線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換

關(guān)于線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換概述

地球上一切生命活動(dòng)所需要的能量主要來源于太陽能。但不同生物代謝時(shí)吸收能量的機(jī)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(xì)菌中，它們能通過光合作用，將無機(jī)物（如CO2和H2O）轉(zhuǎn)化成可被自身利用的有機(jī)物，這種生物是自養(yǎng)生物（autotroph）。而動(dòng)物細(xì)胞不具有葉綠體，它們以自養(yǎng)生物合成的有機(jī)物為營(yíng)養(yǎng)，通過分解代謝而取得能量，因而被稱為異養(yǎng)生物（heterotroph）。第2頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

動(dòng)物細(xì)胞實(shí)現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)換的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)就是線粒體（單數(shù)mitochondrion；復(fù)數(shù)mitochondria）。第3頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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)。第4頁,共93頁，2024年2月25日，星期天線粒體蛋白質(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。第5頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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

第6頁,共93頁，2024年2月25日，星期天二、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(xì)胞，其線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)目及排列分布常不相同。第7頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

線粒體的數(shù)量可因細(xì)胞種類而不同，最少的細(xì)胞只含1個(gè)線粒體，最多的達(dá)50萬個(gè)，其總體積可占細(xì)胞體積的25%。這與細(xì)胞本身的代謝活動(dòng)有關(guān)，代謝旺盛需要能量較多時(shí)，線粒體數(shù)目較多；反之線粒體的數(shù)目則較少。

第8頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

線粒體在很多細(xì)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(xì)胞中，線粒體集中分布在肌原纖維之間；在精子細(xì)胞中，線粒體圍繞鞭毛中軸緊密排列，以利于精子運(yùn)動(dòng)尾部擺動(dòng)時(shí)的能量供應(yīng)；有時(shí)，同一細(xì)胞在不同生理狀況下，可發(fā)現(xiàn)線粒體變形移位現(xiàn)象。

第9頁,共93頁，2024年2月25日，星期天三、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(xì)胞質(zhì)隔離，并使線粒體內(nèi)部空間分隔成兩個(gè)膜空間，構(gòu)成線粒體的支架。第10頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（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(duì)分子質(zhì)量在5000以下的物質(zhì)。第11頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（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。第12頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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(jìn)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(kuò)大了內(nèi)膜的面積，提高了內(nèi)膜的代謝效率。

第13頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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）。第14頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

（三）內(nèi)外膜轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)形成核編碼蛋白質(zhì)進(jìn)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(diǎn)（translocationcontactsite）。是蛋白質(zhì)等物質(zhì)進(jìn)出線粒體的通道。第16頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第17頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（四）基質(zhì)為物質(zhì)氧化代謝提供場(chǎng)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(dú)特的雙鏈環(huán)狀DNA、核糖體，這些構(gòu)成了線粒體相對(duì)獨(dú)立的遺傳信息復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)。

第18頁,共93頁，2024年2月25日，星期天四、線粒體有自己相對(duì)獨(dú)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(xì)胞核的遺傳系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)整體。第19頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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(gè)線粒體內(nèi)往往有1至數(shù)個(gè)mtDNA分子，平均為5~10個(gè)。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?cè)诩?xì)胞質(zhì)中合成后經(jīng)特定的方式轉(zhuǎn)送到線粒體中。第20頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（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(cè)定早已完成，線粒體基因組的序列（又稱劍橋序列）共含16569個(gè)堿基對(duì)（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）。第21頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

重鏈編碼12SrRNA、16SrRNA、NADH-CoQ氧化還原酶1（NADH-CoQoxidoreductase1，ND1）、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5、細(xì)胞色素C氧化酶1（cytochromecoxidaseⅠ,COXⅠ）、COXⅡ、COXⅢ、細(xì)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(gè)tRNA等（圖中用小寫字母表示，表示其對(duì)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(gè)基因。

輕鏈編碼了ND6及8個(gè)tRNA。第22頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

由這13個(gè)基因所編碼的蛋白質(zhì)均已確定，其中3個(gè)為構(gòu)成細(xì)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(gè)為ATP合酶復(fù)合體（復(fù)合體Ⅴ）F0部分的2個(gè)亞基（A6和A8）；7個(gè)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(gè)編碼的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)為CoQH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合體（復(fù)合體Ⅲ）中細(xì)胞色素b的亞基。第24頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第25頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（三）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

線粒體基因組的轉(zhuǎn)錄是從兩個(gè)主要的啟動(dòng)子處開始轉(zhuǎn)錄的，分別為重鏈啟動(dòng)子（heavy-strandpromoter，HSP）和輕鏈啟動(dòng)子（light-strandpromoter，LSP）第26頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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(gè)mRNA5ˊ端的起始密碼或三個(gè)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(gè)堿基U就是mtDNA體系中的終止密碼子。第27頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

線粒體mRNA翻譯的起始氨基酸為甲酰甲硫氨酸，這點(diǎn)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(xì)胞的線粒體編碼系統(tǒng)中，它編碼色氨酸。第28頁,共93頁，2024年2月25日，星期天線粒體與核密碼子編碼氨基酸比較第29頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

線粒體基因中兩個(gè)重疊基因，一個(gè)是復(fù)合物Ⅰ的ND4L和ND4，另一個(gè)是復(fù)合物Ⅴ的ATP酶8和ATP酶6。第30頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（四）線粒體DNA的復(fù)制是一個(gè)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(diǎn)被分成兩半，一個(gè)是在重鏈上，稱為重鏈復(fù)制起始點(diǎn)（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(gè)是在輕鏈上，稱為輕鏈復(fù)制起始點(diǎn)（OL），位于環(huán)L的“8點(diǎn)鐘”位置，它控制輕鏈子鏈DNA的自我復(fù)制。第31頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第32頁,共93頁，2024年2月25日，星期天五、線粒體靶序列引導(dǎo)核編碼蛋白質(zhì)向線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)（一）核編碼蛋白在進(jìn)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(xì)胞核DNA編碼，在細(xì)胞質(zhì)核糖體合成后運(yùn)入線粒體的。線粒體含有4個(gè)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(jìn)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。第33頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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(shí)別并結(jié)合各種不同的但相關(guān)的MTS。第34頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第35頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

部分核編碼的線粒體蛋白第36頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（二）前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài)

當(dāng)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。第37頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

在哺乳動(dòng)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(duì)線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)；線粒體輸入刺激因子（mitochondrialimportstimulatoryfactor，MSF），常單獨(dú)發(fā)揮著ATP酶的作用，為聚集蛋白的解聚提供能量。第38頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

前體蛋白與MSF所形成的復(fù)合體能進(jìn)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(shí)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(diǎn)共同組成一個(gè)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)。第39頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第40頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（三）分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)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(jìn)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(jìn)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(yùn)。

第41頁,共93頁，2024年2月25日，星期天Simon等提出一種作用機(jī)制，即布朗棘輪模型（BrownianRachetmodel）：

第42頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（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(yùn)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(dāng)?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。第43頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（五）線粒體蛋白以類似的機(jī)制進(jìn)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(yùn)外，還包括線粒體蛋白的膜間腔、內(nèi)膜和外膜的轉(zhuǎn)運(yùn)，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(hào)順序。第44頁,共93頁，2024年2月25日，星期天六、線粒體介導(dǎo)了某些類型的細(xì)胞死亡

細(xì)胞凋亡的研究已經(jīng)從細(xì)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。第45頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（一）許多證據(jù)顯示線粒體是控制細(xì)胞死亡的中心環(huán)節(jié)之一①無論死亡細(xì)胞的類型是什么，也無論導(dǎo)致細(xì)胞死亡的因素是什么，細(xì)胞死亡（包括凋亡和壞死）的共同特征是在細(xì)胞死亡前都有線粒體膜通透性改變；②相對(duì)于其他細(xì)胞生物學(xué)指標(biāo)（包括caspase）而言，線粒體通透性的改變是預(yù)測(cè)細(xì)胞死亡更有價(jià)值的指標(biāo)；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；第46頁,共93頁，2024年2月25日，星期天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(xì)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(xì)胞死亡；⑥無細(xì)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(xì)胞死亡的一個(gè)或幾個(gè)關(guān)鍵步驟。第47頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（二）線粒體的改變構(gòu)成了細(xì)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?zhǔn)椒磻?yīng)形成活性氧（ROS），當(dāng)ROS水平較低時(shí)，可促進(jìn)細(xì)胞增生；而當(dāng)ROS水平較高時(shí)，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(dòng)caspase的級(jí)聯(lián)活化，最終由caspase-3啟動(dòng)凋亡。第48頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（三）線粒體控制著某些細(xì)胞死亡過程的中心環(huán)節(jié)

與線粒體有關(guān)的細(xì)胞死亡的三個(gè)時(shí)限（phase）：

一是線粒體前期，這是誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的因子通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑級(jí)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(shí)期也屬于私有途徑（privatepathway）；

第49頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

二是線粒體期，在這一時(shí)期線粒體膜的通透性發(fā)生改變，這是線粒體控制細(xì)胞死亡的關(guān)鍵時(shí)期，一旦進(jìn)入這一點(diǎn)，細(xì)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）；

第50頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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(jìn)一步介導(dǎo)后續(xù)的死亡機(jī)制。由于第二期和第三期是不同因素導(dǎo)致細(xì)胞死亡的共同途路，因此也稱為共有途徑（commonpathway）。第51頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第52頁,共93頁，2024年2月25日，星期天七、線粒體的起源與發(fā)生尚有爭(zhēng)論（一）線粒體是通過分裂方式實(shí)現(xiàn)增殖的

對(duì)于現(xiàn)代真核細(xì)胞中的線粒體發(fā)生（biogenesis）機(jī)制，目前有三種關(guān)于線粒體生物發(fā)生的觀點(diǎn)，即重新合成、起源于非線粒體的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及通過原有線粒體的分裂形成。

Attardi等認(rèn)為，線粒體的生物發(fā)生過程分兩個(gè)階段。在第一階段，線粒體的膜進(jìn)行生長(zhǎng)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(jī)構(gòu)。線粒體的生長(zhǎng)和分化階段分別接受細(xì)胞核和線粒體兩個(gè)獨(dú)立的遺傳系統(tǒng)控制。第53頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（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(xì)胞共生的早期細(xì)菌。在之后的長(zhǎng)期進(jìn)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(xì)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(xì)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(xì)菌相似，如核糖體為70S，抑制蛋白質(zhì)合成的機(jī)制等。但這一機(jī)制也有不足之處，所以有學(xué)者提出了非共生假說。第54頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第55頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

第二節(jié)細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換

一、細(xì)胞呼吸是細(xì)胞氧化分解物質(zhì)獲取能量的過程

較高等的動(dòng)物都能依靠呼吸系統(tǒng)從外界吸取O2并排出CO2。細(xì)胞也存在有這樣的呼吸作用，即在細(xì)胞內(nèi)特定的細(xì)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(shí)，分解代謝所釋放出的能量?jī)?chǔ)存于ATP中，這一過程稱為細(xì)胞呼吸(cellularrespiration)，也稱為生物氧化（biologicaloxidation)

或細(xì)胞氧化(cellularoxidation)。第56頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

細(xì)胞呼吸是細(xì)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(xì)胞呼吸有以下特點(diǎn)：①細(xì)胞呼吸本質(zhì)上是在線粒體中進(jìn)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?jī)?chǔ)存于ATP的高能磷酸鍵中；③整個(gè)反應(yīng)過程是分步進(jìn)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(jìn)行的；⑤反應(yīng)過程中需要H2O的參與。第57頁,共93頁，2024年2月25日，星期天二、ATP是細(xì)胞能量的轉(zhuǎn)換分子

細(xì)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(chǔ)存于細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換分子ATP中。ATP是一種高能磷酸化合物，細(xì)胞呼吸時(shí)，釋放的能量可通過ADP的磷酸化而及時(shí)儲(chǔ)存于ATP的高能磷酸鍵中作為備用；反之，當(dāng)細(xì)胞進(jìn)行各種活動(dòng)需要能量時(shí)，又可去磷酸化，斷裂一個(gè)高能磷酸鍵以釋放能量來滿足機(jī)體需要。第58頁,共93頁，2024年2月25日，星期天A-P～P～P去磷酸化磷酸化A-P～P+Pi+1.72kJ第59頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

隨著細(xì)胞內(nèi)不斷進(jìn)行的能量釋放和儲(chǔ)存，ATP與ADP不停地進(jìn)行著互變。因?yàn)锳TP是細(xì)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(xì)胞生命活動(dòng)的直接供能者，也是細(xì)胞內(nèi)能量獲得、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和利用等環(huán)節(jié)的聯(lián)系紐帶。第60頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)細(xì)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(gè)極其復(fù)雜的過程，大體分為三個(gè)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。

第61頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第62頁,共93頁，2024年2月25日，星期天一、葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)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(shí)脫下2對(duì)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(gè)電子和一個(gè)H+，另一個(gè)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）。第63頁,共93頁，2024年2月25日，星期天NADH+

H+

進(jìn)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(jìn)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(jìn)一步分解為乙酰輔酶A，NAD+作為受氫體被還原。第64頁,共93頁，2024年2月25日，星期天二、三羧酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中實(shí)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(jìn)入檸檬酸循環(huán)，由于檸檬酸有3個(gè)羧基，故也稱為三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）。第65頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第66頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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(gè)碳原子氧化形成CO2，從而削減了2個(gè)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(gè)乙酰CoA結(jié)合，生成檸檬酸，開始下一個(gè)循環(huán)，如此周而復(fù)始。第67頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

整個(gè)過程中，總共消耗了3個(gè)H2O，生成1分子的GTP（可轉(zhuǎn)變?yōu)?分子的ATP）、4對(duì)H和2分子CO2。脫下的4對(duì)H，其中3對(duì)以NAD+為受氫體，另1對(duì)以FAD為受氫體。FAD能可逆地接受2個(gè)H，即兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)電子，轉(zhuǎn)變成還原態(tài)FADH2。ATP/ADP及NADH/NAD+

比值高時(shí)均能降低TAC循環(huán)的速度。第68頁,共93頁，2024年2月25日，星期天三、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(gè)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(dāng)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。第69頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（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(duì)H，這些H必須進(jìn)一步氧化成為水，整個(gè)有氧氧化過程才告結(jié)束。第70頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

H并不能與O2直接結(jié)合，一般認(rèn)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(jí)傳遞，最終使1/2O2成為O2-，后者再與基質(zhì)中的2個(gè)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?cè)趦?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）。第71頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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(xì)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(xì)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(gè)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(dòng)；Cytc是膜邊周蛋白，可在膜表面移動(dòng)。第72頁,共93頁，2024年2月25日，星期天線粒體電子傳遞鏈組分第73頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

線粒體內(nèi)膜（包括嵴）上附有許多圓球形基粒?；Ｓ深^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(zhǎng)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(jìn)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。第74頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第75頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（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(shí)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(jí)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。第76頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第77頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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(jìn)行電子傳遞。根據(jù)對(duì)相鄰電子載體的氧化還原電位的測(cè)定表明，呼吸鏈中有3個(gè)主要的能量釋放部位，即NADH→FMN，Cytb→Cytc之間，Cyta→O2之間。這3個(gè)部位釋放的能量依次為50800J、41000J和99500J，每個(gè)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(gè)分子的ATP。第78頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

載氫體NADH和FADH2進(jìn)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。

第79頁,共93頁，2024年2月25日，星期天

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；②氧化磷酸化生成34個(gè)ATP分子。第80頁,共93頁，2024年2月25日，星期天（三）H+穿膜傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)闄M跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)質(zhì)子梯度驅(qū)動(dòng)結(jié)合在內(nèi)膜上的ATP合酶催化ADP磷酸化合成ATP（化學(xué)滲透假說）：①NADH或FADH2提供一對(duì)電子，經(jīng)電子傳遞鏈，最后為O2所接受；②電子傳遞鏈同時(shí)起H+泵的作用，在傳遞電子的過程中伴隨著H+從線粒體基質(zhì)到膜間腔的轉(zhuǎn)移；③線粒體內(nèi)膜對(duì)H+和OH-具有不可透性，所以隨著電子傳遞過程的進(jìn)行，H+在膜間腔中積累,造成了內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子濃度差，從而保持了一定的勢(shì)能差；④膜間腔中的H+有順濃度返回基質(zhì)的傾向，能借助勢(shì)能通過ATP酶復(fù)合體F0上的質(zhì)子通道滲透到線粒體基質(zhì)中，所釋放的自由能驅(qū)動(dòng)F0F1ATP合酶合成ATP。第81頁,共93頁，2024年2月25日，星期天四、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-changemechanism）認(rèn)為：①質(zhì)子運(yùn)動(dòng)所釋放的能量不直接用于ADP磷酸化，主要用于改變活性位點(diǎn)與ATP產(chǎn)物的結(jié)合親和力。②在任何時(shí)刻，ATP合酶上的3個(gè)β亞基以3種不同的構(gòu)象存在。從而使它們對(duì)核苷酸有不同的親和性。③ATP通過旋轉(zhuǎn)催化而合成，在此過程中，通過F0“通道”的質(zhì)子流引起c亞基環(huán)和附著與其上的γ亞基縱軸在α3β3的中央進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)是由F0質(zhì)子通道所進(jìn)行的質(zhì)子跨膜運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)的。

第82頁,共93頁，2024年2月25日，星期天第83頁,共93頁，202