1、第六章 細胞的能量(nngling)轉(zhuǎn)換：線粒體和葉綠體Chapter Seven Mitochondria and Chloroplast共八十八頁第一節(jié) 線粒體與氧化(ynghu)磷酸化線粒體被稱為細胞(xbo)內(nèi)的能量工廠。人體內(nèi)的細胞每天要合成幾千克的ATP，95%是由線粒體中的呼吸鏈所產(chǎn)生。共八十八頁一、線粒體的形態(tài)(xngti)結(jié)構(gòu) （一）形態(tài)和分布1.形態(tài)：因種類和生理(shngl)狀態(tài)而異，一般呈粒狀或桿狀，也有環(huán)形，啞鈴形、線狀、分杈狀。共八十八頁活細胞中線粒體形態(tài)(xngti)高度可變共八十八頁2.大小：直徑(zhjng)0.5-1m，長1.5-3.0m。胰臟分泌細胞中的線

2、粒體可長達10-20m，稱巨線粒體，人成纖維細胞線粒體則更長，達40m。共八十八頁3.數(shù)量：同類型細胞中數(shù)目穩(wěn)定。不同類型細胞中從1個到數(shù)千個。代謝活躍細胞數(shù)量多；動物細胞較植物細胞多；紅細胞無線粒體。4.分布：一般均勻分布。常結(jié)合在微管上，可向功能(gngnng)旺盛區(qū)域遷移。故代謝活躍區(qū)域較多。共八十八頁線粒體大小和數(shù)量(shling)反映了細胞能量需求線粒體位于(wiy)心肌細胞和精子尾部需能多的部位共八十八頁（二）線粒體的結(jié)構(gòu)(jigu) 線粒體由內(nèi)外兩層單位膜封閉(fngb)形成，包括外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)4個部分。共八十八頁線粒體結(jié)構(gòu)(jigu)模型 共八十八頁1、外膜 (out

3、er membrane)全封閉的單位(dnwi)膜，脂和蛋白含量近相等;具孔蛋白(porin)構(gòu)成的親水通道，通透性較高，分子量3:1，心磷脂含量20%，無膽固醇。通透性低，僅讓不帶電荷小分子通過，大分子和離子通過內(nèi)膜需特殊(tsh)轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。共八十八頁內(nèi)膜向基質(zhì)(j zh)褶入形成嵴(cristae)，嵴常呈板層狀，也有管狀。嵴上有基粒，基粒由頭部(F1)和嵌入內(nèi)膜的基部(F0)構(gòu)成。共八十八頁板層狀結(jié)構(gòu)(jigu)共八十八頁管狀嵴線粒體 共八十八頁內(nèi)膜具豐富的蛋白質(zhì)和酶類，主要有參與氧化磷酸化電子傳遞的蛋白質(zhì)復合體及ATP合成的酶類，以及其它(qt)一些參與物質(zhì)運輸與合成的酶類。標志酶為細

4、胞色素C氧化酶。共八十八頁3、膜間隙(jin x)(intermembrane space) 寬6-8nm，含大量可溶性酶、底物和輔助因子標志酶為腺苷酸激酶，催化(cu hu)ATP分子的末端磷酸基團轉(zhuǎn)移到AMP共八十八頁4、基質(zhì)(j zh)（matrix）除糖酵解外，其它(qt)參與生物氧化的酶均在線粒體基質(zhì)中：TCA循環(huán)、脂肪酸和丙酮酸氧化的酶。標志酶為蘋果酸脫氫酶。含一套完整的轉(zhuǎn)錄和翻譯體系：mtDNA，70S核糖體，tRNA 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。共八十八頁二、線粒體的功能(gngnng)是細胞進行生物氧化的主要場所，糖類、脂肪(zhfng)和氨基酸最終的氧化均發(fā)生

5、在線粒體。并將氧化與磷酸化偶聯(lián)，合成ATP。共八十八頁(一)真核細胞中的氧化作用(oxidation)葡萄糖和脂肪酸是真核細胞能量的主要來源(liyun)。1. 糖的氧化1) 在胞質(zhì)中，糖經(jīng)糖酵解氧化生成丙酮酸；2) 丙酮酸進入線粒體，脫羧生成乙酰CoA3) 乙酰CoA進入TCA循環(huán)，徹底氧化成CO2共八十八頁共八十八頁共八十八頁2. 脂肪的氧化：脂肪先在胞質(zhì)中水解成脂肪酸，脂肪酸進入線粒體基質(zhì)，通過氧化途徑生成(shn chn)乙酰CoA，及1分子NADH和FADH2。共八十八頁3、氨基酸的氧化(ynghu)乙酰輔酶(f mi)A是線粒體能量代謝的核心分子。共八十八頁4、TCA循環(huán)： 乙酰C

6、oA和草酰乙酸結(jié)合生成(shn chn)檸檬酸，檸檬酸經(jīng)氧化脫羧，經(jīng)酮戊二酸、琥珀酸，降解成草酰乙酸。 每循環(huán)一次生成2分子CO2、一分子GTP、4分子NADH和一分子FADH2。共八十八頁5、輔酶在能量傳遞中的作用: TCA循環(huán)的凈產(chǎn)物是FADH2和NADH， FADH2和NADH中含有底物氧化釋放(shfng)的高能電子，共5對，可用于ATP合成。共八十八頁共八十八頁糖酵解也產(chǎn)生NADH，可通過蘋果酸-天門冬氨酸穿梭(chun su)和甘油-磷酸穿梭(chun su)，將電子傳遞給FAD，形成FADH2，參與ATP合成。共八十八頁磷酸甘油穿梭(chun su)共八十八頁蘋果酸天門冬氨酸穿梭

7、(chun su)胞液中的NADH，首先由蘋果酸脫氫酶催化將草酰乙酸還原成蘋果酸，蘋果酸再通過內(nèi)膜上的二羧酸載體系統(tǒng)與線粒體內(nèi)的酮戊二酸交換(jiohun)而進入線粒體。然后，蘋果酸在蘋果酸脫氫酶催化下，又氧化生成草酰乙酸并釋出NADH，再經(jīng)歷與在線粒體內(nèi)產(chǎn)生的NADH氧化相同的過程。共八十八頁(二)呼吸(hx)鏈與電子傳遞TCA循環(huán)后，能量儲在NADH和FADH2中，需將其氧化(ynghu)才能將能量釋放出，該過程涉及電子從NADH或FADH2傳遞到氧。呼吸鏈是內(nèi)膜上的一組酶復合體，負責將電子傳遞到氧氣，產(chǎn)生ATP。共八十八頁電子在經(jīng)呼吸鏈進行傳遞(chund)時，高能電子中所含能量逐步釋放

8、，最后儲存在ATP的高能磷酸鍵中，即將ADP轉(zhuǎn)變成ATP，該過程稱為磷酸化。而電子傳遞(chund)鏈將生物氧化和磷酸化串聯(lián)在一起的過程并稱為氧化磷酸化。共八十八頁1、電子(dinz)載體 電子載體:與電子結(jié)合并將其傳遞下去的物質(zhì)。(1)NAD：煙酰胺嘌呤二核苷酸，脫氫酶的輔酶，連接TCA循環(huán)和呼吸鏈，將氫交給黃素(hun s)蛋白。共八十八頁(2)黃素蛋白(flavoprotein)： 由一條(y tio)多肽鏈結(jié)合一個輔基組成的酶類, 輔基為FMN或FAD. 每個FMN或FAD可接受2個電子和2個質(zhì)子。 呼吸鏈上既有以FMN為輔基的NADH脫氫酶，也有以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶。共八十八

9、頁(3)細胞色素(s s)(cytochrome)：呼吸鏈中有5類細胞色素：a、a3、b、c、c1，均含有血紅素鐵，以Fe3+和Fe2+互變傳遞電子。 而細胞色素a、a3還與銅原子相連，銅原子也依靠自身化合價的變化進行電子傳遞。共八十八頁血紅素的結(jié)構(gòu)(jigu) 共八十八頁(4) 鐵硫蛋白(Fe/S protein)： 屬細胞色素類，分子中央(zhngyng)結(jié)合的是鐵和硫，稱鐵硫中心。一般含4個原子，2個鐵和2個S，稱2Fe-2S，也有4Fe-4S。 也是通過Fe2+、Fe3+互變進行電子傳遞，且一次只能傳遞1個電子 共八十八頁共八十八頁(5)輔酶Q (coenzyme Q)：脂溶性小分子醌

10、類化合物，通過氧化和還原傳遞電子。有3種氧化還原形式(xngsh)：氧化型醌Q，還原型氫醌(QH2)和介于兩者間的半醌(QH)。每個醌能接受和傳遞2個電子和質(zhì)子共八十八頁2、氧化還原電位與載體排列(pili)順序同種物質(zhì)得失電子的兩種狀態(tài)稱氧還對。如NAD+和NADH，兩者間有電位差，即氧還電位可在標準條件(tiojin)下測定標準氧還電位。標準氧還電位越小，提供電子的能力越強通過測定電子載體的氧化還原電位，可推斷其在呼吸鏈中的排列順序共八十八頁3、電子傳遞復合物 用脫氧膽酸(離子型去污劑)處理內(nèi)膜、分離出呼吸鏈的4種復合物，即復合物、和。而參與(cny)電子傳遞的輔酶Q和細胞色素C不屬于任何

11、一種復合物。輔酶Q溶于內(nèi)膜，細胞色素C位于內(nèi)膜的膜間隙側(cè)(C側(cè))，屬膜外周蛋白。共八十八頁（1）復合物 NADHCoQ還原酶，哺乳動物中由42條肽鏈組成。含1個FMN和6個Fe/S，以二聚體存在。作用：催化(cu hu)NADH的2個電子傳至輔酶Q，并將4個H+由基質(zhì)(M側(cè)) 膜間隙(C側(cè))。電子傳遞方向：NADHFMNFe-SQ結(jié)果：NADH + 5H+(M) + QNAD+ + QH2 + 4H+ (C)共八十八頁（2）復合物琥珀酸脫氫酶，4條肽鏈，含1個FAD，2個Fe/S催化電子(dinz)從琥珀酸CoQ，傳遞過程：琥珀酸FADFe-SQ。不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。反應結(jié)果為：琥珀酸+Q延胡索酸+Q

12、H2共八十八頁（3）復合物 CoQ- cytc還原酶，由11條不同肽鏈組成(z chn)，以二聚體存在，單體含2個cyt b (b562，b566)、一個cyt c1和一個Fe/S。作用：催化電子從輔酶Q cyt c，每轉(zhuǎn)移一對電子，同時將4個H+轉(zhuǎn)移至膜間隙。結(jié)果：2氧化態(tài)cyt c + QH2 + 2 H+(M)2還原態(tài)cyt c + Q+ 4H+(C)共八十八頁復合物的電子傳遞較復雜，與“Q循環(huán)(xnhun)”有關(guān)輔酶Q是脂溶性小分子，能在膜中自由擴散，在內(nèi)膜C側(cè)，QH2將一個電子交給Fe-S細胞色素c1細胞色素c，被氧化為半醌(QH)，并將一個質(zhì)子釋放到膜間隙；半醌將電子交給細胞色素b

13、566b562，釋放另外一個質(zhì)子到膜間隙。共八十八頁cyt b566得到的電子為循環(huán)電子，傳遞路線為：半醌b566b562輔酶Q。因此(ync)，輔酶Q的還原有3種途徑，均發(fā)生在內(nèi)膜M側(cè)。一是被復合體還原，二是被復合體還原，三是被cyt b562還原。共八十八頁Q循環(huán)(xnhun)示意圖 共八十八頁（4）復合物 cyt c氧化酶，以二聚體存在，單體含1個cyt a、a3和2個Cu原子。作用：電子從cyt c 氧傳遞(chund)路線：cyt cCuA cytaa3- CuB O2每轉(zhuǎn)移一對電子，從基質(zhì)中攝取4個H+，其中2個用于水形成，另2個被轉(zhuǎn)至膜間隙。結(jié)果：4還原態(tài)cyt c + 8 H+

14、(M) + O2 4氧化態(tài)cyt c + 4H+(C)+ 2H2O共八十八頁4、兩條主要(zhyo)的呼吸鏈 呼吸鏈傳遞的主要(zhyo)是NADH，而FADH2較少，可將呼吸鏈分為主、次兩條：主鏈由復合物、組成，催化NADH氧化次鏈由復合物、組成，催化琥珀酸氧化共八十八頁兩條主要(zhyo)的呼吸鏈共八十八頁Molecular basis of oxidation: Electron-transport chain共八十八頁（三）ATP合酶(ATP synthetase)的結(jié)構(gòu)(jigu)和作用機理 是生物能量轉(zhuǎn)化的核心酶。參與氧化磷酸化和光合磷酸化，催化合成ATP。存在于線粒體內(nèi)膜、葉綠體

15、類囊體膜、異氧菌和光合菌質(zhì)膜上。膜結(jié)合(jih)狀態(tài)下具有ATP合成活性，分離狀態(tài)下具水解ATP的活性。共八十八頁The ATP synthase is a reversible coupling device 共八十八頁1. ATP合酶(F0F1-ATP酶)的結(jié)構(gòu)(jigu)1)F1: 5種多肽組成的九聚體(33)，和交替排列，如桔瓣。貫穿復合體，并與F0接觸，幫助與F0結(jié)合。與F0的兩個b亞基形成固定復合體的結(jié)構(gòu)。具3個ATP合成催化位點,每個亞基1個。2)F0: 由3個亞基組成的15聚體(1a:2b:12c)。c亞基在膜中形成物質(zhì)運動(yndng)的環(huán)，b亞基與固定F1；a亞基是質(zhì)子通道

16、。共八十八頁ATP 合酶的結(jié)構(gòu)(jigu)F1: 5 subunits in the ratio 3:3:1:1:1F0: 1a：2b：12c 共八十八頁在合成ATP時，在流過F0的a亞基的H+推動下,由12個c亞基組成的轉(zhuǎn)子(zhun z)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)動， 依次與3個亞基作用，使亞基催化位點構(gòu)象發(fā)生變化，催化ATP合成共八十八頁共八十八頁氧化(ynghu)磷酸化與電子傳遞的偶聯(lián)呼吸鏈中有3個部位自由能變化較大，是呼吸鏈氧化還原放能與ATP合成偶聯(lián)部位，可被特異性抑制劑阻斷。這3個部位分別是復合物、，它們每傳遞1對電子，釋放的自由能足夠合成1分子(fnz)ATP。而復合物釋放的自由能不足以

17、合成1個分子ATP,不是ATP合成的偶聯(lián)位點。共八十八頁Summary of the major activities during aerobic respiration in a mitochondrionNADHO2: 3ATP/2e;FADH2 O2 : 2ATP/2e共八十八頁（四）氧化(ynghu)磷酸化的偶聯(lián)機理 氧化與磷酸化的偶聯(lián)機制一直是研究氧化磷酸化作用的關(guān)鍵主要的假說有：1、化學滲透(shntu)學說(chemiosmotic coupling hypothesis)2、構(gòu)象偶聯(lián)假說(conformational coupling hypothesis)共八十八頁1、化學

18、滲透假說(ji shu)：質(zhì)子動力勢 Mitchell P.1961提出“化學滲透假說(Chemiosmotic Hypothesis)”，70年代化學滲透假說得到大量實驗(shyn)的支持，成為一種較為流行的假說，Mitchell也因此獲得1978年諾貝爾化學獎。 共八十八頁化學滲透(shntu)學說電子沿呼吸鏈傳遞時，釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵至膜間隙，線粒體內(nèi)膜對離子高度不通透，使膜間隙的H+濃度高于基質(zhì)，在內(nèi)膜兩側(cè)形成pH梯度(pH)及電位梯度()，共同構(gòu)成(guchng)電化學梯度，即質(zhì)子動力勢(P)。質(zhì)子沿電化學梯度穿過內(nèi)膜上的ATP合酶流回基質(zhì)，使ATP合酶構(gòu)象改變，將ADP

19、和Pi合成ATP共八十八頁 化學滲透(shntu)學說 共八十八頁共八十八頁Mithchells Chemiosmotic theory (1961)More than 21026 molecules (160kg) of ATP per day in our bodies.共八十八頁Other roles for the proton-motive force in addition to ATP synthase共八十八頁2、構(gòu)象(u xin)耦聯(lián)假說1979年Boyer提出構(gòu)象耦聯(lián)假說，主要觀點是： H+通過F0時，引起c亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)動，端部不對稱，引起F1上3個亞基的催化(

20、cu hu)位點的構(gòu)象周期性變化(L、T、O)。在L構(gòu)象，ADP、 Pi與酶疏松結(jié)合；在T構(gòu)象與酶緊密結(jié)合，合成ATP；在O構(gòu)象ATP與酶的親和力低，被釋放。每個亞基要經(jīng)過3次構(gòu)象改變才能催化(cu hu)合成1個ATP。共八十八頁共八十八頁共八十八頁支持(zhch)構(gòu)象耦聯(lián)假說的實驗有：1日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人將33固定在玻片上，在亞基的頂端連接熒光標記的肌動蛋白纖維(xinwi)，在含有ATP的溶液中溫育時，在顯微鏡下可觀察到亞基帶動肌動蛋白纖維(xinwi)旋轉(zhuǎn)。2在另外一個實驗中，將熒光標記的肌動蛋白連接到ATP合酶的F0亞基上，在ATP存在時同樣可以觀察

21、到肌動蛋白的旋轉(zhuǎn)。共八十八頁共八十八頁（四）氧化(ynghu)磷酸化抑制劑 1. 電子傳遞抑制劑:抑制(yzh)NADHCoQ電子傳遞:阿米妥、魚藤酮、殺粉蝶素A。抑制Cyt bCyt c1電子傳遞:抗霉素A 抑制細胞色素氧化酶O2: CO，CN，NaN3，H2S共八十八頁2磷酸化抑制劑: 與F0結(jié)合，阻斷H+通道，從而抑制ATP合成：寡霉素、二環(huán)己基碳化二亞胺(DCC)3解偶聯(lián)劑(uncoupler): 使氧化和磷酸化脫偶聯(lián)，氧化仍可進行，而磷酸化不能進行。解偶聯(lián)劑為離子載體或通道，能增大內(nèi)膜對H+通透性，消除H+梯度，無ATP生成，使氧化釋放出的能量全部以熱的形式散發(fā)動物棕色脂肪組織和肌肉

22、線粒體中有獨特的解偶聯(lián)蛋白，與維持(wich)體溫有關(guān)。共八十八頁常用解偶聯(lián)劑主要有：質(zhì)子載體：2，4-二硝基酚(DNP)，羰基-氰-對-三氟甲氧基苯肼(FCCP)。質(zhì)子通道: 增溫素。其它離子載體：纈氨霉素。某些藥物：如過量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶聯(lián)，從而使體溫(twn)升高。共八十八頁三、線粒體的半自主性 1963年發(fā)現(xiàn)線粒體DNA(mtDNA)后，又在線粒體發(fā)現(xiàn)RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖體等進行DNA復制、轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯的全套(qun to)裝備，說明線粒體具獨立遺傳體系。共八十八頁線粒體能合成蛋白質(zhì)，但合成能力(nngl)有限。線粒體1000多種蛋白質(zhì)

23、中，自身合成的僅十余種。線粒體核糖體蛋白、氨酰tRNA 合成酶、許多結(jié)構(gòu)蛋白， 都是核基因編碼，在胞質(zhì)中合成，定向轉(zhuǎn)運到線粒體.故稱線粒體為半自主細胞器。共八十八頁利用標記氨基酸培養(yǎng)細胞，用氯霉素和放線菌酮分別抑制線粒體和胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成，發(fā)現(xiàn)人的mtDNA編碼(bin m)的多肽為細胞色素c氧化酶的3個亞基，F(xiàn)0的2個亞基，NADH脫氫酶的7個亞基和細胞色素b等13條多肽。mtDNA還合成12S和16SrRNA及22種tRNA。共八十八頁Genes in mtDNA encode rRNAs, tRNAs, and some mitochondrial proteinsHuman mt DNA

24、: 16,569bp 2 rRNAs, 22 tRNAs, 13 polypeptides: NADH reductase. 7 sub. Cty b-c1 complex. 1 cytb Cyt oxidase. 3 subunits ATP synthase: 2 F0 sub 共八十八頁mtDNA分子為環(huán)狀雙鏈DNA，外環(huán)為重鏈(H)，內(nèi)環(huán)為輕鏈（L）。基因排列非常緊湊(jncu)，大多數(shù)基因無內(nèi)含子序列。基因組變化較大，動物細胞mtDNA較小，約16.5kb，酵母達80kb。每個細胞含幾百個線粒體，每個線粒體又含多個mtDNA，但mtDNA的總量不到核基因組的1%.共八十八頁多數(shù)基因由H鏈轉(zhuǎn)錄，包括2個rRNA，14個tRNA 和12個編碼多肽的mRNA。L鏈編碼另外8個tRNA和一條多肽鏈。mtDNA上的基因相互連接， 一些多肽基因相互重疊，幾乎所有閱讀框都缺少非翻譯區(qū)域。很多基因沒有(mi yu)完整的終止密碼， 僅以T或TA 結(jié)尾，mRNA終止信號是在轉(zhuǎn)錄后加工加上去共八十八頁線粒體在形態(tài)、染色