【教学课件】第五节质子运动势和质子回路.ppt

第五节第五节质子运动势质子运动势和质子回路和质子回路2022/7/71生物能学生物能学（bioenergetics）是能量代是能量代谢领域中专门研究能量转换膜（如线粒体谢领域中专门研究能量转换膜（如线粒体内膜、原核生物细胞的质膜等）及其功能内膜、原核生物细胞的质膜等）及其功能的学说生物能学能帮助我们分析和理解的学说生物能学能帮助我们分析和理解微生物有关代谢能的能量形式转换的机制微生物有关代谢能的能量形式转换的机制本节主要讨论本节主要讨论化学渗透假设，电子传递链、化学渗透假设，电子传递链、ATP酶、载体蛋白在膜上的分布以及质子酶、载体蛋白在膜上的分布以及质子运动势的产生原理，运动势的产生原理，并对生物能学中的并对生物能学中的质质子回路子回路与电学中的电路（与电学中的电路（电子回路电子回路）进行）进行比较2022/7/722.5.1化学渗透假设及质子运动势化学渗透假设及质子运动势2.5.2微生物细胞内代谢能形式的转换微生物细胞内代谢能形式的转换2022/7/732.5.1化学渗透假设及质子运动势化学渗透假设及质子运动势2022/7/742.5.1.1化学渗透假设化学渗透假设2.5.1.2电子传递链成员、电子传递链成员、ATP合成酶合成酶以及载体蛋白在膜上的分布以及载体蛋白在膜上的分布2.5.1.3质子运动势质子运动势2022/7/752.5.1.1化学渗透假设化学渗透假设2022/7/76化学渗透假设的要点：化学渗透假设的要点：生物膜具有拓扑学的完整性，它对离子，生物膜具有拓扑学的完整性，它对离子，特别是特别是H+和和OH-离子是不通透的（借助离子是不通透的（借助特异的交换系统才能跨膜输送）；特异的交换系统才能跨膜输送）；膜结构（蛋白质和脂质分布）的不对称膜结构（蛋白质和脂质分布）的不对称性导致膜功能的方向性；性导致膜功能的方向性；电子在电子传递链上的传递导致质子向电子在电子传递链上的传递导致质子向膜外排放；膜外排放；膜上嵌有用于质子跨膜的膜上嵌有用于质子跨膜的ATP磷酸化酶磷酸化酶（ATP合成酶）。

合成酶）2022/7/772.5.1.2电子传递链、电子传递链、ATP合成酶以及合成酶以及载体蛋白在膜上的分布载体蛋白在膜上的分布2022/7/78由磷脂双分子层组成的单位膜中由磷脂双分子层组成的单位膜中相对固定地镶嵌着电子传递链的成员、相对固定地镶嵌着电子传递链的成员、ATP合成酶及载体蛋白电子传递链合成酶及载体蛋白电子传递链是一系列相互作用的多肽它们各自是一系列相互作用的多肽它们各自形成的氧化还原电极对还原电位的高形成的氧化还原电极对还原电位的高低顺序，以及它们在膜上的空间关系低顺序，以及它们在膜上的空间关系的相对固定，为电子在电子传递链上的相对固定，为电子在电子传递链上按相对固定的顺序流动提供了保证按相对固定的顺序流动提供了保证2022/7/79呼吸链的主要成分是具有辅基的呼吸链的主要成分是具有辅基的载体蛋白，这些辅基的氧化还原电位载体蛋白，这些辅基的氧化还原电位处于处于NAD+和分子氧之间，在真核微和分子氧之间，在真核微生物的线粒体膜和细菌的细胞质膜上，生物的线粒体膜和细菌的细胞质膜上，NADH的电子经还原电位逐步提高的的电子经还原电位逐步提高的一连串载体，一直传送到分子氧一连串载体，一直传送到分子氧。

2022/7/7102022/7/711左图描绘左图描绘左图描绘左图描绘了大肠杆菌细了大肠杆菌细了大肠杆菌细了大肠杆菌细胞质膜的情况：胞质膜的情况：胞质膜的情况：胞质膜的情况：由磷脂双分子由磷脂双分子由磷脂双分子由磷脂双分子层组成的单位层组成的单位层组成的单位层组成的单位膜中相对固定膜中相对固定膜中相对固定膜中相对固定地镶嵌着电子地镶嵌着电子地镶嵌着电子地镶嵌着电子传递链的成员、传递链的成员、传递链的成员、传递链的成员、ATPATP合成酶及合成酶及合成酶及合成酶及载体蛋白电载体蛋白电载体蛋白电载体蛋白电子传递链在图子传递链在图子传递链在图子传递链在图中被描绘成一中被描绘成一中被描绘成一中被描绘成一系列相互作用系列相互作用系列相互作用系列相互作用的蛋白质的蛋白质的蛋白质的蛋白质2022/7/712从图可见，从图可见，ATP酶的酶的F1亚基不是被包亚基不是被包埋在膜的磷脂双分子层中，而是紧贴于膜埋在膜的磷脂双分子层中，而是紧贴于膜上，是膜的周边蛋白电子传递链的组分上，是膜的周边蛋白电子传递链的组分如黄素蛋白、铁硫蛋白、细胞色素如黄素蛋白、铁硫蛋白、细胞色素b、细细胞色素胞色素o等，被包埋在磷脂双分子层中，等，被包埋在磷脂双分子层中，属整合蛋白。

像属整合蛋白像ATP合成酶的合成酶的F0亚基和亚基和-半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶（乳糖乳糖/H+同向输送同向输送的载体蛋白的载体蛋白），），这类用于输送的载体蛋这类用于输送的载体蛋白穿透整个磷脂双分子层结构，又被称为白穿透整个磷脂双分子层结构，又被称为膜输送蛋白膜输送蛋白2022/7/713FMNFMNH2氧化型氧化型还原型还原型2022/7/714AMPFMNFADHFADH 2FAD2022/7/715不同形式的铁硫蛋白不同形式的铁硫蛋白蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质2022/7/716醌醌（CoQ）半醌半醌氢醌氢醌（CoQH2）2022/7/717a-型血红素b-型血红素c-型血红素细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶的的Cyta和和Cyta3中的铁卟啉中的铁卟啉CoQH2-Cytc还原酶还原酶复合物的复合物的Cytb562和和Cytb566中的铁卟啉中的铁卟啉CytC和和CytC1中的铁卟啉中的铁卟啉细细胞胞色色素素中中的的铁铁卟卟啉啉2022/7/718大肠杆菌细胞大肠杆菌细胞质膜上输送蛋质膜上输送蛋白、电子传递白、电子传递链和链和ATP酶，酶，及它们各自的及它们各自的功能的示意图功能的示意图。

图中：图中：1,黄素蛋白；黄素蛋白；2,铁硫蛋白；铁硫蛋白；3,细胞色素细胞色素b;4,细胞色素细胞色素o;5/6,ATP酶；酶；7,输送蛋白输送蛋白2022/7/719真核细胞线粒体上的电子传递链及真核细胞线粒体上的电子传递链及ATP酶酶2022/7/7202.5.1.3质子运动势质子运动势2022/7/721质子运动势（质子运动势（protonmotiveforce，简称简称pmf）,是参照电动势（是参照电动势（electronmotiveforce）汉译的质子汉译的质子运动势和电动势的单位都是伏特运动势和电动势的单位都是伏特根据化学渗透假设，根据化学渗透假设，膜对质子是膜对质子是不透的，电子传递质子泵、不透的，电子传递质子泵、ATP酶质酶质子泵的运转子泵的运转在膜两边建立了质子运动在膜两边建立了质子运动势2022/7/722质子运动势质子运动势p ，一般由电分一般由电分量（电荷因子）量（电荷因子）和化学分量和化学分量（浓度因子）（浓度因子）Z（pH）两项两项组成：组成：p=Z（pH）2022/7/723上式中，上式中，上式中，上式中，代表跨膜电位代表跨膜电位代表跨膜电位代表跨膜电位；Z Z（pHpH）代表膜两边代表膜两边代表膜两边代表膜两边HH+浓度差引起的电位差的。

浓度差引起的电位差的浓度差引起的电位差的浓度差引起的电位差的p p=p p外外外外 p p内内内内，=外外外外 内，内，内，内，pHpH=pHpH外外外外 pHpH内内内内 Z Z是将是将是将是将pHpH值转变为电势单位的转换系数值转变为电势单位的转换系数值转变为电势单位的转换系数值转变为电势单位的转换系数Z=Z=2.3RT/2.3RT/F F，3030时，时，时，时，Z Z=60mV=60mVRR为摩尔气体常数为摩尔气体常数为摩尔气体常数为摩尔气体常数8.3148.314JJ（molKmolK）-1-1、TT为绝对温度（为绝对温度（为绝对温度（为绝对温度（KK）、）、）、）、FF为法拉第常数（为法拉第常数（为法拉第常数（为法拉第常数（9.618109.618104 4 CmolCmol-1-1）2022/7/7242022/7/725热力学第一定律告诉我们，能量热力学第一定律告诉我们，能量既不可能创生也不可能消灭，只能从既不可能创生也不可能消灭，只能从一种形式的能量转变成另一种形式的一种形式的能量转变成另一种形式的能量微生物的代谢能来自化学能或能量微生物的代谢能来自化学能或光能，对于化能异养型微生物来说只光能，对于化能异养型微生物来说只能来自生物氧化过程中释放的化学能。

能来自生物氧化过程中释放的化学能代谢能的两种主要形式代谢能的两种主要形式ATP和和p 的的关系就类似于货币与银行的关系关系就类似于货币与银行的关系2022/7/7262.5.2.1电子在电子传递链上的传递建立电子在电子传递链上的传递建立p2.5.2.2ATP的形成与电子传递磷酸化的产率的形成与电子传递磷酸化的产率2.5.2.3胞内胞内pH值自动（调节）动态平衡值自动（调节）动态平衡2.5.2.4化学渗透质子回路及其功能的有关讨论化学渗透质子回路及其功能的有关讨论2022/7/7272.5.2.1电子在电子传递链上的传递电子在电子传递链上的传递和和p 的建立的建立2022/7/728+NADH+HNADH+H+NADNAD+QHQH2 22 2HH+2 2HH+2 2HH+FMNFMNFe-S-PbdoOO2 2+2H2H+HH2 2OO2e-2e-2e-E.coli 质膜质膜胞外胞外胞内胞内2 2HH2 2OO2OH-大大肠肠杆杆菌菌质质膜膜上上的的电电子子传传递递链链及及质质子子泵泵出出机机制制返回返回NADH脱氢酶的组成部分细胞色素氧化酶2022/7/729细菌细胞膜内侧的一个细菌细胞膜内侧的一个H+及由及由NAD+运运载的氢负离子（载的氢负离子（包含一个包含一个H+和一对电子和一对电子）首先被传送到横跨在膜上的首先被传送到横跨在膜上的NADH脱氢酶脱氢酶的组分的组分黄素蛋白黄素蛋白，把它的辅基，把它的辅基FMN还原成还原成FMNH2；接着，已传送到接着，已传送到FMNH2的这一对的这一对电子通过电子通过NADH脱氢酶的另一组分脱氢酶的另一组分铁硫蛋白铁硫蛋白返回到细胞膜的内表面，而返回到细胞膜的内表面，而2个个H+则被留在则被留在细胞膜的外侧的水相中，与此同时细胞膜的外侧的水相中，与此同时FMNH2被再生为被再生为FMN。

2022/7/730电子载体铁硫蛋白得到的这对电子与电子载体铁硫蛋白得到的这对电子与细胞质内的细胞质内的2个个H+一起，一起，把把1分子泛醌分子泛醌（CoQ）还原成氢醌（还原成氢醌（CoQH2）；）；带着这带着这对电子和这对电子和这2个个H+的氢醌将这对电子交给的氢醌将这对电子交给贴近膜外侧的细胞色素贴近膜外侧的细胞色素b，把这把这2个个H+释释放到胞外，自身又回复成泛醌；然后，细放到胞外，自身又回复成泛醌；然后，细胞色素胞色素b又把这对电子传递给细胞色素又把这对电子传递给细胞色素o（细胞色素氧化酶）最后，传递到细胞细胞色素氧化酶）最后，传递到细胞色素色素o的这对电子还原胞内的分子氧，同的这对电子还原胞内的分子氧，同时消耗膜内侧时消耗膜内侧2个个H+，生成水2022/7/731由此可见在大肠杆菌中借助电子传递由此可见在大肠杆菌中借助电子传递链每氧化链每氧化1分子分子NADH，就有就有4个个H+被转移被转移出去H+的转移在膜两边形成质子梯度，的转移在膜两边形成质子梯度，蕴藏在这个梯度中的能量可用于推动各种蕴藏在这个梯度中的能量可用于推动各种细胞过程例如，在酵母细胞质中细胞过程例如，在酵母细胞质中2个个H+通过通过ATP合成酶进入线粒体，可驱动合成酶进入线粒体，可驱动1分分子子ATP的合成，质子梯度能驱动某些糖和的合成，质子梯度能驱动某些糖和氨基酸的简单主动输送，驱动细菌鞭毛旋氨基酸的简单主动输送，驱动细菌鞭毛旋转等。

转等2022/7/732从以上分析得知，在电子传递从以上分析得知，在。