細(xì)胞生物學(xué)線粒體和細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換

1、細(xì)胞生物學(xué)線粒體和細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換概述概述 第一節(jié)第一節(jié) 線粒體的基本特征線粒體的基本特征 第二節(jié)第二節(jié) 細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換第三節(jié)第三節(jié) 細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換第四節(jié)第四節(jié) 線粒體與人類學(xué)、醫(yī)學(xué)研究線粒體與人類學(xué)、醫(yī)學(xué)研究 內(nèi)容內(nèi)容 地球上一切生命活動所需要的能量主要來源于太陽能。 但不同生物代謝時吸收能量的機制不同，光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能只發(fā)生在具有葉綠素的植物和一些有光合能力的細(xì)菌中，它們能通過光合作用，將無機物（如CO2和H2O）轉(zhuǎn)化成可被自身利用的有機物，這種生物是自養(yǎng)生物（autotroph）。 而動物細(xì)胞不具有葉綠體，它們以自養(yǎng)生物合成的有機物為營養(yǎng)，通過分解代謝而取

2、得能量，因而被稱為異養(yǎng)生物（heterotroph）。 動物細(xì)胞實現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)換的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)就是線粒體（單數(shù)mitochondrion；復(fù)數(shù)mitochondria）。 除去水分之外，線粒體的主要成分是蛋白質(zhì)，約占組分總量的65%70%，多數(shù)分布于內(nèi)膜和基質(zhì)。線粒體蛋白質(zhì)分為兩類： 一類是可溶性蛋白，包括基質(zhì)中的酶和膜外周蛋白； 另一類是不溶性蛋白，為膜結(jié)構(gòu)蛋白或膜鑲嵌酶蛋白。 線粒體含有眾多酶系，目前已確認(rèn)有120余種，是細(xì)胞中含酶最多的細(xì)胞器。這些酶分別位于線粒體的不同部位，在線粒體行使細(xì)胞氧化功能時起重要的作用。 光鏡下的線粒體呈線狀、粒狀或桿狀等，直徑。不同類型或不同生理狀態(tài)的細(xì)胞，其

3、線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)目及排列分布常不相同。 線粒體的數(shù)量可因細(xì)胞種類而不同，最少的細(xì)胞只含1個線粒體，最多的達(dá)50萬個，其總體積可占細(xì)胞體積的25%。這與細(xì)胞本身的代謝活動有關(guān)，代謝旺盛需要能量較多時，線粒體數(shù)目較多；反之線粒體的數(shù)目則較少。 線粒體在很多細(xì)胞中呈彌散均勻分布狀態(tài)，但一般較多聚集在生理功能旺盛、需要能量供應(yīng)的區(qū)域，如在肌細(xì)胞中，線粒體集中分布在肌原纖維之間；在精子細(xì)胞中，線粒體圍繞鞭毛中軸緊密排列，以利于精子運動尾部擺動時的能量供應(yīng)；有時，同一細(xì)胞在不同生理狀況下，可發(fā)現(xiàn)線粒體變形移位現(xiàn)象。 電鏡下，線粒體是由雙層單位膜套疊而成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu)。兩層膜將線粒體內(nèi)部空間與細(xì)胞質(zhì)

4、隔離，并使線粒體內(nèi)部空間分隔成兩個膜空間，構(gòu)成線粒體的支架。（一）外膜是一層單位膜（一）外膜是一層單位膜 外膜（outer membrane）是線粒體最外層所包繞的一層單位膜，厚約57nm，光滑平整。在組成上，外膜的脂質(zhì)和蛋白質(zhì)成分各占1/2。外膜中含有整合蛋白孔蛋白（porin），它們以片層結(jié)構(gòu)形式形成直徑23nm桶狀通道，跨越脂質(zhì)雙層，可以通過相對分子質(zhì)量在5 000以下的物質(zhì)。（二）內(nèi)膜向基質(zhì)折疊形成特定的內(nèi)部空間（二）內(nèi)膜向基質(zhì)折疊形成特定的內(nèi)部空間 內(nèi)膜（inner membrane）比外膜稍薄，平均厚，也是一層單位膜。內(nèi)膜的化學(xué)組成中20%是脂類，80%是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)的含量明顯高

5、于其他膜成分。 內(nèi)膜將線粒體的內(nèi)部空間分成兩部分，其中由內(nèi)膜直接包圍的空間稱內(nèi)腔，含有基質(zhì)，也稱基質(zhì)腔（matrix space）；內(nèi)膜與外膜之間的空間稱為外腔，或膜間腔（intermembrane space）。內(nèi)膜上有大量向內(nèi)腔突起的折疊（infolding），形成嵴（cristae）。嵴與嵴之間的內(nèi)腔部分稱嵴間腔（intercristal space），而由于嵴向內(nèi)腔突進(jìn)造成的外腔向內(nèi)伸入的部分稱為嵴內(nèi)空間（intracristal space）。嵴的形成大大擴大了內(nèi)膜的面積，提高了內(nèi)膜的代謝效率。 內(nèi)膜（包括嵴）的內(nèi)表面附著許多突出于內(nèi)腔的顆粒稱為基粒（elementary parti

6、cle) 基粒分為頭部、柄部和基片三部分，是由多種蛋白質(zhì)亞基組成的復(fù)合體。 基粒頭部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，因此，基粒又稱ATP合酶復(fù)合體（ATP synthase complex）。 （三）內(nèi)外膜轉(zhuǎn)位接觸點形成核編碼蛋白質(zhì)進(jìn)（三）內(nèi)外膜轉(zhuǎn)位接觸點形成核編碼蛋白質(zhì)進(jìn)入線粒體的通道入線粒體的通道 線粒體的內(nèi)、外膜上存在著一些內(nèi)膜與外膜相互接觸的地方為轉(zhuǎn)位接觸點（translocation contact site）。是蛋白質(zhì)等物質(zhì)進(jìn)出線粒體的通道。（四）基質(zhì)為物質(zhì)氧化代謝提供場所（四）基質(zhì)為物質(zhì)氧化代謝提供場所 線粒體內(nèi)腔充滿了電子密度較低的可溶性蛋白質(zhì)和脂肪等成分，稱之為基質(zhì)

7、（matrix）。 線粒體中催化三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白質(zhì)合成等有關(guān)的酶都在基質(zhì)中。 還含有線粒體獨特的雙鏈環(huán)狀DNA、核糖體，這些構(gòu)成了線粒體相對獨立的遺傳信息復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)。 （一）線粒體有自己的遺傳系統(tǒng)和蛋白質(zhì)翻譯系（一）線粒體有自己的遺傳系統(tǒng)和蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)統(tǒng) 線粒體雖然有自己的遺傳系統(tǒng)和自己的蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)，且部分遺傳密碼也與核密碼有不同的編碼含義，但它與細(xì)胞核的遺傳系統(tǒng)構(gòu)成了一個整體。 線粒體的基因組只有一條DNA，稱為線粒體DNA（mtDNA），mtDNA是裸露的。 在一個線粒體內(nèi)往往有1至數(shù)個mtDNA分子，平均為510個。它主要編碼線粒體的tRNA、rR

8、NA及一些線粒體蛋白質(zhì)，如電子傳遞鏈酶復(fù)合體中的亞基。 但由于線粒體中大多數(shù)酶或蛋白質(zhì)仍由核編碼，所以它們在細(xì)胞質(zhì)中合成后經(jīng)特定的方式轉(zhuǎn)送到線粒體中。（二）線粒體基因組為一條雙鏈環(huán)狀的（二）線粒體基因組為一條雙鏈環(huán)狀的DNA分子分子 人線粒體基因組的全序列測定早已完成，線粒體基因組的序列（又稱劍橋序列）共含16569個堿基對（bp），為一條雙鏈環(huán)狀的DNA分子。雙鏈中一為重鏈（H），一為輕鏈（L ） 。 重鏈編碼12SrRNA、16SrRNA、NADH-CoQ氧化還原酶1（NADH-CoQ oxidoreductase 1，ND1）、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5、細(xì)胞色素C氧化酶1

9、（cytochrome coxidase , COX）、COX、COX、細(xì)胞色素b 的亞基、ATP合酶的第6亞單位和第8亞單位（A6、A8）及14個tRNA等（圖中用小寫字母表示，表示其對應(yīng)的氨基酸）； 重鏈和輕鏈上的編碼物各不相同,人類線粒體基因組共編碼了37個基因。 輕鏈編碼了ND6及8個tRNA。 由這13個基因所編碼的蛋白質(zhì)均已確定，其中3個為構(gòu)成細(xì)胞色素c氧化酶（COX）復(fù)合體（復(fù)合體）催化活性中心的亞單位（COX、COX和COX）；2個為ATP合酶復(fù)合體（復(fù)合體）F0部分的2個亞基（A6和A8）；7個為NADH-CoQ還原酶復(fù)合體（復(fù)合體）的亞基（ND1、ND2、ND3、ND4L、

10、ND4、ND5和ND6）；還有1個編碼的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)為CoQH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合體（復(fù)合體）中細(xì)胞色素b 的亞基。（三）重鏈和輕鏈各有一個啟動子啟動線粒體基（三）重鏈和輕鏈各有一個啟動子啟動線粒體基因的轉(zhuǎn)錄因的轉(zhuǎn)錄 線粒體基因組的轉(zhuǎn)錄是從兩個主要的啟動子處開始轉(zhuǎn)錄的，分別為重鏈啟動子（heavy-strand promoter，HSP）和輕鏈啟動子（light-strand promoter，LSP） 與核合成mRNA不同，線粒體mRNA不含內(nèi)含子，也很少有非翻譯區(qū)。每個mRNA5端的起始密碼或三個堿基為AUG（或AUA），UAA的終止密碼位于mRNA的3端。某些情況下，一個堿基U就是mt

11、DNA體系中的終止密碼子。 線粒體mRNA翻譯的起始氨基酸為甲酰甲硫氨酸，這點與原核生物類似。另外線粒體的遺傳密碼也與核基因不完全相同，例如UGA在核編碼系統(tǒng)中為終止密碼，但在人類細(xì)胞的線粒體編碼系統(tǒng)中，它編碼色氨酸。密碼子核密碼子編碼氨基酸線粒體密碼子編碼氨基酸哺乳動物果 蠅鏈孢酶菌酵 母植 物UGA終止密碼子色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸終止密碼子AGA、AGG精氨酸終止密碼子絲氨酸精氨酸精氨酸精氨酸AUA異亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸異亮氨酸異亮氨酸異亮氨酸AUU異亮氨酸異亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸異亮氨酸CUU、CUCCUA、CUG亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸蘇氨酸亮氨酸線粒體與核密碼子編碼氨基酸

12、比較線粒體與核密碼子編碼氨基酸比較 線粒體基因中兩個重疊基因，一個是復(fù)合物的ND4L和ND4，另一個是復(fù)合物的ATP酶8和ATP酶6。（四）線粒體（四）線粒體DNA的復(fù)制是一個緩慢而復(fù)雜的過的復(fù)制是一個緩慢而復(fù)雜的過程程 人類mtDNA也是單一的復(fù)制起始，mtDNA的復(fù)制起始點被分成兩半，一個是在重鏈上，稱為重鏈復(fù)制起始點（OH），位于環(huán)的頂部，tRNAPhe基因（557）和 tRNAPro基因（16023）之間的控制區(qū)，它控制重鏈子鏈DNA的自我復(fù)制；一個是在輕鏈上，稱為輕鏈復(fù)制起始點（OL），位于環(huán)L的“8點鐘”位置，它控制輕鏈子鏈DNA的自我復(fù)制。 （一）核編碼蛋白在進(jìn)入線粒體需要分子伴

13、侶蛋（一）核編碼蛋白在進(jìn)入線粒體需要分子伴侶蛋白的協(xié)助白的協(xié)助 線粒體內(nèi)含有10001500種蛋白質(zhì)，除上述的13種多肽外，98以上是由細(xì)胞核DNA編碼，在細(xì)胞質(zhì)核糖體合成后運入線粒體的。 線粒體含有4個蛋白質(zhì)輸入的亞區(qū)域：線粒體外膜、線粒體內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)。而在這些核編碼蛋白在進(jìn)入線粒體的過程中，需要一類被稱為分子伴侶（molecular chaperon）的蛋白質(zhì)的協(xié)助，其中絕大多數(shù)線粒體蛋白被輸入到基質(zhì)，少數(shù)輸入到膜間腔以及插入到內(nèi)膜和外膜上。 輸入到線粒體的蛋白質(zhì)都在其N-端具有一段線粒體靶序列稱為基質(zhì)導(dǎo)入順序（matrix-targeting sequence，MTS），線粒體外膜

14、和內(nèi)膜上的受體能識別并結(jié)合各種不同的但相關(guān)的MTS。線粒體定位蛋白質(zhì)基質(zhì)乙醇脫氫酶（酵母）氨甲酰磷酸合酶（哺乳動物）檸檬酸合酶（citrate synthase）與其他檸檬酸酶DNA聚合酶F1ATP酶亞單位（除植物外），、（某些真菌）Mn2+超氧物岐化酶鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶（哺乳動物）鳥氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（哺乳動物）核糖體蛋白質(zhì)RNA聚合酶內(nèi)膜ADP/ATP 反向轉(zhuǎn)運體（antiporter）復(fù)合體亞基1、2、5（鐵-硫蛋白）、6、7復(fù)合體（COX）亞基4，5，6，7 F0ATP酶生熱蛋白（thermogenin）膜間腔細(xì)胞色素c細(xì)胞色素c過氧化物酶細(xì)胞色素b2和c1（復(fù)合體亞基） 部分核編碼的線粒體蛋白

15、部分核編碼的線粒體蛋白（二）前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài)（二）前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài) 當(dāng)線粒體蛋白可溶性前體 (soluble precursor of mitochondrial proteins)在核糖體內(nèi)形成以后，少數(shù)前體蛋白與一種稱為新生多肽相關(guān)復(fù)合物(nascent-associated complex，NAC)的分子伴侶蛋白相互作用。 在哺乳動物的胞質(zhì)中存在著： 前體蛋白的結(jié)合因子（presequence-binding factor，PBF），它能夠增加hsc70對線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運； 線粒體輸入刺激因子（mitochondrial import stimulator

16、y factor，MSF），常單獨發(fā)揮著ATP酶的作用，為聚集蛋白的解聚提供能量。 前體蛋白與MSF所形成的復(fù)合體能進(jìn)一步與外膜上的一套受體Tom37和Tom70相結(jié)合。 Tom37和Tom70把前體蛋白轉(zhuǎn)移到第二套受體Tom20和Tom22，同時釋放MSF。 與前體蛋白結(jié)合的受體Tom20和Tom22與外膜上的通道蛋白Tom40（第三套受體）相偶聯(lián)。 后者與內(nèi)膜的接觸點共同組成一個直徑為的越膜通道（tim17受體系統(tǒng), 非折疊的前體蛋白通過這一通道轉(zhuǎn)移到線粒體基質(zhì)。（三）分子運動產(chǎn)生的動力協(xié)助多肽鏈穿越線粒（三）分子運動產(chǎn)生的動力協(xié)助多肽鏈穿越線粒體膜體膜 前體蛋白一旦和受體結(jié)合后，就要和外

17、膜及內(nèi)膜上膜通道發(fā)生作用才可進(jìn)入線粒體。在此過程中，一種也為分子伴侶的線粒體基質(zhì)hsc70（mthsp70）可與進(jìn)入線粒體腔的前導(dǎo)肽鏈交聯(lián)，提示mthsp70參與了蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運。 Simon等提出一種作用機制，即布朗棘輪模型（Brownian Rachet model）： （四）多肽鏈需要在線粒體基質(zhì)內(nèi)重新折疊才形（四）多肽鏈需要在線粒體基質(zhì)內(nèi)重新折疊才形成有活性的蛋白質(zhì)成有活性的蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運至線粒體基質(zhì)后，必須恢復(fù)其天然構(gòu)象以行使功能。當(dāng)?shù)鞍卓邕^線粒體膜后，大多數(shù)定位于基質(zhì)的蛋白被基質(zhì)作用蛋白酶（matrix processing protease, MPP）所移除。 在大多數(shù)情況

18、下，輸入多肽的最后折疊還需要另外一套基質(zhì)分子伴侶如hsc60、hsc10的協(xié)助。（五）線粒體蛋白以類似的機制進(jìn)入線粒體其他（五）線粒體蛋白以類似的機制進(jìn)入線粒體其他部位部位 線粒體蛋白除了向線粒體基質(zhì)的轉(zhuǎn)運外，還包括線粒體蛋白的膜間腔、內(nèi)膜和外膜的轉(zhuǎn)運，這類線粒體蛋白除了都具有MTS外，一般還都具有第2類信號順序。 細(xì)胞凋亡的研究已經(jīng)從細(xì)胞核控制凋亡過程的研究部分地轉(zhuǎn)移到線粒體控制凋亡過程的研究上來。（一）許多證據(jù)顯示線粒體是控制細(xì)胞死亡的中（一）許多證據(jù)顯示線粒體是控制細(xì)胞死亡的中心環(huán)節(jié)之一心環(huán)節(jié)之一無論死亡細(xì)胞的類型是什么，也無論導(dǎo)致細(xì)胞死亡的因素是什么，細(xì)胞死亡（包括凋亡和壞死）的共同特

19、征是在細(xì)胞死亡前都有線粒體膜通透性改變；相對于其他細(xì)胞生物學(xué)指標(biāo)（包括caspase）而言，線粒體通透性的改變是預(yù)測細(xì)胞死亡更有價值的指標(biāo)；加大原凋亡效應(yīng)物的作用劑量可通過作用于線粒體膜而誘導(dǎo)線粒體膜通透性的改變；Bcl-2家族中抑制凋亡的成員能與線粒體膜蛋白產(chǎn)生交叉反應(yīng)，通過其抑制線粒體膜通透性而抑制細(xì)胞凋亡；通過特異性藥物抑制線粒體膜的通透性可阻止或延緩細(xì)胞死亡；無細(xì)胞系統(tǒng)已分離出一些線粒體蛋白，它們具有水解酶活性。這些研究都說明線粒體構(gòu)成了導(dǎo)致細(xì)胞死亡的一個或幾個關(guān)鍵步驟。（二）線粒體的改變構(gòu)成了細(xì)胞死亡的原因或表（二）線粒體的改變構(gòu)成了細(xì)胞死亡的原因或表現(xiàn)現(xiàn) 線粒體在能量代謝和自由基代

20、謝中占據(jù)十分重要的地位，線粒體產(chǎn)生大量超氧陰離子，并通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)形成活性氧（ROS），當(dāng)ROS水平較低時，可促進(jìn)細(xì)胞增生；而當(dāng)ROS水平較高時，使得線粒體內(nèi)膜非特異性通透性孔道（MPTP）開放，不僅導(dǎo)致跨膜電位崩潰，也使cyto c外漏，再啟動caspase的級聯(lián)活化，最終由caspase-3啟動凋亡。（三）線粒體控制著某些細(xì)胞死亡過程的中心環(huán)（三）線粒體控制著某些細(xì)胞死亡過程的中心環(huán)節(jié)節(jié) 與線粒體有關(guān)的細(xì)胞死亡的三個時限（phase）： 一是線粒體前期，這是誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的因子通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑級聯(lián)傳遞或損傷途徑被激活的過程，因此也稱為誘導(dǎo)期或起始期，由于不同的誘導(dǎo)因子有不同的作用途徑，所以這一

21、時期也屬于私有途徑（private pathway）； 二是線粒體期，在這一時期線粒體膜的通透性發(fā)生改變，這是線粒體控制細(xì)胞死亡的關(guān)鍵時期，一旦進(jìn)入這一點，細(xì)胞將不可避免地發(fā)生后續(xù)過程，故也稱為效應(yīng)期（effector phase）或決定期（decisive phase）； 三是線粒體后期，也稱為降解期，從線粒體釋放的蛋白質(zhì)，激活蛋白酶和核酸酶，后者進(jìn)一步介導(dǎo)后續(xù)的死亡機制。由于第二期和第三期是不同因素導(dǎo)致細(xì)胞死亡的共同途路，因此也稱為共有途徑（common pathway）。（一）線粒體是通過分裂方式實現(xiàn)增殖的（一）線粒體是通過分裂方式實現(xiàn)增殖的 對于現(xiàn)代真核細(xì)胞中的線粒體發(fā)生（biogen

22、esis）機制，目前有三種關(guān)于線粒體生物發(fā)生的觀點，即重新合成、起源于非線粒體的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及通過原有線粒體的分裂形成。 Attardi等認(rèn)為，線粒體的生物發(fā)生過程分兩個階段。在第一階段，線粒體的膜進(jìn)行生長和復(fù)制，然后分裂增殖；第二階段包括線粒體本身的分化過程，建成能夠行使氧化磷酸化功能的機構(gòu)。線粒體的生長和分化階段分別接受細(xì)胞核和線粒體兩個獨立的遺傳系統(tǒng)控制。（二）線粒體的起源尚無定論（二）線粒體的起源尚無定論 線粒體可能起源于古老厭氧真核細(xì)胞共生的早期細(xì)菌。在之后的長期進(jìn)化過程中，二者共生聯(lián)系更加密切，共生物的大部分遺傳信息轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核上，這樣留在線粒體上的遺傳信息大大減少，即線粒體起源的

23、內(nèi)共生學(xué)說。許多證據(jù)支持這一假說：線粒體的遺傳系統(tǒng)與細(xì)菌相似，如DNA呈環(huán)狀、不與組蛋白結(jié)合；線粒體的蛋白質(zhì)合成方式與細(xì)菌相似，如核糖體為70S，抑制蛋白質(zhì)合成的機制等。但這一機制也有不足之處，所以有學(xué)者提出了非共生假說。 較高等的動物都能依靠呼吸系統(tǒng)從外界吸取O2并排出CO2。細(xì)胞也存在有這樣的呼吸作用，即在細(xì)胞內(nèi)特定的細(xì)胞器（主要是線粒體）內(nèi)，在O2的參與下，分解各種大分子物質(zhì)，產(chǎn)生CO2；與此同時，分解代謝所釋放出的能量儲存于ATP中，這一過程稱為細(xì)胞呼吸(cellular respiration)，也稱為生物氧化（biological oxidation) 或細(xì)胞氧化(cellular

24、 oxidation)。 細(xì)胞呼吸是細(xì)胞內(nèi)提供生物能源的主要途徑，它的化學(xué)本質(zhì)與燃燒反應(yīng)相同，最終產(chǎn)物都是 CO2和H2O，釋放的能量也完全相等。細(xì)胞呼吸有以下特點： 細(xì)胞呼吸本質(zhì)上是在線粒體中進(jìn)行的一系列由酶系所催化的氧化還原反應(yīng)； 所產(chǎn)生的能量儲存于ATP的高能磷酸鍵中； 整個反應(yīng)過程是分步進(jìn)行的，能量也是逐步釋放的； 反應(yīng)是在恒溫(37)和恒壓條件下進(jìn)行的； 反應(yīng)過程中需要H2O的參與。 細(xì)胞呼吸所產(chǎn)生的能量并不像燃燒所產(chǎn)生的熱能那樣散發(fā)出來，而是儲存于細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換分子ATP中。ATP是一種高能磷酸化合物，細(xì)胞呼吸時，釋放的能量可通過ADP的磷酸化而及時儲存于ATP 的高能磷酸鍵中作為備

25、用；反之，當(dāng)細(xì)胞進(jìn)行各種活動需要能量時，又可去磷酸化，斷裂一個高能磷酸鍵以釋放能量來滿足機體需要。A-PPP去磷酸化磷酸化A-P 隨著細(xì)胞內(nèi)不斷進(jìn)行的能量釋放和儲存，ATP 與ADP 不停地進(jìn)行著互變。 因為ATP是細(xì)胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的中間攜帶者，所以被形象地稱為“能量貨幣”。ATP 是細(xì)胞生命活動的直接供能者，也是細(xì)胞內(nèi)能量獲得、轉(zhuǎn)換、 儲存和利用等環(huán)節(jié)的聯(lián)系紐帶。 “能量貨幣”ATP中所攜帶的能量來源于糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化，這些物質(zhì)的氧化是能量轉(zhuǎn)換的前提。以葡萄糖氧化為例，從糖酵解到ATP的形成是一個極其復(fù)雜的過程，大體分為三個步驟：即糖酵解、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化。蛋白質(zhì)和脂肪的徹底氧

26、化只在第一步中與糖有所區(qū)別。 一分子葡萄糖經(jīng)過十多步反應(yīng)，生成2分子丙酮酸，同時脫下2對H交給受氫體NAD+攜帶，形成2分子NADH+H+。NAD+能可逆地接受兩個電子和一個H+，另一個H+則留在溶質(zhì)中。在糖酵解過程中一共生成4分子ATP，但由于要消耗2分子ATP，所以凈生成 2分子的ATP。 這種由高能底物水解放能，直接將高能磷酸鍵從底物轉(zhuǎn)移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP的作用，稱為底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation）。 NADH+ H+ 進(jìn)入線粒體的方式較為復(fù)雜，必須借助于線粒體內(nèi)膜上特異性穿梭系統(tǒng)進(jìn)入線粒體內(nèi)。在線粒體基質(zhì)中丙酮酸脫氫酶體

27、系作用下，丙酮酸進(jìn)一步分解為乙酰輔酶A，NAD+作為受氫體被還原 。 在線粒體基質(zhì)中，乙酰CoA與草酰乙酸結(jié)合成檸檬酸而進(jìn)入檸檬酸循環(huán)，由于檸檬酸有3個羧基，故也稱為三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）。 循環(huán)中，檸檬酸經(jīng)過一系列酶促的氧化脫氫和脫羧反應(yīng)，其中的2個碳原子氧化形成CO2，從而削減了2個碳原子。在循環(huán)的末端，又重新生成草酰乙酸，而草酰乙酸又可和另1個乙酰CoA結(jié)合，生成檸檬酸，開始下一個循環(huán)，如此周而復(fù)始。 整個過程中，總共消耗了3個H2O，生成1分子的GTP（可轉(zhuǎn)變?yōu)?分子的ATP）、4對H和2分子CO2。 脫下的4對H，其中3對以NAD+為受氫體，另1對以FAD為受氫體。FAD能可逆地接

28、受2個H， 即兩個質(zhì)子和兩個電子，轉(zhuǎn)變成還原態(tài)FADH2。ATP/ADP及NADH/NAD+ 比值高時均能降低TAC循環(huán)的速度。 氧化磷酸化是釋放代謝能的主要環(huán)節(jié)，在這個過程中，NADH和FADH2分子把它們從食物氧化得來的電子轉(zhuǎn)移到氧分子。這一反應(yīng)相當(dāng)于氫原子在空氣中燃燒最終形成水的過程，釋放出的能量絕大部分用于生成ATP，少部分以熱的形式釋放。（一）呼吸鏈和（一）呼吸鏈和ATP合酶復(fù)合體是氧化磷酸化的合酶復(fù)合體是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 1分子的葡萄糖經(jīng)無氧氧化、丙酮酸脫氫和TAC循環(huán), 共產(chǎn)生了6分子的CO2和12對H，這些H必須進(jìn)一步氧化成為水，整個有氧氧化過程才告結(jié)束。 H并不能

29、與O2直接結(jié)合，一般認(rèn)為H須首先離解為H+和e-，電子經(jīng)過線粒體內(nèi)膜上酶體系的逐級傳遞，最終使1/2O2成為O2-，后者再與基質(zhì)中的2個H+化合生成H2O。這一傳遞電子的酶體系是由一系列能夠可逆地接受和釋放H+和e-的化學(xué)物質(zhì)所組成，它們在內(nèi)膜上有序地排列成相互關(guān)聯(lián)的鏈狀，稱為呼吸鏈（respiratory chain）或電子傳遞呼吸鏈（electron transport respiratory chain）。 只傳遞電子的酶和輔酶稱為電子傳遞體，它們可分為醌類、 細(xì)胞色素和鐵硫蛋白三類化合物；既傳遞電子又傳遞質(zhì)子的酶和輔酶稱為遞氫體。 除了泛醌(CoQ)和細(xì)胞色素c(Cyt c)外，組成呼

30、吸鏈的成員分別組成了、四個脂類蛋白質(zhì)復(fù)合體，它們是線粒體內(nèi)膜的整合蛋白。CoQ是脂溶性的蛋白質(zhì)，可在脂雙層中從膜的一側(cè)向另一側(cè)移動；Cyt c是膜邊周蛋白，可在膜表面移動。復(fù)合體酶活性分子量輔基 NADH-CoQ氧化還原酶85 000FMN 、FeS 琥珀酸- CoQ氧化還原酶97 000FAD、FeS CoQH2-細(xì)胞色素c氧化還原酶280 000血紅素b、 FeS血紅素c1 細(xì)胞色素c氧化酶200 000血紅素a、Cu血紅素a3線粒體電子傳遞鏈組分 線粒體內(nèi)膜（包括嵴）上附有許多圓球形基粒。 基粒由頭部、柄部和基片3部分組成：頭部呈球形，直徑約89nm；柄部直徑約4nm，長5nm；頭部與柄

31、部相連凸出在內(nèi)膜表面，柄部則與嵌入內(nèi)膜的基片相連。進(jìn)一步研究表明，基粒是將呼吸鏈電子傳遞過程中釋放的能量用于使ADP磷酸化生成ATP的關(guān)鍵裝置，是由多種多肽構(gòu)成的復(fù)合體，其化學(xué)本質(zhì)是ATP合酶復(fù)合體（ATP synthase complex），也稱F0F1 ATP合酶。（二）電子傳遞過程中釋放出的能量催化（二）電子傳遞過程中釋放出的能量催化ADP磷磷酸化而合成酸化而合成ATP實現(xiàn)氧化磷酸化偶聯(lián)實現(xiàn)氧化磷酸化偶聯(lián) 經(jīng)糖酵解和三羧酸循環(huán)產(chǎn)生的NADH和FADH2 是兩種還原性的電子載體，它們所攜帶的電子經(jīng)線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈逐級定向傳遞給O2，本身則被氧化。電子傳遞過程中釋放出的能量被F0F1AT

32、P酶復(fù)合體用來催化ADP磷酸化而合成ATP，這就是氧化磷酸化作用。 在正常情況下，氧化水平總是和磷酸化水平密切偶聯(lián)的，沒有磷酸化就不能進(jìn)行電子傳遞。根據(jù)對相鄰電子載體的氧化還原電位的測定表明，呼吸鏈中有3個主要的能量釋放部位，即NADHFMN，Cyt bCyt c之間，Cyt aO2之間。這3個部位釋放的能量依次為50800 J、41000 J和99500 J，每個部位裂解所釋放的能量都足以使一分子ADP磷酸化生成一個分子的ATP。 載氫體NADH和FADH2進(jìn)入呼吸鏈的部位不同，所釋放的自由能也有差異。1分子NADH+H+經(jīng)過電子傳遞，釋放的能量可以形成3分子ATP；而1分子FADH2所釋放的能量則能夠形成2分子ATP。 葡萄糖完全氧化所釋放的能量主要通過兩條途徑形成ATP： 底物水平磷酸化生成4分子ATP，其中在糖酵解和TAC循環(huán)中分別生成2分子ATP； 氧化磷酸化生成34個ATP分子。（三）（三）H+穿膜傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)闄M跨線粒體內(nèi)膜的電化穿膜傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)闄M跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)質(zhì)子梯度驅(qū)動結(jié)合在內(nèi)膜上的學(xué)質(zhì)子梯度驅(qū)動結(jié)合在內(nèi)膜上的ATP合酶催化合酶催化ADP磷酸化合成磷酸化合成ATP（化學(xué)滲透假說）：（化學(xué)滲透假說）： NADH或FADH2提供一對電子，經(jīng)電子傳遞鏈，最后為O2所接受； 電子傳遞鏈同時起H+泵的作用，在傳遞電子的過程中伴隨著H+從線粒體基質(zhì)到膜間