基础生物学--ATP与生物能源.ppt

1、基础生物学,第三课：ATP与生物能源,基础生物学,3.1 细胞的能量通货ATP 3.2 生物能源细胞呼吸产生能量 3.3 细胞呼吸的化学过程 3.4 ATP形成机理和能量形成的统计 3.5 与线粒体有关的线粒体的疾病 3.6 能量的初始来源光合,本节纲要,3.1 细胞的能量通货ATP,在活细胞中，能量主要贮存在腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)中，它是高能磷酸化合物的代表。,ATP 1分子腺嘌呤 1分子核糖 3个相连的磷酸基团构成的核苷酸。,生物体能量以化学能形式在细胞中储存、消耗和转移。,极不稳定 磷酸键脆弱，易于断裂 ATP水解时，一个高能磷酸键断裂，

2、同时释放出能量 每摩尔ATP 水解形成ADP，可产生-30.5 KJ/mol（7.3 Kcal/mol）的能量。 一个成年人每天摄入的食物分子经过细胞呼吸形成的ATP，可提供大约2200 Kcal的能量。 ATP+H2O ADP+Pi G = -30.5 KJ/mol,ATP作为细胞能量的通货其功能方式,吸能反应和ATP的分解相偶联，放能反应和ATP的合成相偶联 。,转移磷酸基团的“共同中间体” 。,3.1 细胞的能量通货ATP 3.2 生物能源细胞呼吸产生能量 3.3 细胞呼吸的化学过程 3.4 ATP形成机理和能量形成的统计 3.5 能量的初始来源光合 3.6 与线粒体有关的线粒体的疾病,

3、本节纲要,细胞呼吸是生物细胞消耗氧气来分解食物分子并获得能量的过程，是生物体获得能量的主要代谢途径。,3.2 生物能源物质细胞呼吸产生能量,细胞呼吸基本概念,有机化合物+O2CO2+能量 C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量（ATP+热量）,动物细胞呼吸的“燃料”生物能量物质 糖类、脂肪、蛋白质等,ATP和ADP分子的相互转换,生物体能量物质的消耗及能量载体？,有氧:酵母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。,酵母菌发酵与细胞呼吸,发酵是典型的细胞呼吸过程,缺氧:酵母菌将葡萄糖分解成酒精（乙醇）和二氧化碳。,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

4、水； 快跑：细胞将葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳。,人体细胞的呼吸过程,呼吸运动与细胞呼吸,3.1 细胞的能量通货ATP 3.2 生物能源细胞呼吸产生能量 3.3 细胞呼吸的化学过程 3.4 ATP形成机理和能量形成的统计 3.5 与线粒体有关的线粒体的疾病 3.6 能量的初始来源光合,本节纲要,生物氧化(biological oxidation)：细胞呼吸是一种典型的生物氧化反应。,需要氧气； 主要在线粒体中进行，温和条件和酶的参与； 氧化过程产生的能量一般贮存在ATP中。,生物氧化及氧化还原反应,生物氧化的特点：,获得电子还原反应；失去电子氧化反应。,氧化还原反应,生物体内的氧化反应细胞中氢及

5、其电子从一个化合物向另一个化合物转移； 氧化还原反应是呼吸作用和光合作用等代谢中最基本的反应。,被转移的氢原子所携带的能量储藏在新化学键中,XH2 (还原型底物)NAD+X(氧化型底物)NADHH+ XH2 (还原型底物)NADP+X(氧化型底物)NADPHH+ XH2 (还原型底物)FAD+X(氧化型底物)FADH2,还原态的NADH和FADH2等还可将所接受的电子和氢传递给其他传递体如细胞色素、辅酶Q等。,NAD: 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶I NADP：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶II FAD: 黄素腺嘌呤二核苷酸,线粒体的结构与功能定位,线粒体分为外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能

6、区 由内膜和外膜包裹的囊状结构，囊内是液态的基质； 外膜平整，内膜向内折入形成一些嵴，内膜上面有ATP酶复合体；,线粒体的结构,线粒体是细胞呼吸和能量代谢中心，产能车间。,对于有氧呼吸来说，包括三个阶段，即糖酵解、三羧酸循环以及电子传递与ATP的合成。,细胞呼吸的功能定位,糖酵解的酶是在细胞质中，细胞质是糖酵解进行的场所； 三羧酸循环的酶大部分在线粒体基质中，三羧酸循环发生在线粒体的基质中； 线粒体的内膜上含有电子传递链及ATP酶复合体，电子传递过程及ATP的合成发生在线粒体内膜的表面。,细胞呼吸是由一系列化学反应组成的一个连续完整的代谢过程； 细胞呼吸的3个阶段： 即糖酵解、三羧酸循环以及电

7、子传递与ATP的合成。 每一步化学反应都需要特定的酶参与才能完成。,细胞呼吸的化学过程,概述,糖酵解 （glycolysis）,淀粉、葡萄糖或其它六碳糖在无氧条件下分解成丙酮酸的过程，通称为糖酵解。它是一种在不需要氧气供应的条件下，产生ATP 的一种供能方式；,它是动物、植物和微生物细胞中葡萄糖分解的共同代谢途径；,由葡萄糖到丙酮酸的糖酵解过程中，所有的中间产物都是以磷酸化合物的形式来实现的。,三羧酸循环发生在线粒体中，但丙酮酸需先转变成乙酰辅酶A后才进入三羧酸循环 。 三羧酸循环包括8个步骤； 该过程中的关键化合物为柠檬酸；循环的最后产物是草酰乙酸。 分解1分子丙酮酸形成3分子CO2、 4分

8、子NADH和1分子FADH2及1分子ATP。 NADH和FADH2再经过一系列呼吸链的传递释放能量。,Krebs循环,电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能电子从NADH 和FADH2最终传递给分子氧，生成水。 同时随着电子能量水平的逐步下降，高能电子所释放的化学能就通过磷酸化途径贮存到ATP分子中。,电子传递链和氧化磷酸化,氧化磷酸化： （oxidative phosphorylation）。,电子传递链又称呼吸链，主要成分是线粒体内膜上的蛋白复合物，这些复合物包含了一系列的电子传递体。,在磷酸化过程中，相关的酶将底物分子上的磷酸基团直接转移到ADP分子上。,ATP形成机理和能量形成

9、的统计,底物水平的磷酸化,整个糖酵解中ATP的形成都是底物水平的磷酸化反应；Krebs循环也有底物水平的磷酸化。,1961年，英国科学家Mitchell提出化学渗透学说，由此荣获1978年的诺贝尔奖。,与电子传递链相偶联的磷酸化,跨膜的质子梯度（浓度差），导致化学渗透发生； 质子顺梯度从外腔经ATP合成酶而返回到线粒体的基质中； 所释放的能使ADP与磷酸结合生成ATP。,A,ATP合成酶：,糖酵解：底物水平的磷酸化产生4个ATP，己糖活化消耗2个ATP，脱氢反应产生2个NADH，经电子传递链生成4或6个ATP，净产生6或8个ATP； Krebs循环：底物水平的磷酸化产生2个ATP，脱氢反应产生

10、8个NADH和2个FADH2，8个NADH经电子传递链生成24个ATP，2个FADH2经电子传递链生成4个ATP，净产生30个ATP。,1分子葡萄糖彻底氧化分解所形成的能量统计：,生物体内的代谢网络模式简图,合成代谢与分解代谢组成代谢网络,3.1 细胞的能量通货ATP 3.2 生物能源细胞呼吸产生能量 3.3 细胞呼吸的化学过程 3.4 ATP形成机理和能量形成的统计 3.5 与线粒体有关的线粒体的疾病 3.6 能量的初始来源光合,本节纲要,线粒体病(mitochondriopathy)的定义,因遗传缺陷引起线粒体代谢酶的缺陷导致 ATP 合成障碍，能量产生不足而出现的一组多系统疾病，也称为线

11、粒体细胞病 (mitochondrial cytopathy)。 线粒体的主要功能体现在氧化磷酸化系统：产生能量，生成氧自由基，调节程序化细胞死亡（细胞凋亡 apoptosis)。,历史,1962年，线粒体肌病 氧化磷酸化脱偶联 1977年，线粒体脑肌病(encephalomyopathy) 1981年，人类线粒体 DNA (mt DNA) 全长序列测定，并提出本病多为母系遗传。 1988年，Holt首次在线粒体病患者中发现有mt DNA缺失，证实 mtDNA 突变是重要的发病原因。 1989年，King等首次建立了人类无mtDNA 细胞系 (细胞)，可用来研究在不同核背景下，缺陷型线粒体的表

12、现。,MtDNA的结构特点,每一个细胞内均有数量不等的线粒体（红细胞除外）； 每一个线粒体内有 210个拷贝的 mt DNA； 人 mt DNA 由16569 bp 的双链环状 DNA 组成，含1个轻链和1个重链。其中包括 37 个基因：22 个 tRNA基因、2个rRNA 基因(12S和16SrRNA)和13个 mRNA 基因； 除与 mt DNA 复制及转录有关的一小段区域外，无内含子序列，37个基因间隔区共有 87bp； 所有的 13 种蛋白质产物均参与组成呼吸链。,病因和发病机制,mtDNA或/和核DNA 发生基因突变； 线粒体内酶功能缺陷； ATP合成障碍； 不能维持细胞的正常生理功

13、能产生氧化应激； 氧自由基产生增加，诱导细胞凋亡。,线粒体疾病的发病机理,线粒体疾病的遗传方式包括母系遗传及孟德尔遗传； 细胞的 mt DNA 有多重拷贝，线粒体编码基因的表现型依赖于一个细胞内突变型和野生型 mt DNA 的相对比例，当突变型达到一定阈值时，病理特征才能表现出来。,线粒体疾病的发病机理,子代细胞中突变型和野生型 mt DNA 的比例随细胞分裂可能发生变化，改变其基因型和表现型。 线粒体疾病为多系统疾病。 骨骼肌、脑及心肌、 周围神经、肾、肝、内分泌腺体,临床分型,一、线粒体肌病 二、线粒体脑肌病 三、Leber 遗传性视神经病 四、亚急性坏死性脑脊髓病 (Leigh dise

14、ase),线粒体肌病,骨骼肌受侵为主，也可合并周围神经损害，极度不能耐受疲劳，约半数伴肌痛，肌萎缩占少数。 临床表现多样：可类似多发性肌炎，重症肌无力，进行性肌营养不良，周期性瘫痪，心肌病,线粒体脑肌病,KSS (Kearns-Sayre syndrome) 完全型 KSS：眼外肌瘫痪，视网膜色素变性，心脏传导阻滞三联征 不全型 KSS：眼外肌瘫痪或伴有其他一项。 可伴有身材矮小，智能低下，神经性难听，小脑共济失调，CSF 蛋白，EEG异常，多无家族史 发病年龄多在20岁以前,PEO (进行性眼外肌瘫痪)：以慢性进行性眼外肌瘫痪为主,发作性头痛、呕吐、偏瘫、偏盲、偏身感觉障碍，身材矮小，智能减

15、退，神经性难听，可有痉挛发作，CSF多正常，CT:多发脑梗塞，基底节钙化，脑萎缩，脑室扩大,可有家族史，血乳酸增高。,MELAS（线粒体脑肌病伴乳酸血症和卒中样发作）(Mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidemia and stroke-like episodes),线粒体脑肌病,多见于儿童, 有家族史,肌阵挛性癫痫, 智能减退,小脑共济失调，痉挛发作, 可有神经性难听，血乳酸可增高。,线粒体脑肌病,MERRF 肌阵挛性癫痫 (Myoclonus epilepsy with ragged-red-fiber, RRF),线粒体脑肌病的鉴

16、别表,临床表现 KSS MERRF MELAS 眼外肌瘫痪 + 一 一 视网膜色素变性 + 一 一 心脏传导阻滞 + 一 一 CSF 蛋白 100mg/dl + 一 一 肌阵挛 一 + 一 共济失调 + + 一 肌力减弱 + + + 发作性呕吐 一 一 + 皮质盲 一 一 + 偏瘫、偏盲 一 一 + 痉挛 一 + + 痴呆 + + + 身材矮小 + + + 神经性难听 + + + 血乳酸增高 + + + 家族史 一 + + RRF + + + 海绵状变性 + + + mt DNA 缺失 + 一 一 mt DNA 点突变 一 tRNAlys tRNAleu(UUR),Leber 遗传性视神经病

17、(Leber hereditary optic neuropathy, LHON),好发年龄为 1830岁，85%的患者为男性，多数双侧视力同时减退，少数一眼先发病，数周或数月后另眼也发生视力丧失，其后病情相对稳定。中央视力丧失，周边视力保存，全盲者少见，瞳孔对光反射保存，伴色觉障碍。 本病多以视神经受侵为主,较少伴有其他症状和体征。,亚急性坏死性脑脊髓病 (Leigh disease),为先天代谢异常性疾病； 表现为常染色体隐性遗传或母系遗传，男性多于女性； 多数发生于 1 岁以下的婴儿； 临床表现复杂多样，生前诊断常很困难，多在出生后 34 个月发病，首先表现为喂养困难、智能发育停滞、吞咽

18、困难、全身无力、肌张力低下、消瘦、锥体束征、视力、听力减退、眼外肌瘫痪、眼球震颤和共济失调等，少数可有精神运动性癫痫。呼吸功能障碍是另一特征性症状，表现为阵发性中枢性过度呼吸。部分病例有周围神经受损。症状多持续进展，绝大多数患儿死于2 岁之前,线粒体肌病的生化分类,线粒体底物的运输缺陷 丙酮酸 线粒体底物的利用缺陷 丙酮酸酶系缺陷 呼吸链 (resqiratory chain) 缺陷 复合体及电子载体 能量保持和转换异常 能量生成脱偶联,病史特点 心肌酶谱 肌电图 脑电图 头颅 MRI 或 CT 检查：（Leigh 及 MELAS 有特征性改变） 血乳酸、丙酮酸最注运动量试验 （15 WT 运动量）,临床诊断,线粒体呼吸链酶复合体活性测定 肌活检 （冰冻切片，组化染色，光镜检查