生物物理学导论

1、 在糖酵解反应序列中，ATP的合成(常称为联 系底物的磷酸化)通过酶反应发生，在这些反 应中，共同的中间体维护产能反应(氧化)与储 能反应(磷酸化)的偶联。 这些反应发生在细胞的原生质相中，虽然有些 细节仍待探讨，但对了解机理并无重大困难。 关于同呼吸或光合作用电子传递相偶联的ATP 合成的机理，仍无定论。 这类能量转导作用的基本观点是其与膜系统相 联系；尽管在破碎的膜片段中电子传递可以不 被削弱，如果没有线粒体、叶绿体或细菌内膜 的完整结构，就没有ATP合成发生。 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

2、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 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 BH2I 还原的复合物BH2I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： BH2I + C BI + CH2 于是形成高能中间体BI 。 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： BI + Pi IP + B IP

3、 + ADPATP + I 解偶联剂简单地引起高能中间体BI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。 尽管上述概念的化学假说与某些观察是 一致的，但它也有困难。 到目前为止，没有人能实验证实高能中 间体的存在，更不用说分离它了。 仅此当然还不足以排斥这种理论，因为 复合物可能是极不稳定的，但更为严重 的是，实际上这种理论完全没有考虑与 其结构的联系。 构象假说 化学说的改进是构象说。在这种假说里，高能 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(573)(576) BH2十I(：)B十I。十GH 2 (577)

4、 I”十ADPPi。一)ATy十I (E78) 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(54 节)，它做联 在股上的极小的蘑菇(图522)。 悯联因子已在纪粒体及叶绿 体和细菌市发现并分离出来。很可能， 从腆上去林佃联因子， 就会抑制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

5、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。 虽然构象理论看来可以克服“化学的” 高能中间体酌不可 检测性，但它仍然缺乏足够令人满意肋 细节。它没有关于电 子传递成份与偶联因子间结构关系协任 何信息，也不必须膜 系统的完整性(膜本身可以是悯联成汾必 须酌基质)。 化学渗透假说 化学渗透说是依据完全不同的概念的一种理论， 它把功能性作用归之于一完整的联系着膜的系 统。 实际上，按这一假说，高能中间体是由氢离子 穿过内膜的显著位移而形成的横穿细胞器或细 菌)内

6、膜的热力学梯度。这些氢离子是被电子从 膜的一例传递到另一例产生的电场移位，因此， 电子在膜中的传递是有方向性的，其工作机理 示意 于团536a(对呼吸链)和536b(对光合作用链) 中。 氧化还原组份(如图526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 侧移向外侧(在线粒体内膜酌情况下)，或者从 外侧移向内侧 (在叶绿体

7、类爱休的情况下)c在这两种情况下， 膜原来虽然 可以透过水，但透不过氢离子。移位的质子由 此形成一浓度 梯度，这在实际上就是高能中间体。与膜联接 的ATP酶系统 (如上面捉到的偶联因子)则可反过来作用，并 通过将质子再 移位使ATP合成(图536。)，图537示出了 可达此目的的 简单方式。H梯度以某种未知方式的出现，牵 引从ADP和 天机磷酸形成ATP时产生的水的经基离子部份 去到膜的一 侧，而特质子推到另一侧。以这种方式，H的 纯移动就能产 生ATy。 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

8、”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 酸，既是弱酸又是脂镕的，并能携带 质子穿过膜(团538)。 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 过化学渗透说得到阐明， 也是这种理论引人注目的 特征之一。这一理论提供 的许多预言都要求实验的 验证，达在6D年代和70 年代激起了大量的研究； 球实上，这些预告的很大 一部份都被证实了。由于 达一戊功，我们感到，尽

9、管 仍有一些矛盾(如一个电 子传递对应一个质子传返 的预测化学计算，到目前为止未能被实 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 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(si

10、ded 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 吸一刀始就是朗向内侧的，而不像在完整颗粒 小那样朝向外 侧。发生这一现象是出于内膜在急剧折叠的略 的“颈”部优先 破裂，碎片的贡封装则得到与完整的线检体相 较是“内胡外” 的颗粒(图539)。 这一在破府之后反转质子 移位的现象也 可在光合作用的细菌小看到，载包体(光合细菌 中围成空泡的 膜)与完整的细菌相铰就是“内部外”的。 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

11、的电 化学势差，它由下式给出； 式中，ApnPHI一PHzb 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。 抗衙离子流 从式(580)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

12、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) 必然出现以至 少在一定程度上阻止膜电位过份升高。因而可 以预期，一些 正离子在与质子系相反的方向上运动，和(或) 一些负离子在 质子泵的方向上流动。在缺乏ATP合成的叶绿 体制剂中，实 际证实了这种抗杨离子运动。 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

13、电 位的补偿过 程。 光合细菌中的情况稍有不同，细苗膜显 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

14、消除PH梯 度而保留膜 电位。 这一实验的给果是，在线粒体和RI绿 体的类夷体制刑 中，ATl2合成被解偶服，而在细菌制剂中，并 不被解侣联。 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 素也起解悯联剂的作用。 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

15、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540 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540 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 K1浓度变得相等。KGl肋另一次“脉冲式”注 入将再次引起瞬 时吸收变化。图540 c中斯示的瞬时光捞与光 诱导的类胡萝 F素吸收

16、带移位的差值光谱 M 断光 是一样的。 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 541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(531)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 (由于移位的MJ有24D毫伏这样高。这证文， 至少在一些光 分作用细蓟中，P”f rJ屯学顶是主要的。 表54i；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

17、 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 膜电位都能驱 动逆向的ATP酶作用。 对叶绿体和线粒休仍不能作同样的结论。在叶 绿体中， 在515530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

18、 由于快速的抗衡离子流，大概主要是G?的同 相运动所致。因 此，在叶绿体中PP”f的电成份实际上是不存在 的。所以，我 们不能用细菌色素细胞所用舱同类实验来验证 叶绿体中的 hTP合成可由瞪电位自身诱导。但是，这个方 面的间按证据 是可以参考的。线粘体酌情况也是如此。正如 前面已经提到 过的，这一问题与在逆向ATP酶系统中合成 ATP助机理直 接有关。通过来自ADP和磷酸合成ATP而产生 的水的经 基离子和质子的反向运动，这样来调控ATP合 成的简单理 论，已经作了重大修改，以适应膜电位诱导 ATP合成的考虑。在受激膜上佣联因子的构象 变化，也可能是这一机理的一个 基本特征。 A丁P酶活性 随

19、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 干扰因素的dd茵制剂中，很容易触发这一正向 的ATP酶活 性；在叶绿体和线粒体小，首先是阻遏正向 ATP酶活性的偶 联因子的亚单位被去掉或钝化。 A?、P合成的化学本身，特别是这一化学过 程被质子的电 化学势驱动的达径，是富有挑战性的问题，这 个问题离解决还 很远。目前，这些问题是所有生物能力学研究 工作的中心。 设A、B和C是氧化还原反应链中相连的化合 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 BH2I 还原的复合物BH2I又可以放能反应,