线粒体与细胞的能量转换51338

ATP是生命活动的直接供能者 线粒体通过氧化磷酸化合成生物体所需能量 ATP 的90 以上 生命活动需要能量 线粒体如何通过氧化磷酸化合成ATP 线粒体与细胞的能量转换MitochondriaandEnergyConversion 主要内容 线粒体的形态结构与酶的定位线粒体蛋白质穿膜进入线粒体线粒体的功能线粒体的半自主性线粒体的增殖线粒体与医学 电镜下观察 线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构 外膜 内膜 膜间腔 外室 嵴 嵴间腔 内室 内含基质 第一节线粒体的基本特征 目前已确认有120余种 是细胞中含酶最多的细胞器 这些酶分别位于线粒体的不同部位 在线粒体行使细胞氧化功能时起重要的作用 内膜标志酶 细胞色素氧化酶 外膜标志酶 单胺氧化酶 基质标志酶 苹果酸脱氢酶 膜间腔的标志酶 腺苷酸激酶 一 线粒体含有众多参与能量代谢的酶系 蛋白质 是线粒体的主要成分 约占65 70 多分布于内膜和基质 脂类 占线粒体干重的25 30 大部分是磷脂 此外 还含有DNA和完整的遗传系统 多种辅酶 如CoQ FMN FAD和NAD 等 维生素和各类无机离子 可溶性蛋白 基质中的酶和膜的外周蛋白 不溶性蛋白 构成膜的镶嵌蛋白 结构蛋白和部分酶蛋白 二 线粒体的形态 数量和分布 1 形态光镜下 线状 粒状 短杆状等 形态可逆性在一定条件下可改变 低渗时 膨胀呈泡状 高渗时 伸长呈线状 2 大小 细胞中较大的细胞器 与细胞种类 生理状况有关 一般直径 0 5 1 0 m 长度 1 5 3 0 m 3 数目不同类型细胞中差异较大 哺乳动物 肝细胞中2000个左右肾细胞中300个左右精子中25个左右 代谢旺盛时 线粒体数量较多 反之线粒体的数量则较少 心肌细胞 精子尾部 4 分布 通常分布于细胞生理功能旺盛区域和需要能量多的部位 三 线粒体的结构 包围在线粒体外表面的一层单位膜 厚6 7nm 平整 光滑 外膜 封闭结构使之在细胞质中相对隔绝 保证了线粒体能够不受干扰地进行物质氧化分解 一 线粒体外膜 厚约6nm 通透性很低 但有高度的选择通透性 借助载体蛋白控制内外物质的交换 内膜 集中了电子传递体和氧化磷酸化酶系 ATP合成酶系 是物质氧化分解和ATP合成的场所 二 线粒体内膜 嵴 嵴的形态和排列方式主要有两种类型 板层状 大多数高等动物细胞中 小管状 原生动物和一些较低等动物细胞中 嵴 内膜向内室折叠形成 增加了内膜的表面积 板层状嵴 小管状嵴 嵴 基粒 基粒 ATP合酶 内膜和嵴膜基质面上带柄的小颗粒 与膜面垂直而规律排列 基粒 内室 外室 基粒 ATP合酶 线粒体主要酶的分布 部位 外膜 脂类代谢有关的酶 特征酶 单胺氧化酶 膜间腔 腺苷酸激酶 核苷酸激酶 特征酶 腺苷酸激酶 内膜 呼吸链氧化反应的酶系 ATP合成酶系 特征酶 细胞色素 c 氧化酶 嵴间腔 三羧酸循环反应 丙酮酸与脂肪酸氧化的酶系 蛋白质和核酸合成酶系 特征酶 苹果酸脱氢酶 三 蛋白质穿膜进入线粒体的通道 线粒体膜上的转位接触点 膜间隙变窄 嵴内腔 基粒 ATP酶 四 基质 内室 内膜和嵴围成的腔 线粒体DNA 线粒体DNA 线粒体mRNA 线粒体tRNA 线粒体核糖体 线粒体核糖体 基质颗粒 基质颗粒 三羧酸循环的场所 线粒体内DNA 蛋白质合成的场所 四 线粒体的遗传体系 一 线粒体DNA 特点 通常是裸露的 不与组蛋白结合 存在部位 线粒体的基质内或依附于线粒体内膜 数量 一个线粒体内往往有1至数个mtDNA分子 平均为5 10个 编码产物 线粒体的tRNA rRNA及一些线粒体蛋白质 为一条双链环状的DNA分子 双链中一为重链 H 一为轻链 L 重链和轻链上的编码产物各不相同 与核基因组相比 线粒体基因组有很少非编码的序列 人类线粒体基因组共编码37个基因 二 线粒体基因组结构 三 线粒体基因的转录 1 转录启动子 线粒体基因组的转录是从两个主要的启动子处开始的 分别为重链启动子 HSP 和轻链启动子 LSP 转录因子与其结合 在mtRNA聚合酶的作用下启动转录 转录过程 线粒体基因的转录类似原核生物的转录 即产生一个多顺反子 包括mRNA和tRNA 重链形成两个初级转录物 初级转录物 tRNAphe tRNAval 12SrRNA和16SrRNA初级转录物 mRNA和tRNA 2 mRNA合成不含内含子 也很少有非翻译区 起始密码为AUG 或AUA 终止密码为UAA 3 端有多聚A的尾部 5 端没有细胞核mRNA加工时的帽结构 3 蛋白质翻译在线粒体内并在线粒体的核糖体上进行翻译 构成线粒体核糖体的蛋白质由细胞质运入线粒体内 用于蛋白质合成的所有tRNA都是由mtDNA编码 线粒体的遗传密码与核基因不完全相同 线粒体蛋白质合成系统 MtDNA RNA前体 切割加工 13种mt mRNA22种mt tRNA2种mt rRNA 12S 16S 转录 1 线粒体RNA 2 特点 与胞质蛋白质合成相比 1 各种RNA是线粒体所独有的RNA聚合酶的抑制剂线粒体 菲啶溴红 E B 类似原核细胞真核细胞 放线菌素D a 鹅膏覃碱 2 核糖体对药物的敏感性不一样线粒体 氯霉素 红霉素真核细胞胞质 放线菌酮 3 遗传密码与通用密码有差异 2 起始tRNA不同线粒体 N 甲酰甲硫氨酰tRNA真核细胞胞质 甲硫氨酰tRNA 3 蛋白质合成过程不同 1 转录 翻译在同一时间和地点进行 密码子 线粒体密码 通用遗传密码 UGA AUA AGG 色氨酸 蛋氨酸 终止子 终止子 异亮氨酸 精氨酸 通用遗传密码与线粒体遗传密码的差别 线粒体遗传系统与核遗传系统的相互关系 三 线粒体DNA的复制 类似于原核细胞的DNA复制 一个重链复制起始点 控制重链自我复制一个轻链复制起始点 控制轻链自我复制 复制特点 轻链的复制要晚于重链 重链的合成方向是顺时针的 轻链的合成方向是逆时针的 复制不受细胞周期的影响 可以越过细胞周期的静止期或间期 甚至可分布在整个细胞周期 复制时间 整个复制过程约持续2个小时 五 线粒体靶序列引导核编码蛋白向线粒体运输 一 需要分子伴侣的协助 运送之前 蛋白质大多以前体形式存在 线粒体中的蛋白质绝大多数由核基因编码 在细胞质中的游离核糖体合成 称前体蛋白 将定向转运至线粒体 基质导入序列 matrix targetingsequence MTS 基质导入序列 导肽 N 末端引伸出的一段含线粒体靶序列的肽链 折叠 解折叠 重新折叠 分子伴侣 分子伴侣 前体蛋白与受体结合 mthsp70可与进入线粒体腔的前导肽链交联 防止了前导肽链退回细胞质 分子伴侣 保持前体蛋白在线粒体外的非折叠状态NAC 与少数前体蛋白相互作用 增加蛋白转运的准确性 hsc70 和绝大多数的前体蛋白结合 使前体蛋白打开折叠 防止已松弛的前体蛋白聚集 二 前体蛋白在线粒体外保持非折叠 线粒体内外膜之间存在接触点 蛋白质通过此处的TOM和TIM复合体 进一步进入基质 线粒体蛋白穿膜转运的布朗棘轮模型示意图 三 分子伴侣运动产生的动力协助多肽穿越线粒体膜 四 多肽链需在线粒体基质内重新折叠才能形成有活性的蛋白质 基质作用蛋白酶MPP 定位于线粒体内膜上 切除大多数蛋白的基质导入序列 mtHsp70 Hsc60 Hsp1等协助折叠 导肽与线粒体外膜上的受体结合 内 外膜之间的接触点 插入到内膜 进入线粒体基质后 蛋白质重新折叠 形成成熟的蛋白质 导肽被水解 五 核编码蛋白向线粒体其他部位的转运 1 蛋白质向线粒体膜间腔的转运 信号序列 基质导入序列MTS 引导前体蛋白进入基质 膜间腔导入序列ISTS 引导前体蛋白进入膜间腔 转运方式 整个蛋白进入基质 第2个信号序列ISTS引导多肽链通过内膜上的通道进入膜间腔 第2个信号序列ISTS起转移终止序列的作用 阻止前体蛋白向基质转运 并固定于内膜上 切去位于内膜上的ISTS部分后 进入膜间腔 通过直接扩散从胞浆通过外膜而进入膜间腔 2 蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运 在外膜蛋白的转运中 类孔蛋白P70的研究最多 在P70的MTS后有一段长的疏水序列 起着转移终止序列的作用 而使之固定于外膜上 内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚 六 线粒体介导的细胞死亡 目前普遍接受的线粒体起源假说为内共生学说 该学说认为线粒体可能起源于与古老厌氧真核细胞共生的早期细菌 七 线粒体的起源与发生 线粒体是通过分裂方式实现增殖的 目前普遍接受的观点认为 线粒体的生物发生是通过原有线粒体分裂完成的 线粒体的生物发生过程 第一阶段 线粒体进行分裂增殖 第二阶段 线粒体本身的分化过程 建成能够行使氧化磷酸化功能的机构 线粒体分裂狗心肌细胞线粒体新生鼠肝细胞线粒体 2 1 3 线粒体的增殖 间壁分离 收缩分离 出芽分裂 线粒体的内膜向中心内褶形成间壁 或某一个嵴的延伸 当延伸到对侧内膜时 线粒体一分为二 线粒体中央部分收缩并向两端拉长 中央形成很细的颈 整个线粒体成哑铃形 最后断裂成两个新线粒体 先从线粒体上长出小芽 然后小芽与母线粒体分离 经过不断长大 形成新的线粒体 间壁分离 收缩分离 出芽分离 线粒体三种分裂方式 出芽分裂收缩分裂间壁分裂 线粒体的分裂都不是绝对均等的 在同一线粒体中 可能存在有不同类型的mtDNA 随机地分配到新的线粒体中 另一方面线粒体分裂还受到细胞分裂的影响 生命活动中的大部分能量来自于线粒体 细胞动力工厂 第二节细胞呼吸与能量转换 慢跑 细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量 同时产生二氧化碳和水 快跑 细胞将葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳 在特定细胞器 主要是线粒体 内 在O2的参与下 分解各种大分子物质 产生CO2 与此同时 分解代谢所释放出的能量储存于ATP中的过程 称为细胞呼吸 cellularrespiration 也称生物氧化 biologicaloxidation 或细胞氧化 cellularoxidation 细胞呼吸的概念 细胞呼吸的特点本质上是在线粒体中进行的一系列由酶系所催化的氧化还原反应 所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中 整个反应过程是分步进行的 能量也是逐步释放的 反应是在恒温 37 和恒压条件下进行的 反应过程中需要H2O的参与 ATP是一种高能磷酸化合物细胞呼吸时 释放的能量可通过ADP的磷酸化而及时储存于ATP的高能磷酸键中作为备用 当细胞进行各种活动需要能量时 又可去磷酸化 断裂一个高能磷酸键以释放能量来满足机体需要 ATP的放能 储能反应简式 细胞呼吸所产生的能量储存于细胞能量转换分子ATP中 第三节细胞的能量转换 ATP中所携带的能量来源于糖 氨基酸和脂肪酸等的氧化 这些物质的氧化是能量转换的前提 从糖酵解到ATP的形成是一个极其复杂的过程 分为三个步骤 糖酵解 glycolysis 三羧酸循环 TAC 氧化磷酸化 oxidativephosphorylation 酵解 在细胞质内进行 反应过程中不需要氧 无氧酵解 2丙酮酸 2H 2ATP 2NADH C3H4O3 2H2O 葡萄糖 2Pi 2ADP 2NAD C6H12O6 特点 1 不需氧 细胞质基质中进行 2 净生成2个ATP 能量储藏在丙酮酸中 一 葡萄糖在细胞质中进行糖酵解 1 葡萄糖在细胞质中经糖酵解途径分解成丙酮酸 底物水平磷酸化 substrate levelphosphorylation 由高能底物水解放能 直接将高能磷酸键从底物转移到ADP上 使ADP磷酸化生成ATP的作用 NADH H 通过穿梭机制进入线粒体糖酵解过程产生的还原当量 NADH H 本身不能透过线粒体内膜 必须借助线粒体内膜上特异性穿梭系统进入线粒体 苹果酸 天冬氨酸穿梭 酮戊二酸穿梭 乙酰辅酶A生成 特点 1 线粒体基质中进行 2 3C的丙酮酸变成活泼的2C乙酰辅酶A 3 无ATP形成 在线粒体基质中丙酮酸脱氢酶体系作用下 丙酮酸进一步分解为乙酰CoA NAD 作为受氢体被还原 具体反应式 2CH3COCOOH 2HSCoA 2NAD 2CH3CO ScoA 2CO2 2NADH 2H 葡萄糖 丙酮酸 NAD NADH2 CO2 乙酸 CoA 乙酰CoA 草酰乙酸 三羧酸循环 柠檬酸循环 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 NAD NADH2 CO2 酮戊二酸 NAD NADH2 CO2 琥珀酸 FAD FADH2 延胡索酸 苹果酸 NAD NADH2 1 2 3 1 注 NAD 辅酶I 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸FAD 黄酶 黄素腺嘌呤二核苷酸 在线粒体基质中 乙酰CoA与草酰乙酸结合成柠檬酸而进入三羧酸循环 tricarboxylicacidcycle TAC 经过一系列的代谢反应 乙酰基被氧化分解 草酰乙酸再生 三羧酸循环是三大营养素的最终代谢通路 糖 脂肪 氨基酸在体内进行生物氧化都将产生乙酰CoA 然后进入三羧酸循环进入降解 二 三羧酸循环 三羧酸循环 乙酰辅酶A 草酰乙酸 2C 4C 柠檬酸 6C 3对以NAD为氢受体四对氢原子 NAD NADH 1对以FAD为氢受体 FADFDAH2 2个CO2 特点 1 反应在线粒体基质中进行 2 7次连续反应为一次循环 3 生成一分子GTP 7个连续反应 一 呼吸链和ATP合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础 1 呼吸链 代谢物脱下的成对氢原子通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递 最后与氧结合生成水 此传递过程称为呼吸链 参加呼吸链的酶及辅酶按一定顺序在线粒体内膜上排列 进行氢和电子的传递 故又称为电子传递链 三 氧化磷酸化耦联是能量转换的关键 呼吸链传递氢和电子的功能由四种酶复合体完成 呼吸链蛋白质组成 每个复合体都由多条多肽链 大部分由核基因组编码 少部分由线粒体基因组编码 组成 线粒体内膜 包括嵴 的内表面附着的圆球形基粒 将呼吸链电子传递过程中释放的能量用于使ADP磷酸化生成ATP的关键装置 化学本质是ATP合酶复合体 也称F0F1ATP合酶 2 ATP合酶复合体 磷酸化的结构基础 ATP合酶 1979年Boyer提出结合变构模型 其要点 ATP合酶利用质子动力势 催化ATP合成 ATP合酶的头部有3个催化位点 亚基 催化位点有3种构象 质子通过a亚基时 引起c亚基构成的环旋转 带动 亚基旋转 亚基端部高度不对称 引起 亚基3个催化位点构象的周期性变化 L T O 将ADP和Pi加合在一起 形成ATP 1994年Walker通过牛心线粒体晶体结构证明了该模型 电子传递过程中释放出的能量被F0F1ATP合酶用来催化ADP磷酸化而合成ATP ATP生成部位即是氧化磷酸化偶联部位 二 氧化磷酸化耦联 Mitchell 1961 英国 提出 该学说认为 电子沿呼吸链传递时 所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙 形成质子动力势 以这种势能作为动力 驱动磷酸化反应 合成ATP 三 化学渗透偶联假说 ATP形成的偶联部位呼吸链上有3个主要的放能部位 NAD 黄酶 FMN 辅酶Q 细胞色素b c1 c a a3 O2 ADP Pi ATP ADP Pi ATP ADP Pi ATP FADH2 ATP ADP Pi