第七章線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換

1、第七章 線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換第一節(jié) 線粒體的基本特征一、線粒體的主要化學(xué)成分是蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì) 65%70% 線粒體蛋白質(zhì)主要分布在內(nèi)膜和基質(zhì)。 大鼠肝細(xì)胞線粒體蛋白質(zhì)分布：基質(zhì)占67%，內(nèi)膜占21%，外膜和膜間腔各占 6%。分兩類：可溶性蛋白：基質(zhì)中的酶、膜外周蛋白 肝細(xì)胞線粒體可溶性蛋白占50%70%。不溶性蛋白：膜結(jié)構(gòu)蛋白、膜鑲嵌酶蛋白線粒體不同部位的標(biāo)志酶 外膜 單胺氧化酶 膜間腔 腺苷酸激酶 內(nèi)膜 細(xì)胞色素氧化酶 基質(zhì) 蘋果酸脫氫酶線粒體含有120余種酶（酶系）氧化還原酶37%、合成酶10%、水解酶約9%2021-11-4第六章 線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換5線粒體主要酶的分布線粒體主要酶

2、的分布 外膜 單胺氧化酶 NADH-Cyt c還原酶 ?；鵆oA合成酶 內(nèi)膜 Cyt b,c,c1,a,a3 ATP合成酶系 琥珀酸脫氫酶 -羥丁酸和-羥丙酸脫氫酶 肉毒堿?；D(zhuǎn)移酶 丙酮酸氧化酶 NADH脫氫酶 膜間腔 腺苷酸激酶 二磷酸激酶 核苷酸激酶 基質(zhì) 檸檬酸合成酶、蘋果酸脫氫酶 延胡索酸酶、異檸檬酸脫氫酶 順烏頭酸酶、谷氨酸脫氫酶 脂肪酸氧化酶系 天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶 蛋白質(zhì)合成酶系 核酸合成酶系 丙酮酸脫氫酶復(fù)合物線粒體的脂類占干重的25%30%（75%以上是磷脂）主要為磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、心磷脂其余為磷脂酰肌醇、膽固醇外膜含少量膽固醇內(nèi)膜富含心磷脂（20%），缺乏膽固醇。二、線

3、粒體的形態(tài)、數(shù)量和分布 形態(tài)：線狀、粒狀或桿狀低滲，線粒體泡狀；高滲，線粒體線狀。酸性，線粒體膨脹；堿性，線粒體粒狀。人胚胎肝細(xì)胞發(fā)育早期，線粒體短棒狀；發(fā)育晚期，線粒體長棒狀。 大小 直徑0.21.0，長14大鼠肝細(xì)胞線粒體長5胰腺分泌細(xì)胞線粒體長1020人類成纖維細(xì)胞線粒體長達(dá)40 數(shù)量：與細(xì)胞的生理功能和狀態(tài)有關(guān)數(shù)個50萬個。最多時占細(xì)胞總體積的25%。哺乳動物肝細(xì)胞有10002000個，占細(xì)胞總體積的15%20%。哺乳動物心肌、骨骼肌、小腸細(xì)胞線粒體極其豐富。 分布: 需能較多的區(qū)域，可沿微管向功能旺盛的區(qū)域遷移 相差顯微鏡下活的成纖維細(xì)胞，顯示線粒體和微管的關(guān)系相差顯微鏡下活的成纖維

4、細(xì)胞，顯示線粒體和微管的關(guān)系 肌細(xì)胞的線粒體沿肌原纖維規(guī)則排列。 精子的線粒體定位在中段，圍繞鞭毛的近軸部分。 腸上皮細(xì)胞線粒體聚集于頂部和基底部，呈兩極分布。三、線粒體的超微結(jié)構(gòu)掃描電鏡下線粒體形態(tài)透射電鏡下線粒體的結(jié)構(gòu)線粒體的超微結(jié)構(gòu)線粒體是由兩層單位膜套疊而成的封閉囊泡狀結(jié)構(gòu)（一）外膜( outer membrane ) 6nm光滑平整的單位膜 蛋白質(zhì)：脂類為1:1 孔蛋白（porin）形成2-3nm通道 分子量5103以下的物質(zhì)可自由通過，如ATP，NAD，CoA等小分子物質(zhì)（二）內(nèi)膜(inner membrane)(inner membrane) 內(nèi)膜厚約45nm，深度折疊形成嵴（c

5、ristae） 蛋白質(zhì)：脂類大于3:1 缺乏膽固醇，富含心磷脂 分子量 150的物質(zhì)不能通過 膜轉(zhuǎn)運蛋白豐富并具特異性 內(nèi)膜上有電子傳遞鏈、基粒和轉(zhuǎn)位接觸點（三）膜間腔 膜間腔是指內(nèi)膜與外膜之間的腔隙，6-8nm 轉(zhuǎn)位接觸點是核編碼蛋白進(jìn)入線粒體的通道嵴（cristae） 內(nèi)膜向內(nèi)腔突起的折疊 嵴間腔是嵴與嵴之間的內(nèi)腔 基質(zhì)腔即內(nèi)腔，富含可溶性蛋白和多種酶 膜間腔是指內(nèi)膜與外膜之間的腔隙，6-8nm 基粒（elementary particle）是附著在內(nèi)膜和嵴上凸向內(nèi)腔的顆粒 -頭部：具有酶活性，催化ADP磷酸化成ATP -丙部：連接頭部與基片 -基片：嵌入內(nèi)膜基粒（elementary p

6、article）（四）基質(zhì)腔 基質(zhì)中充滿可溶性蛋白質(zhì)和脂肪 進(jìn)行活躍的生物化學(xué)反應(yīng) 含有催化TCA cycle、脂肪酸-氧化、氨基酸分解、蛋白質(zhì)合成等多種酶2021-11-4第六章 線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換20四、線粒體具有相對獨立的遺傳體系（一）線粒體有自己的遺傳系統(tǒng)和蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng) 線粒體基因組 1963年，Nass首次發(fā)現(xiàn)雞卵母細(xì)胞的線粒體 DNA (mitochondrial DNA, mt DNA ) 裸露，不與組蛋白結(jié)合，在基質(zhì)中/依附于線粒體內(nèi)膜。 每個線粒體含有1數(shù)個 mt DNA，平均 510 個。 翻譯系統(tǒng)的部分密碼與核密碼編碼含義有所不同。2021-11-4第六章 線粒體與

7、細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換22（二）線粒體基因組是一條雙鏈環(huán)狀的DNA Human mt DNA 含 16569 bp，雙鏈閉環(huán)超螺旋DNA。 一條重鏈 一條輕鏈 人類線粒體基因組共編碼37個基因人類線粒體基因組編碼圖2021-11-4第六章 線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換23人類線粒體基因組共編碼人類線粒體基因組共編碼37個基因個基因 重鏈編碼（28個） 12S rRNA、16S rRNA NADH-CoQ 氧化還原酶 1 (NADH-CoQ oxidoreductase 1, ND1)、ND2、ND3、ND4L、ND4 & ND5 細(xì)胞色素C氧化酶 (cytochrome C oxidase, COX

8、)、COX & COX 細(xì)胞色素b 的亞基 ATP 合酶的第6亞基和第8亞基( A6, A8 ) 14個 tRNA 輕鏈編碼（9個） ND6、8個 tRNA線粒體基因組的37個基因 13個是編碼蛋白質(zhì)的基因，以ATG（甲硫氨酸）為起始密碼 3個為細(xì)胞色素C氧化酶（COX、COX和COX）構(gòu)成復(fù)合體 2個為ATP合酶復(fù)合體（F0）的亞基（A6和A8） 7個為NADH-CoQ還原酶復(fù)合體的亞基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6） 1個CoQH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合體中細(xì)胞色素b的亞基 24個基因編碼兩種rRNA和22種tRNA分子2021-11-425電子傳遞鏈組

9、分2021-11-426ND1, ND2,ND3, ND4L,ND4, ND5& ND6COXCOX COX A6,A8 呼吸鏈蛋白質(zhì)的組成12021-11-427人類線粒體基因組共編碼人類線粒體基因組共編碼37個基因個基因 13個基因編碼蛋白質(zhì)； 2個基因編碼兩種rRNA分子； 22個基因編碼22種tRNA分子； 線粒體基因組經(jīng)濟(jì)，緊湊；沒有內(nèi)含子，很少非編碼序列。 人類核基因組約2%為編碼序列。 洋蔥基因組是人類基因組的12倍大，阿米巴變形蟲的基因組是人類基因組的200倍大！（三）重鏈和輕鏈各有一個啟動子啟動線粒體基因的轉(zhuǎn)錄 轉(zhuǎn)錄從重鏈和輕鏈各自的主要啟動子開始 重鏈上的轉(zhuǎn)錄起始位

10、點有2個，形成兩個初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物 線粒體mRNA不含內(nèi)含子，很少有非翻譯區(qū) 翻譯起始氨基酸為甲酰甲硫氨基酸 人類細(xì)胞的線粒體編碼系統(tǒng)中UGA代表色氨酸 線粒體編碼的RNA和蛋白質(zhì)不運出線粒體外 線粒體基因組的兩個重疊基因是 復(fù)合物中的ND4L和ND4 復(fù)合物中的ATP酶8和ATP酶6（四）線粒體DNA的復(fù)制是一個緩慢而復(fù)雜的過程 人mtDNA復(fù)制起始點分成兩半，一個重鏈復(fù)制起始點（頂部），一個輕鏈復(fù)制起始點（8點鐘處） 重鏈順時針方向復(fù)制，輕鏈逆時針方向復(fù)制 輕鏈的復(fù)制晚于重鏈，整個復(fù)制持續(xù)2小時 復(fù)制不受細(xì)胞周期的影響2021-11-431五、核編碼蛋白的線粒體轉(zhuǎn)運 線粒體的4個蛋白質(zhì)輸送亞區(qū)

11、域，進(jìn)入不同部位的蛋白具有不同的轉(zhuǎn)運途徑。 1. 線粒體外膜(outer mitochondrial membrane, OMM )2. 線粒體內(nèi)膜(inner mitochondrial membrane, IMM )3. 膜間腔(intermembrane space)4. 基質(zhì)(matrix)2021-11-4第六章 線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換32（一）核編碼蛋白進(jìn)入線粒體需要分子伴侶的協(xié)助 前體蛋白 由核基因編碼的將要輸入到線粒體的蛋白。 前體蛋白N-端具有基質(zhì)導(dǎo)入序列(matrix-targeting sequence, MTS )，由2080個氨基酸殘基組成，富含 Arg, Lys,

12、Ser & Thr, 少見 Asp & Glu. MTS 包含了所有介導(dǎo)前體蛋白輸入線粒體基質(zhì)的信號。 分子伴侶 識別前體蛋白解折疊后暴露的疏水基團(tuán)并與之結(jié)合，防止其聚集；協(xié)助跨膜轉(zhuǎn)運后多肽的折疊和組裝。2021-11-434(二)前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài)新生多肽相關(guān)復(fù)合物 (nascent-associated complex, NAC) 與少數(shù)前體蛋白相互作用，增加蛋白轉(zhuǎn)運的準(zhǔn)確性。 熱休克蛋白 熱休克同源蛋白( heat shock protein, hsp heat shock cognate protein, hsc ) 胞質(zhì)hsc70 協(xié)助前體蛋白解折疊，到

13、達(dá)線粒體表面后，ATP提供能量使其解離。 mthsc70 維持前體蛋白解折疊，把多肽“鉸進(jìn)”基質(zhì)后使其重新折疊。2021-11-435 哺乳動物胞漿中能準(zhǔn)確結(jié)合前體蛋白的因子 前體蛋白結(jié)合因子( pre-sequence binding factor, PBF ) 增強(qiáng) hsc70 對線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運 線粒體輸入刺激因子( mitochondrial import stimulatory factor, MSF ) 不依賴 hsc70，單獨發(fā)揮 ATP 酶的作用，為聚集蛋白的解聚提供能量。( (二二) )前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài)前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài)2021-11-436 內(nèi)

14、膜 ATP/ADP 反向轉(zhuǎn)運體和 MSF 形成復(fù)合體，再與外膜上的受體 Tom 37 & Tom 70 結(jié)合，把前體蛋白轉(zhuǎn)移到 Tom 20 & Tom 22，同時釋放 MSF. 多數(shù)與 hsp70 結(jié)合的前體蛋白直接和 Tom 20 & Tom22 結(jié)合，再與外膜上的通道蛋白 Tom 40 偶聯(lián)， Tom 40 與內(nèi)膜轉(zhuǎn)位接觸點共同構(gòu)成越膜通道，蛋白質(zhì)進(jìn)入基質(zhì)。2021-11-437蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運涉及轉(zhuǎn)位因子蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運涉及轉(zhuǎn)位因子( translocator )TOM 復(fù)合體 OMM上的蛋白輸入復(fù)合體 由結(jié)合前體蛋白的受體和蛋白轉(zhuǎn)運通道構(gòu)成，把前體蛋白轉(zhuǎn)運到外膜上或穿越外

15、膜。TIM 復(fù)合體 IMM上的蛋白輸入復(fù)合體 包括前體蛋白的受體和穿膜通道，把前體蛋白轉(zhuǎn)運到基質(zhì)或內(nèi)膜上。TIM 22將蛋白質(zhì)插入內(nèi)膜；TIM 23將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運到基質(zhì)，也可將某些蛋白質(zhì)安插在內(nèi)膜。OXA復(fù)合體 IMM上的蛋白輸入復(fù)合體 - 負(fù)責(zé)將線粒體合成的蛋白質(zhì)和基質(zhì)中的蛋白插入內(nèi)膜 （ OXA 為氧化酶裝置復(fù)合物）負(fù)責(zé)線粒體蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運的蛋白質(zhì)復(fù)合體2021-11-439蛋白質(zhì)輸入線粒體蛋白質(zhì)輸入線粒體 前體蛋白正在輸入離體線粒體的電鏡照片 正在輸入蛋白質(zhì)的位點通過用金顆粒標(biāo)記的蛋白，可在電鏡下觀察到。 這些顆粒定位在內(nèi)膜與外膜極靠近的位點。0.2m 2021-11-440（三）分子運動產(chǎn)生

16、的動力協(xié)助多肽穿越線粒體膜（三）分子運動產(chǎn)生的動力協(xié)助多肽穿越線粒體膜 多肽鏈?zhǔn)紫韧ㄟ^ TOM 復(fù)合體進(jìn)入膜間隙，然后再通過 TIM 復(fù)合體進(jìn)入基質(zhì)/蛋白質(zhì)通過轉(zhuǎn)位接觸點直接進(jìn)入基質(zhì)。 布朗棘輪模型( Brownian ratchet model ) 多肽進(jìn)入線粒體膜上的轉(zhuǎn)運孔，當(dāng) N-端進(jìn)入基質(zhì)時，駐留在膜內(nèi)表面的 mthsc70 與剛顯露的多肽鏈結(jié)合，阻斷多肽通過孔擴(kuò)散返回細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)。 擴(kuò)散是隨機(jī)過程，擴(kuò)散的分子可在任何有效的方向運動。 mthsc70 反復(fù)結(jié)合在蛋白質(zhì)線性分子上，像齒輪一樣將多肽鏈“鉸進(jìn)( hand over hand )”基質(zhì)。2021-11-441( (四四) )多肽

17、鏈在線粒體基質(zhì)內(nèi)重新折疊多肽鏈在線粒體基質(zhì)內(nèi)重新折疊 基質(zhì)導(dǎo)入序列 ( MTS ) 被線粒體加工蛋白酶( 移除 mthsc70 作為折疊因子協(xié)助多肽折疊 mthsc60 完成最后折疊2021-11-4422021-11-443（五）核編碼蛋白向線粒體其他部位的轉(zhuǎn)運（五）核編碼蛋白向線粒體其他部位的轉(zhuǎn)運1. 膜間腔蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運 前體蛋白具有兩個信號序列 前體蛋白的N-端攜帶MTS靶向基質(zhì)，MTS被MPP （基質(zhì)作用蛋白酶）移除。 前體蛋白攜帶膜間腔導(dǎo)入序列( intermembrane space-targeting sequence, ISTS )，靶向膜間腔。根據(jù) ISTS 的不同，有2種轉(zhuǎn)

18、運方式 整條多肽鏈進(jìn)入基質(zhì)，并與 mthsp70 結(jié)合；ISTS 引導(dǎo)多肽鏈通過內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運孔進(jìn)入膜間腔。 前體蛋白的 ISTS 作為停止轉(zhuǎn)移序列，被 TIM 23 安插在內(nèi)膜上；肽鏈隨內(nèi)膜側(cè)向運動而擴(kuò)散，被膜間腔蛋白酶加工切斷。ISTS 在內(nèi)膜中，C-端脫落，成為膜間隙的可溶性蛋白。2021-11-444 外膜和內(nèi)膜蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運 進(jìn)入內(nèi)膜的前體蛋白具有兩個信號序列，經(jīng) TOMTIM 23 進(jìn)入基質(zhì)后，第二個信號序列使蛋白通過 OXA 復(fù)合體被安插到內(nèi)膜上。 進(jìn)入內(nèi)膜的前體蛋白具有停止轉(zhuǎn)移序列，被 TIM 23 安插在內(nèi)膜上。2021-11-445 蛋白質(zhì)輸入是一個耗能過程 在線粒體外，釋放與前

19、體蛋白結(jié)合的 hsc70，須水解 ATP 獲得能量； 通過 TIM 復(fù)合體進(jìn)入基質(zhì)時，IMM 兩側(cè)的電位作用于帶正電荷的前體蛋白靶信號，為前體蛋白進(jìn)入基質(zhì)提供能量（質(zhì)子動力勢）。 加入藥物 DNP 消除膜電位，蛋白轉(zhuǎn)移停止，多肽停滯在膜內(nèi)，跨越 TOM complex & TIM complex. 前體蛋白進(jìn)入線粒體基質(zhì)，mthsp70 將多肽鏈“ 鉸進(jìn)” 基質(zhì)，需要消耗 ATP。（六）線粒體介導(dǎo)細(xì)胞死亡2021-11-447六、線粒體的起源與發(fā)生六、線粒體的起源與發(fā)生（一）線粒體的增殖方式 線粒體增殖的幾種假說 裂殖 細(xì)胞利用脂類、蛋白質(zhì)和DNA等重新合成 利用質(zhì)膜/核膜/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜等

20、重新裝配 鏡下觀察活細(xì)胞的線粒體，支持第一種觀點 出芽：見于酵母和蘚類，線粒體膜突起、長大，脫離原線粒體，發(fā)育為新的線粒體。 收縮分裂：線粒體在中部縊縮分裂為兩個。 間壁分裂：線粒體內(nèi)膜向中心內(nèi)褶，形成間壁，一分為二。見于鼠肝和植物分生組織。狗心肌細(xì)胞線粒體昆蟲細(xì)胞線粒體2021-11-448（二）mtDNA 隨機(jī)分配到新的線粒體中 線粒體可以含有正常的（即野生型）和突變的mtDNA 混合物，稱為異質(zhì)性。 線粒體分裂時隨機(jī)分配 細(xì)胞內(nèi)存在野生型和突變型線粒體 細(xì)胞分裂時隨機(jī)分配 隨機(jī)分配導(dǎo)致 mtDNA 異質(zhì)性變化的過程稱為復(fù)制分離。 當(dāng)特定組織中占優(yōu)勢的線粒體含有缺陷的遺傳信息時，將出現(xiàn)線粒

21、體疾病。2021-11-449（三）線粒體可能起源于共生的早期細(xì)菌 線粒體在形態(tài)、染色反應(yīng)、化學(xué)組成、物理性質(zhì)、活動狀態(tài)、遺傳體系等方面類似于細(xì)菌，推測線粒體起源于內(nèi)共生。 需氧細(xì)菌被原始真核細(xì)胞吞噬后，在長期互利共生中演化形成現(xiàn)今的線粒體。 在進(jìn)化過程中，需氧細(xì)菌逐步喪失其獨立性，并將大量遺傳信息整合到宿主細(xì)胞中，形成了線粒體的半自主性。 線粒體基因組與細(xì)菌基因組結(jié)構(gòu)相似。 基因表達(dá)機(jī)制、對抗生素敏感性均相同。2021-11-450線粒體起源的內(nèi)共生假說2021-11-4512021-11-452第二節(jié)第二節(jié) 細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換一、細(xì)胞呼吸 糖、脂肪、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)胞

22、內(nèi)徹底氧化生成 CO2 和 H2O，釋放能量的過程稱為細(xì)胞氧化(cellular oxidation)。此過程需耗氧、放出CO2 ，又稱為細(xì)胞呼吸 (cellular respiration) 。 細(xì)胞呼吸的特點 酶促反應(yīng)，在恒溫、恒壓條件下分步進(jìn)行。 能量逐步釋放，貯存在高能磷酸鍵中。 反應(yīng)過程需要水的參與。2021-11-453二、細(xì)胞能量的轉(zhuǎn)換分子ATP去磷酸化磷酸化2021-11-454線粒體的主要功能能量轉(zhuǎn)換葡萄糖糖酵解丙酮酸發(fā)酵乳糖細(xì)胞質(zhì)CO2,H2OATPATPATP質(zhì)膜2021-11-455細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換過程 葡萄糖氧化的三個步驟 第1階段：糖酵解( glycolysis )

23、第2階段：三羧酸循環(huán) ( tri-carboxylic acid cycle, TCA 循環(huán) ) 第3階段：氧化磷酸化( oxidative phosphorylation )2021-11-456一、葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行糖酵解一、葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行糖酵解 C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 糖酵解酶系 進(jìn)入有氧氧化 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP 丙酮酸 2CH3CHOHCOOH + 2NAD+ + 2ATP 完成無氧氧化 乳 酸 2CH3CH2OH + 2CO2+2NAD+ + 2ATP 乙 醇NAD+ (nicotinamide a

24、denine dinucleotide, 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，帶正電荷的離子) 受氫體 可逆地接受2個電子和1個H+，另1個H+則留在溶質(zhì)中。底物水平磷酸化：由高能底物水解放能，直接將高能磷酸鍵從底物轉(zhuǎn)移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP。2021-11-457 丙酮酸與 NADH + H+ 進(jìn)入線粒體有氧氧化 丙酮酸以其自身的脂溶性通過內(nèi)膜 NADH+H+借助于內(nèi)膜上特異性穿梭系統(tǒng)進(jìn)入基質(zhì) 蘋果酸 - 天冬氨酸穿梭 心肌、肝和腎細(xì)胞 - 磷酸甘油穿梭 腦細(xì)胞 丙酮酸被“初加工” ，轉(zhuǎn)變成 TCA 循環(huán)能夠利用的形式：醋酸。醋酸必須以乙酰CoA*的形式進(jìn)入 TCA 循環(huán) 丙酮酸脫氫酶 2C

25、H3COCOOH + 2HSCoA + 2NAD+ 2CH3COSCoA + 2CO2 + 2NADH + 2H+ * 乙酰 CoA 是醋酸與輔酶A ( CoA,一種載體分子 )結(jié)合而成2021-11-458蘋果酸蘋果酸-天冬氨酸穿梭機(jī)制天冬氨酸穿梭機(jī)制心肌、肝和腎細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的NADH可通過蘋果酸-天冬氨酸穿梭作用再被氧化。細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的草酰乙酸由NADH還原為蘋果酸后，通過蘋果酸-酮戊二酸載體進(jìn)入線粒體。在基質(zhì)內(nèi)，蘋果酸又借助NAD+轉(zhuǎn)變?yōu)镹ADH再氧化為草酰乙酸，結(jié)果，電子從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的NADH到線粒體基質(zhì)的NADH，只發(fā)生了電子的傳遞。草酰乙酸由轉(zhuǎn)氨基作用轉(zhuǎn)變?yōu)樘於彼犭x開線粒體，又在細(xì)

26、胞質(zhì)基質(zhì)中再通過轉(zhuǎn)氨酶作用變?yōu)椴蒗Ｒ宜?。一、葡萄糖在?xì)胞質(zhì)中進(jìn)行糖酵解線粒體基質(zhì)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)2021-11-459磷酸甘油穿梭機(jī)制 腦細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)NADH不能跨過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入線粒體被氧化，但可通過磷酸甘油穿梭作用被再氧化。 細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)3-磷酸甘油脫氫酶氧化NADH并將磷酸二羥丙酮還原為3-磷酸甘油。 3-磷酸甘油進(jìn)入線粒體，通過線粒體的3-磷酸甘油脫氫酶（輔酶FAD）脫氫又轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿岫u丙酮。磷酸二羥丙酮擴(kuò)散回到細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)。 FADH2將電子傳遞給泛醌再被氧化。 2021-11-460二、 三羧酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中實現(xiàn)2021-11-461二、二、TCA cycle檸檬酸 6C異檸檬酸 6C-酮

27、戊二酸5C琥珀酰CoA 4C NAD+ NADH+H+123456789NAD+ NADH+H+NAD+NADH+H+NADH+H+NAD+FADH2FAD丙酮酸 3C乙酰CoA 2C草酰乙酸 4C蘋果酸 4C延胡索酸 4C琥珀酸 4CGTPGDP葡萄糖、氨基酸、脂肪酸、甘油等CO2PiCO2CO22021-11-462 TCA循環(huán)總反應(yīng)式 CH3COCoA + 2H2O + FAD + 3NAD+ + GDP + Pi 2CO2 + FADH2 + 3NADH + 3H+ + GTP + HS-CoA 能量產(chǎn)生 每循環(huán)一次氧化1個乙?；a(chǎn)生1GTP、3NADH 和 1FADH2 2！ TC

28、A循環(huán)是各種有機(jī)物進(jìn)行氧化的最后階段，也是各類有機(jī)物相互轉(zhuǎn)化的樞紐。2021-11-463三、氧化磷酸化偶聯(lián)是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵 NADH 和 FADH2 攜帶的電子經(jīng)呼吸鏈逐級定向傳遞給O2，本身被氧化。電子傳遞過程中釋放的能量被 ATP 合酶用來催化 ADP 磷酸化合成 ATP。 氧化（放能）磷酸化（貯能）由兩個不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)同時進(jìn)行并偶聯(lián)在一起。2021-11-464（一）呼吸鏈和（一）呼吸鏈和 ATP 合酶是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)合酶是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)1. 呼吸鏈（電子傳遞鏈） 位于線粒體內(nèi)膜上有序地排列的酶體系，由一系列電子載體構(gòu)成，能夠可逆地接受和釋放H+和e-。呼吸鏈上的最終電子受

29、體是分子氧。 鏈中的每一環(huán)節(jié)是一個分子，通常是蛋白質(zhì)。 在一系列氧化還原反應(yīng)中，鏈的每一環(huán)節(jié)先接受一個電子，然后再供出這個電子。 電子傳遞體：只傳遞電子的酶和輔酶（泛醌、Cyt 和 FeS） 遞氫體：既傳遞電子又傳遞質(zhì)子的酶和輔酶2021-11-465（一）呼吸鏈和（一）呼吸鏈和 ATP 合酶是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)合酶是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 電子轉(zhuǎn)運復(fù)合物 線粒體內(nèi)膜崩解時，電子載體以4種不同的跨膜蛋白復(fù)合物被分離出來，均為整合膜蛋白。 泛醌和細(xì)胞色素C不屬于任何一種復(fù)合物 泛醌（脂溶性蛋白質(zhì)）能在膜內(nèi)運動 細(xì)胞色素C（膜周邊蛋白）僅沿著膜運動 典型呼吸鏈各組分的排列順序和方向 NADHFMN

30、CoQCyt b Cyt c1 Cyt c Cyt aa3O22021-11-466復(fù)合體(NADH -CoQ還原酶or NADH脫氫酶)催化一對電子從NADH轉(zhuǎn)移到泛醌(UQ)上形成氫醌(UQH2)。每傳遞一對電子，伴隨4H+從基質(zhì)側(cè)被轉(zhuǎn)移到膜間腔，電子傳遞體兼質(zhì)子移位體。H+移位體FMN,FeSH+移位體cytb,c1,FeSH+移位體血紅素a,a3,Cu2021-11-467 復(fù)合體（或NADH脫氫酶） 催化一對電子從NADH轉(zhuǎn)移到泛醌(UQ)上形成氫醌(UQH2)。 每傳遞一對電子，伴隨4H+從基質(zhì)側(cè)被轉(zhuǎn)移到膜間腔，既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體。 復(fù)合體（或琥珀酸脫氫酶） 提供了將來自

31、琥珀酸的電子傳到FAD再轉(zhuǎn)移到泛醌生成氫醌的途徑。電子傳遞不伴隨質(zhì)子的跨膜轉(zhuǎn)移。 復(fù)合體( 或 Cyt b, c1 ) 催化電子從氫醌轉(zhuǎn)移到 Cyt c。每轉(zhuǎn)移一對電子，有4H+從基質(zhì)側(cè)被泵到膜間腔。 其中2H+是從進(jìn)入復(fù)合物的還原態(tài)的UQH2 中獲得的；另外2H+來自基質(zhì)，并作為第二個UQH2 的部分被跨膜轉(zhuǎn)移到膜間腔中。 復(fù)合體 ( 或 Cyt c 氧化酶 ) 電子連續(xù)地從還原態(tài)的 Cyt c 傳給氧。 反應(yīng)如下：2 Cytc2+ + 2H+ + 1/2O2 2Cytc3+ + H2O 要還原1個O2分子則反應(yīng)如下：4 Cytc2+ + 4H+ + O2 4Cytc3+ + 2H2O202

32、1-11-468（一）呼吸鏈和（一）呼吸鏈和 ATP 合酶是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)合酶是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)2. ATP合酶復(fù)合體 又稱基粒(elementary particle) 排列在內(nèi)膜和嵴的基質(zhì)腔一側(cè)的顆粒狀凸起 基粒間距為102021-11-469基?；?elementary particle)2021-11-470 ATP synthase 由頭部、柄部和基片3部分組成 頭部圓球形，柄部連接頭部和嵌入內(nèi)膜的基片9 nm4nm4.55nm2021-11-4712. ATP合酶復(fù)合體合酶復(fù)合體 ATP synthase 包含F(xiàn)1和F0兩個主要組分 頭部 又稱F1偶聯(lián)因子，由5種亞基以

33、3 :3 :組成。 亞基呈螺旋結(jié)構(gòu)位于“橘子”中央，上段與,有限接觸；下段與有很強(qiáng)的親和力，結(jié)合在一起形成“轉(zhuǎn)子”。 亞基協(xié)助亞基附著到F0。2021-11-4722. ATP合酶復(fù)合體合酶復(fù)合體 F0基部包埋在膜中，由3種亞基以1a:2b:12c組成。 c亞基在膜上形成一個可動環(huán)； 成對的b亞基和F1頭部的亞基組成一個外周柄，固定/亞基的位置； a亞基有跨膜轉(zhuǎn)運的質(zhì)子通道，將H+從膜間腔轉(zhuǎn)運到基質(zhì)。2021-11-473（二）氧化過程伴隨磷酸化的偶聯(lián) 還原性輔酶NADH&FADH2怎樣被利用而生成ATP? 高能電子從FADH2和NADH轉(zhuǎn)移到電子傳遞鏈的第一個載體上。 質(zhì)子通過ATP

34、合酶返跨膜的運動，為ADP磷酸化生成ATP提供必需的能量。2021-11-474根據(jù)接收代謝物上脫下的 H 的原初受體，電子載體的類型分為 NADH 呼吸鏈( Transport of electrons from NADH ) NADH作為電子供體。 FADH2 呼吸鏈( Transport of electrons from FADH2 ) FADH2作為電子供體。電子從TCA循環(huán)中的琥珀酸脫氫酶（構(gòu)成復(fù)合酶體）傳給泛醌，泛醌繞開傳遞鏈上游末端，因末端NADH氧還電位太負(fù)而不能接受黃素核苷酸能量較低的電子。2021-11-475 呼吸鏈3個能量釋放偶聯(lián)ATP生成的部位 MADHFMN，50

35、 800 J Cyt bCyt c，41 000 J Cyt aa3O2，99 500 J 圖中闡明了載體的近似氧還電位和電子對沿呼吸連傳遞到分子氧的過程中自由能的下降。 紅色箭頭指示的3個電子轉(zhuǎn)移過程中的每一個都能產(chǎn)生足夠的能量使得質(zhì)子跨線粒體內(nèi)膜運動，質(zhì)子的運動反過來又為ADP生成ATP提供了所需的能量。2021-11-476生物氧化產(chǎn)生生物氧化產(chǎn)生ATP的統(tǒng)計的統(tǒng)計糖酵解（以葡萄糖為例）糖酵解（以葡萄糖為例）底物水平磷酸化底物水平磷酸化 4 ATP細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)己糖分子活化己糖分子活化 2 ATP細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)2分子分子 NADH 3 ATP (or 5ATP)*進(jìn)入線粒體進(jìn)

36、入線粒體*丙酮酸丙酮酸氧化脫羧氧化脫羧2分子分子 NADH 5 ATP線線 粒粒 體體TCA 循環(huán)循環(huán)底物水平磷酸化底物水平磷酸化 2 ATP線線 粒粒 體體6分子分子 NADH 15 ATP線線 粒粒 體體2分子分子 FADH2 3 ATP線線 粒粒 體體總計生成總計生成 30 ATP (or 32ATP)*P/O值:指一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧所生成的ATP分子數(shù)，或者指每消耗一個氧原子所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADH2.5; FADH21.52021-11-477（三）電子傳遞時（三）電子傳遞時H+穿膜形成電化學(xué)梯度穿膜形成電化學(xué)梯度 化學(xué)滲透假說(Chemiosmotic coupling

37、 Hypothesis)，英國化學(xué)家 P. Mitchell，1961 電子傳遞釋放的能量將H+從基質(zhì)泵出內(nèi)膜，形成跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度；然后，H+順濃度梯度穿過位于內(nèi)膜的ATP合酶回流到基質(zhì)，釋放的能量驅(qū)動ATP合成。2021-11-478電化學(xué)質(zhì)子梯度如何驅(qū)動電化學(xué)質(zhì)子梯度如何驅(qū)動ATP合酶生成合酶生成ATP? F1具有3個催化位點，但在特定的時間，3個催化位點的構(gòu)象不同(L,T,O)，與核苷酸的親和力不同。 質(zhì)子的“下坡”跨膜運動驅(qū)動c環(huán)轉(zhuǎn)動，從而帶動亞基旋轉(zhuǎn)，由于亞基的端部高度不對稱，其旋轉(zhuǎn)引起亞基3個催化位點構(gòu)象的周期性變化：松弛(L)緊密(T)開放(O), 不斷將 ADP 和 Pi

38、加合生成 ATP。2021-11-479（四）電化學(xué)梯度所包含的能量轉(zhuǎn)換成（四）電化學(xué)梯度所包含的能量轉(zhuǎn)換成ATP的化學(xué)能的化學(xué)能 3種亞基的構(gòu)象怎么會發(fā)生交替變化呢？ 每個亞基具有 L, T & O 的狀態(tài) ADP + Pi 與松弛狀態(tài)的亞基結(jié)合，當(dāng)其構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)榫o密結(jié)合狀態(tài)時，ADP + Pi 即形成 ATP； 隨后，當(dāng)亞基轉(zhuǎn)變?yōu)殚_放狀態(tài)時，ATP 被釋放進(jìn)入基質(zhì)。 每一亞基 LTO 構(gòu)象循環(huán)進(jìn)行，不斷合成 ATP。 結(jié)合變構(gòu)機(jī)制(binding-change mechanism),1989. Paul D. Boyer 榮獲1997年諾貝爾化學(xué)獎在紅色的催化位點上，ATP自發(fā)形成2

39、021-11-480支持結(jié)合變構(gòu)機(jī)制和旋轉(zhuǎn)催化作用的證據(jù)支持結(jié)合變構(gòu)機(jī)制和旋轉(zhuǎn)催化作用的證據(jù)(a) F1的截面，顯示其3個亞基的空間組織。 螺旋的亞基伸進(jìn)F1的中央腔并位于兩側(cè)的和亞基之間。 亞基催化位點的構(gòu)象通過其與亞基的接觸而確定。(b) F1的俯視圖，顯示33圍繞著不對稱的亞基。 亞基處于相對于周圍亞基旋轉(zhuǎn)的位置上。亞基能與3個亞基以不同方式接觸，從而誘導(dǎo)每個亞基采取不同的構(gòu)象。(a)(b)催化位點構(gòu)象的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)2021-11-481第四節(jié)第四節(jié) 線粒體與醫(yī)學(xué)（略）線粒體與醫(yī)學(xué)（略） 線粒體疾病 是 mtDNA 和 nDNA 編碼線粒體蛋白的基因變異，導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)損傷和氧化磷酸化功能下

40、降而引起的疾病。 表現(xiàn)為 ATP 能量減少、活性氧自由基 (ROS) 增多和乳酸中毒等，造成細(xì)胞損傷或細(xì)胞凋亡。 可發(fā)生在身體某一部位或多個部位，形成多系統(tǒng)疾病，患者常有兩種或更多病癥的綜合表現(xiàn)，形成綜合癥。2021-11-482第四節(jié)第四節(jié) 線粒體與醫(yī)學(xué)（略）線粒體與醫(yī)學(xué)（略） 線粒體疾病的特征 母系遺傳胞質(zhì)遺傳 人類胚胎細(xì)胞中的線粒體專一來自于卵細(xì)胞。 高突變率比核 DNA 高10倍以上 mtDNA 裸露，沒有組蛋白保護(hù)，容易受到侵害；缺乏有效的修復(fù)系統(tǒng)；復(fù)制時不對稱，單鏈 DNA 有自發(fā)脫氨基效應(yīng)；復(fù)制頻率較 nDNA 高。 復(fù)制分離線粒體含有正常的和突變的 mtDNA 混合物，分裂時它

41、們被隨機(jī)分配到子代線粒體。 閾值效應(yīng)突變 mtDNA 達(dá)到一定閾值，細(xì)胞表現(xiàn)變異表型。 含高百分比突變線粒體的個體所患疾病將更加嚴(yán)重。2021-11-483一、疾病過程中的線粒體變化一、疾病過程中的線粒體變化 中毒、感染 氰化物、CO能阻斷呼吸鏈的電子傳遞，中斷氧化磷酸化過程。 病毒感染，線粒體腫脹、破裂。 原發(fā)性肝癌 線粒體嵴數(shù)量減少，呈液泡狀。 缺血性損傷 線粒體腫脹、凝集。 壞血病 23個線粒體發(fā)生融合。 衰老 從老人身上獲得的細(xì)胞與從年青人身上獲得的同類細(xì)胞相比，前者的 mtDNA 突變明顯增多。 氧化磷酸化能力下降2021-11-484二、二、mtDNA 突變可導(dǎo)致多種疾病突變可導(dǎo)致

42、多種疾病 帕金森病(Parkinson?s disease, PD) mtDNA 4 977bp缺失。線粒體功能退行性變化。 患者腦部黒質(zhì)區(qū)細(xì)胞呼吸鏈復(fù)合酶體活性明顯下降。 行動遲緩、姿勢異常、手腳震顫。 丙酮酸脫氫酶缺陷 線粒體能量代謝缺陷 丙酮酸乙酰輔酶A的關(guān)鍵步驟受阻，導(dǎo)致乳酸積聚、中毒，影響腦組織細(xì)胞代謝，引起腦損傷。2021-11-485部分與部分與 mtDNA 突變相關(guān)的疾病突變相關(guān)的疾病 疾病名稱疾病名稱臨床表現(xiàn)臨床表現(xiàn)突變類型突變類型老年性癡呆老年性癡呆進(jìn)行性喪失認(rèn)知能力進(jìn)行性喪失認(rèn)知能力點突變點突變慢性進(jìn)行性眼外肌麻痹慢性進(jìn)行性眼外肌麻痹 眼肌麻痹和線粒體肌病眼肌麻痹和線粒體肌病點突變點突變/重排重排肌陣攣性癲癇、粗紅肌肌陣攣性癲癇、粗紅肌纖維病纖維病癲癇合并線粒體肌病癲癇合并線粒體肌病 點突變點突變線粒體腦肌病線粒體腦肌病腦組織機(jī)能障礙合并線腦組織機(jī)能障礙合并線粒體肌病及酸中毒粒體肌病及酸中毒 點突變點突變線粒體肌病線粒體肌病 肌無力，退化，肌內(nèi)有肌無力，退化，肌內(nèi)有充滿異常線粒體的粗糙充滿異常線粒體的粗糙紅纖維（特殊染色檢測）紅纖維（特殊染色檢測） 點突變點突變/缺失缺失2021-11-486骨骼肌中的線粒體異常骨骼肌中的線粒體異常2021-11