細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體

細(xì)胞生物學(xué)細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三成纖維細(xì)胞線條狀線粒體家兔肝臟細(xì)胞顆粒狀線粒體線粒體的形態(tài)和細(xì)胞的種類和細(xì)胞所處的生理狀態(tài)不同有關(guān)。（一）形態(tài)與分布形狀：線粒體一般呈粒狀或桿狀，環(huán)形，啞鈴形、線狀、分杈狀或其它形狀。第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三大?。阂话阒睆?.5~1μm，長1.5~3.0μm，在人的成纖維細(xì)胞中可長達(dá)40μm，稱巨線粒體。數(shù)量及分布：在不同類型的細(xì)胞中線粒體的數(shù)目相差很大，但在同一類型的細(xì)胞中數(shù)目相對穩(wěn)定。有些細(xì)胞中只有一個線粒體，有些則有幾十、幾百、甚至幾千個線粒體。肝細(xì)胞約1300個線粒體；單細(xì)胞鞭毛藻僅1個，許多哺乳動物成熟的紅細(xì)胞中無線粒體。植物細(xì)胞少于動物細(xì)胞；通常結(jié)合在微管上，分布在細(xì)胞功能旺盛的區(qū)域。在心肌細(xì)胞中超過50%。第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三（二）超微結(jié)構(gòu)線粒體（mitochondrion）是由兩層單位膜套疊而成的封閉的囊狀結(jié)構(gòu)。第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三通透性強(qiáng):具有孔蛋白構(gòu)成的孔徑為2-3nm親水通道的含水通道<5000Dapass線粒體的外膜含40%的脂類和60%的蛋白質(zhì)第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三1通透性小，是線粒體調(diào)節(jié)物質(zhì)通過的主要的途徑。

2內(nèi)膜向內(nèi)形成嵴，上布滿了顆粒——基粒。除基粒外，還存在著許多蛋白復(fù)合體。線粒體的內(nèi)膜3線粒體氧化磷酸化的電子傳遞鏈位于內(nèi)膜，內(nèi)膜的標(biāo)志酶為細(xì)胞色素C氧化酶。

一是高度特化的單位膜，膜上蛋白質(zhì)占膜總重量的76%；第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三

線粒體的膜間隙(intermembranespace)：內(nèi)外膜之間的間隙，延伸到嵴的軸心部，膜間隙的pH值與細(xì)胞質(zhì)的相似。含許多可溶性酶、底物及輔助因子。線粒體的基質(zhì)(matrix)：可溶性蛋白質(zhì)的膠狀物質(zhì)，含三羧酸循環(huán)酶系、線粒體基因、表達(dá)酶系等以及線粒體DNA,RNA，核糖體。第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三(三)、線粒體化學(xué)組成及酶的定位①化學(xué)組成蛋白質(zhì)占65-70％，脂質(zhì)25-30％（磷脂）；與脂蛋白質(zhì)的比值，內(nèi)膜為0.3:1，外膜為1:1；基質(zhì)中含有DNA、RNA、核糖體、致密顆粒和上百種酶。②線粒體酶的定位140余種，37％氧化還原酶，10％合成酶，9％水解酶，標(biāo)志酶30余種，主要在內(nèi)膜和基質(zhì)中。第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三線粒體內(nèi)酶的分布第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三二、線粒體的功能線粒體的主要功能是氧化磷酸化，合成ATP，為細(xì)胞的生命活動提供能量。動物細(xì)胞中80%的ATP來源于線粒體，糖、脂肪和氨基酸徹底氧化，電子經(jīng)過一系列的傳遞，傳至氧分子，逐級釋放能量，合成ATP。真核細(xì)胞中碳水化合物代謝第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三真核細(xì)胞中糖類、蛋白質(zhì)和脂肪的氧化代謝第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三真核細(xì)胞中蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑進(jìn)入線粒體基質(zhì)的電子傳給NAD+生成NADH，直接將電子傳遞到呼吸鏈，每傳遞一對電子到O2，就能生成2.5個ATP分子。第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三真核細(xì)胞中甘油-3-磷酸穿梭系統(tǒng)電子經(jīng)過復(fù)合物II進(jìn)入呼吸鏈，不經(jīng)過復(fù)合物I，每傳遞一對電子僅能生成1.5個ATP分子。第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三線粒體內(nèi)膜兩條呼吸鏈的組分、排列及氧化磷酸化的耦聯(lián)系部位琥珀酸、脂酰CoA、α-磷酸甘油丙酮酸、α-酮戊二酸、蘋果酸、β-羥丁酸、谷氨酸、異檸檬酸抗壞血酸ADP→ATPADP→ATPADP→ATP根據(jù)接受代謝物上脫下的氫的原初受體不同，分為NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈。

①NADH呼吸鏈由復(fù)合物I、III、IV組成，催化NADH的脫氫氧化。②FADH2呼吸鏈由復(fù)合物II、III、IV組成，催化琥珀酸的脫氫氧化。第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三

在三羧酸循環(huán)中，乙酰CoA氧化釋放的大部分能量都儲存在輔酶(NADH和FADH2)分子中。細(xì)胞利用線粒體內(nèi)膜中一系列的電子載體(呼吸鏈)，伴隨著逐步電子傳遞，將NADH或FADH2進(jìn)行氧化，逐步收集釋放的自由能最后用于ATP的合成，將能量儲存在ATP的高能磷酸鍵。呼吸鏈與電子傳遞NADH+1/2O2------NAD++H2O+能量FADH2

+1/2O2------FAD++H2O+能量第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三

在電子傳遞過程中與釋放的電子結(jié)合并將電子傳遞下去的物質(zhì)稱為電子載體。有四種∶黃素蛋白、細(xì)胞色素、鐵硫蛋白和輔酶Q，在這四類電子載體中，除了輔酶Q以外，接受和提供電子的氧化還原中心都是與蛋白相連的輔基。電子載體(electroncarriers)電子載體(electroncarrier)：黃素蛋白（Flavoprotein）細(xì)胞色素（Cytochrome）泛醌（ubiquinone,UQ）or輔酶Q（CoenymeQ,CoQ）鐵硫蛋白（iron-sulfurprotein）銅原子（copperatom）第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三黃素蛋白：含F(xiàn)MN或FAD的蛋白質(zhì)，每個FMN或FAD可接受2個電子和2個質(zhì)子。呼吸鏈上具有FMN為輔基的NADH脫氫酶，以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶。第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三細(xì)胞色素：以鐵卟啉為輔基的色蛋白，通過Fe3+、Fe2+形式變化傳遞電子。呼吸鏈中有5類，即細(xì)胞色素a、a3、b、c、c1，其中aa3含有銅原子。第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三鐵硫蛋白：在其分子結(jié)構(gòu)中每個鐵原子和4個硫原子結(jié)合，通過Fe2+、Fe3+互變進(jìn)行電子傳遞，有2Fe-2S和4Fe-4S兩種類型。第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三輔酶Q：是脂溶性小分子量醌類化合物，含有長長的疏水鏈，由五碳類戊二醇構(gòu)成通過氧化和還原傳遞電子。第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三1氧化型醌(Q)2還原型氫醌（QH2）3介于兩者之者的自由基半醌（QH）。有3種氧化還原形式第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三線粒體內(nèi)膜電子傳遞復(fù)合物的排列及電子和質(zhì)子傳遞示意圖第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三復(fù)合物Ⅰ（NADH脫氫酶）：106DaFMN黃素蛋白+>6鐵硫中心42條不同的多肽鏈組成，其中7個是疏水的跨膜多肽，由線粒體基因編碼。電子傳遞的方向?yàn)椋篘ADH→FMN→Fe-S→QMatrixInnerMembraneIntermembranespace第二十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三復(fù)合物Ⅱ(琥珀酸脫氫酶)：2個親水蛋白：黃素蛋白和鐵硫蛋白，及2個穿膜蛋白TCA中唯一一個跨膜的酶，相對分子量140×103無ATP生成，無質(zhì)子跨膜。電子傳遞的方向?yàn)椋虹晁帷鶩AD→Fe-S→QSuccinateDehydrogenasetwosubunitsarehydrophobicmembraneanchorsubunits,SdhCandSdhD.Twohydrophilicaflavoprotein(SdhA):aniron-sulfurprotein(SdhB)SdhAcontainsacovalentlyattachedFADcofactorandthesuccinatebindingsiteSdhBcontainsthreeiron-sulfurclusters:[2Fe-2S],[4Fe-4S],and[3Fe-4S].Twohydrophobic第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三復(fù)合物Ⅲ(細(xì)胞色素還原酶)：由10多條肽鏈組成，相對分子量~250×1031個細(xì)胞色素b：兩種血紅素b562,b5661個細(xì)胞色素c1個鐵硫蛋白復(fù)合物Ⅲ將電子從UQH2到細(xì)胞色素c的傳遞和H+從基質(zhì)到膜間隙的單向運(yùn)動兩個過程耦聯(lián)起來。第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三復(fù)合物Ⅳ(細(xì)胞色素氧化酶)：由13多條肽鏈組成，相對分子量204×103，3個疏水性多肽鏈由線粒體基因編碼4個氧化還原中心：細(xì)胞色素a和a3及2個銅離子（CuA和CuB）其作用是催化電子從細(xì)胞色素c傳給氧生成H2OCytochromeCOxidase第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三質(zhì)子沿電化學(xué)梯度穿過內(nèi)膜上的ATP酶復(fù)合物流回基質(zhì)，使ATP酶的構(gòu)象發(fā)生改變，將ADP和Pi合成ATP。第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三ATP合成酶，分為球形的F1（頭部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用質(zhì)子動力勢合成ATP，每秒鐘可產(chǎn)生100個ATP。

ATP合成酶的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三F1頭部：為水溶性的蛋白質(zhì)，從內(nèi)膜突出于基質(zhì)，可以利用質(zhì)子動力勢合成ATP。F1是由9個亞基組成的α3β3γδε復(fù)合體，具有三個ATP合成的催化位點(diǎn)（β亞基）。α和β單位交替排列成桔瓣狀結(jié)構(gòu)。γ貫穿αβ復(fù)合體，發(fā)揮轉(zhuǎn)子的作用來調(diào)節(jié)三個β亞基催化位點(diǎn)的開放和關(guān)閉，并與F0接觸.ε幫助γ與F0結(jié)合。一起形成轉(zhuǎn)子。δ與F0的兩個b亞基形成固定αβ復(fù)合體的結(jié)構(gòu)（定子）。cATP合成酶的作用機(jī)制

第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三ATP合酶合成ATP的機(jī)理

結(jié)合變構(gòu)模型(binding-changemodel)

該模型認(rèn)為F1中的γ亞基作為C亞基旋轉(zhuǎn)中心中固定的轉(zhuǎn)動桿，旋轉(zhuǎn)時會引起αβ復(fù)合物構(gòu)型的改變。有三種不同的構(gòu)型，對ATP和ADP具有不同的結(jié)合能力:①O型幾乎不與ATP、ADP和Pi結(jié)合;②L型同ADP和Pi的結(jié)合較強(qiáng);③T型與ADP和Pi的結(jié)合很緊，并能自動形成ATP，并能與ATP牢牢結(jié)合第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三支持構(gòu)象耦聯(lián)假說的實(shí)驗(yàn)：日本的吉田將

α3β3γ固定在玻片上，在γ亞基的頂端連接熒光標(biāo)記的肌動蛋白纖維，在含有ATP的溶液中溫育時，在顯微鏡下可觀察到γ亞基帶動肌動蛋白纖維旋轉(zhuǎn)。第三十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三復(fù)合物Ⅴ(ATP合成酶)：F1（耦聯(lián)因子F1）：α3β3γεδF0（耦聯(lián)因子F0）：ab2c10~12123第三十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三一、線粒體具有獨(dú)立的遺傳體系線粒體是一種半自主性的細(xì)胞器，它除了有自己的遺傳物質(zhì)--線粒體DNA外，還有蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)(mRNA、rRNA、tRNA)和線粒體核糖體等。線粒體中的蛋白質(zhì)只有約20種是線粒體基因編碼的，但組成線粒體約有上千種之多，所以大多數(shù)線粒體蛋白質(zhì)還是由核基因編碼。由此可見，線粒體的生物合成涉及兩個彼此分開的遺傳系統(tǒng)。線