線粒體作用機理課件

第九章線粒體（mitochondrial）

生物的各種活動都需要。

線粒體是細胞內的“動力工廠”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、有機物→分解代謝→能量;2、存在于除紅細胞以外的一切真核細胞中;3、能量的80%由線粒體提供。

第一節(jié)線粒體的生物學特征一．線粒體的結構：光鏡下呈線狀、粒狀或桿狀，不同生理條件下形狀、大小、數目及分布不一。AnTEMimageofmitochondrion

（二）分布多分布在細胞功能旺盛的區(qū)域，可向這些區(qū)域遷移，微管是其導軌、馬達蛋白提供動力。Mitochondriadistributedinskeletalmuscle（三）功能區(qū)隔分為外膜、內膜、膜間隙和基質四部分。Schematicviewofmitochondrion(一)大小:為較大的細胞器,直徑約0.5-1.0um(二)數目:數百至數千不等,一般為1000-2000

個,不同細胞差異很大:

哺乳動物成熟紅細胞:無精子細胞:25個肝細胞:1300個卵母細胞:30萬個(三)電鏡下結構:雙層膜套疊而成的封閉性膜囊結構,內外膜不相連,與細胞質隔離1.外膜（outermembrane):最外面,一層單位膜7nm，脂類和蛋白各1/2,含直徑1-3nm通道的孔蛋白,可通過5000以下分子量的物質。標志酶——單胺氧化酶2.內膜和內部空間

內膜(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的物質不能自由通過。

內膜具有嵴cristae，內膜上向內腔突起的折疊，能擴大表面積（5~10倍），分兩種：①板層狀、②管狀；嵴上有基粒。標志酶——細胞色素C氧化酶Tubularcristae基粒(elemetaryparticle)

（ATP合酶/F0F1ATP酶）

頭部(偶聯因子F1)：圓球形，突入內腔，

具有酶活性，催化ADP→ATP

柄部：

連接頭部和基部，調控質子通道

基部(F0偶聯因子)：嵌于內膜中，有物種差異，連接

F1和內膜，質子流向F1的穿膜通

道外膜內膜基質基粒嵴線粒體的模式圖酶形態(tài)結構

膜間腔（外室）(intermembranespace/outchamber)：

內外膜之間包括嵴內腔含多種可溶性酶含底物和輔助因子。標志酶——腺苷酸激酶

基質腔（內室/嵴間腔）

(matrixspace/innerchamber)：三羧酸循環(huán)的重要場所。標志酶——蘋果酸脫氫酶

基質(matrix)：

含多種酶，雙鏈環(huán)狀DNA、RNA、核糖體酶蛋白的分布

外膜內膜基質膜間隙

單胺氧化酶

腺苷酸激酶

細胞色素c氧化酶蘋果酸脫氫酶

提取

2、內膜位于外膜的內側包裹線粒體基質的一層單位膜，厚5～6nm。內膜的通透性較低，一般不允許離子和大多數帶電的小分子通過。線粒體內膜通常要向基質折褶形成嵴，從而增加了內膜的表面積。嵴上有ATP合酶，又叫基粒。內膜的酶類可以粗略地分為三類∶運輸酶類、合成酶類、電子傳遞和ATP合成酶類。內膜是線粒體進行電子傳遞和氧化磷酸化的主要部位。標志酶為細胞色素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

4)人全序列基因測序已經完成——劍橋序列，含有

37個基因、定位于22種tRNA，2種rRNA，編碼13種蛋白質

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不含內含子

7)DNA為母系遺傳2.線粒體蛋白質合成:

1）有自己的蛋白質翻譯系統(tǒng)

2）所編碼的蛋白質是在線粒體內的核糖體上進行的

3）所編碼的RNA和蛋白質并不運出線粒體外

4）用于蛋白質合成的所有tRNA都是由mtDNA編碼的

5）mtDNA為裸露的，不與組蛋白結合

6）mtDNA位于基質內或依附于內膜

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

線粒體中由自身合成的蛋白質僅占10%,其余均為細胞核基因組編碼。因此，線粒體有自己的DNA和蛋白質合成體系，即獨立的遺傳系統(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，故為半自主性細胞器。四.線粒體的生物發(fā)生

目前普遍接受的觀點：線粒體以分裂的方式增殖，線粒體的生物發(fā)生分為兩個階段：線粒體膜生長、復制：分離增殖線粒體本身分化：建立氧化磷酸化的機構線粒體的分化和生長分別接受細胞核與線粒體兩個獨立的遺傳系統(tǒng)控制。線粒體的間壁分裂

線粒體的收縮分裂

無氧呼吸

概念：活細胞在無氧或缺氧條件下，通過酶的催化作用，把葡萄糖等有機物不徹底地氧化分解成為乙醇或乳酸等，同時釋放較少能量的過程。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

類型項目

有氧呼吸

無氧呼吸區(qū)別

場所

條件

產物

釋能

聯系細胞質基質、線粒體（主要）細胞質基質需氧、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都分解有機物、釋放能量有氧呼吸與無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)細胞的能量轉換一．細胞呼吸（cellularrespiration）概念：線粒體內，在氧的參與下分解大分子物質，產生CO2、釋放能量并儲存于ATP中的過程，又稱生物氧化（biologicaloxidation）特點：1.線粒體中一系列由酶催化的氧化還原反應

2.產生的能量儲存于ATP的高能磷酸鍵中

3.反應過程分步進行、能量逐級釋放

4.反應恒溫、恒壓條件下進行

5.反應過程需要水的參與二．細胞能量轉換分子

釋放能量：ADP+Pi→ATP（儲存）需要能量：ATP-Pi→ADP（釋放）

CO2+H2O+能量細胞呼吸氧化分解ADP+PiATP釋放能量用于各項生命活動主要能源物質葡萄糖直接能源物質ADP和ATP的相互轉變保正了生物所需能量的及時供應。生物體內的能量代謝氧化磷酸化的分子基礎動物細胞80%的ATP來源于線粒體。有氧呼吸全過程場所發(fā)生反應產物第一階段第二階段第三階段細胞質基質葡萄糖酶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細胞質基質H2O

細胞的氧化過程分三個階段:

糖蛋白質脂肪酵解

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，并經線粒體內膜上的電子傳遞鏈進一步氧化。呼吸鏈又稱電子傳遞鏈（electrontransferchain），指排列在線粒體內膜上，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)酶促反應體系。代謝物脫下的成對氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應逐步傳遞，最終與氧結合生成水。三.電子傳遞偶聯氧化磷酸化:

將三個階段所脫下的氫原子通過線粒體內膜上的一系列酶進行逐級傳遞,生成水,傳遞過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）（在內膜有序排列的酶系）呼吸鏈上進行電子傳遞的載體主要有：NAD、黃素蛋白、細胞色素、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，其功能是將代謝過程中脫下來的氫交給黃素蛋白。（2）黃素蛋白：含FMN或FAD的蛋白質，每個FMN或FAD可接受2個電子，2個質子。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）細胞色素：分子中含有血紅素鐵，以共價形式與蛋白結合，通Fe3+、Fe2+形式變化傳遞電子，呼吸鏈中有5類，即：細胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有銅原子。（4）三個銅原子：位于線粒體內膜的一個蛋白質上，形成類似于鐵硫蛋白的結構，通過Cu2+、Cu1+的變化傳遞電子。（5）鐵硫蛋白：在其分子結構中每個鐵原子和4個硫原子結合，通過Fe2+、Fe3+互變進行電子傳遞。（6）泛醌Q或輔酶Q(CoQ)：是脂溶性小分子量的醌類化合物，通過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。能量產生過程2、呼吸鏈的復合物

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

即NADH脫氫酶，哺乳動物的復合物Ⅰ由42條肽鏈組成，含有一個FMN和至少6個鐵硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚體形式存在。作用是催化NADH的2個電子傳遞至輔酶Q，同時將4個質子由線粒體基質（M側）轉移至膜間隙（C側）。電子傳遞的方向為：NADH－FMN－Fe-S－Q。（2）復合物Ⅱ

即琥珀酸脫氫酶，至少由4條肽鏈組成，含有一個FAD，2個鐵硫蛋白。作用是催化電子從琥珀酸轉至輔酶Q，但不轉移質子。電子傳遞的方向為：琥珀酸－FAD－Fe-S－Q。－（3）復合物

Ⅲ

即細胞色素c還原酶，由至少11條不同肽鏈組成，以二聚體形式存在，每個單體包含兩個細胞色素b（b562、b566）、一個細胞色素c1和一個鐵硫蛋白。作用是催化電子從輔酶Q傳給細胞色素c，每轉移一對電子，同時將4個質子由線粒體基質泵至膜間隙。（4）復合物

Ⅳ

即細胞色素c氧化酶，以二聚體形式存在。作用是將從細胞色素c接受的電子傳給氧，每轉移一對電子，在基質側消耗2個質子，同時轉移2個質子至膜間隙。NADH呼吸鏈，每傳遞一對電子釋放的自由能可形成2.5分子ATP。FADH2呼吸鏈，每傳遞一對電子釋放的自由能可形成1.5分子ATP。NADH的產能過程FADH2生能過程電子傳遞鏈

呼吸鏈的復合物

復合物Ⅰ

（NADH-CoQ

還原酶）復合物Ⅱ

（琥珀酸-泛醌還原酶）復合物Ⅲ

（泛醌-細胞色素C還原酶）復合物Ⅳ（細胞色素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生4個ATP，己糖活化消耗2個ATP，脫氫反應產生2個

NADH，經電子傳遞鏈生成4或6個ATPKrebs循環(huán)：底物水平的磷酸化產生2個ATP，脫氫反應產生8個NADH和2個FADH2，8

個NADH經電子傳遞鏈生成24個ATP，

2個FADH2經電子傳遞鏈生成4個ATP。生物氧化產生ATP的統(tǒng)計

一個葡萄糖分子經過細胞呼吸全過程產生多少ATP？

糖酵解：底物水平磷酸化產生4ATP（細胞質）

己糖分子活化消耗2ATP（細胞質）

產生2NADH，經電子傳遞產生4或6ATP

（線粒體）凈積累6或8ATP

丙酮酸氧化脫羧：產生2NADH（線粒體），生成

6ATP

三羧酸循環(huán)：底物水平的磷酸化產生（線粒體）2ATP；

產生6NADH（線粒體），生成

18ATP；

產生2FADH2（線粒體），生成4ATP

總計生成36或38ATP

氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）物質氧化高能電子氧氧化過程ADP+PiATP質子動力勢energyenergy磷酸化過程將生物氧化所釋放能量的轉移過程與ADP的磷酸化過程結合起來，而將生物氧化釋放的能量轉移到ATP的高能磷酸鍵中，又稱氧化磷酸化偶聯。ATP的合成：ADP+Pi（由細胞質輸入到線粒體的基質中）在ATP合酶的催化下合成ATP。合成的ATP由線粒體內膜上的腺苷酸轉移酶輸出線粒體。ATP和ADP分子的相互轉換基粒的發(fā)現及功能預測

在二十世紀七十年代初，Humberto-FernandezMoran用負染技術檢查分離的線粒體時發(fā)現:線粒體內膜的基質一側的表面附著一層球形顆粒，球形顆粒通過柄與內膜相連。幾年后，EfraimRacker分離到內膜上的顆粒，稱為偶聯因子1，簡稱F1。

牛心臟線粒體（負染電鏡）可見球形顆粒通過小柄附著在線粒體內膜嵴上

Racker發(fā)現這種顆粒很像水解ATP的酶，即ATPase，這似乎是一個特別的發(fā)現，為什么線粒體內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)現顆粒的問題,似難理解線粒體內膜上需要ATP水解酶,如果將ATP的水解看成是ATP合成的相反過程,F1球形顆粒的功能就顯而易見了:它含有ATP合成的功能位點,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,視反應條件而定。在分離狀態(tài)下具有ATP水解酶的活性，在結合狀態(tài)下具有ATP合成酶的活性。

ATP合酶合成ATP的機理？結合變構模型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合，從而阻斷電子傳遞，如魚藤酮、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