第七章細胞的能量轉換──線粒體和葉綠體生命學院劉軍鋒2009年3月23日第一節線粒體與氧化磷酸化●線粒體的形態結構●線粒體的化學組成及酶的定位●氧化磷酸化●線粒體與疾病

1.線粒體的形態、大小、數量與分布2.線粒體的超微結構◆外膜(outermembrane）：含孔蛋白(porin)，通透性較高。◆內膜（innermembrane）：高度不通透性，向內折疊形成嵴（cristae）。含有與能量轉換相關的蛋白◆膜間隙（intermembranespace）：含許多可溶性酶、底物及輔助因子。◆基質（matrix）：含三羧酸循環酶系、線粒體基因表達酶系等以及線粒體DNA,RNA，核糖體。線粒體結構模式圖

線粒體外膜孔蛋白線粒體組分的分離

2.線粒體的化學組成與各部分功能◆蛋白質(線粒體干重的65～70％)◆脂類(線粒體干重的25～30％)：·磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，內膜主要是心磷脂。·線粒體脂類和蛋白質的比值:0.3:1（內膜）；1:1（外膜）

3.線粒體主要酶的分布部位酶的名稱部

位酶

的

名

稱外膜單胺氧化酶NADH-細胞色素c還原酶（對魚藤酮不敏感）犬尿酸羥化酶酰基輔酶A合成酶膜間隙腺苷酸激酶二磷酸激酶核苷酸激酶內膜細胞色素b，c，c1，a，a3氧化酶ATP合成酶系琥珀酸脫氫酶β-羥丁酸和β-羥丙酸脫氫酶肉毒堿酰基轉移酶丙酮酸氧化酶NADH脫氫酶（對魚藤酮敏感）基質檸檬酸合成酶、蘋果酸脫氫酶延胡索酸酶、異檸檬酸脫氫酶順烏頭酸酶、谷氨酸脫氫酶脂肪酸氧化酶系、天冬氨酸轉氨酶、蛋白質和核酸合成酶系、丙酮酸脫氫酶復合物三、線粒體的功能(一)線粒體中的氧化代謝1.三大物質代謝2.NADH的進入線粒體的兩種“穿梭”途徑線粒體主要功能是進行氧化磷酸化，合成ATP，為細胞生命活動提供直接能量；與細胞中氧自由基的生成、細胞凋亡、細胞的信號轉導、細胞內多種離子的跨膜轉運及電解質穩態平衡的調控有關。細胞質線粒體內膜天冬氨酸

-酮戊二酸蘋果酸草酰乙酸谷氨酸

-酮戊二酸天冬氨酸蘋果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+線粒體基質蘋果酸脫氫酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ蘋果酸脫氫酶谷草轉氨酶谷草轉氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為膜上的轉運載體）呼吸鏈蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑3-磷酸甘油穿梭途徑（線粒體基質）磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHNAD+線粒體內膜NADHFMNCoQbc1caa3O2（細胞質）(二)電子傳遞鏈與電子傳遞電子傳遞鏈：在線粒體內膜上存在傳遞電子的一組酶的復合體，由一系列能可逆的接收和釋放電子或H+的化學物質所組成，它們在內膜上相互關聯的有序排列成傳遞鏈,這一復雜傳遞體系即電子傳遞鏈，又稱呼吸鏈。1.電子載體黃素蛋白：由一條多肽與黃素腺嘌呤單核苷酸（FMN）或FAD組成的結合蛋白，線粒體中主要的黃素蛋白有NADH脫氫酶和琥珀酸脫氫酶。細胞色素：帶有含鐵血紅素輔基而對可見光具有特征性強吸收的蛋白。泛醌：輔酶Q，唯一不與蛋白結合的電子載體，可在膜中自由擴散，在單電子受體和雙電子受體之間起作用。Fe-S蛋白：一類含非血紅素鐵的蛋白質,靠Fe3+和Fe2+的變換傳遞電子。銅原子：在線粒體內膜的單個蛋白質分子內，傳遞單個電子。黃素蛋白酶類

特點：以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細胞膜組成蛋白遞氫機理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2細胞色素血紅素的結構傳遞電子機理：Fe3+

Fe2+-e+e

波長/nm

還原型Cytc的吸收光譜CoQ的結構和遞氫原理CoQ+2HCoQH2鐵硫蛋白傳遞電子機理：Fe3+

Fe2+-e+e2．電子載體的排列順序◆電子傳遞方向按氧化還原電勢遞增的方向傳遞(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高)◆電子傳遞起始于NADH脫氫酶催化NADH氧化，形成高能電子

(能量轉化)，終止于O2形成水。

◆高能電子釋放的能量驅動線粒體內膜三大復合物(H+-泵)將H+從基質側泵到膜間隙，形成跨線粒體內膜H+梯度(能量轉化)◆電子傳遞鏈各組分在膜上不對稱分布3.電子傳遞鏈的四種復合物(哺乳類)◆復合物Ⅰ：NADH-CoQ還原酶復合物（既是電子傳遞體又是質子移位體）組成：含42個蛋白亞基，至少6個Fe-S中心和1個黃素蛋白。作用：催化NADH氧化，從中獲得2高能電子

輔酶Q；泵出4H+

◆復合物Ⅱ：琥珀酸脫氫酶復合物（是電子傳遞體而非質子移位體）組成：含FAD輔基，2Fe-S中心，作用：催化2低能電子

FAD

Fe-S

輔酶Q(無H+泵出)

豬心粒體膜蛋白復合物II的三維結構（饒子和等，2005，Cell）3.電子傳遞鏈的四種復合物(哺乳類)◆復合物Ⅲ：細胞色素bc1復合物（既是電子傳遞體又是質子移位體）組成：包括1cytc1、1cytb、1Fe-S蛋白作用：催化電子從UQH2

cytc；泵出4H+

（2個來自UQ，2個來自基質）◆復合物Ⅳ：細胞色素C氧化酶（既是電子傳遞體又是質子移位體）組成：二聚體，每一單體含13個亞基，三維構象，cyta,cyta3,Cu,Fe

作用：催化電子從cytc

分子O2

形成水，2H+泵出，2H+參與形成水。

3.電子傳遞鏈的四種復合物(哺乳類)細胞色素C氧化酶的三維結構與作用（三）兩條氧化呼吸鏈1．NADH氧化呼吸鏈

2．琥珀酸氧化呼吸鏈(FADH2氧化呼吸鏈)（四）ATP形成機制——氧化磷酸化氧化磷酸化：代謝物脫下的氫經電子傳遞鏈與氧結合成水的過程中，釋放的能量使ADP磷酸化生成ATP的過程稱之氧化磷酸化，即氫的氧化和ADP的磷酸化相耦聯，又稱為耦聯磷酸化。氧化磷酸化偶聯部位：磷酸化：將ADP轉變為ATP的過程稱為磷酸化。（四）ATP形成機制——氧化磷酸化◆氧化磷酸化過程實際上是能量轉換過程，即有機分子中儲藏的能量

高能電子

質子動力勢

ATP◆氧化(電子傳遞、消耗氧,放能)與磷酸化(ADP+Pi，儲能)同時進行，分別由兩個不同的結構體系執行.1.ATP合酶的結構與組成

線粒體ATP合成系統的解離與重建實驗證明電子傳遞與ATP合成是由兩個不同的結構體系執行,F1顆粒具有ATP酶活性ATP合酶可逆性復合酶，即既能利用質子電化學梯度儲存的能量合成ATP,又能水解ATP將質子從基質泵到膜間隙2．能量耦聯與ATP合酶的作用機制幾個假說

1953年EdwardSlater

化學耦聯假說

1961年PeterMitchell化學滲透假說

1979年PaulBoyer結合變構假說1978年獲諾貝爾化學獎1997年獲諾貝爾化學獎化學滲透假說原理示意圖4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+

ADP+PiATP高質子濃度H2O2e-+++++++++__________質子流線粒體內膜磷酸化

氧化

2．能量耦聯與ATP合酶的作用機制◆化學滲透假說內容：電子傳遞鏈各組分在線粒體內膜中不對稱分布，當高能電子沿其傳遞時，所釋放的能量將H+從基質泵到膜間隙，形成H+電化學梯度。在這個梯度驅使下，H+穿過ATP合成酶回到基質，同時合成ATP,電化學梯度中蘊藏的能量儲存到ATP高能磷酸鍵。◆支持化學滲透假說的實驗證據該實驗表明：

·質子動力勢乃ATP合成的動力

·膜應具有完整性

·電子傳遞與ATP合成是兩件相關而又不同的事件質子動力勢的其他作用◆產熱：冬眠動物與新生兒的BrownFatCell線粒體產生大量熱量Boyer和Walker的工作

英國科學家Walker通過x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體ATP酶晶體的三維結構，證明在ATP酶合成ATP的催化循環中三個β亞基的確有不同構象，從而有力地支持了Boyer的假說。

Boyer和Walker共同獲得1997年諾貝爾化學獎。

美國科學家Boyer為解釋ATP酶作用機理,提出結合變構假說，認為ATP合成酶β亞基有三種不同的構象，一種構象(L)有利于ADP和Pi結合，一種構象(T)可使結合的ADP和Pi合成ATP，第三種構象(O)使合成的ATP容易被釋放出來。在ATP合成過程中，三個β亞基依次進行上述三種構象的交替變化，所需能量由跨膜H+提供。ATPase的結合變構模型

III

IVIII定子轉子

結合變構理論認為質子流通過Fo引起亞基III寡聚體和

及

亞基一起轉動,這種旋轉配置

/

亞基之間的不對稱的相互作用,引起催化位點性質的轉變,

亞基的中心

-螺旋被認為是轉子,亞基I和II與

亞基組合在一起組成定子,它壓住

/

異質六聚體.ATP酶作用機理ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtenFlux有于ADP與Pi結合的構象有于ADP與Pi生成的構象有利于ATP釋放的構象利用分子馬達檢測病原菌利用分子馬達檢測病原菌原理

色素體δ-freeF0F1-ATPase可作為一種新型的生物傳感器去檢測反應體系中的目的miRNA。首先將特異的miRNA探針連接到F0F1-ATPase的β亞基上。δ-freeF0F1-ATPase在光驅動下質子進行連續的改變，從而引發分子馬達的旋轉。連接在β亞基上的探針與miRNA反應，這個雜交反應會影響到分子馬達的旋轉，可以通過對分子馬達進行標記即用pH-敏感型的CdTe原子團標記來檢測其改變。總的反應體系可以通過熒光強度的變化來監測。由于探針的特異性及檢測的靈敏性可以很容易的區分反應體系中的miRNA家族。由于不同病原菌具有不同的特異性核苷酸序列，所以可將該方法用于病原菌的檢測。具體的操作同上，只是探針換成了特異性引物，檢測對象變成了特異性基因片段。該方法具有快速、靈敏、特異性強的特點，可作為快速檢測方法研究的新的趨勢，具有廣闊的應用前景。氧化磷酸化圖解四、線粒體與疾病

線粒體是細胞內最容易受損傷的細胞器，許多研究工作表明，線粒體與人的疾病、衰老和細胞凋亡有關。克山病是一種心肌線粒體病線粒體釋放細胞色素C參與細胞凋亡線粒體ＤＮＡ上某一微小的差異與引發帕金森氏癥等疾病的神經細胞死亡現象相關，這一差異還可能決定人能否長壽。

小結1、了解線粒體的