第七章细胞的能量代谢

细胞生物学CellBiology 第七章细胞的能量转换 线粒体 线粒体与氧化磷酸化 线粒体的半自主性 线粒体的生物发生 思考题 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 一 线粒体的形态结构 线粒体的形态 大小 数量与分布 线粒体的超微结构 外膜 outermembrane 含孔蛋白 porin 通透性较高 内膜 innermembrane 高度不通透性 向内折叠形成嵴 cristae 基粒 含有与能量转换相关的蛋白 膜间隙 intermembranespace 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 基粒 有柄的小球体由头 柄和基部组成 是ATP酶复合体 存在于在线粒体内膜的内表面嵴膜上 F1因子 F0因子 可溶性ATP酶 对寡酶素敏感的蛋白 OSCP 疏水蛋白 HP 抑制剂 头部 具ATPase活性和F1抑制蛋白柄部 OSCP基片 疏水蛋白嵌于内膜中 能量相关的蛋白 1 执行氧化反应的电子传递链2 ATP合成酶3 线粒体内膜转运蛋白 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 线粒体的化学组成 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 DNA和RNA 三 氧化磷酸化 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 氧化磷酸化 oxidativephosphorylation 的分子基础 氧化磷酸化的偶联机制 化学渗透假说 ChemiosmoticHypothesis Mithchell 1961 生物氧化 糖酵解 细胞质基质 乙酰CoA生成 线粒体基质 三羧酸循环 线粒体基质 电子传递偶联的氧化磷酸化 线粒体内膜 真核细胞线粒体中代谢反应图解 线粒体的功能 氧化磷酸化的分子基础 氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程 即有机分子中储藏的能量 高能电子 质子动力势 ATP 氧化 电子传递 消耗氧 放能 与磷酸化 ADP Pi 储能 同时进行 密切偶连 分别由两个不同的结构体系执行 电子传递链 electron transportchain 的四种复合物 组成两种呼吸链 NADH呼吸链 FADH2呼吸链 在电子传递过程中 有几点需要说明 ATP合成酶 ATPsynthase 磷酸化的分子基础 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4H 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 一个细胞色素b 作用 催化2低能电子 FAD Fe S 辅酶Q 无H 泵出 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1cytc1 2cytb 1Fe S蛋白作用 催化电子从UQH2 cytc 泵出4H 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 cyta cyta3 Cu Fe作用 催化电子从cytc 分子O2形成水 2H 泵出 2H 参与形成水 在电子传递过程中 有几点需要说明 四种类型电子载体 黄素蛋白 细胞色素 含血红素辅基 Fe S中心 辅酶Q 前三种与蛋白质结合 辅酶Q为脂溶性醌 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 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 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 ATP合成酶 磷酸化的分子基础 分子结构 线粒体ATP合成系统的解离与重建实验证明电子传递与ATP合成是由两个不同的结构体系执行 F1颗粒具有ATP酶活性 工作特点 可逆性复合酶 即既能利用质子电化学梯度储存的能量合成ATP 又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙 ATP合成酶作用机制 BandingChangeMechanism Boyer 结合变化和旋转催化机制 旋转催化假说1979 Walker 牛心线粒体F1 ATP酶的晶体结构1994 荣获1997年诺贝尔化学奖 氧化磷酸化的偶联机制 化学渗透假说 化学渗透假说内容 电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布 当高能电子沿其传递时 所释放的能量将H 从基质泵到膜间隙 形成H 电化学梯度 在这个梯度驱使下 H 穿过ATP合成酶回到基质 同时合成ATP 电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键 质子动力势 protonmotiveforce 化学渗透假说几点说明 质子动力势乃ATP合成的动力 膜应具有完整性 电子传递与ATP合成是两件相关而又不同的事件 荣获1978年诺贝尔化学奖 四 线粒体与疾病 1 肿瘤细胞 无氧糖酵解 线粒体数目减少 线粒体嵴减少 2 代谢变化 肿胀 结构改变 如巨型线粒体 3 微波照射 线粒体粘连 空化 紊乱 4 缺血时 功能由弱到停止 四 线粒体与疾病 5 药物和毒物 抑制氢或电子传递的物质 如阿米妥 氰化物 不抑制呼吸链中的电子传递 而是抑制ADP磷酸化生成ATP的过程 如2 4 二硝基酚6 与疾病治疗 cytc 增强细胞氧化 提高氧的利用 治疗缺氧引起的一系列症状 CoQ 细胞代谢和细胞呼吸的激活剂增强特异性免疫 NAD 治疗进行性肌肉萎缩症等 四 线粒体与疾病 克山病 心肌线粒体病 缺硒引起心肌损伤为主要病变的地方性心肌病 硒对线粒体有稳定作用 缺硒导致线粒体膨胀 嵴少不完整 对电子传递和氧化磷酸化偶联产生影响 衰老 细胞内自由基的源泉 是决定细胞衰老的生物钟 95 氧自由基来自呼吸链 单电子漏给分子氧是其生成的主要原因 凋亡 细胞色素c 第二节线粒体的半自主性 一 mtDNA1 16569bp 剑桥序列 的裸露 双链闭合环状分子2 编码22种tRNA和2种rRNA 13种呼吸链酶复合体 占线粒体全部蛋白质的10 3 1 数百个拷贝 突变率高 4 异质性5 母系遗传 6 遗传密码与通用密码有差异 mtDNA 编码 22种tRNA和2种rRNA 13种呼吸链酶复合体 二 线粒体遗传系统与核遗传系统的关系 1 线粒体能够独立地复制 转录和翻译 DNA RNA 核糖体 呼吸酶复合体 ATP酶 cytb的亚基2 转录和翻译过程依赖核 受核的指导和控制 90 的蛋白由核基因编码 在细胞质中合成 运输至线粒体中 内膜上的其它蛋白 基质中及外膜的蛋白核糖体蛋白 聚合酶 氨酰tRNA合成酶 线粒体的半自主性 线粒体外膜 线粒体内膜 线粒体合成的蛋白质 mtDNA 转录 tRNA 氨基酸 氨酰tRNA mRNA 小rRNA 大rRNA 核糖体小 大亚基 细胞中合成的蛋白质 mt核糖体蛋白 氨酰tRNA合成酶 RNA聚合酶 DNA复制有关酶 三羧酸循环可溶性酶 三 线粒体蛋白质的运送 导肽 细胞核编码的线粒体蛋白含有一N 末端的导肽 含20 80个疏水氨基酸残基 含识别线粒体的信息 具有指导线粒体蛋白运输进入线粒体的功能 跨膜转运 前体 受体 内室 切去导肽折叠 解折叠 重新折叠 分子伴侣 第三节线粒体的生物发生 原先存在的线粒体经过生长和分裂而来 1 隔膜分离 由内壁向中心褶皱将线粒体分为2个 2 收缩分离 中部缢缩拉长 3 出芽繁殖 一 线粒体的增殖 二 线粒体的起源 1 内共生学说 起源于原始真核细胞内共生的细菌和蓝藻 长期进化 与宿主细胞间形成互利共生关系 大部分遗传信息转移到细胞核上 2 非共生起源说 真核细胞前身是一种好氧细菌 质膜内陷 扩张 将基因组包入其中 分化 形成 内膜 祖先真核细胞 细胞核 内共生学说 Summaryofthemajoractivitiesduringaerobicrespirationinamitochondrion NADH O2 3ATP 2e FADH2 O2 2ATP 2e 生物氧化产生ATP的统计一个葡萄糖分子经过细胞呼吸全过程产生多少ATP 糖酵解 底物水平磷酸化产生4ATP 细胞质 己糖分子活化消耗2ATP 细胞质 产生2NADH 经电子传递产生4或6ATP 线粒体 净积累6或8ATP丙酮酸氧化脱羧 产生2NADH 线粒体 生成6ATP三羧酸循环 底物水平的磷酸化产生 线粒体 2ATP 产生6NADH 线粒体 生成18ATP 产生2FADH2 线粒体 生成4ATP总计生成36或38ATP 思考题 1 如何证明线粒体的电子传递和磷酸化作用是由两个不同的结构系统来实现的 2 ATP合成酶的分子结构及作用机制 3 化学渗透假说的主要论点是什么 4 由核基因组编码 在细胞质核糖体上合成的蛋白质是如何运送至线粒体的 5 为什么说线粒体是半自主性细胞器 6 简述线粒体的超微结构 形态 大小 数目和分布1 形态 粒状 杆状 线状等2 大小 直径0 5 1 m 长1 5 3 0 m3 数目 在动物细胞中平均有数百个 4 分布 生理功能旺盛 需要量较多的区域 心肌细胞和精子尾部的线粒体 线粒体主要酶的分布 2020 4 20 整个电子传递链存在于内膜本身 氧化磷酸化作用则由ATP酶复合物来承担 电子传递 完整线粒体 亚线粒体小泡 超声波处理 尿素或胰蛋白酶处理 光滑小泡 重建 亚线粒体小泡的产生和重建实验图解 2020 4 20 2020 4 20 亚线粒体小泡的分离与重组 213 ATP合酶 ATPsynthase F型质子泵 分为球形的F1 头部 和嵌入膜中的F0 基部 F1 3 3 复合体 具有3个ATP合成的催化位点 每个 亚基1个 F0 ab2c12复合体 嵌入内膜 12个c亚基组成一个环形结构 具有质子通道 ATPsynthase 转子 和 结合 调节三个亚基催化位点的开放和关闭定子 a b2和 组成 连接 3 3与F0 1979年Boyer提出构象耦联假说 1 ATP酶利用质子动力势 催化ATP合成 2 F1有3个催化位点 催化位点有3种构象 3 质子通过F0时 引起c亚基构成的环旋转 带动 亚基旋转 亚