線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換

第六章線粒體線粒體與葉綠體能量轉(zhuǎn)換：葉綠體：通過光合作用把光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，儲存于大分子有機(jī)物中線粒體：將儲存在生物大分子中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為細(xì)胞可直接利用的能源線粒體與葉綠體的共性：半自主性細(xì)胞器1.形態(tài)特征主要是封閉的雙層單位膜結(jié)構(gòu)，內(nèi)膜經(jīng)過折疊演化為表面極大擴(kuò)增的內(nèi)膜特化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在能量轉(zhuǎn)換過程中起重要作用。2.功能都是高效的產(chǎn)生ATP的精密裝置。3.遺傳物質(zhì)都具有環(huán)狀DNA及自身轉(zhuǎn)錄RNA與翻譯蛋白質(zhì)的體系（第二遺傳信息系統(tǒng)）一、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)定位（分布）與形態(tài)結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成二、線粒體的功能氧化代謝電子傳遞鏈與電子傳遞質(zhì)子轉(zhuǎn)移與質(zhì)子驅(qū)動力的形成氧化磷酸化為各種生命活動提供能量三、線粒體與疾病線粒體在細(xì)胞內(nèi)的分布一般是不均勻的，根據(jù)細(xì)胞代謝需要，線粒體可在細(xì)胞質(zhì)中運動變形和分裂增殖。線粒體的形態(tài)與分布形狀多樣，以線狀和粒狀最常見；大小、數(shù)量與分布也變動很大；大?。阂话阒睆綖?.5-1μm,長度為1.5-3μm，至幾十μm；不同類型中線粒體的數(shù)目相差很大：一般動物細(xì)胞比植物細(xì)胞多，代謝旺盛的細(xì)胞比靜態(tài)細(xì)胞多；在胞質(zhì)中的分布通常是均勻的，某些細(xì)胞里集中在代謝旺盛的部位在胞質(zhì)中的定位與遷移與微管有關(guān)。外膜（outermembrane）厚約5-7nm蛋白質(zhì)、脂質(zhì)各占50%含孔蛋白（porin），由β折疊鏈形成桶狀結(jié)構(gòu)，中心為2-3nm的小孔?？梢钥赡娴拈_閉，完全打開時，可通過分子量10000以下的物質(zhì)。外膜的通透性非常高標(biāo)志酶為單胺氧化酶內(nèi)膜（innermembrane）平均厚4.5nm蛋白質(zhì):脂質(zhì)=4:1缺乏膽固醇，富含心磷脂，占磷脂含量的20%，形成了通透性屏障，嚴(yán)格控制分子和離子通過。對建立質(zhì)子電化學(xué)梯度，驅(qū)動ATP合成起重要作用。向內(nèi)折疊形成嵴（cristae）增加內(nèi)膜的表面積標(biāo)志酶為細(xì)胞色素氧化酶膜間隙(intermembranespace)&基質(zhì)（matrix）

內(nèi)外膜之間的腔隙，寬6-8nm，含有可溶性的酶、底物和輔助因子。標(biāo)志酶為：腺苷酸激酶。內(nèi)膜所包圍的嵴外空間為線粒體基質(zhì)?；|(zhì)內(nèi)包含可溶性蛋白質(zhì)的膠狀物質(zhì)，具有一定的pH值和滲透壓。基質(zhì)中酶包括：TCA循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸降解等有關(guān)的酶;遺傳系統(tǒng)包括DNA、RNA、核糖體和轉(zhuǎn)錄、翻譯遺傳信息所需的各種裝置。標(biāo)志酶為：蘋果酸脫氫酶線粒體的化學(xué)組成◆蛋白質(zhì)(線粒體干重的65～70％)◆脂類(線粒體干重的25～30％)：磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，內(nèi)膜缺乏膽固醇，富含主要是心磷脂(20%)。線粒體內(nèi)、外膜脂類和蛋白質(zhì)的比值:0.3:1（內(nèi)膜）；1:1（外膜）線粒體主要酶的分布

線粒體的功能線粒體主要功能是進(jìn)行三羧酸循環(huán)及氧化磷酸化，合成ATP，為細(xì)胞生命活動提供直接能量；與細(xì)胞中氧自由基的生成、調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原電位和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)控細(xì)胞凋亡、基因表達(dá)、細(xì)胞內(nèi)多種離子的跨膜運輸及電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡，包括線粒體對細(xì)胞中Ca2+的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)有關(guān)。 （一）線粒體中的氧化代謝 （二）電子傳遞鏈與電子傳遞（三）質(zhì)子轉(zhuǎn)移與質(zhì)子驅(qū)動力的形成（四）ATP形成機(jī)制——氧化磷酸化線粒體中的氧化代謝線粒體中的三羧酸循環(huán)，是物質(zhì)氧化的最終共同途徑，氧化磷酸化是生物體獲得能量的主要途徑。Figure9.6ElectronscarriedviaNADHGlycolsisGlucosePyruvateATPSubstrate-levelphosphorylationElectronscarriedviaNADHandFADH2CitricacidcycleOxidative

phosphorylation:

electrontransportand

chemiosmosisATPATPSubstrate-levelphosphorylationOxidativephosphorylationMitochondrionCytosol糖酵解蘋果酸-天冬氨酸穿梭草酰乙酸谷氨酸α-酮戊二酸TCA循環(huán)電子傳遞鏈與電子傳遞在線粒體內(nèi)膜上存在傳遞電子的一組酶的復(fù)合體，由一系列能可逆地接受和釋放電子的化學(xué)物質(zhì)所組成，它們在內(nèi)膜上相互關(guān)聯(lián)地有序排列成傳遞鏈，稱為電子傳遞鏈（electrontransportchain）或呼吸鏈（respiratorychain）,是典型的多酶體系。電子通過呼吸鏈的流動，稱為電子傳遞。

1.電子載體

2.電子載體排列順序

3.電子轉(zhuǎn)運復(fù)合物電子載體

電子傳遞鏈?zhǔn)怯梢幌盗刑厥獾碾娮虞d體構(gòu)成的。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化合物稱為電子載體（electroncarrier）。電子載體有五種：黃素蛋白（flavoprotein）細(xì)胞色素(cytochrome)

泛醌(ubiquinone,UQ)

鐵硫蛋白(iron-sulfurprotein)

銅原子(copperatom)它們都具有氧化還原作用，除泛醌外接受和提供電子的氧化還原中心都是與蛋白質(zhì)相連的輔基。黃素蛋白（flavoprotein）是由一條多肽與黃素腺嘌呤單核苷酸（FMN）或黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）緊密結(jié)合組成的結(jié)合蛋白，黃素蛋白的輔基都是核黃素（維生素B2）的衍生物，每次能傳遞兩個電子和兩個H+。細(xì)胞色素(cytochrome)

是一種帶有含鐵血紅素輔基而對可見光具有特征性強(qiáng)吸收的蛋白，血紅素中的鐵通過Fe3+和Fe2+

兩種狀態(tài)變換，傳遞單個電子。包括細(xì)胞色素a、a3、b、c、c1。泛醌(ubiquinone,UQ)泛醌或稱輔酶Q（CoQ），是一種脂溶性的帶有一條長的類異戊二烯側(cè)鏈苯醌。它是唯一不與蛋白結(jié)合的電子載體，位于內(nèi)膜上，能夠在內(nèi)膜脂雙分子層上自由擴(kuò)散。鐵硫蛋白(iron-sulfurprotein)鐵硫蛋白是一類含非血紅素鐵的蛋白質(zhì)，在鐵硫蛋白分子的中央結(jié)合的是鐵和硫，稱為鐵硫中心?？縁e3+和Fe2+

兩種狀態(tài)變換傳遞電子，每次只能傳遞一個電子。銅原子(copperatom)在aa3分子中，除含血紅素鐵外，尚含有2個銅原子，依靠Cu2+和Cu+的變化傳遞單個電子，把電子從a3傳遞到氧。電子載體排列順序?qū)嶒炞C明，呼吸鏈中的電子載體有嚴(yán)格的排列順序和方向。它們是按照氧化還原電位從低向高排序。電子轉(zhuǎn)運復(fù)合物

電子傳遞鏈中的各組分不是游離存在的，而是結(jié)合成為膜蛋白復(fù)合物，其功能是參加氧化還原作用，共含有70多種不同的多肽。復(fù)合物Ⅰ復(fù)合物Ⅲ復(fù)合物Ⅳ復(fù)合物Ⅱ復(fù)合物Ⅱ復(fù)合物Ⅲ復(fù)合物Ⅳ◆五種類型電子載體：黃素蛋白、細(xì)胞色素(含血紅素輔基)、Fe-S中心、銅原子、輔酶Q。前四種與蛋白質(zhì)結(jié)合，輔酶Q為脂溶性醌?！綦娮觽鬟f起始于NADH脫氫酶催化NADH氧化，形成高能電子(能量轉(zhuǎn)化)，終止于O2形成水。◆電子傳遞方向按氧化還原電勢遞增的方向傳遞(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高)◆高能電子釋放的能量驅(qū)動線粒體內(nèi)膜三大復(fù)合物(H+-泵)將H+從基質(zhì)側(cè)泵到膜間隙，形成跨線粒體內(nèi)膜H+梯度(能量轉(zhuǎn)化)◆電子傳遞鏈各組分在膜上不對稱分布質(zhì)子轉(zhuǎn)移與質(zhì)子驅(qū)動力的形成膜電位（△Ψ）和膜內(nèi)外H+濃度差（△pH）所貯存的電化學(xué)梯度自由能總稱為質(zhì)子動力勢（proton-motiveforce,△P）。△P=△Ψ-2.3—△pHRTFATP形成機(jī)制——氧化磷酸化將ADP轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP的過程稱為磷酸化（phosphorylation）。底物水平的磷酸化氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）光合磷酸化（photophosphorylation）1.ATP合成酶的結(jié)構(gòu)與組成2.能量耦聯(lián)與ATP合成酶的作用機(jī)制

底物水平的磷酸化

由相關(guān)的酶將底物分子上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP分子上，生成ATP。ATP合成酶的結(jié)構(gòu)與組成能量耦聯(lián)與ATP合成酶的作用機(jī)制

◆解離與重建實驗證明電子傳遞與ATP合成是由兩個不同的結(jié)構(gòu)體系執(zhí)行◆化學(xué)滲透假說◆ATP合成機(jī)制該實驗證明了：

1.顆粒是ATP合成必需的

2.小泡是電子傳遞必需的

3.電子傳遞和ATP合成是分開進(jìn)行的氧化磷酸化的耦聯(lián)機(jī)制—化學(xué)滲透假說◆化學(xué)滲透假說內(nèi)容：（獲1978諾貝爾化學(xué)獎）由英國Michell提出，認(rèn)為在電子傳遞過程中，由于線粒體內(nèi)膜的不通透性，形成了跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度驅(qū)動ATP的合成(實驗證據(jù))。◆支持化學(xué)滲透假說的實驗證據(jù)該實驗表明：質(zhì)子動力勢乃ATP合成的動力膜應(yīng)具有完整性電子傳遞與ATP合成是兩件相關(guān)而又不同的事件下面實驗可以證明從NADH或FADH2到O2的電子傳遞與質(zhì)子的跨膜轉(zhuǎn)運相耦聯(lián)：下面兩個實驗可以證明只要有質(zhì)子動力勢就可以合成ATP細(xì)菌視紫紅質(zhì)結(jié)合變構(gòu)機(jī)制BandingChangeMechanism(Boyer1979)，1997年獲諾貝爾化學(xué)獎1.質(zhì)子梯度作用不是用于形成ATP，而是使