線粒體和細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換

1、線粒體和細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換線粒體和細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換2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2概 述 地球上一切生命活動(dòng)所需要的能量主要來(lái)源于太陽(yáng)能。 但不同生物代謝時(shí)吸收能量的機(jī)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(guò)光合作用，將無(wú)機(jī)物（如CO2和H2O）轉(zhuǎn)化成可被自身利用的有機(jī)物，這種生物是自養(yǎng)生物（autotroph）。 而動(dòng)物細(xì)胞不具有葉綠體，它們以自養(yǎng)生物合成的有機(jī)物為營(yíng)

2、養(yǎng)，通過(guò)分解代謝而取得能量，因而被稱為異養(yǎng)生物（heterotroph）。3 動(dòng)物細(xì)胞實(shí)現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)換的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)就是線粒體動(dòng)物細(xì)胞實(shí)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)（單數(shù)mitochondrionmitochondrion；復(fù)數(shù)；復(fù)數(shù)mitochondriamitochondria）。）。3 第一節(jié) 線粒體的基本特征一、線粒體的中含有眾多參與能量代謝的酶系 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)。4線粒體蛋白質(zhì)分為兩類：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；一類是可溶性蛋白，包括基質(zhì)中的酶和膜外周蛋白

3、； 另一類是不溶性蛋白，為膜結(jié)構(gòu)蛋白或膜鑲嵌酶蛋白。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)有線粒體含有眾多酶系，目前已確認(rèn)有120120余種，是細(xì)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(shí)起重要的作用。位，在線粒體行使細(xì)胞氧化功能時(shí)起重要的作用。4二、線粒體的形態(tài)、數(shù)量與分布與線粒體的類型和功能狀態(tài)有關(guān) 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

4、少的細(xì)胞只含1個(gè)線粒體，最多的達(dá)50萬(wàn)個(gè)，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(dòng)有關(guān)，代謝旺盛需要能量較多時(shí)，線粒體數(shù)目較多；反之線粒體的數(shù)目則較少。55 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(yùn)動(dòng)尾部擺動(dòng)時(shí)的能量供應(yīng)；有時(shí)，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。 66三、線粒體是由雙層單位膜套疊而成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu) 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)隔離，并使線粒體內(nèi)部空

5、間分隔成兩個(gè)膜空間，構(gòu)成線粒體的支架。7（一）外膜是一層單位膜（一）外膜是一層單位膜 外膜（外膜（outer membraneouter membrane）是線粒體最外層所包繞的）是線粒體最外層所包繞的一層單位膜，厚約一層單位膜，厚約5 57nm7nm，光滑平整。在組成上，外膜的，光滑平整。在組成上，外膜的脂質(zhì)和蛋白質(zhì)成分各占脂質(zhì)和蛋白質(zhì)成分各占1/21/2。外膜中含有整合蛋白孔蛋白。外膜中含有整合蛋白孔蛋白（porinporin），它們以），它們以片層結(jié)構(gòu)形式形成直徑片層結(jié)構(gòu)形式形成直徑2 23nm3nm桶狀桶狀通道，跨越脂質(zhì)雙層，可以通過(guò)相對(duì)分子質(zhì)量在通道，跨越脂質(zhì)雙層，可以通過(guò)相對(duì)分子質(zhì)

6、量在5,0005,000以以下的物質(zhì)。下的物質(zhì)。7（二）內(nèi)膜向基質(zhì)折疊形成特定的內(nèi)部空（二）內(nèi)膜向基質(zhì)折疊形成特定的內(nèi)部空間間 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)的含量明顯高于其他膜成分。8 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（接包圍的空間稱內(nèi)腔，含有基質(zhì)，也稱基質(zhì)腔（matrix matrix spacespace）；內(nèi)膜與外膜之間的空間稱為外腔，或膜間腔）；內(nèi)膜與外膜之間的空間稱為外腔，或膜間腔（inte

7、rmembrane spaceintermembrane space）。內(nèi)膜上有大量向內(nèi)腔突起的）。內(nèi)膜上有大量向內(nèi)腔突起的折疊（折疊（infoldinginfolding），形成嵴（），形成嵴（cristaecristae）。嵴與嵴之間）。嵴與嵴之間的內(nèi)腔部分稱嵴間腔（的內(nèi)腔部分稱嵴間腔（intercristal spaceintercristal space），而由于），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 spaceintracristal space）。嵴的形成大大擴(kuò)大了內(nèi)膜的）。嵴的形成大大擴(kuò)

8、大了內(nèi)膜的面積，提高了內(nèi)膜的代謝效率。面積，提高了內(nèi)膜的代謝效率。 8 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 particle) 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）。9910101111 （三）內(nèi)外膜轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)形成核編碼蛋（三）內(nèi)外膜轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)形成核編碼蛋白質(zhì)進(jìn)入線粒體的通道白質(zhì)進(jìn)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(diǎn)（translocation contac

9、t site）。是蛋白質(zhì)等物質(zhì)進(jìn)出線粒體的通道。1212（四）基質(zhì)為物質(zhì)氧化代謝提供場(chǎng)所（四）基質(zhì)為物質(zhì)氧化代謝提供場(chǎng)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)（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(dú)特的雙鏈環(huán)狀DNA、核糖體，這些構(gòu)成了線粒體相對(duì)獨(dú)立的遺傳信息復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)。 1313四、線粒體有自己相對(duì)獨(dú)立的遺傳體系（一）線粒體有自己的遺傳系統(tǒng)和蛋白質(zhì)（一）線粒體有自己的遺傳系統(tǒng)和蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)翻譯系統(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

10、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(gè)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(gè)線粒體內(nèi)往往有1至數(shù)個(gè)mtDNA分子，平均為510個(gè)。它主要編碼線粒體的tRNA、rRNA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?cè)诩?xì)胞質(zhì)中合成后經(jīng)特定的方式轉(zhuǎn)送到線粒體中。1414（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DNADNA分子分子 人線粒體基因組的全序列測(cè)定早已完成，線粒體基因組的序列（又稱劍橋序列）共含16569個(gè)堿基對(duì)（bp），為一條雙鏈環(huán)狀的DN

11、A分子。雙鏈中一為重鏈（H），一為輕鏈（L ） 。1515 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(gè)基因。 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（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(gè)tRNA等（圖中用小寫字母表示，表示其對(duì)應(yīng)的氨基酸）； 輕鏈編碼了ND6及8個(gè)tRNA。 16 161717 由這13個(gè)基因所編碼的

12、蛋白質(zhì)均已確定，其中3個(gè)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(gè)為ATP合酶復(fù)合體（復(fù)合體）F0部分的2個(gè)亞基（A6和A8）；7個(gè)為NADH-CoQ還原酶復(fù)合體（復(fù)合體）的亞基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）；還有1個(gè)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。18181919（三）重鏈和輕鏈各有一個(gè)啟動(dòng)子啟動(dòng)線（三）重鏈和輕鏈各有一個(gè)啟動(dòng)子啟動(dòng)線粒體基因的轉(zhuǎn)錄粒體基因的轉(zhuǎn)錄 線粒體基因組的轉(zhuǎn)錄是從兩個(gè)主要的啟動(dòng)子處開始轉(zhuǎn)錄的，分別為重鏈啟動(dòng)子（heavy-stran

13、d promoter，HSP）和輕鏈啟動(dòng)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(gè)mRNA5端的起始密碼或三個(gè)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(gè)堿基U就是mtDNA體系中的終止密碼子。2020 線粒體mRNA翻譯的起始氨基酸為甲酰甲硫氨酸，這點(diǎn)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。2121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(dòng)物果 蠅鏈孢酶菌酵 母植

14、 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22線粒體與核密碼子編碼氨基酸比較線粒體與核密碼子編碼氨基酸比較22 線粒體基因中兩個(gè)重疊基因，一個(gè)是復(fù)合物的ND4L和ND4，另一個(gè)是復(fù)合物的ATP酶8和ATP酶6。2323（四）線粒體（四）線粒體DNA的復(fù)制是一個(gè)緩慢而復(fù)的復(fù)制是一個(gè)緩慢而復(fù)雜的過(guò)程雜的過(guò)程 人類mtDNA也是單一的復(fù)制起始，mtDNA的復(fù)制起始點(diǎn)

15、被分成兩半，一個(gè)是在重鏈上，稱為重鏈復(fù)制起始點(diǎn)（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(gè)是在輕鏈上，稱為輕鏈復(fù)制起始點(diǎn)（OL），位于環(huán)L的“8點(diǎn)鐘”位置，它控制輕鏈子鏈DNA的自我復(fù)制。 24242525五、線粒體靶序列引導(dǎo)核編碼蛋白質(zhì)向線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)（一）核編碼蛋白在進(jìn)入線粒體需要分子（一）核編碼蛋白在進(jìn)入線粒體需要分子伴侶蛋白的協(xié)助伴侶蛋白的協(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(yùn)入線粒體的。 線粒體含有4個(gè)蛋白質(zhì)輸入的亞

16、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(guò)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。2626 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），線粒體外膜和內(nèi)膜上的受體能識(shí)別并結(jié)合各種不同的但相關(guān)的MTS。2727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(dòng)物）檸檬酸合酶（citrate synthase）與其他檸檬酸酶DNA聚合酶F1ATP酶亞

17、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(dòng)物）鳥氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（哺乳動(dòng)物）核糖體蛋白質(zhì)RNA聚合酶內(nèi)膜ADP/ATP 反向轉(zhuǎn)運(yùn)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(guò)氧化物酶細(xì)胞色素b2和c1（復(fù)合體亞基）28 部分核編碼的線粒體蛋白部分核編碼的線粒體蛋白28（二）前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀（二）前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài)態(tài) 當(dāng)線粒體蛋白可溶性前體 (soluble precursor of mitochondrial

18、 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。29 在哺乳動(dòng)物的胞質(zhì)中存在著：在哺乳動(dòng)物的胞質(zhì)中存在著： 前體蛋白的結(jié)合因子（前體蛋白的結(jié)合因子（presequence-binding factor，PBF），它能夠增加），它能夠增加hsc70對(duì)線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)；對(duì)線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)； 線粒體輸入刺激因子（線粒體輸入刺激因子（mitochondrial import stimulatory factor，MSF），常單獨(dú)發(fā)揮著），常單獨(dú)發(fā)揮著ATP酶的作用，酶的作用，為聚集蛋

19、白的解聚提供能量。為聚集蛋白的解聚提供能量。29 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(shí)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(diǎn)共同組成一個(gè)直徑為的越膜通道（tim17受體系統(tǒng), 非折疊的前體蛋白通過(guò)這一通道轉(zhuǎn)移到線粒體基質(zhì)。303031313232333334蛋白蛋白N N端具有兩個(gè)信序列，首先被運(yùn)送到基質(zhì)，然后端具有兩個(gè)信序列，首先被運(yùn)送到基質(zhì)，然后N N端信號(hào)肽被切除，暴露出導(dǎo)端

20、信號(hào)肽被切除，暴露出導(dǎo)向內(nèi)膜的信號(hào)序列，在向內(nèi)膜的信號(hào)序列，在OXAOXA的幫助下插入內(nèi)膜。如果第二段信號(hào)序列被內(nèi)膜外表面的的幫助下插入內(nèi)膜。如果第二段信號(hào)序列被內(nèi)膜外表面的異二聚體內(nèi)膜蛋白酶（異二聚體內(nèi)膜蛋白酶（heterodimeric inner membrane peptidaseheterodimeric inner membrane peptidase，Imp1/imp2Imp1/imp2）切）切除，則成為膜間隙蛋白。除，則成為膜間隙蛋白。N N端信號(hào)序列的后面有一段疏水序列，扮演停止轉(zhuǎn)移序列端信號(hào)序列的后面有一段疏水序列，扮演停止轉(zhuǎn)移序列的角色，能與的角色，能與TIM23TIM2

21、3復(fù)合體結(jié)合，當(dāng)進(jìn)入基質(zhì)的信號(hào)序列被切除后，脫離轉(zhuǎn)位因子復(fù)復(fù)合體結(jié)合，當(dāng)進(jìn)入基質(zhì)的信號(hào)序列被切除后，脫離轉(zhuǎn)位因子復(fù)合體而進(jìn)入內(nèi)膜，如果插入膜中的部分又被酶切除，側(cè)成為定位于膜間隙的蛋白。合體而進(jìn)入內(nèi)膜，如果插入膜中的部分又被酶切除，側(cè)成為定位于膜間隙的蛋白。線粒體內(nèi)膜上負(fù)責(zé)代謝底物產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白，如腺苷轉(zhuǎn)位酶是多次跨膜蛋白，線粒體內(nèi)膜上負(fù)責(zé)代謝底物產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白，如腺苷轉(zhuǎn)位酶是多次跨膜蛋白，其其N N端沒有可被切除的信號(hào)序列，但包含端沒有可被切除的信號(hào)序列，但包含3 36 6個(gè)內(nèi)部信號(hào)序列，可被個(gè)內(nèi)部信號(hào)序列，可被TIM22TIM22復(fù)合體插復(fù)合體插到內(nèi)膜上。到內(nèi)膜上。343535（三）分子運(yùn)

22、動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力協(xié)助多肽鏈穿（三）分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力協(xié)助多肽鏈穿越線粒體膜越線粒體膜 前體蛋白一旦和受體結(jié)合后，就要和外膜及內(nèi)膜上膜通道發(fā)生作用才可進(jìn)入線粒體。在此過(guò)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(yùn)。 36Simon等提出一種作用機(jī)制，即布朗棘輪模型（等提出一種作用機(jī)制，即布朗棘輪模型（Brownian Rachet model） 36（四）多肽鏈需要在線粒體基質(zhì)內(nèi)重新折（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)疊才形成有活性的蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體基質(zhì)后，必須恢復(fù)其天然構(gòu)象以

23、行使功能。當(dāng)?shù)鞍卓邕^(guò)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。3737六、線粒體介導(dǎo)了某些類型的細(xì)胞死亡 細(xì)胞凋亡的研究已經(jīng)從細(xì)胞核控制凋亡過(guò)程的研究部分地轉(zhuǎn)移到線粒體控制凋亡過(guò)程的研究上來(lái)。3838（一）許多證據(jù)顯示線粒體是控制細(xì)胞死（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)之一亡的中心環(huán)節(jié)之一無(wú)論死亡細(xì)胞的類型是什么，也無(wú)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）的共同特征是在細(xì)胞死亡前都有線粒體膜

24、通透性改變；相對(duì)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(cè)細(xì)胞死亡更有價(jià)值的指標(biāo)；加大原凋亡效應(yīng)物的作用劑量可通過(guò)作用于線粒體膜而誘導(dǎo)線粒體膜通透性的改變；3939Bcl-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(guò)其抑制線粒體膜通透性而抑制細(xì)胞凋亡；通過(guò)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(wú)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(shuō)明線粒體構(gòu)成了導(dǎo)致細(xì)胞死亡的一個(gè)或幾個(gè)關(guān)鍵步驟。4040（二）線粒體的改變構(gòu)成了細(xì)胞死亡的原（二）線粒體的改變構(gòu)成了細(xì)胞死亡的原因或表現(xiàn)因或表現(xiàn) 線粒體在能量代謝和自由基代謝中占據(jù)十分

25、重要的地位，線粒體產(chǎn)生大量超氧陰離子，并通過(guò)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)形成活性氧（ROS），當(dāng)ROS水平較低時(shí)，可促進(jìn)細(xì)胞增生；而當(dāng)ROS水平較高時(shí)，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(dòng)caspase的級(jí)聯(lián)活化，最終由caspase-3啟動(dòng)凋亡。4141（三）線粒體控制著某些細(xì)胞死亡過(guò)程的（三）線粒體控制著某些細(xì)胞死亡過(guò)程的中心環(huán)節(jié)中心環(huán)節(jié) 與線粒體有關(guān)的細(xì)胞死亡的三個(gè)時(shí)限（phase）： 一是線粒體前期，這是誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的因子通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑級(jí)聯(lián)傳遞或損傷途徑被激活的過(guò)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，所以這一時(shí)期

26、也屬于私有途徑（private pathway）； 4242 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(jī)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）。43 二是線粒體期，在這一時(shí)期線粒體膜的通透性發(fā)生改二是線粒體期，在這一時(shí)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(shí)期，一旦進(jìn)入這一變，這是線粒體控制細(xì)胞死亡的關(guān)鍵時(shí)期，一旦進(jìn)入這一點(diǎn)，細(xì)胞將不可避免地發(fā)生后續(xù)過(guò)程，故也稱為效應(yīng)期點(diǎn)，細(xì)胞將不可避免地發(fā)生后續(xù)過(guò)程，故也稱為效應(yīng)期（effector phase）或決定

27、期（）或決定期（decisive phase）；）； 434444七、線粒體的起源與發(fā)生尚有爭(zhēng)論（一）線粒體是通過(guò)分裂方式實(shí)現(xiàn)增殖的（一）線粒體是通過(guò)分裂方式實(shí)現(xiàn)增殖的 對(duì)于現(xiàn)代真核細(xì)胞中的線粒體發(fā)生（biogenesis）機(jī)制，目前有三種關(guān)于線粒體生物發(fā)生的觀點(diǎn)，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(guò)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(guò)程分兩個(gè)階段。在第一階段，線粒體的膜進(jìn)行生長(zhǎng)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(guò)程，建成能夠行使氧化磷酸化功能的機(jī)構(gòu)。線粒體的生長(zhǎng)和分化階段分別接受細(xì)胞核和線粒體兩個(gè)獨(dú)立的遺傳系統(tǒng)控制。4545（二）線粒體的

28、起源尚無(wú)定論（二）線粒體的起源尚無(wú)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(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)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，即線粒體起源的內(nèi)共生學(xué)說(shuō)。許多證據(jù)支持這一假說(shuō)：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(jī)制等。但這一機(jī)制也有不足之處，所以有學(xué)者提出了非共生假說(shuō)。 46464747 第二節(jié) 細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換一、細(xì)胞呼吸是細(xì)胞氧化分解物質(zhì)獲取能量的過(guò)程 較高等的動(dòng)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

29、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(shí)，分解代謝所釋放出的能量?jī)?chǔ)存于ATP中，這一過(guò)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 oxidation)。 4848 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(diǎn)： 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?jī)?chǔ)存于ATP的高能磷酸鍵中；

30、整個(gè)反應(yīng)過(guò)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(guò)程中需要H2O的參與。4949二、ATP是細(xì)胞能量的轉(zhuǎn)換分子 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(lái)，而是儲(chǔ)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(shí)，釋放的能量可通過(guò)ADP的磷酸化而及時(shí)儲(chǔ)存于ATP 的高能磷酸鍵中作為備用；反之，當(dāng)細(xì)胞進(jìn)行各種活動(dòng)需要能量時(shí)，又可去磷酸化，斷裂一個(gè)高能磷酸鍵以釋放能量來(lái)滿足機(jī)體需要。5050 隨著細(xì)胞內(nèi)不斷進(jìn)行的能量釋放和儲(chǔ)存，ATP 與ADP 不停地進(jìn)行著互變。 因?yàn)锳TP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“

31、能量貨幣”。ATP 是細(xì)胞生命活動(dòng)的直接供能者，也是細(xì)胞內(nèi)能量獲得、轉(zhuǎn)換、 儲(chǔ)存和利用等環(huán)節(jié)的聯(lián)系紐帶。5151第三節(jié) 細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換 “能量貨幣”ATP中所攜帶的能量來(lái)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(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，大體分為三個(gè)步驟：即糖酵解、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化。蛋白質(zhì)和脂肪的徹底氧化只在第一步中與糖有所區(qū)別。 52525353一、葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行糖酵解 一分子葡萄糖經(jīng)過(guò)十多步反應(yīng)，生成2分子丙酮酸，同時(shí)脫下2對(duì)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(gè)電子和一個(gè)H+，另一

32、個(gè)H+則留在溶質(zhì)中。在糖酵解過(guò)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）。 5454NADH+ 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)。55在線粒體基質(zhì)中丙酮酸脫氫酶體系作用下，丙酮酸進(jìn)一步分解在線粒體基質(zhì)中丙酮酸脫氫酶體系作用下，丙酮酸進(jìn)一步分解為乙酰輔酶為乙酰輔酶A A，NADNAD+ +作為受氫體被還原作為受氫體被還原 。55二、三

33、羧酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中實(shí)現(xiàn) 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(gè)羧基，故也稱為三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）。5656 循環(huán)中，檸檬酸經(jīng)過(guò)一系列酶促的氧化脫氫和脫羧反應(yīng)，其中的2個(gè)碳原子氧化形成CO2，從而削減了2個(gè)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(gè)乙酰CoA結(jié)合，生成檸檬酸，開始下一個(gè)循環(huán)，如此周而復(fù)始。5757 整個(gè)過(guò)程中，總共消耗了3個(gè)H2O，生成1分子的GTP（可轉(zhuǎn)變?yōu)?分子的ATP）、4對(duì)H和2分子CO2。 脫下的4對(duì)H，其中3對(duì)以NAD+為受氫體，另1對(duì)以FAD為受氫體。FAD能可逆地接受2個(gè)H， 即兩個(gè)質(zhì)子和兩

34、個(gè)電子，轉(zhuǎn)變成還原態(tài)FADH2。ATP/ADP及NADH/NAD+ 比值高時(shí)均能降低TAC循環(huán)的速度。5858三、氧化磷酸化偶聯(lián)是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵 氧化磷酸化是釋放代謝能的主要環(huán)節(jié)，在這個(gè)過(guò)程中，NADH和FADH2分子把它們從食物氧化得來(lái)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(guò)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。59（一）（一）呼吸鏈和呼吸鏈和ATP合酶復(fù)合體是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)合酶復(fù)合體是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 1分子的葡萄糖經(jīng)無(wú)氧氧化、丙酮酸脫氫和分子的葡萄糖經(jīng)無(wú)氧氧化、丙酮酸脫氫和TAC循環(huán)循環(huán), 共共產(chǎn)生了產(chǎn)生了6分子的分子的CO2和

35、和12對(duì)對(duì)H，這些，這些H必須進(jìn)一步氧化成為必須進(jìn)一步氧化成為水，整個(gè)有氧氧化過(guò)程才告結(jié)束。水，整個(gè)有氧氧化過(guò)程才告結(jié)束。 59 H并不能與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(guò)線粒體內(nèi)膜上酶體系的逐級(jí)傳遞，最終使1/2O2成為O2-，后者再與基質(zhì)中的2個(gè)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?cè)趦?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）。6060 只傳遞電子的酶和輔酶稱為電子傳遞體，

36、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，組成呼吸鏈的成員分別組成了、四個(gè)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(dòng)；Cyt c是膜邊周蛋白，可在膜表面移動(dòng)。6161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a362線粒體

37、電子傳遞鏈組分線粒體電子傳遞鏈組分62 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(zhǎng)5nm；頭部與柄部相連凸出在內(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(guò)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。63636464（二）電子傳遞過(guò)程中釋放出的能量催化（二）電子傳遞過(guò)程中釋放出的能量催化ADPADP磷酸化而合成磷酸化而合成ATPATP實(shí)現(xiàn)氧化磷酸

38、化偶聯(lián)實(shí)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(jí)定向傳遞給O2，本身則被氧化。電子傳遞過(guò)程中釋放出的能量被F0F1ATP酶復(fù)合體用來(lái)催化ADP磷酸化而合成ATP，這就是氧化磷酸化作用。 65656666 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(duì)相鄰電子載體的氧化還原電位的測(cè)定表明，呼吸鏈中有3個(gè)主要的能量釋放部位，即NADHFMN，Cyt bCyt c之間，Cyt aO2之間。這3個(gè)部位釋放的能量依次為50800 J、41000 J和99500 J，每個(gè)部位

39、裂解所釋放的能量都足以使一分子ADP磷酸化生成一個(gè)分子的ATP。 6767 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(guò)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。 68 葡萄糖完全氧化所釋放的能量主要通過(guò)兩條途徑形成葡萄糖完全氧化所釋放的能量主要通過(guò)兩條途徑形成ATPATP： 底物水平磷酸化生成底物水平磷酸化生成4 4分子分子ATPATP，其中在糖酵解和，其中在糖酵解和TACTAC循環(huán)中分別生成循環(huán)中分別生成2 2分子分子ATPATP； 氧化磷酸化生成氧化磷酸化生成3434個(gè)個(gè)ATPATP

40、分子。分子。68（三）（三）H H+ +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(dòng)結(jié)合穿膜傳遞轉(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(dòng)結(jié)合在內(nèi)膜上的在內(nèi)膜上的ATPATP合酶催化合酶催化ADPADP磷酸化合成磷酸化合成ATPATP（化學(xué)滲透假說(shuō)）：（化學(xué)滲透假說(shuō)）： NADH或FADH2提供一對(duì)電子，經(jīng)電子傳遞鏈，最后為O2所接受； 電子傳遞鏈同時(shí)起H+泵的作用，在傳遞電子的過(guò)程中伴隨著H+從線粒體基質(zhì)到膜間腔的轉(zhuǎn)移； 線粒體內(nèi)膜對(duì)H+和OH-具有不可透性，隨著電子傳遞過(guò)程的進(jìn)行，H+在膜間腔中積累,造成了內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子濃度差，從而保持了一定勢(shì)能差； 膜間腔中的H+有順濃度返回基質(zhì)的傾向，能借助勢(shì)能通過(guò)ATP酶復(fù)合體F0上的質(zhì)子通道滲透到線粒體基質(zhì)中，所釋放的自由能驅(qū)動(dòng)F0F1 ATP合酶合成ATP。 6969四、電化學(xué)梯度所包含的能量轉(zhuǎn)換成AT