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ATP形成机制[细胞生物学]

12月20日 编辑 39baobao.com

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氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)是指在活细胞中伴随着呼吸链的氧化作用所发生的能量转换和ATP的形成过程。

■ 呼吸链含有三个氧化磷酸化偶联位点

● 电子传递与ATP合成偶联的假设

早在20世纪30年代, Vladimir Belitzer首先提出电子传递与ATP合成偶联的假设。他在体外测定肌组织制备物合成ATP与氧消耗比值时发现,呼吸链每传递一对电子至少可合成两个ATP.后来有人发现P/O比值(形成的ATP数与每个还原氧的比值)接近3,也就是说可合成三分子ATP。

● 氧化磷酸化偶联位点

根据对呼吸链中不同复合物间氧化还原电位的研究,发现复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ每传递一对电子,释放的自由能都足够合成一分子ATP,因此将复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ看成是呼吸链中电子传递与氧化磷酸化偶联的三个位点。

如果以FADH2作为电子供体,则只有两个ATP合成偶联位点。因为FADH2提供的电子是经复合物Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ传递的,而复合物Ⅱ不能作为ATP合成的偶联位点,所以只有两个偶联位点,这就意味着由FADH2作为电子供体时,只能合成两分子的ATP.

● 实验证明

上述ATP合成的数量和偶联位点得到实验的支持。如将分离的线粒体内膜小泡与抗霉素(antimycin)一起温育,由于抗霉素阻止电子通过细胞色素b-c1(复合物Ⅲ),NADH释放的电子只能传递到辅酶Q,其结果,每传递一对电子只合成一分子ATP.因此可以推论复合物Ⅰ是ATP合成的偶联位点。用同样的方法证明复合物Ⅲ和复合物Ⅳ也都是ATP合成与电子传递偶联位点。

■ 偶联因子1(coupling factor 1)的发现及功能预测

● 发现: 在二十世纪七十年代初,Humberto-Fernandez Moran 用负染技术检查分离的线粒体时发现:线粒体内膜的基质一侧的表面附着一层球形颗粒,球形颗粒通过柄与内膜相连(图7-30)。几年后,Efraim Racker分离到内膜上的颗粒,称为偶联因子1,简称F1.

图7-30 ATP偶联因子电镜照片

牛心脏线粒体的负染电镜照片,可见球形颗粒通过小柄附着在线粒体内膜嵴上。

● 功能预测

如果按照常规的方式思考所发现颗粒的问题,似难理解线粒体内膜上需要ATP水解酶,如果将ATP的水解看成是ATP合成的相反过程,F1球形颗粒的功能就显而易见了:它含有ATP合成的功能位点,即ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成,到底行使何种功能,视反应条件而定。

● 实验证明

通过体外实验证明上述的推测是正确的,现在将该酶称为ATP合酶。

请设计一个实验证明ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成

● 线粒体ATP合酶的发现和功能预测及实验证实表明,在科学研究中,不能总是按常规思维去认识事物,反向理论也有很重要的作用。

■ ATP合酶功能的鉴定: 线粒体膜重建实验

为了证明F1具有ATP合酶的作用,人们试图进行线粒体膜的重建实验,主要是将线粒体内膜与其嵴上的F1颗粒分离出来,重新装配后研究F1的功能。

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