線粒體和葉綠體中能量轉化問題研究

魏和平， 曾德二， 許 遠， 鄭彥坤， 李從虎， 吳 娟

(安慶師范學院生命科學學院，，皖西南生物多樣性研究與生態(tài)保護安徽省重點實驗室，安徽安慶 246011)

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線粒體和葉綠體中能量轉化問題研究

魏和平， 曾德二*， 許 遠， 鄭彥坤， 李從虎， 吳 娟

(安慶師范學院生命科學學院，，皖西南生物多樣性研究與生態(tài)保護安徽省重點實驗室，安徽安慶 246011)

生命系統(tǒng)是一個可以和外界環(huán)境進行物質和能量交換的開放系統(tǒng)。從物質代謝的角度看，生命過程需要自身物質的不斷更新以維持其結構和功能；從信息代謝的角度看，生命系統(tǒng)需要不斷攝入信息熵，即負熵以維持機體有序化的生命特征；從能量的角度看，生命過程需要利用外界的能量來維持其正常的生命活動。根據利用能量的方式，將生物分為自養(yǎng)型和異養(yǎng)型。自養(yǎng)生物一般為藍藻類和綠色植物，利用太陽光在葉綠體細胞器中進行光反應和暗反應，從而將太陽能轉化成儲存在葡萄糖中的化學能，最后生成ATP供機體利用；異養(yǎng)生物直接攝入能量物質，通過在線粒體中進行有氧氧化徹底生成ATP供機體利用[1]。雖然歷來教材對線粒體有氧氧化過程以及葉綠體的光合作用都有闡述，但過于籠統(tǒng)，在教學中學生不易理解和掌握。為此，筆者從最基本的問題開始，探討能量轉化細節(jié)以及轉化效率問題。

1質子驅動力和ATP生成

三羧酸循環(huán)的最終結果是將儲存在葡萄糖中不活潑的化學能轉化還原物質NADH的化學能。要釋放NADH的化學能，必須經過線粒體內膜上的氧化還原酶系即電子傳遞鏈，逐步地釋放NADH上活潑電子的電勢能，最后到達電子傳遞鏈的末端和氧結合生成水[2]。由于電勢能的釋放是逐級的漸進過程，釋放的能量在線粒體中必須有一個“蓄能的池子”。Mitchell的化學滲透學說認為，這個“蓄能的池子”就是線粒體內膜腔，NADH釋放的能量以H+電化學梯度的能量儲存在內膜腔中。電化學梯度的形成需要內膜上質子泵的功能[3-4]。NADH釋放的電勢能在質子泵的作用下形成H+的電化學梯度，相當于“充電”的過程。這種中間能量狀態(tài)不夠穩(wěn)定，還需要通過定位在線粒體內膜上的ATP合成酶進一步“放電”轉化生成穩(wěn)定的ATP。

H+離子的跨膜運動取決于內膜內外兩側H+的濃度以及H+受到的電場力兩個重要的因素。離子擴散總是從高濃度的一側擴散到低濃度的一側，H+則沿著電勢梯度下降的方向運動。人們把物質濃度梯度和電勢梯度總稱為電化學梯度。正由于線粒體內膜兩側電化學梯度的形成，才產生H+順著電化學梯度返回到線粒體基質的驅動力，即質子驅動力。因此，質子驅動力是驅動H+在ATP合成酶作用下返回基質生成ATP的直接動力。為了便于分析，我們來推導質子驅動力的物理公式。

假設某1 mol Xm+離子沿著電化學梯度從A側運動到B側，則這個過程的自由能變化為：

(1)

式中，Δψ為A、B兩側的電勢差;[Xm+]A、[Xm+]B為A、B兩側離子的濃度；m為該離子所帶的電荷數；F為法拉第常數(96 485C/mol)；R為氣體常數(8.31J/(mol·K)；T為熱力學溫度。考慮到該實例中質子H+，m=1，ΔPH=PHA-PHB，則公式(1)可以變換成：

ΔG=-FΔψ+2.3RTΔPH

(2)

ΔP=Δψ-0.059ΔPH

(3)

此時,質子驅動力的量綱為伏特。如果以mV作為單位，那么可以將式(3)轉化為更簡單的形式。

ΔP=Δψ-59ΔPH

(4)

根據式(4),可以很方便地計算線粒體和葉綠體的質子動力勢，并且根據最后ATP的生成量計算出線粒體和葉綠體在電子傳遞鏈上能量轉化的效率。

2線粒體中能量轉化效率問題

從式(4)可以明顯地看出，質子動力勢包含電勢梯度和質子濃度梯度(ΔPH)兩個部分。線粒體質子動力勢主要由電勢梯度構成，內膜內外兩側的PH相差小于0.3，一般測得線粒體內膜兩側的電勢差為170mV，代入式(4)可以得出線粒體內膜腔中的質子動力勢為187.7mV?，F(xiàn)在來計算線粒體中能量轉化效率問題。由圖1可知，電子傳遞鏈復合物I、III和IV除了傳遞NADH電子外，還充當質子泵的功能，電子在傳遞鏈上釋放的電勢能將線粒體基質質子逆著質子電化學梯度向內膜腔轉移，以質子驅動力的能量形式暫時儲存起來。這個能量儲存的效率就是質子泵的效率，將其定義為η1。之后質子驅動力驅動質子通過ATP合成酶返回基質，在這個過程將有ATP的生成。ATP儲存的自由能和質子驅動力的能量比值就是ATP合成酶的能量轉化效率，將其定義為η2。最后，ATP總的自由能和NADH化學能的比值為線粒體電子傳遞鏈總的能量轉化效率，將其定義為η3。質子泵和ATP合成酶是兩個獨立的能量轉化裝置，因此可得到η3=η2×η1。

研究表明，呼吸鏈中的電子載體有嚴格的排列順序和方向，按氧化還原電位從低到高排列。其中，NAD+/NADH的氧化還原電位最低為-0.32V，而末端O2/H2O最高為+0.82V。電子沿著氧化還原電位從低到高的方向傳遞，將伴隨著自由能的釋放。因此，1molNADH在電子傳遞中釋放的自由能為：

ΔG1=-nFΔψ=2×96 485(-0.32-0.82)J/mol=-220kJ/mol

由圖1可知，1molNADH在電子傳遞過程中共有10個H+被泵到內膜腔。由于質子逆著電化學梯度的方向運動，質子儲存的能量剛好和質子再返回到基質釋放的自由能大小相等，符號相反。線粒體內膜兩側的電勢差為170mV，內膜兩側的ΔPH為0.3，代入式(4)得到質子驅動力(ΔP)為187.7mV。因此，質子返回基質釋放的自由能為：

ΔG2=-nFΔP=-10×964 85×0.188J/mol=-181.4kJ/mol

1molNADH在線粒體內膜上徹底氧化，可以生成約3molATP。1molATP在人體中水解可以釋放52.5kJ的自由能。

ΔG3=-3×52.5kJ/mol=-157.5kJ/mol

圖1　線粒體內膜電子傳遞鏈及電子、質子轉移Fig.1　Mitochondrial inner membrane electron transport chain, electron and proton transfer

3葉綠體中光合作用的能量轉化效率問題

葉綠體是自養(yǎng)生物進行能量代謝的主要細胞器。它的主要功能是光合作用。光合作用是將自然界光能轉換為化學能的主要途徑，其本質可視為線粒體呼吸作用的逆過程。線粒體電子傳遞鏈的有氧氧化過程是一個自由能減少的自發(fā)過程，而它的逆過程——光合作用則需要太陽光能提供能量才能發(fā)生。高等植物的光合作用分兩步反應協(xié)同完成，分別為光反應和碳同化反應。光反應包括原初反應和電子傳遞及光合磷酸化兩個步驟，將光能轉化成活躍的化學能NADPH和ATP，同時產生光反應的副產物(O2)。暗反應是在NADPH和ATP的驅動下，CO2被還原成葡萄糖分子的過程。這兩個過程分別在葉綠體內囊體膜上和葉綠體基質中進行，都有各自的能量轉化效率。

圖2　葉綠體光反應進程及電子、質子轉移Fig.2　The chloroplast light reaction process and electron, proton transfer

6CO2+18ATP+12NADPH→C6H12O6+18ADP+12NADP+18Pi

(6)

4結語

線粒體和葉綠體是生命系統(tǒng)中涉及到能量代謝的最重要的細胞器。該研究分析了質子驅動力對ATP合成酶形成ATP的機制，同時對線粒體和葉綠體中能量的轉化及效率問題進行了深入的推導和分析，有利于我們理解生命系統(tǒng)中能量代謝的本質和機理，也激發(fā)我們從能量的角度探討生命系統(tǒng)的一般規(guī)律。

參考文獻

[1] 翟中和，王喜忠，丁明孝.細胞生物學[M].4版.北京：高等教育出版社，2011.

[2] 王鏡巖，朱圣庚，徐長法.生物化學[M].3版.北京：高等教育出版社，2002.

[3] MITCHELL P.Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemiosmotic type of mechanism[J].Nature,1961,191 (4784): 144-148.

摘要該研究探討了在線粒體和葉綠體中質子驅動力和三磷酸腺苷(ATP)生成的關系。質子驅動力是驅動ATP生成最直接的因素。結合線粒體內膜的電子傳遞鏈系統(tǒng)和葉綠體內囊體膜上的光合系統(tǒng)，分析了線粒體內膜電子傳遞鏈、ATP合成酶以及葉綠體內囊體光反應和暗反應的能量轉化機制，并且對線粒體和葉綠體系統(tǒng)中的能量轉化效率問題進行了定量計算。

關鍵詞線粒體；葉綠體；能量轉化；電子傳遞鏈；質子驅動力

Study on the Transformation of Energy in Mitochondria and Chloroplasts

WEI He-ping, ZENG De’er*, XU Yuan et al (Key Laboratory of Biodiversity Protection and Ecological Protection in Southwest Anhui, College of Life Sciences, Anqing Normal University, Anqing, Anhui 246011)

AbstractThe relationship between PMF and ATP generation in mitochondria and chloroplasts was discussed. PMF is the most direct factor of ATP generation. Combined with the mitochondrial electron transport chain system and photosynthetical system on chloroplast thylakoid membrane, energy transformation mechanism of mitochondrial electron transport chain, ATPase, and light reaction and dark reaction of chloroplast thylakoid were analyzed. Energy conversion efficiency of mitochondrion and chloroplast were quantitatively calculated.

Key wordsMitochondrion; Chlroplast; Energy tansformation; Electron transport chain; Proton motive force(PMF)

收稿日期2015-11-30

作者簡介魏和平(1964- )，男，湖北鄂州人，副教授，博士，從事植物生理學方面的研究。*通訊作者，講師，博士，從事系統(tǒng)生物學及植物抗逆基因功能方面的研究。

基金項目國家自然科學青年基金項目(31400714)；安徽高校自然科學研究項目(KJ2015A168)。

中圖分類號S 432.2+2

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)01-040-03