被 省 略 (也 有 写成 NAD(P)H: 的 )。 |
NAD(P)* 所 NAD(PJH |
图 2.2 ” 烟 酰 胺 的 氧化 -还 原 性 质 3
NAD(P)* 和 NAD(P)H, 具有 明显 不 同 的 吸收 光谱 。 A
此 ， 通 过 检测 340 毫 微米 的 变化 ， 可 以 很 容易 地 看 到 它们 的 ，
氧化 -还 原 反 应 的 动力 学 过 程 。 NADH/NAD+ 和 NADPH/ —
NADP* 偶 联 的 标准 氧化 还 原 电 位 非常 接近 ， 分 别 为 一 320 —
和 一 324 毫 伏 ,它们 与 脱 辅 基 蛋 白 结合 时 ,这 个 电位 值 一 般 也
不 发 生 显 着 的 改变 。
2.2 ”呼吸 链 的 一 些 脱 气 酶
从 NADH 往 下 的 氧化 反应 以 及 现 珀 酸 、cu- 磷酸 甘油 酸 、
脂肪 酰 辅酶 A 等 的 起 始 氧化 都 是 通过 专 二 的 结合 在 膜 上 组
成 一 部 分 呼吸 链 的 脱氧 酶 进行 的 。 这 些 复合 的 脱 氢 酶 含有 一
个 黄 素 作为 其 主要 的 氧化 -还 原 组 份 ,但 常 与 一 个 或 一 个 以 上 “
的 铁 - 硫 蛋 白 相 结合 “早先 它 们 因此 而 被 称 为 金属 黄 素 蛋白 ，
但 最 近 用 了 铁 -硫黄 素 蛋 白 的 名 称 )。 虽然 在 体内 这 些 氧化 -
还 原 载体 的 相互 关系 还 很 不 清楚 ,然而 单个 的 黄 素 和 铁 - 硫 组
份 的 性 质 和 功能 已 知道 得 相当 透 激 了 。
221 KREG
这 些 酶 是 由 酶 蛋白 或 者 加 上 FMN ( 黄 素 单 核 普 酸 ; 核 黄 ，
* 16 «
ws 氧化 -还 原 性 质 ,使 它 SUE aese =
2 3 十 2e-)， 然而 ,在 体内 ,它们 是 来 回 变化 于 氧化 型 和 半 醒
之 间或 半 根 型 和 还 原型 之 间 , 因 而 很 可 能 仅 运载 一 个 当量
(B Al 2.4)。 |
已 -
oa “(CHOH);* CH,O-F-O
NH,
4 S| eae
ae ee CH>O oak N* ~N
OL }. ~
bas es OH OH
(FAD)
图 2.3 FMN 和 FAD 的 结构
《氧化 态 】
amas!
ie Th, 图 2.4 黄 素 的 氧化 -还 原 性 质
5 I7*e
在 氧化 型 中 ,大 部 分 种 类 的 黄 素 蛋 白 显示 有 明晰 的 黄色 ，、
这 反映 它们 的 吸收 光谱 靠近 450 BACK: FR - 量
收 光 谱 消失 ,蛋白 变 成 无 色 。
FMNH,/FMN 和 FADH,/FAD 对 偶 的 标准 氧化 = 还 原
电位 ,分别 为 一 190 和 一 210 毫 伏 , 但 当 这 种 黄 素 与 脱 辅 基 蛋 。
白 结合 时 ,这 数值 常会 变 得 很 不 相同 。 说 实在 ;已 知 黄 素 和 蛋白“
在 体内 有 宽阔 的 氧化 -还 原 电 位 ,这 使 它们 在 它们 的 呼吸 链 功
能 中 ， 极 易 适 应 变化 的 需要 。 因 此 ,在 还 原 的 硫 辛酸 (Bo=
一 290 毫 伏 ) 氧化 时 , 在 链 的 一 端 , 硫 辛 基 脱 氢 酶 把 还 原 当量 。
2244 NAD*， 而 在 另 一 端 , 则 琥珀 酸 脱 氢 酶 在 至 少 零 毫 伏 的
氧化 -还 原 电 位 下 起 作用 。
2.2.2 ” 铁 - 硫 蛋白
Sih Morterson 1962 年 首次 分
离 出 梭 状 芽孢 杆菌 (Clostridium) 的 含 铁 氧 化 = 还 原 素 以 来 ，
又 有 好 多 种 这 类 和 氧化 还 原 载体 被 纯化 。 它 们 大 多 数 是 分 子 量
较 低 的 含有 等 量 铁 和 "“ 易 变 硫 ”的 蛋白 。 | |
菠菜 的 含 铁 氧化 -还 原 素 是 这 类 蛋白 中 最 简单 的 一 种 。 它 时
所 含 的 2 个 铁 原 子 是 被 夹 持 在 由 2 个 易 变 硫 原子 (Ss) 和 4 个 。
半 胱 氮 酸 分 子 所 构成 的 晶 格 中 ;因此 属于 2Fe-2S ”蛋白 类 (图 ，
2.5)。 之 所 以 把 分 子 中 的 硫 称 为 易 变 硫 ,是 由 于 它们 和 半 胱 气
酸 的 硫 原子 不 同 , 在 酸性 条 件 下 , 它 易于 以 HS 的 形式 释 出 ，
同时 失去 氧化 -还 原 活性 。 另 有 一 些 种 类 的 铁 - 硫 蛋 白 含有 多
倍数 的 2Fe-2S* AA; 例如 光合 细菌 和 某 些 哺 必 动 物 的 呼吸 “
系统 的 高 电位 CHipip) 的 4Fe-4S* 蛋白 以 及 厌 氧 细菌 的 8Fe-
8s* 含 铁 氧化 = = 还 原 素 。 生
所 有 铁 - 硫 和 蛋白 都 吸收 450 一 500 ORE INEM. i
°e 18 «
pede
oe
lies. 5 xpi wae ts:
:
pet ae mee, — cys 一 一
ae 图 2.5 2Fe-2S* 的 氧化 -还 原 中 心 〈CyS. EBERT)
Bat: *
| LAMBRA Be, BIBI IRI. RELI
‘ ace 2Fe—2S* 和 4Fe-4S* 蛋白 仅 运 载 一 个 电子 ,而 8Fe-
8S" 能 运载 2 个 电子 。 还 原作 用 的 确切 机 理 还 不 清楚 。 虽 外
_ 4Fe-4S* Hipip 蛋白 的 还 原 引起 电子 对 的 产生 〈 即 成 为 一 种 抗
， 磁性 物质 )， 然 而 大 多 数 铁 - 硫 蛋白 的 还 原 是 产生 一 个 不 成 对
4 ”的 电子 《| 顺 磁性 的 )。 因 此 ， 这 些 组 份 的 氧化 -还 原动力 学 过
- 程 ， 极 易 用 电子 顺 磁 共 振 CEPR) 波谱 检测 顺 磁性 的 出 现 或 消
FRR. 在 所 有 已 知 的 铁 - 硫 蛋 白 中 。 没 有 一 种 能 运载 质
Cae
A RURAL HO, BEM 一 430 毫 伏 (大 多
， 数 的 含 铁 氧化 还 原 素 ) 到 +350 毫 伏 ( 某 些 Hipip BA) 范围
， 中 ,因而 使 它们 能 在 很 多 种 氧化 -还 原 反应 中 起 作用 。
| 在 高 等 生物 的 呼吸 系统 中 ,至少 有 一 种 不 与 任何 原初 的
黄 素 蛋白 脱 氢 酶 相 联系 的 高 电位 的 铁 - 硫 蛋 白 存在 。 这 种 蛋
Age Hipip 《ZE 省 150 BK) 4Fe-4S* 蛋白 ， 它 位 于 呼吸 链
«RIZE c 还 原 酶 片段 中 的 某 个 地 方 。
223 NADH fi Sis
“实践 证 明 ,NADH 脱 氢 酶 是 最 难 提纯 的 呼吸 链 组 份 之 一 。
" FABEIRSE A 处 理 , 可 从 膜 上 提出 种 可 溶 的 但 较 易 变 的 “高 分
和 子 量 "形式 的 这 种 酶 ,一 般 认为 这 种 状态 的 酶 比 其 他 任何 纯化
= 19 2
ha mal
a’ | ne
的 制剂 更 接近 于 体内 状态 ， 每 克 分 子 蛋白 《分 子 量 550,000)
含 16 一 18 克 分 子 的 铁 〈 带 有 稍微 更 易 变 的 硫 ) MKT
的 FMN。 它 也 受 杀 粉 歇 素 (piercidin) A Fa SF th Hl A :
6 Fi) —— #6 AAA IM ilo 这 两 种 抑制 剂 都 与 酶 的 靠近 把 还
原 当量 转移 给 下 一 个 呼吸 链 组 份 一 一 泛 柄 区 域 的 特定 部 位 结
合 。
哺 羽 动物 的 呼吸 膜 在 液 氨 〈5K) 温度 下 的 顺 磁 闪 振 波
谱 , 显示 出 至 少 有 4 个 , 可 能 有 多 达 7 ARF NADH iA
的 不 同 的 铁 - 硫 中 心 。 它们 的 存在 可 以 用 对 呼吸 链 的 一 系列
不 同 BE， 值 处 加 以 毒害 ， 再 检测 它们 各 自 的 顺 磁 共振 讯号 的
te DE See
q oP ral,
出 现 与 否 而 测 知 。 在 信号 最 高 值 的 一 半 处 的 已 六 就 是 这 个 特
定 铁 - 硫 中 心 的 BEo。 这些 实 验 结果 清楚 地 表明 在 N-1、N-3、
N-4( Ey < —245 毫 伏 ) 及 N-2(E = 一 20 BR) 中 心 之 间 有
很 大 的 差异 。 因 为 这 些 波 谱 的 研究 表明 , FMN 可 能 是 在 靠近 “
低 电 位 中 心 群 处 起 作用 , 而 .ATP 使 FMN 的 还 原 与 N=2 中 心
的 氧化 同时 发 生 ， 这 样 看 来 相当 肯定 电子 在 跨越 一 个 幅度
(FMN, N-1, N-3, N-4) 一 N-2 的 传递 , 导致 释放 足够 的
能 量 以 推动 ATP 合成 。 这 个 观点 也 可 能 受到 以 下 观察 结果
的 增强 , 即 N-2 中 心 的 Ey 以 及 可 能 N-1 的 一 部 分 当 有 ATP
存在 时 , 有 显著 的 改变 ( 见 第 5 章 )。 鱼 茧 酮 和 杀 粉 歇 索 A 的
作用 部 位 可 能 靠近 N-2 Xb.
在 NADH 脱 氢 酶 中 ,存在 有 多 倍 的 铁 - 硫 蛋白 :似乎 是 一
个 广泛 存在 的 现象 ,因为 从 牛肉 、 鲍 心 、 也 还 有 从 产 和 蛋白 很 丝
BEE (Candida utilis) 得 到 的 制剂 中 ,都 测 到 有 实际 相等 的 顺
磁 共 振 数 据 。 Garland 和 他 的 共同 工作 者 用 缺 铁 培养 的 产 蛋
Fy 22 BBE [ Candida (Torulopsis) utilis] FARR AT RNS Fe
工作 ,肯定 了 在 这 呼吸 链 片段 中 , 铁 对 能 量 侦 联 是 必需 的 5
* 20 «
oa 2.24 eB Ss
ss FRA, TRE
， “其 体内 的 性 质 ,已 证 明和 NADH 脱氧 酶 是 很 困难 的 。 早 期 所
， 用 的 大 多 数 提取 方法 是 很 剧烈 的 ， 而 且 得 到 的 是 不 够 均一 的
”可 溶 制剂 。 然 而 ,最 近 Davis 和 Hatefi 介绍 了 一 种 用 无 序 试剂
， 来 破坏 膜 的 较 温 和 的 方法 , 得 到 了 有 活性 的 、 接 近 均 一 的 、 分
ss FE (97,000) 较 低 的 酶 。 它 可 以 再 通过 冰冻 和 融化 ,而 被 分
成 2 个 无 活性 的 亚 单位 。 其 中 一 个 亚 单位 是 分 子 量 为 70,000
的 铁 - 硫 黄 素 蛋白 ;每 克 分 子 蛋白 含有 一 克 分 子 FAD 以 及 铁 和
FERS 4 个 克 分 子 。 另 一 个 亚 单位 是 一 种 分 子 量 为 27,000
的 铁 - 硫 蛋 白 ,也 含有 铁 和 易 变 硫 各 4 个 克 分 子 , 但 不 含 黄 素 。
由 于 在 呼吸 时 ，FAD 经 历 着 氧化 -还 原 的 变化 ,这 就 很 清楚 ，
大 亚 单位 是 酶 的 催化 活性 所 必需 的 ; 但 小 亚 单位 的 功能 究竟 、
是 催化 还 是 调节 尚 不 能 判定 。
”虽然 大 多 数 黄 素 蛋白 的 黄 素 是 通过 带 负 电荷 的 磷酸 基 ，
以 离子 键 与 蛋白 结合 的 ,然而 氨基 酸 的 顺序 分 析 指 出 ,这 个 酶
sos WH FAD 是 通过 组 氨 酸 残 基 (His - N-CH,- R) 与 脱 辅 基 蛋 白
MMAR. HES A ARIE FADH,/FAD 对 偶 的
标准 氧化 还 原 电 位 , 它 把 游离 态 的 FADH/FAD 对 偶 的 标准
氧化 = 还原 电 位 (一 210 SER), 提高 到 接近 琥珀 酸 / 延 胡 索 酸
对 偶 的 标准 氧化 -还 原 电 位 (十 30 毫 伏 )。 这 样 , 让 酶 以 非常
有 利于 向 前 的 方向 起 作用 〈 即 向 着 琥珀 酸 氧化 为 延 胡 索 酸 的
Fl). 令 人 奇怪 的 是 ,在 某 些 用 延 胡 索 酸 代替 分 子 氧 作 为 末
端 电子 受 体 的 厌 氧 细菌 中 ,它们 的 脱 氢 酶 的 主要 功能 ,是 把 延
-« 胡 索 酸 还 原 成 琥珀 酸 ， 在 这 类 酶 中 黄 素 与 酶 是 以 非 共 价 结合
fo 这 现象 支持 了 上 面 对 共 价 结合 有 利 点 的 解释 。
GL, GRAAL ANG OI UE
e 21 °
~
表明 它 至 少 存在 有 3 种 不 同 的 中 心 。 S-3 Hub (B= +60
毫 伏 ) 是 一 种 Hipip 蛋白 ， 可 能 与 低 分 子 量 亚 单位 的 4Fe-4s*
中 心 等 同 的 。S-1 和 S-2 中 心 (Ey = +15 和 一 260 毫 伏 ) 是
属于 2Fe-2S* 含 铁 氧化 还 原 素 类 型 ;并 且 可 能 是 与 较 大 的 、 售
黄 素 的 亚 单位 在 一 起 的 。 因此 , PRR BEAR
能 是 循 着 (FAD, S-1) > S-3 的 次 序 传递 的 ; S-2 的 氧化 = 还
原 电位 可 能 太 低 ; 不 足以 使 它 具 有 向 前 方向 催化 的 活性 5
2.3 ” 烟 酰 胺 核 苷 酸 转 气 酶
烟 酰 胺 核 昔 酸 转 气 酶 催化 NAD*(NADH) 和 NADPH 、
CNADP- ) 之 间 的 还 原 当 量 可 逆 传 递 : NAD 瑞 十 NADP Tse
NADPH + NAD*,
BRB EFAS BoD ae eB, 有 时 以 洲 解 的
形式 存在 , 但 更 通常 的 是 与 呼吸 膜 在 一 起 的 。 BAILA
转 气 酶 被 报 纯 它们 也 含有 黄 素 和 铁 - 确 的 组 份 * 只 是 动物 转 、
氢 酶 的 成 分 还 很 少 了 解 。
转 氢 酶 反应 有 着 还 原 NADP* 的 sse 比 还 原 NADr 的
低 得 多 的 特点 。 由 于 这 两 个 对 偶 的 下 值 只 差 4 eR Ue
们 的 平衡 常数 (K) 非常 接近 。Ernster 及 其 同事 的 工作 证 明 ，
呼吸 或 ATP 水 解 所 释 出 的 能 量 对 转氨酶 反应 有 强烈 的 影响
《第 4 章 , 第 5 章 )。 对 NADPH 形成 的 速度 和 数量 都 有 促进 *
Gj Vinx» K > 1)， 而 逆反 应 则 被 十 分 强烈 地 抑制 了 。 因此 ，
供 以 能 量 的 状态 有 利于 NADH 还 原 NADP+ 的 耗 能 反应 。
而 把 还 原 当 量 从 降解 占 主导 的 连接 NAD+ 的 脱氧 酶 转向 生
物 合成 占 主 导 的 NADPH- 氧 化 酶 。
作为 必然 的 结果 ，Schulachev 最 近 已 证 明 ,如 果 采 用 高 比
值 的 CNADPHJICNAD+)/(CNADP+)CNADPH)， 来 提供 反应
9
所 需 的 AB,， 则 NADPH 可 被 NAD+ 氧化 而 释放 能 量 。 这 种
， 高 比值 可 通过 一 个 低 电 位 的 连接 NADP+ 的 还 原 剂 (例如 异 柠
， ， 榜 酸 ) 的 氧化 与 电位 较 高 的 连接 NADH 的 氧化 剂 (例如 草 酰
， 乙酸 或 丙酮 酸 ) 的 还 原 这 两 种 反应 之 间 的 偶 联 来 维持 , BR,
， 在 体内 是 否 也 存在 有 这 样 的 系统 起 着 能 量 贮存 的 作用 是 很 成
«FABIA.
2.4 iz Ake
， “呼吸 链 中 唯一 完全 属于 脂 质 的 氧化 -还 原 载体 一 一 泛 醒
《或 称 辅酶 Q), 是 在 1957 年 为 Morton 和 Crane 分 别 独立 发
现 的 。 它 很 容易 从 各 种 需 氧 性 生物 中 ,用 有 机 溶剂 提取 ,也 很
。 ， 易 用 吸附 色谱 方法 纯化 。 泛 醒 是 由 一 个 取代 的 1, 4- 苯 醒 环
，， 在 C-2 工 ,加 一 个 聚 异 戊 二 烯 的 长 侧 链 (图 2.6)。 后 者 根据 来
so HAMS 6 一 12 个 异 成 二 烯 单位 ;在 动物 系统 中 , 泛 柄 的 侧
‘ JRo
q | ”这 个 载体 之 所 以 有 氧化- oe be
b 还 原 性 质 , 是 由 于 柄 环 接受 2H TI cH,
a, ADEA CERO CHP os: eter
EB ein Be BR BS AY BB gy A= G12
《图 2.7). : 2.6 RRR
WZ ABBY EBM UE is AF
| MEW BERNER. 当 被 还 原 成 醒 醇 时 ，
272 毫 微米 处 的 主要 吸收 光 带 强度 降低 ,并 且 位 移 到 接近 290
«BACK. 因此 ， 这 个 载体 在 原 位 的 氧化 -还 原动力 学 变化 过
由， 程 ， 可 以 用 光谱 光度 计 来 眼 踪 。 Chance 和 Redfearn 于 1961
下 年 首先 做 到 了 这 种 在 技术 上 很 困难 的 操作 ,观察 到 NADH 或
。23 。
链 是 10 个 异 友 二 烯 组 成 ， 因 此 ， 这 个 同系 物 就 以 Q-10 表
图 2.7” 泛 配 的 氧化 -还 原 性 质
琥珀 酸 还 原 这 个 柄 ， 以 及 这 个 醒 醇 又 被 分 子 氧 重 新 氧化 的 反
接着 下 来 的 关于 泛 柄 的 氧化 -还 原 反 应 的 动力 学 ,是 否 快
到 足以 使 它 作 为 一 个 主要 的 氧化 -还 原 载体 的 问题 有 了 争论 。
这 个 问题 后 来 被 Klingenberg 解决 了 , 他 确 瘦 地 证 明 ; eR
合 了 从 各 种 呼吸 链 脱氧 酶 得 来 的 还 原 当 量 ， 再 把 它们 通 到 末
端 细胞 色素 系统 。 泛 柄 的 这 种 功能 与 它 在 原 位 (人 0 BOW
标准 氧化 = 还 原 电 位 ,以 及 与 其 他 呼吸 载体 相 比 有 较 高 的 克 分
子 浓度 ,这 两 个 现象 是 完全 相符 合 的 。Sacowska、Ernster ZK
其 他 人 用 提取 -重新 活化 的 实验 ,对 泛 柄 的 这 种 作用 提供 了 有
力 的 证 据 , 他 们 的 实验 是 用 非 极 性 的 有 机 溶剂 ;温和 地 提取 冰
冻 干 燥 的 呼吸 膜 中 的 柄 (同时 失去 NADH ASR FARR ACS
性 7; 然 后 以 正确 的 浓度 , 回 加 到 缺陷 了 柄 的 膜 土 去 (同时 重 现
这 些 活 性 )。
在 生物 膜 的 电子 转移 现象 中 ;有 杀 脂 的 柄 参与 似乎 是 一
种 普遍 的 现象 ; 泛 醒 的 近 缘 ( 质 体 柄 ?在 植物 的 光合 作用 中 起
作用 ,而 在 某 些 细菌 的 呼吸 系统 中 ,也 有 取代 的 甲 基 茶 柄 代替
了 泛 醒 的 位 置 (第 6 章 )。
25 细胞 色 紊
细胞 色素 是 MacMunn 在 1884 年 对 生物 组 织 薄 片 作 分 光
。24 。
SAH RMN. 然而 , 它 的 四 条 带 状 光谱 与 肌 红 蛋 白 的 光
谱 混 淆 在 一 起 ， 并 且 在 他 与 Hoppe-Seyler 激烈 地 讨论 之 后 ，
， 这 个 发 现 就 被 和 遗 忘 了 。 到 1925 年 , Keilin 又 重新 发 现 了 这 个
WR: ”他 报道 某 些 昆虫 飞翔 的 肌肉 显示 有 4 条 带 状 光 谱 特
， 征 。 把 肌肉 用 还 原 剂 或 氧化 剂 处 理 而 使 光谱 发 生 明显 的 增加
neta ta ee il 步 研究 后 明确 其
AS 3 NAF (a、b Alc), 是 分 别处 于 a-、b- 和 ce- 三 种 类 型 细
IRAN oF TSE 4 条 带 (d) 是 由 这 些 细胞 色素 的 p- 带 合
— 并 表现 。 在 光谱 的 蓝光 端 有 强烈 吸收 的 , 这 被 认为 是 它们 的
ae 7Y- 带 或 索 瑞 带 (图 2.8) 造 成 的 。
ay bylata;)y (b+c)P- ca ba (ata,)a
" 400 425 40 45 500 525 550 575 600
波长 ( 毫 微米 )
图 2.8 细胞 色素 的 光谱 带
细胞 色素 + 密切 有 关 ， 这 二 种 细胞 色素 一 起 被 称 为 细胞 色素
”氧化 酶 。 1940 年 Yakushiji 和 Okunuki (药师 寺 和 奥 贯 ) 首 先 区
分 出 细胞 色素 s5 并 用 硫酸 铵 分 级 分 离 法 ,使 细胞 色素 ci 与 其
§ 光谱 相 邻近 的 细胞 色素 * 分 开 。 近年 来 , 用 高 级 的 分 光 光 度
量 “ 计 法 和 电位 测定 方法 , 对 b- 型 细胞 色素 的 分 析 ， 表 明 至 少 存
EA 2 种 主要 的 组 份 , 即 bx (根据 Keilin; Ey 不随 士 ATP 而
BS) AN br (推测 中 的 换 能 ; Eo BE ATP 而 变 )。
Roce ABELL ONOKC 4 (si a BE
* 25 »
=
六 后 来 主要 是 Wasburg 从 研究 一 氧化 碳 抑 制 | 呼吸 作用 的 光
” 敏 化 作用 所 得 的 结 寺 采 ， 表 明 a 型 细胞 色素 是 细胞 色素 a 和 a
”组 侣 成 的 ,因为 a 与 分 子 氧 反 应 ,并 且 在 结构 上 与 物理 上 , 和
所 有 细胞 色素 都 是 由 脱 辅 基 蛋 白 加 辅 基 ( 血 红 素 ) 组 成 的
一 个 带 , 有 一 个 不 成 对 电子 因而 在 亚 铁 (Fe+) 与 高 铁 (Fe )
之 间 来 回 变化 的 中 心 铁 项 子 组 成 。 各 种 细胞 色素 的 差别 , 主
要 是 血红 素 部 分 (图 2.9) 的 2、4、5、8 碳 原子 的 取代 基 团 不
同 。 这 些 取代 基 对 于 各 种 细胞 色素 各 种 波长 的 最 大 值 和 标准
氧化 还 原 电 位 有 很 大 影 啊 。
a CH, CH=CH, 一 ~CHO
:5 She
b〈 原 血红 素 ) -CH=CH，-CH=CH， -CH ， -CHi
上 《中 血红 素 )~cH.cH， -CH-CH, =CH, -CH
S- 蛋 白质 “5- 和 蛋白 质
图 2.9 血红 素 的 结构
由 于 细胞 色素 的 氧化 还 原 行为 反映 了 铁 的 性 质 ， 因 此 需
要 概述 一 下 铁 的 化 学 。 铁 是 一 种 电子 结构 34 4s 的 过 渡 元
Fo (Ale, Fe?*(3d*) 和 Fe (3d ) 1a
“高 自 旋 或 低 自 旋 的 形式 。
Fe?*3d° 高 一 自 旋 人 11 人 1
低 一 自 旋 4 1 4
Fe?*3d? 高 一 自 旋 11111
低 一 自 旋 4 1 4
9 26 ，
owt ie
- 基 蛋 白 中 的 合适 的 原子 。 在 高 自 旋 的 和
一
”在 大 多 数 细胞 色素 中 ,依照 氧化 -还 原 情况 , 而 以 Fe 或
和 Fe 形式 的 低 - 自 旋 的 状态 存在 。 因此 有 6 个 轨道 仍旧 是 空
”的 (2 个 在 3d;1 个 在 4s。 3 个 在 4p), 并 且 铁 能 与 6 个 配 位 基
| “ 环 的 平面 内 。 配 位 5 和 6 可 用 于 结合 脱 辅 5
Rei 5
‘pha
有 5 个 配 位 的 细胞 色素 a 中 其 游离 的 位
置 被 弱 的 配 基 Wok. AU NN
据 ; 当 与 一 个 氧 分 子 结合 时 ,细胞 色素 便 6
转变 为 低 自 旋 状 态 。
2.5.1 _b- 型 细胞 色素
b- 型 细胞 色素 是 与 呼吸 膜 牢 固 地 结合 的 ,它们 在 那里 除
因为 细胞 色素 br(bss) 的 氧化 -还 原 电 位 在 ATP 存在 时 ,有 大
幅度 的 增加 (从 一 30 至 +240 毫 伏 ), 以 及 要 使 这 种 细胞 色素
全 部 还 原 ; 即 使 在 厌 氧 条 件 下 ,也 需要 有 ATP WEE Alt,
可 能 br 在 能 量 贮存 中 ,起 着 直接 的 作用 (〈 见 第 5 章 )。 但 是
bx(bsa) 这 种 细胞 色素 的 标准 氧化 -还 原 电 位 ， 却 不 受 ATP
《二 65 毫 伏 ) 的 影响 ,因而 它 可 能 主要 是 作为 一 种 简单 的 氧化 -
还 原 载体 起 作用 的 。
2.5.2 c- 型 细胞 色素
细胞 色素 < 是 呼吸 链 细 胞 色素 中 迄今 所 知 最 易 提纯 的 一
种 ,因为 它 是 与 呼吸 膜 松 弛 地 结合 的 ,又 易 溶 于 水 。 分 析 结果
«2: 它 的 标准 氧化 还 原 电 位 为 十 254 BR, AFH
12;600〈104 个 氨基 酸 )。 血红 素 基 困 〈 血 红 素 ; 中 血红 素 )
° 27 。
。 结合 为 一 个 八 面体 的 配 位 复合 物 。 4 个 吡咯 握 的 孤独 电子 对
显然 是 适宜 起 这 种 作用 的 。 并 使 中 心 铁 原子 大 致 保持 在 中 啉
了 已 知 的 氧化 -还 原 活性 外 ,还 可 能 有 重要 的 结构 上 的 作用 。
FEREA FE Oh et CHS Bit Bs BEA TK I #1 AY C-2 和 C-4 的
乙 基 分 别 与 半 胱 氨 酸 -14 和 半 胱 氨 酸 -17 键 合 )， 又 有 配 价 键
“通过 组 氨 酸 -18 的 咪唑 -N 和 甲 硫 氮 酸 -80 的 硫 分 别 作 为 第
15 和 第 16 配 位 基 与 中 心 铁 原 子 结合 )， 与 一 条 多 肽 键 结合
的 。 Dickerson 及 其 同事 做 的 卓越 的 2.8AX 射 线 衍 射 分 析 表
明 , 血 红 素 是 从 侧 方 插 和 人 和 蛋白质 内 部 的 绽 水 键 中 , 仅 把 它 的 吡
咯 环 I 和 IV 的 一 部 份 暴 露 在 外 。 分 子 的 表面 高 度 带电 荷 并
显示 有 明显 的 酸性 和 碱 性 区 域 , 在 球 蛋 白 中 这 种 表面 ,电荷 的
分 离 现 象 是 很 少见 的 ， 这 也 许 是 和 细胞 色素 必须 识别 并 以
有 序 的 方式 和 邻近 分 子 结合 有 关 ( 例 如 细胞 色素 a 和 aasy 其
他 的 膜 蛋 白 和 磷脂 )。
细胞 色素 «(Eo = +220 毫 伏 ) 似乎 与 呼吸 膜 牢固 地 结
合 的 ,但 能 用 胆 酸 盐 提 取 , 而 得 到 一 种 细胞 色素 bc 的 颗粒 o 细
胞 色素 c 的 完全 提纯 迄今 尚未 完成 ,但 用 部 份 提 纯 的 制剂 , 估
计 分 子 量 为 每 个 铁 原 子 占 37,000 以 上 。
2.5.3 a-=- 型 细胞 色素
细胞 色素 氧化 酶 (aas) 是 牢固 地 结合 在 呼吸 膜 上 的 ,但 用 、
去 拍 剂 使 它 溶化 之 后 可 以 被 提纯 。 提 纯 的 酶 的 最 小 分 子 量 为
250,000, 并 且 每 克 分 子 蛋白 含有 2 克 分 子 血 红 素 ala MM as),
2 克 分 子 铜 以 及 多 达 100 克 分 子 的 磷脂 , 它 至 少 有 6 RSE
组 成 。 虽 然 , 细 胞 色素 a(E4 一 十 230 毫 伏 ) 和 ai( 瑟 二 于 375 &
伏 ) 在 物理 上 彼此 从 未 被 分 开 过 ,并 且 也 不 以 有 完全 独立 的 功
能 出 现 , 一 般 认 为 它们 是 独立 的 细胞 色素 。 二 个 铜 原子 《Cu。
和 Cus) 显示 有 十 280 毫 伏 的 Bi 值 ， 而 且 象 细胞 色素 类 物质 、
一 样 , 也 可 作为 单 电子 的 氧化 -还 原 载体 (Cu+ — >= Cox+) 起 作
用 。
由 于 还 项 的 细胞 色素 提供 电子 给 分 子 氧 ， 因 此 可 把 它
° 28 «
oo
”着 作为 呼吸 链 的 未 端 酶 。 一 氧化 矶 抑制 这 个 反应 , “5a
争 二 价 铁 离子 上 的 结合 位 置 。1932 年 Warburg 首先 证 明 CO-
抑制 的 呼吸 作用 可 被 光 解 除 ; 光 解 离 Fe+co 复合 物 从 而 使 酶
解除 出 来 而 与 氧 起 反应 。 当 以 这 种 抑制 反应 的 光 解 除 作 用
(以 呼吸 活性 的 增加 为 指标 ) 作为 解除 光波 长 的 函数 作 图 时 ，
“党 相似 ,因此 肯定 了 细胞 色素 a; 起 着 呼吸 链 末 端 成 负 的 作用 。
这 就 是 现在 判定 一 个 未 知 的 细胞 色素 ， 是 否 起 末端 氧化 酶 作
用 的 经 典 方法 。
BR (N5 ) 与 氰 化 物 (CN-) 与 一 氧化 碳 不 同 ; 对 呼吸 作
用 的 抑制 ,都 是 通过 与 氧化 型 细胞 色素 aa 优先 结合 而 造成 的 。
这 就 是 氛 化 物 毒害 的 原因 。 细 胞 色素 无 论 是 还 原 态 或 氧化
态 , 都 不 与 氧 或 以 上 所 述 的 任何 抑制 剂 发 生 明 显 的 反应 。
呼吸 作用 的 最 后 一 步 , 是 转移 4 个 还 原 当量 (4H+ 十 4e7)
给 一 个 氧 分 子 ，
4H* + 4e- + O,=— 2H,0
这 个 反应 中 的 电子 ,明显 地 来 自 细胞 色素 系统 ,而 质子 则 是 从
周围 介质 中 取得 : 它 是 在 转移 本 的 还 原 当量 ( 载 气 体 ) 给 细胞
色素 b《〈 电 子 载体 ) 时 ,被 排斥 在 周围 液体 中 的 。 由 于 细胞 色
素 氧 化 酶 是 由 4 个 单 电 子 载体 (a、2Cu、as) 所 组 成 , BRB
理想 地 适宜 于 催化 这 个 反应 。Nicholls 提出 过 二 种 机 理 , 即 顺
“ 序 的 机 理 ( 其 中 4 个 载体 在 细胞 色素 和 和 氧 之 间 ; 以 每 次 传递
一 个 电子 的 传递 起 作用 )， 和 半 协 调 的 机 理 ( 其 中 这 些 载体 同
时 被 还 原 , 因 此 构成 一 个 1 FAV) 这些 情 况 可 用 图 2.10
来 概括 。 “:
要 辨别 这 二 种 可 能 性 ， 必 须 对 细胞 色素 氧化 酶 的 作用 方
和 式 , 作 详细 的 动力 学 分 析 。 然 而 这 样 的 分 析 结果 也 很 难 解释 ，
因为 二 个 细胞 色素 互相 改变 着 对 方 的 化 学 的 和 光谱 的 性 质 ，
e 29 e
BP RO I
et 44 20 2,0
Rasen mere
ak oO,
4 (A)
dc. « a Cu, Cus a 0,+ 4H*
C J a Us p 93 a 2 (B)
4c a’ Cun Cun a,” 2H2O
92.10 细胞 色素 氧化 酶 的 反应 机 理
(A) 顺序 性 的 ; (BD) 半 协 调式 的 。
虽然 还 不 清楚 这 种 变化 是 直接 发 生 的 (通过 血红 素 -血红 素 的
相互 作用 )， 还 是 简 接 发 生 的 (通过 一 种 细胞 色素 的 氧化 还 原
反应 诱导 发 生 的 构象 变化 引起 另 一 种 细胞 色素 行为 的 改变 )。
血红 素 - 铜 之 间 相 互 作用 的 可 能 性 ， 使 问题 更 进一步 复杂 化 。
目前 的 证 据 并 不 完全 倾向 一 种 机 理 而 完全 排斥 另 一 种 机 理 。
然而 ，Wicliams 提出 了 有 说 服 力 的 理论 上 的 论证 ， 即 把 氧 看
作为 一 个 电子 的 反应 物 , 而 不 是 4- 电 子 反 应 物 。 并 且 对 细胞
色素 a, 还 原 氧 的 反应 ,提出 了 一 个 引信 注目 的 反应 顺序 ， 在
这 个 反应 顺序 中 特别 强调 了 众所周知 的 铁 参 加 多 -电子 的 反
应 的 能 力 (图 2.11)。 由 于 细胞 色素 氧化 酶 的 asa 和 铀 的 部 分
a. e+ *
e-、 CO:
ioe baa ‘0, Eee
图 2.11 呼吸 作用 的 最 后 阶段 〈 引 自 Williams,1973)
的 标准 氧化 还 原 电位 仅 在 大 约 145 毫 伏 幅度 范围 之 内 ， 因 此
可 以 表 定 地 说 。 在 这 种 水 平 的 能 量 贮存 作用 很 可 能 与 中 点 电
位 极 高 的 a; 氧 复合 物 有 关 ， 例如 aFe tO (LE, > + 700 A
« 30 。
oe
。“ 子 ATP 所 需 的 能 量 ,可 能 是 用 还 原 的 细胞 色素 。 和 或 铜 (和 已
«400 毫 伏 ) 来 还 原 ,在 形成 Fero- 的 过 程 中 释放 出 来 的 。
”它们 的 初始 储存 的 能 量 形 式 将 在 第 5 章 中 讨论 。
_ 2.6 ”分光 光 度 测 定 的 研究 结果
2
。、 呼吸 链 的 大 多 数 氧 化 -还 原 组 份 在 氧化 态 和 还 原 态 时 .都
4 显示 有 略微 不 同 的 光谱 吸收 特性 。 这 种 性 质 是 非常 有 用 的 ，
国 。 ”因为 它 可 以 使 各 种 载体 的 氧化 -还 原状 态 ,用 分 光 光度 法 来 分
还 原 的 (a)
500
a 波长 ( 毫 微米 )
还 原 的 减 氧 化 的 (b)
波长 ( 毫 微米 7
500
^z( 参 考 光 束 )
上 图 2.12 ”细胞 色素 ¢ 的 吸收 光谱
a oe eee
toss. — 1 分 子 氧 时 ,在 部 位 I cms 4 章 ) 合 成 2 分
es nase
=A FE TEMA NRO Plan, 4H
原 态 和 氧化 态 的 细胞 色素 作 比较 时 ， 就 很 容易 看 到 它们 吸收
光谱 上 的 微小 差异 (A 2.12a)。 如 果 把 还 原 态 的 (Fe) 与
氧化 态 的 (Fets) 的 光谱 利用 分 光 光 度 彼此 相 消 的 方法 来
测定 , 则 这 种 差异 就 更 为 明显 。 所 得 到 的 光谱 就 是 还 原 态 减 “
去 氧化 态 的 差 示 光 谱 ( 图 2.12b)。 与 基线 交叉 的 吸收 殉 谱 波长
处 称 为 等 消光 点 。 有 时 , 一 些 材料 不 可 能 测定 它 的 绝对 吸收
光谱 时 ,例如 在 细菌 细胞 或 完整 线粒体 的 悬浮 小 中 ,这 种 测定
差 示 光 谱 的 技术 对 于 测定 这 种 低 浓度 的 氧化 还 原 裁 体 是 特别
有 用 的 。
被 开 珀 酸 还 原 的 电子 传递 系统 的 吸收 光谱 减 去 被 氧 氧化
的 电子 传递 系统 的 吸收 光谱 得 到 的 差 示 光谱 ， 反映 了 呼吸 链
氧化 -还 原 载体 的 全 部 组 成 (图 2.13)。
个 3- 才 (9y)
+0-04
Catlig Ggt(G,,)
460 » 600
550
波长 ( 毫 微米 )
图 2.13 哺乳 动物 呼吸 链 的 还 原 态 减 去 氧化 态 的 差 示 光谱
( 引 自 Chance, 1956)
曲线 的 这 些 正 向 弯曲 可 看 作为 单个 的 细胞 色素 《因为 还
e 32 «
” 原 态 的 细胞 色素 比 氧化 态 细 胞 色素 吸收 更 强烈 ) ,而 合并 的 负
向 弯曲 可 看 作为 是 Fe-S 黄 素 蛋 白 〈 因 为 还 原 黄 素 的 强烈 吸 .
， ” 收 小 于 氧化 的 黄 素 )。 值得 注意 的 是 , 在 这 个 特殊 的 制剂 中 ，
”5b- 型 的 细胞 色素 在 很 大 程度 上 , 被 'c- 型 和 a- 型 细胞 色素 的 强
URC HEE MAZE, 在 加 入 抗 霉 素 A 后 b- 型 细胞 色素 的 吸
， ， 收 光 带 就 立即 变 得 明显 ,而 其 他 那些 细胞 色素 实质 上 消失 了 。
”这 是 由 于 抗 霉 素 A 抑 制 b- 型 细胞 色素 和 细胞 色素 < 之 间 的
电子 传递 所 引起 的 。 在 阻截 处 的 底 物 一 侧 的 所 有 氧化- 还原
组 份 保持 全 部 还 厌 , 而 在 氧化 一 侧 的 则 重新 氧化 (因为 电子 不
晰 流 到 氧 而 不 再 从 琥珀 酸 流入)。 这 种 现象 被 认为 是 一 个 交
又 点 ， 并 且 通 常 可 用 它 来 测定 呼吸 链 抑制 剂 的 作用 部 位 、 呼
吸 = 载 体 的 顺序 以 及 简 接 地 用 来 测定 能 量 偶 联 部 位 的 可 能 的
位 置 ( 第 4 章 )。
2.6.2 氧化 -还 原作 用 动力 学 ，，
氧化 :还 原作 用 动力 学 的 测量 也 能 得 到 有 关 各 个 氧化 -还
。 ， 原 载 体 的 性 质 和 作用 的 有 价值 的 资料 。 由 于 这 些 实验 一 般 仅
”用 很 少 的 样品 ,吸收 的 变化 也 相应 垣 微弱 ,因此 双 光 束 分光 光
， 度 计 就 为 更 灵敏 的 双 波 长 分 光 光 度 计 代替 。 这 种 仪器 利用 二
束 略 微 不 同 的 单 色光 :交替 地 通过 单个 比 色 杯 (2 和 2; 见 图
2.12b)。 由 于 波长 非常 靠近 并 且 只 用 一 个 样品 ， 因 此 浊 度 变
化 假象 所 造成 的 误差 被 减低 到 极 小 。
细 胸 色素。 在 原 位 的 氧化 -还 原 的 动力 学 变化 ， 显 示 于
图 2.14。 在 完整 线粒体 中 加 入 琥珀 酸 后 ， 氧 的 吸收 很 快 达到
一 个 最 大 和 恒定 的 速度 ， 而 细胞 色素 。 仅 部 分 地 被 还 原 〈 即
总 量 中 只 有 一 个 小 的 百分数 是 在 Fe” 的 状态 ， 其 余 的 仍 为
Fe )o 这 种 部 分 还 原 现 象 反 映 了 细胞 色素 < 从 其 最 近 的 供 ，
| 体 细 胞 色素 6， 接受 电子 并 把 它们 递 给 最 近 的 受 体 (细胞
e 33 。
OS eee
1 时 间 (分 )
2.14， 原 位 细胞 色素 < 的 氧化 -还 原作 用 的 动力 学 变 楷
(uM 为 微克 分 子 浓度 ))
Ha) 的 能 力 。 由 于 还 原 的 程度 和 和 氧 的 吸收 速度 二 者 是 恒
氧 浓 度 降 低 到 对 呼吸 作用 速度 起 限制 作用 时 ， 细 胞 色素 < 才
变 成 完全 还 原 态 而 进入 缺 氧 状态 * 由 于 在 有 氧 的 稳定 态 时 ，
细胞 色素 “ 还 原 的 百分率 是 受 该 组 份 还原 和 重新 氧化 的 相对
速率 所 决定 的 ， 因 此 它 独 特地 反映 了 这 种 细胞 色素 在 呼吸 链
中 的 地 位 。 从 表 2.1 可 清楚 地 看 到 这 一 点 ， 当 链 的 氧 的 未 端
有 和 氧 时 ,各 个 氧化 -还 原 载体 还 原作 用 的 百分率 降低 s
表 2.1 有 氧 的 还 原作 用 恒 态
还 原作 用 的 9%2
27 HL > fe xb
根据 以 上 所 描述 的 氧化 -还 原 电 位 的 数值 ， 氧 化 = 还 原作
* 34 «
he FAD
RAK > FAD}
S~3
Pie FMN
= - 2 b
ay. won ——>N-2 一 > 一 -| | tens» 0,—> ce a2Cue, —> 20,
; - 过 上 L T
N-4
人
i ie A BILD BAL
RADA . KER 一 氧化 碳 a
图 2.15 线粒体 的 呼吸 链
用 的 动力 学 ,抑制 剂 的 研究 以 及 提取 -重组 活化 实验 的 结果 来
分 析 ， 呼 吸 链 载体 一 般 认为 是 如 图 2.15 所 示 的 顺序 起 作用
的 。
Williams 最 近 指 出 : BBA (Fe, Cu) 和 非 金 属 的 ( 烟 酰
胺 ` 黄 素 \ 柄 ) 氧 化 -还 原 中 心 的 存在 ， 可 能 对 呼吸 链 的 功能 有
重要 意义 。 金 属 人参 与 单 - 电 子 的 (或 单 -电子 传递 二 次 ) 传 递 和
氧 原 子 的 传递 ;它们 一 般 不 参与 氢 原 子 的 传递 。 铁 作为 一 种 过
HSE, 是 易于 表现 多 种 氧化 状态 , 因此 能 在 广阔 的 氧化 -还
原 电位 内 起 作用 (参看 带 有 细胞 色素 a 的 N-1 铁 硫 中 心 )e 由
“于 它 能 有 效 地 连接 还 原 碳 的 供 体 和 分 子 氧 或 被 某 些 细菌 用
”的 所 和 硫 的 氧化 物 ) 之 间 的 氧化 -还 原 空 险 ， 因 此 它 是 呼吸 电
。 子 传递 系统 理想 的 金属 组 份 。 由 于 铁 -蛋白 氧化 -还 原 组 份 呈
«SURREAL, 因此 , 从 力 能 学 上 的 考虑 ,电子 在 它们 之 间 的
传递 ,以 及 使 它 具 有 特定 方向 都 比较 容易 。
”相反 ,有 机 的 氧化 -还 原 中 心 有 相 对 固定 的 氧化 - 还 原 电
， 位 ,并 且 一 般 还 参与 速度 较 慢 的 氢 原 子 的 传递 (2H 或 H-)。
， 烟 酰胺 和 黄 素 极 易 与 活化 的 氢 反 应 〈 例 如 乳酸 或 芋 果 酸 的
一 CHOH 基 和 下 否 酸 或 脂肪 酰 辅酶 A 的 一 CH: - CH, - CO—
， 结构 ), 但 不 与 氢 或 无 机 氧化 物 反应 。
有 这 二 种 类 型 的 氧化 -还 原 载体 群 的 存在 ,对 于 呼吸 链 的
s 35 。
\
能 量 贮存 作用 有 着 重要 的 意义 。 首先 , 由 于 邻接 的 供 体 和 受 “
体 的 氧化 -还 原 电位 匹配 得 很 好 ,因此 能 使 电子 得 区 发 生 快 速
的 传递 。 其 次 ,这 种 传递 导致 质子 在 几 个 金属 - 非 金属 连结 部
分 的 排斥 或 吸收 ， 这 是 一 种 对 于 能 量 传导 机 理 可 能 是 非常 重 。
要 的 现象 (第 5 章 )。 4
Bs 偶 联 膜 的 机 构 和 功能
be 在 第 2 Bh, 我 们 已 经 了 解 到 , 构成 呼吸 作用 (或 光合 电
子 传递 ) 的 氧化 -还 原 反 应 ,是 在 严格 规定 的 顺序 中 进行 的 。 从
3 这 _ 方 面 来 说 ， 它们 类 似 于 糖 酵 解 或 三 羧 酸 循环 的 多 酶 途径 。
然而 与 后 者 不 同 的 是 电子 传递 和 导致 ATP 合成 的 反应 ,完全
”是 结 AEN. 例如 , 光合 能 量 贮存 作用 是 在 叶绿体 的 类
诈 体 膜 中 和 光合 细菌 的 载 色 体 或 其 内 膜 中 发 生 的 ; 氧化 磷酸
| 楷 反 应 是 在 需 氧 性 真 核 生物 的 线粒体 内 膜 中 ， 以 及 细菌 的 原
ARI RAEN. | 由 于 这 些 膜 通常 使 各 种 氧化 -还 原 系统 与
。 ATP 的 合成 偶 联 ,因此 这 种 膜 常 称 为 偶 联 膜 。
显然 ,这 些 偶 联 膜 的 功能 之 一 ， 是 使 各 个 氧化 -还 原 载体
| 和 偶 联 酶 组 织 起 来 ,以 致使 它们 形成 有 效 的 和 很 容易 调节 的
， 能 量 转换 单位 。 此 外 , 偶 联 膜 本 身 还 可 能 对 能 量 转 换 机 理 起
， 着 一 个 内 在 的 作用 ,因为 在 缺乏 膜 结构 时 ,能量 转换 就 不 能 进
， 行 ,而 且 如 果 膜 的 完整 性 受到 破坏 时 就 严重 减低 ;目前 偶 联 腊
， 的 这 种 内 在 作用 的 确切 本 质 ， 还 是 争论 得 很 多 的 课题 (第 5
于 章 )。 最 后 , 偶 联 膜 通 常 作 为 细胞 的 一 种 主要 的 渗透 性 障碍 ，
| 它 严 格 控制 着 某 些 溶质 进 太 和 移出 它 所 包围 的 小 区 隔 。 因
此, 偶 联 膜 通过 调节 某 种 物质 或 辅助 因素 的 供给 ,粗略 地 控制
其 本 身 的 活性 ， 同 时 也 借以 保护 本 身 免 除 渗透 不 平衡 的 可 能
， 有 害 的 影响 。 这 些 功 能 虽然 所 有 偶 联 膜 中 都 具有 , 但 仅 在 真
核 生物 的 线粒体 中 , 才 得 到 深入 的 研究 。
x ay
h 37 a?
3.1 线粒体 的 结构 与 功能
线粒体 是 一 切 动 植物 组 织 、 也 是 一 切 需 氧 性 生长 的 酵母 “
和 原生 动物 进行 氧化 磷酸 化 反应 的 场所 。 在 动物 组 织 中 * 它
们 通常 在 需要 ATP 最 多 的 地 方 、 或 氧化 作用 底 物 供应 最 富 集
的 地 方 最 为 丰富 。 肝 、 胰 表皮 细胞 、 脑 * 肌 肉 等 由 于 它 休 有 大 .
量 的 生物 合成 、 分 刻 或 化 学 机 械 能 的 活动 ,而 特别 富有 线 粒 “
体 。 脂 肪 滴 也 常 有 大 量 能 氧化 Sa —
包围 。 &
RAAT LILiMadn, Ree UMESRRT
存在 ， 但 一 直到 1948 年 Hogeboom, Schneider 和 Palade, 7 - 当
成 功 地 将 这 些 完整 细胞 器 分 离 。 其 窍门 就 是 在 加 有 缓冲 的 蔗
糖 等 次 液 中 和 组 地 破碎 ， 因而 防止 了 这 些 只 机 结构 的 解体 * 然
后 ,将 汁液 再 进行 不 同 速度 的 离心 ,以 便 将 线粒体 和 未 破碎 的 “
细胞 核 , 微粒 体 和 可 溶性 物质 分 开 。 这 种 技术 以 后 又 被 略微 “
改进 (图 3.1), 并 且 能 够 被 用 来 分 离 大 量 完整 的 、 AIR a
作用 和 各 种 与 能 量 有 联系 的 功能 的 线粒体 。
线粒体 形状 和 体积 方面 的 差别 是 很 大 的 (它们 因此 而 有
其 线 和 粒 之 名 ， 和 希 文 mito = 线 ; chondros = 颗粒 总 “3 区
Sea,
图 3.1 完整 线粒体 的 分 离
Re Fae
peat = a
> Gio
»
ow oe
人
人
s
oe
a* 7 f
4
i.
a 4,
° .
=
ee
™
本
4
“
He
和
本
pe.
tu 2
-
whe
1 he,
ia
or.
~~
‘o 5
:
。” 别 是 与 线粒体 的 来 源 有 关 。 也 与 检查 时 的 代谢 状况 有 关 。 从
a 鼠 肝 获 得 的 典型 的 腊肠 型
”“ 线粒体 有 大 约 2 一 3 微米
=e, 0.5—-1 RUKIA. fae 外 层 腊
| 色 的 线粒体 横 切面 的 高 分 外 层 区 f
BRAT EN, TARE HH : MIs pee ，
ss 显示 出 有 双 层 膜 结构 的 存
在 (图 32)5 BEHRMAN aes
包围 在 外 面 的 外 膜 和 一 层 图 3.2 “ 线 术 体 的 结构
高 度 内 目的 内 层 膜 组 成 ， ( 引 自 Lehninger, 1970)
| 内 层 膜 的 折叠 称 为 贿 ( 线 粒 体 的 )。 这 两 层 膜 造 成 二 个 完全 分
， 。 开 的 小 区 隔 ， 即 膜 之 间 的 空间 ( 膜 间 腔 ) 和 被 内 膜 包含 的 空间
《基质 )。 ，
外 层 膜 厚 60 一 70A , 平滑 而 没有 折叠。 它 几 乎 无 弹性 ，
| 而 且 小 到 一 定 程度 的 分 子 如 盐 、 腺 味 叭 和 烟 酰胺 核 苷 酸 、 糖 和
辅酶 A 都 能 自由 透 过 它 。 通 过 与 去 拍 剂 ( 例 如 毛 地 黄 背 ) 短 时
间 的 接触 , 可 将 这 种 外 膜 与 线粒体 的 其 余部 份 分 开 。 对 这 外
PROTA; 虽然 这 外 肛 制 剂 中 还 可 能 包含 有 来 自 内 质 网
膜 的 沾染 物 , 在 膜 上 可 测 到 有 几 种 酶 和 氧化 -还 原 载体 。 这 些
组 分 不 参与 氧化 磷酸 化 作用 。 但 可 能 参与 在 导致 羧基 化 作用
(例如 当 体 化 合 物 的 羟基 化 作用 ) 的 电子 传递 中 。
“与 外 层 膜 不 同 ,在 内 (起 偶 联 作用 的 ) 膜 的 内 表面 上 ,显示
有 亚 结构 的 证 据 (第 3.2.2 项 ) ,并 对 不 同 的 溶质 的 渗透 性 显示
很 大 程度 的 变化 。 它 对 不 带电 荷 的 小 分 子 如 水 、 氧 、 一 氧化
矶 或 氨 的 扩散 没有 障碍 ， 但 对 带电 荷 分 子 的 透 过 包括 质子 和
小 的 离子 有 很 大 的 限制 ,这些 分 子 的 移动 是 通过 特殊 的 运输
系统 来 进行 的 。 在 细胞 的 基质 《matrixz) 和 细胞 质 的 小 区 隔
| 之 间 , 起 透 过 性 障碍 作用 的 不 是 多 孔 的 外 层 膜 而 是 内 层 膜 。 这
?39 。，
种 60 —70.A LAOH BD FLIPS ET AREER T RAO
面积 ,并 且 容 纳 了 呼吸 链 以 及 参与 ATP 合成 的 酶 。 -区
无 论 是 内 层 膜 或 外 层 膜 都 含有 高 浓度 的 磷脂 ,一般 认为
磷脂 可 形成 尾 尾 相对 的 双 层 膜 ， 膜 的 蛋白 质 组 分 就 包 埋 在 这 “上
种 双 层 膜 中 。 这 些 蛋 白质 大 多 数 是 朴 水 的 , 因此 比较 难于 提
取 , 较 少数 量 的 亲 水 蛋白 则 位 于 膜 表 面 附近 ,因而 较 容 易 把 它
们 提取 出 来 (例如 内 层 膜 上 的 细胞 色素 ce :
膜 之 间 的 空间 宽度 通常 为 60 一 80 人 入 ， 并 含有 少量 的 酶 ;
主要 是 那些 参与 腺 味 叭 核 昔 酸 相互 转换 的 酶 。 ABH. HE
质 是 极其 粘 稠 的 并 且 富 含 蛋 白质 ,这 里 是 三 羧 酸 循环 的 酶 ( 琥
FRAGA oi XOMBA, 这 两 种 酶 是 在 内 层 膜 |
上 的 ) 和 脂肪 酸 氧 化 螺旋 的 所 在 处 。 正 是 这 些 无 定向 的 和 降 下
解 的 中 心 代谢 途径 ,向 紧密 接触 的 呼吸 系统 ,提供 大 量 可 氧化 “上
的 底 物 NADH。 ; s
3.2 erry | «4
线粒体 内 层 膜 呼 吸 链 组 分 的 性 质 ， 以 及 它们 将 还 原 当 量
从 底 物 转移 到 分 子 氧 的 序列 ,已 在 第 2 epee 3
EOF eA) ER A ROL, Dee
些 利用 氧化 -还 原 能 量 ; 来 催化 ATP 4 RRR AOE DR ue +
了 解 这 一 个 相互 依赖 的 过 程 在 功能 上 和 形态 上 是 如 何 关联 ，
的 。
af
人
%
a
3.2.1 呼吸 链 复 合 物
在 1960 年 代 中 , 主要 通过 Green 及 其 同事 的 工作 页 he. i 3
渐 明白 线 粒 体 呼吸 链 可 较 容 易 地 分 为 大 小 极 易 变 动 的 6 个 级、
分 , 即 4 个 大 颗粒 复合 物 以 及 遍 醋 和 细胞 色素 < C28 3-1) 0 a
$40 « < 性 ee
ie a
4 SM IONADH-Q HIRE) AT CHERIEG-O 还 原 酶 ) 含有 黄 素
和 NADH 陪 所 酶 和 政 珀 酸 脱氧 酶 的 多 倍 铁 - 硫 蛋 白 。 复 合 物
4 所 来 c 还 原 酶 ) 含 有 b- 型 细胞 色素 〈 带 着 抗 霉 素
结合 部 位 )。 细 胞 色素 。 和 高 电位 的 铁 硫 蛋 白 ( 可 能 有 多 种 )。
复合 物 IV〈 细 胞 色素 氧化 酶 ) 含 有 细胞 色素 aa, 和 二 个 含 铜
中 心 ,这 种 复合 物 的 量 至 少 有 其 他 复合 物 的 2 倍 之 多 ,这 个 含
量 与 其 作为 非 速 度 限制 的 末端 呼吸 链 片断 的 作用 相符 合 。 泛
醒 似 乎 是 在 复合 物 I 或 I 世 和 I 之 间 。 而 细胞 色素 “ 则 在 复
合 物 亚 和 IV 之 间 转 移 还 原 当量 。 此 外 ， 复 合 物 也 含有 相当
， 。 量 的 磷脂 ,这 种 磷脂 有 助 于 维持 膜 的 完整 性 和 结构 。Green 已
， ，” 拒 纯 化 的 复合 物 按 正确 的 比例 混合 ， 而 重组 出 一 个 有 功能 的
呼吸 链 ( 见 第 3.2.4 项 )。
表 3.1 呼吸 链 复合 物
复合 物 分 子 量 内 含 物
1. 550,000 FMN, 4—7(?) Fe-S
Il 97 ,000 FAD 3(2) Fe-S
I 230,000 bT, bk, c,, Fe-S
IV 250,000 a, a,, 2Cu
BE 860
12,600
3.22 ATP 酶 复合 物 的 形态 和 性 质
Fernandez—Meran 在 1964 年 报告 gists oa nena RR
. 主 有 重复 的 结构 存在 (内 层 膜 亚 单位 )。 这 些 结构 仅 存 在 于 膜
上 ”的 面 癌 基质 的 一 侧 〈M- 侧 ) 而 反面 的 一 侧 和 外 层 膜 上 都 完全
| 不 存 在 。 极其 高 倍 放大 的 显 微 图 显示 每 一 个 这 种 结构 有 大
， 和 致 球状 的 头 或 称 之 为 内 层 膜 球 (直径 80—100A) 和 一 个 柄
《60 一 70A 长 ) 组 成 , 柄 是 将 头 连接 在 内 层 膜 上 (图 3.3)。 最
9 41 。，
近 实 验 指出 , 在 活体 中 ， PTO EAE
膜 的 表面 ,而 不 是 凸 出 在 基质 的 小 区 隔 中 。
yey RE
基质 内 层 膜 亚 单位
外 层 膜 内 层 膜
图 3.3 内 层 膜 的 形态
asiakess 它们 便 破 碎 ， le
的 方法 ， eae 2 HEEL SCRIBE ATP \ ce
成 的 能 力 。 在 电镜 王 可 看 到
ye, 这 种 小 泡 仍 保留 着 内 层 膜 的 亚
亚 单位 项 来 的 单位， 然而 它们 现在 却 位 于 小 4
内 层 膜 一
看 成 是 母 株 线粒体 的 “内 表 外
BY". Racker 用 声波 处 理 的 亚 线粒体 颗粒 ， 显 示 出 如 用 尿素
处 理 ， 取 下 头 部 就 可 得 到 一 个 ATP 水 解 活性 很 高 的 可 谥 ， q |
PENS CATPAG; F,)。 残缺 的 膜 虽然 仍然 表现 有 实质 上 的 电 ，
子 传递 性 质 ， 但 不 再 能 催化 ATP 的 合成 。 当 把 ATITP 水 解 酶
回 加 给 膜 后 ,后 者 又 再 呈现 为 亚 线粒体 颗粒 ， FDA CHAS
化 功能 。
从 这 些 里 越 的 实验 可 明显 地 看 出 ， 内 层 膜 亚 单位 正 是 那 、
些 把 呼吸 链 的 氧化 -还 原 能 量 转 导 成 ATP sR
的 所 在 位 置 。
e 42 «
RIE 。” 泡 的 外 表面; aes
Ley eo 的 (图 3.4)。 因此 这 些 颗 粒 可
1
=)
“a
|
F, (一 种 亲 水 蛋白 ) 和 F (一 种 朴 水 脂 蛋 白 复 合 物 ) 是 二
_ 种 主要 的 偶 联 因子 ,它们 一 起 组 成 可 被 Mg?# 活化 的 ， 可 逆 的
_ ATP 酶 复合 物 。 后 者 或 者 把 ATP 水 解 为 ADP 和 无 机 磷酸 要
(这 种 活性 在 完整 线粒体 正常 情况 下 是 隐 性 的 ), 或 者 耗费 呼吸
链 氧 化 还 原 反 应 所 释放 的 能 量 而 催化 一 个 逆向 反应 。 在 后 面
这 种 情况 下 ; 常 把 酶 复合 物 称 为 ATP 合成 酶 。 这 两 反应 都 可
”被 抗菌 素 守 霉 素 和 金 轮 枝 菌 素 (aurovertin)。 以 及 为 二 环 已 基
碳化 三 酰 亚 胺 (DCCD) 所 抑制 。
ATP 酶 复合 物 中 F, HER, ZR RW SIRE
昔 酸 和 无 机 磷酸 结合 。 该 酶 分 子 量 约 为 360,000， 包 含有 5
个 不 同 的 亚 单位 ， 有 cabsy5e 等 5 种 结构 。 另 一 个 亚 单位 有
ATP 酶 抑制 剂 的 性 质 ， 并 可 能 与 能 量 转换 的 调节 有 关 ( 表
3.2), 根据 所 采用 的 提纯 方法 不 同 , 它 可 能 附着 也 可 能 不 附着
FR. aba F, 对 寡 霉 素 和 DCCD 不 敏感 ,而 且 显示 出 较 特
别 的 冷 钝 化 性 ; 这 冷 钝 化 性 在 囊 结合 到 呼吸 膜 上 后 就 消失 。
” 当 一 个 膜 的 组 分 与 膜 分 开 后 ;显示 有 性 质 改变 的 这 种 现象 ,被
称 为 异 位 效应 Callotopy ) o
表 3.2 ATP m (ATP 合成 酶 ) 复合 物 的 性 质
偶 联 因子 分 子 量
Ki 360,000
亚 单位 : «@ 53,000
6 50,000
7 25,000
5 12,500
é 7,500
ATP 酶 抑制 剂 10,500
Fo 100—150,000
(包括 OSCP 和 DSCP) (18,000 -
10,000)
F, 不 显示 任何 一 种 已 知 的 酶 活性 ; EE BIL KK &
白 和 脂 蛋 白 所 组 成 ， 其 中 包括 有 对 守 霉 素 敏 感 的 赋予 蛋 折
(OSCP, oligomycin sensitivity conferring protein) #IX} DCCD
敏感 的 赋予 蛋白 CDSCP, DCCD, sensitivity conferring prdlein).,
OSCP 连结 FE, 和 Fo, 因此 相当 于 ATP 酶 复合 物 的 柄 , i DSCP
是 位 于 偶 联 膜 上 的 , 并 可 能 与 质子 运输 通过 FP 的 通道 的 维护
ARK MF 5.2.4 项 )。
在 内 层 膜 的 氧化 确 酸 化 系统 内 ,每 个 机 分 子 大 约 有 -个
抗 霉 素 结合 的 部 位 (复合 物 ID) 和 一 个 寡 霉 素 结合 的 部 位 ( 即 “了
OSCP)。 由 于 每 一 个 呼吸 链 单位 只 包含 一 个 复合 物 JI 分 子 ，-”
因此 ;电子 从 底 物 至 氧 的 整个 传递 间距 所 释放 的 能 量 ;都 被 单
独 ATP 酶 复合 物 的 动作 所 截 用 (图 3.576
图 3.5 呼吸 链 能 量 贮存 单位 的 图 解 表示 ( 引 自 _Slater， 1972)
3.2.3 呼吸 链 组 份 的 不 对 称 性 排列
就 ATP 酶 复合 物 所 在 位 置 来 说 , 偶 联 膜 显示 不 对 称 性 的
概念 ;已 有 大 量 实验 证 据 的 明显 支持 ;但 电子 传递 复合 物 及 其
组 成 的 氧化 -还 原 载体 在 膜 上 的 分 布 又 怎样 虽 ?
这 是 一 个 相当 难 研究 的 问题 ， 因 为 载体 在 偶 联 膜 里 侧 占
多 数 (虽然 有 些 载 体 可 能 略微 突出 其 表面 )。 因 此 宁 对 裸露 的
膜 作 直 接 电 镜 观 察 是 无 效 的 。 然而 , 靠 着 利用 不 能 穿 过 偶 联
* 44 。
ROMER ARAT RM ORR,
这 些 试剂 只 对 那些 位 于 内 层 膜 外 侧 的 它们 所 能 结合 的 氧化 -
“还原 载体 施加 以 影响 s 如 果 这 些 载体 位 于 膜 的 反面 (基质 侧 或
MSD, 那么 只 有 膜 的 极 竹 被 逆转 后 ， 即 在 超声 波 处 理 得 到 的
” “ 亚 线 粒 体 颗粒 中 ,抑制 剂 才 会 有 效 。
Kacker 利用 细胞 色素 。 的 抗体 首创 了 这 种 技术 ， me
素 < 是 最 易 从 亲 水 的 氧化 -还 原 载体 中 提纯 ,因而 也 最 易 用 来
生产 抗体 。 人 们 发 现 这 抗体 很 容易 抑制 完整 线粒体 的 呼吸 作
用 ,因此 表明 内 层 膜 的 外 表面 有 细胞 色素 “ 的 存在 (外 层 膜 与
内 层 膜 不 同 , 不 阻 得 这 些 分 子 的 通过 )。 这 一 结论 也 从 抗体 不
影响 亚 线粒体 颗粒 的 呼吸 活性 的 现象 而 得 到 支持 。 最 后 , 当
有 抗体 存在 条 件 下 ,制备 这 些 亚 线粒体 颗粒 时 , 这 样 , 抗体 就
”陷入 小 泡 内 部 ,呼吸 作用 重新 又 被 抑制 。 这 些 实验 清楚 指出 :
细胞 色素 存在 于 偶 联 膜 上 ATP 酶 的 对 侧 ， 因此, 这 一 侧 与
M- 侧 相对 应 而 被 称 为 C- 侧 。 后 来 用 细胞 色素 o 的 抗体 实验 得
到 了 相同 的 结果 ,因此 这 种 氧化 还 原 载 体 也 是 位 于 C- 侧 。 相
RK, Ri 的 抗体 已 证 明 ATP 酶 的 位 置 ， 是 在 膜 的 M- 侧 与 早期
用 电子 显微镜 观察 到 的 结果 相符 。
-二 个 主要 的 脱氧 酶 都 是 显露 在 膜 的 M- 侧 , 即 与 供给 它们
。 底 物 的 三 羧 酸 循环 和 脂肪 酸 螺 旋 的 酶 紧密 接触 大西 (Onishi)
”最 近 报 告 铁 的 束 合 剂 磺 化 浴 铜 灵 〈bathophenanthroline sulpho-
ss nate), KRKRWRAAKMMESAY U0 的 S-3 铁 硫 蛋白 的
EPR《( 顺 磁 共 振 ) 信 号 ,但 对 线粒体 则 否 , 因 此 就 把 这 种 载体 放
在 膜 的 M-= 侧 。 用 相似 的 方法 ,复合 物 II 的 高 电位 铁 硫 蛋白
被 指定 是 在 膜 的 C- 侧 。
在 一 个 完全 不 同类 型 的 实验 中 ， 硅 钨 酸 曾 被 用 来 进行 有
选择 地 只 除去 偶 联 膜 一 侧 的 组 分 。 所 得 的 结果 肯定 了 ATP
，” 酶 和 琥珀 酸 脱 氢 酶 的 位 置 在 M- 侧 。
e 45 e
关于 细胞 色素 氧化 酶 的 位 置 问题 最 初 是 有 争议 的 。 AA
化 学 把 它 定 位 在 C- 侧 ,但 是 从 登 须 对 呼吸 作用 的 抑制 能 力 只
在 它 被 积聚 的 地 方 更 有 效 的 情况 来 看 , 它 的 位 置 是 在 M- 侧 。
从 最 近 已 提出 的 重要 证 据 来 看 , 这 二 个 结论 都 是 正确 的 。 这
个 酶 被 认为 是 插 通 " 偶 联 膜 的 , 这 样 细胞 色素 : 就 与 C- 侧 的
细胞 色素 靠近 ,而 细胞 色素 a 与 M- 侧 的 分 子 氧 起 反应 。
此 ,从 呼吸 作用 的 最 后 阶段 看 来 ,就 是 与 电子 从 偶 联 膜 的 C-
侧 向 内 转移 到 M- 侧 关联 的 (图 3.6)。
外 人 te P64
”一 一 -
复合 物 I ]|<-NADR+H”
复合 物 I >” |< RR
(sewn
©)
2Cu a
RApw
Fo
M- fi
图 3.6 ”呼吸 链 的 已 知 不 对 称 性 的 图 解 表示
现在 普遍 认为 ， 就 ATP 酶 复合 物 和 某 些 氧化 = 还 原 载 体
来 说 , 偶 联 膜 是 不 对 称 的 。 在 下 述 的 例子 中 ,可 以 设想 ,至 少 有
一 个 以 M- 侧 为 起 点 ,又 以 它 为 终点 的 穿 过 膜 的 环 。 这 种 成 环
状 的 呼吸 系统 的 概念 ,至 少 对 一 种 流行 的 氧化 磷酸 化 机 理
假设 ,有 着 重要 的 意义 (第 5 章 ); 因 此 ， 完 成 对 呼吸 膜 详细 的
局 部 解剖 学 上 的 分 析 ,是 一 件 相 当 重 要 的 事情 。
3.24 偶 联 膜 的 重组
研究 多 酶 序列 作用 机 理 的 经 典 方 法 之 一 ， 是 纯化 每 个 单
sw 46 «
“个 组 分 ,然后 以 正确 的 比例 , 将 这 些 组 分 混和 在 一 起 , 来 试探
“重新 组 成 具有 活性 的 系统 。 这 方法 被 Racker 在 1969 年 ,应 用
于 呼吸 系统 得 到 一 些 成 功 ， 当 时 他 能 够 用 纯化 的 或 部 分 纯化
”的 氧化 -还 原 组 分 和 磷脂 来 重组 成 下 珀 酸 氧化 酶 。 这 系统 对
“于 抗 霉 素 和 和 氰 化 物 表现 有 预期 的 敏感 性 ， 所 显示 的 比 活性 与
”” 亚 线粒体 颗粒 中 的 琥珀 酸 氧化 酶 的 活性 相当 ， 但 即使 大 量 增
AMBRE, 也 不 能 催化 氧化 磷酸 化 作用 。 以 后 又 重组 成
«BY NADH 氧化 酶 ,证 明 也 有 同样 的 欠缺 。
根据 事后 的 认识 ,理解 到 之 所 以 得 不 到 能 量 偶 联 的 原因 ， ，
显然 是 对 氧化 -还 原 载体 和 偶 联 因子 在 重组 成 的 膜 中 的 定向 ，
结构 , 没有 给 予 足 够 注意 所 造成 的 。 这 一 点 此 后 已 被 部 分 弓
正 ; 复合 物 I、II 和 IV 都 已 成 功 地 重组 出 除了 它们 正常 的 氧
化 -还 原 活性 外 ,还 表现 有 某 些 能 量 偶 联 的 证 据 。 例如 , 当 复
合 物 IV 与 磷脂 和 对 寡 霉 素 敏感 的 ATP 酶 复合 物 结合 时 ,所 ，
， 得 的 小 泡 表 现 显著 的 ATP 合成 功能 , 并 伴随 有 电子 从 人 工 底
， 。 物 到 氧 的 转移 。 ATP 酶 正确 地 被 定位 于 小 泡 的 外 侧 , 就 象 亚
， 线粒体 颗粒 一 样 ， 这 个 系统 对 那些 已 知 能 影响 能 量 偶 联 的 各
种 各 样 试剂 ,都 显示 有 预期 的 敏感 性 。
显然 ， 我 们 现在 正 接近 在 体外 完全 重组 一 个 完整 的 能 量
偶 联 的 呼吸 链 阶 段 。 只 有 在 完成 这 一 步 之 后 ,我 们 才 对 偶 联
膜 的 机 构 熟悉 到 足以 明白 它 在 氧化 磷酸 化 机 理 中 所 起 的 作
用 。
3.3 溶质 通过 偶 联 膜 的 运输
由 于 本 书 的 主要 任务 是 描述 能 量 转 换 的 本 质 ， 至 于 有 关
一 偶 联 膜 运输 溶质 的 能 力 , 仅 是 在 能 量 守恒 作用 或 能 量 利 用 ,有
上 直接 关系 的 问题 时 , 才 加 以 讨论 。 呼 吸 链 的 持续 不 断 的 活动 有
© 47 «
赖 于 有 适当 的 可 氧化 底 物 〈 例 如 NADH, 934M). 未 端 氧化
剂 (分 子 氧 ) 和 合适 的 辅 因子 (例如 ADP 和 无 机 磷酸 ) 的 存在 。
”由 于 偶 联 膜 对 气体 扩散 不 产生 障碍 ,因此 分 子 氧 能 在 膜 的 M-
侧 ,无 阻碍 地 接近 细胞 色素 ae HH, NADH 和 琥珀 酸 都 是
在 基质 部 分 进行 的 中 间 代 谢 途 径 所 产生 。 因此 这 些 底 物 的 氧
化 作用 ， 与 细胞 质 中 产生 的 NADH 不 同 , 它们 无 需 事先 的 转
Bo
要 使 糖 酵 解 时 ， 产 生 的 NADH 能够 被 呼吸 链 氧 化 : 它
显然 必须 要 通过 偶 联 膜 向 内 运输 。 由 于 偶 联 膜 对 外 在 的
NAD(P)H (或 NAD(P)*) 是 不 郊 透 的 ;运输 要 间接 地 通过 伐
谢 穿梭 途径 进行 ,例如 磷酸 甘油 梭 或 荚果 酸 梭 ( 图 3.7)o
mere ine NAD*
四 + [NADH] HEREC IB RS Wad] + BF
RIZE 夫 门 冬 氨 酸
图 3.7 sR
虽然 质子 电化 学 电位 差 的 确切 形成 机 理 还 是 正在 热烈 争
论 的 问题 (第 5 章 ) ,但 是 已 有 大 量 证 据 表 明 , 呼 吸 作用 可 以 导
致 偶 联 膜 两 侧 的 质子 电位 差 。 因此 ,带电 荷 分 子 输送 过 内 腊
的 机 理 , 必 定 要 与 这 种 跨 膜 pH 差 相 适合 , 也 许 这 个 输送 机 理
的 发 生 , 也 是 有 赖 于 它 的 。
3.3.1 阴离子
Chappell 及 其 同事 在 六 十 年 代 后 期 卓越 的 工作 证 明 , 在
“二 羧 酸 和 三 凑 酸 的 运转 过 程 中 。 磷 酸根 通过 线粒体 内 膜 的 运 ，
转 是 其 关键 。 在 生理 pH 的 条 件 下 ， 磷 酸根 (HPO 和 似乎 是
ss 48 «
Wis 22ZkSREST RA, 而 进入 基质 小 区 隔 。 这 种 强
。 制 性 的 电 中 性 的 交换 扩散 系统 被 称 为 磷酸 -羟基 反 向 转移 。 磷
了 因为 鞋 果 酸 的 进入 , 紧 女 在 这 种
阴离子 的 外 出 之 后 (图 3.8 a)。 同 样 , 紧 眼 在 苹果 酸 外 出 之 后 ;
发 生生 檬 酸 、 异 符 楼 本 或 顺 乌 头 酸 径 过 一 个 反 向 转移 系统 进
Fett o- FIX BR Ai aT AR EAE A o
. Sh
3.8 穿越 线粒体 内 膜 的 离子 运转 ( 引 自 Lehninger, 1974)
“因为 线粒体 的 主要 功能 是 向 细胞 质 供应 ATP, 所 以 运输
腺 噶 叭 核 昔 酸 ADP 和 ATP, 而 不 运输 AMP 的 能 力 是 内 层 膜 的
主要 性 质 。 有 大 量 的 ,特别 是 来 自 Klingenbergs 实验 室 的 证 据
so BBA, ATP 的 运输 是 以 1 比 1 与 ADP 交换 进行 的 (经 过 腺
。49 。
oe
持 便 定 。 Rh ATP“—ATP* 的 反 向 转移 系统 是 产 电 荷 的 、
《electrogenic，electroactive)， 因 为 二 个 组 分 的 电荷 不 是 相等 的 。
因此 ,它们 进出 基质 小 区 隔 的 移动 ,是 对 跨 膜 电位 差 响应 而 发
生 ( 负 电荷 内 侧 )， 这 电位 差 是 由 呼吸 作用 所 产生 ， 并 且 以 随
即 的 阴离子 移动 来 维持 的 〈 例 如 磷酸 根 和 羧 酸根 )。 FALE, Ar.
负电 荷 的 内 环境 排斥 ATP, Gk ATPO 向 外 侧 移动 ,同时 使
ADP* [AIA tA CAL 3-8b)o
3.3.2 ”阳离子
完整 的 线粒体 对 沿 着 电子 梯度 进入 的 Na A KT RAS
漏 ,这 将 使 内 外 电位 差 下 降 , 因 此 它们 必须 能 排斥 这 些 多 余 的
离子 。 这 是 靠 着 一 个 高 活性 的 Na -H” 的 反 同 转移 (图 3.8c)
和 一 个 活性 较 低 得 多 的 K*-H* 的 反 辐 转移 的 动作 来 达到 的 ，
这 两 种 转移 之 间 的 活性 差别 ,使 在 间 质 小 区 隔 中 ,维持 了 一 个
高 的 人 /Na 比例 。 加 入 离子 载体 的 抗 效 素 Cionophorous anti-
biotics) 如 统 氮 霉 素 或 尼日利亚 菌 素 ,， 可 使 一 价 阳离子 的 移动
大 大 增加 。 这 种 抗菌 素 能 溶解 于 膜 中 ,并 分 别 催 化 KT a ee
A K*-H* RARE NW RMo
某 些 二 价 阳 离子 如 Ca 《〈 但 不 是 Mg) 很 容易 被 积聚 。
Ca 的 吸收 是 通过 电荷 推动 的 (electroactive) Ca?* 单 向 转移 系 .
统 ( 即 没有 直接 与 其 他 离子 的 交换 ) 进 行 。 像 AIP 一 的 外 出 一
RE, Cat 的 进入 ,要 被 带 负 电荷 的 基质 小 区 隔 促进 (图 3.8c)。
这 二 过 程 被 看 作为 需 能 的 事件 ， 因 为 它们 电 谷 梯 度 显 着 地 使
暴跌 。
550 。
4. # fe 态
a | 三 十 年代 后 期 ， Kalckar 和 Belitser 首次 观察 到 判 碎 的
， 动物 组 织 , 具有 在 呼吸 氧化 各 种 底 物 的 同时 , 发 生 ADP 和 无
机 磷酸 根 酯 化 反应 的 能 力 (氧化 磷酸 化 反应 )。 后 来 从 测量 磷
”酸根 的 消失 ,或 ATP? 的 形成 才 明 白 ,， 在 氧化 磷酸 化 反应 中 ，
， 酯 化 的 磷酸 根 的 数量 ( 克 分 子 ) 与 消耗 的 氧 的 数量 〈 克 原子 )
| 存在 着 化 学 数量 关系 。 这 种 化 学 计算 称 为 P/O 比 。 它 的 大 ，
小 是 底 物 经 历 氧化 过 程 的 特征 。1951 年 Lehninger 已 经 证 明 ，
。 通过 NAD+ 氧化 的 底 物 ( 例 如 p- 羟 基 丁 酸 、 芋 果 酸 ) 氧 化 时 ，
。 所 得 到 的 P/O 比 接近 于 3。 而 通过 黄 素 氧 化 的 底 物 《 例 a
_—-HYRG),3E P/O 值 降低 至 接近 于 2?。
简要 地 了 解 一 下 氧化 磷酸 化 反应 的 热力 学 ， 就 很 容易 解 ，
释 这 些 现象 。 当 分 子 氧 〈Eo，H20/tO: = +820 毫 伏 ) 氧化
=O (CEL. 琥珀 酸 / 延 胡 索 酸 = 十 30 毫 伏 )， 相 当 于 有
， 一 个 790 BRA AEu， 这 相当 于 一 152 FREDT OWA
能 变化 。 就 是 说 ,， 这 大 约 仅 相当 NADH 氧化 时 释 出 能 量
| (-219 千 焦 克 分 子 一 ;第 1 工 章 ) 的 2/3。
A 假定 在 标准 条 件 下 ,合成 ATP 所 需 的 自由 能 为 +31 于 焦
， 克 分 子 ， 这 两 种 氧化 作用 都 有 大 约 41% 的 偶 联 效率 ; 其 余
U 的 能 量 均 以 热 散失 。 这 种 效率 与 人 造 机 器 如 蒸汽 机 或 发 电机
(«AE ,是 大 大 超过 了 的 ， 并 且 与 光合 确 酸化 作用 的 能 量 贮存 作
”用 效率 相似 。
然而 ,也 有 许多 例子 ， 它们 的 氧化 磷酸 化 效率 特别 低 ， 因
， 而 使 这 些 呼吸 作用 有 大 量 放 热 的 特征 。 例如 , 在 老鼠 棕色 脂
e。 51 。
”吸引 昆虫 来 协助 授粉 提供 一 种 手段 。 许 多 细菌 的 系统 也 显示
As Seer,
Sot
Raia.
WiRUPRRL RCH LI Deze 2k ERY PS TE RR 前 面 的
例子 代表 了 有 抵抗 致死 威胁 的 寒潮 的 机 理 ， 而 后 者 似乎 是 为 ，
|
出 低 P/O 比值 ， 但 这 些 系统 只 是 在 偶然 的 情况 下 ， AEH
机 体 以 任何 生理 上 的 好 处 (第 6 章 )。
4.1 能 量 偶 联 部 位
1954 年 Lehninger 和 Lardy 分 别 报告 了 完整 线粒体 的 呼吸
链 中 各 个 能 量 偶 联 部 位 的 位 置 。 所 用 的 技术 就 是 测量 各 种 不 时
同 氧化 -还 原 电 位 的 供 体 和 受 体 存在 时 测量 P/O (BR P/2e-)
比值 ,这 样 就 把 呼吸 链 有 效 地 分 隔 成 功能 上 的 片 眉 ( 表 4.D。”
$4.1 能 量 偶 联 部 位
P/OCP/2e-)》
琥珀 酸
抗坏血酸 + c(Fe*+)
B-#4ETR c(Fe*t)
琥珀 酸 . ¢(Fe*F)
p-RETE 琥珀 酸 抗坏血酸 十 细 雹 色素
c(Fe2*)
NADH ee iii te.
_KCN *:
malt He (fen”)
图 4.1 能 量 偶 联 部 位 4
由 于 这 类 实验 的 结果 ， 可 以 断定 在 NADH 和 分 子 氧 之 ©
间 ， 有 3 个 如 图 4.1 所 示 的 能 量 偶 联 部 位 (位 置 下 开 和 Im 是
ea。 52 。
ee
MRAP OEMRE, AAAS REMERAM
CNADPH > NAD*) 的 水 平 上 有 第 四 个 部 位 (0 MAL), (eH
， 于 这 个 反应 的 AZ (RR, NG BT Ae KP IE
。 存 作用 ,没有 什么 重要 性 。
42 呼吸 控制
1956 年 Chance 和 Williams 报告 ， 在 有 过 量 的 底 物 、 和 氧
时 和 无 机 磷酸 根 存在 时 ,完整 线粒体 的 呼吸 活性 是 受 着 ADP 的
可 利用 量 有 效 地 控制 着 的 。 这 一 过 程 被 称 为 呼吸 控制 。 缺 乏
| 磷 受 体 (ADP) 时 ,呼吸 速率 是 低 的 (图 4.2) ,而 这 种 线粒体 的
| 状态 被 认为 是 处 于 受 控 状 态 (或 状态 4)。ADP 加 入 后 呼吸 速
| 率 剧烈 增 加 (活化 态 或 状态 3), 并 且 在 ADP 几乎 完全 酯 化 之
前 ,一 直 保持 着 快速 的 呼吸 ,此 后 , 呼吸 速率 再 次 降 至 状态 4。
| 反应 混合 物 在 底 物 或 氧 二 者 任 一 发 生 亏 缺 之 前 ， 一 直 可 看 到
| 这 种 ADP 诱导 现象 的 多 次 反复 。 这 一 类 实验 清楚 指出 ,在 完
_ 整 线粒体 中 ， 呼 吸 作用 和 能 量 贮存 (ATP 合成 ) 是 紧密 偶 联
， 的 ; 前 者 被 后 者 的 需求 量 所 控制 。 因 此 , 底 物 和 氧 的 消耗 , 受
| 线粒体 对 ATP 的 需求 所 决定 。 这 样 , 在 正常 条 件 下 ,就 不 发
| 生 不 必要 的 呼吸 作用 。 |
现 已 清楚 , 状态 3 一 状态 4 的 转变 ， 并 不 是 ADP 浓度 的
和 直接 效应 造成 磷酸 化 系统 浓度 的 动力 学 受 影响 ,而 是 ADP 对
| 磷酸 势 (phosphate potential) 间接 效应 所 造成 的 。 磷酸 势 反
上 BPD, Sls ATP 合成 所 必须 作 的 功 (AG)e 因为
aaa , : [ATP]
{ [ADP] [Pi]
上 磷酸 势 明 显 随 [ATP]/[ADP][Pi] 的 比值 而 变化 。Slater 最 近
| 测量 了 催化 状态 4 呼吸 的 鼠 肝 线 粒 体 的 磷酸 势 ， 得 到 其 值 为
。53 。
~ AG = AG” + 2.303RT log .
; ieee 本
67.4 FRAT 2 SL A sO
73.04 千 焦 克 分 子 -! (219/3) 相等 。 因 此 可 以 推论 呼吸 作用
和 磷酸 化 作用 在 状态 4 是 热力 学 平衡 的 ， 而 且 呼 吸 作用 的 速 os
率 最 终 受 磷酸 势 托 压 (back-pressure) 的 控制 。 ey % a
许多 细菌 的 呼吸 系统 以 及 叶绿体 中 的 光合 电子 传递 ; 季 a
已 证 明 都 有 相似 类 型 的 控制 。 在 细菌 的 呼吸 系统 中 ， 一 些 初
始 的 脱 氢 酶 经 常 处 于 受 周 围 能 量 电荷 《energy charge) 的 直
接 动 力学 控制 中 。 这 一 概念 被 Atkinson 引用 来 描述 细胞 的 能
量 状 态 , 并 认为 是 等 于 x. 1
二 1 ( [ADP] + 2[ATP] ) ue 过
[AMP] + [ADP] + [ATP] a
这 个 数值 可 以 从 0 变化 到 1.0, 但 通常 是 在 0.8 左右 。 看 来 它
通过 对 组 成 代谢 和 分 解 代 谢 两 者 的 呼吸 关键 酶 的 作用 夺 而 在 “
代谢 中 ， 外 着 一 个 十 分 重要 的 控制 作用 但 通常 对 呼吸 作用 仅
有 很 小 实质 上 的 影响 。
AEE DA, 2k KOEI ORRIN
种 氧化 -= 还原 和 能 量 信号 的 直接 控制 ,而 活化 或 钝 化 5 这 些 信 ”
号 包括 琥珀 酸 本 身 , 草 酰 乙酸 、ATP ASR. 这 种 高 度 特 化 q
的 控制 系统 的 目的 ， 显然 古 为 了 保证 当 细 胞 需要 最 大 量 ATP
合成 时 ， 呼 吸 链 优先 氧化 NADH ( 即 二 种 主要 底 物 中 的 含量 -
最 富 \ 能 量 利用 最 有 效 的 一 种 )。
几 种 其 他 重要 的 参数 也 可 以 从 图 4.2 所 描述 的 腾 验 线 :
中 计算 出 。 其 中 首要 的 是 ADP/O 的 比值 ， 在 数值 上 当然 与
P/O 或 P/2e- 的 比值 相等 。 由 于 呼吸 作用 和 磷酸 化 作用 密切
偶 联 ， 因 此 状态 3 呼吸 的 程度 ， le
ADP 量 。 从 这 一 实验 可 以 看 到 ， 加 入 0.5 微克 分 子 的 ADP,
增加 了 快速 吸收 0.245 微克 原子 氧 ( 底 物 ,琥珀 酸 y; sppo= 3 3
0.50/0.245 = 2.08, : —— |
© 54 e
i AR RUA F)
2 3
时 间 ( 分 )
图 4.2 呼吸 控制
〈 微 原子 可 改称 微克 原子 一 一 译 者 注 )
也 可 以 从 这 图 测 出 呼吸 控制 指数 (RCI),。 这 仅 是 状态 3/
状态 4 呼吸 速率 的 比例 。RCI 值 的 高 低 与 底 物 的 性 质 和 线 粒
体 的 来 源 有 关 。 它 很 少 超过 ?一 8, 并 且 是 偶 联 膜 完整 性 的 一
种 粗略 的 指标 。 |
eA
人
用 双 波 长 分 光 光 度 计 对 正在 呼吸 的 线粒体 进行 测定 ， 显
示 和 氧化- 还原 载体 的 有 氧 稳 态 还 原水 平 随 呼吸 状态 而 显著 地
变化 ,例如 细胞 色素 a 的 还 原 百分数 ， 在 状态 3 时， 就 比 状
态 4 时 要 高 ;而 细胞 色素 < 则 反 过 来 ( 表 4.2)。 因 此 ， 受 磷 体
的 缺乏 ,引起 细胞 色素 “ 和 a 之 间 出 现 一 个 交叉 点 ,这 提示 部
II 就 是 位 于 这 一 间隔 中 。 然 而 ,由 于 这 一 结论 在 热力 学 的
分 析 中 仅 得 到 部 份 支持 ， 一 个 状态 3 与 状态 4 的 交叉 点 也 许
只 是 能 推 昕 能 量 侦 联 位 置 的 一 个 粗略 的 指导 。
= oy Sf
> yes ee ma :
ial aA,
Ri
4.2 氧化 -还 原状 态 的 比较
~
Beh.
ea —
NADPH | FP. | (部 )|] (tad | 2
3 53 20 16 aa
4 99 40 35
实验 条 件 下 ， 在 细胞 色素 b Mc 之 间 (He am
NADH 和 黄 素 蛋白 之 间 ( 部 位 1) 也 有 看 到 状态 3 RAS
交叉 点 的 报告 , 对 这 报告 也 持 有 相似 的 保留 。 ae
加 入 ATP 来 诱导 出 现 (例如 在 部 位 了 22.3 De
4.4 解 偶 联 剂
0.5r 线 粒 体
HE
°
=
2
w
总 氧 量 ( 微 原子 )
01
2
时 间 ( 分 7)
图 4.3 RIK (OH) 的 作用
* 56 «
已 知 有 好 几 种 类 型 的 解 偶 联 剂 ， 但 最 简单 的 都 是 脂 溶性 的 弱
«Bln 2; 4- 二 硝 基 苯酚 (DNP) 和 兰 基 所 化 间 - 三 氟 苯 逐
= (carbonyl! cyanide m-trifluoropheny! hydrazone, FCCP; 图 4.4).
这 些 解 偶 联 剂 对 这 三 个 磷酸 化 部 位 ,都 有 相似 程度 的 影响 ;而
Bim ADP 和 无 机 磷 的 存在 。 因 此 在 呼吸 作用 和 ATP 合成
二 的 最 后 阶段 之 间 ， 可 能 存在 着 一 种 非 磷酸 化 的 易于 被 亲 脂 性
阴离子 (%-) 破坏 的 供 能 态 。 这 种 看 法 得 到 下 列 观察 的 支
NO,
yn
OH CF,O NH-N=C.
: CN
NO
DNP FCCP
图 4.4 DNP 和 FCCP 的 结构
持 ; 即 加 入 一 种 解 偶 联 剂 ,可 使 在 正常 情况 下 完整 线粒体 的 低
ATP 酶 活性 促进 好 几 倍 。 在 光合 磷酸 化 和 细菌 的 呼吸 作用
HS 也 可 得 出 相似 的 结论 。 前 者 独特 地 被 NH+ 解 联 , 这 种 现
RRMA, SCRA AMAA KRY
相反 现象 (参阅 第 3.5 章 和 第 6 章 )。
4.5 磷酸 化 作用 的 抑制 剂
与 DNP 和 FCOP 的 作用 不 同 , 抗 菌 素 寡 霉 素 和 人 金 轮 枝 老
素 通过 直接 影响 可 逆 的 ATP 酶 复合 物 而 抑制 ATP 的 合成
这 些 化 合 物 因此 而 被 归属 为 磷酸 化 抑制 剂 。 由 于 在 完整 线 粒
体 中 呼吸 作用 和 磷酸 化 作用 是 紧密 偶 联 着 的 ， 因 此 这 些 化 合
物 使 状态 3 的 呼吸 回复 到 状态 4 的 抑制 作用 (图 4.5)。 特别
有 趣 的 是 将 解 联 剂 加 入 到 受 寡 霉 素 抑 制 的 线粒体 中 时 ， 立 即
上 引起 这 种 抑制 作用 的 解除 ， 并 使 呼吸 作用 增加 至 正常 解 联 的
。 过 率 。 解 联 基 的 这 种 服 窒 和 过 抑制 作用 的 能 力 。 ALT AR
Ae ee
生地 Seg Pe
mai: |
Al ty Ve
.b 的 氧 侧 被 抑制 之 时 ， 因 此 它 常 被 认为 是 厌 氧 条 件 干 逆转 的 “
‘ae oa
S Pee
Sng
—
Heal ae at 7 Ries
运 i=. Ninn! ae 汪
; | ‘
Se ae 3 ce
ATP
图 4.7 ” 供 能 态
:
Y
2
: saa
a
Ahir
7
-_
\ pe
y
3a
- od
by =
a ¢
- ’ a
~ ." :
9
ie 4
ve
= Ma”
res
ie
x * 60 。
; ae
5. 氧化 磷酸 化 反应 的 机 理
”和 确 盖 帮 定 原初 供 能 态 是 当代 生物 化 学 的 主要 问题 之 一 。
帮 个 有 关 呼 吸 链 和 光合 能 量 贮存 作用 机 理 的 主要 学 说 交织 在
这 个 问题 的 周围 它们 是 化 学 学 说 ， 化 学 活 舟 学 说 和 构象 学
Ho
5 化 学 -学 说
氧化 磷酸 化 的 化 学 学 说 是 1953 年 首先 由 Slater 根据 已 经
了 解 清楚 的 底 物 水 平 磷酸 化 的 机 理 (第 1 章 ) 而 提出 的 ， 底 物
水 平 磷酸 化 的 机 理 是 氧化 -还 原 引导 到 ATP 的 合成 ， 是 通过
非 磷酸 化 的 中 间 产 物 和 磷酸 化 的 中 间 产 物 一 系列 反应 而 完成
的 。 化 学 学 说 包括 了 这 些 特点 ,并 总 括 如 下 :
AH, + B + 1-OH=—A ~ 1+ BH, 十 OH
A~ I+ XH ==X ~I+A+H*
X~I+P-OH =X ~P+I1-OH
-—X~*P+ADP = =ATP + XH
AH, + B + ADP + P-OH=—A + BH, + ATP + H,0
AH, 和 了 B 是 跨 占有 一 个 磷酸 化 部 位 的 一 段 呼吸 载体 。 MIX
是 性 质 未 知 的 偶 联 因子 的 配 基 ， 但 它 能 形成 具有 高 水 解 自由
能 的 醋 键 。 学 说 的 另 一 种 提 法 ， 是 在 第 一 个 方程 式 中 以
BH, 一 工 代替 A ~ 1, 而 其 余 的 步骤 都 相同 。
按照 经 典 办 法 来 证 实 这 种 假设 需要 鉴定 和 分 离 出 A~I
es。 61 e
(或 BH ~ 1D, X~I A X~P. Ri X~ I Maw
要 求 可 能 很 难 做 到 ,因为 X ~ I 的 浓度 非常 低 , 并 且 在 离开 偶
联 膜 的 朴 水 的 内 环境 之 后 很 可 能 是 不 稳定 的 。- 此 外 , BOER
实验 证 据 指 出 : 以 上 所 示 反 应 序列 的 最 后 二 步 实际 上 可 能 是
同时 发 生 的 即 在 X ~ 工 裂 解 的 同时 即 发 生 ADP 和 无 机 磷 的
酯 化 而 没有 X ~ P 的 中 间 产 物 形成 然而 A 盖 工 (或 BH ~T)
的 形成 是 绝对 必需 的 ,因为 它 与 呼吸 链 相 联结 ， wh
收 光谱 或 EPR 光 谱 检测 到 它 的 存在 。
5.1.1 eRe FR BRS
近 二 十 年 来 曾 提出 过 一 些 可 能 起 着 供 能 的 呼吸 载体 作用
的 候选 成 员 , 但 当 仔 细 追 究 时 ,发 现 这 许多 成 员 都 是 不 存在 的 。
然而 ， Wilkson 和 Dutton 最 近 用 非常 精密 的 电位 计 和 分
光 光 度 计 , 测量 了 呼吸 链 载体 在 原 位 上 的 氧化 = 还 原 电 位 ， 并
且 找 出 几 个 新 的 候选 成 员 。 它 们 是 细胞 色素 br《( 部 位 I), 4A
AA a CBr II) 以 及 一 个 或 更 多 的 Fe-S BACB ALI) ox
些 载 体 由 于 它们 的 Eo 值 受 偶 联 膜 供 能 状态 《十 ATP) WO
啊 , 而 有 所 变动 ( 表 5.1); 其 他 的 载体 如 细胞 色素 bgs © A a 的
已 , 值 似乎 是 不 变 的 。
表 5.1 在 原 位 的 呼吸 链 载 体 的 E, 值
和 全 Eo( 士 ATP)
十 270
一 220
由 于 供 能 对 偶 AH, + I/A ~ 1+2H &Y E, EEAH,/A+2H
的 要 高 些 ( 对 BH, ~ I/B +1 + 2H A BH,/B + 2H th RCE),
这 就 使 br ZEB Ar I PRA —PPEERERI RAW. af* 可 能 在
部 位 .II 占有 相似 的 地 位 。 然 而 ,对 这 些 载体 所 作 的 观察 得 到
sa 62 «
.
:
|
和
x
:
3
4
$
‘
om
的 AEM 士 ATP) 值 仅 相当 于 有 21.3 和 25.9 千 焦 克 分 子 -的
AG" 值 (对 比 合成 ATP 所 需 的 能 量 为 31.0 千 焦 克 分 子 -D ,而
且 在 植物 线粒体 中 , 还 没有 证 据说 明 br 形成 供 能 的 复合 物 。
5.1.2 ”联系 能 量 的 反应
按照 化 学 学 说 最 早 的 说 法 ， 解 联 反应 是 因 解 联 剂 阴离子
(4 -) 对 和 ~ 工 的 亲 核 反应 而 产生 ， 它 使 X~ 工 水 解 而 产生
X-H, IOH 和 热 ; 这 样 就 使 以 上 所 述 的 反应 序列 不 可 恢复
”地 中 断 了 。 这 种 看 法 最 近 已 有 很 大 修改 , 而 现在 初步 认为 解
联 是 由 于 解 联 剂 阴离子 的 向 内 移动 触发 了 水 的 需 能 裂解 (成
H* #1 OH-) Pree (A
: S:P)- Fp fil
在 部 分 破碎 的 线 粒
体 或 细菌 膜 中 会 出 现 比
。，” 较 低 的 氧化 磷酸 化 效
率 ， 也 就 是 发 生 部 分 的
自然 解 联 。 这 种 现象 被 图 5.1 Memeo ERA
解释 为 介 联 膜 的 物理 性 (3| Slater, 1971)
POR SKS LUBE X ~ 1 形成 的 部 位 而 使 供 能 态 的
消失 。
”呼吸 控制 的 化 学 观点 就 是 在 没有 ADP 存 在 时 (状态 4) 高
的 磷酸 势 引起 内 膜 的 X ~ I 浓 度 的 增加 ， 这 使 前 面 几 步 部 分
反应 的 平衡 ， 移 向 A ~ I 积 累 ， 因 而 使 电子 传递 实际 上 停止
(状态 4)。 残 余 的 十 分 低 的 呼吸 速度 可 能 一 部 分 是 来 自 X~ 1
缓慢 的 基础 水 解 一 部 分 是 由 于 X ~ I 作为 离子 运输 或 其 他 的
线粒体 反应 的 能 源 所 造成 的 。 加 入 ADP (状态 3) 后 ， 磷 酸 势
位 降落 ， 呼 吸 速度 增加 直至 被 电子 传递 系统 的 速度 限制 步 又
限制 时 为 止 (可 能 是 原初 的 脱 氢 酶 )。
X ~ I 被 认为 是 所 有 偶 联 部 位 共有 的 供 能 中 间 产 物 。 这
种 或 由 ATP 的 水 解 或 由 前 向 的 电子 传递 所 产生 的 高 浓度 的 ““”
ARE X ~ I, ARK AH, =A ~ | PG MABH, i
推动 逆向 的 电子 传递 。 因此 ,在 部 位 工 发 生 的 氧化 -还 原 反
应 ， 是 消耗 所 加 入 的 电子 供 体 如 琥珀 酸 ， 而 向 着 最 终 有 利于
NADH 形成 的 方向 移动 。 有 人 认为 需 能 的 烟 酰 胺 核 蔡 酸 转
氢 酶 反应 ,是 通过 类 似 的 机 理 进 行 的 。 |
就 离子 的 运动 来 说 ,化 学 学 说 可 被 看 成 是 二 种 消耗 XHr+/oO 值 偶然 也 可 能 接近 8。
质子 的 逐 出 ， 是 由 于 呼吸 系统 被 安排 成 为 好 几 个 衔接 的
“氧化 = 还原 通路 所 造成 的 。 每 一 个 明 路 都 由 一 个 载 氢 体 和 一
个 电子 载体 两 部 分 组 成 ,并 且 每 转移 一 对 还 原 当 量 , 就 催化 二
个 质子 的 外 运 (图 5.3)。 线粒体 和 某 些 细菌 的 呼吸 链 包 含有
多 达 4 个 这 种 方式 的 运输 质子 的 呼吸 通路 ， 而 叶绿体 和 离 体
° 65 。
0
4 e205 >i
O2
的 细菌 载 色 体 的 光合 电子 传递 链 则 不 同 。 它 们 的 质子 运输 是 一
向 内 方向 的 《Fi 定位 于 这 种 膜 的 外 表面 )。 而 且 只 有 一 个 过-
路 。
外 便 ise an, Af
8 A
+
2H dig
一 i oi 20, +
<< H20
总 反应 : AH, +40, + 2H+==A + H.0 + 2H¢
图 5.3 weit A(t-C2RGBR (A Mitchell, 1966)
显然 ,这 种 系统 的 重要 条 件 是 ,呼吸 载体 必须 位 于 膜 的 适
当 的 一 侧 ,并 且 有 正确 的 顺序 (图 5.4)。 虽 然 对 这 些 成 员 的 局 部
解剖 学 的 分 析 工 作 还 未 完成 ,但 已 有 证 据说 明 许多 氧化 -还 原
组 份 是 符合 这 个 图 式 位 置 的 (第 3 章 )。 这 个 图 式 的 主要 弱点
是 迎 路 O 中 的 两 个 载体 ,无 论 是 电子 载体 还 是 五 载体 (e-O 和
H-O) kill 3 中 的 载 氢 体 (H-3)， 都 没有 正面 鉴定 到
过 ;也 可 能 进 路 3 和 退路 2 都 是 Q 贮 库 的 一 部 分 。
Q
^Fap| (琥珀 酸 )
Fe-S
TMPOH,
A
图 ?5.4 运输 质子 的 呼吸 链
”66 。
_ 这样; 由 于 呼吸 作用 的 结果 ,在 膜 的 两 侧 建立 起 外 便 为 质
SERRA AE CRED). EMG RAE
质子 的 可 逆 的 ATP 酶 来 推动 ATP 的 合成 。 质 子 推动 力 (pmtf
《ApH; 膜 外 侧 酸性 , 故 为 负 值 ) 和 电势 能 差 或 膜 电位 (A 巨 或
Ad)o 这 样 ee j
| Ap = Ad’ — ZApH
这 里 Z =2.303RT/F (4E 300K KH = 60). 有 人 证 明 , 在
有 ~10 毫克 分 子 浓 度 磷酸 存在 时 大 约 需 要 有 一 个 210 毫 伏
的 pmf， 来 使 ATP/ADP 值 维持 在 1 附近 《〈 即 推动 ATP 的 合
Boo 最 近 已 有 实验 证 明 , 在 状态 4、 状态 3 A ATP 水 解 情况
FAS pmé {54> 3% 228, 170 #1 220 BR.
运送 两 个 当量 的 质子 通过 偶 联 膜 所 做 的 功 ,等 于 2ZAp，
同样 ;把 一 对 还 原 当量 转移 ,通过 一 个 初始 和 最 终 载 氢 体 的 标
准 氧 化 -还 原 电位 的 差 值 为 AB4 的 质子 运输 通路 所 作 的 功 ，
等 于 2ZAEf, 平衡 时 这 两 组 份 相等 , 即
2ZAp = 2ZAE,
因此 ， Ap = AE,
由 于 NADH #4} F AUC AE, 21,140 ER ALORA
充分 的 能 量 , 使 3 ERSTE EP ELE ATP &
成 的 质子 推动 力 。 每 合成 一 分 子 ATP, ATP 合成 酶 就 运 回
到 2H+(->Ht+/ATP = 2)， 因 此 对 于 通过 NAD+ 联结 的 底 物
氧化 来 说 ,其 ~>Ht+/o 的 比值 为 6, 即 与 所 预期 的 3 的 P/O 值
相当 。
“然而 , 在 通过 NADP*+ 联结 的 底 物 氧化 中 ， 曾 观察 到 一
Ht/O 比值 为 8， 对 此 虽然 已 清楚 证 明 它 有 4 个 质子 运输 过
| 路 ， 但 可 能 并 不 反映 它 真 有 4 的 P/O 值 。 这 可 以 从 NADPH
| ”通过 转氨酶 (过 路 O) 被 NAD+ 氧化 时 的 AE, 仅 有 4 BRK
° 67:
f ( -
本
看 出 ,这 个 质子 推动 力 (pmf) 不 足以 推动 ATP 的 合成 。 实 际
上 ， 由 于 呼吸 系统 的 其 余 成 员 所 产生 的 pmf 有 如 此 之 大 省
170 2K), DRHRABEAA AE, AN PRD ARES
POET AR (NADH 一 NADP+)。
5.2.2” 偶 联 膜 的 离子 不 透 性
运输 质子 的 呼吸 链 的 功能 是 产生 一 个 足够 大 的 跨 膜 pmf .
《质子 推动 力 )， 从 而 通过 运输 质子 的 ATP ASHER) ATP 的 合
成 ， 这 就 必须 要 求偶 联 膜 实 际 上 不 透 过 质子 和 其 他 离子 为 条 .
件 (除非 通过 专 一 的 交换 扩散 系统 )。 如 果 不 是 这 样 ,那么 pmf
将 为 质子 流 的 短路 所 消除 ， 或 当 阳 离子 沿 着 电位 梯度 进入 时
将 会 造成 一 个 碱 性 很 高 的 ,对 渗透 有 破坏 性 的 内 区 隔 环境 。 这
个 要 求 已 有 实验 证 实 是 满足 的 ; 线粒体 ， 叶 绿 体 和 细菌 的 偶
联 膜 本 身 的 实际 质子 传导 性 在 生物 系统 中 是 属于 最 低 的 。 这
种 低 的 传导 性 可 能 由 于 在 偶 联 膜 中 存在 有 一 个 重要 的 ， 非 水
的 渗透 障碍 所 造成 的 ,这 种 渗透 障碍 Mitchell 称 之 为 M= 相 (不
要 与 膜 的 M- 侧 或 间 质 侧 相 混 请)
5.2.3 一 交换 扩散 系统 ，
由 于 ATP 的 合成 需要 一 个 约 210 毫 伏 高 的 跨 膜 pmfs 如
果 偶 联 膜 两 侧 的 这 个 膜 电位 差 全 部 由 pH 差 值 来 产生 的 话 ，
ARETE A 3.5 的 pH 单位 。 因 此 ,如 果 外 部 的 pH 7.2, BA
基质 ( 衬 质 ?空间 将 是 10.7。 这 样 大 的 碱 性 强度 显然 与 酶 的 活
性 不 相 容 忍 , 而 且 也 没有 在 实验 中 检测 到 。
因此 ， Mitchell 提出 至 少 有 一 部 份 的 pmé, 是 由 膜 电位 “”
组 成 ,这 电位 是 通过 特殊 的 交换 扩散 系统 的 作用 , 即 电 中 性 的
阳离子 -质子 反 向 转移 (例如 Na+-H+) 或 阴离子 -质子 同 相 转 ”
移 而 产生 的 (相等 于 阴离子 -羟基 的 反 向 转移 ; 第 3 章 和 第 6
。 68 。
\
~
—
/
=
a 7 yi
Bo 由 于 线粒体 和 细菌 的 这 种 交换 扩散 反应 的 速度 比 没有
| 交换 系统 (例如 ,通过 膜 的 闯 漏 ) 的 离子 透 过 速度 快 得 多 ,这 就
| 有 可 能 使 大 部 份 pH 差 用 离子 梯度 来 代替 。 因 此 膜 电 位 就 成
为 pmf 的 主要 组 份 。 然 而 ,对 叶绿体 而 言 , 由 于 这 种 膜 的 膜 电
| 位 会 被 CI 进入 所 带 的 电荷 消除 , 光 诱 导 的 pH 差 (内 侧 酸性 )
。 似乎 是 推动 它 的 光合 磷酸 化 反应 的 重要 组 份 。 根 据 这 个 想法
国 。 出 发 ,可 以 做 到 用 人 为 办 法 ,造成 类 诈 体 膜 两 侧 (内 侧 酸性 ) 的
[RR pH 差 , 来 推动 ATP 的 暗合 成 。 而 这 种 类 型 的 实验 在 线
粒 体 上 是 不 成 功 的 。
| 5.2.4 运输 质子 的 ATP 酶
现在 有 充分 实验 证 明 , 各 向 异性 的 、 可 逆 的 完整 线粒体
5 C ATP 酶 , 把 ATP 水 解 成 ADP 和 无 机 磷酸 盐 的 同时 , 伴随
有 2 个 质子 的 向 外 运输 (CH*/ATP = 2 BAT Ht 克 分 子
ATP-0D)。 反 之 ,在 超声 波 破碎 制备 的 亚 线粒体 颗粒 中 , 偶 联
| 膜 的 极 性 是 反 转 的 ,质子 是 以 同样 的 化 学 数量 向 内 运输 , 即 质
子 移动 方向 仍然 从 P, 所 在 的 膜 一 边 离开 。 这 一 规则 对 于 完
DS CERN F, 是 在 内 侧 的 ) 和 叶绿体 的 类 圳 体 以 及 细 萌 的
。 载 色 体 CF, 在 外 侧 ) 也 是 同样 适用 的 。
完整 线粒体 运输 质子 的 ATP 酶 可 用 图 5.5 的 图 解 , 予以
， 表示 出 来 (注意 在 生理 状态 下 或 微 碱 的 pH 下 ,从 ATP KATE
和 成 电离 状态 的 ADP 和 无 机 磷酸 需 产 生 一 个 质子 和 运输 二 个
是 ”质子 通过 膜 )。 从 这 一 可 逆反 应 总 的 方程 式 可 请 楚 看 出 ,高 的
上 跨 膜 的 质子 电化 学 电位 差 (LH+]% > [H+]w)， 使 反应 平衡 向
二 有 利于 ATP 的 合成 方向 推移 。 然 而 ,困难 在 于 确实 地 测定 这
种 推动 力 是 怎样 施加 在 受 化 学 的 和 局 部 解剖 学 影响 下 的 反应
组 份 上 的 。
4 Mitchell 最 近 提 出 了 一 个 富有 魅力 的 机 理 ， 很 大 程度 地
© 69 «
外 侧 = AB Ate
H,0 ATP4- + BEH]
入 “rat
Er ADP34+ HPO; +H"
总 反应 : ATP + HiO + 2H+ 二 之 ADP- + HPO} + Ht + 2HE
5.5 ”运输 质子 的 ATP 酶
解决 了 这 个 问题 。ATP 水 解 的 机 理 (图 5.6) 并 不 需要 共 价 的
中 间 产 物 的 参与 ,而 是 靠 OH- 对 ATP 亲 电 的 末端 磷 , 进 行 亲
核 取 代 反 应 ,并 释放 出 无 机 磷酸 根 和 ADP。 酶 的 活性 部 位 是 位
于 Fo-Pi 的 界面 上 , 因而 易于 从 外 侧 接 受 HOC2H-” 最 终 通过
Fy 中 的 通道 逐 出 ) ,并 从 内 侧 取 得 ATP(ADP. 和 无 机 磷酸 根 最
终 从 斑 中 的 通道 离开 ,这 种 通道 对 于 所 需求 的 分 子 的 离子 化 /
质子 化 状态 有 专 一 性 )。 必 须 指出 , ATP, ADP 和 无 机 磷酸 根
都 在 内 侧 起 反应 〈 正 如 Fi 在 完整 线粒体 中 的 位 置 上 所 要 求 的
那样 ), 并 且 2H* 的 向 外 运输 ,伴随 有 O” 从 水 转移 到 磷酸 根
的 同 内 运输 (根据 O' 的 标记 实验 的 证 据 )。
外 侧 Aik Ay ful
ATP4-+ 2H*
5.6 ATP 酶 的 反应
在 发 生 氧化 磷酸 化 反应 时 ,可 逆 的 ATP 酶 在 pmtf 的 推动
力作 用 下 ,起 着 一 个 ATP 合成 酶 的 作用 。H:POT 和 Mg-ADP-
被 电位 梯度 (Ad; 内 侧 负 电 ) 推 人 酶 的 活性 中 心 ; 而 Mg- -
° 90 ~
HATP 被 pHBBRE (—ZApH; 内 侧 碱 性 ) 拉 出 。 这 种 简单 的
推 - 拉 过 程 (在 图 5.6 中 两 个 反 向 的 箭头 ) ,伴随 着 2 个 质子 沿
着 电化 学 电位 差 向 内 运输 ， 同时 消除 pmfo
”5.2.5 “联系 能 量 的 反应
”化 学 渗透 学 说 引人入胜 的 要 点 之 一 ， 是 对 经 典 的 解 联 齐
例如 DNP 和 FCCP 的 作用 提供 了 绕 一 的 解释 。 这 些 分 子 的
- 亲 脂 的 和 弱酸 性 的 性 质 ， 使 它们 具有 引导 质子 通过 偶 联 膜 的
能 力 ， 因而 能 消除 由 呼吸 作用 或 ATP 水 解 所 建立 起 来 的 质子
梯度 。
虽然 包 离 子 对 线粒体 或 细菌 的 氧化 友 酸 化 作用 没有 影
” ， 响 , 但 它 解 联 叶绿体 的 光合 磷酸 化 反应 的 现象 ,反映 了 这 些 偶
， “ 联 膜 的 极 性 不 同 。 只 有 当 匀 离 子 加 到 如 图 5.7 所 示 的 Ri 侧 时
。 《〈 即 碱 性 的 一 侧 ), 才 发 生 解 联 作 用 。 WREST BRO
， 时 , 则 必须 加 离子 载体 抗菌 素 〈 如 幼 霉 素 ), 来 克服 偶 联 膜 对
(NH 的 正常 的 不 透 过 性 , 它 的 解 联 作用 才能 发 生 。
Pil —«- KBAR FY itt
图 5.7”NH+ 对 光合 磷酸 化 作用 的 解 联
按照 化 学 渗透 学 说 ， 呼 吸 作用 的 速率 是 被 偶 联 膜 的 质子
的 有 效 传导 所 控制 的 。 在 受 控 状 态 下 〈 状 态 4) ， 质 子 通过
‘71 4
ATP 合成 酶 的 向 内 流动 , 是 因 磷 酸 受 体 (ADP) 的 亏 缺 而 受到
限制 。 由 于 膜 对 质子 的 透 性 很 低 , 因此 就 产生 了 一 个 很 高 的
跨 膜 pmf (质子 推动 力 ), 这 个 pmf 对 氧化 -还原 系统 ,施加 反
压力 ,以 致使 呼吸 作用 维持 在 一 个 很 低 的 速率 上 。 随 着 ADP
的 加 入 , ATP 合成 酶 又 可 目 由 地 重新 运输 质子 ,pmf 下 降 了 ，
因而 反 压 被 除去 而 呼吸 作用 增加 到 状态 3 的 速率 。 当 有 解 联
剂 存在 时 , 膜 对 质子 的 传导 性 显著 增加 ,而 这 时 的 呼吸 作用 速 -
率 就 相似 于 或 甚至 大 于 状态 3 的 速率 。
化 学 渗透 学 说 认为 。 电 子 逆 转 传递 的 推动 力 是 靠 呼 吸 作
用 ( 需 氧 性 的 逆转 ) , BEAR ATP 水 解 ( 厌 氧 性 的 逆转 ) 而 产生 的
跨 膜 pmfo 因此 ， 在 例如 [琥珀 酸 ] [NAD*]X 延 胡 索 酸 ]
[NADH] 比值 高 的 情况 下 ， 二 个 对 偶 之 间 的 氧化 = 还 原 电位
差 大 大 低 于 pmf。 这 样 pmf 就 引起 质子 通过 过 路 工 向 内 重新
运输 ,同时 NAD+ 被 琥珀 酸 还 原 , 直 至 氧化 还 原 电 位 差 与 pmf
相等 为 止 。 对 于 NADP” 被 NADH 通过 过 路 O( 转 氢 酶 ) 的
需 能 还 原 的 反应 ?被 认为 有 相似 的 机 理 。
离子 通过 偶 联 膜 的 移动 ， 被 认为 也 是 通过 如 化 学 学 说 所
描述 的 机 理 进 行 的 ,: 只 是 质子 最 初 的 排出 ， 是 由 运输 质子 的
ATP 酶 或 呼吸 链 的 活动 直接 造成 的 ,而 不 是 由 于 和 X ~ 1 Ki
间接 推动 质子 泵 的 作用 。
53 构象 学 说
于 1964 年 提出 的 。-* = tie es 最 初
以 构象 变化 的 形式 ,被 储存 于 偶 联 膜 的 某 种 蛋白 质 组 份 中 ;以
后 再 形成 为 一 种 非 磷酸 的 共 价 化 合 物 ; 可 能 是 一 种 硫 酯 (X~
Do 因此 该 学 说 只 是 化 学 学 说 的 一 种 变种 ; 仅 是 它 把 重点 放 在
* 72°
RCH REE ek. mR eRe ih,
MaLesnNES, ERARKOARUM ARIE Us sdk
价 的 非 磷酸 化 的 中 间 产 物 的 概念 ， 而 现在 则 认为 能 量 从 呼吸
作用 转移 到 ATP 的 合成 , 仅 通过 蛋白 质 的 构象 变化 。“
已 有 极 好 的 实验 证 所 来 证 明 ， 当 某 些 结合 蛋白 的 辅 基 的
氧化 -还 原 态 改变 时 ,其 酶 原 蛋白 部 分 会 发 生 构 象 变化 s 例 如，
当面 红 蛋 白 与 氧 结合 ,形成 氧 血 红 蛋 白 时 , 铁 原 子 从 高 自 旋 改
变 为 低 自 旋 的 同时 ,向 后 位 移 0.8 有 只 进入 中 味 环 的 平面 。 这 种
移动 引起 与 和 红 素 结合 的 多 肽 链 中 一 个 小 的 构象 变化 ， 然 后
这 种 麦 化 再 通过 链 间 的 相互 作用 ,传递 给 邻接 的 多 肽 链 。 因 此
铁 原 子 的 微小 移动 使 蛋白 质 的 四 级 结构 发 生 重大 的 变形 , 这 .
种 移动 很 容易 地 反映 出 有 40 千 焦 克 分 子 - 的 自由 能 变化 。
构 型 学 说 的 最 近 看 法 认为 氧化 还 原 诱 导 的 这 种 类 型 的 构
型 变化 发 生 在 呼吸 链 复合 物 I、II 和 IV ZA, 并 依次 在 偶 联 -
MALI, UMM 构成 了 原初 能 量 储 存 过 程 。 每 一 种 复合 物 都
适合 起 这 样 一 种 角色 ,因为 即使 它们 中 最 小 的 复合 物 ,也 含有
几 种 不 同 的 辅 基 以 及 许多 排 得 很 紧密 的 蛋白 质 肽 链 ， 并 且 可
以 笼统 地 把 它 看 作 是 单一 的 多 亚 单位 蛋白 质 。 有 不 少 实验 证
. 据 支 持 了 这 种 看 法 ， 有 不 少 利用 象 抗 霉 素 A 或 1- 葵 胺 基 -8-
” 奉 磺 酸 (ANS) 一 类 的 莉 光 探 子 , 它 们 结合 在 偶 联 膜 上 ,以 草 光
的 增加 或 减少 来 反映 构象 或 耻 水 性 质 的 变化 。 如 抗 霉 素 A 与
偶 联 膜 结合 的 动力 学 是 如 此 地 受 细胞 色素 br 的 氧化 -还 原状
态 的 影响 ， 以 致 可 以 推测 细胞 色素 br 在 供 能 和 末 供 能 条 件
下 ;可 能 具有 不 同 的 构象 状态 ,这 就 能 得 出 上 述 已 描述 的 这 种
BUR ES 的 变化 。 对 细胞 色素 a 的 构象 变化 也 曾 有 过 报道 。
就 算 适 合 的 呼吸 链 复合 物 能 显示 电子 传递 诱导 的 构象 变
化 ;那么 必定 还 需要 有 一 种 使 这 些 构象 变化 传递 给 ATP BG,
然后 再 转化 为 ATP 合成 的 机 理 。 关于 这 一 方面 ，Fi 的 复杂
加 e 73 。
多 链 ( 多 亚 单位 组 成 ) 的 性 质 , 正 强烈 地 引 大 注意 s 用 金 轮 枝 菌
素 作 为 在 原 位 Fi 的 一 种 专 一 的 昔 光 探 子 所 得 到 的 证 据 证 明 ，
当 偶 联 膜 被 能 化 时 , Fy 发 生 构 象 变化 。 另外 ,有 极 好 的 证 据
证 明 , F, 在 光合 磷酸 化 作用 中 的 对 应 物 -一 CFiy ESHER
被 光照 射 供 能 后 ,发 生 十 分 剧烈 的 构象 变化 |
Slater 根据 这 种 证 据 , 最近 提出 了 构象 学 说 (图 5.8) 的 一
种 工作 模型 。 CAST 5 个 反应 的 序列 , 从 呼吸 链 复 合 物 加
”上 在 低能 态 的 B 开始 , 共同 催化 有 赖 于 电子 传递 的 ATP 合 ，
成 而 结束 。 ATP 从 与 F, 结合 的 状态 下 释 出 (不 是 ATP 未 身 -
的 合成 )， 可 能 是 主要 的 需 能 过 程 ; ER, 的 需 能 的 构象 变化 ; 可
能 降低 其 对 .ATP 的 亲 和 性 。
复合 物 (还 原 )F
复合 物 (氧化 )P
ence) (A)
H,O+ATP a :
ADP+P. 医 合 物 ( 气 二 -上 |] B~
图 5.8 构象 学 说 《〈 引 自 Slater，1972)
有 方 框 : 高 能 构象 ; “无 方 框 : 低能 构象
构象 学 说 受到 Green 及 其 同事 的 极力 支持 , 他 们 的 主要
根据 是 线粒体 横 切面 的 电子 显 微 图 象 供 能 作用 发 生 的 同时 ，
在 贿 膜 (构象 变化 的 ) 中 有 很 大 的 形态 变化 ， 这 被 解释 为 分 子
构 型 改变 的 总 体 表现 。 然而 , 因为 有 可 透 过 的 阴 离 予 如 醋酸
离子 或 磷酸 离子 存在 时 ,构象 变化 特别 显著 ,因此 构 型 变化 很
可 能 主要 是 由 于 pH 或 渗透 不 平衡 的 结果 而 引起 的 。 而 且 ，
ea 74 。
~
”除非 在 这 些 变化 的 时 间 CDA), 能 够 和 呼吸 过 程 中 发 生 的 变
化 事件 的 时 间 ( 微 秒 级 ) 获 得 相符 ， 否 则 构象 变化 直接 反映 能
量 贮存 作用 的 构象 变化 机 理 的 主张 ,仍然 是 极 软弱 的 。
5.4 ”化 学 学 说 ,化 学 渗透 学 说 还 是 构象 学 说 ?
”氧化 磷酸 化 作用 的 这 三 个 主要 学 说 ， 在 实际 作用 中 的 相
互 比 较 ; 或 者 它们 对 呼吸 链 能 量 偶 联 的 现象 ,提出 令 人 信服 的
解释 方面 又 怎样 呢 ?
构象 学 说 显然 还 处 在 相当 初级 的 发 展 阶段 。 如 果 要 使 该
学 说 成 熟 ， 它 将 无 可 推 语 的 要 去 鉴定 和 精确 定位 那些 发 生 在
偶 联 膜 的 氧化 -还 原 蛋 白 和 偶 联 因子 蛋白 中 的 能 量 储存 和 能
量 传递 的 构象 变化 。 这 是 一 个 实验 上 极为 困难 的 问题 然而
它 确 实 给 许多 呼吸 链 组 份 (包括 ATP 酶 复合 物 ) 的 多 亚 单位
的 性 质 提供 一 个 解释 , 并 且 恰 当地 解释 了 在 某 些 OF, 制剂 中 ，
有 结合 态 的 腺 嗓 叭 核 昔 酸 存在 的 现象 。 目前 , 不 能 认为 该 学
说 已 很 精确 ,而 且 是 还 没有 得 到 证 明 的 。
化 学 学 说 和 化 学 渗透 学 说 对 原初 能 量 储存 过 程 的 解释 ，
_ 有 着 两 种 明确 区 分 的 原理 上 的 不 同 , 即 一 种 是 形成 X ~ 工 ( 通
过 A ~I 或 BH ~ D， 另 一 种 是 造成 膜 两 侧 的 pmf 的 质子 传
| 。 输 ( 图 5.9)。 由 于 目前 没有 直接 辨别 这 二 者 的 可 能 性 ,因此 不
得 不 根据 更 推测 性 的 证 据 来 比较 它们 。
这 二 个 学 说 有 着 许多 常常 可 以 互相 补充 的 长 处 和 短处 。
化 学 冰 透 学 说 要 求 有 许多 能 量 贮存 作用 的 矢量 因素 ， 并 且 着
重 于 偶 联 膜 依靠 它 的 组 织 机 构 的 能 力 和 物理 结构 在 决定 和 控
制 它们 押 起 的 作用 。 因 此 ;对 为 什么 ATP 酶 和 通过 膜 的 一 些
氧化 -= 还原 载 体 的 在 膜 上 有 不 对 称 的 分 布 ,以 及 对 为 什么 有 多
种 多 样 电子 载体 和 载 气体 存在 的 问题 ， 提 供 了 令 人 信服 的 理
9 YI53 。
5.9 能 量 偶 联 的 化 学 观点 Ca) 和 化 学 盗 透 观点 《〈b)
由 。 最 重要 的 是 它 解释 了 高 效率 的 能 量 贮存 作用 必须 有 完整
的 腊 诈 体 的 原因 是 因为 膜 的 碎片 或 渗 漏 的 训 体 不 能 维持 跨 腊
pmf。 化 学 理论 则 不 同 , 它 把 偶 联 膜 的 作用 主要 看 作 是 二 种 组
织 结构 的 作用 ,对 其 复杂 程度 的 要 求 , 比 化 学 渗透 学 说 的 低 得
多 ， 但 是 要 维持 X ~ 的 稳定 要 比 维持 跨越 胃 挡 层 的 电 柱 差
更 需要 有 膜 的 蔻 水 性 质 。
化 学 学 说 虽然 由 于 最 近 从 电位 测量 得 到 的 支持 太志 瑟
或 BH, ~ 1 存在 的 证 据 而 增强 了 说 服 力 。 但 是 化 学 渗透 学 说
的 倡导 者 反对 这 种 解释 ， 他 们 认为 动物 线粒体 拱 能 时 发 生 的
变化 , 正 是 反映 了 跨 膜 电位 差 。 而 辅 基 By 的 变化 也 可 能 是
由 于 脱 辅 基 蛋 白 构象 的 变化 而 引起 的 。
化 学 渗透 学 说 最 引 人 注 目的 特点 之 一 是 以 极 妒 的 方式
解释 了 离子 运输 的 本 质 ， 以 及 亲 脂 的 弱酸 之 所 以 容易 地 影响
解 联 的 问题 ， 而 化 学 学 说 对 这 些 现象 转弯 抹 角 地 给 予 复杂 的
解释 ,它们 主要 是 要 佑 X ~ 推动 质子 移动 ,或 通过 非特 异 的
机 理 使 水 消散 的 能 力 来 解释 。
化 学 渗透 学 说 的 某 些 细节 也 不 是 无 可 氟 剔 的。 例如 ，
Wiliams 曾 指出 ， 最 初 的 能 量 储存 过 程 可 能 是 在 膜 内 的 电荷
分 离 , 膜 可 以 通过 其 多 金属 蛋白 质 (例如 Fe-S 蛋白 ,细胞 色素
© 76 ¢
‘ roe
-氧化 酶 ) ,而 使 它 作为 二 个 电容 器 起 作用 ,然后 使 能 量 作为 腊
两 侧 的 电位 差 来 储存 。 这 在 化 学 渗透 学 说 中 ,被 看 成 是 原初 的
过 程 。 此 外 ;在 状态 4 中 ,观察 到 的 pmf 值 比 热 力学 分 析 所 指
出 的 要 低 , 这 也 是 一 个 问题 。 对 某 些 氧化 -还 原 载体 确切 的 定
位 和 顺序 也 还 有 些 困难 ,并 且 所 提出 的 ATP 合成 酶 的 机 理 也
还 没有 得 到 证 明 。
然而 ;大 们 不 得 不 对 这 三 个 主要 的 学 说 作出 以 下 的 结论 ，
化 学 渗透 学 说 对 能 量 贮 存 作 用 ， 提 供 了 最 令 人 信服 的 而 且 当 -
然 是 最 精确 的 解释 。 MA, 由 于 这 个 学 说 的 基本 概念 最 近 已
成 功 地 应 用 于 有 上 距离 关系 的 现象 ， 如 营养 的 运输 和 细 苦 的 运
动 。 因 此 ,看 来 它 对 生物 能 量 转换 的 几 个 领域 ,似乎 提供 了 引
大 注目 的 统一 的 观点 。
证 据 补 注
为 了 试图 合理 解释 对 远 路 3(H-3) 鉴定 不 出 载 氢 体 的 问
fl, Mitchell 最 近 提 出 了 一 个 巧妙 的 机 理 ， 在 这 机 理 中 Q 和
b- 型 细胞 色素 靠 着 它 形成 一 质子 推动 的 Q 循环 〈Mitchell，
1975, FEBS Lett., 59, 137—139). 这 质子 推动 的 'Q 循环
催化 4H+ 向 外 运输 时 ,从 Fe-S《〈 可 能 N-2 或 S-3) 转移 2 个
电子 给 细胞 色素 “， 因 此 把 通路 2 ALEK 3 的 前 半 部 分 合并
成 一 个 具有 单个 质子 运输 系统 的 呼吸 链 片 段 。
© 77 ，
6. 细 菌 系统
细菌 当然 不 含 线粒体 。 它们 的 与 氧化 -还 原 相 联系 的 能
量 贮存 作用 系统 位 于 细胞 的 质 膜 上 。 划 兰 氏 阳 性 细菌 在 等 次 -
条 件 下 ， 用 溶菌 酶 很 易 溶 去 细胞 壁 ， 而 放出 完整 的 原生 质 体
( 即 被 对 渗透 压 脆弱 的 质 膜 包围 的 细胞 质 )。 溶菌 酶 在 适宜 条
件 下 ,也 能 用 来 分 解 革 兰 氏 阴 性 细菌 的 细胞 壁 ,所 得 到 的 原生
质 球 ,显示 有 双 层 膜 结 构 , 膜 间 有 周 质 体 的 空间 隔 开 。 和 线 粒
体 的 膜 一 样 ， 外 层 膜 对 小 分 子 的 穿 信 几乎 不 存在 或 没有 渗透
障碍 ， 而 内 层 膜 容纳 氧化 磷酸 化 系统 ， 并 且 还 有 调节 渗透 的
能 力 。 在 革 兰 氏 阳性 细菌 中 , 这 些 作 用 是 单 层 原生 质 膜 担任
的 。
细菌 的 偶 联 膜 性 质 与 高 等 生物 的 偶 联 膜 相似 。 例如 , 有
结构 上 的 侧面 性 的 证 据 ; ATP 酶 与 最 初 的 脱 氢 酶 被 定位 于 内
表面 ,而 细胞 色素 “( 当 存在 时 7 则 被 定位 于 外 表面 。 而 且 % 除
了 通过 交换 扩散 系统 外 , 偶 联 膜 不 能 透 过 质子 和 其 他 离子 s 然
而 ,细菌 的 偶 联 膜 与 线粒体 不 同 , 它 不 含有 腺 味 叭 或 烟 酰 胺 核
HRN MAS. It LEN ATP 酶 对 寡 霉 素 不 敏感
细菌 的 呼吸 系统 与 酵母 类 似 ,但 不 同 于 高 等 生物 , 它 具 有
易 受 遗传 型 或 表现 型 处 理 的 敏感 性 ， 因 而 是 很 有 实验 价值 的
材料 。 前 者 已 为 Gibson 及 其 同事 们 应 用 于 大 肠 杆 菌 (Bicjericjia
coli) 取得 了 一 些 成 功 , 如 利用 缺陷 ATP 酶 或 一 个 或 一 个 以 上
的 呼吸 载体 (例如 细胞 色素 或 泛 柄 ) 的 突变 种 ， 大 大 地 有 助 于
阐明 这 些 组 份 在 细胞 能 量 贮存 作用 中 的 作用 。 例如 , 兼 性 厌
氧 微生物 的 缺陷 泛 醒 的 (ubi-) 突变 种 ,在 厌 氧 条 件 下 ,能 够 利 “
* 78 «
用 需 氧 条 件 时 不 能 发 酵 利 用 的 矶 源 进行 发 酵 。 因 此 可 以 得 出
结论 , 泛 柄 是 呼吸 系统 的 必需 组 份 。 可 能 分 别 在 R MF AI
害 的 UncA 和 UncB 二 种 突变 种 ,都 仅 在 可 产生 底 物 水 平 磷酸
化 的 碳 源 上 需 氧 性 地 生长 。 这 个 水 平 磷酸 化 产生 的 ATP, 被
用 于 生物 合成 ,而 呼吸 作用 产生 的 供 能 状态 ,显然 是 用 于 推动
膜 结合 的 、 需 能 的 反应 。 |
“缺乏 铁 - 硫 蛋白 或 硝酸 还 原 酶 (在 缺 詹 ,硫酸 盐 或 钼 条 件
PADUA, 也 证 明 是 十 分 有 用 的 。 因 此 ; 在
动 植物 线粒体 或 植物 叶绿体 中 ， 通 常 不 具有 能 量 转换 系统 方
面 ;细菌 显然 提供 了 新 的 机 会 。 而 且 , 仅 就 它们 所 具有 的 利用
无 机 物 作为 电子 供 体 或 受 体 方面 来 看 , ; 它们 也 提供 了 新 的 呼
吸 系统 。
6.1 呼吸 作用
细菌 呼吸 系统 含有 与 高 等 生物 相同 的 氧化 -还 原 组 份 基
本 类 型 , 即 NADH 的 氧化 作用 也 是 通过 铁 -硫黄 素 蛋 白 、 配 、
”细胞 色素 和 细胞 色素 氧化 酶 进行 的 。 差 异 仅 在 较 细 节 的 水 平
上 和 下 变 得 明显 。 这 些 差别 主要 是 一 种 氧化 -还 原 载体 为 另 一
种 所 代替 (它们 可 能 有 ,也 可 能 没有 相同 的 性 质 ), 或 系统 中 缺
陷 一 个 或 更 多 的 氧化 -还 原 载体 所 造成 的 。
在 许多 细菌 中 ， 存 在 有 以 甲 基 蓉 醒 代 替 泛 柄 的 情况 ， 这
| 就 是 以 相似 组 份 蔡 代 的 一 个 好 的 例子 ; 这 二 者 都 是 亲 脂 性 的
聚 异 成 二 烯 类 的 醒 ， 其 作用 是 从 最 初 的 脱氧 酶 转移 还 原 当 量
(2H) 给 末端 的 细胞 色素 系统 。 同 样 , 细 胞 色素 氧化 酶 aa 常 被
以 下 一 些 组 份 所 取代 ;如 细胞 色素 氧化 酶 ai( 与 aa 密切 有 关 )、
(能 自动 氧化 的 b- 型 细胞 色素 ) 或 4〈 原 来 叫 az; 它 的 血红 色
广 素 是 一 个 取代 的 二 氧 中 酚 ), 或 者 被 这 些 氧化 酶 的 不 同 组 合 所
a a le et ee —_ - . —— i ~~
eae a » Ara ee iil Ds TT = Co eS = oP sa
7 .
'
p49 。
.
, 7
1
| ia
eet
ar. dnt
ri Ca
=e
Fy He 4H AE BE HH AEE el BA BARA BTL AE
行 厌 氧 呼吸 时 ， 细 胞 色素 氧化 酶 可 被 好 玫 种 还 原 酶 替代 的 现
象 (例如 硝酸 还 原 酶 和 亚 硝酸 还 原 酶 ) 来 代表 。 氧 化 -还原 组 份
的 被 去 除 而 造成 缺陷 的 ,主要 应 用 于 转 氧 酶 或 细胞 色素 ca
根据 氧化 -还 原 载 体 的 组 成 ;对 环境 变化 的 反应 和 对 真 核
生物 呼吸 的 经 典 抑制 剂 的 普遍 敏感 性 等 的 不 同 ， 细菌 呼吸 链
可 大 致 地 分 为 二 类 :一 类 是 与 高 等 生物 的 线粒体 系统 相似 人 至
少 表面 上 是 这 样 ); 另 一 类 就 是 细菌 所 特有 的 。 PRA
(Alcaligenes cz2toppzr)、 副 球菌 (Paracoccus denitrificans) 等
的 呼吸 系统 属于 第 一 种 范围 ,因此 支持 了 这 样 一 种 假说 , 即 认
为 线粒体 可 能 是 由 于 这 种 生物 与 原始 寄主 细胞 间 的 共生 关系
进化 而 来 的 。 它 们 的 呼吸 链 基本 上 按 下 列 基本 式 子 而 变化 的
数目 有 限 的 类 型 。
(TH) 一 NAD+ 一 Fp.FeSs 一 MK( 或 Q) 一 b 一 cc 一 (on)
这 里 的 括号 是 指 可 能 发 生 缺 陷 或 取代 的 组 份 。 大 多 数 革 兰 氏
PES ar EDL Pl AK Io ca (Escherichia coli). MRERER -
EA (Pseudomonas aeruginosa) | 都 属于 第 二 类 ,在 这 里 我 们 看 到 六
主要 是 细胞 色素 氧化 酶 的 替代 。 这 些 生物 的 呼吸 链 在 下 列 基
本 列 式 上 显示 几乎 无 穷 的 变化 。
(0).
(TH) — NAD* > Fp:FeS > Q>b—> (c) > aa
细菌 呼吸 链 组 成 中 的 这 种 差异 ， 不 仅 发 生 在 不 同 的 种 之
fl, Mm Ath (RH) 发 生 在 不 同 生长 条 件 下 的 同一 个 种 内 ，
特别 是 当 这 种 不 同 生长 条 件 是 指 末端 电子 受 体 可 利用 性 的 改
变 ,或 甚至 是 同一 性 的 改变 。 例 如 ,细菌 对 于 低 氧 分 压 的 典型 反
应 ,是 增加 细胞 色素 氧化 酶 的 浓度 (或 许 也 增加 不 同 氧化 酶 的
种 类 ), 因 此 可 使 细胞 能 尽 可 能 有 效 地 利用 有 限 的 氧化 剂 供应
es 80 。
nal ver el’ Ae oie ciel
量 : 未 端 氧化 酶 和 还 原 酶 的 多 样 性 是 许多 兼 性 微生物 的 特征 ，
征 是 它们 在 可 能 改变 的 环境 中 ,具有 有 效 竞 争 能 力 的 直接 反
ho . 当 完 全 地 去 除 氧气 , 而 且 又 没有 另 一 种 替代 的 电子 受 体
时 ， 它 们 使 呼吸 链 组 份 合成 更 少 , 并 且 在 可 能 的 情况 下 ,转变
为 发 酵 生 长 的 方式 ,在 这 种 方式 中 ,它们 只 靠 确 物 水 平 磷酸 化
来 转化 能 量 。
6.2 氧化 碍 酸化 作用
”在 完整 细菌 中 ,测量 氧化 磷酸 化 作用 ， 比 线粒体 要 难得
多 ， 这 是 因为 细菌 膜 缺乏 腺 嘎 叭 核 昔 酸 移 位 酶 ， 因 此 使 它 的
ATP 酶 〈 合 成 酶 ) 得 不 到 外 源 的 ADP。 给 厌 氧 条 件 下 的 细菌
饥 以 脉冲 量 的 氧气 ,再 检测 内 源 ADP 的 酯 化 量 , 来 测定 它 的
P7o 值 的 尝试 ; 仅 取得 有 限 的 成 功 。 而 且 , 把 细菌 制备 成 与 超
声波 破碎 线粒体 ,而 得 到 的 亚 线粒体 颗粒 〈F; 在 外 侧 ) 相 似 的
亚 细 胞 小 泡 的 工作 ,至 今 未 找到 完善 的 分 离 条 件 , 因 而 使 所 得
膜 制剂 的 P/O 值 很 低 。
因此 ,我 们 对 细菌 中 的 氧化 磷酸 化 效率 的 知识 ,主要 来 自
整个 细胞 ->H+/O 比值 和 克 分 子 生长 量 的 间接 测量 。 通 过 内
源 底 物 呼吸 相连 结 的 质子 移 位 ,其 ->H+/O 比值 ,根据 所 考察
的 物种 不 同 ， 而 在 4 与 8 之 间 。 通 路 1 和 2 似乎 是 普遍 存在
的 ,而 通路 0 和 3 分 别 根据 转 氢 酶 和 细胞 色素 来 断定 已 间
接 证 明 ATP 水 解 时 , 有 质子 向 外 位 移 , 但 由 于 细胞 中 没有 腺
味 叭 核 昔 酸 移 位 酶 存在 ， 使 ->H+/ATP 比值 的 精确 测定 受到
阻碍 。 然 而 ,如 果 假 设 比值 为 2, 那么 细菌 根据 它们 的 呼吸 链
组 成 , 似乎 至 少 含有 2 个 (可 能 多 达 4 个) 能 量 偶 联 部 位 。
克 分 子 生长 产量 〈 克 细胞 克 分 子 碳 源 -) 的 测量 来 自
1960 年 代 Elsden 的 工作 。 他 证 明细 菌 在 厌 氧 生长 时 。 它 的 产
e 81 。
y eet Bis er. i, 7» on,
iene,
,
量 正 比 于 底 物 水 平 磷酸 化 ( 克 分 子 ATP ' 34} FRR
率 。 底 物 水 平 磷酸 化 的 效率 可 以 从 发 酵 方式 而 得 到 ,因此 ;可
以 从 ATP 的 利用 率 来 计算 细胞 产量 (YArs; SE, HE
AIP )， 舌 果 发 现 这 样 计算 的 产量 在 很 多 细菌 中 是 相对 恒定
的 。 然 而 ， 在 这 样 的 研究 中 ， 不 容许 有 用 于 维持 用 途 的 能 量
消耗 ( 即 用 于 除了 生长 以 外 的 功能 )。 当 有 些 细 菌 以 局 又 在 连
续 培 养 (不 是 分 批 培养 ) 中 生长 时 ， 那 么 必须 校正 其 维持 所 消
耗 的 能 量 , 得 到 YAre 值 为 12 一 14 FEMA. FAStF ATP 这
一 值 现 在 可 用 于 从 有 氧 生长 产量 来 计算 P/O 比值 ， a A
Y3* = Y84 -N
这 里 Yo, ul, GE im
fl - Saat O7'), N 是 ATP 合成 的 总 效率 ( 即 氧 化 磷酸 化 得
到 的 加 上 底 物 水 平 磷酸 化 所 得 到 的 小 份额 ; SEA ATP + 5a
Oo 如 采 对 底 物 水 平 磷酸 化 和 对 单单 为 维持 之 需 的
耗 氧 量 作 了 校正 ,那么 就 能 得 到 生长 的 P/10 比值 。 这 二 类 实
验 所 得 的 结果 表明 ,在 一 H /O 比值 为 4( 过 路 1 和 22 和 6G
路 1、2 和 3) 的 细 东 中, P/O 比 值 大 约 依次 为 2 和 3，, 这 样 , 国
接地 证 明了 一 H*/ATP 比值 为 2。 因此，, 合成 细胞 色素 < 的
能 力 《 即 是 能 用 适合 的 细胞 色素 氧化 酶 去 组 成 退路 3 的 电子
运载 文 路 )， 特别 是 对 于 在 营养 物质 较 少 环境 中 生长 的 细 。
有 着 巨大 的 生理 上 的 好 处 。
已 知 有 许多 杀菌 的 通常 的 直线 型 的 氧化 碍 酸化 系统 在 细
胞 色素 b 或 处 分 又 。 主 要 的 实例 就 是 专 性 需 氧 的 标 色 固氮
细菌 (Azotobacter zwizelazdiz)， 它 有 二 个 磷酸 化 效率 不 同 的 分
支 ， 并 且 能 被 细菌 有 区 别 地 应 用 来 作为 一 种 保护 它 的 固氮 机
构 , 免 受 分 子 氧 毒害 影响 的 一 部 分 机 理 。
6.3 供 能 态 的 利用
关于 细菌 系统 中 供 能 态 的 性 质 和 利用 的 大 多 数 研究 工
作 , 已 经 转向 化 学 盗 透 学 说 ,因为 整体 细菌 特别 适合 于 这 种 头
型 的 实验 。 |
已 测定 过 细菌 的 跨 膜 pmf， 它 大 约 有 180 BK (CAMA
Ha), Etre 120 毫 伏 是 膜 电位 ,其 余 的 电位 是 由 大 约 工 个 pH 单
位 差 值 ( 外 侧 酸 性 ) 所 造成 。 在 需 氧 性 细菌 中 (或 利用 除 氧 以
外 的 其 他 氧化 剂 ， 如 在 利用 硝酸 盐 的 兼 性 厌 氧 细菌 中 ), 这 电
位 是 由 与 呼吸 相连 的 质子 移 位 所 造成 的 ， 而 在 严格 的 厌 氧 细
菌 中 , 则 是 由 于 来 自 底 物 水 平 磷酸 化 的 ATP 水 解 的 结果 。 正
如 高 等 生物 中 那样 , 这 个 pmf 以 后 又 可 用 来 推动 各 种 与 结合
在 膜 上 的 需 能 过 程 ， 例 如 转 氢 酶 CNADH— NADP"), Hf
传递 的 逆转 (特别 是 在 化 能 自 养 细菌 中 ) 以 及 代谢 物 或 离子 的
”运输 等 。
Kaback 已 证 明了 章 养 物 的 吸收 ， 是 需 能 的 过 程 ， 因 为 营
养 物 在 外 界 介 质 中 ,一般 以 低 浓度 存在 的 , 因此 在 积累 时 , 必
须 克 服 一 个 浓度 梯度 差 。Mitchell 和 West (大 肠 杆 菌 E. coli),
Harold 〈 状 链球 菌 Streptococcus faecalis) 和 Hamilton 〈 人 金黄
78 A ERER Staphylococcus anres) 兽 指 出 ,氨基 酸 和 某 些 糖 的
吸收 似乎 是 pmf 的 pH 组 份 和 膜 电 位 组 份 共同 或 单独 pH 组
” 份 推 动 的 。 在 中 性 pH 时 ，p- 半 乳 糖 昔 (和 几 种 其 他 的 糖 ) 和
中 性 氮 基 酸 的 进入 ,是 有 一 个 质子 人 X.H*) 伴 随 着 , 因此 是 对
pmf 总 值 起 啊 应 而 移动 的 。 碱 性 氨基 酸 的 移动 ;也 是 带电 的 ，
但 是 这 些 氨基 酸 是 以 阳离子 (XT) RA, 对 膜 电 位 起 响应 而
运转 的 。 反 之 ,酸性 氨基 酸 是 与 质子 (X-.H+) 结合 ,并 且 是
对 pH 梯度 起 响应 ,而 电 中 性 地 进入 的 。 要 注意 的 是 , 因为 占
9 83 。
优势 的 pmf 有 排除 阳离子 的 倾向 ,进入 的 物质 都 是 呈 中 性 状
态 (X-.H+) 或 正 电 荷 状 态 -(X.H+ 或 X+), 邯 使 游离 的 物质
为 阴离子 时 , 也 要 转 成 中 性 或 阳离子 进入 。 对 二 关 酸 或 三 羧
酸 吸收 机 理 还 了 解 很 少 ， 但 可 能 这 些 酸 也 是 以 中 性 或 阳离子
状态 被 运转 的 ,例如 以 琥珀 酸 - .2H+ 状态 。
细菌 是 游离 生活 的 生物 ， 因 此 在 对 付 潜在 的 危害 和 不 断
变化 着 的 环境 时 ， 存 在 有 如 何 才能 保持 内 部 离子 组 成 恒定 的
问题 。 由 于 恒定 态 的 pmf 对 于 那些 仅 略 微 能 透 过 细菌 膜 的 各 .
种 阳离子 的 积累 明显 有 利 ， 因 此 必定 要 有 把 不 需要 的 阳离子
种 类 《例如 Nat) 排斥 出 去 的 机 理 。 已 在 好 几 种 物种 中 ,发 现
有 十 分 活跃 的 Nat+-H+ 反 向 转移 系统 ， 这 种 系统 利用 预先 移
出 的 质子 ,在 重新 进入 时 排出 Na+。 另 外 也 有 K+-H+ 反 疝 转
移 系统 的 存在 ,但 活跃 程度 要 低 得 多 ,因为 细菌 也 象 高 等 的 细
胞 一 样 ， 需 要 有 比较 高 的 内 部 K* 浓度 ,来 维持 蛋白 质 合成 和
糖 酵 解 。 因此 看 来 营养 物 和 离子 通过 细菌 膜 的 移动 , 是 受 交
换 扩散 或 单 向 转移 系统 所 控制 的 ， 正 如 化 学 渗透 学 说 所 预示
的 那样 (图 6.1), 单 向 转移 系统 是 对 pmf 二 个 组 份 中 的 一 个 组
份 或 二 个 组 份 同时 起 响应 而 发 生 作用 的 。
图 6.1 细菌 中 pmf 的 产生 和 利用 〈 引 上 自 Henderson, 1974)
然而 ， 兼 性 和 专 性 的 厌 氧 性 微生物 在 吸收 葡萄 糖 和 某 些 ，
其 他 糖 类 时 则 不 同 ， SEE ee
* 84 ¢
rae ee eee bi Pr a} oe eee ee ae ee
: ip
4
-
Pee tt oer
Pr
”里 所 进行 的 机 理 可 能 是 通过 结合 在 膜 上 的 磷酸 化 的 蛋白 的
基 团 移 位 反应 之 一 ， 磷 酸化 的 蛋白 是 从 烯 醇 式 磷酸 丙酮 酸
(PEP) 转移 磷 酰 基 团 而 形成 的 。 总 结 起 来 如 下 :
-PEP + ica ee 糖 -磷酸 wy) + 丙酮 酸
该 系统 是 Roseman 在 1964 年 发 现 的 ， 它 与 高 等 细胞 的
已 糖 激酶 系统 并 不 类 同 ,在 高 等 细胞 中 , 糖 的 运输 是 以 游离 状
态 进行 的 , 然后 以 糖 确 酸 酯 形式 进入 细胞 。 在 Roseman 系统
贞 ， 磷 酸 解 作 用 是 在 膜 中 发 生 的 ， 并 且 是 运输 过 程 的 主要 步
0 |
6.4 无 机 的 电子 供 体 和 受 体 的 利用
利用 无 机 的 电子 供 体 和 受 体 ,， 作 为 呼吸 底 物 的 能 力 是 细
菌 所 特有 的 一 种 性 质 。 能 够 被 细菌 利用 的 主要 化 合 物 , ZA
和 硫 的 氧化 物 , 因 为 这 些 化 合 物 有 很 大 范围 的 化 合 价 变化 ,并
且 很 容易 通过 简单 的 成 对 电子 转移 而 互 变 ,例如
NO (十 5) = NO (十 3) == N,0( +1) ==
NH,OH(—1) == NH(—3)
Alt, NH; (8% NH,OH) #1 NO; 可 作为 在 茶 些 化 能 矿质 营养
《硝化 作用 2 中 有 氧 呼 吸 的 电子 供 体 , 而 NOs NO; 和 N2O 在 茶
些 腊 养 细 菌 ( 反 硝化 作用 ) 中 ， 则 可 作为 厌 氧 呼吸 时 的 电子 受
体 。 在 反 硝 化 作用 的 最 后 阶段 中 ，N2O 被 还 原 为 Na，N; 再
”在 固 扰 作用 中 还 原 为 NEHs。 Alt, 自然 界 损 循环 的 主要 部 份
是 与 细菌 的 呼吸 相 联 系 而 进行 的 。 在 硫 循 环 中 , 硫 的 氧化 物
通过 相似 的 与 电子 传递 连结 的 过 程 , 而 发 生 同 样 的 价 键 变 化 ，
但 这 些 问题 已 不 是 本 书 的 范围 。
9 85 。，
6.4.1 “无 机 的 呼吸 作用
仅 有 少数 几 种 兼 性 和 专 性 的 反 硝化 细 昔 具 有 利用 氮 的 氧
化 物 , 作 为 呼吸 作用 的 末端 电子 受 体 来 进行 大 氧 生长 的 能 力 ， 万
前 者 《例如 大 肠 杆 菌 Escherichia coli) 仅 把 NO; 催化 还 原 到
_NO;( 寞 养 的 硝酸 还 原作 用 或 硝酸 呼吸 作用 )， 并 积 票 在 它 生
长 的 介质 中 ;后 者 (例如 反 消 化 副 球 菌 Paracoccus denitrificans,
WA BE A Pseudomonas aeruginosa) 则 催化 NO; @ 底
还 原 为 气体 的 氨
NO; —>NO; —>(NO)—>N,0—>N,
其 中 NOC +2) 似乎 是 作为 NO 二 3) #1 N,0(+1) 之 间 的 一
种 短暂 的 , 单 电子 反应 的 中 间 产 物 而 出 现 的 。
H’ + NAOH
re NO;
yee S) ->Q 一 > b —»
NO; +H,0
H*+ NADH
rete S)>Q bb 一 > 上 cd 人
6.2 利用 硝酸 盐 和 亚 硝酸 盐 的 呼吸 作用
对 这 一 反应 序列 的 最 后 二 步 了 解 得 很 少 。 但 是 ;由 于 NzO1
NO xX} {AA N2/N,O 对 偶 的 Eo fi, Ei H,0/20, SHAY Eo te
Btate® » At, 把 这 两 对 偶 呼吸 成 NO AlN,O 应 得 到 更 高
的 P/2e 比值 ; 然而 NOr/NOz Fil NO/NOz 对 偶 的 Ey C4
别 为 十 420 和 58 毫 伏 ) 则 要 比 H,0/20; 对 偶 的 低 得 多 ， 因
此 它们 的 氧化 磷酸 化 反应 的 效率 比 进行 有 氧 呼吸 时 要 低 。 用
这 些 电子 受 体 进行 呼吸 时 测 得 的 P/2e 比 ， 一 卫 V2e 比 以 及
死 分 子 生长 量 数据 证 明 ， 在 利用 硝酸 盐 的 呼吸 中 不 存在 部 位
II 的 能 量 储存 , 在 利用 亚 硝酸 盐 的 呼吸 过 程 中 可 能 也 是 这 样
9 86 。，
NAD*
(图 6.2)o
ARE RS UL OR PIS FL
To MELEML HDF RMAREELOM, BOA
少量 的 有 功能 的 钼 。 亚 硝酸 还 原 酶 是 一 种 “ 双 头 的 ”cd 细胞
色素 ,其 中 血红 素 d 与 亚 硝酸 反应 迅速 而 与 分 子 氧 反 应 缓慢 。
因此 ， 根 据 它 们 对 底 物 氧化 反应 的 性 质 可 以 推定 这 二 种 还 原
酶 都 是 含 金 属 的 ;而 不 是 非 金属 的 氧化 还 原 酶 。
6.4.2 化 能 矿质 营养 细菌 (化 能 合成 作用 )
“一 明 化 能 矿质 营养 细菌 呼吸 系统 的 氧化 ， 它们 的 氧化 程
度 较 低 的 底 物 的 机 理 是 细菌 力 能 学 中 最 有 趣 也 是 最 困难 的 问
题 之 一 。 目前 这 些 反 应 的 图 解 是 极其 混乱 的 , 并 且 仍然 仅 能
得 到 这 些 反 应 的 一 个 空洞 的 轮廓。
亚 硝 化 毛 杆 菌 (Nitrosomonas) 氧化 NH, BAB ERE
AG BR FAK (NH,OH) 开始 的 。 羟 胺 可 能 是 它 的 氧化 磷酸 化
系统 的 真正 的 底 物 。 以 后 ， 羟 胺 又 被 分 子 氧 氧 化 为 亚 硝酸 的
反应 , 是 一 个 由 呼吸 链 的 细胞 色素 成 员 媒 介 的 4- 电子 传递 的
反应 (2 X 2e-) (图 6.3)。
这 种 反应 可 能 通过 先 形 成 高 度 不 稳定 的 中 间 产 物 ， 硝 酰
亚 硝 42O+NH,0H
化 毛 杆菌 Jee 6
H*+ NO, 2H,0
H.O +NO~
2 2
硝化 杆菌 40%
a —> 903 -全
NO, ; i
图 6.3 FoR WRAL EA
e 87 四
基 (NOH; + 1) ,再 紧 接着 发 生还 原 反 应 而 进行 的 。 因为 ;
NH,OH/NO; 对 偶 的 BE 值 为 +66mv, 所 以 可 能 只 在 部 位 了
和 II 处 有 ATP 合成 。
在 硝化 细菌 中 (Varopaczer)， 亚 硝 酸 弓 化 成 为 硝酸 是 _
个 放 能 更 少 的 反应 ; NO; /NO; 对 侦 的 Eo 值 是 十 420 毫 伏 ，
仅 在 部 位 II 处 合成 ATP。 由 于 在 NO; 起 始 氧化 时 ; 它 的 能
量 要 被 细胞 色素 系统 耗 用 掉 , 因 而 净 产 额 可 能 还 要 低 些 。
这 二 种 细菌 都 是 专 性 自 养 细菌 , 因此 要 依靠 消耗 NADH
“来 还 原 二 氧化 碳 。 由 于 NADH + H*/NAD* 对 偶 的 By (i,
比 这 两 种 所 化 合 物 对 偶 的 一 种 都 低 得 多 ,因此 NAD+ 的 还 原 、
欢 须 依靠 耗 能 的 电子 逆向 传递 来 进行 的 (图 6.4)5 即 电子 从 核
黄 素 和 醒 组 分 即 经 过 部 位 I(NH,OH) 或 部 位 I 和 ICNO; ) 的
”传递 。
NH,OH
Pe, a ape " 5 6