003 细胞质和细胞器 2

第十三章线粒体mitochondrion1890年，Altamann(德)首次发现，命名为bioblast;1897年，vonBenda根据它的形态学特征命名为mitochondrion，沿用至今；1900年，Michaelis发现线粒体具有氧化作用；1948年，Green，1949年，Kennedy和Lehninger分别发现三羧酸循环和脂肪酸氧化是在线粒体内完成的；1961～1980年，Mitchell提出了氧化磷酸化的化学偶联假说；1963年，Nass首次发现线粒体DNA；第十三章线粒体mitochondrion第一节线粒体的结构一、线粒体的形态、大小、数量及分布光镜下线粒体的形态anTEMimageofmitochondrion二、线粒体的亚微结构线粒体的亚微结构(fromDeWitt,1977)线粒体立体结构模式图第十三章线粒体mitochondrion第二节线粒体的化学组成及酶定位一、线粒体的化学组成CoQ、FMN、FAD、NAD其他DNA、RNA、核糖体水、无机盐无机物蛋白质︰脂质=4︰1内膜蛋白质︰脂质=1︰1外膜蛋白质︰脂质外膜︰内膜=3︰1磷脂比值心磷脂;胆固醇(1/6);内膜卵磷脂;脑磷脂;磷脂酰肌醇;胆固醇(5/6);外膜脂质(25%～30%)酶(部分);镶嵌蛋白;不溶性酶(基质);外周蛋白;可溶性蛋白质(65%～70%)Flavinmononucleotide&FlavinadeninedinucleotideFMNFADNAD(nicotinamideadeninedinucleotide),＆NADPNAD+:R=HNADP+:R=-PO3H2细胞色素a(a3、b、c、c1):含血红素铁，通过Fe3+/Fe2+变化传递电子，其中a、a3含有铜原子。铁硫蛋白：分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe3+/Fe2+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。辅酶Q：脂溶性小分子醌类化合物，有3种形式，即：氧化型醌Q，还原型氢醌QH2和自由基半醌QH。FMNH2FMN二、线粒体中酶的定位分布部位酶　的　名　称部位酶的名称外膜单胺氧化酶NADH-细胞色素c还原酶（对鱼藤酮不敏感）犬尿酸羟化酶酰基辅酶A合成酶膜间隙腺苷酸激酶二磷酸激酶核苷酸激酶内膜细胞色素b，c，c1，a，a3氧化酶ATP合成酶系琥珀酸脱氢酶β-羟丁酸和β-羟丙酸脱氢酶肉毒碱酰基转移酶丙酮酸氧化酶NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感）基质柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶脂肪酸氧化酶系、天冬氨酸转氨酶、蛋白质和核酸合成酶系、丙酮酸脱氢酶复合物线粒体主要酶的分布第十三章线粒体mitochondrion第三节线粒体的功能糖、脂肪、蛋白质细胞质膜糖酵解缺氧发酵乳酸胞质溶胶丙酮酸氧存在丙酮酸乙酰CoA电子传递链TCA循环NADHNAD+NAD+NADHNAD+ATPATPATP二氧化碳和水无氧呼吸和有氧氧化示意图一、细胞氧化及其基本过程线粒体中主要代谢反应简略图CitricAcid/TCA/KrebsCycleAcctyl-CoA柠檬酸异柠檬酸α-酮戊二酸琥珀酸琥珀酰CoA草酰乙酸延胡索酸苹果酸•HansAdolfKrebs•Born：25August1900,Hildesheim,Germany•Died:22November1981,Oxford,UnitedKingdom•Affiliationatthetimeoftheaward:SheffieldUniversity,Sheffield,UnitedKingdomTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1953tohim:“forhisdiscoveryofthecitricacidcycle”二、呼吸链ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-ElectronTransportChain二、呼吸链(一).复合物I—NADH-CoQ还原酶复合物I—NADH-CoQ还原酶：组成：42条肽链，分子质量：850kDa；呈L型；二聚体(单体：一个FMN，6个以上Fe-S)；作用：催化NADH的2个电子至CoQ，同时由M(matrix)侧转移4个质子至C(cytosol)侧；电子传递：NADHFMNFe-SCoQNADH+CoQ+4H+MNAD++CoQH2+4H+CNAD(nicotinamideadeninedinucleotide),＆NADPNAD+:R=HNADP+:R=-PO3H2二、呼吸链(二).复合物Ⅱ—琥珀酸-CoQ还原酶复合物Ⅱ—琥珀酸-CoQ还原酶：组成：由4条不同肽链构成的跨膜蛋白质，分子质量：140kDa；单体：一个FAD，2个Fe-S;1个cytb；作用：催化琥珀酸的低能电子至CoQ，不转移质子；电子传递：琥珀酸FADFe-SCoQ琥珀酸+CoQ延胡索酸+CoQH2二、呼吸链(三).复合物Ⅲ—CoQ-细胞色素c还原酶复合物Ⅲ—CoQ-细胞色素c还原酶：组成：11条肽链，分子质量：250kDa；二聚体(单体：cytb566，cytb562，cytc1，Fe-S)；作用：催化电子从CoQ传给细胞色素c，每转移1对电子转移4个H＋至C侧；2还原态cytc1+CoQH2+4H+M2氧化态cytc1+CoQ+4H+Cubiquinone(氧化型醌Q)ubiquinol(还原型氢醌QH2)自由基半醌QHe2H+2e2H+e电子通过复合物Ⅲ途径的Q循环Qcycle二、呼吸链(四).复合物Ⅳ—细胞色素c氧化酶复合物Ⅳ—细胞色素c氧化酶：组成：13条肽链，分子质量：160kDa；二聚体(单体：cyta，cyta3，2Cu)；作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在M侧消耗2个质子，同时转移2个质子至C侧；cytcCuAhemaaa3CuBO22还原态cytc+4H+M+½O22氧化态cytc+2H+C+H2Omolecularbasisofoxidation:electrontransportchain三、电子传递偶联的氧化磷酸化电子载体的种类：黄素蛋白(FMN或FAD)；细胞色素；泛醌(UQ)或辅酶Q(CoQ);铁硫蛋白;铜原子;NADH可以产生3分子ATP；FAD则可以产生2分子ATP。ADP+PiATP呼吸链的组分、排列及氧化磷酸化的耦联部位FMN-Fe-SICytb-Fe-S-Cyc1ⅢCytaa3IVNADHCoQCytc2H+H2O1/2O2ADP+PiATPADP+PiATPFAD-Fe-SⅡ琥珀酸E'0=-0.32VE'0=+0.82V氧化还原电位值低高电子载体排列顺序FAD—Fe-SIICytb-Fe-S-Cytc1IIICytaa3IV琥珀酸O2/H2OFMN—Fe-SICoQCytcNADH电子传递链中几种电子载体的氧化还原电位及其形成的自由能；红色箭头示质子跨膜为形成ATP的部位。生物氧化产生ATP的统计:动物细胞80%的ATP来源于线粒体；一个葡萄糖分子经过细胞呼吸全过程产生多少ATP？C6H12O6+6O26H2O+6CO238ADP+38Pi36(38)ATP糖酵解：底物水平磷酸化产生4ATP(细胞质)己糖分子活化消耗2ATP(细胞质)；产生2NADH，经电子传递产生4或6ATP；(线粒体)净积累：6或8ATP丙酮酸氧化脱羧：产生2NADH(线粒体)，生成：6ATP三羧酸循环：底物水平的磷酸化产生(线粒体)：2ATP产生6NADH2(线粒体)，生成：18ATP产生2FADH2(线粒体)，生成：4ATP总计生成：36或38ATP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NADH2，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8个NADH2和2个FADH2，8个NADH2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。关于物质出入线粒体的穿梭机制:苹果酸穿梭系统：通过苹果酸-天门冬氨酸穿梭(malate-aspartateshuttle)进入线粒体，然后将线粒体中NAD+还原成DADH2；磷酸甘油穿梭系统：通过甘油-磷酸穿梭(glycerol-phosphateshuttle)，将电子传递给线粒体的FAD，使其还原形成FADH2；苹果酸草酰乙酸苹果酸天门冬氨酸谷氨酸天门冬氨酸谷氨酸苹果酸脱氢酶-酮戊二酸-酮戊二酸草酰乙酸天门冬氨酸转氨酶天门冬氨酸转氨酶苹果酸脱氢酶苹果酸--酮戊二酸载体谷氨酸-天门冬氨酸载体膜间腔基质苹果酸-天门冬氨酸穿梭antiportantiport磷酸甘油穿梭细胞质甘油-3-磷酸脱氢酶线粒体甘油-3-磷酸脱氢酶胞质溶胶基质甘油-3-磷酸二羟丙酮磷酸甘油-3-磷酸二羟丙酮磷酸膜间隙四、氧化磷酸化的偶联机制(一).化学渗透假说的主要论点1961年，Michell(英)化学渗透假说(chemi-osmoticcouplinghypothesis)，他认为：H+不能自由通过线粒体的内膜；电子沿呼吸链传递时，形成跨内膜的电化学质子梯度(electrochemicalprotongradient)，所释放的能量将质子从内膜基质侧(M侧)泵至膜间隙(C侧)，形成质子动力势；在质子梯度的驱动下，H+穿过内膜上的ATP合成酶流回至基质，其能量促使ATP合成酶催化合成ATP，完成氧化磷酸化过程，实现能量的转换;ⅢⅠⅡⅣF0F1CytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸H+1/2O2+2H+H2OADP+PiATPH+H+H+胞液侧基质侧++++++++++---------化学渗透假说详细示意图ATP合酶丙酮酸膜间腔在电子传递过程中,伴随着质子从线粒体内膜的里层向外层转移,形成跨膜的氢离子梯度，这种势能驱动了氧化磷酸化反应(提供了动力),合成了ATP。NADHO2:3ATP/2e;FADH2O2:2ATP/2e;•PeterD.Mitchell•Born:29September1920,Mitcham,UnitedKingdom•Died:10April1992,Bodmin,UnitedKingdom•Affiliationatthetimeoftheaward:GlynnResearchLaboratories,Bodmin,UnitedKingdomTheNobelPrizeinchemistry1978tohim：“forhiscontributiontotheunderstandingofbiologicalenergytransferthroughtheformulationofthechemiosmotictheory”四、氧化磷酸化的偶联机制(二).化学渗透假说的特点See：P112质子转移与质子动力势的形成：H+的跨内膜转移，在内膜两侧形成质子浓度差(ΔpH);H+的跨内膜转移，在内膜两侧形成电位差(ΔΨ);ΔΨ和ΔpH合称为电化学梯度(electro-chemicalgradient)，以质子动力势(protonmotiveforce,Δp)来表示。三者关系如下：ΔΨΔpHΔp=-2.3RTF—△pH=pH梯度，△Ψ=电位梯度，T=绝对温度，R=气体常数，F为法拉第(Faraday)常数，当温度为25℃时△P的值为220mV左右。电子传递链外膜内膜ATP合酶基质质子转移质子动力势(protonmotiveforce)膜间隙基质间隙线粒体内膜膜电位H+浓度梯度线粒体内膜膜间隙基质间隙五、线粒体质子泵ATP合成酶(一).线粒体ATP合成酶的形态结构ATP偶联因子1(couplingfactor,F1)的负染电镜照片电镜照片立体结构模型纵剖面及横剖面ATP合成酶形态结构示意图五、线粒