細胞生物學細胞的能量轉換線粒體

細胞生物學細胞的能量轉換線粒體第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日成纖維細胞線條狀線粒體家兔肝臟細胞顆粒狀線粒體線粒體的形態(tài)和細胞的種類和細胞所處的生理狀態(tài)不同有關。（一）形態(tài)與分布形狀：線粒體一般呈粒狀或桿狀，環(huán)形，啞鈴形、線狀、分杈狀或其它形狀。第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日大?。阂话阒睆?.5~1μm，長1.5~3.0μm，在人的成纖維細胞中可長達40μm，稱巨線粒體。數(shù)量及分布：在不同類型的細胞中線粒體的數(shù)目相差很大，但在同一類型的細胞中數(shù)目相對穩(wěn)定。有些細胞中只有一個線粒體，有些則有幾十、幾百、甚至幾千個線粒體。肝細胞約1300個線粒體；單細胞鞭毛藻僅1個，許多哺乳動物成熟的紅細胞中無線粒體。植物細胞少于動物細胞；通常結合在微管上，分布在細胞功能旺盛的區(qū)域。在心肌細胞中超過50%。第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日（二）超微結構線粒體（mitochondrion）是由兩層單位膜套疊而成的封閉的囊狀結構。第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日通透性強:具有孔蛋白構成的孔徑為2-3nm親水通道的含水通道<5000Dapass線粒體的外膜含40%的脂類和60%的蛋白質(zhì)第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日1通透性小，是線粒體調(diào)節(jié)物質(zhì)通過的主要的途徑。

2內(nèi)膜向內(nèi)形成嵴，上布滿了顆?！！３Ｍ?，還存在著許多蛋白復合體。線粒體的內(nèi)膜3線粒體氧化磷酸化的電子傳遞鏈位于內(nèi)膜，內(nèi)膜的標志酶為細胞色素C氧化酶。

一是高度特化的單位膜，膜上蛋白質(zhì)占膜總重量的76%；第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日

線粒體的膜間隙(intermembranespace)：內(nèi)外膜之間的間隙，延伸到嵴的軸心部，膜間隙的pH值與細胞質(zhì)的相似。含許多可溶性酶、底物及輔助因子。線粒體的基質(zhì)(matrix)：可溶性蛋白質(zhì)的膠狀物質(zhì)，含三羧酸循環(huán)酶系、線粒體基因、表達酶系等以及線粒體DNA,RNA，核糖體。第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日(三)、線粒體化學組成及酶的定位①化學組成蛋白質(zhì)占65-70％，脂質(zhì)25-30％（磷脂）；與脂蛋白質(zhì)的比值，內(nèi)膜為0.3:1，外膜為1:1；基質(zhì)中含有DNA、RNA、核糖體、致密顆粒和上百種酶。②線粒體酶的定位140余種，37％氧化還原酶，10％合成酶，9％水解酶，標志酶30余種，主要在內(nèi)膜和基質(zhì)中。第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日線粒體內(nèi)酶的分布第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日二、線粒體的功能線粒體的主要功能是氧化磷酸化，合成ATP，為細胞的生命活動提供能量。動物細胞中80%的ATP來源于線粒體，糖、脂肪和氨基酸徹底氧化，電子經(jīng)過一系列的傳遞，傳至氧分子，逐級釋放能量，合成ATP。真核細胞中碳水化合物代謝第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日真核細胞中糖類、蛋白質(zhì)和脂肪的氧化代謝第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日真核細胞中蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑進入線粒體基質(zhì)的電子傳給NAD+生成NADH，直接將電子傳遞到呼吸鏈，每傳遞一對電子到O2，就能生成2.5個ATP分子。第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日真核細胞中甘油-3-磷酸穿梭系統(tǒng)電子經(jīng)過復合物II進入呼吸鏈，不經(jīng)過復合物I，每傳遞一對電子僅能生成1.5個ATP分子。第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日線粒體內(nèi)膜兩條呼吸鏈的組分、排列及氧化磷酸化的耦聯(lián)系部位琥珀酸、脂酰CoA、α-磷酸甘油丙酮酸、α-酮戊二酸、蘋果酸、β-羥丁酸、谷氨酸、異檸檬酸抗壞血酸ADP→ATPADP→ATPADP→ATP根據(jù)接受代謝物上脫下的氫的原初受體不同，分為NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈。

①NADH呼吸鏈由復合物I、III、IV組成，催化NADH的脫氫氧化。②FADH2呼吸鏈由復合物II、III、IV組成，催化琥珀酸的脫氫氧化。第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日

在三羧酸循環(huán)中，乙酰CoA氧化釋放的大部分能量都儲存在輔酶(NADH和FADH2)分子中。細胞利用線粒體內(nèi)膜中一系列的電子載體(呼吸鏈)，伴隨著逐步電子傳遞，將NADH或FADH2進行氧化，逐步收集釋放的自由能最后用于ATP的合成，將能量儲存在ATP的高能磷酸鍵。呼吸鏈與電子傳遞NADH+1/2O2------NAD++H2O+能量FADH2

+1/2O2------FAD++H2O+能量第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日

在電子傳遞過程中與釋放的電子結合并將電子傳遞下去的物質(zhì)稱為電子載體。有四種∶黃素蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白和輔酶Q，在這四類電子載體中，除了輔酶Q以外，接受和提供電子的氧化還原中心都是與蛋白相連的輔基。電子載體(electroncarriers)電子載體(electroncarrier)：黃素蛋白（Flavoprotein）細胞色素（Cytochrome）泛醌（ubiquinone,UQ）or輔酶Q（CoenymeQ,CoQ）鐵硫蛋白（iron-sulfurprotein）銅原子（copperatom）第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日黃素蛋白：含F(xiàn)MN或FAD的蛋白質(zhì)，每個FMN或FAD可接受2個電子和2個質(zhì)子。呼吸鏈上具有FMN為輔基的NADH脫氫酶，以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶。第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日細胞色素：以鐵卟啉為輔基的色蛋白，通過Fe3+、Fe2+形式變化傳遞電子。呼吸鏈中有5類，即細胞色素a、a3、b、c、c1，其中aa3含有銅原子。第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日鐵硫蛋白：在其分子結構中每個鐵原子和4個硫原子結合，通過Fe2+、Fe3+互變進行電子傳遞，有2Fe-2S和4Fe-4S兩種類型。第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日輔酶Q：是脂溶性小分子量醌類化合物，含有長長的疏水鏈，由五碳類戊二醇構成通過氧化和還原傳遞電子。第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日1氧化型醌(Q)2還原型氫醌（QH2）3介于兩者之者的自由基半醌（QH）。有3種氧化還原形式第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日線粒體內(nèi)膜電子傳遞復合物的排列及電子和質(zhì)子傳遞示意圖第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日復合物Ⅰ（NADH脫氫酶）：106DaFMN黃素蛋白+>6鐵硫中心42條不同的多肽鏈組成，其中7個是疏水的跨膜多肽，由線粒體基因編碼。電子傳遞的方向為：NADH→FMN→Fe-S→QMatrixInnerMembraneIntermembranespace第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日復合物Ⅱ(琥珀酸脫氫酶)：2個親水蛋白：黃素蛋白和鐵硫蛋白，及2個穿膜蛋白TCA中唯一一個跨膜的酶，相對分子量140×103無ATP生成，無質(zhì)子跨膜。電子傳遞的方向為：琥珀酸→FAD→Fe-S→QSuccinateDehydrogenasetwosubunitsarehydrophobicmembraneanchorsubunits,SdhCandSdhD.Twohydrophilicaflavoprotein(SdhA):aniron-sulfurprotein(SdhB)SdhAcontainsacovalentlyattachedFADcofactorandthesuccinatebindingsiteSdhBcontainsthreeiron-sulfurclusters:[2Fe-2S],[4Fe-4S],and[3Fe-4S].Twohydrophobic第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日復合物Ⅲ(細胞色素還原酶)：由10多條肽鏈組成，相對分子量~250×1031個細胞色素b：兩種血紅素b562,b5661個細胞色素c1個鐵硫蛋白復合物Ⅲ將電子從UQH2到細胞色素c的傳遞和H+從基質(zhì)到膜間隙的單向運動兩個過程耦聯(lián)起來。第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日復合物Ⅳ(細胞色素氧化酶)：由13多條肽鏈組成，相對分子量204×103，3個疏水性多肽鏈由線粒體基因編碼4個氧化還原中心：細胞色素a和a3及2個銅離子（CuA和CuB）其作用是催化電子從細胞色素c傳給氧生成H2OCytochromeCOxidase第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日質(zhì)子沿電化學梯度穿過內(nèi)膜上的ATP酶復合物流回基質(zhì)，使ATP酶的構象發(fā)生改變，將ADP和Pi合成ATP。第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日ATP合成酶，分為球形的F1（頭部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用質(zhì)子動力勢合成ATP，每秒鐘可產(chǎn)生100個ATP。

ATP合成酶的結構和作用機理第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日F1頭部：為水溶性的蛋白質(zhì)，從內(nèi)膜突出于基質(zhì)，可以利用質(zhì)子動力勢合成ATP。F1是由9個亞基組成的α3β3γδε復合體，具有三個ATP合成的催化位點（β亞基）。α和β單位交替排列成桔瓣狀結構。γ貫穿αβ復合體，發(fā)揮轉子的作用來調(diào)節(jié)三個β亞基催化位點的開放和關閉，并與F0接觸.ε幫助γ與F0結合。一起形成轉子。δ與F0的兩個b亞基形成固定αβ復合體的結構（定子）。cATP合成酶的作用機制

第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日ATP合酶合成ATP的機理

結合變構模型(binding-changemodel)

該模型認為F1中的γ亞基作為C亞基旋轉中心中固定的轉動桿，旋轉時會引起αβ復合物構型的改變。有三種不同的構型，對ATP和ADP具有不同的結合能力:①O型幾乎不與ATP、ADP和Pi結合;②L型同ADP和Pi的結合較強;③T型與ADP和Pi的結合很緊，并能自動形成ATP，并能與ATP牢牢結合第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日支持構象耦聯(lián)假說的實驗：日本的吉田將

α3β3γ固定在玻片上，在γ亞基的頂端連接熒光標記的肌動蛋白纖維，在含有ATP的溶液中溫育時，在顯微鏡下可觀察到γ亞基帶動肌動蛋白纖維旋轉。第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日復合物Ⅴ(ATP合成酶)：F1（耦聯(lián)因子F1）：α3β3γεδF0（耦聯(lián)因子F0）：ab2c10~12123第三十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日一、線粒體具有獨立的遺傳體系線粒體是一種半自主性的細胞器，它除了有自己的遺傳物質(zhì)--線粒體DNA外，還有蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)(mRNA、rRNA、tRNA)和線粒體核糖體等。線粒體中的蛋白質(zhì)只有約20種是線粒體基因編碼的，但組成線粒體約有上千種之多，所以大多數(shù)線粒體蛋白質(zhì)還是由核基因編碼。由此可見，線粒體的生物合成涉及兩個彼此分開的遺傳系統(tǒng)。