Cytosol Intermembrane space H H' H' PH7 H' Concentration Electric gradient potential pH8 H H' Matrix 22 图7-12化学渗透学说 根据“化学渗透假说”，当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧(M 侧)泵至膜间隙（胞质侧或C侧），由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙 的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成p州梯度（△pH)及电位梯度（Ψ），两者共同构成 电化学梯度（图7-12），即质子动力势（△P)。 △P=Ψ-(2.3RTF)△pH 其中T为绝对温度，R为气体常数，F为法拉第常数。大量实验表明，当温度为25℃时 △P=Ψ-59△pH,△P的值为220mV左右。 质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使ATP酶的构象发生改变，将 ADP和Pi合成ATP。 (二)ATP合酶的结构和作用机理 ATP合酶(ATP synthetase,图7-13)，分子量500KD,状如蘑菇。分为球形的F1 (头部)和嵌入膜中的F0(基部)，它可以利用质子动力势合成ATP,也可以水解ATP,转
图 7-12 化学渗透学说 根据“化学渗透假说”，当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧（M 侧）泵至膜间隙（胞质侧或 C 侧），由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙 的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成 pH 梯度（△pH）及电位梯度（Ψ），两者共同构成 电化学梯度（图 7-12），即质子动力势（△P）。 △P=Ψ-(2.3RT/F)△pH 其中 T 为绝对温度，R 为气体常数，F 为法拉第常数。大量实验表明，当温度为 25℃时 △P=Ψ-59△pH，△P 的值为 220mV 左右。 质子沿电化学梯度穿过内膜上的 ATP 酶复合物流回基质，使 ATP 酶的构象发生改变，将 ADP 和 Pi 合成 ATP。 （二）ATP 合酶的结构和作用机理 ATP 合酶（ATP synthetase， 图 7-13），分子量 500KD，状如蘑菇。分为球形的 F1 （头部）和嵌入膜中的 F0（基部），它可以利用质子动力势合成 ATP，也可以水解 ATP，转
运质子，属于F型质子泵。每个肝细胞线粒体通常含15000个ATP合酶、每个酶每秒钟可产 生100个ATP。 F1由5种多肽组成a3β3Yδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个B亚基具有 个)。a和B单位交替排列，状如桔瓣。Y贯穿α邱复合体（相当于发电机的转子），并与Fo 接触，ε帮助Y与Fo结合。δ与Fo的两个b亚基形成固定a邱复合体的结构（相当于发电机的 定子)。 Rotation H 图7-13ATP合酶的结构（引自Lodish等1999） F0由三种多肽组成b2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子 通道，可使质子由膜间隙流回基质。 1979年代Boyer P提出构象耦联假说，一些有力的实验证据使这一学说得到广泛的认 可。其要点如下： 1·ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形 成ATP(图7-14)。 2,F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的 亲和力不同。在L构象(loose),ADP、Pi与酶疏松结合在一起；在T构象((tight)底物 (ADP、Pi)与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象(open) ATP与酶的亲和力很低，被释放出去
运质子，属于 F 型质子泵。每个肝细胞线粒体通常含 15000 个 ATP 合酶、每个酶每秒钟可产 生 100 个 ATP。 F1由 5 种多肽组成 α3β3γδε 复合体，具有三个 ATP 合成的催化位点（每个 β 亚基具有一 个）。α 和 β 单位交替排列，状如桔瓣。γ 贯穿 αβ 复合体（相当于发电机的转子），并与 F0 接触，ε 帮助 γ 与 F0结合。δ 与 F0的两个 b 亚基形成固定 αβ 复合体的结构（相当于发电机的 定子）。 图 7-13 ATP 合酶的结构（引自 Lodish 等 1999） F0由三种多肽组成 ab2c12复合体，嵌入内膜，12 个 c 亚基组成一个环形结构，具有质子 通道，可使质子由膜间隙流回基质。 1979 年代 Boyer P 提出构象耦联假说，一些有力的实验证据使这一学说得到广泛的认 可。其要点如下： 1．ATP 酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化 ADP 与 Pi 形 成 ATP（图 7-14）。 2．F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的 亲和力不同。在 L 构象（loose），ADP、 Pi 与酶疏松结合在一起；在 T 构象（tight）底物 （ADP、 Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在 O 构象（open） ATP 与酶的亲和力很低，被释放出去
3.质子通过Fo时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动Y亚基旋转，由于Y亚基的端部 是高度不对称的，它的旋转引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化(L、T、O)，不断将 ADP和Pi加合在一起，形成ATP。 ADP+P ADP+P ADP+PN ADP +P Energy-120 ATP formation Energy-120 rotation ofy in T site rotation of y H,O ADP◆P 图7-14ATP合酶三种构象的交替改变（引自Lodish等1999） 支持构象耦联假说的实验有： 1.日本的吉田(Massasuke Yoshida)等人将a3β3y固定在玻片上，在Y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Y亚基带动 肌动蛋白纤维旋转（图7-15）。 Actin filament 图7-15y亚基旋转的观察（引自Lodish等1999） 2.在另外一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白连接到ATP合酶的Fo亚基上，在ATP存 在时同样可以观察到肌动蛋白的旋转。 (三)氧化酸化抑制剂 1.电子传递抑制剂 抑制呼吸链的电子传递。包括以下类型：
3．质子通过 F0时，引起 c 亚基构成的环旋转，从而带动 γ 亚基旋转，由于 γ 亚基的端部 是高度不对称的，它的旋转引起 β 亚基 3 个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将 ADP 和 Pi 加合在一起，形成 ATP。 图 7-14 ATP 合酶三种构象的交替改变（引自 Lodish 等 1999） 支持构象耦联假说的实验有： 1．日本的吉田（Massasuke Yoshida）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（图 7-15）。 图 7-15 γ 亚基旋转的观察（引自 Lodish 等 1999） 2．在另外一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白连接到 ATP 合酶的 F0亚基上，在 ATP 存 在时同样可以观察到肌动蛋白的旋转。 （三）氧化磷酸化抑制剂 1．电子传递抑制剂 抑制呼吸链的电子传递。包括以下类型：
①抑制NADH→CoQ的电子传递。如：阿米妥(amytal))、鱼藤酮(rotenone)、杀粉蝶素A (piericidin)。 ②抑制Cyt b-Cyt c1的电子传递。如：抗霉素A(antinomycin A)。 ③抑制细胞色素氧化酶→O2。如：CO、CN、NaN3、H2S。 电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序，当呼吸链某一特定部位被抑制 后，底物一侧均为还原状态，氧一侧均为氧化态，可用分光光度计检测，因为电子传递链组分 氧化态和还原态具有不同的吸收峰。 2.磷酸化抑制剂 与Fo结合结合，阻断H通道，从而抑制ATP合成。如：寡霉素(oligomycin)、二环 己基碳化二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide,DCC): 3.解偶联剂(uncoupler) 使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可以进行，而磷酸化不能进行，解偶联剂为离子载体或 通道，能增大线粒体内膜对H的通透性，消除H梯度，因而无ATP生成，使氧化释放出来的 能量全部以热的形式散发。动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体中有独特的解偶联蛋白 (uncoupling proteins,UCPs),与维持体温有关。常用解偶联剂主要有 质子载体：2,4-二硝基酚(DNP,图7-16)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)。 质子通道：增温素(thermogenin)。 其它离子载体：如缬氨霉素。 某些药物：如过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。 NO2 NO 02N H" OH 图7-16DNP分子结构 四、线粒体的半自主性 1963年M.和S.Nass发现线粒体DNA(mtDNA)后，人们又在线粒体中发现了 RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖体、氨基酸活化酶等进行DNA复制、转录和 蛋白质翻译的全套装备，说明线粒体具有独立的遗传体系
① 抑制 NADH→CoQ 的电子传递。如：阿米妥(amytal)、鱼藤酮（rotenone）、杀粉蝶素 A （piericidin）。 ② 抑制 Cyt b→Cyt c1的电子传递。如：抗霉素 A(antinomycin A)。 ③ 抑制细胞色素氧化酶→O2。如：CO、CN、NaN3、H2S。 电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序，当呼吸链某一特定部位被抑制 后，底物一侧均为还原状态，氧一侧均为氧化态，可用分光光度计检测，因为电子传递链组分 氧化态和还原态具有不同的吸收峰。 2．磷酸化抑制剂 与 F0结合结合，阻断 H+通道，从而抑制 ATP 合成。如：寡霉素（oligomycin）、二环 己基碳化二亚胺(dicyclohexyl carbodiimide，DCC)： 3．解偶联剂（uncoupler） 使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可以进行，而磷酸化不能进行，解偶联剂为离子载体或 通道，能增大线粒体内膜对 H+的通透性，消除 H+梯度，因而无 ATP 生成，使氧化释放出来的 能量全部以热的形式散发。动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体中有独特的解偶联蛋白 (uncoupling proteins， UCPs)，与维持体温有关。常用解偶联剂主要有： 质子载体： 2，4-二硝基酚(DNP，图 7-16)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)。 质子通道：增温素（thermogenin）。 其它离子载体：如缬氨霉素。 某些药物：如过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。 图 7-16 DNP 分子结构 四、线粒体的半自主性 1963 年 M. 和 S. Nass 发现线粒体 DNA（mtDNA）后，人们又在线粒体中发现了 RNA、DNA 聚合酶、RNA 聚合酶、tRNA、核糖体、氨基酸活化酶等进行 DNA 复制、转录和 蛋白质翻译的全套装备，说明线粒体具有独立的遗传体系