细胞生物学第06章线粒体

第七章 细胞的能量转换 线粒体和叶绿体生命学院 刘军锋2009年 3月 23日第一节 线粒体与氧化磷酸化 线粒体的形态结构 线粒体的化学组成及酶的定位 氧化磷酸化 线粒体与疾病1. 线粒体的形态、大小、数量与分布2. 线粒体的超微结构 外膜 (outer membrane）：含 孔蛋白 (porin)，通透性较高。 内膜（ inner membrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（ cristae）。 含有与能量转换相关的蛋白 膜间隙（ intermembrane space）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。 基质（ matrix）：含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体 DNA, RNA，核糖体。线粒体结构模式图 线粒体外膜孔蛋白 执行氧化反应的电子传递链 ATP合成酶 线粒体内膜转运蛋白线粒体内膜中的运输系统 二、线粒体的化学组成及酶的定位 线粒体组分分离方法 线粒体的化学组成 线粒体酶的定位线粒体组分的分离 2.线粒体的化学组成与各部分功能 蛋白质 (线粒体干重的 65 70 ) 脂类 (线粒体干重的 25 30 )：磷脂占 3/4以上，外膜主要是 卵磷脂 ，内膜主要是 心磷脂 。线粒体脂类和蛋白质的比值 : 0.3:1（内膜）； 1:1（外膜） 3. 线粒体主要酶的分布部位 酶 的 名 称 部 位 酶 的 名 称外膜单胺氧化酶NADH-细胞色素 c还原酶 （ 对鱼藤酮不敏感 ）犬尿酸羟化酶酰基辅酶 A合成酶膜间隙腺苷酸激酶二磷酸激酶核苷酸激酶内膜细胞色素 b， c， c1， a， a3氧化酶ATP合成酶系琥珀酸脱氢酶 -羟丁酸和 -羟丙酸脱氢酶肉毒碱酰基转移酶丙酮酸氧化酶NADH脱氢酶 （对鱼藤酮敏感）基质柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶脂肪酸氧化酶系、天冬氨酸转氨酶、蛋白质和核酸合成酶系、丙酮酸脱氢酶复合物三、 线粒体的功能(一 )线粒体中的氧化代谢1.三大物质代谢2.NADH的进入线粒体的两种 “穿梭 ”途径线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成 ATP，为细胞生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。细胞质 线粒体内膜天冬氨酸-酮戊二酸苹果酸草酰乙酸 谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸苹果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+线粒体基质苹果酸脱氢酶NADH+H+苹果酸脱氢酶谷草转氨酶 谷草转氨酶（ 、 、 、 为膜上的转运载体）呼吸链苹果酸 -天冬氨酸穿梭途径3-磷酸甘油穿梭 途径（线粒体基质）磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油FADFADH2NADH NAD+线粒体内膜NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2（细胞质）(二 )电子传递链与电子传递电子传递链 ： 在 线粒体内膜 上存在 传递电子 的一组 酶的复合体 ，由一系列能可逆的接收和释放电子或 H+的化学物质所组成，它们在内膜上相互关联的有序排列成传递链 ,这一复杂传递体系即电子传递链，又称 呼吸链 。 1. 电子载体黄素蛋白 ：由一条多肽与黄素腺嘌呤单核苷酸（ FMN）或 FAD组成的结合蛋白，线粒体中主要的黄素蛋白有 NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶。细胞色素 ：带有含铁血红素辅基而对可见光具有特征性强吸收的蛋白。泛醌 ：辅酶 Q， 唯一不与蛋白结合的电子载体 ，可在膜中自由扩散，在单电子受体和双电子受体之间起作用。Fe-S蛋白 ：一类含非血红素铁的蛋白质 ,靠 Fe3+和 Fe2+的变换传递电子。铜原子 ：在线粒体内膜的单个蛋白质分子内，传递单个电子。黄素蛋白酶类特点 ： 以 FAD或 FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白递氢机理： FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2细胞色素血红素的结构传递电子机理 ： Fe3+ Fe2+-e+e波长 /nm还原型 Cytc的吸收光谱CoQ的结构和递氢原理CoQ+2H CoQH2铁硫蛋白传递电子机理 ： Fe3+ Fe2+-e+e2电子载体的排列顺序 电子传递方向 按氧化还原电势递增的方向传递 (NAD+/NAD最低， H2O/O2最高 ) 电子传递 起始于 NADH脱氢酶催化 NADH氧化 ，形成高能电子(能量转化 )， 终止于 O2形成水 。 高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物 (H+-泵 )将 H+从基质侧泵到膜间隙，形成 跨线粒体内膜 H+梯度 (能量转化 ) 电子传递链各组分在 膜上不对称分布3. 电子传递链的四种复合物 (哺乳类 ) 复合物 ：NADH-CoQ还原酶复合物 （既是电子传递体又是质子移位体）组成：含 42个蛋白亚基，至少 6个Fe-S中心和 1个黄素蛋白。作用：催化NADH氧化，从中获得 2高能电子 辅酶 Q； 泵出 4 H+ 复合物 ： 琥珀酸脱氢酶复合物 （是电子传递体而非质子移位体）组成：含 FAD辅基， 2Fe-S中心，作用：催化 2低能电子FADFe-S辅酶 Q (无 H+泵出 )猪心粒体膜蛋白复合物 II的三维结构 （ 饶子和 等， 2005， Cell） 3. 电子传递链的四种复合物 (哺乳类 ) 复合物 ： 细胞色素 bc1复合物 （既是电子传递体又是质子移位体）组成：包括 1 cytc1、 1 cytb、 1 Fe-S蛋白作用：催化电子从 UQH2cytc；泵出 4 H+ （ 2个来自 UQ， 2个来自基质） 复合物 ： 细胞色素 C氧化酶 （既是电子传递体又是质子移位体）组成：二聚体，每一单体含 13个亚基， 三维构象， cyt a,cyt a3 ,Cu,Fe 作用：催化电子从 cyt c分子 O2 形成水， 2H+泵出， 2H+参与形成水。3. 电子传递链的四种复合物 (哺乳类 )细胞色素 C氧化酶的三维结构与作用（三）两条氧化呼吸链1 NADH氧化呼吸链 2琥珀酸氧化呼吸链 (FADH2氧化呼吸链)（四） ATP形成机制 氧化磷酸化氧化磷酸化 ： 代谢物脱下的氢经电子传递链与氧结合成水的过程中，释放的能量使 ADP磷酸化生成 ATP的过程称之氧化磷酸化，即氢的氧化和 ADP的磷酸化相耦联，又称为 耦 联磷酸化。 氧化磷酸化偶联部位：磷酸化 ：将 ADP转变为 ATP的过程称为磷酸