有關(guān)氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理已經(jīng)作了許多研究,目前氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理還不完全清楚,50年代Slater及Lehninger提出了化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說(shuō),1964年Boear又提出了構(gòu)象變化偶聯(lián)學(xué)說(shuō),這兩種學(xué)說(shuō)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)不多,支持這兩種觀點(diǎn)的人已經(jīng)不多了。目前多數(shù)人支持化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)(chemiosmotic hypothesis),這是英國(guó)生化學(xué)家P.Mitchell于1961年提出的,當(dāng)時(shí)沒(méi)有引起人們的重視,1966年他根據(jù)逐步積累的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和生物膜研究的進(jìn)展,逐步地完善了這一學(xué)說(shuō)。
氧化磷酸化的化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)的基本觀點(diǎn)是:
1.線粒體的內(nèi)膜中電子傳遞與線粒體釋放H+是偶聯(lián)的,即呼吸鏈在傳遞電子過(guò)程中釋放出來(lái)的能量不斷地將線粒體基質(zhì)內(nèi)的H+逆濃度梯度泵出線粒體內(nèi)膜,這一過(guò)程的分子機(jī)理還不十分清楚。
2.H+不能自由透過(guò)線粒體內(nèi)膜,結(jié)果使得線粒體內(nèi)膜外側(cè)H+濃度增高,基質(zhì)內(nèi)H+濃度降低,在線粒體內(nèi)膜兩側(cè)形成一個(gè)質(zhì)子跨膜梯度,線粒體內(nèi)膜外側(cè)帶正電荷,內(nèi)膜內(nèi)側(cè)帶負(fù)電荷,這就是跨膜電位△ψ。由于線粒體內(nèi)膜兩側(cè)H+濃度不同,內(nèi)膜兩側(cè)還有一個(gè)pH梯度△pH,膜外側(cè)pH較基質(zhì)pH約低1.0單位,底物氧化過(guò)程中釋放的自由能就儲(chǔ)存于△ψ和△pH中,若以△P表示總的質(zhì)子移動(dòng)力,那么三者的關(guān)系可用下式表示:
△P=△ψ-59△pH
3.線粒體外的H+可以通過(guò)線粒體內(nèi)膜上的三分子體順著H+濃度梯度進(jìn)入線粒體基質(zhì)中,這相當(dāng)于一個(gè)特異的質(zhì)子通道,H+順濃度梯度方向運(yùn)動(dòng)所釋放的自由能用于ATP的合成,寡霉素能與OSCP結(jié)合,特異阻斷這個(gè)H+通道,從而抑制ATP合成。有關(guān)ATP合成的分子機(jī)制目前還不十分清楚。
4.解偶聯(lián)劑的作用是促進(jìn)H+被動(dòng)擴(kuò)散通過(guò)線粒體內(nèi)膜,即增強(qiáng)線粒體內(nèi)膜對(duì)H+的通透性,解偶聯(lián)劑能消除線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子梯度,所以不能再合成ATP。
總之,化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)認(rèn)為在氧化與磷酸化之間起偶聯(lián)作用的因素是H+的跨膜梯度。
每對(duì)H+通過(guò)三分子體回到線粒體基質(zhì)中可以生成一分子ATP。以NADH+H+作底物,其電子沿呼吸鏈傳遞在線粒體內(nèi)膜中形成三個(gè)回路,所以生成3分子ATP。以FADH2為底物,其電子沿琥珀酸氧化呼吸鏈傳遞在線粒體內(nèi)膜中形成兩個(gè)回路,所以生成兩個(gè)ATP分子。
自從Mitchell提出化學(xué)通透學(xué)說(shuō)以來(lái),已為大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證,為該學(xué)說(shuō)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
美國(guó)Cohen等人于1978年使用完整的大鼠肝細(xì)胞作實(shí)驗(yàn)材料,以核磁共振(nuclearmagneticresonance,NMR)的方法直接觀察到完整細(xì)胞中胞液與線粒體基質(zhì)之間存在H+跨膜梯度,胞液的pH值比線粒體基質(zhì)的pH值低0.3單位,用解偶聯(lián)劑處理,或用氮?dú)獯嫜鯕馇袛嘌醯墓?yīng),那么胞液和線粒體基質(zhì)之間的pH梯度消失。
嗜鹽菌(halobacteriumhaloblum)是一種能在高濃度鹽溶液中生長(zhǎng)的細(xì)菌,該菌中有一種結(jié)合蛋白質(zhì),稱為菌紫質(zhì)(bacteriorhodopsin),菌紫質(zhì)能將光能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能。有人使用嗜鹽菌作實(shí)驗(yàn),在無(wú)O2的情況下用光照射嗜鹽菌,盡管無(wú)氧化作用,菌體內(nèi)仍維持一定的ATP濃度,若加入解偶聯(lián)劑或加入磷酸化抑制劑DCC,則菌體內(nèi)ATP濃度降低;而加入呼吸抑制劑抑制電子傳遞,即不影響ATP合成,ATP濃度不變,這說(shuō)明電子傳遞和H+運(yùn)動(dòng)是可以分開(kāi)加以研究的,嗜鹽菌為研究化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)的H+運(yùn)動(dòng)提供了一個(gè)理想的模型。于是,有人分離嗜鹽菌的菌紫質(zhì),并將其重組在人工脂質(zhì)體中,然后用光照射,可測(cè)得跨膜電位為120mV(內(nèi)負(fù)外正),同時(shí)膜外側(cè)H+濃度增高,膜內(nèi)外△pH約為1.8單位,可以算出總的質(zhì)子移動(dòng)力約為△P=-120mV-59×1.8mV=226mV,若再將牛心線粒體內(nèi)膜重組在此脂質(zhì)體中,光照后可使ADP+Pi生成ATP,這說(shuō)明質(zhì)子跨膜梯度可以經(jīng)過(guò)線粒體內(nèi)膜的三分子體將H+跨膜梯度中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP分子中的化學(xué)能。