线粒体2作用机理.ppt

1、细胞呼吸,1、生命活动能量的来源,来自于体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化，生物体内的氧化和外界的燃烧在化学本质上相同，方式不同。,2、什么是生物氧化？,有机分子在机体内氧化分解成CO2和H2O并释放出能量的过程，称为生物氧化（细胞氧化或细胞呼吸）。 生物氧化在形式上虽有加氧、脱氢和失电子的不同形式，但从氧化的基本概念来看，生物氧化与体外的化学氧化，实质相同，即一种物质丢失电子是氧化，得到电子是还原。,主要能源物质,生物体内的能量代谢,细胞呼吸(cell respiration),概念：,糖类、脂肪和蛋白质等有机物在生活细胞内氧化分解为二氧化碳和水或分解为不彻底的氧化产物，并伴随着释放能量的过

2、程。,实质：,生物氧化,特征：,1、温和条件下逐步进行,2、需酶的作用,3、能量逐步释放,4、没有剧烈的发光发热现象,细胞质基质、线粒体（主要）,细胞质基质,需氧、酶等,不需氧、需酶,较 多,较 少,两者第一阶段相同即都将葡萄糖分解成丙酮酸（糖酵解）,都分解有机物、释放能量,有氧呼吸与无氧呼吸的比较,无氧呼吸,概念：,活细胞在无氧或缺氧条件下，通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物不彻底地氧化分解成为乙醇或乳酸等，同时释放较少能量的过程。,酒精发酵：酵母菌,乳酸发酵：乳酸菌,无氧呼吸的生理意义：,增强生物适应短时无氧条件的能力,概念：,活细胞在氧气的参与下，将糖类等有机物彻底氧化分解，产生二氧化碳

3、和水，同时释放出大量的能量的过程。,有氧呼吸,细胞呼吸的主要类型,发生场所： 外界条件： 物质变化： 能量去向：,有氧气进入线粒体,有机物彻底分解成无机物,ATP和热,细胞质、线粒体（主要）,总反应式：,H,2分子丙酮酸,CO2,释放少量能量，形成少量ATP,H2O,有氧呼吸全过程,细胞质基质,丙酮酸、H、释放少量能量，形成少量ATP,线粒体,CO2、H、释放少量能量，形成少量ATP,线粒体,H2O、释放大量能量，形成大量ATP,有氧呼吸三个阶段的比较,细胞质基质,主要是葡萄糖,丙酮酸H,少量,丙酮酸,CO2、H,少量,H、O2,H2O,大量,外膜,内膜,基质,基粒,嵴,线粒体的模式图,酶,形

4、态结构,酶蛋白的分布,外膜,内膜,基质,膜间隙,单胺氧化酶,腺苷酸激酶,细胞色素c氧化酶,苹果酸脱氢酶,提取,2、内膜,位于外膜的内侧包裹线粒体基质的一层单位膜， 厚56nm。 内膜的通透性较低，一般不允许离子和大多数带电的小分子通过。 线粒体内膜通常要向基质折褶形成嵴，从而增加了内膜的表面积。嵴上有ATP合酶，又叫基粒。 内膜的酶类可以粗略地分为三类运输酶类、合成酶类、电子传递和ATP合成酶类。 内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的主要部位。 标志酶为细胞色素C氧化酶,线粒体内膜的主动运输系统,内膜含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

5、似于细菌。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。 糖酵解产生的NADH必须进入电子传递链参与有氧氧化； 线粒体产生的代谢物质如草酰辅酶A和乙酰辅酶A必须运输到细胞质中，它们分别是细胞质中葡萄糖和脂肪酸的前体物质; 线粒体产生的ATP必须进入到胞质溶胶，以便供给细胞反应所需的能量，同时，ATP水解形成的ADP和Pi又要被运入线粒体作为氧化磷酸化的底物。 利用膜间隙形成的H+梯度协同运输。,线粒体中的蛋白质绝大多数都是核基因编码，在细胞质的游离核糖体上合成后运输到线粒体的。,翻译后转运与蛋白质寻靶,共翻译转运与蛋白质分选,线粒体基质蛋白输入线粒体,基

6、粒的发现及功能预测,在二十世纪七十年代初，Humberto-Fernandez Moran 用负染技术检查分离的线粒体时发现:线粒体内膜的基质一侧的表面附着一层球形颗粒，球形颗粒通过柄与内膜相连。几年后，Efraim Racker分离到内膜上的颗粒，称为偶联因子1，简称F1。,牛心脏线粒体（负染电镜） 可见球形颗粒通过小柄附着在线粒体内膜嵴上,Racker发现这种颗粒很像水解ATP的酶，即ATPase，这似乎是一个特别的发现，为什么线粒体内膜需要如此多的水解ATP的酶? 如果按照常规的方式思考所发现颗粒的问题,似难理解线粒体内膜上需要ATP水解酶,如果将ATP的水解看成是ATP合成的相反过程,

7、F1球形颗粒的功能就显而易见了:它含有ATP合成的功能位点,即ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成,到底行使何种功能,视反应条件而定。 在分离状态下具有ATP水解酶的活性，在结合状态下具有ATP合成酶的活性。,ATP合酶合成ATP的机理？ 结合变构模型,三、线粒体的功能,线粒体的主要功能是对糖、脂肪、氨基酸等能源物质的氧化,进行能量的转换。 细胞氧化是指依靠酶的催化,氧将细胞内各种供能物质氧化而释放能量的过程。由于细胞氧化过程中,要消耗O2并放出CO2和H20,所以又称为细胞呼吸 。 在细胞生命活动中,95%的能量来自线粒体,因此人们又将线粒体喻为细胞的动力工厂。,Mitoc

8、hondrial function,糖 蛋白质 脂肪,酵解,乙酰辅酶A生成,三羧酸循环,电子传递和氧化磷酸化,物质氧化所释放的可利用能量都以高能电子的形式由电子载体NAD+和FAD+从底物中移出，并经线粒体内膜上的电子传递链进一步氧化。,呼吸链又称电子传递链（electron transfer chain），指排列在线粒体内膜上，由一系列递氢体和电子传递体按一定顺序排列组成的连续酶促反应体系。,代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。,1、电子传递链（呼吸链）（在内膜有序排列的酶系） 呼吸链上进行电子传递的载体主要有：NAD、黄素蛋白、细胞色

9、素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶Q等。 （1） NAD： 即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide），是体内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链，其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。 （2）黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子，2个质子。呼吸链上具有以FMN为辅基的NADH脱氢酶和以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。,（3） 细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。 （4）三个铜原子：位于线

10、粒体内膜的一个蛋白质上，形成类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu1+的变化传递电子。 （5）铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递。 （6）泛醌Q或辅酶Q(CoQ)：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。也是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。,能量产生过程,2、呼吸链的复合物 利用脱氧胆酸（deoxycholate）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物、和，辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜、细胞色素C位于线粒体内膜的C侧，属于膜的外周蛋白。 （1）复合物 即NADH脱氢酶，哺乳动物的复合

11、物由42条肽链组成，含有一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。作用是催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。电子传递的方向为：NADHFMNFe-SQ。,（2）复合物 即琥珀酸脱氢酶，至少由4条肽链组成，含有一个FAD，2个铁硫蛋白。作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ。 （3）复合物 即细胞色素c还原酶，由至少11条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素

12、c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。 （4）复合物 即细胞色素c氧化酶，以二聚体形式存在。作用是将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。,NADH呼吸链，每传递一对电子释放的自由能 可形成2.5分子ATP。,FADH2呼吸链，每传递一对电子释放的自由能 可形成1.5分子ATP。,线粒体膜上电子传递和氧化磷酸化,电子从一个分子传递给另一个分子,电子传递的过程是一个不断进行氧化和 还原反应的过程,电子传递是定向的，O2对电子具有最大 的亲和力,电子传递过程中有3次大的能量释放,NADH的产能过程,FADH2生能过程,电子

13、传递链,氧化磷酸化作用,与生物氧化作用相伴而发生的电子沿呼吸链传递的氧化作用和释放的自由能转移给ADP，使ADP磷酸化生成高能ATP相偶联的过程，叫氧化磷酸化作用。,场所：线粒体 原料：还原性代谢中间产物（丙酮酸、异柠檬酸、苹果酸、脂酰CoA、琥珀酸 ） 产物：ATP，H2O 途径： NADH氧化呼吸链，琥珀酸氧化呼吸链,氧化磷酸化的全过程用方程式表示如下：,NADH + H+ + 3ADP + 3Pi + O2 NAD+ + 4H2O + 3ATP,ATP合成酶,ATP合成酶催化跨膜质子梯度形成ATP，位于线粒体膜内侧,球状头部F1，催化ATP生成 F0构成质子通道 F0和F1之间的柄部OS

14、CP：寡霉素敏感蛋白,胞液,2、ADP 形成ATP 的部位,部位I：NADH和辅酶Q之间 部位II：辅酶Q和cyt-c之间 部位III： cyt-a 和 O 之间,NADH FADH2 1分子ATP 无 1分子ATP 1分子ATP 1分子ATP 1分子ATP,代谢物脱出的氢，大多数通过呼吸链完成其氧化过程。ATP的形成也主要靠呼吸链的氧化磷酸化作用。,ATP合成,氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）,将生物氧化所释放能量的转移过程与ADP的磷酸化过程结合起来，而将生物氧化释放的能量转移到ATP的高能磷酸键中，又称氧化磷酸化偶联。,氧化磷酸化的抑制剂,呼吸链抑制剂 能

15、与呼吸链中某些部位的电子传递体结合，从而阻断电子传递，如鱼藤酮、粉蝶霉素A、巴比妥；抗霉素A、二巯基丙醇；CO、CN、N3、H2S 氧化磷酸化抑制剂 对电子传递和ADP磷酸化均有抑制作用，如寡霉素 解偶联剂 使氧化与磷酸化（ATP合成）解耦联，不影响电子传递，但ATP不能合成，如2，4二硝基苯酚（DNP）,氧化磷酸化作用与底物水平磷酸化作用的原则区别,底物水平磷酸化作用是指代谢物在分解代谢过程中由于脱氢或脱水等作用使能量在分子内部重新分配，形成高能磷酸化合物，然后将高能磷酸基团转移到ADP形成ATP的过程。,区别：氧化磷酸化作用ATP的生成基于与呼吸链电子传递相偶联的磷酸化作用；而底物水平磷酸化作用则基于酶的催化将高能磷酸基团直接转移生成ATP。,与生物氧化作用相伴而发生的电子沿呼吸链传递的氧化作用和释放的自由能转移给ADP，使ADP磷酸化生成高能ATP相偶联的过程，叫氧化磷酸化作用。,生物氧化