线粒体与细胞的能量转换

1、线粒体与细胞的能量转换,Energy needed in life activity in cell,ATP synthesis,Oxidation of sugar, lipid or protein,ATP：能量通货,线粒体,有机物,O2,ATP,H2O,ADP+Pi,直接驱动细胞各种形式生命活动,CO2,自养生物 autotroph 能通过光合作用，将无机物如CO2和H2O转化成可被自身利用的有机物。 异养生物 heterotroph 以自养生物合成的有机物为营养，通过分解代谢而取得能量.,线粒体mitochondrion是细胞进行生物氧化和 能量转换的主要场所。,本章主要内容,第一节：

2、线粒体的生物学特征 第二节：细胞呼吸和能量分子 第三节：细胞的能量转换 第四节：细胞能量转换与医学的关系,1850年R. Altaman首次发现，命名为bioblast。 1898年von Benda提出mitochondrion。 1900年L. Michaelis用Janus Green B 对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用。 至20世纪50年代，在许多学者的努力下，证实三羧酸循环，氧化磷酸化和脂肪酸氧化等重要的能量代谢过程均发生在线粒体中。,线粒体的发现,第一节 线粒体的生物学特征,线粒体的结构 线粒体的化学组成 线粒体基因组 核编码的蛋白质的线粒体转运 线粒体的生物发生,一、线

3、粒体的结构和化学组成,形态：光镜： 线状、粒状、短杆状；有的圆形、哑铃形、星形；还有分枝状、环状等 大小：一般直径：0.51.0m; 长度： 3m。 数目：正常细胞中：10002000个。 分布：通常分布于细胞生理功能旺盛的区域和需要能量较多的部位。 总之：线粒体的形态、大小、数目和分布在不同形态和类型细胞中可朔性较大。,成纤维细胞线条状线粒体,家兔肝脏细胞颗粒状线粒体,蝙蝠肝脏细胞棒状线粒体,线粒体的超微结构,电镜下，线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构。分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。,线粒体的超微结构模式平面图,外膜 outer membrane 最外层所包绕的一层单位膜，厚

4、约5一7nm。光滑平整。 含有多种转运蛋白，形成水相通道跨越脂质双层。 标志酶：单胺氧化酶,内膜和内部空间 内膜inner membrane 平均厚4.5nm 。 内膜将线粒体的内部空间分成内腔（基质腔matrix space）和外腔（膜间腔intermbrane space ）。 内膜有高度的选择通透性。,扁层状线粒体嵴,含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。 线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜。标志酶为细胞色素C氧化酶 内膜的内表面附着由多种蛋白质亚基组成的颗粒称为基粒 elementary particle-ATP合酶复合

5、体ATP symthase complex (F0F1ATP合酶),基粒分为头部、柄部、基片三部分。 基粒头部又称F1因子，具有酶活性，自然状态下能催化ADP磷酸化生成ATP；纯化的F1可催化ATP水解。 柄部： 基片：又称F0因子，质子（ H+ ）的穿膜通道。,F1：5 subunits in the ratio 3：3：1：1：1,F0:1a:2b:12c,基质 内腔充满了电子密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等成分，称之为基质 matrix。 催化三羧酸循环，脂肪酸、丙酮酸、和氨基酸氧化的酶类均位于基质中。 其标志酶为苹果酸脱氢酶 含有独特的双链环状DNA、核糖体，构成了相对独立的遗传信息复制

6、、转录和翻译系统。,二、线粒体基因组,线粒体基因组的序列 (又称剑桥序列)，双链环状DNA ，16569 (bp)。 主要编码线粒体的tRNA、rRNA及一些线粒体蛋白质。 两种rRNA基因、 22种tRNA基因、13种编码蛋白质的基因,线粒体基因组的特点：,mtDNA环形分子 mtDNA是裸露的，不与组蛋白结合 多顺反子polycistron 启动子：HSP、LSP 少非编码序列无内含子，也很少非翻译区。 mtDNA编码的蛋白质在线粒体内的核糖体上合成，tRNA由mtDNA编码 大多数的蛋白质和酶由核基因编码。,三、核编码蛋白质的线粒体转运,核编码蛋白在进入线粒体的过程中，需要分子伴侣蛋白（

7、molecular chaperone）的协助。,分子伴侣(molecular chaperone)：协助蛋白质折叠和组装的一类蛋白质。 分子伴侣帮助新生肽链正确折叠，防止它们进行错误折叠和不可逆聚集。,分子伴侣蛋白协助核编码蛋白进入线粒体的过程,1、前体蛋白在线粒体外去折叠 2、多肽链穿越线粒体膜 3、多肽链在线粒体基质内重新折叠,第二节 细胞呼吸与能量分子,一、细胞呼吸 细胞呼吸（cellular respiration）：在细胞内特定的细胞器 (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。这一过程称为细胞呼吸，也称为生

8、物氧化 （biological oxidation）或细胞氧化（ cellular oxidation）。,细胞呼吸的特点： 细胞呼吸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; 反应在恒温 (37)和恒压条件下进行； 反应过程需要H2O的参与。,二、细胞能量转换分子-ATP,细胞呼吸所产生的能量，储存于ATP中。 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; 当细胞需要能量时，可去磷酸化，断裂一个高能磷酸键以释放能量。,

9、第三节、细胞的能量转换,三个步骤： 糖酵解（glycolysis）细胞基质 由丙酮酸形成乙酰辅酶A （线粒体基质） 三羧酸循环 （tricarboxylic acid cycle）线粒体基质 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）线粒体内膜,一、糖酵解glycolysis,C6H12O6+2NAD+2Pi 2CH3COCOOH+ 2NADH+2H+2ATP,底物水平磷酸化： 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，称为底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation）,2CH3COCOOH

10、+2HSCoA+2NAD+ 2CH3CO-SCoA + 2CO2+ 2NADH+2H+,2CH2COSCoA+6NAD+2FAD+2ADP+2Pi+6H2O 4CO2+6NADH+6H+2FADH2+2HSCoA+2ATP,二、三羧酸循环,三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle, TAC或TCA) 又称柠檬酸循环或Krebs循环。,TAC,葡萄糖,脂肪,丙酮酸,脂肪酸,乙酰辅酶A,草酰乙酸,柠檬酸,2CO2,8H,H+,O2,H2O,H+,H+,H+,ADP+PiATP,e,H+,H+,ATP,O2,三、氧化磷酸化oxidative phosphorylation,通过电

11、子传递链，将H原子氧化，其所含的能量缓慢地释放，并将H+泵入膜间腔，储存了渗透势能，然后ATP酶复合体利用H+渗透势能，将ADP磷酸化，固定了能量。这就是氧化磷酸化。又称氧化磷酸化耦联。,氧化磷酸化oxidative phosphorylation：将生物氧化所释放的能量转移的过程与ADP的磷酸化过程结合起来，从而使生物氧化释放的能量转移到ATP的高能磷酸键中的现象称为氧化磷酸化。 氧化（放能）和磷酸化 （贮能）同时进行并偶联在一起，但由两个不同的结构系统完成。,（一）电子传递链和氧化磷酸化的结构基础,电子传递链或呼吸链（respiratory chain）： 线粒体内由一系列能够可逆的接收和

12、释放H+和e-的化学物质所组成的传递电子的酶体系，它们在内膜上有序的排列成相互关联的链状，称为呼吸链或电子传递链（electron transport respiratory chain）。 由泛醌（CoQ）、细胞色素C及、四个脂类蛋白复合体组成。,能量传递中的辅酶,催化细胞的氧化还原反应中的酶常常利用辅酶作为电子供体或受体，具有这种作用的辅酶是： NAD+ NADH 烟酰胺嘌呤二核苷酸 FADFADH2 黄素腺嘌呤二核苷酸 。,两条呼吸链： 1、泛醌（CoQ） 细胞色素C 2、泛醌（CoQ） 细胞色素C ,图中给出各电子载体近似的氧还电位，并标出了电子对沿呼吸链向分子氧传递形成的自由能，垂直

13、箭头线表示产生的能量足够驱使质子穿过线粒体内膜，其后可为ATP合成提供能量。,Transport of electrons from NADH,Transport of electrons from FADH2,Topic for discussion: 每个葡萄糖分子氧化过程释放的能量足以产生多少个ATP分子?,底物磷酸化4个ATP（其中在糖酵解和TAC中各产生2个ATP）；,一个NADH氧化后，合成3个ATP分子；而一个FADH2氧化后，合成2个ATP分子；,12对H（糖酵解产生2对，乙酰辅酶A的生成产生2对， TAC中产生8对，共12对）中10对NADH和2对FADH2通过氧化磷酸化总共

14、产生34个ATP分子。,（二）氧化磷酸化偶联机制：,化学渗透假说： 英国 Mitchell 1961年提出 氧化磷酸化偶联的基本原理是电子传递中的自由能差造成H+穿膜传递，暂时转变为横跨线粒体内膜的电化学质子梯度，然后，质子顺电化学梯度回流并释放出能量，驱动结合在内膜上的ATP合成酶，催化ADP磷酸化合成ATP,NADH或FADH2提供一对电子，经传递链，最后被O2所接受； 电子传递链同时起质子泵的作用，在电子传递过程中，H+从基质转移到膜间腔； 线粒体内膜具有离子不透过性，能隔绝H+、OH-等， H+ 的逆浓度运转形成质子浓度差，从而保持了一定的势能差 膜间腔中的H+有顺浓度梯度返回基质的倾

15、向，能借助势能通过ATP合酶复合体F0上的质子通道渗透到线粒体基质中，所释放的自由能驱动F0F1ATP合酶合成ATP,Chemiosmotic Theory,ATP合成,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.,线粒体能量转换的四个阶段： 糖酵解 （胞质中 ） 由丙酮酸形成乙酰辅酶A （线粒体基质） 三羧酸循环； （线粒体基质） 电子传递和氧化磷酸化 （线粒体内膜上）,Summary of the aerobic oxidation of

16、pyruvate and fatty acids in mitochondria.,一抗生素的副作用: 氯霉素、四环素、红霉素等，它们之所以作为抗生素起作用，是因为它们可以结合70s的核糖体，并阻断其蛋白质的生物合成；但是，人体细胞线粒体也存有类似于原核细胞的70s核糖体，这正是它们有时会有副作用的原因。例如：链霉素、丁胺卡那霉素可以使听神经永久性损伤（内耳毛细胞内的线粒体受损）。但取决于剂量和个体的遗传异质性。,第四节 细胞的能量转换与医学关系,二呼吸抑制剂: KCN中的CN- 能迅速络合电子呼吸链终端的细胞色素aa3 所含的Cu2+，从而细胞由于缺乏ATP，生命活动无法驱动或维持，导致细胞迅速死亡。 三缺氧损伤: 缺氧使ATP缺乏，可导致很多后果，如乳酸浓度高，PH值降低；各种胞器内环境难以维持甚至破裂（如溶酶体），细胞自溶，损伤不可逆。 例：人体神经系统最易受缺氧性损伤，这有二个主要原因： 神经系统是机体代谢最为旺盛的组织； 神经系统的胞内外特殊的离子环境