生物物理學(xué)導(dǎo)論

生物物理學(xué)導(dǎo)論第1頁(yè)/共44頁(yè)

在糖酵解反應(yīng)序列中，ATP的合成(常稱為聯(lián)系底物的磷酸化)通過酶反應(yīng)發(fā)生，在這些反應(yīng)中，共同的中間體維護(hù)產(chǎn)能反應(yīng)(氧化)與儲(chǔ)能反應(yīng)(磷酸化)的偶聯(lián)。這些反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞的原生質(zhì)相中，雖然有些細(xì)節(jié)仍待探討，但對(duì)了解機(jī)理并無重大困難。關(guān)于同呼吸或光合作用電子傳遞相偶聯(lián)的ATP合成的機(jī)理，仍無定論。這類能量轉(zhuǎn)導(dǎo)作用的基本觀點(diǎn)是其與膜系統(tǒng)相聯(lián)系；盡管在破碎的膜片段中電子傳遞可以不被削弱，如果沒有線粒體、葉綠體或細(xì)菌內(nèi)膜的完整結(jié)構(gòu)，就沒有ATP合成發(fā)生。第2頁(yè)/共44頁(yè)化學(xué)假說用解偶聯(lián)劑獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引出了“高能中間體”的概念。通過類似于聯(lián)系底物的磷酸化的論證發(fā)展起來的一種假說，將這一高能中間體看成一種化學(xué)實(shí)體。按照這一理論，呼吸或光合作用的氧化—還原反應(yīng)與ADP磷酸化為ATP的偶聯(lián)，是通過下述方式達(dá)到的。第3頁(yè)/共44頁(yè)設(shè)A、B和C是氧化—還原反應(yīng)鏈中相連的化合物，除非還原產(chǎn)物BH2與一中間體I復(fù)合，B被AH2的還原就不能進(jìn)行。因此，

AH2+B——A+BH2直接跟隨著

BH2+I——BH2·I還原的復(fù)合物BH2·I又可以放能反應(yīng),還原鏈中下面的化合物，這一反應(yīng)的自由能則被波紋號(hào)標(biāo)出的高能鍵捕獲：

BH2·I+C——B~I+CH2于是形成高能中間體B~I。第4頁(yè)/共44頁(yè)有磷酸存在時(shí)，這一高能中間體被磷酸化，且高能磷酸鹽又可磷酸化ADP：

B~I+Pi——I~P+BI~P+ADP——ATP+I解偶聯(lián)劑簡(jiǎn)單地引起高能中間體B~I的水解，從而阻止ATP形成，但卻保持氧化—還原反應(yīng)進(jìn)行。無論是一種磷酸化反應(yīng)還是兩種磷酸化反應(yīng)的抑制劑。第5頁(yè)/共44頁(yè)盡管上述概念的化學(xué)假說與某些觀察是一致的，但它也有困難。到目前為止，沒有人能實(shí)驗(yàn)證實(shí)高能中間體的存在，更不用說分離它了。僅此當(dāng)然還不足以排斥這種理論，因?yàn)閺?fù)合物可能是極不穩(wěn)定的，但更為嚴(yán)重的是，實(shí)際上這種理論完全沒有考慮與其結(jié)構(gòu)的聯(lián)系。第6頁(yè)/共44頁(yè)構(gòu)象假說化學(xué)說的改進(jìn)是構(gòu)象說。在這種假說里，高能中間體是I因子的音一構(gòu)象。這一理論用下列反應(yīng)式來十t替(5．73)——(5．76)BH2十I‘(：——)B十I。十GH2(5．77)I”十ADP‘Pi。一)ATy十I(E．78)其小I。表示I的高能構(gòu)象。一種類蛋白質(zhì)成份可能起著?的作用，沒有它就沒有與電子傳遞相傭聯(lián)的磷酸化看來是可能的。這一因素就是已經(jīng)提到過的憫聯(lián)園子(5．4節(jié))，它做聯(lián)在股上的極小的蘑菇(圖5．22)。第7頁(yè)/共44頁(yè)憫聯(lián)因子已在紀(jì)粒體及葉綠體和細(xì)菌市發(fā)現(xiàn)并分離出來。很可能，從腆上去林佃聯(lián)因子，就會(huì)抑制ALf的形成，而電了傳遞仍可在這種腹k進(jìn)行。當(dāng)把提純的侗聯(lián)因子送N到去空了的限系統(tǒng)時(shí)，磷酸化作用被恢復(fù)。第8頁(yè)/共44頁(yè)電子傳說誘導(dǎo)構(gòu)象變化的證抿來自這樣nt研究，在這種研究中證明，被憫聯(lián)的磷酸化的抑制劑僅當(dāng)放電子傳遞“激勵(lì)”時(shí)，才與憫聯(lián)因子納合。因此，在葉綠體中，僅半加入輻射防于時(shí)，抑制劑N—乙基順丁烯二欣亞舷才抑創(chuàng)允侖磷酸化。而且，用氫的同位素質(zhì)(”H)這類放射性示蹤物還可證實(shí)，抑制劑與憫聯(lián)因子的結(jié)合被光照顯著提高。第9頁(yè)/共44頁(yè)雖然構(gòu)象理論看來可以克服“化學(xué)的”高能中間體酌不可檢測(cè)性，但它仍然缺乏足夠令人滿意肋細(xì)節(jié)。它沒有關(guān)于電子傳遞成份與偶聯(lián)因子間結(jié)構(gòu)關(guān)系協(xié)任何信息，也不必須膜系統(tǒng)的完整性(膜本身可以是憫聯(lián)成汾必須酌基質(zhì))。第10頁(yè)/共44頁(yè)化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透說是依據(jù)完全不同的概念的一種理論，它把功能性作用歸之于一完整的聯(lián)系著膜的系統(tǒng)。實(shí)際上，按這一假說，高能中間體是由氫離子穿過內(nèi)膜的顯著位移而形成的橫穿細(xì)胞器[或細(xì)菌)內(nèi)膜的熱力學(xué)梯度。這些氫離子是被電子從膜的一例傳遞到另一例產(chǎn)生的電場(chǎng)移位，因此，電子在膜中的傳遞是有方向性的，其工作機(jī)理示意于團(tuán)5．36a(對(duì)呼吸鏈)和5．36b(對(duì)光合作用鏈)中。第11頁(yè)/共44頁(yè)氧化—還原組份(如圖5．26所示)在膜內(nèi)以這樣的方式排布：在膜兩側(cè)，電子裁體(如細(xì)胞色素和非血紅素鐵蛋白)用氫載體(如黃素蛋白和苯i6)替換。通過這樣的安排，或者經(jīng)由底物的還原(在呼吸電子傳遞約情況下)，或者經(jīng)由光誘導(dǎo)的初級(jí)反應(yīng)(在光合作用電于傳遞情況下)，被電子載體傳輸穿過膜的電子產(chǎn)生一電場(chǎng)，引起質(zhì)子通過氫載體或者從膜內(nèi)側(cè)移向外側(cè)(在線粒體內(nèi)膜酌情況下)，或者從外側(cè)移向內(nèi)側(cè)(在葉綠體類愛休的情況下)c在這兩種情況下，膜原來雖然可以透過水，但透不過氫離子。移位的質(zhì)子由此形成一濃度梯度，這在實(shí)際上就是高能中間體。與膜聯(lián)接的ATP酶系統(tǒng)(如上面捉到的偶聯(lián)因子)則可反過來作用，并通過將質(zhì)子再移位使ATP合成(圖5．36。)，圖5．37示出了可達(dá)此目的的簡(jiǎn)單方式。H’梯度以某種未知方式的出現(xiàn)，牽引從ADP和天機(jī)磷酸形成ATP時(shí)產(chǎn)生的水的經(jīng)基離子部份去到膜的一側(cè)，而特質(zhì)子推到另一側(cè)。以這種方式，H’的純移動(dòng)就能產(chǎn)生ATy。第12頁(yè)/共44頁(yè)按照這一理論，解偶聯(lián)劑格提供消除質(zhì)子梯度酌附加途第13頁(yè)/共44頁(yè)徑，由此阻止ATP酶利用這一梯度來合成ATP6事實(shí)L，所有已知的解偶聯(lián)劑都有“溶解”膜中氫離子酌特性，許多解偶聯(lián)劑，如二硝基苯(DNP)、碳氧氰化m—氯苯蹤(cccp)或第14頁(yè)/共44頁(yè)碳氧氰化P—三氟甲氣苯蹤(FccP)以及許多脂肪酸，既是弱酸又是脂镕的，并能攜帶質(zhì)子穿過膜(團(tuán)5．38)。因此，酸酌質(zhì)子化形式可以從一例移向另一側(cè)，放出它的質(zhì)子，然后作為負(fù)離子再穿過膜。許多攜帶離子的抗鹵素或它們的組合，由于其離于裁體特性，都是解佃聯(lián)劑。解偶聯(lián)的機(jī)理可以通過化學(xué)滲透說得到闡明，也是這種理論引人注目的特征之一。這一理論提供的許多預(yù)言都要求實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，達(dá)在6D年代和70年代激起了大量的研究；球?qū)嵣?，這些預(yù)告的很大一部份都被證實(shí)了。由于達(dá)一戊功，我們感到，盡管仍有一些矛盾(如一個(gè)電子傳遞對(duì)應(yīng)一個(gè)質(zhì)子傳返第15頁(yè)/共44頁(yè)的預(yù)測(cè)化學(xué)計(jì)算，到目前為止未能被實(shí)驗(yàn)證實(shí))，但這一理論至少可以對(duì)部份偶聯(lián)機(jī)理提供正確的解釋就足以證明，更完全的討論是合理的。第16頁(yè)/共44頁(yè)質(zhì)子移位在光誘導(dǎo)的電子傳遞期間有可逆的質(zhì)子獲取過程，這是在葉綠體服中發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)在這已是一個(gè)普遍現(xiàn)象了。這種光誘導(dǎo)的質(zhì)子俘獲，也可從光合紹菌產(chǎn)生的膜圍成第17頁(yè)/共44頁(yè)的微囊中證實(shí)，盡管程度小多了。在用呼吸繼底物(NA皿，琥動(dòng)酸)提供H’時(shí)，線粒體對(duì)之表現(xiàn)出擠壓作用。氧化—還原組份酌橫向定位，即氫鼓體和電子載體的交換，是化學(xué)滲透說的關(guān)楔性要求，利用特異抗體的研究提供了證實(shí)這種排布的證據(jù)。膜的對(duì)外性(sidedrmm)被下述事實(shí)令人信服地證明；在線粒體經(jīng)題聲攝蕩形成的亞線粒體顆粒個(gè)，質(zhì)子移位在呼吸一刀始就是朗向內(nèi)側(cè)的，而不像在完整顆粒小那樣朝向外側(cè)。發(fā)生這一現(xiàn)象是出于內(nèi)膜在急劇折疊的略的“頸”部?jī)?yōu)先破裂，碎片的貢封裝則得到與完整的線檢體相較是“內(nèi)胡外”的顆粒(圖5．39)。這一在破府之后反轉(zhuǎn)質(zhì)子移位的現(xiàn)象也可在光合作用的細(xì)菌小看到，載包體(光合細(xì)菌中圍成空泡的膜)與完整的細(xì)菌相鉸就是“內(nèi)部外”的。第18頁(yè)/共44頁(yè)質(zhì)子運(yùn)動(dòng)力質(zhì)子運(yùn)動(dòng)力按照化學(xué)滲透理論，從放能的電子傳遞得到基本上穩(wěn)定的能尼形式，是由于n‘的濃度梯度。電子傳遞引起質(zhì)子被“抽”過腆，這一質(zhì)子梯度建立一核穿腆的電化學(xué)勢(shì)差，它由下式給出；第19頁(yè)/共44頁(yè)式中，Apn＝PH《I’一PH‘zbA砂＝1A?一1A?。當(dāng)氫離于從l運(yùn)動(dòng)到2時(shí)，APH和AV部為負(fù)，這是離子被“抽人”的方向。因此，對(duì)葉綠體的類裹體，(1)是外側(cè)，(2)是內(nèi)例；而對(duì)線粒體，情況正好相反。“氫離子泵”或“質(zhì)子泵”產(chǎn)生的電化學(xué)勢(shì)除以法拉弟常數(shù)．件，稱為質(zhì)子運(yùn)動(dòng)力(P”f)，并以伏特表示。第20頁(yè)/共44頁(yè)抗衙離子流從式(5．80)可以看到，Pmf由一濃度項(xiàng)(PH梯度)和一電學(xué)項(xiàng)(膜電位)組成。如果無法補(bǔ)償增長(zhǎng)的電荷，隨著進(jìn)入非常少量的質(zhì)子，后一項(xiàng)也會(huì)變得極高。當(dāng)然，當(dāng)在磷酸化系統(tǒng)中存在ADp和磷酸時(shí)，通過ATP合成引起酌質(zhì)子運(yùn)動(dòng)會(huì)使限電位放電，因?yàn)樗c“質(zhì)子泵”引起的質(zhì)子運(yùn)動(dòng)方向相反。但是，在缺乏磷酸化底物ADp和磷酸的情況下，補(bǔ)償?shù)目购怆x子流(凹untefi。Mf20w)必然出現(xiàn)．以至少在一定程度上阻止膜電位過份升高。因而可以預(yù)期，一些正離子在與質(zhì)子系相反的方向上運(yùn)動(dòng)，和(或)一些負(fù)離子在質(zhì)子泵的方向上流動(dòng)。在缺乏ATP合成的葉綠體制劑中，實(shí)際證實(shí)了這種抗楊離子運(yùn)動(dòng)。第21頁(yè)/共44頁(yè)特別是與獲取質(zhì)子同時(shí)發(fā)生的氯離子的同相運(yùn)動(dòng)(在相同的方向運(yùn)動(dòng))是顯著的，也發(fā)現(xiàn)有同時(shí)發(fā)生的K’和Mg’’的反相運(yùn)動(dòng)(在相反的方向上的運(yùn)動(dòng))，但后者在這些細(xì)胞器中并非重要的補(bǔ)償抗衡離子流。在線粒體中，K’和Na4酌反相運(yùn)動(dòng)看來就是膜電位的補(bǔ)償過程。第22頁(yè)/共44頁(yè)光合細(xì)菌中的情況稍有不同，細(xì)苗膜顯然對(duì)單價(jià)窩子的滲透顯示出較大的阻力。K‘和Nal只有低的滲透值，G]—也有同樣情況。這就是為何在自光合細(xì)菌結(jié)合成寶泡的膜(裁色體)中，獲取質(zhì)子比葉綠體的類囊體少的線故。第23頁(yè)/共44頁(yè)P(yáng)H梯廢和膜電位會(huì)產(chǎn)生這樣的問題：ATP通過ATP朗的逆向作用酌合成，只是由于P2“f的PH梯度項(xiàng)產(chǎn)生的呢，抑或膜電位項(xiàng)也可完成這一任務(wù)。離子裁體的解偶聯(lián)劑對(duì)不同生物膜酌影響，可以告訴我們一些關(guān)于這個(gè)問題的信息。我們已經(jīng)看到，解偶聯(lián)劑使離子運(yùn)動(dòng)穿過膜。例如，尼日里亞菌素用R’離子交換爐離子，將它加到結(jié)合成微囊體的進(jìn)行電子傳遞酌膜的懸液中，則可消除PH梯度而保留膜電位。這一實(shí)驗(yàn)的給果是，在線粒體和RI‘綠體的類夷體制刑中，ATl2合成被解偶服，而在細(xì)菌制劑中，并不被解侶聯(lián)。第24頁(yè)/共44頁(yè)另一種離子栽體繞氨雷素使K’離子移向一邊，因而，這一抗曲素曲作用是在完全保6JPfi梯度n6同時(shí)，消除膜電位(B口使有也很小)。除非破壞離子梯度的試劑(如尼日里亞菌素)也存在，絢氨雷素并不使結(jié)合成微囊休的三種膜個(gè)的任何一種的ATP合成解憫聯(lián)。在細(xì)菌制劑中，當(dāng)存在可透負(fù)離子(如硫氰酸根負(fù)離子cNs—，它根容易透過細(xì)菌膜)時(shí)，尼日里亞菌素也起解憫聯(lián)劑的作用。第25頁(yè)/共44頁(yè)這些結(jié)果意味老，細(xì)菌灼邊向ATP酶也利用膜電位工作。但是p對(duì)葉綠體或線粒體就不能作這樣的結(jié)論，離子線體抗菌素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不是完全沒有膜電位，就是逆向ATP酶只用哪梯度起作用。第26頁(yè)/共44頁(yè)光誘導(dǎo)三個(gè)類胡蘿r素吸收帶的紅移(國(guó)5．40M)，這是由于通過電子傳遞以及質(zhì)子梯度的膜電位成份，產(chǎn)生了電位。這一移動(dòng)的電學(xué)起因可通過下述實(shí)驗(yàn)提供：將Kc?溶液在黑暗中注入含級(jí)氨霖素的色素細(xì)胞懸液，這一“脈沖式”附加物引起類胡蘿r素吸收諾區(qū)小的吸收發(fā)生限時(shí)變化(見聞5．40b)G過一會(huì)兒，反向離子的擴(kuò)效將小和電位，結(jié)果使內(nèi)側(cè)和外側(cè)的K1濃度變得相等。KGl肋另一次“脈沖式”注入將再次引起瞬時(shí)吸收變化。圖5．40c中斯示的瞬時(shí)光撈與光誘導(dǎo)的類胡蘿F素吸收帶移位的差值光譜M斷光是一樣的。第27頁(yè)/共44頁(yè)由加入kcl引起的瞬時(shí)類胡蘿F素吸收的變化且是Kl外側(cè)濃度對(duì)數(shù)的線性函數(shù)，這一關(guān)系示丁圖5．41今。假設(shè)平砌后，外側(cè)K‘濃度等于內(nèi)側(cè)R’濃度，就可利m這一技術(shù)按伏特表示的膜電位，通過式(5．31)來?；次諑灰?。在一些光合作用細(xì)菌的色素細(xì)胞中，已由此測(cè)定出光誘導(dǎo)的蠟電位(由于電子傳遞穿址膜)為420毫伏，光誘導(dǎo)的穩(wěn)態(tài)電位(由于移位的M’J有24D毫伏這樣高。這證文，至少在一些光分作用細(xì)薊中，P”frJ屯學(xué)頂是主要的。第28頁(yè)/共44頁(yè)表5．4i；出了一些測(cè)叢PT”r的咆紹協(xié)和1d1組份的實(shí)駱結(jié)果，并與在同一實(shí)驗(yàn)小實(shí)際測(cè)定的合成適員4?y所需的能量作了比較。我們可以看到，沒有附加物時(shí)，N“f對(duì)合成ATp是富裕的，這時(shí)膜電位對(duì)P”f的貢獻(xiàn)為56％。由于尼日里亞菌素的存在，膜電位本身剛夠滿足ATP合成；瀕氨霉素引起膜電位70％抑制，而APH刀宿到正好使hTp合成能夠進(jìn)行的水平。顯然，至少在這些細(xì)菌創(chuàng)劑中，PH和膜電位都能驅(qū)動(dòng)逆向的ATP酶作用。第29頁(yè)/共44頁(yè)對(duì)葉綠體和線粒休仍不能作同樣的結(jié)論。在葉綠體中，在515—530毫微米光譜區(qū)有一峰的吸收帶位移，顯然是由于橫賈膜的電位。運(yùn)用與上述相同的校服技術(shù)可以證明，盡管基本的瞬時(shí)變化(用短閃光照明)可以檢測(cè)，但在連續(xù)光照情況下測(cè)得的“穩(wěn)態(tài)膜電位”最好也只有10毫伏多。達(dá)無疑是由于快速的抗衡離子流，大概主要是G?—的同相運(yùn)動(dòng)所致。因此，在葉綠體中PP”f的電成份實(shí)際上是不存在的。所以，我們不能用細(xì)菌色素細(xì)胞所用艙同類實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證葉綠體中的hTP合成可由瞪電位自身誘導(dǎo)。但是，這個(gè)方面的間按證據(jù)是可以參考的。線粘體酌情況也是如此。正如前面已經(jīng)提到過的，這一問題與在逆向ATP酶系統(tǒng)中合成ATP助機(jī)理直接有關(guān)。通過來自ADP和磷酸合成ATP