第五章 植物的呼吸作用-2

ATP合酶结构模式图
亚线粒体结构
1. 破碎线粒体内膜，获取反转的内膜脂质 体，含有呼吸链和ATP合成酶。 2. 用胰蛋白酶或尿素处理，使F1部分从线 粒体内膜上解离，并从此体系中分离除 去，此时，只传递电子不合成ATP. 3. 重新加入F1，使之与F0结合，传递电子 的同时合成ATP.
F0F1
F0
Rod-shaped g subunit.
Empty
Each ßsununit of ATP synthase can assume three different conformations!
b-ATP
g
The binding-change model proposed by Paul Boyer
日本的吉田等人将α3β3γ固定在玻片上，在γ亚基的顶端连 接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时， 在显微镜下可观察到γ亚基带动肌动蛋白纤维旋转。
（三）影响氧化磷酸化的因素
（一）抑制剂
1. 呼吸链抑制剂
阻断呼吸链中某些部位电子传递。
2. 解偶联剂 使氧化与磷酸化偶联过程脱离。如：2，4二硝基苯酚（DNP）， 直接抑制ATP形成， 但不抑制电子传递，甚至加速电子传递。 3. 氧化磷酸化抑制剂
苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle)
1. α-磷酸甘油穿梭机制
CH2OH
CH2OH C=O CH2O- Pi
呼吸链
NADH+H+
C=O CH2O- Pi
α-磷酸甘油 脱氢酶
磷酸二羟丙酮
FADH2
CH2OH
NAD+
CH2OH CHOH CH2O- Pi
线粒体 外膜 膜间隙
4、线粒体电子传递的电子流能够将H+从线粒体内 膜逐出到膜间隙。
5、膜表面不仅能滞留质子，质子沿膜表面的移动 速度超过在水相中的速度。
化学渗透假说简单示意图
线粒体膜 线粒体基质
H2O
O2
e-
ATP
ADP + Pi
- - - ++++
H+ H+
化 学 渗 透 假 说
目录
化学渗透假说详细示意图
胞液侧 H+
能 能 能
氧化磷酸化偶联部位
ATP
ATP
ATP
The artificially imposed proton gradient alone was found to drive ATP synthesis!
（二） 氧化磷酸化的偶联机理 1. 化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)—Mitchell
四、末端氧化系统的多样性
• • • • •
细胞色素氧化酶； 交替氧化酶； 酚氧化酶； 抗坏血酸氧化酶； 乙醇酸氧化酶。
• 末端氧化酶的多样性
末端氧化酶：能将底物所脱下的氢中的电子 最后传给O2，并形成H2O或H2O2的酶类。 交替氧化酶：线粒体中还存在一种对氰化物 不敏感的氧化酶，可将电子传递给O2，称为 交替氧化酶，又称抗氰氧化酶。 细胞色素氧化酶和交替氧化酶都属于线粒内 末端氧化酶。
直接抑制ADP磷酸化，间接抑制电子传递。 如：寡霉素
寡霉素(oligomycin)
可阻止质子从F0质子通道回流，抑制ATP生成
寡霉素
ATP合酶结构模式图
各种呼吸链抑制剂的阻断位点
rotenone NADH Q Cyt b Cyt c1 Cyt c Cyt (a + a3) O2
antimycin A NADH Q Cyt b Cyt c1 Cyt c Cyt (a + a3) O2
（一）氧化磷酸化偶联部位
氧化磷酸化偶联部位：复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ
根据自由能变化和P/O比值
⊿Gº '=-nF⊿Eº '
The P/O ratio
The P/O ratio is the phosphate incorporated into ATP to atoms of O2 utilized. How many protons are translocated per 2 etransferred?
电子传递链自由能变化
区段 电位变化 (⊿Eº ′) 自由能变化 能否生成ATP
⊿Gº ′=-nF⊿Eº ′ (⊿Gº ′是否大于30.5KJ)
NAD+~CoQ CoQ~Cyt c Cyt aa3~O2
0.36V 0.21V 0.53V
69.5KJ/mol 40.5KJ/mol 102.3KJ/mol
H2PO4- H+
基质侧 腺苷酸 转运蛋白
F1
磷酸 转运蛋白
ATP4ADP3H+
H2PO4- H+
三、电子传递途径的多样性
电子传递链的多样性
不同电子传递途径的性质的比较
途径 主路 支路 1 支路 2 支路 3 抗氰呼 吸
抑制剂
定位 NADH NADH 脱 鱼滕酮 抗霉素 CN- P/O 来源 氢酶辅基 抑制 抑制 抑制 内膜 内源 FMN 敏感 敏感 敏感 3 或 >2 内膜 内源 FP2 不敏感 敏感 敏感 2 或 内侧 <2 内膜 外源 FP3 不敏感 敏感 敏感 2 或 外侧 <2 外膜 外源 FP4(FAD) 不敏感 不敏感 敏感 1 内膜 内源 非血红素 敏感 不敏感 不敏 1 蛋白 感
H+ Cyt c H+
+
+ + + + +
Q
+
+ +
F
+
NADH+H+
Ⅰ
Ⅱ
NAD+ 琥珀酸
延胡索酸
Ⅲ
Ⅳ
0
- - 1/2O2+2H+
- H 2O F1
-
基质侧
ADP+Pi H+ ATP
2. ATP合酶
由亲水部分 F1 （ α3β3γδε 亚 基 ）和疏水部 分 F0（ a1b2c9～ 12亚基）组成。
MH2
M
NAD+
NADH +H+
酚 醌
2Cu2+
2Cu2+
O2→H2O 1/2O2
酚氧化酶在生活中的应用：
将土豆丝侵泡在水中（起隔绝氧和稀释E及 底物的作用），抑制其变褐； 制绿茶时把采下的茶叶立即焙炒杀青，破坏 多酚氧化E，以保持其绿色；
制红茶时，则要揉破细胞，通过多酚氧化E 的作用将茶叶中的酚类氧化，并聚合为红褐色 的物质。
末端氧化酶的多样性
生理意义
呼吸代谢的多样性，是植物在长期 进化过程中对不断变化的外界环境的一 种适应性表现，以不同方式为植物提供 新的物质和能量。
氰化物 CO
IV
不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响
（四）通过线粒体内膜的物质转运
线粒体外膜通透性高，线粒体对物质通 过的选择性主要依赖于内膜中不同转运蛋白
(transporter)对各种物质的转运。
线粒体内膜的主要转运蛋白
转运蛋白
α-酮戊二酸转运蛋白 酸性氨基酸转运蛋白 磷酸盐转运蛋白 腺苷酸转运蛋白 丙酮酸转运蛋白 三羧酸转运蛋白 碱性氨基酸转运蛋白 肉碱转运蛋白
CN- or CO NADH Q Cyt b Cyt c1 Cyt c Cyt (a + a3) O2
NADH 鱼藤酮 安密妥 琥珀酸 FMN Fe-S FMN Fe-S
电 子 传 递 抑 制 剂
复合物 I
CoQ
Cyt b
复合物 II
抗霉素A
Fe-S
Cyt c1
复合物 III
Cyt c
Cyt aa3 复合物 O2
功 能
胞 浆 苹果酸 谷氨酸 H2PO4— H+ ADP 丙酮酸 苹果酸 鸟氨酸 脂酰肉碱 线粒体基质 α-酮戊二酸 天冬氨酸 H2PO4— H+ ATP OH柠檬酸 瓜氨酸 肉 碱
（一） 胞浆中NADH的氧化 胞浆中NADH必须经一定转运机制进入 线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。
转运机制主要有 α-磷酸甘油穿梭 (α-glycerophosphate shuttle)
二、氧化磷酸化
* 定义 氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation) 是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸 化，生成ATP，又称为偶联磷酸化。 底 物 水 平 磷 酸 化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子内部能量重新分 布，生成高能键，使 ADP 磷酸化生成 ATP 的 过程。
F1
a b The ten c subunits of Fo
(The yeast FoF1 structure)
The g subunit of F1
The ATP synthase comprises a proton channel (Fo) and a ATPase (F1)
ADP
App(NH)p
FAD
CHOH CH2O- Pi
α-磷酸甘油
线粒体 内膜
线粒体 基质
2. 苹果酸-天冬氨酸穿梭机制
H 3N
+ -
百度文库
OOC-CH2-C-COO H
谷氨酸天冬氨酸 转运体
H 3N
-
+ -
OOC-CH2-C-COO H
天冬氨酸
O
O -OOC-CH 2-C-COO -
H 3N
-
+ -
呼吸链
草酰乙酸
H 3N
-
其它都属于线粒外末端氧化酶。
抗氰呼吸
交替氧化酶
抗氰呼吸在高等植物中广泛存在。最典 型的例子是天南星科植物的佛焰花序，其呼吸
速率比一般植物高100倍以上，呼吸放热很多
（形成的ATP少，大部分自由能以热能丧失），
使组织温度比环境温度高出10-20 oC 。
抗氰呼吸的生理意义： 1、放热反应 抗氰呼吸释放的热量对产热植物 早春开花有保护作用，有利于种子萌发。 2、促进果实成熟 在果实成熟过程中出现的呼 吸跃变现象，主要表现为抗氰呼吸速率增强。 3、增强抗病能力
Paul D. Boyer
John E. Walker
Rotation of the g subunit and the ring of c subunits in the FoF1 complex was observed by in vitro studies using fluorescence microscopy
电子经呼吸链传递时，可将质子（ H+ ） 从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产
生膜内外质子电化学梯度储存能量。当质子
顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。
化学渗透假说实验证据
1、氧化磷酸化的进行需要封闭的线粒体内膜。 2、线粒体内膜对H+、OH-、K+、Cl-离子不通透。 3、破坏质子梯度的形成必然破坏氧化磷酸化的进 行。
4、代谢协同调控 （1）当底物和NADH过剩时， 分流电子；（2）cyt 途径受阻时 ，保证EMPTCA途径、PPP正常运转。
多酚氧化酶（质体和微体） 该E含铜，包括单酚氧化E（酪氨酸E）和多 酚氧化E（儿茶酚氧化E）。其功能是催化O2将 酚氧化成醌并生成H2O。对O2的亲和力中等， 易受氰化物抑制。
+ -
OOC-CH2-CH2-C-COO H
-OOC-CH 2-C-COO -
NADH +H+
苹果酸 脱氢酶
OOC-CH2-CH2-C-COO
谷草转 氨酶
O -OOC-CH 2-CH 2-C-COO -
NAD+
OH -OOC-CH 2-C-COO H
线 粒 体 内 膜
谷氨酸
H
谷草转 氨酶
O -OOC-CH 2-CH 2-C-COO -
b-empty
b-ADP
g
g
当H+顺浓度递度经 F0中a亚基和 c亚基之间 回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生 改变。
ATP合酶的工作机制
Nobel Prize in Chemistry, 1997
"for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP)"
Complex I: 4H+ Complex III: 4H+ Complex IV: 2H+ Total: 10H+:2e-
It takes 3 protons moving through F0 to produce 1ATP.
Taking into account moving this ATP to the cytosol, we can conclude that it takes a total of 4 protons/ATP synthesized. 1ATP/4H+ x 10H+ /2e- = (NADH to ½ O2) 1ATP/4H+ x 10H+ /O = 10/4 = 2.5 = P/O ratio
NADH +H+
苹果酸 脱氢酶
α-酮戊二酸
OH
NAD+
-OOC-CH 2-C-COO -
苹果酸
苹果酸-α-酮 戊二酸转运体
H
胞液
基质
（二） 腺苷酸转运蛋白
腺苷酸转运蛋白(adenine nucleotide transporter) 参与ADP与ATP反向转运。
ADP3- ATP4胞液侧 F
0
H+