第六章線粒體與細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換

1、第六章線粒體與細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換第一節(jié) 線粒體的基本特征一、線粒體的形態(tài)、數(shù)量和結(jié)構(gòu)（一）線粒體的形態(tài)、數(shù)量與細(xì)胞的類(lèi)型和生理狀態(tài)有關(guān)形態(tài)：線狀、粒狀或桿狀人胚胎肝細(xì)胞發(fā)育早期，線粒體短棒狀；發(fā)育晚期，線粒體長(zhǎng)棒狀。大小：截面直徑0.21.0，長(zhǎng)14大鼠肝細(xì)胞線粒體長(zhǎng)5胰腺分泌細(xì)胞線粒體長(zhǎng)1020人類(lèi)成纖維細(xì)胞線粒體長(zhǎng)達(dá)40數(shù)量：與細(xì)胞的生理功能和狀態(tài)有關(guān)1個(gè)50萬(wàn)個(gè)。最多時(shí)占細(xì)胞總體積的25%。哺乳動(dòng)物心肌、骨骼肌、小腸細(xì)胞線粒體極豐富。分布：需能較多的區(qū)域，可沿微管向功能旺盛的區(qū)域遷移線粒體微管（二）線粒體的超微結(jié)構(gòu)線粒體是由兩層單位膜套疊而成的封閉囊泡狀結(jié)構(gòu)。1. 外膜( outer memb

2、rane )包圍在線粒體表面的一層單位膜，厚6nm，光滑平整。僅含少量酶蛋白，蛋白質(zhì)/脂類(lèi)為1:1。整合膜蛋白包括多種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白孔蛋白分子量5103以下的物質(zhì)可自由通過(guò)。（二）線粒體的超微結(jié)構(gòu)1. 外膜( outer membrane )包圍在線粒體表面的一層單位膜，厚6nm，光滑平整。僅含少量酶蛋白，蛋白質(zhì)/脂類(lèi)為1:1。整合膜蛋白包括多種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白孔蛋白由片層形成的筒狀結(jié)構(gòu)，包繞成一直徑23nm的內(nèi)部通道。分子量5103以下的物質(zhì)可自由通過(guò)。（二）線粒體的超微結(jié)構(gòu)2. 內(nèi)膜( inner membrane )內(nèi)膜厚約4.5nm，深度折疊形成嵴( cristae )。富含酶蛋白和輔酶，蛋白質(zhì)/脂

3、類(lèi)大于3:1。內(nèi)膜有電子傳遞鏈和基粒。通透性低，分子量 150的物質(zhì)不能通過(guò)。水分子和游離酸型丙酮酸可通過(guò)膜上有轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，包含多種轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。（二）線粒體的超微結(jié)構(gòu)3. 膜間腔( inter membrane space )線粒體內(nèi)外膜之間封閉的腔隙，寬約68nm。 嵴內(nèi)腔( intracristae space )是膜間腔的延伸。含可溶性酶、底物和輔助因子轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)( translocation contact site ) 圖 128頁(yè)內(nèi)、外膜在某些地方相互接觸，使膜間腔變狹窄處。由通道蛋白和特異性受體構(gòu)成。（二）線粒體的超微結(jié)構(gòu)4. 基質(zhì)腔( matrix space )內(nèi)膜包圍的嵴外空間

4、嵴間腔 內(nèi)膜折疊形成的兩層嵴之間的間隙基質(zhì)( matrix )富含可溶性蛋白 如催化TCA cycle、脂肪酸-氧化、氨基酸分解、蛋白質(zhì)合成等多種酶?？扇苄源x中間產(chǎn)物線粒體 DNA, RNA, 核糖體二、線粒體的化學(xué)組成蛋白質(zhì)占線粒體干重65%70%,主要分布在內(nèi)膜和基質(zhì)。可溶性蛋白 基質(zhì)中的酶、膜外周蛋白不溶性蛋白 膜結(jié)構(gòu)蛋白、膜鑲嵌酶蛋白線粒體含有120余種酶（酶系）氧化還原酶37%、合成酶10%、水解酶約9%外膜標(biāo)志酶：?jiǎn)伟费趸竷?nèi)膜標(biāo)志酶：Cyt b,c,c1,a,a3膜間腔標(biāo)志酶：腺苷酸激酶基質(zhì)標(biāo)志酶：蘋(píng)果酸脫氫酶二、線粒體的化學(xué)組成脂類(lèi)占干重的25%30%（75%以上是磷脂）主要

5、為磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、心磷脂其余為磷脂酰肌醇、膽固醇外膜含少量膽固醇內(nèi)膜富含心磷脂（20%），缺乏膽固醇。三、線粒體的遺傳體系線粒體由兩套遺傳系統(tǒng)控制，是具有半自主性的細(xì)胞器。核基因組線粒體基因組（一）線粒體 DNA 結(jié)構(gòu)Human mt DNA 含16 569 bp，雙鏈環(huán)狀DNA分子。裸露，不與組蛋白結(jié)合，在基質(zhì)中或附著在內(nèi)膜上。每個(gè)線粒體含有1數(shù)個(gè) mt DNA. 平均 510 個(gè)。人類(lèi)線粒體基因組編碼圖 圖 129頁(yè)人類(lèi)線粒體基因組共編碼37個(gè)基因 130頁(yè)電子傳遞鏈組分ND1, ND2,ND3, ND4L,ND4, ND5& ND6Cyt bCOXCOX COX 三、線粒體的遺

6、傳體系（二）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（略）（三）線粒體DNA的兩條鏈由各自的復(fù)制起始點(diǎn)（略）四、核編碼蛋白的線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體的4個(gè)蛋白質(zhì)輸送亞區(qū)域1. 線粒體外膜(outer mitochondrial membrane, OMM)2. 線粒體內(nèi)膜(inner mitochondrial membrane, IMM)3. 膜間腔4. 基質(zhì)（一）核編碼蛋白向線粒體基質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)1. 核編碼蛋白進(jìn)入線粒體需要分子伴侶蛋白的協(xié)助前體蛋白由核基因編碼的將要輸入到線粒體的蛋白。前體蛋白 N-端具有基質(zhì)導(dǎo)入序列( matrix-targeting sequence, MTS )，由2080

7、個(gè)氨基酸殘基組成，富含 Arg, Lys, Ser & Thr, 少見(jiàn) Asp & Glu.MTS 包含了所有介導(dǎo)前體蛋白輸入線粒體基質(zhì)的信號(hào)。完成轉(zhuǎn)運(yùn)后，MTS 被信號(hào)肽酶(signal peptidase)切除。（一）核編碼蛋白向線粒體基質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)2. 前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài)分子伴侶 識(shí)別前體蛋白解折疊后暴露的疏水基團(tuán)并與之結(jié)合，防止其聚集；協(xié)助跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)后的多肽折疊和組裝。新生多肽相關(guān)復(fù)合物 熱休克蛋白 熱休克同源蛋白胞質(zhì)hsc70 協(xié)助前體蛋白解折疊，到達(dá)線粒體表面后，ATP提供能量使其解離。Mthsc70 維持前體蛋白解折疊，把多肽“鉸進(jìn)”基質(zhì)后使其重新折疊。 前體蛋白結(jié)合因子

8、( pre-sequence binding factor, PBF ) 線粒體輸入刺激因子( mitochondrial import stimulatory factor, MSF )多數(shù)與 hsp70 結(jié)合的前體蛋白直接和 Tom 20 & Tom22 結(jié)合，再與外膜上的通道蛋白 Tom 40 偶聯(lián)，Tom 40 與內(nèi)膜轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)共同構(gòu)成越膜通道，蛋白質(zhì)進(jìn)入基質(zhì)。3. 分子伴侶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力協(xié)助多肽穿越線粒體膜蛋白質(zhì)首先通過(guò) TOM 復(fù)合體進(jìn)入膜間隙，然后通過(guò) TIM 復(fù)合體進(jìn)入基質(zhì)。蛋白質(zhì)通過(guò)轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)直接進(jìn)入基質(zhì)在接觸點(diǎn)上 TOM 與 TIM 協(xié)同作用，多肽靶向基質(zhì)。布朗棘輪模型 (

9、 Brownian ratchet model ) 圖 133頁(yè)4. 多肽鏈在線粒體基質(zhì)內(nèi)重新折疊基質(zhì)導(dǎo)入序列 (MTS) 被線粒體加工蛋白酶移除；mthsc70 作為折疊因子協(xié)助多肽折疊；mthsc60 完成最后折疊。（二）核編碼蛋白向線粒體其他部位的轉(zhuǎn)運(yùn)（了解）前體蛋白具有兩個(gè)信號(hào)序列前體蛋白 N-端攜帶 MTS 靶向基質(zhì)，MTS 被 MPP 移除。前體蛋白攜帶膜間腔導(dǎo)入序列( intermembrane space-targeting sequence, ISTS )，靶向膜間腔。根據(jù) ISTS 的不同，有2種轉(zhuǎn)運(yùn)方式。2. 蛋白質(zhì)向線粒體外膜和內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運(yùn) 教材 134頁(yè)五、線粒體的起源

10、與發(fā)生（一）分裂增殖出芽：見(jiàn)于酵母和蘚類(lèi)植物，線粒體出芽、長(zhǎng)大，脫離原線粒體，發(fā)育為新的線粒體。收縮分裂：線粒體在中部縊縮分裂為兩個(gè)。間壁分裂：線粒體內(nèi)膜向中心皺褶，形成間壁，將其一分為二，常見(jiàn)于鼠肝和植物分生組織。五、線粒體的起源與發(fā)生（二）mtDNA 隨機(jī)分配到新的線粒體中線粒體可以含有正常的（即野生型）和突變的mtDNA 混合物，稱為異質(zhì)性。線粒體分裂時(shí)隨機(jī)分配細(xì)胞內(nèi)存在野生型和突變型線粒體細(xì)胞分裂時(shí)隨機(jī)分配隨機(jī)分配導(dǎo)致 mtDNA 異質(zhì)性變化的過(guò)程稱為復(fù)制分離。五、線粒體的起源與發(fā)生（三）線粒體可能起源于共生的早期細(xì)菌線粒體在形態(tài)、染色反應(yīng)、化學(xué)組成、物理性質(zhì)、活動(dòng)狀態(tài)、遺傳體系等方面

11、類(lèi)似于細(xì)菌，推測(cè)線粒體起源于內(nèi)共生。需氧細(xì)菌被原始真核細(xì)胞吞噬后，在長(zhǎng)期互利共生中演變?yōu)榫€粒體。在進(jìn)化過(guò)程中，需氧細(xì)菌逐步喪失其獨(dú)立性，并將大量遺傳信息整合到宿主細(xì)胞中，形成了線粒體的半自主性。線粒體起源的內(nèi)共生假說(shuō)第二節(jié) 細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換一、細(xì)胞呼吸糖、脂肪和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)徹底氧化生成 CO2 和 H2O，釋放能量的過(guò)程稱為細(xì)胞氧化(cellular oxidation)。此過(guò)程需消耗O2、放出CO2，又稱為細(xì)胞呼吸 (cellular respiration) 。細(xì)胞呼吸的特點(diǎn)第二節(jié) 細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換二、細(xì)胞能量的轉(zhuǎn)換分子ATP第三節(jié) 細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換葡萄糖氧化的三個(gè)步驟第1階

12、段 糖酵解 (glycolysis)第2階段 三羧酸循環(huán)(tri-carboxylic acid cycle，TCA cycle)第3階段 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)一、糖酵解（細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)） C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 酵解酶系 進(jìn)入有氧氧化 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP 丙酮酸 2CH3CHOHCOOH + 2NAD+ + 2ATP 完成無(wú)氧酵解 乳 酸 2CH3CH2OH + 2CO2+2NAD+ + 2ATP 乙 醇NAD+ ( nicotinamide adenine dinucleo

13、tide, 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，帶正電荷的離子)電子受體一、糖酵解（細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)）丙酮酸與 NADH + H+ 進(jìn)入線粒體有氧氧化丙酮酸以其自身的脂溶性通過(guò)內(nèi)膜2CH3COCOOH + 2HSCoA + 2NAD+ 2CH3COSCoA + 2CO2 + 2NADH + 2H+ NADH + H+借助于內(nèi)膜上的特異性穿梭系統(tǒng)進(jìn)入基質(zhì)蘋(píng)果酸 - 天冬氨酸穿梭 教材 138頁(yè)- 磷酸甘油穿梭二、 線粒體基質(zhì)中的 TCA cycle檸檬酸 6C異檸檬酸 6C-酮戊二酸5C琥珀酰CoA 4C NAD+ NADH+H+123456789NAD+ NADH+H+NAD+NADH+H+NADH+H+NAD+

14、FADH2FAD丙酮酸 3C乙酰CoA 2C草酰乙酸 4C蘋(píng)果酸 4C延胡索酸 4C琥珀酸 4CGTPGDP葡萄糖、氨基酸、脂肪酸、甘油等CO2PiCO2CO2二、線粒體基質(zhì)中的 TCA cycle三羧酸循環(huán)要點(diǎn)TCA 循環(huán)將丙酮酸氧化為CO2和H2O，并產(chǎn)生能量。TCA 循環(huán)共有8個(gè)步驟。循環(huán)一次，氧化1個(gè)乙?；CA 循環(huán)總反應(yīng)式 CH3COCoA + 2H2O + FAD + 3NAD+ + GDP + Pi 2CO2 + FADH2 + 3NADH + 3H+ + GTP + HS-CoA能量產(chǎn)生每循環(huán)一次產(chǎn)生 1GTP、3NADH 和 1FADH2 2！三、線粒體氧化磷酸化偶聯(lián)與A

15、TP形成NADH 和 FADH2 攜帶的電子經(jīng)呼吸鏈逐級(jí)定向傳遞給O2，本身被氧化。電子傳遞過(guò)程中釋放的能量被 ATP 合酶用來(lái)催化 ADP 磷酸化合成 ATP。氧化（放能）磷酸化（貯能）由兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行并偶聯(lián)在一起。（一）呼吸鏈和 ATP 合酶是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)1. 呼吸鏈（電子傳遞鏈）位于線粒體內(nèi)膜上，由一系列電子載體構(gòu)成，能夠可逆地接受和釋放H+和電子。呼吸鏈上的最終電子受體是分子氧。電子傳遞體：只傳遞電子的酶和輔酶（泛醌、Cytc）遞氫體：既傳遞電子又傳遞質(zhì)子的酶和輔酶電子載體的類(lèi)型 根據(jù)接收代謝物上脫下的 H 的原初受體，分為NADH 呼吸鏈FADH2 呼吸鏈電子轉(zhuǎn)運(yùn)

16、復(fù)合物線粒體內(nèi)膜崩解時(shí)，電子載體以4種不同的跨膜蛋白復(fù)合物被分離出來(lái)，均為整合膜蛋白。復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體 復(fù)合體泛醌和細(xì)胞色素C不屬于任何一種復(fù)合物復(fù)合體（或NADH脫氫酶）催化一對(duì)電子從NADH轉(zhuǎn)移到泛醌(UQ)上形成氫醌(UQH2)。每傳遞一對(duì)電子，伴隨4H+從基質(zhì)側(cè)被轉(zhuǎn)移到膜間腔，既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體。復(fù)合體（或琥珀酸脫氫酶）提供了將來(lái)自琥珀酸的電子傳到FAD再轉(zhuǎn)移到泛醌生成氫醌的途徑。電子傳遞不伴隨質(zhì)子的跨膜轉(zhuǎn)移。復(fù)合體( 或 Cyt b, c1 )催化電子從氫醌轉(zhuǎn)移到 Cyt c。每轉(zhuǎn)移一對(duì)電子，有4H+從基質(zhì)側(cè)被泵到膜間腔。其中2H+是從進(jìn)入復(fù)合物的還原態(tài)的UQH2 中獲得

17、的；另外2H+來(lái)自基質(zhì)，并作為第二個(gè)UQH2 的部分被跨膜轉(zhuǎn)移到膜間腔中。復(fù)合體 ( 或 Cyt c 氧化酶 )電子連續(xù)地從還原態(tài)的 Cyt c 傳給氧。反應(yīng)如下： 2 Cytc2+ + 2H+ + 1/2O2 2Cytc3+ + H2O還原1個(gè)O2分子反應(yīng)如下： 4 Cytc2+ + 4H+ + O2 4Cytc3+ + 2H2O2. ATP 合酶復(fù)合體基粒(elementary particle)排列在內(nèi)膜和嵴上基質(zhì)腔一側(cè)的顆粒狀凸起。基粒間距為10 。2. ATP合酶復(fù)合體ATP synthase 包含F(xiàn)1和F0兩個(gè)主要組分頭部 又稱 F1偶聯(lián)因子，由5種亞基以3 :3 :組成。亞基呈螺

18、旋結(jié)構(gòu)位于“橘子”中央，上段與,有限接觸；下段與有很強(qiáng)的親和力，結(jié)合在一起形成“轉(zhuǎn)子”。亞基協(xié)助亞基附著到 F0。2. ATP合酶復(fù)合體F0基部包埋在膜中，由3種亞基以1a:2b:12c組成。c亞基在膜上形成一個(gè)可動(dòng)環(huán)；成對(duì)的b亞基和 F1頭部的亞基組成一個(gè)外周柄，固定/亞基的位置；a亞基有跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的質(zhì)子通道，將 H+從膜間腔轉(zhuǎn)運(yùn)到基質(zhì)。（二）氧化過(guò)程伴隨磷酸化的偶聯(lián)還原性輔酶NADH&FADH2怎樣被利用而生成ATP?高能電子從FADH2和NADH轉(zhuǎn)移到電子傳遞鏈的第一個(gè)載體上。質(zhì)子通過(guò)ATP合酶返跨膜的運(yùn)動(dòng)，為ADP磷酸化生成ATP提供必需的能量。（二）氧化過(guò)程伴隨磷酸化的偶聯(lián)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定

19、，各組分在鏈上的順序與其得失電子的趨勢(shì)有關(guān)，電子總是從低氧化還原電位向高氧化還原電位流動(dòng)。氧化還原電位值愈低的組分供電子的傾向愈大呼吸鏈3個(gè)能量釋放偶聯(lián)ATP生成的部位，見(jiàn)圖。NADH2.5 ATPFADH21.5 ATP生物氧化產(chǎn)生ATP的統(tǒng)計(jì)糖酵解（以葡萄糖為例）底物水平磷酸化 4 ATP細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)己糖分子活化 2 ATP細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)2分子 NADH 3 ATP (or 5ATP)*進(jìn)入線粒體*丙酮酸氧化脫羧2分子 NADH 5 ATP線 粒 體TCA 循環(huán)底物水平磷酸化 2 ATP線 粒 體6分子 NADH 15 ATP線 粒 體2分子 FADH2 3 ATP線 粒 體總計(jì)生成 30 AT

20、P (or 32ATP)*（三）電子傳遞時(shí) H+穿膜形成電化學(xué)梯度化學(xué)滲透假說(shuō)(Chemiosmotic Hypothesis) 英國(guó) P. Mitchell，1961 電子傳遞釋放的能量將 H+從基質(zhì)泵出內(nèi)膜，形成跨膜電化學(xué)質(zhì)子梯度；然后，H+順濃度梯度穿過(guò)位于內(nèi)膜的 ATP 合酶回流到基質(zhì)，釋放的能量驅(qū)動(dòng) ATP 合成。電化學(xué)質(zhì)子梯度如何驅(qū)動(dòng)ATP合酶生成ATP?F1具有3個(gè)催化位點(diǎn)，但在特定的時(shí)間，3個(gè)催化位點(diǎn)的構(gòu)象不同(L,T,O)，與核苷酸的親和力不同。質(zhì)子的“下坡”跨膜運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)c環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)亞基旋轉(zhuǎn)，由于亞基的端部高度不對(duì)稱，其旋轉(zhuǎn)引起亞基3個(gè)催化位點(diǎn)構(gòu)象的周期性變化：LTO,

21、不斷將 ADP 和 Pi 加合生成 ATP。（四）電化學(xué)梯度所包含的能量轉(zhuǎn)換成ATP的化學(xué)能結(jié)合變構(gòu)機(jī)制( binding-change mechanism )3個(gè)亞基的構(gòu)象怎么會(huì)發(fā)生交替變化呢？每個(gè)亞基具有松弛 (L)、緊密 (T) 和開(kāi)放 (O) 的狀態(tài)。ADP + Pi 與松弛狀態(tài)的亞基結(jié)合，當(dāng)其構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)榫o密狀態(tài)時(shí)，ADP + Pi 自發(fā)形成 ATP；隨后，當(dāng)亞基轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)放狀態(tài)時(shí)，ATP 被釋放進(jìn)入基質(zhì)。第四節(jié) 線粒體與細(xì)胞死亡自學(xué)了解第五節(jié) 線粒體與醫(yī)學(xué)（略）線粒體疾病是mtDNA和/nDNA編碼線粒體蛋白的基因變異，導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)損傷和氧化磷酸化功能下降而引起的疾病。表現(xiàn)為ATP能量減少、活性氧自由基增多和乳酸中毒等，造成細(xì)胞損傷或細(xì)胞