第六章細胞的能量轉換線粒體和葉綠體

第六章細胞的能量轉換線粒體和葉綠體第1頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二第一節(jié)線粒體與氧化磷酸化線粒體被稱為細胞內的能量工廠。人體內的細胞每天要合成幾千克的ATP，95%是由線粒體中的呼吸鏈所產生。第2頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二一、線粒體的形態(tài)結構（一）形態(tài)和分布1.形態(tài)：因種類和生理狀態(tài)而異，一般呈粒狀或桿狀，也有環(huán)形，啞鈴形、線狀、分杈狀。第3頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二活細胞中線粒體形態(tài)高度可變

第4頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二2.大?。褐睆?.5-1μm，長1.5-3.0μm。胰臟分泌細胞中的線粒體可長達10-20μm，稱巨線粒體，人成纖維細胞線粒體則更長，達40μm。第5頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二3.數(shù)量：同類型細胞中數(shù)目穩(wěn)定。不同類型細胞中從1個到數(shù)千個。代謝活躍細胞數(shù)量多；動物細胞較植物細胞多；紅細胞無線粒體。4.分布：一般均勻分布。常結合在微管上，可向功能旺盛區(qū)域遷移。故代謝活躍區(qū)域較多。第6頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二線粒體大小和數(shù)量反映了細胞能量需求

線粒體位于心肌細胞和精子尾部需能多的部位第7頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二（二）線粒體的結構線粒體由內外兩層單位膜封閉形成，包括外膜、內膜、膜間隙和基質4個部分。第8頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二線粒體結構模型

第9頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二1、外膜(outermembrane)全封閉的單位膜，脂和蛋白含量近相等;具孔蛋白(porin)構成的親水通道，通透性較高，分子量<5KD分子可通過。具一些特殊酶類，如色氨酸降解的酶、脂肪鏈延伸的酶。標志酶為單胺氧化酶。第10頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二第11頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二2、內膜（innermembrane）厚約6-8nm，蛋白質/脂類>3:1，心磷脂含量20%，無膽固醇。通透性低，僅讓不帶電荷小分子通過，大分子和離子通過內膜需特殊轉運系統(tǒng)。第12頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二內膜向基質褶入形成嵴(cristae)，嵴常呈板層狀，也有管狀。嵴上有基粒，基粒由頭部(F1)和嵌入內膜的基部(F0)構成。第13頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二板層狀結構第14頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二管狀嵴線粒體

第15頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二內膜具豐富的蛋白質和酶類，主要有參與氧化磷酸化電子傳遞的蛋白質復合體及ATP合成的酶類，以及其它一些參與物質運輸與合成的酶類。標志酶為細胞色素C氧化酶。第16頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二3、膜間隙(intermembranespace)寬6-8nm，含大量可溶性酶、底物和輔助因子標志酶為腺苷酸激酶，催化ATP分子的末端磷酸基團轉移到AMP第17頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二4、基質（matrix）除糖酵解外，其它參與生物氧化的酶均在線粒體基質中：TCA循環(huán)、脂肪酸和丙酮酸氧化的酶。標志酶為蘋果酸脫氫酶。含一套完整的轉錄和翻譯體系：mtDNA，70S核糖體，tRNA、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。第18頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二二、線粒體的功能是細胞進行生物氧化的主要場所，糖類、脂肪和氨基酸最終的氧化均發(fā)生在線粒體。并將氧化與磷酸化偶聯(lián)，合成ATP。第19頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二(一)真核細胞中的氧化作用(oxidation)葡萄糖和脂肪酸是真核細胞能量的主要來源。1.糖的氧化1)在胞質中，糖經糖酵解氧化生成丙酮酸；2)丙酮酸進入線粒體，脫羧生成乙酰CoA3)乙酰CoA進入TCA循環(huán)，徹底氧化成CO2第20頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二第21頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二第22頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二2.脂肪的氧化：脂肪先在胞質中水解成脂肪酸，脂肪酸進入線粒體基質，通過β氧化途徑生成乙酰CoA，及1分子NADH和FADH2。第23頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二3、氨基酸的氧化乙酰輔酶A是線粒體能量代謝的核心分子。第24頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二4、TCA循環(huán)：乙酰CoA和草酰乙酸結合生成檸檬酸，檸檬酸經氧化脫羧，經酮戊二酸、琥珀酸，降解成草酰乙酸。每循環(huán)一次生成2分子CO2、一分子GTP、4分子NADH和一分子FADH2。第25頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二5、輔酶在能量傳遞中的作用:

TCA循環(huán)的凈產物是FADH2和NADH，F(xiàn)ADH2和NADH中含有底物氧化釋放的高能電子，共5對，可用于ATP合成。第26頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二第27頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二糖酵解也產生NADH，可通過蘋果酸-天門冬氨酸穿梭和甘油-磷酸穿梭，將電子傳遞給FAD，形成FADH2，參與ATP合成。第28頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二磷酸甘油穿梭第29頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二蘋果酸－天門冬氨酸穿梭胞液中的NADH，首先由蘋果酸脫氫酶催化將草酰乙酸還原成蘋果酸，蘋果酸再通過內膜上的二羧酸載體系統(tǒng)與線粒體內的α酮戊二酸交換而進入線粒體。然后，蘋果酸在蘋果酸脫氫酶催化下，又氧化生成草酰乙酸并釋出NADH，再經歷與在線粒體內產生的NADH氧化相同的過程。第30頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二(二)呼吸鏈與電子傳遞TCA循環(huán)后，能量儲在NADH和FADH2中，需將其氧化才能將能量釋放出，該過程涉及電子從NADH或FADH2傳遞到氧。呼吸鏈是內膜上的一組酶復合體，負責將電子傳遞到氧氣，產生ATP。第31頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二電子在經呼吸鏈進行傳遞時，高能電子中所含能量逐步釋放，最后儲存在ATP的高能磷酸鍵中，即將ADP轉變成ATP，該過程稱為磷酸化。而電子傳遞鏈將生物氧化和磷酸化串聯(lián)在一起的過程并稱為氧化磷酸化。第32頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二1、電子載體電子載體:與電子結合并將其傳遞下去的物質。(1)

NAD：煙酰胺嘌呤二核苷酸，脫氫酶的輔酶，連接TCA循環(huán)和呼吸鏈，將氫交給黃素蛋白。第33頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二(2)黃素蛋白(flavoprotein)：由一條多肽鏈結合一個輔基組成的酶類,輔基為FMN或FAD.

每個FMN或FAD可接受2個電子和2個質子。

呼吸鏈上既有以FMN為輔基的NADH脫氫酶，也有以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶。第34頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二(3)細胞色素(cytochrome)：呼吸鏈中有5類細胞色素：a、a3、b、c、c1，均含有血紅素鐵，以Fe3+和Fe2+互變傳遞電子。而細胞色素a、a3還與銅原子相連，銅原子也依靠自身化合價的變化進行電子傳遞。第35頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二血紅素的結構

第36頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二(4)

鐵硫蛋白(Fe/Sprotein)：屬細胞色素類，分子中央結合的是鐵和硫，稱鐵硫中心。一般含4個原子，2個鐵和2個S，稱2Fe-2S，也有4Fe-4S。也是通過Fe2+、Fe3+互變進行電子傳遞，且一次只能傳遞1個電子

第37頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二第38頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二(5)輔酶Q(coenzymeQ)：脂溶性小分子醌類化合物，通過氧化和還原傳遞電子。有3種氧化還原形式：氧化型醌Q，還原型氫醌(QH2)和介于兩者間的半醌(QH)。每個醌能接受和傳遞2個電子和質子第39頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二2、氧化還原電位與載體排列順序同種物質得失電子的兩種狀態(tài)稱氧還對。如NAD+和NADH，兩者間有電位差，即氧還電位可在標準條件下測定標準氧還電位。標準氧還電位越小，提供電子的能力越強通過測定電子載體的氧化還原電位，可推斷其在呼吸鏈中的排列順序第40頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二3、電子傳遞復合物用脫氧膽酸(離子型去污劑)處理內膜、分離出呼吸鏈的4種復合物，即復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。而參與電子傳遞的輔酶Q和細胞色素C不屬于任何一種復合物。輔酶Q溶于內膜，細胞色素C位于內膜的膜間隙側(C側)，屬膜外周蛋白。第41頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二（1）復合物ⅠNADH－CoQ還原酶，哺乳動物中由42條肽鏈組成。含1個FMN和6個Fe/S，以二聚體存在。作用：催化NADH的2個電子傳至輔酶Q，并將4個H+由基質(M側)→膜間隙(C側)。電子傳遞方向：NADH→FMN→Fe-S→Q結果：NADH+5H+(M)+Q→NAD++QH2+4H+(C)第42頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二（2）復合物Ⅱ琥珀酸脫氫酶，4條肽鏈，含1個FAD，2個Fe/S催化電子從琥珀酸→CoQ，傳遞過程：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。不轉移質子。反應結果為：琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2第43頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二（3）復合物ⅢCoQ-cytc還原酶，由11條不同肽鏈組成，以二聚體存在，單體含2個cytb(b562，b566)、一個cytc1和一個Fe/S。作用：催化電子從輔酶Q→cytc，每轉移一對電子，同時將4個H+轉移至膜間隙。結果：2氧化態(tài)cytc+QH2+2H+(M)→2還原態(tài)cytc+Q+4H+(C)第44頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二復合物Ⅲ的電子傳遞較復雜，與“Q循環(huán)”有關輔酶Q是脂溶性小分子，能在膜中自由擴散，在內膜C側，QH2將一個電子交給Fe-S→細胞色素c1→細胞色素c，被氧化為半醌(QH)，并將一個質子釋放到膜間隙；半醌將電子交給細胞色素b566→b562，釋放另外一個質子到膜間隙。第45頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二cytb566得到的電子為循環(huán)電子，傳遞路線為：半醌→b566→b562→輔酶Q。因此，輔酶Q的還原有3種途徑，均發(fā)生在內膜M側。一是被復合體Ⅰ還原，二是被復合體Ⅱ還原，三是被cytb562還原。第46頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二Q循環(huán)示意圖

第47頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二（4）復合物Ⅳcytc氧化酶，以二聚體存在，單體含1個cyta、a3和2個Cu原子。作用：電子從cytc→氧傳遞路線：cytc→CuA→cyta→a3-CuB→O2每轉移一對電子，從基質中攝取4個H+，其中2個用于水形成，另2個被轉至膜間隙。結果：

4還原態(tài)cytc+8H+(M)+O2→4氧化態(tài)cytc+4H+(C)+2H2O第48頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二4、兩條主要的呼吸鏈呼吸鏈傳遞的主要是NADH，而FADH2較少，可將呼吸鏈分為主、次兩條：主鏈由復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ組成，催化NADH氧化次鏈由復合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組成，催化琥珀酸氧化第49頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二兩條主要的呼吸鏈第50頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二Molecularbasisofoxidation:Electron-transportchain第51頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二（三）ATP合酶(ATPsynthetase)的結構和作用機理是生物能量轉化的核心酶。參與氧化磷酸化和光合磷酸化，催化合成ATP。存在于線粒體內膜、葉綠體類囊體膜、異氧菌和光合菌質膜上。膜結合狀態(tài)下具有ATP合成活性，分離狀態(tài)下具水解ATP的活性。第52頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二TheATPsynthaseisareversiblecouplingdevice

第53頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二1.ATP合酶(F0F1-ATP酶)的結構1)F1:5種多肽組成的九聚體(3α3βγδε)，α和β交替排列，如桔瓣。γ貫穿αβ復合體，并與F0接觸，ε幫助γ與F0結合。δ與F0的兩個b亞基形成固定αβ復合體的結構。具3個ATP合成催化位點,每個β亞基1個。2)F0:由3個亞基組成的15聚體(1a:2b:12c)。c亞基在膜中形成物質運動的環(huán)，b亞基與δ固定F1；a亞基是質子通道。第54頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二ATP合酶的結構F1:5subunitsintheratio3:3:1:1:1F0:1a：2b：12c

第55頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二在合成ATP時，在流過F0的a亞基的H+推動下,由12個c亞基組成的轉子發(fā)生旋轉，帶動轉動，依次與3個β亞基作用，使β亞基催化位點構象發(fā)生變化，催化ATP合成第56頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二第57頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二氧化磷酸化與電子傳遞的偶聯(lián)呼吸鏈中有3個部位自由能變化較大，是呼吸鏈氧化還原放能與ATP合成偶聯(lián)部位，可被特異性抑制劑阻斷。這3個部位分別是復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ，它們每傳遞1對電子，釋放的自由能足夠合成1分子ATP。而復合物Ⅱ釋放的自由能不足以合成1個分子ATP,不是ATP合成的偶聯(lián)位點。第58頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二SummaryofthemajoractivitiesduringaerobicrespirationinamitochondrionNADHO2:3ATP/2e;FADH2O2:2ATP/2e第59頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二（四）氧化磷酸化的偶聯(lián)機理氧化與磷酸化的偶聯(lián)機制一直是研究氧化磷酸化作用的關鍵主要的假說有：1、化學滲透學說(chemiosmoticcouplinghypothesis)2、構象偶聯(lián)假說(conformationalcouplinghypothesis)第60頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二1、化學滲透假說：質子動力勢MitchellP.1961提出“化學滲透假說(ChemiosmoticHypothesis)”，70年代化學滲透假說得到大量實驗的支持，成為一種較為流行的假說，Mitchell也因此獲得1978年諾貝爾化學獎。第61頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二化學滲透學說電子沿呼吸鏈傳遞時，釋放的能量將質子從內膜基質側泵至膜間隙，線粒體內膜對離子高度不通透，使膜間隙的H+濃度高于基質，在內膜兩側形成pH梯度(△pH)及電位梯度(Ψ)，共同構成電化學梯度，即質子動力勢(△P)。質子沿電化學梯度穿過內膜上的ATP合酶流回基質，使ATP合酶構象改變，將ADP和Pi合成ATP第62頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二

化學滲透學說第63頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二第64頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二Mithchell’sChemiosmotictheory(1961)Morethan21026molecules(>160kg)ofATPperdayinourbodies.第65頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二Otherrolesfortheproton-motiveforceinadditiontoATPsynthase第66頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二2、構象耦聯(lián)假說1979年Boyer提出構象耦聯(lián)假說，主要觀點是：

H+通過F0時，引起c亞基構成的環(huán)旋轉，帶動γ轉動，γ端部不對稱，引起F1上3個β亞基的催化位點的構象周期性變化(L、T、O)。在L構象，ADP、Pi與酶疏松結合；在T構象與酶緊密結合，合成ATP；在O構象ATP與酶的親和力低，被釋放。每個亞基要經過3次構象改變才能催化合成1個ATP。第67頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二第68頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二第69頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二支持構象耦聯(lián)假說的實驗有：1．日本的吉田（MassasukeYoshida）等人將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。2．在另外一個實驗中，將熒光標記的肌動蛋白連接到ATP合酶的F0亞基上，在ATP存在時同樣可以觀察到肌動蛋白的旋轉。第70頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二第71頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二（四）氧化磷酸化抑制劑1.電子傳遞抑制劑:①抑制NADH→CoQ電子傳遞:阿米妥、魚藤酮、殺粉蝶素A。②抑制Cytb→Cytc1電子傳遞:抗霉素A③抑制細胞色素氧化酶→O2:CO，CN，NaN3，H2S第72頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二2．磷酸化抑制劑:與F0結合，阻斷H+通道，從而抑制ATP合成：寡霉素、二環(huán)己基碳化二亞胺(DCC)3．解偶聯(lián)劑(uncoupler):使氧化和磷酸化脫偶聯(lián)，氧化仍可進行，而磷酸化不能進行。解偶聯(lián)劑為離子載體或通道，能增大內膜對H+通透性，消除H+梯度，無ATP生成，使氧化釋放出的能量全部以熱的形式散發(fā)動物棕色脂肪組織和肌肉線粒體中有獨特的解偶聯(lián)蛋白，與維持體溫有關。第73頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二常用解偶聯(lián)劑主要有：質子載體：2，4-二硝基酚(DNP)，羰基-氰-對-三氟甲氧基苯肼(FCCP)。質子通道:增溫素。其它離子載體：纈氨霉素。某些藥物：如過量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶聯(lián)，從而使體溫升高。第74頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二三、線粒體的半自主性1963年發(fā)現(xiàn)線粒體DNA(mtDNA)后，又在線粒體發(fā)現(xiàn)RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖體等進行DNA復制、轉錄和蛋白質翻譯的全套裝備，說明線粒體具獨立遺傳體系。第75頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二線粒體能合成蛋白質，但合成能力有限。線粒體1000多種蛋白質中，自身合成的僅十余種。線粒體核糖體蛋白、氨酰tRNA合成酶、許多結構蛋白，都是核基因編碼，在胞質中合成，定向轉運到線粒體.故稱線粒體為半自主細胞器。第76頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二利用標記氨基酸培養(yǎng)細胞，用氯霉素和放線菌酮分別抑制線粒體和胞質蛋白質合成，發(fā)現(xiàn)人的mtDNA編碼的多肽為細胞色素c氧化酶的3個亞基，F(xiàn)0的2個亞基，NADH脫氫酶的7個亞基和細胞色素b等13條多肽。mtDNA還合成12S和16SrRNA及22種tRNA。第77頁，共84頁，2023年，2月20日，星期二GenesinmtDNAencoderRNAs,tRNAs,andsomemitochondrialproteinsHumanmtDNA:16,569bp2rRNAs,22tRNAs,13polypeptides:NADHreductase.7sub.Ctyb-c1complex.1cytbCytoxidase.3subun