【文章內容簡介】 1 化學滲透假設及質子運動勢 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 72 化學滲透假設 電子傳遞鏈成員、 ATP合成酶 以及載體蛋白在膜上的分布 質子運動勢 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 73 化學滲透假設 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 74 化學滲透假設的要點： ①生物膜具有拓撲學的完整性，它對離子， 特別是 H+和 OH離子是不通透的（借助 特異的交換系統(tǒng)才能跨膜輸送）； ②膜結構（蛋白質和脂質分布）的不對稱 性導致膜功能的方向性； ③電子在電子傳遞鏈上的傳遞導致質子向 膜外排放； ④膜上嵌有用于質子跨膜的 ATP磷酸化酶 （ ATP合成酶）。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 75 電子傳遞鏈、 ATP 合成酶以及 載體蛋白在膜上的分布 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 76 由磷脂雙分子層組成的單位膜中相對固定地鑲嵌著電子傳遞鏈的成員、ATP合成酶及載體蛋白。電子傳遞鏈是一系列相互作用的多肽。它們各自形成的氧化還原電極對還原電位的高低順序，以及它們在膜上的空間關系的相對固定，為電子在電子傳遞鏈上按相對固定的順序流動提供了保證。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 77 呼吸鏈的主要成分是具有輔基的載體蛋白，這些輔基的氧化還原電位處于 NAD+ 和分子氧之間，在真核微生物的線粒體膜和細菌的細胞質膜上， NADH的電子經還原電位逐步提高的一連串載體，一直傳送到分子氧。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 78 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 79 左圖描繪了大腸桿菌細胞質膜的情況：由磷脂雙分子層組成的單位膜中相對固定地鑲嵌著電子傳遞鏈的成員、ATP合成酶及載體蛋白。電子傳遞鏈在圖中被描繪成一系列相互作用的蛋白質。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 80 從圖可見， ATP酶的 F1亞基不是被包埋在膜的磷脂雙分子層中，而是緊貼于膜上，是膜的周邊蛋白。電子傳遞鏈的組分如黃素蛋白、鐵硫蛋白、細胞色素 b 、 細胞色素 o 等，被包埋在磷脂雙分子層中，屬整合蛋白。像 ATP 合成酶的 F0 亞基和β半乳糖苷透性酶 （ 乳糖 / H+ 同向輸送的載體蛋白 ）， 這類用于輸送的載體蛋白穿透整個磷脂雙分子層結構，又被稱為膜輸送蛋白。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 81 FMN FMNH2 氧化型 還原型 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 82 AMP FMN FADH FAD 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 83 不同形式的鐵硫蛋白 蛋白質 蛋白質 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 84 醌 （ CoQ） 半醌 氫醌 （ CoQ H2） 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 85 a型血紅素 b型血紅素 c型血紅素 細胞色素氧化酶的 Cyt a 和 Cyt a3中的鐵卟啉 CoQH2Cyt c 還原酶復合物的 Cyt b562 和 Cyt b566 中的鐵卟啉 CytC 和 CytC1中的鐵卟啉 細胞色素中的鐵卟啉 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 86 大腸桿菌細胞質膜上輸送蛋白、電子傳遞鏈和 ATP酶，及它們各自的功能的示意圖。 圖中： 1,黃素蛋白； 2,鐵硫蛋白； 3,細胞色素 b。 4,細胞色素 o。 5/6,ATP酶； 7,輸送蛋白。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 87 真核細胞線粒體上的電子傳遞鏈及 ATP酶 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 88 質子運動勢 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 89 質子運動勢（ proton motive force，簡稱 pmf ） , 是參照電動勢（ electron motive force） 漢譯的。質子運動勢和電動勢的單位都是伏特。 根據化學滲透假設， 膜對質子是不透的，電子傳遞質子泵、 ATP 酶質子泵的運轉 在膜兩邊建立了質子運動勢。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 90 質子運動勢 Δp ， 一般由電分量（電荷因子） ΔΨ 和化學分量（濃度因子） － Z（ ΔpH ） 兩項組成： Δp = ΔΨ － Z（ ΔpH ） 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 91 上式中， ΔΨ 代表跨膜電位 ；－ Z（ ΔpH ） 代表膜兩邊 H+濃度差引起的電位差的。 Δp = p外 － p內 ， ΔΨ = Ψ外 － Ψ內， ΔpH = pH外 — pH內 Z是將 pH值轉變?yōu)殡妱輪挝坏霓D換系數。 Z = RT/ F， 30℃ 時， Z = 60 mV。 R為摩爾氣體常數 [ J（ mol 176。 K） 1]、 T為絕對溫度（176。 K）、 F為法拉第常數（ 104 Cmol1）。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 92 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 93 熱力學第一定律告訴我們，能量既不可能創(chuàng)生也不可能消滅，只能從一種形式的能量轉變成另一種形式的能量。微生物的代謝能來自化學能或光能，對于化能異養(yǎng)型微生物來說只能來自生物氧化過程中釋放的化學能。代謝能的兩種主要形式 ATP 和 Δp 的關系就類似于貨幣與銀行的關系。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 94 電子在電子傳遞鏈上的傳遞建立 Δp ATP的形成與電子傳遞磷酸化的產率 胞內 pH值自動（調節(jié)）動態(tài)平衡 化學滲透質子回路及其功能的有關討論 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 95 電子在電子傳遞鏈上的傳遞 和 Δp 的建立 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 96 ++++ －－－－ NADH + H+ NAD+ Q QH2 2H+ 2H+ 2H+ FMN FeSP b do 189。 O2 + 2H+ H2O 2e 2e 2e 質膜 胞外 胞內 2 H2O 2 OH 大腸桿菌質膜上的電子傳遞鏈及質子泵出機制 返回 NADH脫氫酶的組成部分 細胞色素氧化酶 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 97 細菌細胞膜內側的一個 H+及由 NAD+運載的氫負離子（ 包含一個 H+和一對電子 ）首先被傳送到橫跨在膜上的 NADH 脫氫酶的組分 黃素蛋白 ，把它的輔基 FMN 還原成 FMNH2； 接著，已傳送到 FMNH2 的這一對電子通過 NADH脫氫酶的另一組分 鐵硫蛋白返回到細胞膜的內表面，而 2 個 H+則被留在細胞膜的外側的水相中，與此同時 FMNH2被再生為 FMN。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 98 電子載體鐵硫蛋白得到的這對電子與細胞質內的 2 個 H+ 一起， 把 1 分子泛醌（ CoQ） 還原成氫醌（ CoQH2）； 帶著這對電子和這 2 個 H+的氫醌將這對電子交給貼近膜外側的細胞色素 b， 把這 2 個 H+釋放到胞外，自身又回復成泛醌；然后，細胞色素 b 又把這對電子傳遞給細胞色素 o（ 細胞色素氧化酶）。最后，傳遞到細胞色素 o 的這對電子還原胞內的分子氧，同時消耗膜內側 2 個 H+， 生成水。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 99 由此可見在大腸桿菌中借助電子傳遞鏈每氧化 1分子 NADH， 就有 4個 H+被轉移出去。 H+的轉移在膜兩邊形成質子梯度，蘊藏在這個梯度中的能量可用于推動各種細胞過程。例如，在酵母細胞質中 2 個 H+通過 ATP合成酶進入線粒體，可驅動 1 分子 ATP的合成，質子梯度能驅動某些糖和氨基酸的簡單主動輸送，驅動細菌鞭毛旋轉等。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 100 從以上分析得知，在電子傳遞磷酸化的電子傳遞過程中，像泵一樣把質子泵出細胞。 每當電子從氫載體傳到電子載體時，把質子留在膜外，當電子從電子載體傳到氫載體時，從膜內側吸取質子，完成質子泵的功能。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 101 細菌細胞質膜（左）和真核細胞的線粒體內膜（右）上的電子傳遞過程的比較圖 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 102 對大腸桿菌細胞質膜來說， NADH所負載的一對電子在經電子傳遞鏈傳到最終電子受體分子氧的過程中，只能泵出 4 個 H+； 而在酵母細胞中經線粒體上的電子傳遞鏈（其細胞色素系統(tǒng)比細菌的細胞色素系統(tǒng)復雜），一共可泵出 6 個 H+。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 103 有些化能自養(yǎng)型的細菌以硫化物、硫、亞硝酸等還原性化合物為氫供體（能源），由于這些氫供體各自形成的氧化還原對的還原電位比 NAD+/NADH+H+ 的還原電位高， 它們在熱力學上不可能直接還原 NAD+， 故假設在這些細菌中 NAD（ P） + 的還原只能由 ATP驅動的 反向電子傳遞 來完成。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 104 在這種情況下，微生物細胞依賴于電子反向傳遞而形成 的 NAD（ P） H + H+來把 CO2 （ 碳源 ）還原成有機化合物 。而 ATP的合成則借助于電子傳遞鏈后段的順向電子傳遞。 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 105 ATP的形成與電子 傳遞磷酸化的產率 2022/2/11 張星元：發(fā)酵原理 106 電子傳遞通常與 ATP的合成緊密耦合。只有當電子傳遞鏈發(fā)生并提供了質子梯度時， ATP才得以生成； 只有當 ADP 同時被磷酸化成ATP時，電子才經電子傳遞鏈流向氧。 氧化磷酸化的實際速率取決于細胞內可利用的 ATP的量（濃度）。 2022/2/11 張