線粒體作用機(jī)理課件

第九章線粒體（mitochondrial）

生物的各種活動(dòng)都需要。

線粒體是細(xì)胞內(nèi)的“動(dòng)力工廠”為何線粒體能提供能量？線粒體如何提供能量？Howcanitbe?線粒體概述：

1、有機(jī)物→分解代謝→能量;2、存在于除紅細(xì)胞以外的一切真核細(xì)胞中;3、能量的80%由線粒體提供。

第一節(jié)線粒體的生物學(xué)特征一．線粒體的結(jié)構(gòu)：光鏡下呈線狀、粒狀或桿狀，不同生理?xiàng)l件下形狀、大小、數(shù)目及分布不一。AnTEMimageofmitochondrion

（二）分布多分布在細(xì)胞功能旺盛的區(qū)域，可向這些區(qū)域遷移，微管是其導(dǎo)軌、馬達(dá)蛋白提供動(dòng)力。Mitochondriadistributedinskeletalmuscle（三）功能區(qū)隔分為外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四部分。Schematicviewofmitochondrion(一)大小:為較大的細(xì)胞器,直徑約0.5-1.0um(二)數(shù)目:數(shù)百至數(shù)千不等,一般為1000-2000

個(gè),不同細(xì)胞差異很大:

哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞:無(wú)精子細(xì)胞:25個(gè)肝細(xì)胞:1300個(gè)卵母細(xì)胞:30萬(wàn)個(gè)(三)電鏡下結(jié)構(gòu):雙層膜套疊而成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu),內(nèi)外膜不相連,與細(xì)胞質(zhì)隔離1.外膜（outermembrane):最外面,一層單位膜7nm，脂類(lèi)和蛋白各1/2,含直徑1-3nm通道的孔蛋白,可通過(guò)5000以下分子量的物質(zhì)。標(biāo)志酶——單胺氧化酶2.內(nèi)膜和內(nèi)部空間

內(nèi)膜(innermembrane)：

一層單位膜5nm，蛋白占76%,高度的選擇通透性,分子量大于150的物質(zhì)不能自由通過(guò)。

內(nèi)膜具有嵴cristae，內(nèi)膜上向內(nèi)腔突起的折疊，能擴(kuò)大表面積（5~10倍），分兩種：①板層狀、②管狀；嵴上有基粒。標(biāo)志酶——細(xì)胞色素C氧化酶Tubularcristae基粒(elemetaryparticle)

（ATP合酶/F0F1ATP酶）

頭部(偶聯(lián)因子F1)：圓球形，突入內(nèi)腔，

具有酶活性，催化ADP→ATP

柄部：

連接頭部和基部，調(diào)控質(zhì)子通道

基部(F0偶聯(lián)因子)：嵌于內(nèi)膜中，有物種差異，連接

F1和內(nèi)膜，質(zhì)子流向F1的穿膜通

道外膜內(nèi)膜基質(zhì)基粒嵴線粒體的模式圖酶形態(tài)結(jié)構(gòu)

膜間腔（外室）(intermembranespace/outchamber)：

內(nèi)外膜之間包括嵴內(nèi)腔含多種可溶性酶含底物和輔助因子。標(biāo)志酶——腺苷酸激酶

基質(zhì)腔（內(nèi)室/嵴間腔）

(matrixspace/innerchamber)：三羧酸循環(huán)的重要場(chǎng)所。標(biāo)志酶——蘋(píng)果酸脫氫酶

基質(zhì)(matrix)：

含多種酶，雙鏈環(huán)狀DNA、RNA、核糖體酶蛋白的分布

外膜內(nèi)膜基質(zhì)膜間隙

單胺氧化酶

腺苷酸激酶

細(xì)胞色素c氧化酶蘋(píng)果酸脫氫酶

提取

2、內(nèi)膜位于外膜的內(nèi)側(cè)包裹線粒體基質(zhì)的一層單位膜，厚5～6nm。內(nèi)膜的通透性較低，一般不允許離子和大多數(shù)帶電的小分子通過(guò)。線粒體內(nèi)膜通常要向基質(zhì)折褶形成嵴，從而增加了內(nèi)膜的表面積。嵴上有ATP合酶，又叫基粒。內(nèi)膜的酶類(lèi)可以粗略地分為三類(lèi)∶運(yùn)輸酶類(lèi)、合成酶類(lèi)、電子傳遞和ATP合成酶類(lèi)。內(nèi)膜是線粒體進(jìn)行電子傳遞和氧化磷酸化的主要部位。標(biāo)志酶為細(xì)胞色素C氧化酶

三．線粒體基因組

1.線粒體DNA:

1)有自己的遺傳系統(tǒng)

2)是除核以外唯一含有DNA的細(xì)胞器

3)只有一條DNA——線粒體DNA(mtDNA)，編碼線粒體的tRNA、rRNA和蛋白質(zhì)

4)人全序列基因測(cè)序已經(jīng)完成——?jiǎng)蛐蛄?，含?/p>

37個(gè)基因、定位于22種tRNA，2種rRNA，編碼13種蛋白質(zhì)

5)雙鏈環(huán)狀DNA分子:重鏈/輕鏈

6)只有很少有非編碼的序列,mRNA不含內(nèi)含子

7)DNA為母系遺傳2.線粒體蛋白質(zhì)合成:

1）有自己的蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)

2）所編碼的蛋白質(zhì)是在線粒體內(nèi)的核糖體上進(jìn)行的

3）所編碼的RNA和蛋白質(zhì)并不運(yùn)出線粒體外

4）用于蛋白質(zhì)合成的所有tRNA都是由mtDNA編碼的

5）mtDNA為裸露的，不與組蛋白結(jié)合

6）mtDNA位于基質(zhì)內(nèi)或依附于內(nèi)膜

7）mtDNA具有自我復(fù)制的能力,以自身為模板半保留復(fù)制，可分布整個(gè)細(xì)胞周期3.線粒體是半自主性的細(xì)胞器:

線粒體中由自身合成的蛋白質(zhì)僅占10%,其余均為細(xì)胞核基因組編碼。因此，線粒體有自己的DNA和蛋白質(zhì)合成體系，即獨(dú)立的遺傳系統(tǒng)，但又受核基因組遺傳系統(tǒng)的控制，其生長(zhǎng)和增殖受核基因組和自身基因組兩套遺傳系統(tǒng)的控制，故為半自主性細(xì)胞器。四.線粒體的生物發(fā)生

目前普遍接受的觀點(diǎn)：線粒體以分裂的方式增殖，線粒體的生物發(fā)生分為兩個(gè)階段：線粒體膜生長(zhǎng)、復(fù)制：分離增殖線粒體本身分化：建立氧化磷酸化的機(jī)構(gòu)線粒體的分化和生長(zhǎng)分別接受細(xì)胞核與線粒體兩個(gè)獨(dú)立的遺傳系統(tǒng)控制。線粒體的間壁分裂

線粒體的收縮分裂

無(wú)氧呼吸

概念：活細(xì)胞在無(wú)氧或缺氧條件下，通過(guò)酶的催化作用，把葡萄糖等有機(jī)物不徹底地氧化分解成為乙醇或乳酸等，同時(shí)釋放較少能量的過(guò)程。C6H12O62C3H6O3（乳酸）

+能量(少量)酶C6H12O62C2H5OH(酒精)+2CO2+能量(少量）酶酒精發(fā)酵：酵母菌乳酸發(fā)酵：乳酸菌

類(lèi)型項(xiàng)目

有氧呼吸

無(wú)氧呼吸區(qū)別

場(chǎng)所

條件

產(chǎn)物

釋能

聯(lián)系細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體（主要）細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)需氧、酶等不需氧、需酶較多較少①兩者第一階段相同即都將葡萄糖分解成丙酮酸（糖酵解）②都分解有機(jī)物、釋放能量有氧呼吸與無(wú)氧呼吸的比較二氧化碳和水氧化徹底酒精、二氧化碳或乳酸氧化不徹底第二節(jié)細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換一．細(xì)胞呼吸（cellularrespiration）概念：線粒體內(nèi)，在氧的參與下分解大分子物質(zhì)，產(chǎn)生CO2、釋放能量并儲(chǔ)存于ATP中的過(guò)程，又稱(chēng)生物氧化（biologicaloxidation）特點(diǎn)：1.線粒體中一系列由酶催化的氧化還原反應(yīng)

2.產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存于ATP的高能磷酸鍵中

3.反應(yīng)過(guò)程分步進(jìn)行、能量逐級(jí)釋放

4.反應(yīng)恒溫、恒壓條件下進(jìn)行

5.反應(yīng)過(guò)程需要水的參與二．細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換分子

釋放能量：ADP+Pi→ATP（儲(chǔ)存）需要能量：ATP-Pi→ADP（釋放）

CO2+H2O+能量細(xì)胞呼吸氧化分解ADP+PiATP釋放能量用于各項(xiàng)生命活動(dòng)主要能源物質(zhì)葡萄糖直接能源物質(zhì)ADP和ATP的相互轉(zhuǎn)變保正了生物所需能量的及時(shí)供應(yīng)。生物體內(nèi)的能量代謝氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)動(dòng)物細(xì)胞80%的ATP來(lái)源于線粒體。有氧呼吸全過(guò)程場(chǎng)所發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)物第一階段第二階段第三階段細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)葡萄糖酶2丙酮酸少量能量4〔H〕++丙酮酸、〔H〕、釋放少量能量，形成少量ATP線粒體6CO26H2O酶2丙酮酸少量能量20〔H〕+++CO2、〔H〕、釋放少量能量，形成少量ATP線粒體6O212H2O酶大量能量24〔H〕++H2O、釋放大量能量，形成大量ATP線粒體[H]2分子丙酮酸CO2葡萄糖釋放少量能量，形成少量ATPO2[H]釋放少量能量，形成少量ATPH2O釋放大量能量，形成大量ATP細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)H2O

細(xì)胞的氧化過(guò)程分三個(gè)階段:

糖蛋白質(zhì)脂肪酵解

乙酰輔酶A生成

三羧酸循環(huán)

電子傳遞和氧化磷酸化

一.糖酵解:C6H12O6→2CH3COCOOH+2(2H)+2ATP二.三羧酸循環(huán)物質(zhì)氧化所釋放的可利用能量都以高能電子的形式由電子載體NAD+和FAD+從底物中移出，并經(jīng)線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈進(jìn)一步氧化。呼吸鏈又稱(chēng)電子傳遞鏈（electrontransferchain），指排列在線粒體內(nèi)膜上，由一系列遞氫體和電子傳遞體按一定順序排列組成的連續(xù)酶促反應(yīng)體系。代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）通過(guò)多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。三.電子傳遞偶聯(lián)氧化磷酸化:

將三個(gè)階段所脫下的氫原子通過(guò)線粒體內(nèi)膜上的一系列酶進(jìn)行逐級(jí)傳遞,生成水,傳遞過(guò)程中所釋放的能量使ADP磷酸化形成ATP。

1、電子傳遞鏈（呼吸鏈）（在內(nèi)膜有序排列的酶系）呼吸鏈上進(jìn)行電子傳遞的載體主要有：NAD、黃素蛋白、細(xì)胞色素、銅原子、鐵硫蛋白、輔酶Q等。（1）

NAD：即煙酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide），是體內(nèi)很多脫氫酶的輔酶，連接三羧酸循環(huán)和呼吸鏈，其功能是將代謝過(guò)程中脫下來(lái)的氫交給黃素蛋白。（2）黃素蛋白：含F(xiàn)MN或FAD的蛋白質(zhì)，每個(gè)FMN或FAD可接受2個(gè)電子，2個(gè)質(zhì)子。呼吸鏈上具有以FMN為輔基的NADH脫氫酶和以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶。（3）細(xì)胞色素：分子中含有血紅素鐵，以共價(jià)形式與蛋白結(jié)合，通Fe3+、Fe2+形式變化傳遞電子，呼吸鏈中有5類(lèi)，即：細(xì)胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有銅原子。（4）三個(gè)銅原子：位于線粒體內(nèi)膜的一個(gè)蛋白質(zhì)上，形成類(lèi)似于鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)，通過(guò)Cu2+、Cu1+的變化傳遞電子。（5）鐵硫蛋白：在其分子結(jié)構(gòu)中每個(gè)鐵原子和4個(gè)硫原子結(jié)合，通過(guò)Fe2+、Fe3+互變進(jìn)行電子傳遞。（6）泛醌Q或輔酶Q(CoQ)：是脂溶性小分子量的醌類(lèi)化合物，通過(guò)氧化和還原傳遞電子。也是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。能量產(chǎn)生過(guò)程2、呼吸鏈的復(fù)合物

利用脫氧膽酸（deoxycholate）處理線粒體內(nèi)膜、分離出呼吸鏈的4種復(fù)合物，即復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，輔酶Q和細(xì)胞色素C不屬于任何一種復(fù)合物。輔酶Q溶于內(nèi)膜、細(xì)胞色素C位于線粒體內(nèi)膜的C側(cè)，屬于膜的外周蛋白。（1）復(fù)合物Ⅰ

即NADH脫氫酶，哺乳動(dòng)物的復(fù)合物Ⅰ由42條肽鏈組成，含有一個(gè)FMN和至少6個(gè)鐵硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚體形式存在。作用是催化NADH的2個(gè)電子傳遞至輔酶Q，同時(shí)將4個(gè)質(zhì)子由線粒體基質(zhì)（M側(cè)）轉(zhuǎn)移至膜間隙（C側(cè)）。電子傳遞的方向?yàn)椋篘ADH－FMN－Fe-S－Q。（2）復(fù)合物Ⅱ

即琥珀酸脫氫酶，至少由4條肽鏈組成，含有一個(gè)FAD，2個(gè)鐵硫蛋白。作用是催化電子從琥珀酸轉(zhuǎn)至輔酶Q，但不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。電子傳遞的方向?yàn)椋虹晁幔璅AD－Fe-S－Q。－（3）復(fù)合物

Ⅲ

即細(xì)胞色素c還原酶，由至少11條不同肽鏈組成，以二聚體形式存在，每個(gè)單體包含兩個(gè)細(xì)胞色素b（b562、b566）、一個(gè)細(xì)胞色素c1和一個(gè)鐵硫蛋白。作用是催化電子從輔酶Q傳給細(xì)胞色素c，每轉(zhuǎn)移一對(duì)電子，同時(shí)將4個(gè)質(zhì)子由線粒體基質(zhì)泵至膜間隙。（4）復(fù)合物

Ⅳ

即細(xì)胞色素c氧化酶，以二聚體形式存在。作用是將從細(xì)胞色素c接受的電子傳給氧，每轉(zhuǎn)移一對(duì)電子，在基質(zhì)側(cè)消耗2個(gè)質(zhì)子，同時(shí)轉(zhuǎn)移2個(gè)質(zhì)子至膜間隙。NADH呼吸鏈，每傳遞一對(duì)電子釋放的自由能可形成2.5分子ATP。FADH2呼吸鏈，每傳遞一對(duì)電子釋放的自由能可形成1.5分子ATP。NADH的產(chǎn)能過(guò)程FADH2生能過(guò)程電子傳遞鏈

呼吸鏈的復(fù)合物

復(fù)合物Ⅰ

（NADH-CoQ

還原酶）復(fù)合物Ⅱ

（琥珀酸-泛醌還原酶）復(fù)合物Ⅲ

（泛醌-細(xì)胞色素C還原酶）復(fù)合物Ⅳ（細(xì)胞色素C氧化酶）ADPATPADPATPADPATP琥珀酸FeSCoQH+

，eFADNADHFMNFeSCoQ

H+

，eCoQFeScytbcytCH+

，eCyta，a3cytC1/2O2H+

，eQ循環(huán)１分子葡萄糖完全氧化生成：糖酵解：底物水平的磷酸化產(chǎn)生4個(gè)ATP，己糖活化消耗2個(gè)ATP，脫氫反應(yīng)產(chǎn)生2個(gè)

NADH，經(jīng)電子傳遞鏈生成4或6個(gè)ATPKrebs循環(huán)：底物水平的磷酸化產(chǎn)生2個(gè)ATP，脫氫反應(yīng)產(chǎn)生8個(gè)NADH和2個(gè)FADH2，8

個(gè)NADH經(jīng)電子傳遞鏈生成24個(gè)ATP，

2個(gè)FADH2經(jīng)電子傳遞鏈生成4個(gè)ATP。生物氧化產(chǎn)生ATP的統(tǒng)計(jì)

一個(gè)葡萄糖分子經(jīng)過(guò)細(xì)胞呼吸全過(guò)程產(chǎn)生多少ATP？

糖酵解：底物水平磷酸化產(chǎn)生4ATP（細(xì)胞質(zhì)）

己糖分子活化消耗2ATP（細(xì)胞質(zhì)）

產(chǎn)生2NADH，經(jīng)電子傳遞產(chǎn)生4或6ATP

（線粒體）凈積累6或8ATP

丙酮酸氧化脫羧：產(chǎn)生2NADH（線粒體），生成

6ATP

三羧酸循環(huán)：底物水平的磷酸化產(chǎn)生（線粒體）2ATP；

產(chǎn)生6NADH（線粒體），生成

18ATP；

產(chǎn)生2FADH2（線粒體），生成4ATP

總計(jì)生成36或38ATP

氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）物質(zhì)氧化高能電子氧氧化過(guò)程ADP+PiATP質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)energyenergy磷酸化過(guò)程將生物氧化所釋放能量的轉(zhuǎn)移過(guò)程與ADP的磷酸化過(guò)程結(jié)合起來(lái)，而將生物氧化釋放的能量轉(zhuǎn)移到ATP的高能磷酸鍵中，又稱(chēng)氧化磷酸化偶聯(lián)。ATP的合成：ADP+Pi（由細(xì)胞質(zhì)輸入到線粒體的基質(zhì)中）在ATP合酶的催化下合成ATP。合成的ATP由線粒體內(nèi)膜上的腺苷酸轉(zhuǎn)移酶輸出線粒體。ATP和ADP分子的相互轉(zhuǎn)換基粒的發(fā)現(xiàn)及功能預(yù)測(cè)

在二十世紀(jì)七十年代初，Humberto-FernandezMoran用負(fù)染技術(shù)檢查分離的線粒體時(shí)發(fā)現(xiàn):線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)一側(cè)的表面附著一層球形顆粒，球形顆粒通過(guò)柄與內(nèi)膜相連。幾年后，EfraimRacker分離到內(nèi)膜上的顆粒，稱(chēng)為偶聯(lián)因子1，簡(jiǎn)稱(chēng)F1。

牛心臟線粒體（負(fù)染電鏡）可見(jiàn)球形顆粒通過(guò)小柄附著在線粒體內(nèi)膜嵴上

Racker發(fā)現(xiàn)這種顆粒很像水解ATP的酶，即ATPase，這似乎是一個(gè)特別的發(fā)現(xiàn)，為什么線粒體內(nèi)膜需要如此多的水解ATP的酶?如果按照常規(guī)的方式思考所發(fā)現(xiàn)顆粒的問(wèn)題,似難理解線粒體內(nèi)膜上需要ATP水解酶,如果將ATP的水解看成是ATP合成的相反過(guò)程,F1球形顆粒的功能就顯而易見(jiàn)了:它含有ATP合成的功能位點(diǎn),即ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成,到底行使何種功能,視反應(yīng)條件而定。在分離狀態(tài)下具有ATP水解酶的活性，在結(jié)合狀態(tài)下具有ATP合成酶的活性。

ATP合酶合成ATP的機(jī)理？結(jié)合變構(gòu)模型ATP合成氧化磷酸化的抑制劑呼吸鏈抑制劑

能與呼吸鏈中某些部位的電子傳遞體結(jié)合，從而阻斷電子傳遞，如魚(yú)藤酮、粉蝶霉素A、巴比妥；抗霉素A、二巰基丙醇；CO、CN、N3、H2S氧化磷酸化抑制劑