線粒體與細胞的能量轉換

第六章線粒體線粒體與葉綠體能量轉換：葉綠體：通過光合作用把光能轉換為化學能，儲存于大分子有機物中線粒體：將儲存在生物大分子中的化學能轉換為細胞可直接利用的能源線粒體與葉綠體的共性：半自主性細胞器1.形態(tài)特征主要是封閉的雙層單位膜結構，內膜經過折疊演化為表面極大擴增的內膜特化結構系統(tǒng)，在能量轉換過程中起重要作用。2.功能都是高效的產生ATP的精密裝置。3.遺傳物質都具有環(huán)狀DNA及自身轉錄RNA與翻譯蛋白質的體系（第二遺傳信息系統(tǒng)）一、線粒體的形態(tài)結構定位（分布）與形態(tài)結構與化學組成二、線粒體的功能氧化代謝電子傳遞鏈與電子傳遞質子轉移與質子驅動力的形成氧化磷酸化為各種生命活動提供能量三、線粒體與疾病線粒體在細胞內的分布一般是不均勻的，根據細胞代謝需要，線粒體可在細胞質中運動變形和分裂增殖。線粒體的形態(tài)與分布形狀多樣，以線狀和粒狀最常見；大小、數量與分布也變動很大；大?。阂话阒睆綖?.5-1μm,長度為1.5-3μm，至幾十μm；不同類型中線粒體的數目相差很大：一般動物細胞比植物細胞多，代謝旺盛的細胞比靜態(tài)細胞多；在胞質中的分布通常是均勻的，某些細胞里集中在代謝旺盛的部位在胞質中的定位與遷移與微管有關。外膜（outermembrane）厚約5-7nm蛋白質、脂質各占50%含孔蛋白（porin），由β折疊鏈形成桶狀結構，中心為2-3nm的小孔?？梢钥赡娴拈_閉，完全打開時，可通過分子量10000以下的物質。外膜的通透性非常高標志酶為單胺氧化酶內膜（innermembrane）平均厚4.5nm蛋白質:脂質=4:1缺乏膽固醇，富含心磷脂，占磷脂含量的20%，形成了通透性屏障，嚴格控制分子和離子通過。對建立質子電化學梯度，驅動ATP合成起重要作用。向內折疊形成嵴（cristae）增加內膜的表面積標志酶為細胞色素氧化酶膜間隙(intermembranespace)&基質（matrix）

內外膜之間的腔隙，寬6-8nm，含有可溶性的酶、底物和輔助因子。標志酶為：腺苷酸激酶。內膜所包圍的嵴外空間為線粒體基質?；|內包含可溶性蛋白質的膠狀物質，具有一定的pH值和滲透壓。基質中酶包括：TCA循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸降解等有關的酶;遺傳系統(tǒng)包括DNA、RNA、核糖體和轉錄、翻譯遺傳信息所需的各種裝置。標志酶為：蘋果酸脫氫酶線粒體的化學組成◆蛋白質(線粒體干重的65～70％)◆脂類(線粒體干重的25～30％)：磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，內膜缺乏膽固醇，富含主要是心磷脂(20%)。線粒體內、外膜脂類和蛋白質的比值:0.3:1（內膜）；1:1（外膜）線粒體主要酶的分布

線粒體的功能線粒體主要功能是進行三羧酸循環(huán)及氧化磷酸化，合成ATP，為細胞生命活動提供直接能量；與細胞中氧自由基的生成、調節(jié)細胞氧化還原電位和信號轉導，調控細胞凋亡、基因表達、細胞內多種離子的跨膜運輸及電解質穩(wěn)態(tài)平衡，包括線粒體對細胞中Ca2+的穩(wěn)態(tài)調節(jié)有關。 （一）線粒體中的氧化代謝 （二）電子傳遞鏈與電子傳遞（三）質子轉移與質子驅動力的形成（四）ATP形成機制——氧化磷酸化線粒體中的氧化代謝線粒體中的三羧酸循環(huán)，是物質氧化的最終共同途徑，氧化磷酸化是生物體獲得能量的主要途徑。Figure9.6ElectronscarriedviaNADHGlycolsisGlucosePyruvateATPSubstrate-levelphosphorylationElectronscarriedviaNADHandFADH2CitricacidcycleOxidative

phosphorylation:

electrontransportand

chemiosmosisATPATPSubstrate-levelphosphorylationOxidativephosphorylationMitochondrionCytosol糖酵解蘋果酸-天冬氨酸穿梭草酰乙酸谷氨酸α-酮戊二酸TCA循環(huán)電子傳遞鏈與電子傳遞在線粒體內膜上存在傳遞電子的一組酶的復合體，由一系列能可逆地接受和釋放電子的化學物質所組成，它們在內膜上相互關聯地有序排列成傳遞鏈，稱為電子傳遞鏈（electrontransportchain）或呼吸鏈（respiratorychain）,是典型的多酶體系。電子通過呼吸鏈的流動，稱為電子傳遞。

1.電子載體

2.電子載體排列順序

3.電子轉運復合物電子載體

電子傳遞鏈是由一系列特殊的電子載體構成的。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化合物稱為電子載體（electroncarrier）。電子載體有五種：黃素蛋白（flavoprotein）細胞色素(cytochrome)

泛醌(ubiquinone,UQ)

鐵硫蛋白(iron-sulfurprotein)

銅原子(copperatom)它們都具有氧化還原作用，除泛醌外接受和提供電子的氧化還原中心都是與蛋白質相連的輔基。黃素蛋白（flavoprotein）是由一條多肽與黃素腺嘌呤單核苷酸（FMN）或黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）緊密結合組成的結合蛋白，黃素蛋白的輔基都是核黃素（維生素B2）的衍生物，每次能傳遞兩個電子和兩個H+。細胞色素(cytochrome)

是一種帶有含鐵血紅素輔基而對可見光具有特征性強吸收的蛋白，血紅素中的鐵通過Fe3+和Fe2+

兩種狀態(tài)變換，傳遞單個電子。包括細胞色素a、a3、b、c、c1。泛醌(ubiquinone,UQ)泛醌或稱輔酶Q（CoQ），是一種脂溶性的帶有一條長的類異戊二烯側鏈苯醌。它是唯一不與蛋白結合的電子載體，位于內膜上，能夠在內膜脂雙分子層上自由擴散。鐵硫蛋白(iron-sulfurprotein)鐵硫蛋白是一類含非血紅素鐵的蛋白質，在鐵硫蛋白分子的中央結合的是鐵和硫，稱為鐵硫中心。靠Fe3+和Fe2+

兩種狀態(tài)變換傳遞電子，每次只能傳遞一個電子。銅原子(copperatom)在aa3分子中，除含血紅素鐵外，尚含有2個銅原子，依靠Cu2+和Cu+的變化傳遞單個電子，把電子從a3傳遞到氧。電子載體排列順序實驗證明，呼吸鏈中的電子載體有嚴格的排列順序和方向。它們是按照氧化還原電位從低向高排序。電子轉運復合物

電子傳遞鏈中的各組分不是游離存在的，而是結合成為膜蛋白復合物，其功能是參加氧化還原作用，共含有70多種不同的多肽。復合物Ⅰ復合物Ⅲ復合物Ⅳ復合物Ⅱ復合物Ⅱ復合物Ⅲ復合物Ⅳ◆五種類型電子載體：黃素蛋白、細胞色素(含血紅素輔基)、Fe-S中心、銅原子、輔酶Q。前四種與蛋白質結合，輔酶Q為脂溶性醌?！綦娮觽鬟f起始于NADH脫氫酶催化NADH氧化，形成高能電子(能量轉化)，終止于O2形成水。◆電子傳遞方向按氧化還原電勢遞增的方向傳遞(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高)◆高能電子釋放的能量驅動線粒體內膜三大復合物(H+-泵)將H+從基質側泵到膜間隙，形成跨線粒體內膜H+梯度(能量轉化)◆電子傳遞鏈各組分在膜上不對稱分布質子轉移與質子驅動力的形成膜電位（△Ψ）和膜內外H+濃度差（△pH）所貯存的電化學梯度自由能總稱為質子動力勢（proton-motiveforce,△P）。△P=△Ψ-2.3—△pHRTFATP形成機制——氧化磷酸化將ADP轉變?yōu)锳TP的過程稱為磷酸化（phosphorylation）。底物水平的磷酸化氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）光合磷酸化（photophosphorylation）1.ATP合成酶的結構與組成2.能量耦聯與ATP合成酶的作用機制

底物水平的磷酸化

由相關的酶將底物分子上的磷酸基團轉移到ADP分子上，生成ATP。ATP合成酶的結構與組成能量耦聯與ATP合成酶的作用機制

◆解離與重建實驗證明電子傳遞與ATP合成是由兩個不同的結構體系執(zhí)行◆化學滲透假說◆ATP合成機制該實驗證明了：

1.顆粒是ATP合成必需的

2.小泡是電子傳遞必需的

3.電子傳遞和ATP合成是分開進行的氧化磷酸化的耦聯機制—化學滲透假說◆化學滲透假說內容：（獲1978諾貝爾化學獎）由英國Michell提出，認為在電子傳遞過程中，由于線粒體內膜的不通透性，形成了跨線粒體內膜的質子梯度驅動ATP的合成(實驗證據)。◆支持化學滲透假說的實驗證據該實驗表明：質子動力勢乃ATP合成的動力膜應具有完整性電子傳遞與ATP合成是兩件相關而又不同的事件下面實驗可以證明從NADH或FADH2到O2的電子傳遞與質子的跨膜轉運相耦聯：下面兩個實驗可以證明只要有質子動力勢就可以合成ATP細菌視紫紅質結合變構機制BandingChangeMechanism(Boyer1979)，1997年獲諾貝爾化學獎1.質子梯度作用不是用于形成ATP，而是使