第六章-线粒体与细胞的能量转换

李中文Email：[e-mail]电话：[phone]实验教学楼F座318室生物科学系细胞生物学教研室【掌握】ATP的含义、来源、作用；细胞呼吸的含义、过程，每一步骤发生的场所；呼吸链的概念及组成、基粒的结构和功能。【熟悉】底物水平磷酸化与氧化磷酸化的含义及其在细胞地位；氧化磷酸化偶联机理――化学渗透学说。【了解】细胞内主要的供能物质：糖类、脂肪、蛋白质的能量释放过程；糖酵解的过程、三羧酸循环的过程；氧化磷酸化机理研究的最新进展。本章的学习要求2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换3想一想，你每天的活动需要多少能量？你看一小时电视需要多少能量？你睡觉一小时需要多少能量？你看书一小时需要多少能量？2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换4地球上一切能量源于太阳能！2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换5太阳提供了生命生存的能源太阳能（光能）光合作用植物（化学能）动物（化学能）能量转移并储存于动植物的有机物（蛋白质、脂肪、糖类等）中。第六章线粒体与细胞的能量转换第一节线粒体的基本特征第二节细胞呼吸与能量转换第三节细胞的能量转换§1线粒体的基本特征(mitochondrion)线粒体——细胞的“动力工厂”线粒体一、线粒体的形态、数量和结构（一）形态、大小、分布形态：(光镜下）线状、粒状、短杆状大小：细胞内较大的细胞器。一般直径：0.5—1.0um;长度：3um。数目：不同类型的细胞中差异较大。正常细胞中：1000—2000个。分布：因细胞形态和类型的不同而存在差异。通常分布于细胞生理功能旺盛的区域和需要能量较多的部位。线粒体的形态结构线粒体在细胞内的分布线粒体在细胞内的分布：（二）亚显微结构电镜：线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构。1外膜外膜含有多套运输蛋白（通道蛋白），允许分子量为10kDa以内的物质可以自由通过。2内膜外膜内膜通透性很差，但有高度的选择通透性，借助载体蛋白控制内外物质的交换。内膜向内突起形成—嵴嵴嵴与基粒基粒（ATP酶复合体）：基粒（ATP酶复合体）嵴嵴与基粒F1因子F0因子可溶性ATP酶对寡酶素敏感的蛋白(OSCP)疏水蛋白(HP)抑制剂2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换153）膜间腔4）基质基质(基质腔、内室、嵴间腔)膜间腔内膜与外膜之间的空间，也称外室。内含各种酶、DNA和线粒体核糖体,具有一套完整的转录和翻译体系。双链环状DNA2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换17转位接触点:线粒体的内、外膜上存在着一些内膜与外膜相互接触的地方，这些地方，膜间隙狭窄，称为转位接触点（translocationcontactsite）蛋白质等物质进出线粒体的通道。5）内外膜转位接触点二、线粒体的化学组成蛋白质，占65-70%脂类，占25-30%DNA，占5%多种酶和辅酶特点：含酶最多的细胞器内膜为膜蛋白最丰富的膜动物细胞唯一含DNA的细胞器基质标志酶：苹果酸脱氢酶外膜标志酶：单胺氧化酶内膜标志酶：细胞色素氧化酶膜间腔标志酶：腺苷酸激酶线粒体中各部位的标志酶（一）线粒体DNA（mtDNA）三、线粒体的遗传体系1.16569bp(剑桥序列)的裸露、双链闭合环状分子2.编码22种tRNA和2种rRNA，13种呼吸链酶复合体。占线粒体全部蛋白质的10％。3.1～数百个拷贝，突变率高。4.异质性5.母系遗传6.遗传密码与通用密码有差异。2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换21线粒体DNA的电镜照片2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换22mtDNA编码：22种tRNA和2种rRNA，13种呼吸链酶复合体。2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换23（二）线粒体遗传系统与核遗传系统的关系1.线粒体能够独立地复制、转录和翻译：DNA、RNA、核糖体呼吸酶复合体、ATP酶、cytb的亚基2.转录和翻译过程依赖核，受核的指导和控制。90％的蛋白由核基因编码，在细胞质中合成，运输至线粒体中；内膜上的其它蛋白、基质中及外膜的蛋白核糖体蛋白、聚合酶、氨酰tRNA合成酶。2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换24四、核编码蛋白向线粒体的转运（一）少数蛋白质内不存在引导肽（Leaderpeptide）段，通过特定的通道进入线粒体膜间腔。（二）多数蛋白质合成后以前体的形式存在，由引导肽引导线粒体蛋白进入线粒体。（三）需要一组分子伴侣蛋白的协助下才能完成。2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换252020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换262020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换27五、线粒体的生物发生原先存在的线粒体经过生长和分裂而来。1.隔膜分离：由内壁向中心褶皱将线粒体分为2个。2.收缩分离：中部缢缩拉长。3.出芽繁殖：一、线粒体的增殖2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换28通过已有的线粒体分割或分裂形成新的线粒体。2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换29二.线粒体的起源1.内共生学说：线粒体起源于古老厌氧真核细胞共生的需氧细胞长期进化共生关系紧密大部分遗传信息转移到细胞核上。2.非共生起源说：原始真核细胞需氧进化电子传递、氧化磷酸化膜表面积增加皱褶而成膜包围的小囊掺入稳定的含蛋白合成系统信息的DNA。2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换30内膜祖先真核细胞细胞核内共生学说氰化物中毒（CN-）机理：氰根（CN-）离子在体内能很快与细胞色素氧化酶中的三价铁离子结合，抑制该酶活性，使组织不能利用氧。临床表现：头痛、头晕、恶心、呕吐、心悸、胸闷气促、烦燥、抽搐、昏迷甚至呼吸抑制而死亡。§2细胞呼吸与能量转换导言供能物质的分解及能量的流动食物（糖类、脂肪、蛋白质）人（消化、吸收、运输）细胞（葡萄糖、脂肪酸、氨基酸）线粒体ADP+PiATP二氧化碳和水线粒体是细胞内的能量转换器一、细胞呼吸（cellularrespiration）糖类、脂肪和蛋白质等有机物在活细胞O2的参与下彻底氧化分解为二氧化碳和水，且伴随着能量释放和ATP生成的过程。这一过程称为细胞呼吸，又称细胞氧化或生物氧化。需要氧气的参与。发生的场所是胞液和线粒体，主要是线粒体。2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换35CELLMONEY：ATP:ENERGYCOIN二、细胞的能量利用形式——ATP2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换36ATP:ENERGYCOINAMPATPADPATP表示为：A-P~P~P高能磷酸键三磷酸腺苷ATP是一种高能磷酸化合物去磷酸化A--P~P~P======A-P~P+Pi+30.56KJ(ATP)磷酸化(ADP)普通化学键断裂只能释放12.56KJATP在能量代谢中的地位细胞生命活动的直接供能者细胞能量转换的中间携带者，即“能量货币”。细胞的能量获得、转换、储存和利用的枢纽。临床上ATP治疗量仅几十毫克，用于肝炎、心肌炎、昏迷等病人的辅助治疗。底物水平磷酸化由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP的作用，称为底物水平磷酸化。ATP的产生途径氧化磷酸化高能电子在电子传递（氧化还原反应）过程中释放出的能量被F0F1ATP酶复合体用来催化ADP磷酸化而合成ATP，称为氧化磷酸化。ATP??生物氧化或称为细胞呼吸、细胞氧化§3细胞的能量转换细胞呼吸（细胞氧化）过程：三羧酸循环电子传递和氧化磷酸化乙酰辅酶A的形成糖酵解图示细胞呼吸的四个主要步骤物质分解能量释放和转移能量转换ATP生成细胞呼吸的步骤及发生的场所（细胞学基础）糖酵解乙酰辅酶A的形成三羧酸循环电子传递和氧化磷酸化胞质中线粒体基质线粒体基质线粒体内膜上在细胞质中进行，不需要O2的参与经过十几步酶促化学反应结果：一分子葡萄糖2分子丙酮酸2分子NADH+H+2分子ATP一、糖酵解底物水平磷酸化2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换45底物水平磷酸化NADH:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸维生素PP的活性形式。氧化型：NAD＋还原型：NADH＋H＋（由氧化型接受两个电子和两个质子而来）是多种不需氧脱氢酶的辅酶。二、乙酰辅酶A的生成在线粒体中进行。结果：2分子丙酮酸2分子CH3CO~SCOA2分子NADH+H+2分子CO2三、三羧酸循环产生高能电子乙酰辅酶A生成后，与线粒体基质的中草酰乙酸形成柠檬酸，开始进入三羧酸循环（因柠檬酸上有三个羧基而得名）。结果：2×CH2CO~SCOA2×2CO22×3NADH+H+2×1FADH22×1ATP在线粒体基质中进行，二十几步酶促化学反应。FAD:黄素腺嘌呤二核苷酸至此，一分子葡萄糖已完全分解成６分子CO2，能量已转移到NADH、FADH2、ATP中即G10NADH+H+2FADH24ATP6CO2下面的问题是NADH、FADH2中的能量如何转换形成ATP。四、氧化磷酸化耦联与ATP形成H离解为H+和e-（高能电子）高能电子在电子传递（氧化还原反应）过程中释放出的能量被F0F1ATP酶复合体用来催化ADP磷酸化而合成ATP，称为氧化磷酸化。线粒体内膜上进行,电子传递链(呼吸链)相当于“放能装置”;ATP酶复合体相当于“换能装置”。（一）氧化磷酸化的分子结构基础1968年，ERacker等人用超声波将线粒体破碎，线粒体内膜可自然卷曲成颗粒朝外的小膜泡，——亚线粒体小泡or亚线粒体颗粒。具有正常的电子传递和磷酸化的功能。外膜outermembrane基质（matrix）基粒elementaryparticle内膜innermembrane嵴（cristae）嵴内间隙（intracristalspase）嵴间腔（与基质相通）实验1：用胰蛋白酶or尿素处理，则小泡外面的颗粒可解离下来，小泡只能进行电子传递，而不能进行磷酸化。实验2：将这些颗粒重新装配到无颗粒的小泡上时，则小泡又恢复了电子传递和磷酸化相偶联的能力。此实验说明：参与氢和电子传递的各种氧化还原酶即呼吸链位于线粒体内膜中。而颗粒是氧化磷酸化的偶联因子，位于内膜的基质侧，它是ATP合酶的组分之一。1、呼吸链（respiratorychain）含义：也称电子传递链，是指线粒体内膜上一系列氢载体和电子载体蛋白，具有递氢递电子的作用，它们在内膜上有序地排列成相互关联的链状。化学本质：线粒体内膜上的一些氧化还原酶系。功能：进行电子传递和能量的释放呼吸链(电子传递链)表1呼吸链化学组成酶复合物氧化还原酶相对分子量辅基INADH–CoQ氧化还原酶II琥珀酸-CoQ氧化还原酶Ⅲ细胞色素c氧化还原酶Ⅳ细胞色素c氧化酶FMN、FeSFAD、FeSCytb、Cytc1、FeSCyta、Cyta3、Cu。8500097000280000200000此外，辅酶Q和细胞色素C是呼吸链中可流动的递氢体和递电子体Green等人首先将呼吸链拆离成四种功能复合物两条主要呼吸链NADH呼吸链：复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。FADH2呼吸链：复合物II、III、IV组成，催化FADH2的脱氢氧化。2、ATP合成酶(基粒)的分子结构和组成基粒的化学本质是ATP合成酶或称F0F1-ATP合酶，是氧化磷酸化偶联的关键装置。基粒的结构：头部、柄部和基片3部分或F1FO两部分基粒头部柄部基片偶联因子F1偶联因子F0(对寡酶素敏感蛋白)偶联因子F1由3α3βγδε组成的复合体，3个α和β交替排列，状如桔瓣，γ与ε结合形成转子偶联因子F0F0由ab2c12组成复合体，12个c形成环形结构，δ与F0的a、2个b组成定子。2020/3/29第六章线粒体与细胞的能量转换65(二).氧化磷酸化的偶联机制动画11、电子传递过程化学渗透假说（chemiosmoticcouplinghypothesis)主要内容：电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，形成质子