第七章線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換

1、第七章第七章 線粒體與細(xì)胞的線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換l能夠進(jìn)行光合作用的植物細(xì)胞和某些細(xì)菌能夠進(jìn)行光合作用的植物細(xì)胞和某些細(xì)菌能將無機(jī)物如能將無機(jī)物如CO2和和H2O轉(zhuǎn)化成可被自身利轉(zhuǎn)化成可被自身利用的有機(jī)物，此稱自養(yǎng)生物用的有機(jī)物，此稱自養(yǎng)生物(autotroph)。動物細(xì)胞無葉綠體，只能以自養(yǎng)生物合成動物細(xì)胞無葉綠體，只能以自養(yǎng)生物合成的有機(jī)物為營養(yǎng)，通過分解代謝獲取能量，的有機(jī)物為營養(yǎng)，通過分解代謝獲取能量，故被稱為異養(yǎng)生物故被稱為異養(yǎng)生物(heterotroph)。動物細(xì)。動物細(xì)胞實(shí)現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)換的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)是線粒胞實(shí)現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)換的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)是線粒體體(mitochondrio

2、n or mitochondria)。線粒體的基本特征線粒體的基本特征l線粒體的主要化學(xué)成分是蛋白質(zhì)，主要為線粒體的主要化學(xué)成分是蛋白質(zhì)，主要為結(jié)構(gòu)蛋白和眾多酶類，線粒體是細(xì)胞中含結(jié)構(gòu)蛋白和眾多酶類，線粒體是細(xì)胞中含酶最多的細(xì)胞器，目前已知含酶最多的細(xì)胞器，目前已知含120多種，這多種，這些酶在行使細(xì)胞氧化功能時(shí)起重要作用，些酶在行使細(xì)胞氧化功能時(shí)起重要作用，有些酶還可作為線粒體不同部位的標(biāo)志性有些酶還可作為線粒體不同部位的標(biāo)志性酶，如內(nèi)、外膜的細(xì)胞色素氧化酶和單胺酶，如內(nèi)、外膜的細(xì)胞色素氧化酶和單胺氧化酶等。氧化酶等。l線粒體還含有線粒體還含有DNA和完整的遺傳系統(tǒng)及多和完整的遺傳系統(tǒng)及多種

3、輔酶等物質(zhì)。種輔酶等物質(zhì)。線粒體呈線狀、粒狀或桿狀，不同類型或不同生理線粒體呈線狀、粒狀或桿狀，不同類型或不同生理狀態(tài)的細(xì)胞及細(xì)胞發(fā)育的不同階段，線粒體的形狀態(tài)的細(xì)胞及細(xì)胞發(fā)育的不同階段，線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)目及排列分布常不相同。線粒體的態(tài)、大小、數(shù)目及排列分布常不相同。線粒體的數(shù)量可因細(xì)胞種類而不同。數(shù)量可因細(xì)胞種類而不同。線粒體是由雙層單位膜套疊而成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu)。線粒體是由雙層單位膜套疊而成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu)。l 線粒體外膜是線粒體最線粒體外膜是線粒體最外層所包繞的一層單位外層所包繞的一層單位膜，膜，外膜含有脂質(zhì)和蛋外膜含有脂質(zhì)和蛋白約各占一半，蛋白多白約各占一半，蛋白多為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，它

4、們形成為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，它們形成較大的水相通道跨越脂較大的水相通道跨越脂質(zhì)雙層，使外膜出現(xiàn)直質(zhì)雙層，使外膜出現(xiàn)直徑徑2-3nm的小孔的小孔(porin)，可以通過分子量在可以通過分子量在5000以下的物質(zhì)，包括一些以下的物質(zhì)，包括一些小分子多肽。小分子多肽。l 線粒體內(nèi)膜向基質(zhì)折疊形成特定的內(nèi)部空間，線粒體內(nèi)膜向基質(zhì)折疊形成特定的內(nèi)部空間，內(nèi)膜將線粒內(nèi)膜將線粒體的內(nèi)部空間分成兩部分，其中由內(nèi)膜直接包圍的空間稱體的內(nèi)部空間分成兩部分，其中由內(nèi)膜直接包圍的空間稱內(nèi)腔，含有基質(zhì)，也稱基質(zhì)腔；內(nèi)膜與外膜之間的空間稱內(nèi)腔，含有基質(zhì)，也稱基質(zhì)腔；內(nèi)膜與外膜之間的空間稱為外腔，或膜間腔，內(nèi)膜上有大量向內(nèi)突起的折疊

5、，形成為外腔，或膜間腔，內(nèi)膜上有大量向內(nèi)突起的折疊，形成嵴。嵴與嵴之間的內(nèi)腔部分稱為嵴間腔而由于嵴向內(nèi)突起嵴。嵴與嵴之間的內(nèi)腔部分稱為嵴間腔而由于嵴向內(nèi)突起造成的外腔向內(nèi)深入的部分稱為嵴內(nèi)空間，內(nèi)膜的通透性造成的外腔向內(nèi)深入的部分稱為嵴內(nèi)空間，內(nèi)膜的通透性很小。內(nèi)膜有高度的選擇通透性。內(nèi)膜（包括嵴）的內(nèi)表很小。內(nèi)膜有高度的選擇通透性。內(nèi)膜（包括嵴）的內(nèi)表面附著許多突出于內(nèi)腔的顆粒，每個(gè)線粒體大約有面附著許多突出于內(nèi)腔的顆粒，每個(gè)線粒體大約有104-105個(gè)，稱為基粒個(gè)，稱為基粒，基粒頭部具有催化基粒頭部具有催化ADP生成生成ATP的酶。的酶。l 線粒體內(nèi)外膜轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)形成編線粒體內(nèi)外膜轉(zhuǎn)位接觸

6、點(diǎn)形成編碼蛋白質(zhì)進(jìn)入線粒體的通道；碼蛋白質(zhì)進(jìn)入線粒體的通道；l 線粒體內(nèi)腔充滿了電子密度較低線粒體內(nèi)腔充滿了電子密度較低的可溶性蛋白質(zhì)和脂肪等成分稱的可溶性蛋白質(zhì)和脂肪等成分稱之為基質(zhì)之為基質(zhì)(matrix)；l 線粒體中催化三羧酸循環(huán)等有關(guān)線粒體中催化三羧酸循環(huán)等有關(guān)反應(yīng)的酶、線粒體獨(dú)特的雙鏈環(huán)反應(yīng)的酶、線粒體獨(dú)特的雙鏈環(huán)狀狀DNA、核糖體，這些構(gòu)成了、核糖體，這些構(gòu)成了相對獨(dú)立的線粒體遺傳信息復(fù)制、相對獨(dú)立的線粒體遺傳信息復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)，線粒體是除細(xì)轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)，線粒體是除細(xì)胞核以外唯一含有胞核以外唯一含有DNA的細(xì)胞的細(xì)胞器。器。l線粒體的基因組只有一條線粒體的基因組只有一條DN

7、A，稱為線粒，稱為線粒體體DNA(mtDNA)，它主要編碼線粒體的，它主要編碼線粒體的tRNA、rRNA及一些線粒體蛋白質(zhì)如某些及一些線粒體蛋白質(zhì)如某些酶的組成成分。酶的組成成分。l線粒體中大多數(shù)酶或蛋白質(zhì)仍由核線粒體中大多數(shù)酶或蛋白質(zhì)仍由核DNA編編碼，那些蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)中合成后轉(zhuǎn)運(yùn)入碼，那些蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)中合成后轉(zhuǎn)運(yùn)入線粒體中。核編碼蛋白質(zhì)在進(jìn)入線粒體的線粒體中。核編碼蛋白質(zhì)在進(jìn)入線粒體的過程中需要一類被稱為伴侶蛋白的物質(zhì)協(xié)過程中需要一類被稱為伴侶蛋白的物質(zhì)協(xié)助，大多數(shù)線粒體蛋白被輸入到基質(zhì)，少助，大多數(shù)線粒體蛋白被輸入到基質(zhì)，少數(shù)到膜間隙和內(nèi)、外膜上。數(shù)到膜間隙和內(nèi)、外膜上。l 輸入到線

8、粒體的蛋輸入到線粒體的蛋白質(zhì)在其白質(zhì)在其N-端都有端都有一段線粒體靶序列一段線粒體靶序列稱為基質(zhì)導(dǎo)入序列稱為基質(zhì)導(dǎo)入序列(MTS)，線粒體外，線粒體外膜和內(nèi)膜上的受體膜和內(nèi)膜上的受體能識別并結(jié)合各種能識別并結(jié)合各種不同的但相關(guān)的不同的但相關(guān)的MTS，線粒體外蛋，線粒體外蛋白通過受體可以進(jìn)白通過受體可以進(jìn)入線粒體。入線粒體。l前體蛋白在線粒體外處于非折疊狀態(tài)；前體蛋白在線粒體外處于非折疊狀態(tài)；l前體蛋白和受體結(jié)合造成變構(gòu)，此分子運(yùn)前體蛋白和受體結(jié)合造成變構(gòu)，此分子運(yùn)動產(chǎn)生的動力協(xié)助多肽鏈穿越線粒體膜；動產(chǎn)生的動力協(xié)助多肽鏈穿越線粒體膜；l多肽鏈需要在線粒體基質(zhì)內(nèi)重新折疊才形多肽鏈需要在線粒體基質(zhì)

9、內(nèi)重新折疊才形成天然構(gòu)象并形成有活性的蛋白質(zhì)。成天然構(gòu)象并形成有活性的蛋白質(zhì)。l線粒體蛋白以類似的機(jī)制進(jìn)入線粒體其他線粒體蛋白以類似的機(jī)制進(jìn)入線粒體其他部位。部位。l線粒體介導(dǎo)了某些類型的細(xì)胞死亡線粒體介導(dǎo)了某些類型的細(xì)胞死亡(凋亡凋亡) ：l在研究凋亡的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了許多證據(jù)顯示在研究凋亡的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了許多證據(jù)顯示線粒體是控制細(xì)胞死亡的重要環(huán)節(jié)之一。當(dāng)線粒體是控制細(xì)胞死亡的重要環(huán)節(jié)之一。當(dāng)細(xì)胞受到內(nèi)部或外部凋亡信號刺激時(shí)，線粒細(xì)胞受到內(nèi)部或外部凋亡信號刺激時(shí)，線粒體外膜通透性改變，線粒體內(nèi)的凋亡因子如體外膜通透性改變，線粒體內(nèi)的凋亡因子如細(xì)胞色細(xì)胞色素素C、凋亡誘導(dǎo)因子、凋亡誘導(dǎo)因子(AI

10、F)等釋放到細(xì)等釋放到細(xì)胞質(zhì)中，與胞質(zhì)中凋亡蛋白酶活化因子胞質(zhì)中，與胞質(zhì)中凋亡蛋白酶活化因子Apaf-1結(jié)合，活化結(jié)合，活化caspase9進(jìn)而激活進(jìn)而激活caspase3，導(dǎo)，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。許多凋亡相關(guān)蛋白如致細(xì)胞凋亡。許多凋亡相關(guān)蛋白如Bcl-2、Bax等定位于線粒體膜上。等定位于線粒體膜上。l 線粒體的起源目前尚不太清楚，有幾種假說。線粒體的起源目前尚不太清楚，有幾種假說。線粒體通過分裂方式實(shí)現(xiàn)增殖線粒體通過分裂方式實(shí)現(xiàn)增殖線粒體的起源有內(nèi)共生和線粒體的起源有內(nèi)共生和非共生兩種假說非共生兩種假說細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換l細(xì)胞呼吸是細(xì)胞內(nèi)生物能源生成的主要途細(xì)胞呼吸是細(xì)胞內(nèi)生物

11、能源生成的主要途徑。徑。l在細(xì)胞內(nèi)特定的細(xì)胞器（主要是線粒體）在細(xì)胞內(nèi)特定的細(xì)胞器（主要是線粒體）內(nèi)，在內(nèi)，在O2的參與下，分解各種大分子物質(zhì)，的參與下，分解各種大分子物質(zhì)，產(chǎn)生產(chǎn)生CO2；與此同時(shí)，分解代謝所釋放出的；與此同時(shí)，分解代謝所釋放出的能量儲存于能量儲存于ATP中，這一過程稱為細(xì)胞呼中，這一過程稱為細(xì)胞呼吸吸(cellular respiration)，也稱為生物氧化，也稱為生物氧化(biological oxidation)或細(xì)胞氧化或細(xì)胞氧化(cellular oxidation)。l細(xì)胞呼吸的特點(diǎn)：細(xì)胞呼吸的特點(diǎn)：1、細(xì)胞呼吸本質(zhì)上是在線粒體中進(jìn)行的一、細(xì)胞呼吸本質(zhì)上是在線粒

12、體中進(jìn)行的一系列由酶系所催化的氧化還原反應(yīng)；系列由酶系所催化的氧化還原反應(yīng)；2、所產(chǎn)生能量儲存于、所產(chǎn)生能量儲存于ATP的高能磷酸鍵中；的高能磷酸鍵中；3、整個(gè)反應(yīng)過程是分步進(jìn)行的，能量也是、整個(gè)反應(yīng)過程是分步進(jìn)行的，能量也是逐步釋放的；逐步釋放的；4、反應(yīng)在恒溫、反應(yīng)在恒溫(37)和恒壓條件下進(jìn)行；反和恒壓條件下進(jìn)行；反應(yīng)過程中需要應(yīng)過程中需要H2O的參與。的參與。lATP是一種高能磷酸化合物，細(xì)胞呼吸時(shí)，是一種高能磷酸化合物，細(xì)胞呼吸時(shí)，釋放的能量可通過釋放的能量可通過ADP的磷酸化而及時(shí)儲的磷酸化而及時(shí)儲存于存于ATP的高能磷酸鍵中作為備用；反之，的高能磷酸鍵中作為備用；反之，當(dāng)細(xì)胞進(jìn)行

13、各種活動需要能量時(shí)，又可去當(dāng)細(xì)胞進(jìn)行各種活動需要能量時(shí)，又可去磷酸化，斷裂一個(gè)高能磷酸鍵形成磷酸化，斷裂一個(gè)高能磷酸鍵形成ADP以以釋放能量來滿足機(jī)體需要。釋放能量來滿足機(jī)體需要。 ATP是細(xì)胞生命活動的直接供能者，也是細(xì)胞生命活動的直接供能者，也是細(xì)胞內(nèi)能量獲得、轉(zhuǎn)換、儲存和利用等是細(xì)胞內(nèi)能量獲得、轉(zhuǎn)換、儲存和利用等環(huán)節(jié)的聯(lián)系紐帶。環(huán)節(jié)的聯(lián)系紐帶。細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換l ATP所攜帶的能量來源于所攜帶的能量來源于糖、氨基酸和脂肪酸等的糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化，以葡萄糖為例，從氧化，以葡萄糖為例，從糖酵解到糖酵解到ATP的形成，其的形成，其過程可分為三步過程可分為三步:l 一、葡萄糖

14、在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)一、葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行糖酵解行糖酵解(glycolysis)（無（無氧）氧）;l 二、三羧酸循環(huán)二、三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle, TCA)在線粒體基質(zhì)中實(shí)現(xiàn)在線粒體基質(zhì)中實(shí)現(xiàn)（有氧）（有氧）;l 三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)在線粒體在線粒體膜上完成。膜上完成。糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸經(jīng)復(fù)雜的內(nèi)膜穿梭機(jī)制進(jìn)入線粒體，糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸經(jīng)復(fù)雜的內(nèi)膜穿梭機(jī)制進(jìn)入線粒體，分解為乙酰輔酶分解為乙酰輔酶A，再經(jīng)三羧酸循環(huán)徹底分解。，再經(jīng)三羧酸循環(huán)徹底分解。l 氧化磷酸化是釋放代謝能的主要環(huán)節(jié)，在這個(gè)過氧化磷酸化

15、是釋放代謝能的主要環(huán)節(jié)，在這個(gè)過程中，程中，NADH（還原型輔酶（還原型輔酶I）和）和FADH2（還原型（還原型黃素腺嘌呤二核苷酸）分子把它們從食物氧化得黃素腺嘌呤二核苷酸）分子把它們從食物氧化得來的電子轉(zhuǎn)移到氧分子。這一反應(yīng)相當(dāng)于氫原子來的電子轉(zhuǎn)移到氧分子。這一反應(yīng)相當(dāng)于氫原子在空氣中燃燒最終形成水的過程，釋放出來的能在空氣中燃燒最終形成水的過程，釋放出來的能量絕大部分用于生成量絕大部分用于生成ATP，少部分以熱的形式釋，少部分以熱的形式釋放。放。l 呼吸鏈和呼吸鏈和ATP合酶是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，糖合酶是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，糖氧化過程中產(chǎn)生的氧化過程中產(chǎn)生的H必須進(jìn)一步氧化成水，但必須

16、進(jìn)一步氧化成水，但H不不能與能與O2直接結(jié)合，須先解離為直接結(jié)合，須先解離為H+和和e-，電子經(jīng)過，電子經(jīng)過線粒體內(nèi)膜上酶體系的逐級傳遞，最終使線粒體內(nèi)膜上酶體系的逐級傳遞，最終使1/2 O2 成為成為O2- ， O2-再與基質(zhì)中的再與基質(zhì)中的2個(gè)個(gè)H+化合生成化合生成H2 O。這一酶體系在內(nèi)膜上有序地排列成相互關(guān)聯(lián)的鏈這一酶體系在內(nèi)膜上有序地排列成相互關(guān)聯(lián)的鏈狀，故稱為呼吸鏈或電子傳遞呼吸鏈。狀，故稱為呼吸鏈或電子傳遞呼吸鏈。l線粒體內(nèi)膜上附著許線粒體內(nèi)膜上附著許多圓球形基粒，這是多圓球形基粒，這是將呼吸鏈電子傳遞過將呼吸鏈電子傳遞過程中釋放的能量用于程中釋放的能量用于使使ADP磷酸化生成磷

17、酸化生成ATP的關(guān)鍵裝置，是的關(guān)鍵裝置，是由許多種多肽構(gòu)成的由許多種多肽構(gòu)成的復(fù)合體，其化學(xué)本質(zhì)復(fù)合體，其化學(xué)本質(zhì)是是ATP合酶復(fù)合體。合酶復(fù)合體。l 電子傳遞過程中釋放出的能量催化電子傳遞過程中釋放出的能量催化ADP磷酸化而磷酸化而合成合成ATP實(shí)現(xiàn)氧化磷酸化偶聯(lián)。氧化水平總是和實(shí)現(xiàn)氧化磷酸化偶聯(lián)。氧化水平總是和磷酸化水平密切偶聯(lián)的，沒有磷酸化就不能進(jìn)行磷酸化水平密切偶聯(lián)的，沒有磷酸化就不能進(jìn)行電子傳遞。電子傳遞。l 葡萄糖完全氧化所釋放的能量主要通過兩條途徑葡萄糖完全氧化所釋放的能量主要通過兩條途徑形成形成ATP：1、底物水平磷酸化生成、底物水平磷酸化生成4分子分子ATP，其中在糖酵解和其

18、中在糖酵解和TCA循環(huán)中分別生成循環(huán)中分別生成2分子分子ATP；2、氧化磷酸化生成、氧化磷酸化生成34分子分子ATP，共生成，共生成38分子分子ATP。由此可見，葡萄糖有氧氧化的產(chǎn)能效率大。由此可見，葡萄糖有氧氧化的產(chǎn)能效率大大高于無氧酵解的能量利用效率。大高于無氧酵解的能量利用效率。l H+穿膜傳遞形成橫跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)質(zhì)子梯穿膜傳遞形成橫跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)質(zhì)子梯度驅(qū)動結(jié)合在內(nèi)膜上的度驅(qū)動結(jié)合在內(nèi)膜上的ATP合酶催化合酶催化ADP磷酸化磷酸化合成合成ATP。l 電化學(xué)梯度所含的能量可轉(zhuǎn)換成電化學(xué)梯度所含的能量可轉(zhuǎn)換成ATP的化學(xué)能。的化學(xué)能。l 氧化磷酸化所需的氧化磷酸化所需的ADP和

19、和Pi是細(xì)胞質(zhì)輸入到線粒體基質(zhì)中是細(xì)胞質(zhì)輸入到線粒體基質(zhì)中的，而合成的的，而合成的ATP則要輸往線粒體外，但線粒體內(nèi)膜具有則要輸往線粒體外，但線粒體內(nèi)膜具有高度不通透性，這些物質(zhì)進(jìn)出線粒體需要依靠一些專一性高度不通透性，這些物質(zhì)進(jìn)出線粒體需要依靠一些專一性的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。線粒體與人類學(xué)和醫(yī)學(xué)研究線粒體與人類學(xué)和醫(yī)學(xué)研究l 線粒體對外界環(huán)境的變化很敏感，在有害物質(zhì)滲線粒體對外界環(huán)境的變化很敏感，在有害物質(zhì)滲入、病毒感染等情況下，線粒體會發(fā)生腫脹甚至入、病毒感染等情況下，線粒體會發(fā)生腫脹甚至破裂，腫脹的體積有時(shí)可比正常體積大破裂，腫脹的體積有時(shí)可比正常體積大35倍。倍。l 肝癌細(xì)胞中，?？梢姷骄€粒體嵴的數(shù)目減少并最肝癌細(xì)胞中，常可見到線粒體嵴的數(shù)目減少并最終成為液泡狀線粒體；維生素終成為液泡狀線粒體；維生素C缺乏時(shí)，病變