能量的來源？第13章線粒體

線粒體是真核細(xì)胞進(jìn)行氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要場所，被喻為細(xì)胞的“動力工廠”或“換能中心”。第十三章線粒體第13章線粒體概述1890年，Altmann首次在動物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，并稱之為“bioblast”（“生命小體”）；1897年，Benda依其在光學(xué)顯微鏡下的形態(tài)學(xué)特征而命名為線粒體(mitochondria)，被一直沿用至今。第13章線粒體目的要求一、掌握：1．線粒體的亞微結(jié)構(gòu)。2．線粒體的功能。二、熟悉：1．呼吸鏈。2．線粒體ATP合成酶。3．線粒體的半自主性。三、了解：1．線粒體的生物發(fā)生。2．線粒體與醫(yī)學(xué)第13章線粒體形態(tài)多樣：通常是線狀、粒狀、短桿狀。大小可變：直徑0.2～

1.0μm;長度1～4μm。細(xì)胞內(nèi)較大的細(xì)胞器。數(shù)量不等：正常細(xì)胞中1000—2000個。一.線粒體的結(jié)構(gòu)

（一）形態(tài)、數(shù)量及分布

分布不均：通常分布于細(xì)胞生理功能旺盛的區(qū)域和需要能量較多的部位。第13章線粒體（二）線粒體的亞微結(jié)構(gòu)雙層膜結(jié)構(gòu)外膜內(nèi)膜膜間隙（外腔）基質(zhì)腔（內(nèi)腔）第13章線粒體外膜

厚5—7nm，平整、光滑。含多種孔蛋白，允許分子量為1KD以內(nèi)的物質(zhì)自由通過--通透性高。第13章線粒體蛋白含量高，約占其重量的3/4；通透性低，Ｈ＋、ATP、及丙酮酸等不能自由通過內(nèi)膜，必需借助于膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的協(xié)助，才能進(jìn)行跨膜運(yùn)輸；內(nèi)膜第13章線粒體

寬6-8nm，又稱外腔，含多種可溶性酶、底物及輔助因子。膜間隙第13章線粒體內(nèi)突為嵴，增大膜的表面積，板狀，管狀，其量、形態(tài)與生理狀態(tài)有關(guān)；嵴第13章線粒體基質(zhì)嵴間腔嵴內(nèi)空間基質(zhì)內(nèi)充滿較致密的物質(zhì)。如線粒體DNA、線粒體核糖體、各種蛋白和酶。

嵴和嵴圍成的腔隙－－嵴間腔。第13章線粒體基粒

內(nèi)膜和嵴膜基質(zhì)面上許多帶柄的小顆粒，與膜面垂直而規(guī)律排列。

其頭部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，故又稱為ATP合酶復(fù)合體。第13章線粒體線粒體的一般化學(xué)成分1.蛋白質(zhì)：線粒體干重的65%-70%，內(nèi)膜含量較多2.脂類：線粒體干重的25%-30%，主要為磷脂4.水、輔酶、維生素、金屬離子、酶等二.線粒體的化學(xué)組成3.DNA、RNA第13章線粒體線粒體是細(xì)胞內(nèi)酶含量最多的細(xì)胞器之一(120多種）線粒體的標(biāo)志酶:外膜：單胺氧化酶內(nèi)膜：細(xì)胞色素氧化酶膜間腔：腺苷酸激酶基質(zhì)：蘋果酸脫氫酶線粒體中酶的定位第13章線粒體呼吸鏈由線粒體內(nèi)膜上有序排列的化學(xué)物質(zhì)組成，能可逆地接受和釋放電子或H+。因此又稱為電子傳遞鏈。

呼吸鏈的成分：

四種脂蛋白復(fù)合物（復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）

細(xì)胞色素c輔酶Q第13章線粒體主要功能：進(jìn)行三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化，合成ATP，為細(xì)胞生命活動提供直接能源。

線粒體是糖、脂肪、氨基酸等能源物質(zhì)最終氧化釋放能量的場所。生命活動中95%的能量來自線粒體-細(xì)胞的動力工廠三.線粒體的功能其他功能：離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞內(nèi)氧自由基的生成、細(xì)胞凋亡、衰老第13章線粒體細(xì)胞內(nèi)的供能物質(zhì)（葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等）在酶的作用下被徹底氧化分解成CO2和H2O，同時釋放能量的過程。又稱細(xì)胞呼吸。細(xì)胞氧化第13章線粒體葡萄糖的細(xì)胞氧化包括四個步驟：

糖酵解乙酰輔酶A形成三羧酸循環(huán)電子傳遞偶聯(lián)氧化磷酸化細(xì)胞氧化第13章線粒體葡萄糖的細(xì)胞氧化糖酵解：葡萄糖→丙酮酸（細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行）（伴脫氫）有氧氧化（進(jìn)入線粒體，轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴］o酶A）O2充足無氧氧化(分解成乳酸和CO2)

O2不足第13章線粒體葡萄糖的細(xì)胞氧化糖酵解：

乙酰輔酶A形成：丙酮酸→乙酰輔酶A（乙酰CoA

）（線粒體基質(zhì)中進(jìn)行）第13章線粒體葡萄糖丙酮酸NADNADH2CO2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NADNADH2CO2

-酮戊二酸NADNADH2CO2琥珀酸FADFADH2延胡索酸蘋果酸NADNADH21231三羧酸循環(huán)（線粒體基質(zhì)中進(jìn)行）脫羧、脫氫（4對）第13章線粒體電子傳遞和氧化磷酸化：

供能物質(zhì)經(jīng)過酵解、乙酰輔酶A生成、三羧酸循環(huán)脫下的H，不能直接與O2結(jié)合生成H2O。一般認(rèn)為H須首先離解→H++e-，電子經(jīng)過線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈逐級傳遞，最終使1/2O2成為O2-，后者再與基質(zhì)中的2個H+

結(jié)合生成H2O。葡萄糖的細(xì)胞氧化第13章線粒體呼吸鏈由線粒體內(nèi)膜上有序排列的化學(xué)物質(zhì)組成，能可逆地接受和釋放電子或H+。因此又稱為電子傳遞鏈。

呼吸鏈的成分：

四種脂蛋白復(fù)合物（復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）

細(xì)胞色素c輔酶Q第13章線粒體復(fù)合物Ⅰ輔酶Q復(fù)合物Ⅲ細(xì)胞色素C復(fù)合物ⅣFADH2復(fù)合物Ⅱ2e－2e－2e－2e－2e－2e－1/2O22e－2e－NADH電子傳遞鏈組分及反應(yīng)序列示意圖復(fù)合物Ⅰ：NADH-CoQ氧化還原酶復(fù)合物Ⅱ:琥珀酸－CoQ還原酶復(fù)合物Ⅲ:CoQ－細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合物Ⅳ:細(xì)胞色素c氧化酶第13章線粒體兩條主要的呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ→輔酶Q→Ⅲ→細(xì)胞色素c→Ⅳ（電子供體：NADH）復(fù)合物Ⅱ→輔酶Q→Ⅲ→細(xì)胞色素c→Ⅳ（電子供體：FADH2）線粒體-電子傳遞鏈.mov第13章線粒體電子傳遞和氧化磷酸化：當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧形成水時，同時，電子傳遞過程中釋放的能量被用于ADP磷酸化形成ATP，這一過程稱為氧化磷酸化。氧化磷酸化是生成ATP的一種主要方式。氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制：化學(xué)滲透假說。葡萄糖的細(xì)胞氧化第13章線粒體

1961年，由英國的生物化學(xué)家米切爾（Mitchell）提出氧化磷酸化的化學(xué)滲透假說，他因此獲得了1978年諾貝爾化學(xué)獎化學(xué)滲透假說第13章線粒體化學(xué)滲透假說基本思想：線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈起質(zhì)子泵的作用，利用高能電子傳遞過程中釋放的能量將H電離形成的H+泵出內(nèi)膜外，造成內(nèi)膜內(nèi)外的一個H+濃度梯度。H+順濃度梯度進(jìn)入線粒體內(nèi)部時,失去的勢能則通過ATP合成酶的作用轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在ATP分子中.第13章線粒體氧化磷酸化：生成ATP（化學(xué)滲透假說）第13章線粒體ATP合成酶的工作原理是什么？

------------ATP合成酶的作用機(jī)制第13章線粒體α3β3γδε，其中α和β單位交替排列，狀如桔瓣。每個β亞基有一個ATP合成的催化位點。γ貫穿αβ復(fù)合體，并與F0接觸，ε幫助γ與F0結(jié)合（相當(dāng)于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子）

。δ與F0的ab2形成固定αβ復(fù)合體的結(jié)構(gòu)（相當(dāng)于發(fā)電機(jī)的定子）。ab2c12，嵌入內(nèi)膜，具有質(zhì)子（H+）通道。ATP合成酶（ATPsynthase）ADP+PiATP第13章線粒體“結(jié)合變化機(jī)制”

依照Boyer的結(jié)合變化機(jī)制假說，ATP合成過程中，主要涉及的是F１中3個β亞基在“轉(zhuǎn)子”轉(zhuǎn)動驅(qū)動下的構(gòu)象變化。

β亞基有三種構(gòu)象：①空置態(tài)（O態(tài)）：與ATP、ADP和Pi親和力弱；②松散結(jié)合態(tài)（L態(tài)）：同ADP和Pi的親和力較強(qiáng)；③緊密結(jié)合態(tài)（T態(tài)）：與ADP和Pi的結(jié)合很緊，因ADP與Pi靠近，因此生成ATP。

第13章線粒體“結(jié)合變化機(jī)制”每一個β亞基催化合成1分子ATP時，均要順序經(jīng)歷O態(tài)→L態(tài)→T態(tài)。3個β亞基在同一時刻處于不同的構(gòu)象狀態(tài)。線粒體ATP合酶.mov第13章線粒體四.線粒體的半自主性

線粒體具有自我繁殖所必需的基本組分和功能→自主的一面線粒體的自我繁殖及一系列功能活動，還受細(xì)胞核基因組控制→不自主的一面∴線粒體具有半自主性第13章線粒體

自主的一面：

1）含DNA（mitochodrionDNA，mtDNA）；雙鏈環(huán)狀、裸露不與組蛋白結(jié)合、一個或多個全長：16569bp37個基因2種編碼rRNA(12S和16S）基因22種編碼tRNA基因13種編碼蛋白質(zhì)基因第13章線粒體自主的一面：

2）有自己的蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)，如：氨基酸活化酶、核糖體等。3）有自己的遺傳密碼；密碼子通用密碼編碼線粒體密碼編碼AUA，AUU異亮氨酸蛋氨酸UAG終止色氨酸AGA，AGG精氨酸終止第13章線粒體不自主的一面：1）90%的線粒體蛋白都是由細(xì)胞核DNA編碼，并在細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成后再運(yùn)送到線粒體中（進(jìn)口）；2）mtDNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯過程所需的酶等都由核DNA編碼。3）線粒體核糖體蛋白也由細(xì)胞核DNA編碼；所以，如果沒有細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)，mtDNA就不能表達(dá)。第13章線粒體五.核編碼蛋白質(zhì)向線粒體的轉(zhuǎn)運(yùn)特點：先合成后轉(zhuǎn)移需導(dǎo)肽序列（定位信號）的牽引導(dǎo)肽（leaderpeptide）線粒體蛋白質(zhì)前體肽鏈N端的一段特殊序列。一般約由10～80個氨基酸殘基組成，能指引線粒體蛋白前體運(yùn)輸至線粒體中。第13章線粒體（一）mtDNA突變與疾病mtDNA突變

→

線粒體病線粒體病（mitochondrialdiseases，MD）特點：1.MD多數(shù)由于線粒體DNA改變而引起。2.MD具有母系遺傳的特點。3.MD多為神經(jīng)、肌肉系統(tǒng)疾病。

六.線粒體與醫(yī)學(xué)第13章線粒體mtDNA突變類型主要基因突變疾病名稱mtDNA重排(缺失和重復(fù))慢性進(jìn)行性外側(cè)眼肌麻痹(CPEO)Keams-Sayre綜合征(KSS)糖尿病(DM)伴耳聾mtDNA點突變編碼蛋白質(zhì)基因G11778A,T14484C,G3460ALeber's遺傳性視神經(jīng)病(LHON)G14459A,T14569ALeber's遺傳性視神經(jīng)病/肌張力障礙T8993G/C神經(jīng)性肌無力，共濟(jì)失調(diào)，視網(wǎng)膜色素變性T8993G/CLeigh's綜合征人類線粒體病分類及主要mtDNA突變類型

第13章線粒體tRNA基因A3243G,T3271C,A3252G線粒體腦肌病伴乳酸酸中毒和中風(fēng)樣發(fā)作(MELAS)A8344G,T8356C肌陣攣性癲癇伴碎紅纖維病(MERRF)A3243G,T4274C慢性進(jìn)行性外側(cè)眼肌麻痹(CPEO)T14709C,A12320G肌病A3243G,A4269G心肌病A3243G,C12258A糖尿病伴耳聾G1606A,T10010C腦肌病G1664TLeigh's綜合征rRNA基因A7445G非綜合征感覺性神經(jīng)性耳聾A1555G氨基糖甙類誘導(dǎo)的非綜合征性耳聾第13章線粒體Leber遺傳性視神經(jīng)病雙胞胎患病兄弟視乳頭盤血管膨脹、視神經(jīng)萎縮,急性視覺喪失，通常在20歲左右發(fā)病。第13章線粒體（二）線粒體與疾病1、抗線粒體抗體（AMA）AMA主要出現(xiàn)在原發(fā)性膽汁性肝硬化病人的血清中，常用于黃疸及肝病病因的輔助診斷。

陽性見于：原發(fā)性膽