線粒體與細胞的能量轉(zhuǎn)換

1、.,線粒體與細胞的能量轉(zhuǎn)換,.,Energy needed in life activity in cell,ATP synthesis,Oxidation of sugar, lipid or protein,ATP：能量通貨,.,線粒體,有機物,O2,ATP,H2O,ADP+Pi,直接驅(qū)動細胞各種形式生命活動,CO2,.,自養(yǎng)生物 autotroph 能通過光合作用，將無機物如CO2和H2O轉(zhuǎn)化成可被自身利用的有機物。 異養(yǎng)生物 heterotroph 以自養(yǎng)生物合成的有機物為營養(yǎng)，通過分解代謝而取得能量.,線粒體mitochondrion是細胞進行生物氧化和 能量轉(zhuǎn)換的主要場所。,.,本

2、章主要內(nèi)容,第一節(jié)：線粒體的生物學特征 第二節(jié)：細胞呼吸和能量分子 第三節(jié)：細胞的能量轉(zhuǎn)換 第四節(jié)：細胞能量轉(zhuǎn)換與醫(yī)學的關(guān)系,.,1850年R. Altaman首次發(fā)現(xiàn)，命名為bioblast。 1898年von Benda提出mitochondrion。 1900年L. Michaelis用Janus Green B 對線粒體進行染色，發(fā)現(xiàn)線粒體具有氧化作用。 至20世紀50年代，在許多學者的努力下，證實三羧酸循環(huán)，氧化磷酸化和脂肪酸氧化等重要的能量代謝過程均發(fā)生在線粒體中。,線粒體的發(fā)現(xiàn),.,第一節(jié) 線粒體的生物學特征,線粒體的結(jié)構(gòu) 線粒體的化學組成 線粒體基因組 核編碼的蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)

3、運 線粒體的生物發(fā)生,.,一、線粒體的結(jié)構(gòu)和化學組成,形態(tài)：光鏡： 線狀、粒狀、短桿狀；有的圓形、啞鈴形、星形；還有分枝狀、環(huán)狀等 大?。阂话阒睆剑?.51.0m; 長度： 3m。 數(shù)目：正常細胞中：10002000個。 分布：通常分布于細胞生理功能旺盛的區(qū)域和需要能量較多的部位。 總之：線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)目和分布在不同形態(tài)和類型細胞中可朔性較大。,.,成纖維細胞線條狀線粒體,.,家兔肝臟細胞顆粒狀線粒體,.,蝙蝠肝臟細胞棒狀線粒體,.,.,線粒體的超微結(jié)構(gòu),電鏡下，線粒體是由雙層單位膜套疊而成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu)。分為外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四部分。,.,線粒體的超微結(jié)構(gòu)模式平面圖,.,外膜

4、 outer membrane 最外層所包繞的一層單位膜，厚約5一7nm。光滑平整。 含有多種轉(zhuǎn)運蛋白，形成水相通道跨越脂質(zhì)雙層。 標志酶：單胺氧化酶,.,內(nèi)膜和內(nèi)部空間 內(nèi)膜inner membrane 平均厚4.5nm 。 內(nèi)膜將線粒體的內(nèi)部空間分成內(nèi)腔（基質(zhì)腔matrix space）和外腔（膜間腔intermbrane space ）。 內(nèi)膜有高度的選擇通透性。,.,扁層狀線粒體嵴,.,.,含100種以上的多肽，蛋白質(zhì)和脂類的比例高于3:1。心磷脂含量高（達20%）、缺乏膽固醇，類似于細菌。 線粒體氧化磷酸化的電子傳遞鏈位于內(nèi)膜。標志酶為細胞色素C氧化酶 內(nèi)膜的內(nèi)表面附著由多種蛋白質(zhì)亞

5、基組成的顆粒稱為基粒 elementary particle-ATP合酶復合體ATP symthase complex (F0F1ATP合酶),.,基粒分為頭部、柄部、基片三部分。 基粒頭部又稱F1因子，具有酶活性，自然狀態(tài)下能催化ADP磷酸化生成ATP；純化的F1可催化ATP水解。 柄部： 基片：又稱F0因子，質(zhì)子（ H+ ）的穿膜通道。,.,F1：5 subunits in the ratio 3：3：1：1：1,F0:1a:2b:12c,.,基質(zhì) 內(nèi)腔充滿了電子密度較低的可溶性蛋白質(zhì)和脂肪等成分，稱之為基質(zhì) matrix。 催化三羧酸循環(huán)，脂肪酸、丙酮酸、和氨基酸氧化的酶類均位于基質(zhì)中。

6、 其標志酶為蘋果酸脫氫酶 含有獨特的雙鏈環(huán)狀DNA、核糖體，構(gòu)成了相對獨立的遺傳信息復制、轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)。,.,.,二、線粒體基因組,線粒體基因組的序列 (又稱劍橋序列)，雙鏈環(huán)狀DNA ，16569 (bp)。 主要編碼線粒體的tRNA、rRNA及一些線粒體蛋白質(zhì)。 兩種rRNA基因、 22種tRNA基因、13種編碼蛋白質(zhì)的基因,.,線粒體基因組的特點：,mtDNA環(huán)形分子 mtDNA是裸露的，不與組蛋白結(jié)合 多順反子polycistron 啟動子：HSP、LSP 少非編碼序列無內(nèi)含子，也很少非翻譯區(qū)。 mtDNA編碼的蛋白質(zhì)在線粒體內(nèi)的核糖體上合成，tRNA由mtDNA編碼 大多數(shù)的蛋白質(zhì)

7、和酶由核基因編碼。,.,三、核編碼蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運,核編碼蛋白在進入線粒體的過程中，需要分子伴侶蛋白（molecular chaperone）的協(xié)助。,.,分子伴侶(molecular chaperone)：協(xié)助蛋白質(zhì)折疊和組裝的一類蛋白質(zhì)。 分子伴侶幫助新生肽鏈正確折疊，防止它們進行錯誤折疊和不可逆聚集。,.,分子伴侶蛋白協(xié)助核編碼蛋白進入線粒體的過程,1、前體蛋白在線粒體外去折疊 2、多肽鏈穿越線粒體膜 3、多肽鏈在線粒體基質(zhì)內(nèi)重新折疊,.,.,第二節(jié) 細胞呼吸與能量分子,一、細胞呼吸 細胞呼吸（cellular respiration）：在細胞內(nèi)特定的細胞器 (主要是線粒體)內(nèi)，在O2

8、的參與下，分解各種大分子物質(zhì)，產(chǎn)生CO2，與此同時，分解代謝所釋放出的能量儲存于ATP中。這一過程稱為細胞呼吸，也稱為生物氧化 （biological oxidation）或細胞氧化（ cellular oxidation）。,.,.,細胞呼吸的特點： 細胞呼吸本質(zhì)上是在線粒體中進行的一系列由酶系所催化的氧化還原反應; 所產(chǎn)生的能量儲存于ATP的高能磷酸鍵中; 整個反應過程是分步進行的;能量也是逐步釋放的; 反應在恒溫 (37)和恒壓條件下進行； 反應過程需要H2O的參與。,.,二、細胞能量轉(zhuǎn)換分子-ATP,細胞呼吸所產(chǎn)生的能量，儲存于ATP中。 ATP是一種高能磷酸化合物.細胞呼吸時，釋放的

9、能量，可通過ADP的磷酸化而及時儲存于ATP的高能磷酸鍵中作為備用; 當細胞需要能量時，可去磷酸化，斷裂一個高能磷酸鍵以釋放能量。,.,第三節(jié)、細胞的能量轉(zhuǎn)換,三個步驟： 糖酵解（glycolysis）細胞基質(zhì) 由丙酮酸形成乙酰輔酶A （線粒體基質(zhì)） 三羧酸循環(huán) （tricarboxylic acid cycle）線粒體基質(zhì) 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）線粒體內(nèi)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，直接將高能磷酸鍵從底物轉(zhuǎn)

10、移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP的作用，稱為底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation）,.,2CH3COCOOH+2HSCoA+2NAD+ 2CH3CO-SCoA + 2CO2+ 2NADH+2H+,.,2CH2COSCoA+6NAD+2FAD+2ADP+2Pi+6H2O 4CO2+6NADH+6H+2FADH2+2HSCoA+2ATP,二、三羧酸循環(huán),三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle, TAC或TCA) 又稱檸檬酸循環(huán)或Krebs循環(huán)。,.,.,TAC,葡萄糖,脂肪,丙酮酸,脂肪酸,乙酰輔酶A,草酰乙酸,檸檬酸,2CO2

11、,8H,H+,O2,H2O,H+,H+,H+,ADP+PiATP,e,H+,H+,ATP,O2,三、氧化磷酸化oxidative phosphorylation,通過電子傳遞鏈，將H原子氧化，其所含的能量緩慢地釋放，并將H+泵入膜間腔，儲存了滲透勢能，然后ATP酶復合體利用H+滲透勢能，將ADP磷酸化，固定了能量。這就是氧化磷酸化。又稱氧化磷酸化耦聯(lián)。,.,氧化磷酸化oxidative phosphorylation：將生物氧化所釋放的能量轉(zhuǎn)移的過程與ADP的磷酸化過程結(jié)合起來，從而使生物氧化釋放的能量轉(zhuǎn)移到ATP的高能磷酸鍵中的現(xiàn)象稱為氧化磷酸化。 氧化（放能）和磷酸化 （貯能）同時進行并偶

12、聯(lián)在一起，但由兩個不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)完成。,.,（一）電子傳遞鏈和氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),電子傳遞鏈或呼吸鏈（respiratory chain）： 線粒體內(nèi)由一系列能夠可逆的接收和釋放H+和e-的化學物質(zhì)所組成的傳遞電子的酶體系，它們在內(nèi)膜上有序的排列成相互關(guān)聯(lián)的鏈狀，稱為呼吸鏈或電子傳遞鏈（electron transport respiratory chain）。 由泛醌（CoQ）、細胞色素C及、四個脂類蛋白復合體組成。,.,能量傳遞中的輔酶,催化細胞的氧化還原反應中的酶常常利用輔酶作為電子供體或受體，具有這種作用的輔酶是： NAD+ NADH 煙酰胺嘌呤二核苷酸 FAD FADH2 黃素腺嘌

13、呤二核苷酸 。,.,兩條呼吸鏈： 1、泛醌（CoQ） 細胞色素C 2、泛醌（CoQ） 細胞色素C ,.,圖中給出各電子載體近似的氧還電位，并標出了電子對沿呼吸鏈向分子氧傳遞形成的自由能，垂直箭頭線表示產(chǎn)生的能量足夠驅(qū)使質(zhì)子穿過線粒體內(nèi)膜，其后可為ATP合成提供能量。,.,Transport of electrons from NADH,.,Transport of electrons from FADH2,.,.,Topic for discussion: 每個葡萄糖分子氧化過程釋放的能量足以產(chǎn)生多少個ATP分子?,底物磷酸化4個ATP（其中在糖酵解和TAC中各產(chǎn)生2個ATP）；,一個NADH

14、氧化后，合成3個ATP分子；而一個FADH2氧化后，合成2個ATP分子；,12對H（糖酵解產(chǎn)生2對，乙酰輔酶A的生成產(chǎn)生2對， TAC中產(chǎn)生8對，共12對）中10對NADH和2對FADH2通過氧化磷酸化總共產(chǎn)生34個ATP分子。,.,（二）氧化磷酸化偶聯(lián)機制：,化學滲透假說： 英國 Mitchell 1961年提出 氧化磷酸化偶聯(lián)的基本原理是電子傳遞中的自由能差造成H+穿膜傳遞，暫時轉(zhuǎn)變?yōu)闄M跨線粒體內(nèi)膜的電化學質(zhì)子梯度，然后，質(zhì)子順電化學梯度回流并釋放出能量，驅(qū)動結(jié)合在內(nèi)膜上的ATP合成酶，催化ADP磷酸化合成ATP,.,NADH或FADH2提供一對電子，經(jīng)傳遞鏈，最后被O2所接受； 電子傳遞

15、鏈同時起質(zhì)子泵的作用，在電子傳遞過程中，H+從基質(zhì)轉(zhuǎn)移到膜間腔； 線粒體內(nèi)膜具有離子不透過性，能隔絕H+、OH-等， H+ 的逆濃度運轉(zhuǎn)形成質(zhì)子濃度差，從而保持了一定的勢能差 膜間腔中的H+有順濃度梯度返回基質(zhì)的傾向，能借助勢能通過ATP合酶復合體F0上的質(zhì)子通道滲透到線粒體基質(zhì)中，所釋放的自由能驅(qū)動F0F1ATP合酶合成ATP,.,.,Chemiosmotic Theory,.,ATP合成,.,.,.,氧化磷酸化過程實際上是能量轉(zhuǎn)換過程，即有機分子中儲藏的能量高能電子質(zhì)子動力勢ATP 氧化(電子傳遞、消耗氧, 放能)與磷酸化(ADP+Pi，儲能)同時進行，密切偶連，分別由兩個不同的結(jié)構(gòu)體系執(zhí)

16、行.,.,線粒體能量轉(zhuǎn)換的四個階段： 糖酵解 （胞質(zhì)中 ） 由丙酮酸形成乙酰輔酶A （線粒體基質(zhì)） 三羧酸循環(huán)； （線粒體基質(zhì)） 電子傳遞和氧化磷酸化 （線粒體內(nèi)膜上）,.,.,Summary of the aerobic oxidation of pyruvate and fatty acids in mitochondria.,.,一 抗生素的副作用: 氯霉素、四環(huán)素、紅霉素等，它們之所以作為抗生素起作用，是因為它們可以結(jié)合70s的核糖體，并阻斷其蛋白質(zhì)的生物合成；但是，人體細胞線粒體也存有類似于原核細胞的70s核糖體，這正是它們有時會有副作用的原因。 例如：鏈霉素、丁胺卡那霉素可以使聽神經(jīng)永久性損傷（內(nèi)耳毛細胞內(nèi)的線粒體受損）。但取決于劑量和個體的遺傳異質(zhì)性。,第四節(jié) 細胞的能量轉(zhuǎn)換與醫(yī)學關(guān)系,.,二 呼吸抑制劑: KCN中的CN- 能迅速絡(luò)合電子呼吸鏈終端的細胞色素aa3 所含的Cu2+，從而細胞由于缺乏ATP，生命活動無法驅(qū)動或維持，導致細胞迅速死亡。 三 缺氧損傷: 缺氧使ATP缺乏，可導致很多后果，如乳酸濃度高，PH值降低；各種胞器內(nèi)環(huán)境難以維持甚至破裂（如溶酶體），細胞自溶，損傷不可逆。 例：人體神經(jīng)系統(tǒng)最易受缺氧性損傷，這有二個主要原因： 神經(jīng)系統(tǒng)是機體代謝最為旺盛的組織； 神經(jīng)系統(tǒng)的胞內(nèi)外特殊的離子環(huán)