線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換

1、ATP是生命活動的直 接供能者。 線粒體通過氧化磷酸 化合成生物體所需能 量 (ATP)的90%以上。,生命活動需要能量,線粒體如何通過氧化磷酸化合成ATP?,線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換 Mitochondria and Energy Conversion,主要內(nèi)容：,線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與酶的定位 線粒體蛋白質(zhì)穿膜進(jìn)入線粒體 線粒體的功能 線粒體的半自主性 線粒體的增殖 線粒體與醫(yī)學(xué),電鏡下觀察：線粒體是由兩層單位膜圍成的封閉的囊狀結(jié)構(gòu)。,外 膜,內(nèi) 膜,膜間腔,（外室）,嵴,嵴間腔,（內(nèi)室 ） 內(nèi)含基質(zhì),第一節(jié) 線粒體的基本特征,目前已確認(rèn)有120余種，是細(xì)胞中含酶最多的細(xì)胞器。這些酶分別位于線粒

2、體的不同部位，在線粒體行使細(xì)胞氧化功能時起重要的作用。 內(nèi)膜標(biāo)志酶細(xì)胞色素氧化酶； 外膜標(biāo)志酶單胺氧化酶； 基質(zhì)標(biāo)志酶蘋果酸脫氫酶； 膜間腔的標(biāo)志酶腺苷酸激酶。,一、線粒體含有眾多參與能量代謝的酶系,蛋白質(zhì)：是線粒體的主要成分，約占65%-70%，多分布于內(nèi)膜和基質(zhì)。,脂類：占線粒體干重的25%-30%，大部分是磷脂。 此外，還含有DNA和完整的遺傳系統(tǒng)，多種輔酶（如CoQ、FMN、FAD和NAD等）、維生素和各類無機(jī)離子。,可溶性蛋白：基質(zhì)中的酶和膜的外周蛋白,不溶性蛋白：構(gòu)成膜的鑲嵌蛋白、結(jié)構(gòu)蛋白 和部分酶蛋白。,二、線粒體的形態(tài)、數(shù)量和分布,1.形態(tài) 光鏡下: 線狀、粒狀、短桿狀等,形態(tài)

3、可逆性 在一定條件下可改變， 低滲時，膨脹呈泡狀； 高滲時，伸長呈線狀。,2.大小,細(xì)胞中較大的細(xì)胞器，與細(xì)胞種類、生理狀況有關(guān)，一般直徑： 0.5-1.0 m；長度： 1.5-3.0 m。,3.數(shù) 目 不同類型細(xì)胞中差異較大。 哺乳動物: 肝細(xì)胞中2000個左右 腎細(xì)胞中300個左右 精子中25個左右,代謝旺盛時，線粒體數(shù)量較多，反之線粒體的數(shù)量則較少。,心肌細(xì)胞,精子尾部,4.分布： 通常分布于細(xì)胞生理功能旺盛區(qū)域和需要能量多的部位。,三、線粒體的結(jié)構(gòu),包圍在線粒體外表面的一層單位膜。厚67nm，平整、光滑。,外 膜,封閉結(jié)構(gòu)使之在細(xì)胞質(zhì)中相對隔絕，保證了線粒體能夠不受干擾地進(jìn)行物質(zhì)氧化分

4、解。,(一) 線粒體外膜,厚約6nm，通透性很低，但有高度的選擇通透性，借助載體蛋白控制內(nèi)外物質(zhì)的交換。,內(nèi) 膜,集中了電子傳遞體 和氧化磷酸化酶系,ATP 合成酶系，是物質(zhì)氧化 分解和ATP合成的場所。,(二) 線粒體內(nèi)膜,嵴,嵴的形態(tài)和排列方式主要有兩種類型： 板層狀（大多數(shù)高等動物細(xì)胞中） 小管狀（原生動物和一些較低等 動物細(xì)胞中）,嵴：內(nèi)膜向內(nèi)室折疊形成，增加了內(nèi)膜的表面積。,板層狀嵴,小管狀嵴,嵴,基 粒,基粒（ATP合酶）： 內(nèi)膜和嵴膜基質(zhì)面上帶柄的小顆粒。與膜面垂直而規(guī)律排列。,基粒,（內(nèi)室）,（外室）,基粒ATP合酶,線粒體主要酶的分布,部 位,外 膜,脂類代謝有關(guān)的酶,特征酶

5、：單胺氧化酶,膜 間 腔,腺苷酸激酶、核苷酸激酶,特征酶：腺苷酸激酶,內(nèi) 膜,呼吸鏈氧化反應(yīng)的酶系、 ATP合成酶系,特征酶：細(xì)胞色素（c）氧化酶,嵴 間 腔,三羧酸循環(huán)反應(yīng)、丙酮酸與脂肪酸氧化 的酶系 、蛋白質(zhì)和核酸合成酶系,特征酶：蘋果酸脫氫酶,(三)蛋白質(zhì)穿膜進(jìn)入線粒體的通道,線粒體膜上的轉(zhuǎn)位接觸點,膜間隙變窄,嵴內(nèi)腔,基粒（ATP酶）,（四）基質(zhì)(內(nèi)室),內(nèi)膜和嵴圍成的腔。,線粒體 DNA,線粒體DNA,線粒體 mRNA,線粒體tRNA,線粒體核糖體,線粒體核糖體,基質(zhì)顆粒,基質(zhì)顆粒,三羧酸循環(huán)的場所；線粒體內(nèi)DNA、蛋白質(zhì)合成的場所。,四、線粒體的遺傳體系,(一)線粒體DNA,特點：

6、通常是裸露的，不與組蛋白結(jié)合。 存在部位：線粒體的基質(zhì)內(nèi)或依附于線粒體內(nèi)膜。 數(shù)量：一個線粒體內(nèi)往往有1至數(shù)個mtDNA分子， 平均為5-10個。 編碼產(chǎn)物：線粒體的tRNA、rRNA及一些線粒體 蛋白質(zhì)。,為一條雙鏈環(huán)狀的DNA分子，雙鏈中一為重鏈（H），一為輕鏈（L），重鏈和輕鏈上的編碼產(chǎn)物各不相同。與核基因組相比，線粒體基因組有很少非編碼的序列。 人類線粒體基因組共編碼37個基因。,(二)線粒體基因組結(jié)構(gòu),(三)線粒體基因的轉(zhuǎn)錄,1.轉(zhuǎn)錄 啟動子：線粒體基因組的轉(zhuǎn)錄是從兩個主要的啟動子處開始的，分別為重鏈啟動子（HSP）和輕鏈啟動子（LSP)。轉(zhuǎn)錄因子與其結(jié)合，在mtRNA聚合酶的作用下

7、啟動轉(zhuǎn)錄。 轉(zhuǎn)錄過程：線粒體基因的轉(zhuǎn)錄類似原核生物的轉(zhuǎn)錄，即產(chǎn)生一個多順反子，包括mRNA和tRNA。,重鏈形成兩個初級轉(zhuǎn)錄物： 初級轉(zhuǎn)錄物tRNAphe、tRNAval、12SrRNA和16S rRNA 初級轉(zhuǎn)錄物mRNA和tRNA,2.mRNA合成 不含內(nèi)含子，也很少有非翻譯區(qū)。 起始密碼為AUG（或AUA），終止密碼為UAA。 3端有多聚A的尾部，5端沒有細(xì)胞核mRNA加工時的帽結(jié)構(gòu) 。,3.蛋白質(zhì)翻譯 在線粒體內(nèi)并在線粒體的核糖體上進(jìn)行翻譯。 構(gòu)成線粒體核糖體的蛋白質(zhì)由細(xì)胞質(zhì)運入線粒體內(nèi)。 用于蛋白質(zhì)合成的所有tRNA都是由mtDNA編碼。,線粒體的遺傳密碼與核基因不完全相同,線粒體蛋

8、白質(zhì)合成系統(tǒng),MtDNA,RNA前體,切割加工,13種mt-mRNA 22種mt-tRNA 2種mt-rRNA(12S,16S),轉(zhuǎn)錄,1. 線粒體RNA,2.特點： （與胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成相比）,1) 各種RNA是線粒體所獨有的 RNA聚合酶的抑制劑 線粒體：菲啶溴紅（E.B.） 類似原 核細(xì)胞 真核細(xì)胞：放線菌素D、a鵝膏覃堿,2 ）核糖體對藥物的敏感性不一樣 線粒體： 氯霉素、紅霉素 真核細(xì)胞胞質(zhì)：放線菌酮,(3) 遺傳密碼與通用密碼有差異,（2） 起始tRNA不同 線粒體：N甲酰甲硫氨酰tRNA 真核細(xì)胞胞質(zhì)：甲硫氨酰tRNA,3 ) 蛋白質(zhì)合成過程不同 （1） 轉(zhuǎn)錄、翻譯在同一時間和地

9、點進(jìn)行,密碼子,線粒體密碼,通用遺傳密碼,UGA,AUA,AGG,色氨酸,蛋氨酸,終止子,終止子,異亮氨酸,精氨酸,通用遺傳密碼與線粒體遺傳密碼的差別,線 粒 體 遺 傳 系 統(tǒng) 與 核 遺 傳 系 統(tǒng) 的 相 互關(guān)系,(三)線粒體DNA的復(fù)制,類似于原核細(xì)胞的DNA復(fù)制。 一個重鏈復(fù)制起始點：控制重鏈自我復(fù)制 一個輕鏈復(fù)制起始點：控制輕鏈自我復(fù)制,復(fù)制特點： 輕鏈的復(fù)制要晚于重鏈； 重鏈的合成方向是順時針的；輕鏈的合成方向是逆時針的； 復(fù)制不受細(xì)胞周期的影響，可以越過細(xì)胞周期的靜止期或間期，甚至可分布在整個細(xì)胞周期。 復(fù)制時間：整個復(fù)制過程約持續(xù)2個小時。,五、線粒體靶序列引導(dǎo)核編碼蛋白向線

10、粒體運輸,（一）需要分子伴侶的協(xié)助,運送之前，蛋白質(zhì)大多以前體形式存在。,線粒體中的蛋白質(zhì)絕大多數(shù)由核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)中的游離核糖體合成，稱前體蛋白，將定向轉(zhuǎn)運至線粒體?；|(zhì)導(dǎo)入序列（matrix-targeting sequence，MTS）,基質(zhì)導(dǎo)入序列（導(dǎo)肽）N末端引伸出的一段含線粒體靶序列的肽鏈。,折疊 解折疊 重新折疊,分子伴侶,分子伴侶, 前體蛋白與受體結(jié)合。 mthsp70可與進(jìn)入線粒體腔的前導(dǎo)肽鏈交聯(lián)，防止了前導(dǎo)肽鏈退回細(xì)胞質(zhì)。,分子伴侶：保持前體蛋白在線粒體外的非折疊狀態(tài) NAC：與少數(shù)前體蛋白相互作用，增加蛋白轉(zhuǎn)運的準(zhǔn)確性。 hsc70：和絕大多數(shù)的前體蛋白結(jié)合，使前體蛋

11、白打開折疊， 防止已松弛的前體蛋白聚集。,（二）前體蛋白在線粒體外保持非折疊,線粒體內(nèi)外膜之間存在接觸點，蛋白質(zhì)通過此處的TOM和TIM復(fù)合體，進(jìn)一步進(jìn)入基質(zhì)。,線粒體蛋白穿膜轉(zhuǎn)運的布朗棘輪模型示意圖,（三）分子伴侶運動產(chǎn)生的動力協(xié)助多肽穿越線粒體膜,（四）多肽鏈需在線粒體基質(zhì)內(nèi)重新折疊才能形成有活性的蛋白質(zhì),基質(zhì)作用蛋白酶MPP：定位于線粒體內(nèi)膜上，切除大多數(shù)蛋白的基質(zhì)導(dǎo)入序列。,mtHsp70、Hsc60、Hsp1等協(xié)助折疊,導(dǎo)肽與線粒體外膜上的受體結(jié)合,內(nèi)、外膜之間的接觸點,插入到內(nèi)膜,進(jìn)入線粒體基質(zhì)后，蛋白質(zhì)重新折疊，形成成熟的蛋白質(zhì)；導(dǎo)肽被水解,(五)核編碼蛋白向線粒體其他部位的轉(zhuǎn)運

12、,1.蛋白質(zhì)向線粒體膜間腔的轉(zhuǎn)運, 信號序列,基質(zhì)導(dǎo)入序列MTS：引導(dǎo)前體蛋白進(jìn)入基質(zhì)。 膜間腔導(dǎo)入序列ISTS：引導(dǎo)前體蛋白進(jìn)入膜間腔。, 轉(zhuǎn)運方式,整個蛋白進(jìn)入基質(zhì)，第2個信號序列ISTS引導(dǎo)多肽鏈通過內(nèi)膜上的通道進(jìn)入膜間腔。 第2個信號序列ISTS起轉(zhuǎn)移終止序列的作用，阻止前體蛋白向基質(zhì)轉(zhuǎn)運，并固定于內(nèi)膜上，切去位于內(nèi)膜上的ISTS部分后，進(jìn)入膜間腔。 通過直接擴(kuò)散從胞漿通過外膜而進(jìn)入膜間腔。,2.蛋白質(zhì)向線粒體外膜和內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運,在外膜蛋白的轉(zhuǎn)運中，類孔蛋白P70的研究最多。 在P70的MTS后有一段長的疏水序列，起著轉(zhuǎn)移終止序列的作用，而使之固定于外膜上。 內(nèi)膜上的蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運機(jī)制尚不

13、完全清楚。,六、線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞死亡,目前普遍接受的線粒體起源假說為內(nèi)共生學(xué)說，該學(xué)說認(rèn)為線粒體可能起源于與古老厭氧真核細(xì)胞共生的早期細(xì)菌。,七、線粒體的起源與發(fā)生,線粒體是通過分裂方式實現(xiàn)增殖的,目前普遍接受的觀點認(rèn)為：線粒體的生物發(fā)生是通 過原有線粒體分裂完成的。 線粒體的生物發(fā)生過程： 第一階段線粒體進(jìn)行分裂增殖； 第二階段線粒體本身的分化過程，建成能夠行使氧化磷酸化功能的機(jī)構(gòu)。,線粒體分裂 狗心肌細(xì)胞線粒體 新生鼠肝細(xì)胞線粒體,2,1,3,線粒體的增殖,間壁分離:,收縮分離:,出芽分裂:,線粒體的內(nèi)膜向中心內(nèi)褶形成間壁，或某一個嵴的延伸。當(dāng)延伸到對側(cè)內(nèi)膜時，線粒體一分為二。,線粒體中央

14、部分收縮并向兩端拉長，中央形成很細(xì)的頸，整個線粒體成啞鈴形，最后斷裂成兩個新線粒體。,先從線粒體上長出小芽，然后小芽與母線粒體分離，經(jīng)過不斷長大，形成新的線粒體。,間壁分離,收縮分離,出芽分離,線粒體三種分裂方式：,出芽分裂 收縮分裂 間壁分裂,線粒體的分裂都不是絕對均等的。在同一線粒體中，可能存在有不同類型的mtDNA，隨機(jī)地分配到新的線粒體中。 另一方面線粒體分裂還受到細(xì)胞分裂的影響。,生命活動中的大部分能量來自于線粒體細(xì)胞動力工廠,第二節(jié) 細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換,慢跑，細(xì)胞消耗氧氣來分解葡萄糖并獲得能量，同時產(chǎn)生二氧化碳和水。 快跑，細(xì)胞將葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳。,在特定細(xì)胞器（主要是線

15、粒體）內(nèi)，在O2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中的過程，稱為細(xì)胞呼吸（cellular respiration），也稱生物氧化（biological oxidation）或細(xì)胞氧化（cellular oxidation）。,細(xì)胞呼吸的概念,細(xì)胞呼吸的特點 本質(zhì)上是在線粒體中進(jìn)行的一系列由酶系所催化的氧化還原反應(yīng)； 所產(chǎn)生的能量儲存于ATP的高能磷酸鍵中； 整個反應(yīng)過程是分步進(jìn)行的，能量也是逐步釋放的； 反應(yīng)是在恒溫(37)和恒壓條件下進(jìn)行的； 反應(yīng)過程中需要H2O的參與。,ATP是一種高能磷酸化合物 細(xì)胞呼吸時，釋放的能量可通過ADP的磷

16、酸化而及時儲存于ATP的高能磷酸鍵中作為備用； 當(dāng)細(xì)胞進(jìn)行各種活動需要能量時，又可去磷酸化，斷裂一個高能磷酸鍵以釋放能量來滿足機(jī)體需要。,ATP的放能、儲能反應(yīng)簡式,細(xì)胞呼吸所產(chǎn)生的能量儲存于細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換分子ATP中,第三節(jié) 細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換,ATP中所攜帶的能量來源于糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化，這些物質(zhì)的氧化是能量轉(zhuǎn)換的前提。 從糖酵解到ATP的形成是一個極其復(fù)雜的過程，分為三個步驟： 糖酵解（glycolysis） 三羧酸循環(huán)（TAC） 氧化磷酸化 （oxidative phosphorylation）,酵 解： 在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)進(jìn)行，反應(yīng)過程中不需要氧無氧酵解。,2丙酮酸 + 2H+ + 2AT

17、P+2NADH （C3H4O3) +2H2O,葡萄糖 +2Pi+2ADP+2NAD+ （C6H12O6）,特點： （1）不需氧，細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行 （2）凈生成2個ATP，能量儲藏在丙酮酸中。,一、葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行糖酵解,1.葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)糖酵解途徑分解成丙酮酸,底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation）：由高能底物水解放能，直接將高能磷酸鍵從底物轉(zhuǎn)移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP的作用。,NADH+H+通過穿梭機(jī)制進(jìn)入線粒體 糖酵解過程產(chǎn)生的還原當(dāng)量（NADH+H+）本身不能透過線粒體內(nèi)膜，必須借助線粒體內(nèi)膜上特異性穿梭系統(tǒng)進(jìn)入線粒體。,蘋果

18、酸天冬氨酸穿梭,-酮戊二酸穿梭,乙酰輔酶A生成,特點： （1） 線粒體基質(zhì)中進(jìn)行 （2） 3C的丙酮酸變成活潑的2C乙酰輔酶A （3） 無ATP形成,在線粒體基質(zhì)中丙酮酸脫氫酶體系作用下，丙酮酸進(jìn)一步分解為乙酰CoA，NAD+作為受氫體被還原，具體反應(yīng)式： 2CH3COCOOH + 2HSCoA + 2NAD+ 2CH3CO-ScoA + 2CO2 + 2NADH + 2H+,葡萄糖,丙酮酸,NAD,NADH2,CO2,乙 酸,CoA,乙酰CoA,草酰乙酸,三羧酸循環(huán)（檸檬酸循環(huán)）,檸檬酸,順烏頭酸,異檸檬酸,NAD,NADH2,CO2,-酮戊二酸,NAD,NADH2,CO2,琥珀酸,FAD,

19、FADH2,延胡索酸,蘋果酸,NAD,NADH2,1,2,3,1,注： NAD（輔酶I）:尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 FAD（黃酶）: 黃素腺嘌呤二核苷酸,在線粒體基質(zhì)中，乙酰CoA與草酰乙酸結(jié)合成檸檬酸而進(jìn)入三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle， TAC），經(jīng)過一系列的代謝反應(yīng)，乙?；谎趸纸猓蒗Ｒ宜嵩偕?。,三羧酸循環(huán)是三大營養(yǎng)素的最終代謝通路。糖、脂肪、氨基酸在體內(nèi)進(jìn)行生物氧化都將產(chǎn)生乙酰CoA，然后進(jìn)入三羧酸循環(huán)進(jìn)入降解。,二、三羧酸循環(huán),三羧酸循環(huán),乙酰輔酶A+草酰乙酸 （2C） （4C）,檸檬酸（6C）,3對以NAD為氫受體 四對氫原子 （NAD+ NADH）

20、 1對以FAD為氫受體 （FAD FDAH2） 2個CO2,特點： （1） 反應(yīng)在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行 （2） 7次連續(xù)反應(yīng)為一次循環(huán) （3） 生成一分子GTP,7個連續(xù)反應(yīng),(一)呼吸鏈和ATP合酶復(fù)合體是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),1.呼吸鏈,代謝物脫下的成對氫原子通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最后與氧結(jié)合生成水，此傳遞過程稱為呼吸鏈。參加呼吸鏈的酶及輔酶按一定順序在線粒體內(nèi)膜上排列，進(jìn)行氫和電子的傳遞，故又稱為電子傳遞鏈。,三、氧化磷酸化耦聯(lián)是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵,呼吸鏈傳遞氫和電子的功能由四種酶復(fù)合體完成,呼吸鏈蛋白質(zhì)組成,每個復(fù)合體都由多條多肽鏈（大部分由核基因組編碼，少部分由線粒體基因

21、組編碼）組成,線粒體內(nèi)膜（包括嵴）的內(nèi)表面附著的圓球形基粒。 將呼吸鏈電子傳遞過程中釋放的能量用于使ADP磷酸化生成ATP的關(guān)鍵裝置。 化學(xué)本質(zhì)是ATP合酶復(fù)合體，也稱F0F1ATP合酶。,2.ATP合酶復(fù)合體,磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)：ATP合酶,1979年Boyer提出結(jié)合變構(gòu)模型。其要點: ATP合酶利用質(zhì)子動力勢，催化ATP合成。 ATP合酶的頭部有3個催化位點(亞基)，催化位點有3種構(gòu)象。 質(zhì)子通過a亞基時，引起c亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，帶動亞基旋轉(zhuǎn)，亞基端部高度不對稱，引起亞基3個催化位點構(gòu)象的周期性變化（L、T、O），將ADP和Pi加合在一起，形成ATP。 1994年Walker通過牛心線粒體晶體結(jié)構(gòu)證明了該模型。,電子傳遞過程中釋放出的能量被F0F1ATP合酶用來催化ADP磷酸化而合成ATP，ATP生成部位即是氧化磷酸化偶聯(lián)部位。,(二)氧化磷酸化耦聯(lián),Mitchell(1961，英國)提出，該學(xué)說認(rèn)為： 電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵至膜間隙，形成質(zhì)子動力勢。 以這種勢能作為動力，驅(qū)動磷酸化反應(yīng)，合成ATP。,（三）化學(xué)滲透偶聯(lián)假說,ATP形成的偶聯(lián)部位呼吸鏈上有3個主要的放能部位,NAD,黃酶（FMN）,輔酶Q,細(xì)胞色素 b,c1,c,a,a3,O2,ADP+Pi,ATP,ADP+Pi,ATP,ADP+Pi,ATP,FADH2,ATP,