生化课件中文翻译

第18章氧化磷酸化染成绿色的线粒体在成纤维细胞内形成的网状结构（左边。线粒体氧化碳，形成ATP（胞内能量。250gATPADP重新转化成ATP。每天一个ATP300ATPNADH或FADH2经过一系列电子载体传递给氧气，结果形成ATP。粒体进行氧化磷酸化，是需氧生物ATP的主要来源。一个葡萄糖分子彻底氧化成CO2和H2O生成30分子ATP，其中26个分子是氧化磷酸化产生的。氧化磷酸化用质子梯度将碳原料氧化反应与ATPNADHFADH2是高能分子，它们含有高能电子。当这些高能电子用来将分子氧还原成H2O时，能释放大量的自由能。这些自由能用来生产ATP。经过线粒体内膜蛋白复合物，NADHFADH2O2，导致线粒体基质的质子泵出膜外。这样，ATP。因此，跨线粒体内膜的质子浓度梯度将氧化和ADP磷酸化偶联（图18.1）18.1氧化磷酸化的本质。跨膜质子流将氧化和ATP高能磷酸基团。呼吸链将电子驱动力转化成质子驱动力。呼吸链有三个电子驱动的质子泵：NADH-Q氧化还原酶，Q-cc氧化酶。这些大的跨膜复合物含有多个氧化还原中心，真核生物的氧化磷酸化粒体进线粒体是一种椭圆形细胞器，长度多为2m左右、直径约0.5m。这种大小与细菌相当。半个世纪前，EugeneKennedy和AlbertLehninger发现线粒体装置、柠檬酸循环的酶、脂肪酸氧化酶。GeorgePalade和FritjofSjostrand进行的电子显微镜研究，线粒体有两层膜，即外膜和高度折叠的使氧化磷酸化位点。所含的线粒体内膜面积大约是14,000m2，相当于三个场的面积VDAC调节代谢物质跨线粒体外膜的流动。这些物质通常是阴离子，如磷酸离子、氯离子、有机阴离子、为细胞质大多数小分子能够自由通过线粒体外膜。内膜内外侧也被分别称为N侧和P侧（因为内侧电势DNARNAs。线线粒体大小差异很大。原生动物smodiumfaciparum的线粒体组低于6000bp，而有些陆生植物线粒体组达到16,569bp（编码13个呼吸链蛋白和大的、小的rRNAs分子、以及足量的tRNAs翻译所有粒体。但是，线粒体还有很多细胞核DNA编码的蛋白质。有线粒体的细胞依靠线粒体进行氧化磷酸图18.3线粒体组大小三种大小的线粒体组与立克次体组比较立克次氏体是线粒体的近缘，被假定为线粒体的祖先。超过60kb的组，其编码区用红色标出。细菌组序列的快速积累，现在确定最初的线粒体 威性。最可能的细菌组是RickettsiaProwazekii,一种伤寒的病原体。该生物的组大小有100万碱基对，含有834个编码。序列数据提示所有现存的线粒体的祖先是R.Prowazekii，仅仅是细胞与这种细菌一次共生的结果。最可能的祖先线粒体是原生动物Reclinomonasamericana支持线粒体源自单一共生。原生动物Reclinomonasamericana组有97个，其中有62个编码蛋白质。编码这些蛋白质的在所有线因和蛋白编码。惟有Reclinomonas组含有所有已经的线粒体组的编码。17CoANADHFADH2。在氧化磷酸化过程中，NADHFADH2NADH和FADH2还原分子氧是高用氧化-在氧化磷酸化过程中，NADHFADH2ATP的磷酸转移势能。我们需要用自表示。电子转移势能用△Eo'（还原势能，也称为氧化势能或氧化-还原势能）表示。还原势能是一种电化学概念。假定一种物质存在氧化态X和还原态X-。这两种状态称为氧化还原对(redoxcouple)。用电压表将样品半电池（samplehalf-cell）与参照半电池(standardreferencehalfcell)连接能够测定这个氧化-还原对的还原势能（图18.5）。样品半电池的构成包括1M的氧化剂X和1M还原剂X-溶液，以及插入此溶液的一根电极。参照半电池是在1atm下，H2饱和的1MH+溶液，以及插入此溶液的流动。电子从一个半电池流向另一半电池。若反应进行的方向是X-+H+ X+1/2H2则半电 1/2是试验最初测得的电压（将H+/H2对构成的参照电极电压定义为0伏。因此还原势能用E'o表示。早先我们用△Go'的条件也是pH7.0。标准自由能△Go'与还原势能变化△E'o的关系是△Go'=-nF其中，n是转移的电子，FFaraday常数（96.46kJmol-1V-1），△E'o单位是伏，△Go'的单位是kJ或kcal。酸+NADH+ 乳 NAD+：NADH对（或半反应）的还原势能是-0.32v，而酸:乳酸对的还原势能是-0.19v。根据规定，还原势能都是写成还原剂:氧化剂+电子，生成还原剂。因此，酸+2H++2 乳 △E'o=-0.19 NAD++H+ 2 △E'o=-0.32 为了得到反应式A，我们需要将反应式C反向，让NADH出现于反应式左边。这样，△E'o的符号要酸+2H++2 乳 △E'o=-0.19 NAD++H+ 2 △E'o=+0.32 反应B的自由能可以根据计算（n=2),△Go'=-2x96.48x(-0.19)=+36.7kJmol-类似地，反应D的自由能△Go'=-2x96.48x(+0.32)61.8kJmol-1。因此反应A的自由能变化值是△=△Go'（反应B)+△Go'（A25.1kJmol-NADH1.14vNADHFADH2相对于氧气分子的势能差异。那么，NADH还原氧气分子究1/2O2+2H++2 △E'o=+0.82 NAD++H++2 △E'o=-0.32 用反应A减反应B1/2O2+2H++NADH H2O+NAD+ △E'o=+1.14v 则△Go'=-2x96.48x(+1.14)=-220.1kJmol-1放的能量起初用来产生质子浓度梯度，然后用这种梯度合成ATP、跨线粒体膜代谢物质。质子梯度的能量如何计算？我们曾经介绍过跨膜浓度梯度的自由能计算方法（其中一边的浓度是另一边浓度是c2）：△GoRTln(c2/c1)ZF=2.303RTlog10(c2/c1)+ZFZ是被运物质的电荷，△V是跨膜电势差（p353)。在典型条件下，线粒体内膜外的pH值比内膜内的pH1.4单位，相应地log10(c2/c1)1.40.14vZ是+1（一个质子。因此，△Go=2.303RTlog10(c2/c1)+ZF=（2.303x8.32x10-3x310x1.4)+[(+1)x96.48x=21.8kJmol-1mole21.8kJNADH的电子经过呼吸链传递给O2NADH-与呼吸链其他组分不同，琥珀酸-Q还原酶不泵出质子。NADH-Q氧化还原酶、琥珀酸-Q还原酶、Q-细胞色素c氧化还原酶、和细胞色素cI、II、III、IV。复合物I、II和IV相互结合形成18.6呼吸链的电子传递顺序。Q氧化还原酶将电子传递给Q-细胞色素c氧化还原酶（呼吸链的第二个复合物。泛醌在生物体内广泛存在，是疏水性物质，粒体内膜能迅速扩散。细胞色素c是一个可溶性的小蛋白，能够将Q-细胞色素cQ是醌的衍生物，有一个长长的尾巴（由异戊烯单位组成Q尾巴的异戊烯单位数量与物种有关。哺乳细胞最常见的辅酶Q10个异戊烯单位，称之为Q10。为了简便起见，由于所有的辅酶们认为线粒体内膜有Q和QH2构成的醌类物质库。图18.7醌的各种氧化状态。醌（Q）还原成QH2的过程中，经历了半醌(QH·)NADH在NADH-QNADHNADH-Q氧化还原酶（INADH脱氢酶）处进入呼吸链。这个900kD46条多肽链左右。如同呼吸链的其他两种复合物，其质子泵一部分由线粒体编码，一部分由细胞核编码。NADH-Q氧化还原酶呈L-形，水平臂躺在膜上、垂直臂凸 NADH+Q+5 NAD++QH2+4 在反应的起始步骤，NADH18.8Fe-S2Fe-2SFe-S簇是2Fe-2S4Fe-4SFe-SFe2+(还原型）Fe3+（氧化型）之间循环。与醌和核黄素辅基不同，Fe-S簇进行氧化还原反应时不需要结合或释放质子。18.9铁-（A）（B）2Fe-2SSFe离子之间形成连接的S（C）4Fe-4S簇。这些Fe-S簇都能进行氧化还原反应。NADH-Q氧化还原酶复合体所进行的还原反应都在这个复合体的膜外区域（只于水溶液的区域，译者注）NADH明显地与这个复合体的膜外区域的一个位CoQNADH-Q4个质子从线粒体基质泵出。Q接受两个电子图18.10经过NADH-Q氧化还原酶催化的电子-质子转移偶联反应。在复合物I的电子流动，NADHFMNFe-S簇流向泛醌Q4个质子被泵出，2个质子被Q泛醌醇是黄素蛋白FADH2是琥珀酸-Q氧化还原酶复合物（II）的一部分，是线粒体内膜的镶嵌蛋白。FADH2不离开蛋白质，Fe-SQ-QNADH-QFADH2氧化所形成的ATPNADH氧化所形成的ATP子从FADH2转移给QQH2电子从QH2传递到细胞色素c经过Q-细胞色素cQ-c氧化还原酶（II或细胞色素还原酶。Q-细胞色QH2c，同时将质子从线粒体基质数量的一半，原因在于QH2-细胞色素c的电势能较低。QH2+2Cytcox+2 +2Cyt +4H+cyto-细胞色素c氧化还原酶本身含有两类细胞色素，分别是b和c1(图8.1。细胞色素是电子传递蛋（e2+e3之间转换。-细胞色素cbb（亲和性低素b（亲和性高c1还有一个血红素。细胞色素b,c1和c的血红素辅基是铁-I红蛋白和肌红蛋白的血红素辅基相同(p18)。由于它们所处的多肽环境不同，同一辅基对电子的亲和性不bL对电子的亲和性就低于靠近线粒体膜基质面的血红素bH对细胞色素进行分类之后，也有人称这种酶为细胞色素bc1。除了血红外，这个酶还含有1个2Fe-2S中心。该中心被称为Riske中心。特别之处在于，其中两个半胱氨酸残基被两个组氨酸残基替代。因此FeQH218.11Q-细胞色素c氧化还原酶(细胞色素bc1)11种多肽链。注意主要辅基是三个血红素和一个2Fe-2S簇，要么位于靠近细胞质的边缘，要么处于膜内区域（螺旋用垂直棒表示。这种位置分布有助于它们介导电子从膜组分的泛醌向处于膜间隙的细胞色素c转移。Q电子从Q转移给细胞色素c与质子跨膜偶联的机理称之为Q循环（图18.12）。两个QH2分子连续电子经过这个复合物，被转移给相应的目标。一个电子首先到达Rieske2Fe-2S簇，最后到达氧化型细胞色QH2的第二个电子经过细胞色素bQQH2送来的电子将这个泛醌转化成半醌自由基阴离子(Q·－)QH24个质子，线粒体基质面失去两一轮QQH2QQQH2。为什么要如此复杂？QH218.12Q循环。在循环的前半部分，QH2结合的两个电子被转移，一个电子转移给细胞色素c，另一个电QH2c，另一个电子给半醌自由基阴离子，后者接QH2。电子转移的路径用红色标出。细胞色素cc氧化酶（IV）c的电子转移4CytCred+8H+matrix+ 4CytCox+2H2O+4H+cyto418.1231.8kJmol-1。需要尽可能地将如此之高的自由能捕获，用来合成ATP。体组编码。细胞色素c氧化酶有两个血红素A辅基，三个铜离子，排布成两个铜中心，分别称之为A 18.13细胞色素c氧化酶的结构。13条多肽链。注意，此酶的两个主要辅助基团（a和血红素a3-CuB)和多数肽链与线粒体膜结合（用垂直管表示螺旋a3-CuB是氧气还原成水分子的位点。CuA/CuA靠近线粒体膜间区，有利于它接受细胞色素c的电子。CO（bb)是多肽链骨架的羰基。cAaa3Acc1aa3c氧化酶中所处的环境不同，因此有不同的氧化还原电势。一个电子cCuA/CuAaa3、CuBO2a3CuB直接相邻。总之，血红素a3与CuB形成能够将氧气还原成H2O的活性中心。18.14细胞色素c（用蓝色标出4c44个质4个细胞色素c与细胞色素c2分子水（18.14）cCuB，另一个电子停留在22又有两分子还原型细胞色素c的电子进入下游的电子传递途径，将电子传递给活性中心。每个氧原子接受一个电子，同时又接受一个质子，将两个位点还原成CuB2+－OH和Fe3+－OH。18.15过氧桥。与血红素a3CuB4CytCred+4H+matrix+ 4CytCox+2421.8kJmol-187.287.2kJmol-1素c氧化的过程中，细胞色素c4个质子泵到细胞质（18.16）c氧化4个质子的细节还不清楚。有两种作用有贡献。首先蛋白质内部有维持电中性倾向，因此接受电子后蛋白质就要摄取质子；其次是发生了构象变化，尤其是血红素a3-CuB附近的蛋白质构象发生变化。假c氧化酶 4CytCred+8 + 4CytCox+2H2O+4 图18.16图18.16细胞色素c。线粒体基质面摄取4个质子将2分子水。由于这些质18.17NADHFADH2分子。这些高能电子经呼吸链传递给O2，同时泵出质子。18.17NADH和FADH2的电子在呼吸链的传递过程。一系列放能反应与线粒体基质向膜外泵出质子的过程偶联。我们马上就要介绍，这些质子梯度所携带的能量驱动ATP合成。保护性酶清除性的氧分子衍生物（如超氧自由基体。细胞色素c氧化酶将氧气分子紧密结合于Fe离子和Cu离子之间，满足这个关键要求。虽然细胞色素c氧化酶和其他还原氧气的蛋白质能够成功地降低氧类物质的释放，但是少量的超氧阴离子和过氧化氢却是无法避免的。能够形成超氧化合物，过氧化氢的活性氧(OH·)统称为活性氧（reactiveoxygenspecies,或ROS)ROS引起的氧化损伤有关(18.3）细胞有抵抗ROS所致氧化损伤的防御机制。这种机制是什么？主要依靠超氧化物歧化酶（superoxidedismutase)O2。SuperoxideSuperoxide2· 2 真核生物有两类过氧化物歧化酶(SOD)。一类是处于线粒体内，含有Mn2+离子。另一类是细胞质的图18.18超氧化物的歧化机制。氧化型超氧化物歧化酶（Mox）与一个超氧物反应，形成氧气和还原型超22H2O+过氧化物歧化酶和过氧化氢酶催化反应速度很高，达到或接近扩散极限的速率（p221)（glutathione)过氧化物酶在清除H2O2方面也起关键作用(p587)。防疫氧化的其它细胞机制包括包括抗氧化的维生素E和C。维生素E是脂溶性化合物，在防止膜脂氧化方面特别有用。产生ROS。因此细胞应答则要提供抗ROS的酶。因此，休息状态时超氧化物歧化酶很多酒更能0.8A10倍。蛋白质环境提供了一种更为有效的电子转移途径，电子转移速率降低10倍需要将供体与受体之间的距离增加1.7A（图的距离常常超出15A，超出了范德华力的有效接触距离。在这种情况下，如果其它的条件都是处于最佳118.19电子转移速率与距离有关。0.8A101.7A10由于电子需要在不同蛋白质之间（如细胞色素c接受复合物III传来的电子，或者将电子传递给复合物IV）c和c1的血红素基团之间一系列疏水作用，使这些血红素辅基之间的距离只有4.5A，铁原子之间的距离有17.4A。这个距离使细胞色素c的还原速度达到8.3x106s-1光合成的光反应而言非常重要（在第19章讨论。18.20电子转移速率与自由能有关。当化学反应的自由能变化量增加，相应的电子转移速率也增加。在细胞色素c10所有具有线粒体呼吸链的生物(包括植物、动物、和真核微生物）c。这个电子载体蛋白有15亿多年的历史，即在动物和植物分道扬镳之前就有了。在这么长的时间内，他们的功能没有发生改变。因为任何生物的细胞色素cc氧化酶反应。例如，麦胚的细胞色素c能够与人细胞色素c氧化酶反应。此外，有些原核生物的细胞色素，如光合成细菌的细胞色素c2和反硝化菌的细胞色素c550，与tuna-heart线粒体的细胞色素c很相似（图18.21）。这些证明，细胞色素c图18.21细胞色素c的三级结构非常保守。图中显示了21个保守的氨基酸残基的侧链和血红素辅基。细胞色素cc分子小，分布广泛，EmilEmanuelMargoliash等直接用蛋白质序列测定方法确定了80多种不同的真核生物的细胞色素c的氨基酸1042115c的氨基酸序列所构建的进化树显示很多种动物之间的进化关系（18.22）18.22利用细胞色素c的氨基酸序列构建的进化树。WalterMFitch和EmanuelMargoliash质子梯度驱动ATP至今，我们介绍了NADHO2NADH+1/2O2+ H2O+ △G'=－220.1kJ接下来，我们介绍这个放能过程如何与需能过程（即ATP合成）ADP+Pi+ △G'=+30.5kJ线粒体内膜有一个装置执行这种ATPATPaseF1F0ATPase，因为这个酶能够催化ATP合成的逆反应，即ATP水解。更恰当的名称是ATP合成酶，这样就强调了这个酶粒体的功能。这个酶复合物也被称为复合物V。NADHADP磷酸化偶联？早期有人提出，电子转移过程中形成有高能磷酸基团共价连1,3-二磷酸甘油酸类似。还有人提出，电子转移有助于蛋白质转变成活化构型，后者驱动ATP合成。花了几十年的时间寻找这样的都无功而返。1961年，PeterMitc 提出了一个完全不同的机制：化学渗透假设。即电子传递和ATP合成经过跨内膜的细胞质一侧，基质的H+浓度低，细胞质的H+浓度高。基质的电场是负值（图18.23）。细胞质的质子将回流到线粒体基质，由ATP合成酶合成ATP。质子不均匀分布产生的能量成为质子驱动力(proton )。质子驱动力有两个因素的贡献：即化学梯度和电荷梯度。化学梯度就是pH梯度，电荷梯度 认为这两种梯度的力量驱使ATP合成。18.23化学渗透假设。电子经过呼吸链传递电子导致质子自线粒体机制泵入细胞质。pH梯度和膜电势差构成一种驱动力，后者可用来驱动ATP合成。Mitc高度创新的假设，即质子梯度将氧化和磷酸化偶联，现在获得了大量的支持。实际上，电子传递确实制造了跨线粒体内膜的质子梯度。内膜外的pH值比线粒体基质的pH值低1.4个单位，膜电势高0.14V。按照508页介绍的计算，每摩尔H+的跨膜梯度的能量是+21.8kJmol－1。一个人工系统用来验证化学渗透假设的基本概念。细菌视紫质蛋白起呼吸链的作用（内，译者注。在光照射的情况下，这个紫色膜蛋白能够泵质子。合成的人工囊泡膜上有视紫质蛋白和线粒体TP合成酶（从beef的心脏线粒体分离的（18.24TP。这个关键试验明确指出，呼吸链和TP合成在生化上是两个分离的系统，它们之间用质子驱动力偶联。 ATP和视紫质蛋白（光ATP合成酶有一个质子驱动单元和一个ATP生物化学、电子显微镜观测、和晶体学结构研究显示ATP合成酶结构的细节（18.25）。此酶是一个大复合物，看上去像一根棒支起一个球。棒区域处于膜内，称为F0单位。球的直径有85A，是F1单位，凸出粒体基质侧。F1单位有合成酶的催化活性。实际上，与F0分离的F1单位有ATPase活性实际上，15类多肽链（和1单位的大部分。这两类多肽链同源，属于-loope的成员(p267。两种多肽链都能结合核苷酸，但是只有多肽链直接参与催化反应。和蛋白构成中心轴，处于和链下面。亚基有一个长螺旋（p45)六聚体的中心。这个亚基破坏了六聚体的对称性（因为每个亚基与亚基不同的面相作用。三个亚基的差异是了解P图18.25ATPF0F010~14个c亚基构成的环，整合在膜内。有个a亚基结合在环外。F0和F1单位的连接有两种模式：的茎，和外面的柱。外表柱有一个a亚基、两个b图18.25ATP质子流过ATP合成酶，导致紧密结合的ATP释放：结合-ADP3－＋HPO42－＋ ATP＋ADP或ATPMg2＋形成的复合物。所有的有核苷酸参与的磷酸转移反应都是这样。ADP的末端氧原子磷酸的磷原子，形成与五个原子共价连接的。分离后形成ATP和水（图18.26）。ADP的氧原子和磷酸分子的离去氧原子处于五原子连结P双锥体的两个顶部。图18.26ATP合成机制。ADP的一个氧原子磷酸的P原子形成五原子与P共价连接的。随后这个形成ATP，释放一分子H2O。2电子流动如何驱动ATP合成？用同位素交换试验所获得的结果出乎意料。没有质子驱动，ATP也能形成，但是与酶蛋白结合。在H18OATP18O整合到磷酸分子中（18.27）18OADPATP与催化活性位点结合平衡的量（即使没有质子梯度存在。但是，没有质子流过这个酶，则ATPATP，而是将ATP从酶分子218.27没有质子驱动力也形成ATP，但不能释放ATP。同位素交换试验的结果显示，没有质子驱动力酶结合的ATP是由ADP和磷酸形成的。在这些观察和其他研究的基础上，PaulBoyer提出结合-交换机制使质子驱动ATP合成。亚基改变18.28ATP的核苷酸结合位点不等价。亚基是T型（或紧密型）ATP结合紧。L型和T型亚基与各自结合的核苷酸结合紧，以致不能释放各自结合的核苷酸。最后一个亚基是O-型18.28ATP的核苷酸结合位点不等价。120o（从顶部朝里看），T-O-型，L型转化成TADPPi转化成ATP。进一步旋转将O-型转化成LTOL往复进行，不存在两个亚基同时采用一种构型的可能。这种机制提示，驱动亚基沿一定方向旋转能够合成ATP，释放18.29ATP合成酶的结合-改变机制。亚基旋转实现三个亚基构型的互换。T-ADPPi转化成ATP，但是不能释放ATP。120度，T-型亚基转化成O-型，ATP能够释放。O-型亚基能够结合ADP和Pi。亚基进一步逆时针旋转120度（没有显示），摄取底物处于L-型。细粒体ATP旋转催化机制有无直接？采用直含有亚基（克隆表达的产物）构建的实验系统证实旋Ni2+的玻璃表面。亚基与荧光标记的肌动蛋白纤维连结，因此在荧光显微镜下可以观察。加入ATP使肌动蛋白纤维沿逆时针方向旋转。亚基旋转驱动ATP水解。因此，我们能够观测单个酶分子的催化反应。逆时针旋转与预期相同，因为是从图18.30图谱的下面观测的。18.30直接观测ATP-驱动的ATP合成酶的旋转。ATP合成酶的六聚体固定于表面，亚基向上凸低浓度ATP揭示，120度。每转动一次，水解一个ATP分子。此外，用不同长度的肌动蛋白纤维的试验结果显示，ATP100%。即ATP水解释放的能量几乎全围绕c环的质子流动驱动ATP直接观察到亚基旋转强烈支持ATPF0如何驱动亚基旋转？HowardsBerg和GeorgeOster机制能回答这个问题。此机制依赖于F0的a和c亚基（图18.31）。a10～14个ca亚基的结构，但是不将陷入这种通道，但不能完全跨过膜。a亚基所处的位置是每个半通道都能与一个c亚基相互作用。图18.31ATP合成酶的质子传导组分。c亚基跨膜，有两个螺旋构成。一个螺旋的有一个天冬酸，处于膜的。至今没有直接测定亚基a的结构，但是亚基a似乎有两个半通道，允许质子进入并穿X-NMRc亚基的结构。每个多肽链形成一对螺旋跨膜。一个螺旋的中部有一个天冬氨酸残基（Asp61）cAsp61aAsp就能释放质子变成解离的Asp－（图18.32）。质子跨膜的关键在于，一个质子从富含质子的一侧（如细胞质）进入半通道，与这个天冬氨酸结合。已经结合了质子的c亚基随后旋转直至与缺乏质子一侧相连的Asp释放质子。质子从高浓度质子一侧（细胞质侧）（线粒体基质）释放，驱使c-环转动。由于新近质子化的天冬氨酸占据膜的疏水环境，有助于旋转。因此，天冬氨酸被质子化的c亚基移动，从与细胞质相连的通道离开，导致另一c亚基与该通道接触。从细胞质侧进入半通道的每个质子，倚靠转动的c图18.32质子跨过膜驱动c环转动。膜间隙空间的一个质子进入细胞质半通道，中和c亚基的Asp－电荷。中和后，c环顺时针旋转一个c亚基位置，使质子化的天冬氨酸残基与基质通道连接。天冬氨酸的质18.3318.33侧半通道进入随 环旋转从另一c环旋转如何造成ATP合成？c环与，亚基结合紧密，因此转动的c环导致F1六聚体内转动。亚基旋转促成ATP的合成（经过结合改变机制。c10～14个c亚基构成，这个数量决定了多少个质子可以产出一个ATP分子。亚基旋转一周是360度，能够合成3和ATP分子。因此，10个c亚基构成的c环，每10/3个质子能够合成一个ATP分子。为简化起见，我们假定3个质子的输入能够合成一个ATP分子。但是大家要记住，实际上合成一个ATP分子需要输入线粒体的质子数量可能有差异。就像电子载体的情况，NADH氧化产2.5ATPs，FADH2氧化产1.5ATPs。2485kgATP，合成如此数量的ATP3.3×1025质子流过ATP3.3×102118.34总结了氧化18.34氧化磷酸化总况。电子呼吸链产生质子梯度，后者用来合成ATPATPGATP合成酶和亚基是PloopNTPase蛋白。在第14章，我们学习了这个成员（G蛋白）交换核苷酸，除非它们与其他蛋白质相互作用促进核苷酸交换。ATP合成酶的结合-改变模型也是这种模式，只是进行了一些改变。亚基的P-loop区域要么结合ATP(或释放ATP）ADP，具体其什NADH呼吸链的功能之一是再生NAD+，以满足糖酵解的需求。在有氧条件下，细胞质NADH如何被氧化NAD+？NADHNADHNAD+都不能透过线粒体内膜。解决的方法是将NADH的电子（而不是NADH本身）运过线粒体膜。将NADH电子引入线粒体NADH的电子经甘油3－磷酸（18.35）穿梭引入呼吸链。这种穿梭的第一这个反映的催化剂是细胞质的甘油3－磷酸脱氢酶。线粒体内膜外表面的甘油3－磷酸脱氢酶（膜结合蛋白）将甘油3－磷酸脱氢（被重新氧化）形成磷酸二羟基，同时将一对电子转移给此酶的FADH2。图18.35甘油3－磷酸穿梭。NADH的电子将二羟基磷酸还原成甘油3－磷酸，进入线粒体内。甘油3－磷酸被重新氧化，即将电子转移给膜结合的甘油3－磷酸脱氢酶的FAD辅基。随后，电子转移给QQH2，此时电子进入呼吸链。还原的黄素辅基将电子转移给电子载体Q，载体Q以QH2NADH经甘3-磷酸穿梭被氧化进入呼吸链时，NADH1.5分子ATP（2.5分子ATP）。原因在于线粒体的甘油3－磷酸脱氢酶的电子受体是FAD，而不是NAD+。使用FAD作为电子受体，使细胞质NADH能够逆浓度梯度地将电子传递给线粒体（NADH浓度高，电子数量比细胞质多的代价是每传递两个电子就损失一分子ATP3-磷酸穿梭在肌肉尤为显著，使肌肉能够进行高水平氧化磷酸化。实际上，有些昆虫缺乏乳酸脱氢酶，完全依靠甘油3－磷酸穿梭再生细胞质NAD+。NADH的电子为苹果酸-天冬氨酸穿梭系统转运。参与这个转运系统的有4个酶（18.36）NADH的电子转移给草酰乙酸，形成苹果酸。苹果酸跨过线粒NADH。草酰乙酸并不跨过内膜进入细胞质，而是进行转氨基反应（p656)形成天冬氨酸。天冬氨酸与18.36苹果酸-ATP-ADPADPATPADP转化成ATP。但是ADP和ATP不能自由跨过线粒体内膜。这种带有多个负电荷的物质如何跨过内膜进入细胞质？特殊的蛋白，即ATP-ADP转位酶(translocase)使这些分子能够跨过这个渗透性。尤其重要的是，ADP和ATP的流动是偶联的。只有在ATP外排的情况下，ADP才能进入线粒体。这个过程由转位酶执行。这个转位酶是一种反向器(antiporter)。ADP3－cytosm+ ADP3－matrix+ATP4－cytoATP-ADP转位酶含量丰富，约占线粒体内膜蛋白含量的15%。丰富含量表明人类有能力每天交换相当于体重的ATP量。30kD的转位酶只有一个核苷酸结合位点，这个结合位点所面向的面在细胞质和线粒体基质发生转换（18.37）。ATPADPMg2+。ATPADP多一个负电荷，因此呼吸线粒体的膜电势是正值，有助于线粒体派出ATP，引入ADP。ATP-ADP1/4的能量18.37线粒体ATP-ADP转位酶。ADP进入基质和ATP用于转运代谢物的线粒体器的常有三元结构（tripartiteATP-ADP100图18.38线粒体器结构。此处显示的是ATP-ADP转位酶的结构。注意该结构有三个类似的单元（分体与ATP-ADP转位酶协同作用，进行H2PO4－和OH－的电中换。两个器联合作用，将细胞质ADP和磷酸与基质ATPH+（OH－)ATP合成酶提供底物的这两种器与ATP合成酶结合，形成一个大复合体，称之为ATP合成体（ATPsynthasome)。图18.39线粒体器。这些器（也称为载体）是跨膜蛋白，携带特定的离子和带电代谢物跨过线粒质的磷酸进行交换。三羧酸载体进行柠檬酸和H+与苹果酸交换。线粒体酸载体执行细胞质酸和线粒体OH－交换。总共有40多种载体是人组编码的。细胞呼吸主要受ATP细胞呼吸的种产物是ATP。ATP30分子现在估计一下葡萄糖彻底氧化成CO2和H2O能产生多少ATP分子。糖酵解和柠檬酸循环索产生的ATP（或GTP）数量是明确的，但是氧化磷酸化产生ATP的数量数据不是很准确，原因在于质子泵出、ATP合成、代谢物的化学定量关系有待固定。如同早前所述，每对电子跨过呼吸链的NADH-Q氧化还原酶、Q-细胞色素cc4个、243个质子经过ATP合成酶回流到基质能合成一个ATP分子，还有一个质子在ATP到细胞质的过程中被消NADH的质子传递给O22.5分子ATP。在Q-c氧化酶处进入电子呼吸链的电子，如琥珀酸氧化和细胞质NADH的电子，一对电子智能产生1.5分子ATP。因此，一个葡萄糖分子彻底氧化，产生的ATP30个（18.4）36ATP分子。大多数ATP由氧化26～302分子ATP。持久运动，即体育锻炼的人，其肌肉的线粒体数量和血管（供氧）数量增加，因此能够提升氧化磷酸化提供ATP的水平。这个事实显示细胞氧化磷酸化速率取决于ATP氧化磷酸化速率如何控制？在大多数生理条件下，电子与磷酸化紧密偶联。除非同时将ADP转化成ATP，否则电子不会经过呼吸链传递给O2ADP浓度升高（如活跃运动的肌肉），氧化磷酸化速率增加以满足肌肉的ATP需求。ADPADP转化成ATP18.40呼吸控制。ADPO2FADH2。由于参与反应的NAD+和FAD量少，柠檬酸循环慢。ADP水平增加，氧化磷酸化速度快，NADH和FADH2被消耗，柠檬酸循环速率增加。除非需要合成ATP，否则不能将分子的电子传递给O2。此处又是一个利用能荷进行调节的实例（18.41）图18.41能荷调节的利用。ADP和Pi合成ATP的过程控制电子自NADH和FADH2向O2的流动。而可用的NAD+和FAD数量能控制柠檬酸循环的效率。发（这些气味增加昆虫前来进行虫媒授精。在动物，棕色脂肪是nonshiveringthermogenesis进行这一过粒体内膜有大量的区偶联蛋白（UCP-1）。UCP-1或thermogenin33kD亚基构成的二聚体，与ATP-ADP转位酶相似。UCP-1构成细胞质质子向线粒体基质内流的途径。本质上UCP-1通过线粒体质子电池短路产生热量。通常为ATP捕获的质子梯度能量，在UCP-1接到的质子向线粒体内流的过程中以热量的形式动员脂肪水解释放脂肪酸，进而激活thermogenin（18.42）18.42解偶联蛋白的作用。解偶联蛋白(UCP-1)ATP时细胞质的质子回流到线粒体基质，产UCP-1UCP-2UCP-156%的一致性UCP-3UCP-157%UCP-2的序列一致性达73%。解偶联蛋白，尤其是UCP-2和-3可能参与体内热量稳定。实际上，UCP-2和UCP-3的就止NADH-Q氧化还原酶进行的电子传递，进而NADH充当该酶的底物（图18.43）。相反，琥珀酸氧化的电子流动则不受影响（NADH-Q氧化还原酶下游，不受异戊巴比妥影响。抗霉素（antimycin)C干扰Q-细胞色素c氧化还原酶从细胞色素bH的流出。而且，最后阶段的电子流，即细胞色素c氧化酶，也能被CN－，叠氮阴离子（N3－），和CO抑制。CN－N3－a3的三价铁离子（ferric）CO与二价铁离子（ferrous）反应。由于无法形成质子梯度，因此不能形成ATP。18.43ATP合成酶的抑制。寡霉素（oligomycin）是对抗真菌的抗生素，和二环己基碳二亚胺（DCCD，p91)质子流过ATP合成酶。如果活跃呼吸的线粒体于ATP合成酶的这些抑制剂中，电子呼吸链就停止工作。这个观察清楚说明电子传递与ATP合成在正常情况下是紧密偶联的。解除ATP合成与呼吸链之间的偶联。2,4-二酚和一些酸性化合物能够解除线粒体电子传递和剂，NADHO2的速率正常，但是线粒体ATPATP（因为线粒体内膜跨膜质子梯度持续散失。呼吸控制的丧失导致氧消耗和NADH氧化速率的增加。实际上偶尔进食了解偶联剂，能消耗大量代谢，但不能将能源捕获生成ATP，而是以热量形式释放。DNP是一些草药和抗真菌剂的活性成分。虽然1938年FDA使用DNP，但还是有人用DNP作为减肥药物。还有人曾用DNP作为度过漫长严冬的保暖药物。化学解偶联试剂的解偶联作用与解偶ATP外输的抑制。很低水平的苍术苷（attractyloside)(一种植物的糖苷）或bongkrekic（从蘑菇分离的一种抗生素）能特异抑制ATP-ADP转位酶。当ATP-ADP转位酶的核苷酸结合位点面向细胞质时，能够结合苍术苷；而ATP-ADPbongkrekic。加入这类抑制剂，氧化磷酸化马上停止，说明ATP-ADPADP接受质子驱动力能量10～15，与肌肉营养不良(musculardystrophy)比例相当。人类发现的第一例线粒体疾病是LHON(Leberhereditaryopticneuropathy)