線粒體與細胞的能量轉(zhuǎn)換演示文稿

線粒體與細胞的能量轉(zhuǎn)換演示文稿當前1頁，總共89頁。（優(yōu)選）線粒體與細胞的能量轉(zhuǎn)換當前2頁，總共89頁。概述

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)，通過分解代謝而取得能量，因而被稱為異養(yǎng)生物（heterotroph）。當前3頁，總共89頁。

動物細胞實現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)換的細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)就是線粒體（單數(shù)mitochondrion；復(fù)數(shù)mitochondria）。當前4頁，總共89頁。

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)。當前5頁，總共89頁。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。當前6頁，總共89頁。

線粒體含有眾多酶系，目前已確認有120余種，是細胞中含酶最多的細胞器。這些酶分別位于線粒體的不同部位，在線粒體行使細胞氧化功能時起重要的作用。

當前7頁，總共89頁。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0.5～1.0μm。不同類型或不同生理狀態(tài)的細胞，其線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)目及排列分布常不相同。當前8頁，總共89頁。

線粒體的數(shù)量可因細胞種類而不同，最少的細胞只含1個線粒體，最多的達50萬個，其總體積可占細胞體積的25%。這與細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。

當前9頁，總共89頁。

線粒體在很多細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，如在肌細胞中，線粒體集中分布在肌原纖維之間；在精子細胞中，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，同一細胞在不同生理狀況下，可發(fā)現(xiàn)線粒體變形移位現(xiàn)象。

當前10頁，總共89頁。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)部空間與細胞質(zhì)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。當前11頁，總共89頁。（一）外膜是一層單位膜

外膜（outermembrane）是線粒體最外層所包繞的一層單位膜，厚約5～7nm，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β片層結(jié)構(gòu)形式形成直徑2～3nm桶狀通道，跨越脂質(zhì)雙層，可以通過相對分子質(zhì)量在5000以下的物質(zhì)。當前12頁，總共89頁。（二）內(nèi)膜向基質(zhì)折疊形成特定的內(nèi)部空間

內(nèi)膜（innermembrane）比外膜稍薄，平均厚4.5nm，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。當前13頁，總共89頁。

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（matrixspace）；內(nèi)膜與外膜之間的空間稱為外腔，或膜間腔（intermembranespace）。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（intercristalspace），而由于嵴向內(nèi)腔突進造成的外腔向內(nèi)伸入的部分稱為嵴內(nèi)空間（intracristalspace）。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。

當前14頁，總共89頁。

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（elementaryparticle)

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?；ｎ^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（ATPsynthasecomplex）。當前15頁，總共89頁。當前16頁，總共89頁。

（三）內(nèi)外膜轉(zhuǎn)位接觸點形成核編碼蛋白質(zhì)進入線粒體的通道

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（translocationcontactsite）。是蛋白質(zhì)等物質(zhì)進出線粒體的通道。當前17頁，總共89頁。當前18頁，總共89頁。（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)（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)。

當前19頁，總共89頁。四、線粒體有自己相對獨立的遺傳體系（一）線粒體有自己的遺傳系統(tǒng)和蛋白質(zhì)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同的編碼含義，但它與細胞核的遺傳系統(tǒng)構(gòu)成了一個整體。當前20頁，總共89頁。

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5~10個。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，所以它們在細胞質(zhì)中合成后經(jīng)特定的方式轉(zhuǎn)送到線粒體中。當前21頁，總共89頁。（二）線粒體基因組為一條雙鏈環(huán)狀的DNA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）。當前22頁，總共89頁。

重鏈編碼12SrRNA、16SrRNA、NADH-CoQ氧化還原酶1（NADH-CoQoxidoreductase1，ND1）、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5、細胞色素C氧化酶1（cytochromecoxidaseⅠ,COXⅠ）、COXⅡ、COXⅢ、細胞色素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。當前23頁，總共89頁。當前24頁，總共89頁。

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)成細胞色素c氧化酶（COX）復(fù)合體（復(fù)合體Ⅳ）催化活性中心的亞單位（COXⅠ、COXⅡ和COXⅢ）；2個為ATP合酶復(fù)合體（復(fù)合體Ⅴ）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Ⅰ）的亞基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）；還有1個編碼的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)為CoQH2-細胞色素c還原酶復(fù)合體（復(fù)合體Ⅲ）中細胞色素b的亞基。當前25頁，總共89頁。當前26頁，總共89頁。（三）重鏈和輕鏈各有一個啟動子啟動線粒體基因的轉(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-strandpromoter，HSP）和輕鏈啟動子（light-strandpromoter，LSP）當前27頁，總共89頁。

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mRNA5ˊ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3ˊ端。某些情況下，一個堿基U就是mtDNA體系中的終止密碼子。當前28頁，總共89頁。

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，但在人類細胞的線粒體編碼系統(tǒng)中，它編碼色氨酸。當前29頁，總共89頁。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比較當前30頁，總共89頁。

線粒體基因中兩個重疊基因，一個是復(fù)合物Ⅰ的ND4L和ND4，另一個是復(fù)合物Ⅴ的ATP酶8和ATP酶6。當前31頁，總共89頁。（四）線粒體DNA的復(fù)制是一個緩慢而復(fù)雜的過程

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。當前32頁，總共89頁。當前33頁，總共89頁。五、線粒體靶序列引導(dǎo)核編碼蛋白質(zhì)向線粒體轉(zhuǎn)運（一）核編碼蛋白在進入線粒體需要分子伴侶蛋白的協(xié)助

線粒體內(nèi)含有1000～1500種蛋白質(zhì)，除上述的13種多肽外，98％以上是由細胞核DNA編碼，在細胞質(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入線粒體的過程中，需要一類被稱為分子伴侶（molecularchaperon）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。當前34頁，總共89頁。

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-targetingsequence，MTS），線粒體外膜和內(nèi)膜上的受體能識別并結(jié)合各種不同的但相關(guān)的MTS。當前35頁，總共89頁。當前36頁，總共89頁。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（citratesynthase）與其他檸檬酸酶DNA聚合酶F1ATP酶亞單位α（除植物外），β、γ、δ（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Ⅲ亞基1、2、5（鐵-硫蛋白）、6、7復(fù)合體Ⅳ（COX）亞基4，5，6，7F0ATP酶生熱蛋白（thermogenin）膜間腔細胞色素c細胞色素c過氧化物酶細胞色素b2和c1（復(fù)合體Ⅲ亞基）外膜線粒體孔蛋白（porin）P70

部分核編碼的線粒體蛋白當前37頁，總共89頁。（二）前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài)

當線粒體蛋白可溶性前體(solubleprecursorofmitochondrialproteins)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-associatedcomplex，NAC)的分子伴侶蛋白相互作用。當前38頁，總共89頁。

在哺乳動物的胞質(zhì)中存在著：

前體蛋白的結(jié)合因子（presequence-bindingfactor，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（mitochondrialimportstimulatoryfactor，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。當前39頁，總共89頁。

前體蛋白與MSF所形成的復(fù)合體能進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1.5~2.5nm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)。當前40頁，總共89頁。當前41頁，總共89頁。（三）分子運動產(chǎn)生的動力協(xié)助多肽鏈穿越線粒體膜

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。

當前42頁，總共89頁。Simon等提出一種作用機制，即布朗棘輪模型（BrownianRachetmodel）：

當前43頁，總共89頁。（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)

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?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（matrixprocessingprotease,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。當前44頁，總共89頁。（五）線粒體蛋白以類似的機制進入線粒體其他部位

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。當前45頁，總共89頁。六、線粒體介導(dǎo)了某些類型的細胞死亡

細胞凋亡的研究已經(jīng)從細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。當前46頁，總共89頁。（一）許多證據(jù)顯示線粒體是控制細胞死亡的中心環(huán)節(jié)之一①無論死亡細胞的類型是什么，也無論導(dǎo)致細胞死亡的因素是什么，細胞死亡（包括凋亡和壞死）的共同特征是在細胞死亡前都有線粒體膜通透性改變；②相對于其他細胞生物學(xué)指標（包括caspase）而言，線粒體通透性的改變是預(yù)測細胞死亡更有價值的指標；③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；當前47頁，總共89頁。④Bcl-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胞凋亡；⑤通過特異性藥物抑制線粒體膜的通透性可阻止或延緩細胞死亡；⑥無細胞系統(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)致細胞死亡的一個或幾個關(guān)鍵步驟。當前48頁，總共89頁。（二）線粒體的改變構(gòu)成了細胞死亡的原因或表現(xiàn)

線粒體在能量代謝和自由基代謝中占據(jù)十分重要的地位，線粒體產(chǎn)生大量超氧陰離子，并通過鏈式反應(yīng)形成活性氧（ROS），當ROS水平較低時，可促進細胞增生；而當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cytoc外漏，再啟動caspase的級聯(lián)活化，最終由caspase-3啟動凋亡。當前49頁，總共89頁。（三）線粒體控制著某些細胞死亡過程的中心環(huán)節(jié)

與線粒體有關(guān)的細胞死亡的三個時限（phase）：

一是線粒體前期，這是誘導(dǎo)細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，所以這一時期也屬于私有途徑（privatepathway）；

當前50頁，總共89頁。

二是線粒體期，在這一時期線粒體膜的通透性發(fā)生改變，這是線粒體控制細胞死亡的關(guān)鍵時期，一旦進入這一點，細胞將不可避免地發(fā)生后續(xù)過程，故也稱為效應(yīng)期（effectorphase）或決定期（decisivephase）；

當前51頁，總共89頁。

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)致細胞死亡的共同途路，因此也稱為共有途徑（commonpathway）。當前52頁，總共89頁。當前53頁，總共89頁。七、線粒體的起源與發(fā)生尚有爭論（一）線粒體是通過分裂方式實現(xiàn)增殖的

對于現(xiàn)代真核細胞中的線粒體發(fā)生（biogenesis）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胞結(jié)構(gòu)以及通過原有線粒體的分裂形成。

Attardi等認為，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胞核和線粒體兩個獨立的遺傳系統(tǒng)控制。當前54頁，總共89頁。（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胞共生的早期細菌。在之后的長期進化過程中，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。許多證據(jù)支持這一假說：線粒體的遺傳系統(tǒng)與細菌相似，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。當前55頁，總共89頁。當前56頁，總共89頁。

第二節(jié)細胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換

一、細胞呼吸是細胞氧化分解物質(zhì)獲取能量的過程

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。細胞也存在有這樣的呼吸作用，即在細胞內(nèi)特定的細胞器（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，這一過程稱為細胞呼吸(cellularrespiration)，也稱為生物氧化（biologicaloxidation)

或細胞氧化(cellularoxidation)。當前57頁，總共89頁。

細胞呼吸是細胞內(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。細胞呼吸有以下特點：①細胞呼吸本質(zhì)上是在線粒體中進行的一系列由酶系所催化的氧化還原反應(yīng)；②所產(chǎn)生的能量儲存于ATP的高能磷酸鍵中；③整個反應(yīng)過程是分步進行的，能量也是逐步釋放的；④反應(yīng)是在恒溫(37℃)和恒壓條件下進行的；⑤反應(yīng)過程中需要H2O的參與。當前58頁，總共89頁。二、ATP是細胞能量的轉(zhuǎn)換分子

細胞呼吸所產(chǎn)生的能量并不像燃燒所產(chǎn)生的熱能那樣散發(fā)出來，而是儲存于細胞能量轉(zhuǎn)換分子ATP中。ATP是一種高能磷酸化合物，細胞呼吸時，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用；反之，當細胞進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。當前59頁，總共89頁。A-P～P～P去磷酸化磷酸化A-P～P+Pi+1.72kJ當前60頁，總共89頁。

隨著細胞內(nèi)不斷進行的能量釋放和儲存，ATP與ADP不停地進行著互變。因為ATP是細胞內(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是細胞生命活動的直接供能者，也是細胞內(nèi)能量獲得、轉(zhuǎn)換、儲存和利用等環(huán)節(jié)的聯(lián)系紐帶。當前61頁，總共89頁。第三節(jié)細胞的能量轉(zhuǎn)換

“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)和脂肪的徹底氧化只在第一步中與糖有所區(qū)別。

當前62頁，總共89頁。當前63頁，總共89頁。一、葡萄糖在細胞質(zhì)中進行糖酵解

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-levelphosphorylation）。當前64頁，總共89頁。NADH+

H+

進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)進入線粒體內(nèi)。在線粒體基質(zhì)中丙酮酸脫氫酶體系作用下，丙酮酸進一步分解為乙酰輔酶A，NAD+作為受氫體被還原。當前65頁，總共89頁。二、三羧酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中實現(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)）。當前66頁，總共89頁。當前67頁，總共89頁。

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。當前68頁，總共89頁。

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。當前69頁，總共89頁。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。當前70頁，總共89頁。（一）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)

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必須進一步氧化成為水，整個有氧氧化過程才告結(jié)束。當前71頁，總共89頁。

H并不能與O2直接結(jié)合，一般認為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（respiratorychain）或電子傳遞呼吸鏈（electrontransportrespiratorychain）。當前72頁，總共89頁。

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)和細胞色素c(Cytc)外，組成呼吸鏈的成員分別組成了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ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；Cytc是膜邊周蛋白，可在膜表面移動。當前73頁，總共89頁。復(fù)合體酶活性分子量輔基ⅠNADH-CoQ氧化還原酶85000FMN、FeSⅡ

琥珀酸-CoQ氧化還原酶97000FAD、FeSⅢCoQH2-細胞色素c氧化還原酶280000血紅素b、FeS血紅素c1Ⅳ

細胞色素c氧化酶200000血紅素a、Cu血紅素a3線粒體電子傳遞鏈組分當前74頁，總共89頁。

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8～9nm；柄部直徑約4nm，長4.5～5nm；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（ATPsynthasecomplex），也稱F0F1ATP合酶。當前75頁，總共89頁。當前76頁，總共89頁。（二）電子傳遞過程中釋放出的能量催化ADP磷酸化而合成ATP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F0F1ATP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。當前77頁，總共89頁。當前78頁，總共89頁。

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NADH→FMN，Cytb→Cytc之間，Cyta→O2之間。這3個部位釋放的能量依次為50800J、41000J和99500J，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。當前79頁，總共89頁。

載氫體NADH和FADH2進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。

當前80頁，總共89頁。

葡萄糖完全氧化所釋放的能量主要通過兩條途徑形成ATP：①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；