氧化磷酸化 ATP形成机制 细胞生物学

　　氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）是指在活细胞中伴随着呼吸链的氧化作用所发生的能量转换和ATP的形成过程。

　　■ 呼吸链含有三个氧化磷酸化偶联位点

　　● 电子传递与ATP合成偶联的假设

　　早在20世纪30年代， Vladimir Belitzer首先提出电子传递与ATP合成偶联的假设。他在体外测定肌组织制备物合成ATP与氧消耗比值时发现，呼吸链每传递一对电子至少可合成两个ATP.后来有人发现P/O比值（形成的ATP数与每个还原氧的比值）接近3，也就是说可合成三分子ATP。

　　● 氧化磷酸化偶联位点

　　根据对呼吸链中不同复合物间氧化还原电位的研究，发现复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ每传递一对电子，释放的自由能都足够合成一分子ATP，因此将复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ看成是呼吸链中电子传递与氧化磷酸化偶联的三个位点。

　　如果以FADH2作为电子供体，则只有两个ATP合成偶联位点。因为FADH2提供的电子是经复合物Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ传递的，而复合物Ⅱ不能作为ATP合成的偶联位点，所以只有两个偶联位点，这就意味着由FADH2作为电子供体时，只能合成两分子的ATP.

　　● 实验证明

　　上述ATP合成的数量和偶联位点得到实验的支持。如将分离的线粒体内膜小泡与抗霉素（antimycin）一起温育，由于抗霉素阻止电子通过细胞色素b-c1（复合物Ⅲ），NADH释放的电子只能传递到辅酶Q，其结果，每传递一对电子只合成一分子ATP.因此可以推论复合物Ⅰ是ATP合成的偶联位点。用同样的方法证明复合物Ⅲ和复合物Ⅳ也都是ATP合成与电子传递偶联位点。

　　■ 偶联因子1（coupling factor 1）的发现及功能预测

　　● 发现： 在二十世纪七十年代初，Humberto-Fernandez Moran 用负染技术检查分离的线粒体时发现：线粒体内膜的基质一侧的表面附着一层球形颗粒，球形颗粒通过柄与内膜相连（图7-30）。几年后，Efraim Racker分离到内膜上的颗粒，称为偶联因子1，简称F1.

图7-30 ATP偶联因子电镜照片

　　牛心脏线粒体的负染电镜照片，可见球形颗粒通过小柄附着在线粒体内膜嵴上。

　　● 功能预测　　

　　如果按照常规的方式思考所发现颗粒的问题，似难理解线粒体内膜上需要ATP水解酶，如果将ATP的水解看成是ATP合成的相反过程，F1球形颗粒的功能就显而易见了：它含有ATP合成的功能位点，即ATPase既能催化ATP的水解，又能催化ATP的合成，到底行使何种功能，视反应条件而定。

　　● 实验证明

　　通过体外实验证明上述的推测是正确的，现在将该酶称为ATP合酶。

　　请设计一个实验证明ATPase既能催化ATP的水解，又能催化ATP的合成

　　● 线粒体ATP合酶的发现和功能预测及实验证实表明，在科学研究中，不能总是按常规思维去认识事物，反向理论也有很重要的作用。

　　■ ATP合酶功能的鉴定： 线粒体膜重建实验

　　为了证明F1具有ATP合酶的作用，人们试图进行线粒体膜的重建实验，主要是将线粒体内膜与其嵴上的F1颗粒分离出来，重新装配后研究F1的功能。

　　实验的结果确证从线粒体内膜中分离的F1颗粒具有偶联电子传递和ATP合成的功能。　　

　　■ ATP合酶（ATP synthase）的结构和功能

　　● 电镜下的结构

　　从电镜照片（图7-31）看， 线粒体内膜内侧的F1颗粒结构可分为两个基本部分：F1（头部，head section）、F0（基部，base section），在F1和F0之间有一个细细的柄部（stalk section）。

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