生物物理学导论-11
第五章 生物能力学 (4)
5.6 能量转导作用
• 离子的主动传输可以经由ATP酶被ATP水
解诱导，那么离于在热力学梯应方向穿 过脂的传输能够通过同一ATP酶引起ATP 的合成吗？ • 随着与膜相联的ATP合成问题(对线粒体 称为氧化磷酸化，对光合作用细胞器称 为光合磷酸化)的解决，这一问题有了肯 定的答案
• • • • • • • • •
酸，既是弱酸又是脂镕的，并能携带 质子穿过膜(团5．38)。 因此，酸酌质子化形式可 以从一例移向另一侧，放 出它的质子，然后作为负 离子再穿过膜。许多携带 离子的抗卤素或它们的组 合，由于其离于裁体特性， 都是解佃联剂。 解偶联的机理可以通
• 的预测化学计算，到目前为止未能被实
• 氧化—还原组份(如图5．26所示)在膜内以这样
•
• •
•
•
的方式排 布：在膜两侧，电子裁体(如细胞色素和非血红 素铁蛋白)用 氢载体(如黄素蛋白和苯i6)替换。通过这样的 安排，或者经 由底物的还原(在呼吸电子传递约情况下)，或 者经由光诱导 的初级反应(在光合作用电于传递情况下)，被 电子载体传输 穿过膜的电子产生一电场，引起质子通过氢载 体或者从膜内
物，除非还原产物BH2与一中间体I复合，B被 AH2的还原就不能进行。因此， AH2 + B —— A + BH2 • 直接跟随着 BH2 + I —— BH2· I • 还原的复合物BH2· I又可以放能反应, 还原链中 下面的化合物，这一反应的自由能则被波纹号 标出的高能键捕获： BH2· + C —— B~I + CH2 I • 于是形成高能中间体B~I 。
中间体是I因子的音一构象。这一理论用下列反 应式来 十t替(5．73)——(5．76) BH2十I„(：——)B十I。十GH 2 (5．77) I”十ADP„Pi。一)ATy十I (E．78) 其小I。表示I的高能构象。一种类蛋白质成份 可能起着?的 作用，没有它就没有与电子传递相佣联的磷酸 化看来是可能 的。这一因素就是已经提到过的悯联园子(5．4 节)，它做联
• A丁P酶活性 随着ATP酶可逆性的发现，已经
•
• •
•
•
在这 方面取得了一些进展。前面已提到，A?p酶位 于蘑菇状的偶 胀因子中。偶服因子不仅负责ATP的合成，而 且也催化ATP 的水解；特A?p加到含有偶联因子的结合成微 囊体的跟上， 在某些情况下会激励摸，从而水解ATP。在引 起质子梯度和 偶联因子中的构象变化方面，这一刺激作用是 明显的。在没有
• 有磷酸存在时，这一高能中间体被磷酸
化，且高能磷酸盐又可磷酸化ADP： B~I + Pi —— I~P + B I~P + ADP——ATP + I • 解偶联剂简单地引起高能中间体B~I的水 解，从而阻止ATP形成，但却保持氧 化—还原反应进行。无论是一种磷酸化 反应还是两种磷酸化反应的抑制剂。
抗衙离子流
• 从式(5．80)可以看到，Pmf由一浓度项 • (PH梯度)和一电学项(膜电位)组成。如果无法 •
补偿增长的 电荷，随着进入非常少量的质子，后一项也会 变得极高。 当 然，当在磷酸化系统中存在ADp和磷酸时，通 过ATP合成 引起酌质子运动会使限电位放电，因为它与 “质子泵”引起的 质子运动方向相反。但是，在缺乏磷酸化底物 ADp和磷酸的 情况下，补偿的抗衡离子流(凹untefi。M f20w)
•
•
• 悯联因子已在纪粒体及叶绿 • 体和细菌市发会抑制A Lf的形成，而电了传递仍可 在这种腹k进行。当 • 把提纯的侗联因子送N到去空了的限系统 时，磷酸化作用被 • 恢复。
• 电子传说诱导构象变化的证抿来自这样nt研究，
•
• •
•
•
在这种 研究中证明，被悯联的磷酸化的抑制剂仅当放 电子传递“激 励”时，才与悯联因子纳合。因此，在叶绿体 中，仅半加入辐射 防于时，抑制剂N—乙基顺丁烯二欣亚舷才抑 创允仑磷酸化。 而且，用氢的同位素质(”H)这类放射性示踪物 还可证实，抑 制剂与悯联因子的结合被光照显著提高。
• 表5．4i；出了一些测丛PT”r的咆绍协和1d1组
•
• • • •
份的实骆 结果，并与在同一实验小实际测定的合成适员 4?y所需的能 量作了比较。我们可以看到，没有附加物时， N“f对合成ATp是富裕的，这时膜电位对P”f的 贡献为56％。由于尼日里亚 菌素的存在，膜电位本身刚够满足ATP合成； 濒氨霉素引起 膜电位70％抑制，而APH刀宿到正好使hTp合 成能够进行 的水平。显然，至少在这些细菌创剂中，PH和
• 由加入kcl引起的瞬时类胡萝F素吸收的变化且
•
• •
•
•
是Kl 外侧浓度对数的线性函数，这一关系示丁图 5．41今。假设平 砌后，外侧K„浓度等于内侧R‟浓度，就可利m 这一技术按 伏特表示的膜电位，通过式(5．31)来校淮吸收 带位移。在一 些光合作用细菌的色素细胞中，已由此测定出 光诱导的蜡电 位(由于电子传递穿址膜)为420毫伏，光诱导的 稳态电位
质子运动力
• 质子运动力 按照化学渗透理论，从放
能的电子传递 • 得到基本上稳定的能尼形式，是由于 n„的浓度梯度。电子 • 传递引起质子被“抽”过腆，这一质子 梯度建立一核穿腆的电 • 化学势差，它由下式给出；
• 式中，Apn＝PH《I‟一PH„zb A砂＝1A?一1A?。
•
• •
•
当氢离于从l运动 到2时，APH和AV部为负，这是离子被“抽人” 的方向。因 此，对叶绿体的类裹体，(1)是外侧，(2)是内例； 而对线粒体， 情况正好相反。“氢离子泵”或“质子泵”产 生的电化学势除以 法拉弟常数．件，称为质子运动力(P”f)，并以 伏特表示。
•
• •
•
• 另一种离子栽体绕氨雷素使K‟离子移向一边，
•
• •
•
•
因而，这一抗曲 素曲作用是在完全保6J Pfi梯度n6同时，消除膜 电位(B口使有 也很小)。除非破坏离子梯度的试剂(如尼日里 亚菌素)也存 在，绚氨雷素并不使结合成微囊休的三种膜个 的任何一种的 ATP合成解悯联。在细菌制剂中，当存在可透 负离子(如硫 氰酸根负离子cNs—，它根容易透过细菌膜)时， 尼日里亚菌
• 这些结果意味老，细菌灼边向ATP酶也
利用膜电位工 • 作。但是p对叶绿体或线粒体就不能作这 样的结论，离子线体 • 抗菌素的实验结果表明，不是完全没有 膜电位，就是逆向 • ATP酶只用哪梯度起作用。
• 光诱导三个类胡萝r素吸收带的红移(国5．40
•
• •
•
•
M)，这是由于 通过电子传递以及质子梯度的膜电位成份，产 生了电位。这一 移动的电学起因可通过下述实验提供：将Kc? 溶液在黑暗中 注入含级氨霖素的色素细胞悬液，这一“脉冲 式”附加物引起 类胡萝r素吸收诺区小的吸收发生限时变化(见 闻5．40 b)G 过一会儿，反向离子的扩效将小和电位，结果 使内侧和外侧的
化学假说
• 用解偶联剂获得的实验结果，引出了
“高能中间体”的概念。通过类似于联 系底物的磷酸化的论证发展起来的一种 假说，将这一高能中间体看成一种化学 实体。按照这一理论，呼吸或光合作用 的氧化—还原反应与ADP磷酸化为ATP 的偶联，是通过下述方式达到的。
• 设A、B和C是氧化—还原反应链中相连的化合
• 按照这一理论，解偶联剂格提供消除质
子梯度酌附加途
• 径，由此阻止ATP酶利用这一梯度来合
成ATP6事实L，所 • 有已知的解偶联剂都有“溶解”膜中氢 离子酌特性，许多解偶 • 联剂，如二硝基苯(DNP)、碳氧氰化m— 氯苯踪(cccp)或
• 碳氧氰化P—三氟甲气苯踪(FccP)以及许多脂肪
验证实)，但这一理论 • 至少可以对部份偶联机理提供正确的解 释就足以证明，更完 • 全的讨论是合理的。
质子移位
• 在光诱导的电子传递期间有可逆的质子
获 • 取过程，这是在叶绿体服中发现的，现 在这已是一个普遍现象 • 了。这种光诱导的质子俘获，也可从光 合绍菌产生的膜围成
• 的微囊中证实，尽管程度小多了。在用呼吸继
然对单价窝子的 • 渗透显示出较大的阻力。K„和Nal只有低 的渗透值，G]—也 • 有同样情况。这就是为何在自光合细菌 结合成宝泡的膜(裁色体)中，获取质子比 叶绿体的类囊体少的线故。
PH梯废和膜电位
• 会产生这样的问题： ATP通过 • ATP朗的逆向作用酌合成，只是由于P2“f的PH •
梯度项产生 的呢，抑或膜电位项也可完成这一任务。离子 裁体的解偶联 剂对不同生物膜酌影响，可以告诉我们一些关 于这个问题的 信息。我们已经看到，解偶联剂使离子运动穿 过膜。例如，尼 日里亚菌素用R‟离子交换炉离子，将它加到结 合成微囊体 的进行电子传递酌膜的悬液中，则可消除PH梯
•
• •
•
• 特别是与获取质子同时发生 • 的氯离子的同相运动(在相同的方向运动)是显 •
•
• •
著的，也发现 有同时发生的K‟和Mg‟‟的反相运动(在相反的 方向上的运 动)，但后者在这些细胞器中并非重要的补偿抗 衡离子流。在 线粒体中，K‟和Na4酌反相运动看来就是膜电 位的补偿过 程。
• 光合细菌中的情况稍有不同，细苗膜显
• 对叶绿体和线粒休仍不能作同样的结论。在叶
•
• •
•
•
绿体中， 在515—530毫微米光谱区有一峰的吸收带位移， 显然是由于 横贾膜的电位。运用与上述相同的校服技术可 以证明，尽管 基本的瞬时变化(用短闪光照明)可以检测，但 在连续光照情 况下测得的“稳态膜电位”最好也只有10毫伏 多。达无疑是 由于快速的抗衡离子流，大概主要是G?—的同 相运动所致。因
•
• •
•
•
底物(NA皿， 琥动酸)提供H‟时，线粒体对之表现出挤压作 用。氧化—还原 组份酌横向定位，即氢鼓体和电子载体的交换， 是化学渗透说 的关楔性要求，利用特异抗体的研究提供了证 实这种排布的 证据。膜的对外性(sided rmm)被下述事实令人 信服地证明； 在线粒体经题声摄荡形成的亚线粒体颗粒个， 质子移位在呼