線粒體和細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換

1、關(guān)于線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換第一張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月概 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(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）。第二張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 動物細(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)mitochondr

2、ion；復(fù)數(shù)mitochondria）。第三張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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)。第四張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月線粒體蛋白質(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。第五張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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)胞氧化功能時起重要的作用。

3、 第六張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月二、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0.51.0m。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。第七張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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個線粒體，最多的達(dá)50萬個，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。 第八張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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

4、、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)動尾部擺動時的能量供應(yīng)；有時，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。 第九張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月三、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)部空間分隔成兩個膜空間，構(gòu)成線粒體的支架。第十張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）外膜是一層單位膜 外膜（outer membrane）是線粒體最外層所包繞的一層單位膜，厚約57nm，光

5、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），它們以片層結(jié)構(gòu)形式形成直徑23nm桶狀通道，跨越脂質(zhì)雙層，可以通過相對分子質(zhì)量在5 000以下的物質(zhì)。第十一張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）內(nèi)膜向基質(zhì)折疊形成特定的內(nèi)部空間 內(nèi)膜（inner membrane）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。第十二張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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（matrix spa

6、ce）；內(nèi)膜與外膜之間的空間稱為外腔，或膜間腔（intermembrane space）。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（intercristal space），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（intracristal space）。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。 第十三張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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（elementary particle) 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。

7、 基粒頭部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，因此，基粒又稱ATP合酶復(fù)合體（ATP synthase complex）。第十四張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第十五張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 （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)（translocation contact site）。是蛋白質(zhì)等物質(zhì)進(jìn)出線粒體的通道。第十六張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第十七張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（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

8、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)成了線粒體相對獨(dú)立的遺傳信息復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)。 第十八張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月四、線粒體有自己相對獨(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)成了一個整體。第十九張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 線粒體的基因組只有一條DNA，稱為線粒體DNA（mtDNA

9、），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510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(xì)胞質(zhì)中合成后經(jīng)特定的方式轉(zhuǎn)送到線粒體中。第二十張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（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 ） 。第二十一張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 重鏈編碼12S

10、rRNA、16SrRNA、NADH-CoQ氧化還原酶1（NADH-CoQ oxidoreductase 1，ND1）、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5、細(xì)胞色素C氧化酶1（cytochrome coxidase , COX）、COX、COX、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。第二十二張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十三張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 由這13個基因所

11、編碼的蛋白質(zhì)均已確定，其中3個為構(gòu)成細(xì)胞色素c氧化酶（COX）復(fù)合體（復(fù)合體）催化活性中心的亞單位（COX、COX和COX）；2個為ATP合酶復(fù)合體（復(fù)合體）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）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(xì)胞色素c還原酶復(fù)合體（復(fù)合體）中細(xì)胞色素b 的亞基。第二十四張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十五張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（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，

12、分別為重鏈啟動子（heavy-strand promoter，HSP）和輕鏈啟動子（light-strand promoter，LSP）第二十六張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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mRNA5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3端。某些情況下，一個堿基U就是mtDNA體系中的終止密碼子。第二十七張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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，

13、但在人類細(xì)胞的線粒體編碼系統(tǒng)中，它編碼色氨酸。第二十八張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月線粒體與核密碼子編碼氨基酸比較第二十九張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 線粒體基因中兩個重疊基因，一個是復(fù)合物的ND4L和ND4，另一個是復(fù)合物的ATP酶8和ATP酶6。第三十張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（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(diǎn)被分成兩半，一個是在重鏈上，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

14、我復(fù)制；一個是在輕鏈上，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。 第三十一張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十二張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月五、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10001500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（molecular chape

15、ron）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。第三十三張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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-targeting sequence，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。第三十四張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十五張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 部分核編碼的線粒體蛋白第三十六張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（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 (soluble

16、 precursor of mitochondrial proteins)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-associated complex，NAC)的分子伴侶蛋白相互作用。第三十七張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 在哺乳動物的胞質(zhì)中存在著： 前體蛋白的結(jié)合因子（presequence-binding factor，PBF），它能夠增加hsc70對線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)； 線粒體輸入刺激因子（mitochondrial import stimulatory factor，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。第三十八

17、張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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)共同組成一個直徑為1.52.5nm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)。第三十九張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）分子運(yùn)動產(chǎn)生的動力協(xié)助多肽鏈穿越線粒體膜 前體蛋

18、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)。 第四十一張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月Simon等提出一種作用機(jī)制，即布朗棘輪模型（Brownian Rachet model）： 第四十二張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（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（matrix p

19、rocessing protease, 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。第四十三張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（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類信號順序。第四十四張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月六、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。第四十五張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2

20、022年6月（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；相對于其他細(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)測細(xì)胞死亡更有價值的指標(biāo)；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；第四十六張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月Bcl-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；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；無細(xì)胞系統(tǒng)已分離出一些線

21、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)胞死亡的一個或幾個關(guān)鍵步驟。第四十七張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（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，可促進(jìn)細(xì)胞增生；而當(dāng)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cyto c外漏，再啟動caspase的級聯(lián)活化，最終由caspase-3啟動凋亡。第四十八張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）線粒體控制著某些細(xì)胞死亡過程

22、的中心環(huán)節(jié) 與線粒體有關(guān)的細(xì)胞死亡的三個時限（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（private pathway）； 第四十九張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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(xì)胞死亡的關(guān)鍵時期，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（effector phase）或決定期（decisive phase）； 第五十張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 三是

23、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（common pathway）。第五十一張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十二張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月七、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(shí)現(xiàn)增殖的 對于現(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)生過程分兩個階段。在第一階段

24、，線粒體的膜進(jìn)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(jī)構(gòu)。線粒體的生長和分化階段分別接受細(xì)胞核和線粒體兩個獨(dú)立的遺傳系統(tǒng)控制。第五十三張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（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

25、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。 第五十四張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十五張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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，分解代謝所釋放出的能量儲存于ATP中，這一過程稱為細(xì)胞呼吸(cellular respiration)，也稱為生物氧化（biological oxidation) 或細(xì)胞氧化(ce

26、llular oxidation)。 第五十六張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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)： 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)； 所產(chǎn)生的能量儲存于ATP的高能磷酸鍵中； 整個反應(yīng)過程是分步進(jìn)行的，能量也是逐步釋放的； 反應(yīng)是在恒溫(37)和恒壓條件下進(jìn)行的； 反應(yīng)過程中需要H2O的參與。第五十七張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月二、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

27、是儲存于細(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，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(dāng)細(xì)胞進(jìn)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(jī)體需要。第五十八張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月A-PPP去磷酸化磷酸化A-PP + Pi + 1.72kJ第五十九張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 隨著細(xì)胞內(nèi)不斷進(jìn)行的能量釋放和儲存，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)胞生命活動的直接供能者，也是細(xì)胞內(nèi)能量獲

28、得、轉(zhuǎn)換、 儲存和利用等環(huán)節(jié)的聯(lián)系紐帶。第六十張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(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。 第六十一張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十二張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月一、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，同時脫下2對H交給受氫體NAD+攜帶，形成2分子

29、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-level phosphorylation）。 第六十三張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月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 。第六十

30、四張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月二、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個羧基，故也稱為三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）。第六十五張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十六張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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。第六十七張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 整個過程中，總共消耗了3個H

31、2O，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。第六十八張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月三、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(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。第六十九

32、張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（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(jìn)一步氧化成為水，整個有氧氧化過程才告結(jié)束。 第七十張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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（respirato

33、ry chain）或電子傳遞呼吸鏈（electron transport respiratory chain）。第七十一張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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(Cyt c)外，組成呼吸鏈的成員分別組成了、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；Cyt c是膜邊周蛋白，可在膜表面移動。第七十二張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月線粒體電子傳遞鏈組分第七十三張，

34、PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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89nm；柄部直徑約4nm，長4.55nm；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（ATP synthase complex），也稱F0F1 ATP合酶。第七十四張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十五張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）電子傳遞過程中釋放出的能量催化ADP

35、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。 第七十六張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十七張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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NADHFMN，Cyt bCyt c之間，Cyt

36、 aO2之間。這3個部位釋放的能量依次為50800 J、41000 J和99500 J，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。 第七十八張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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。 第七十九張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 葡萄糖完全氧化所釋放的能量主要通過兩條途徑形成ATP： 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； 氧

37、化磷酸化生成34個ATP分子。第八十張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（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）： NADH或FADH2提供一對電子，經(jīng)電子傳遞鏈，最后為O2所接受； 電子傳遞鏈同時起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； 線粒體內(nèi)膜對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能差； 膜間腔中的H+有順濃度返回基質(zhì)的傾向，能借助勢能通過ATP酶復(fù)合體F0上的質(zhì)子通道滲透到線粒體基質(zhì)

38、中，所釋放的自由能驅(qū)動F0F1 ATP合酶合成ATP。 第八十一張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月四、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-change mechanism）認(rèn)為： 質(zhì)子運(yùn)動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。 在任何時刻，ATP合酶上的3個亞基以3種不同的構(gòu)象存在。從而使它們對核苷酸有不同的親和性。 ATP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)和附著與其上的亞基縱軸在33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)動來驅(qū)動的。 第八十二張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第八十三張，PPT共九十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 線