Chapter5Oxidativephosphorylation

氧化磷酸化生物氧化的三個階段

氧化磷酸化——NADH和FADH2的電子通過一系列電子傳遞載體傳遞給O2，由此產(chǎn)生一個跨膜的質(zhì)子梯度使ADP磷酸化形成ATP。

Oxidativephosphorylationisconceptuallysimpleandmechanisticallycomplex!5.1氧化還原電勢5.2線粒體與氧化磷酸化5.3電子傳遞過程和呼吸鏈5.4氧化磷酸化的偶聯(lián)與ATP合成的機制5.5質(zhì)子梯度的其它用途5.6通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)運輸5.7其他線粒體相關(guān)問題5.1氧化還原電勢（Oxidation-reductionpotential）氧化還原反應(yīng)氧化還原電子對電極電勢、標(biāo)準(zhǔn)電極電勢、標(biāo)準(zhǔn)還原勢的定義和意義電勢與自由能的關(guān)系及其意義

氧化還原反應(yīng)A2e+BA+B2eA2e-2e-AB+2e-B2e通常氧化還原反應(yīng)是同時發(fā)生的，但為了方便描述電子的轉(zhuǎn)移，往往把氧化還原反應(yīng)分為兩個半反應(yīng)（half-reaction）。e-e-Reduced

還原型(電子供體)Oxidized

氧化型(電子受體)某一化合物的氧化型和還原型，稱為一對氧化還原對（redoxpair）

。如Zn/Zn2+，Cu2+/Cu。電極電勢代表著氧化還原對得失電子的能力。低電極電勢的氧化還原對傾向于失去電子，

高電極電勢的氧化還原對傾向于得到電子。低電極電勢高電極電勢如何測定電極電勢？

ε＝E正極－E負(fù)極電極電勢的測定以標(biāo)準(zhǔn)氫電極（H+/H2）為參照，根據(jù)以上公式計算。

標(biāo)準(zhǔn)電極電勢（ε0

）

ε0

＝E0正極－E0負(fù)極（電解質(zhì)溶液為1質(zhì)量摩爾濃度，測定條件為25oC，

pH=0）

一對氧化還原對的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢（E0）通過把氧化還原對和標(biāo)準(zhǔn)氫電極（H+/H2）組成原電池來測定。

在生物化學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)電極電勢的測定條件是pH7.0，又稱為標(biāo)準(zhǔn)還原勢（E’0），代表著一對氧化還原對對電子的相對親和力（affinity），即E’0

低，傾向于失去電子，E’0

值高，傾向于得到電子。如何從標(biāo)準(zhǔn)還原勢（E’0

）判斷氧化還原反應(yīng)方向？電子是從低E’0的氧化還原對流向高E’0的氧化還原對。即低E’0的氧化還原對的還原型失去電子，高E’0的氧化還原對的氧化型得到電子。電勢與自由能的關(guān)系在生物化學(xué)反應(yīng)中，自由能變化意味著一個體系轉(zhuǎn)移電子的能力。自由能變化越大，體系轉(zhuǎn)移電子的能力越強。5.2線粒體與氧化磷酸化線粒體的結(jié)構(gòu)外膜（outmembrane）內(nèi)膜（innermembrane）：向內(nèi)折疊為嵴（cristae）膜間腔（intermembranespace）基質(zhì)（matrix）線粒體是真核細(xì)胞氧化磷酸化的部位，在細(xì)胞內(nèi)的分布通常與能量的產(chǎn)生和利用相關(guān)。Mitochondrion——powerhouseofthecellPsideNsideCristae(theconvolutedinnermembraneofmitochondria)iswheretherespiratorychainislocated.5.3電子傳遞過程和呼吸鏈5.3.1

呼吸鏈的概念呼吸鏈：指催化氫（包括電子）傳遞的酶及輔酶/輔基的連鎖反應(yīng)體系，它們按電子親和力遞增的順序排列。

5.3.2

呼吸鏈的分布部位在原核細(xì)胞位于質(zhì)膜，在真核細(xì)胞位于線粒體的內(nèi)膜。5.3.3與呼吸鏈相關(guān)的電子載體電子載體傳遞電子方式：作為氫原子（H＋＋e-），如FAD/FADH2。作為氫負(fù)離子（:H-或者H＋＋2e-），如NAD+/NADH。單純電子（e-

），如Fe2+/Fe3+。

電子載體吡啶核苷酸類（pyridinenucleotide）

NAD+，NADP+大多數(shù)脫氫酶以NAD+為輔酶，有的以NADP+為輔酶，極少數(shù)能用NAD+或NADP+兩種輔酶。一般說，用于分解代謝的脫氫酶以NAD+為輔酶，NADPH多用于合成代謝。NAD(P)+是水溶性載體，可與相應(yīng)的脫氫酶可逆結(jié)合，甚至轉(zhuǎn)移到另一種脫氫酶。NAD(P)+-脫氫酶NAD(P)+既存在于胞液中，又存在于線粒體中，彼此不能自由通過線粒體內(nèi)膜(見5.6)。某一部位的NAD(P)+只能與該部位的脫氫酶結(jié)合。NAD(P)+以氫負(fù)離子形式傳遞電子。NAD(P)H在340nm處有光吸收，

NAD(P)+則沒有。NAD(P)+傳遞電子機制H＋＋2e-H＋:H-Absorptionspectra黃素核苷酸類（flavinnucleotide）

FMN，F(xiàn)AD

FMN/FAD與蛋白質(zhì)結(jié)合緊密（有時候是共價結(jié)合），因而結(jié)合蛋白通稱為黃素蛋白（flavoprotein）。黃素蛋白的還原電勢取決于結(jié)合的蛋白質(zhì)，F(xiàn)MN/FAD只是黃素蛋白的活性部位（activesite）。(與NAD(P)+不同)

FMN/FAD以氫原子形式傳遞電子。氧化型FMN/FAD一般在接近570nm處有最大吸收峰，還原型FMNH2/FADH2最大吸收峰偏移至450nm。H＋＋e-H＋＋e-HH半醌型FMN/FAD傳遞電子機制輔酶Q（coenzymeQ,orQ）又稱泛醌（ubiquinone），脂溶性化合物。CoQ在線粒體內(nèi)膜中以膜結(jié)合和游離兩種形式存在。(amobileelectron/protoncarrier)在電子傳遞鏈，CoQ處于中心位置，接受多種黃素蛋白類脫下的氫原子，在黃素蛋白類與細(xì)胞色素類之間作為一種靈活的載體起作用。對質(zhì)子移動和電子傳遞的偶聯(lián)起重要作用（見5.3.4Qcycle）。

CoQ以氫原子形式傳遞電子。CoQ傳遞電子機制HH細(xì)胞色素類（cytochromes）根據(jù)吸收光譜的不同，分為細(xì)胞色素a、細(xì)胞色素b和細(xì)胞色素c三類。它們各自的血紅素輔基在結(jié)構(gòu)上有一些差異。細(xì)胞色素類載體單純傳遞電子。每一類細(xì)胞色素的還原型和氧化型的最大吸收峰不一樣。

ProstheticgroupsofcytochromesAbsorptionspectraofcytochromecReducedcytochromeshasthreeabsorptionbandsinthevisiblewavelengthsCyta:~600nm;Cytb:~560nm;Cytc:~550nm

Fe3+Fe2+-e-

Cu+Cu2++e-(復(fù)合體Ⅳ)cytochromes傳遞電子機制

鐵硫蛋白（iron-sulfurprotein,Fe-Sprotein）在電子傳遞鏈中，還有一類鐵不是存在于血紅素輔基中，而是與無機硫（S）原子或/和蛋白質(zhì)分子中的Cys殘基的S原子相連，這種結(jié)構(gòu)稱為鐵硫中心（iron-sulfurcenter,Fe-Scenter）。結(jié)合蛋白質(zhì)稱為鐵硫蛋白。Fe-Scenter結(jié)構(gòu)有很多種，由此構(gòu)成不同的Fe-Sprotein。電子傳遞鏈至少有8種Fe-Sprotein。鐵硫蛋白載體單純傳遞電子。Fe-Scenters2Fe-2S4Fe-4SFeS

Fe3+Fe2++e-

鐵硫蛋白傳遞電子機制

5.3.4呼吸鏈的組成和電子傳遞呼吸鏈由4個大的多蛋白復(fù)合體(I,II,III,和IV;其中3個為質(zhì)子泵)，以及兩個可移動電子載體輔酶Q和細(xì)胞色素c組成。呼吸鏈中蛋白的輔基包括flavins(FMN,FAD),hemes(hemeA,ironprotoporphyrinIX,hemeC),iron-sulfurclusters(2Fe-2S,4Fe-4S),andcopper。復(fù)合體I(NADHdehydrogenase):NADH

進(jìn)入呼吸鏈，最后電子傳遞到Q。

又稱NADH:ubiquinoneoxidoreductaseorNADH-Qreductase。復(fù)合體呈“L”型，是由43個不同的亞基組成的多聚體，分子量達(dá)850kD。(largerthanaribosome!)放能的電子傳遞與需能的質(zhì)子泵出偶聯(lián)(每對電子傳遞使4H+

從基質(zhì)泵出到膜間腔)，機制未明。最后電子受體是Q，QH2可移動到復(fù)合體Ⅲ

。

NADH+5H+N+QNAD++QH2+4H+P放能反應(yīng)Inhibitor:amytal阿米妥rotenone魚藤酮piericidinA粉蝶霉素A

NADHQ魚藤復(fù)合體II(succinatedehydrogenase):黃素蛋白的輔基FADH2

將電子傳遞到Q。由4條多肽鏈組成。Structurewasdeterminedin2005。其他黃素蛋白，如fattyacyl-CoAdehydrogenase（見第8章）和glycerol3-phosphatedehydrogenase（見5.6），與線粒體內(nèi)膜結(jié)合，把電子收集到FADH2，然后傳遞到Q生成QH2。電子傳遞的能量不足以使質(zhì)子泵出。ComplexIIstructure（ZiheRao,2005）清華大學(xué)饒子和教授Inhibitor:malonate丙二酸

FADH2Q復(fù)合體III(ubiquinone:cytochromecoxidoreductase):電子從QH2

傳遞到cytochromec。又稱cytochromecreductaseorcytochromebc1complex。是由11亞基組成的多聚蛋白，分子量達(dá)250kD。Complete3-Dstructurewasdeterminedin1997。

功能核心區(qū)由3個亞基組成:cytochromeb(withtwohemes,bHandbL);anFe-Sprotein;andcytochromec1。電子從QH2傳遞到Cytc

是通過“Qcycle”機制–第一步:QH2把一個電子經(jīng)Fe-Scenter,Cytc1,最后轉(zhuǎn)移到Cytc;

另一個電子經(jīng)bL,bH,最后轉(zhuǎn)移到Q,生成Q.-;原來QH2變成Q。第二步:第二個QH2把一個電子經(jīng)Fe-Scenter,Cytc1,最后轉(zhuǎn)移到Cytc;

另一個電子經(jīng)bL,bH,最后轉(zhuǎn)移到Q.-,生成QH2;原來QH2變成Q。總反應(yīng)是QH2分兩步把電子傳遞到Cytc。放能的電子傳遞與需能的質(zhì)子泵出偶聯(lián)(每對電子傳遞使4H+

從基質(zhì)泵出到膜間腔)。Cytochromec是一個可溶性蛋白，位于內(nèi)膜膜間腔側(cè)，

可將把電子傳遞到復(fù)合體IV。Cytochromebc1complex(complexIII)ThethreecoresubunitscomplexIII

QcycleInhibitor:antimycinA抗霉素A

QH2Cytc復(fù)合體IV(cytochromeoxidase):電子從Cytc

轉(zhuǎn)移到O2。又稱cytochromeaa3complex。是由13個亞基組成的多聚蛋白，分子量達(dá)204kD。Thestructureofbovinecytochromeoxidasewasdeterminedin1996。

起重要功能的是三個亞基，電子載體包括:Threecopperions(2CuA,1CuB),twohemeAgroups(aanda3)。還原1分子O2需要4個電子和4個質(zhì)子，生成2分子H2O。這是在Fe-CuB活性中心(Fe-CuBcenter)通過過氧中間體(peroxyintermediate)實現(xiàn)的。還原1分子O2所需的4個“底物”質(zhì)子來自于基質(zhì)(Nside)。放能的電子傳遞與需能的質(zhì)子泵出偶聯(lián)(1個電子傳遞使1個H+

從基質(zhì)泵出到膜間腔)。Thethreecriticalsubunitsofcytochromeoxidase(complexIV)2CuACuBHemeaHemea3CuACuACytochromeoxidasemechanismPeroxidebridge4Cytred+8H+N+O24Cytox+4H+P+2H2O放能反應(yīng)complexIVInhibitor:CO，CN-（課后思考題）

還原型CytcO2SummaryTherespiratorychainconsistsoffourcomplexes(I,II,III,andIV)ComplexI(NADHdehydrogenase):NADHentersthechainandfinalelectronacceptorisQ.ComplexII(succinatedehydrogenase):FADH2offlavoproteinsalsotransfertheirelectronstoQ.ComplexIII(ubiquinone:cytochromecoxidoreductase):ElectronsofQH2istransferredtocytochromec.ComplexIV(cytochromeoxidase):ElectronsofCytcaretransferredtoO2.SummaryAnestimateof10protonsarepumpedforoxidizingoneNADHand6foroneFADH2accompanyingtheelectronsflowthroughtherespiratorychain.Aprotongradientacrosstheinnermembraneofmitochondriaisgenerated.TheenergystoredinsuchanH+gradientcanbeusedtosynthesizeATPortodootherwork.Inactivelyrespiringmitochondria,themeasuredpHisabout0.75anddifferenceinelectricalpotential()isabout0.15-0.2V.TherespiratorychainNADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈。5.3.5呼吸鏈各組分的排列順序（研究方法）電子載體復(fù)合物的分離

4種復(fù)合物可完整地從線粒體內(nèi)膜分離，每種復(fù)合體都有特定的電子供體和電子受體，間接說明呼吸鏈各成分是有序的。Separationoffunctionalcomplexesoftherespiratorychain.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)還原勢（E’0

）電子從還原勢低的載體流向還原勢高的載體。ElectroncarriersmayhaveanorderofincreasingE`0氧化動力學(xué)研究通過吸收光譜變化來判斷呼吸鏈各電子載體的氧化或還原狀態(tài)。如果將O2（electronacceptor）供給完全處于還原態(tài)的呼吸鏈，呼吸鏈上的各個電子載體按順序被氧化。首先是cytaa3，依次向前推是cytc、cytb，最后是NADH。電子傳遞的抑制劑電子傳遞的抑制劑:能夠?qū)Ｒ恍宰钄嗪粑溨心骋徊课浑娮觽鬟f的化學(xué)物質(zhì)。原理:阻斷位點前的組分處于還原狀態(tài),

阻斷位點后的組分處于氧化狀態(tài)。

Variousinhibitorsgeneratevariouspatternsofreduced/oxidizedcarriersReducedOxidizedReducedOxidizedReducedQ：在底物和氧的存在下，請根據(jù)表中三種不同抑制劑阻斷呼吸作用時所產(chǎn)生的氧化狀態(tài)，確定a，b，c，d四種電子傳遞體的順序和1，2，3三種電子抑制劑的作用位點。表：抑制劑與電子載體氧化百分比的關(guān)系abcd1100100010020001003100001005.3.6電子傳遞過程中活性氧(ReactiveOxygenSpecies,ROS)的產(chǎn)生和去除活性氧是生物體內(nèi)一類高活性（highlyreactive）含氧化合物的總稱。主要包括超氧陰離子、羥自由基和過氧化氫等。ROS的作用具有兩面性。ROS的產(chǎn)生和代謝失衡還與多種疾病有著密切的關(guān)系。.Q-5.4氧化磷酸化的偶聯(lián)與ATP合成的機制

？？電子傳遞——ATP合成

5.4.1氧化磷酸化的偶聯(lián)機制—化學(xué)滲透模型（ChemiosmoticModel）的建立化學(xué)滲透模型由英國科學(xué)家PeterMitchell建立。這一模型被認(rèn)為是20世紀(jì)生物學(xué)最偉大的統(tǒng)一原理之一（oneofthegreatunifyingprinciples）。它揭示了氧化磷酸化、光合磷酸化以及一些跨膜主動運輸、細(xì)菌鞭毛運動等等生命活動過程的本質(zhì)。TheaspectofthepresentpositionofconsensusthatIfindmostremarkableandadmirable,isthealtruismandgenerositywithwhichformeropponentsofthechemiosmotichypothesishavenotonlycometoacceptit,buthaveactivelypromotedittothestatusofatheory.——PeterMitchell,NobelAddress,1978化學(xué)滲透模型:呼吸鏈電子傳遞釋放的能量驅(qū)動質(zhì)子從線粒體內(nèi)膜進(jìn)入線粒體膜間腔，從而產(chǎn)生一個跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度。這種電化學(xué)梯度貯存的能量形成一種質(zhì)子動力(proton-motiveforce)。當(dāng)它驅(qū)動質(zhì)子通過ATP合酶流回線粒體基質(zhì)的同時，催化ATP的合成。ChemiosmoticmodelbyMitchell化學(xué)滲透模型是關(guān)于電子傳遞和ATP合成偶聯(lián)(coupling)的理論。一系列實驗結(jié)果證實這種偶聯(lián)的存在。

ATP合成依賴于線粒體上的電子傳遞(a)。ATPwouldnotbesynthesizedwhenonlyADPandPiareaddedinisolatedmitochondriasuspensions.O2consumption,anindicationofelectronflow,wasdetectedwhenareductant(e.g.,succinate)isadded,accompaniedbyanincreaseofATPsynthesis.BothO2consumptionandATPsynthesisweresuppressedwheninhibitorsofrespiratorychain(e.g.,cyanide,CO,orantimycinA)wasadded.電子傳遞同樣依賴于ATP合成(b)。O2consumptionwasneitherobservedifADPwasnotaddedtothesuspension,althoughareductantisprovided.TheO2consumptionwasalsonotobservedinthepresenceofinhibitorsofATPsynthase(e.g.,oligomycinorventuricidin).ElectrontransferwasfoundtobeobligatorilycoupledtoATPSynthesisinisolatedmitochondriasuspensions:neitheroccurswithouttheother.更多的實驗證據(jù)支持化學(xué)滲透理論。密閉的膜系統(tǒng)對于ATP合成是必需的，但對于電子傳遞則不然。(testedwithdetergentorphysicalshearing).通過實驗可以檢測跨膜的質(zhì)子泵出:當(dāng)電子傳遞發(fā)生時，膜間腔pH下降。

解偶聯(lián)劑使電子傳遞和ATP合成解偶聯(lián)。解偶聯(lián)劑包括:hydrophobicweakacids(DNP(2,4-二硝基苯酚)andFCCP（ρ－三氟甲基苯腙羰基化氰物

）)andionophores(valinomycin(纈霉素))。DNP,ahydrophobicweakacid,uncouplesATPsynthesisfromelectronflow解偶聯(lián)劑（uncouplers）:使電子傳遞和ATP形成兩個過程分離，不抑制電子傳遞過程，只抑制ATP的形成過程，電子傳遞產(chǎn)生的自由能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊?/p>

DNP和FCCP解偶聯(lián)機制：使H+不經(jīng)Fo回流，破壞電化學(xué)梯度，因而不能形成ATP，而是以熱量形式釋放能量。離子載體（ionophores）解偶聯(lián)機制：通過增加線粒體內(nèi)膜對一價陽離子的通透性破壞跨膜電荷梯度，從而影響ATP形成。

DNPandFCCPareabletodissipatetheprotongradient.膜間腔線粒體基質(zhì)纈氨霉素（valinomycin）-K+復(fù)合物親水內(nèi)部疏水基團(tuán)直接的證據(jù)是對化學(xué)滲透學(xué)說的檢測實驗：利用線粒體和葉綠體類囊體，在體外人工制造一個跨膜電化學(xué)梯度，發(fā)現(xiàn)可以驅(qū)動ATP合成。TheartificiallyimposedprotongradientalonewasfoundtodriveATPsynthesis!(Experiment1)(Experiment2)

Theacross-membraneprotongradientwasthusfinallyacceptedasthedrivingforceforATPsynthesis:thechemiosmoticmodelwasacceptedasatheory!5.4.2ATP的合成ATP合酶(ATPsynthase)的發(fā)現(xiàn)1960s，Racker通過EM觀察到，在線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)有大量的圓球突出結(jié)構(gòu)(knoblikeprotrudingstructures)。通過內(nèi)翻的亞線粒體發(fā)現(xiàn)，這些“knobs”可以進(jìn)行電子傳遞和ATP合成。ATPsynthase由兩部分結(jié)構(gòu)組成:F1andFo，也稱為ComplexⅤorFoF1ATPase。當(dāng)突出結(jié)構(gòu)F1

被除去，電子傳遞仍然進(jìn)行，但不能形成質(zhì)子梯度和合成ATP。當(dāng)F1重新組合進(jìn)去，ATP合成又重新開始。(thesolubilizedF1alonecancatalyzeATPhydrolysis,thuswasoriginallynamedasF1ATPase).F1wasthefirstessentialfactoridentifiedforoxidativephosphorylation.Fo

standsforoligomycin-sensitive.ATP合酶（ComplexⅤorFoF1ATPase）Fo：質(zhì)子通道。F1

：合成ATP。體外水解ATP，也稱為F1ATPase。F1（基質(zhì)側(cè)）Fo（內(nèi)膜上）ATP合酶的結(jié)構(gòu)F1部分由5種9個亞基組成:a3b3gde。F1圓球突出部分是由a和b

亞基交替排列組成的六聚體，位于棒狀的g亞基之上。Fo部分由3種亞基組成:ab2c10-12。全部c亞基在膜平面上形成一個圓環(huán)形結(jié)構(gòu)。ge亞基形同

leg-and-foot，緊密結(jié)合在c亞基環(huán)上。Fo的兩個b亞基通過F1的d亞基與ab六聚體相接觸。質(zhì)子通道(protonchannel)位于a亞基和c亞基環(huán)之間。每一個b亞基都有一個ATP合成的催化位點。TheATPsynthasecomprisesaprotonchannel(Fo)andaATPase(F1)ATP合酶的作用機理-結(jié)合變構(gòu)模型(Binding-changemodel)用提純的F1進(jìn)行同位素交換實驗揭示，ATP合成的G`0接近零。通過測定Kd值證實，ATP與酶的親和力比ADP更高。質(zhì)子梯度驅(qū)動ATP從酶表面釋放。The18Oexperiment:TheG`0forATPsynthesisonpurifiedF1isclosetozero!(PaulBoyer)ReleaseofATPfromATPsynthasewasproposedtobethemajorenergybarrierforATPsynthesis

X-ray晶體學(xué)揭示，F(xiàn)1的b亞基有三種不同的構(gòu)象，分別是結(jié)合ADP(alsoL:loose),結(jié)合ATPanalog(alsoT:tight),或者empty(alsoopen)。Rod-shapedgsubunitEachbsununitofATPsynthasecanassumethreedifferentconformations!OLT結(jié)合變構(gòu)模型的關(guān)鍵在于旋轉(zhuǎn)催化機制（Rotationalcatalysismechanism）——3個b亞基處于3個不同的構(gòu)象。當(dāng)質(zhì)子通過Fo驅(qū)動c亞基環(huán)和不對稱g亞基的轉(zhuǎn)動時，促使每個b亞基構(gòu)象發(fā)生改變，依次為結(jié)合ADP+Pi(L),合成ATP(T),釋放ATP(O)，從而使與酶緊密結(jié)合的ATP釋放出來。Binding-changeModelproposedbyPaulBoyer.gggOLT根據(jù)這一模型，F(xiàn)1的g

亞基每次定向轉(zhuǎn)動120o

，而且合成ATP和ATP水解的方向相反

。這一推測在體外實驗通過熒光顯微鏡得到證實(poweredbyATPhydrolysiscatalyzedbythebsubunits)。Rotationoftheg

subunitandtheringofcsubunitsintheFoF1complex.(Experiment1)RotationofthegsubunitandtheringofcsubunitsintheFoF1complexwasdirectelyobservedbyinvitrostudiesusingfluorescencemicroscopy(Experiment2)質(zhì)子通道的機理c亞基的結(jié)構(gòu)特點：每條肽鏈形成一對跨膜的α-螺旋。在第二個螺旋的中間位置有一個Asp61。當(dāng)Asp處于膜的疏水部分時，Asp只能以天冬氨酸的中性形式存在。據(jù)推測a亞基的結(jié)構(gòu)包含兩條H+半通道，一條是胞漿半通道（Cytosolichalf-channel），另一條是基質(zhì)半通道（Matrixhalf-channel）。但兩條通道是分隔開的。一個質(zhì)子從膜間腔進(jìn)入胞漿半通道，中和了與該通道接觸的c亞基上的Asp。電荷的中和使得c亞基環(huán)順時針轉(zhuǎn)動（從Pside向Nside方向），質(zhì)子化的Asp基質(zhì)半通道，釋放出一個質(zhì)子。（參看示意圖）假定c亞基環(huán)為10個c亞基，c亞基和g

亞基每轉(zhuǎn)動一圈釋放10H+，合成3ATP。為方便計算，一般認(rèn)為每合成1ATP需要3H+，由于運輸Pi還需消耗1H+（見5.5）

，所以每合成1ATP共需要4H+。

5.4.3ATP合成的抑制ATP合酶抑制劑:通過直接干擾ATP的形成過程，最終也抑制電子傳遞。如寡霉素（oligomycin）：與ATP合酶的寡霉素敏感蛋白Fo結(jié)合，阻斷質(zhì)子通道。電子傳遞抑制劑ATP合酶抑制劑解偶聯(lián)劑5.4.4氧化磷酸化的調(diào)節(jié)呼吸控制(或受體控制,acceptorcontrol)：ADP作為關(guān)鍵物質(zhì)對氧化磷酸化的調(diào)節(jié)作用。它的定量表示法是測定ADP存在時氧的利用速率與沒有ADP時氧的利用速率的比值。通常高于10。磷酸化勢能（也稱massactionratio，質(zhì)量作用比率）：作為細(xì)胞能量的一個指標(biāo)。ATP,ADP,NADH,NAD+都是氧化途徑中的重要調(diào)節(jié)因子。

5.4.5ATP合成的化學(xué)計量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)自由能（G’0

）IIIIIIIV形成一個ATP需要7.3kcal/mol。

P/O值

P/O：指當(dāng)一對電子通過呼吸鏈傳到O2所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。可通過實驗測定。一般認(rèn)為P/O值是一個整數(shù)。NADH的P/O為3,琥珀酸的P/O為2。根據(jù)化學(xué)滲透學(xué)說,從質(zhì)子的角度計算,NADH的P/O為2.5,琥珀酸的P/O為1.5。P/OofNADH:10/4(2.5)P/Oofsuccinate:6/4(1.5)5.5質(zhì)子梯度貯存的能量可用于做其他功ADP,Pi和丙酮酸運進(jìn)線粒體，以及ATP運出線粒體都需要利用質(zhì)子梯度。細(xì)菌鞭毛的旋轉(zhuǎn)運動直接由跨胞漿膜的質(zhì)子梯度供能。Theproton-motiveforceisusedforactivetransportthroughtheinnermembraneofthemitochondriaTherotarymotionofthebacterialflagellaisenergizeddirectlybytheprotongradientacrossthecytoplasmicmembrane.哺乳動物的產(chǎn)熱蛋白利用質(zhì)子梯度產(chǎn)熱。嬰兒和其他初生的哺乳類以及冬眠動物的頸部和背部上方有一種特殊的脂肪組織，稱為褐色脂肪。這種褐色脂肪細(xì)胞富含線粒體，并且線粒體內(nèi)膜上有產(chǎn)熱蛋白（thermogenin），又稱解偶聯(lián)蛋白（uncouplingprotein，UCP-1），是H+通道，可將電子傳遞泵出線粒體內(nèi)膜的H+流回線粒體基質(zhì)內(nèi)，而不是通過FoF1ATP酶。其生理意義是產(chǎn)熱御寒。如缺乏這種蛋白，會導(dǎo)致新生兒硬腫癥。

Thermogenin(aprotonpore)ontheinnermitochondrialmembraneofbrownfattissuecellsusestheproton-gradienttoproduceheat.BAT:brownadiposetissue;WAT:whiteadiposetissueKirsiA.Virtanenet.al.FunctionalBrownAdiposeTissueinHealthyAdults.EnglJMed2009;360:1518-25.BATWAT分布頸旁、鎖骨上皮下、內(nèi)臟周圍細(xì)胞特征富含線粒體，呈褐色。脂肪滴呈多囊泡。線粒體少，脂肪滴大，呈白色。功能消耗能量產(chǎn)熱儲存能量、保溫、緩沖機械壓力等。Askunkcabbagecanusetheheattomeltsnow,produceafoulstench,orattractbeetlesorflies.

Protongradientsareacentralinterconvertiblecurrencyoffreeenergyinbiologicalsystems.化學(xué)滲透學(xué)說是20世紀(jì)生物學(xué)最偉大的統(tǒng)一理論

5.6通過線粒體內(nèi)膜的物質(zhì)運輸5.6.1NADH穿梭系統(tǒng)(ShuttlesystemsofcytosolicNADHtomitochondrion)蘋果酸-天門冬氨酸穿梭（malate-aspartateshuttle）最活躍的NADH穿梭途徑。存在于肝臟、腎臟、心肌等細(xì)胞。使用theMalate-a-ketoglutaratetransporters和theglutamate-aspartatetransporters。通過此途徑,從胞漿進(jìn)入mt的NADH可生成2.5ATP。Malate-aspartateshuttle甘油-3-磷酸穿梭（glycerol3-phosphateshuttle）主要存在于骨骼肌和腦細(xì)胞。由于電子通過FADH2直接進(jìn)入complexIII,產(chǎn)生能量較malate-aspartateshuttle少(1.5ATP)。glycerol3-phosphateshuttle5.6.2ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶(ATP-ADPtranslocase)又稱腺苷酸轉(zhuǎn)位酶（adeninenucleotidetranslocase,ANT）。在線粒體內(nèi)膜含量豐富。在ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶的催化下，ATP運出線粒體和ADP運進(jìn)線粒體偶聯(lián)起來。由于有凈負(fù)電荷運出線粒體，減弱膜電勢梯度和質(zhì)子動力，使得這一過程相當(dāng)耗能。ATP-ADPtranslocase5.6.3其他代謝物的運輸主要包括二羧酸，三羧酸，丙酮酸和磷酸等。MitochondrialTranspoters5.7其他相關(guān)問題5.7.1線粒體DNA（mtDNA）突變與疾病線粒體基因組為裸露環(huán)狀雙螺旋結(jié)構(gòu)（易受氧自由基損