線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換課件

線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換EnergyneededinlifeactivityincellATP

synthesisOxidationofsugar,lipidorproteinATP：能量通貨線粒體有機(jī)物O2ATPH2OADP+Pi直接驅(qū)動細(xì)胞各種形式生命活動CO2本章主要內(nèi)容第一節(jié)：線粒體的生物學(xué)特征第二節(jié)：細(xì)胞呼吸和能量分子第三節(jié)：細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換第四節(jié)：細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換與醫(yī)學(xué)的關(guān)系1850年R.Altaman首次發(fā)現(xiàn)，命名為bioblast。1898年vonBenda提出mitochondrion。1900年L.Michaelis用JanusGreenB對線粒體進(jìn)行染色，發(fā)現(xiàn)線粒體具有氧化作用。至20世紀(jì)50年代，在許多學(xué)者的努力下，證實(shí)三羧酸循環(huán)，氧化磷酸化和脂肪酸氧化等重要的能量代謝過程均發(fā)生在線粒體中。線粒體的發(fā)現(xiàn)第一節(jié)線粒體的生物學(xué)特征線粒體的結(jié)構(gòu)線粒體的化學(xué)組成線粒體基因組核編碼的蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體的生物發(fā)生一、線粒體的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成形態(tài)：光鏡：線狀、粒狀、短桿狀；有的圓形、啞鈴形、星形；還有分枝狀、環(huán)狀等大?。阂话阒睆剑?.5—1.0μm;長度：3μm。數(shù)目：正常細(xì)胞中：1000—2000個。分布：通常分布于細(xì)胞生理功能旺盛的區(qū)域和需要能量較多的部位?？傊壕€粒體的形態(tài)、大小、數(shù)目和分布在不同形態(tài)和類型細(xì)胞中可朔性較大。家兔肝臟細(xì)胞顆粒狀線粒體線粒體的超微結(jié)構(gòu)模式平面圖外膜outermembrane

最外層所包繞的一層單位膜，厚約5一7nm。光滑平整。含有多種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，形成水相通道跨越脂質(zhì)雙層。標(biāo)志酶：單胺氧化酶

內(nèi)膜和內(nèi)部空間內(nèi)膜innermembrane平均厚4.5nm。內(nèi)膜將線粒體的內(nèi)部空間分成內(nèi)腔（基質(zhì)腔matrixspace）和外腔（膜間腔intermbranespace）。內(nèi)膜有高度的選擇通透性。扁層狀線粒體嵴基粒分為頭部、柄部、基片三部分?；ｎ^部又稱F1因子，具有酶活性，自然狀態(tài)下能催化ADP磷酸化生成ATP；純化的F1可催化ATP水解。柄部：基片：又稱F0因子，質(zhì)子（H+）的穿膜通道。F1：5subunitsintheratio3α：3β：1γ：1δ：1εF0:1a:2b:12c二、線粒體基因組線粒體基因組的序列(又稱劍橋序列)，雙鏈環(huán)狀DNA，16569(bp)。主要編碼線粒體的tRNA、rRNA及一些線粒體蛋白質(zhì)。兩種rRNA基因、22種tRNA基因、13種編碼蛋白質(zhì)的基因三、核編碼蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)核編碼蛋白在進(jìn)入線粒體的過程中，需要分子伴侶蛋白（molecularchaperone）的協(xié)助。分子伴侶(molecularchaperone)：協(xié)助蛋白質(zhì)折疊和組裝的一類蛋白質(zhì)。分子伴侶幫助新生肽鏈正確折疊，防止它們進(jìn)行錯誤折疊和不可逆聚集。分子伴侶蛋白協(xié)助核編碼蛋白進(jìn)入線粒體的過程1、前體蛋白在線粒體外去折疊2、多肽鏈穿越線粒體膜3、多肽鏈在線粒體基質(zhì)內(nèi)重新折疊第二節(jié)細(xì)胞呼吸與能量分子一、細(xì)胞呼吸細(xì)胞呼吸（cellularrespiration）：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，也稱為生物氧化（biologicaloxidation）或細(xì)胞氧化（cellularoxidation）。細(xì)胞呼吸的特點(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)在恒溫(37℃)和恒壓條件下進(jìn)行；反應(yīng)過程需要H2O的參與。二、細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換分子---ATP細(xì)胞呼吸所產(chǎn)生的能量，儲存于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;當(dāng)細(xì)胞需要能量時，可去磷酸化，斷裂一個高能磷酸鍵以釋放能量。A-P~P~PA-P~P+1.72kj去磷酸化磷酸化第三節(jié)、細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換三個步驟：糖酵解（glycolysis）－－細(xì)胞基質(zhì)由丙酮酸形成乙酰輔酶A（線粒體基質(zhì)）三羧酸循環(huán)（tricarboxylicacidcycle）－－線粒體基質(zhì)氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）－－線粒體內(nèi)膜一、糖酵解glycolysisC6H12O6+2NAD++2Pi→2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP3－磷酸甘油醛CH2OPO3H2CHOHCHOCH2OPO3H2CHOHCOPO3H2ONAD+NADH

+H+1,3-二磷酸甘油酸CH2OPO3H2CHOHCOHOADPATPMg磷酸甘油酸激酶CH2OHCHOPO3H2COHO3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸變位酶底物水平磷酸化：

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）2CH3COCOOH+2HSCoA+2NAD+→2CH3CO-SCoA+2CO2+2NADH+2H+2CH2COSCoA+6NAD++2FAD+2ADP+2Pi+6H2O→4CO2+6NADH+6H++2FADH2+2HSCoA+2ATP二、三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)（tricarboxylicacidcycle,TAC或TCA)又稱檸檬酸循環(huán)或Krebs循環(huán)。TAC葡萄糖脂肪丙酮酸脂肪酸乙酰輔酶A草酰乙酸檸檬酸2CO28HH+O2H2OH+H+H+ADP+PiATPeH+H+ATPO2三、氧化磷酸化oxidativephosphorylation通過電子傳遞鏈，將H原子氧化，其所含的能量緩慢地釋放，并將H+泵入膜間腔，儲存了滲透勢能，然后ATP酶復(fù)合體利用H+滲透勢能，將ADP磷酸化，固定了能量。這就是氧化磷酸化。又稱氧化磷酸化耦聯(lián)。氧化磷酸化oxidativephosphorylation：將生物氧化所釋放的能量轉(zhuǎn)移的過程與ADP的磷酸化過程結(jié)合起來，從而使生物氧化釋放的能量轉(zhuǎn)移到ATP的高能磷酸鍵中的現(xiàn)象稱為氧化磷酸化。氧化（放能）和磷酸化（貯能）同時進(jìn)行并偶聯(lián)在一起，但由兩個不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)完成。（一）電子傳遞鏈和氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)電子傳遞鏈或呼吸鏈（respiratorychain）：線粒體內(nèi)由一系列能夠可逆的接收和釋放H+和e-的化學(xué)物質(zhì)所組成的傳遞電子的酶體系，它們在內(nèi)膜上有序的排列成相互關(guān)聯(lián)的鏈狀，稱為呼吸鏈或電子傳遞鏈（electrontransportrespiratorychain）。由泛醌（CoQ）、細(xì)胞色素C及Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個脂類蛋白復(fù)合體組成。能量傳遞中的輔酶催化細(xì)胞的氧化還原反應(yīng)中的酶常常利用輔酶作為電子供體或受體，具有這種作用的輔酶是：NAD+

NADH＋Ｈ＋煙酰胺嘌呤二核苷酸FAD

FADH2黃素腺嘌呤二核苷酸。兩條呼吸鏈：1、Ⅰ→泛醌（CoQ）→Ⅲ→細(xì)胞色素C→Ⅳ2、Ⅱ→泛醌（CoQ）→Ⅲ→細(xì)胞色素C→Ⅳ

圖中給出各電子載體近似的氧還電位，并標(biāo)出了電子對沿呼吸鏈向分子氧傳遞形成的自由能，垂直箭頭線表示產(chǎn)生的能量足夠驅(qū)使質(zhì)子穿過線粒體內(nèi)膜，其后可為ATP合成提供能量。TransportofelectronsfromNADHTransportofelectronsfromFADH2Topicfordiscussion:

每個葡萄糖分子氧化過程釋放的能量足以產(chǎn)生多少個ATP分子?

底物磷酸化4個ATP（其中在糖酵解和TAC中各產(chǎn)生2個ATP）；一個NADH氧化后，合成3個ATP分子；而一個FADH2氧化后，合成2個ATP分子；

12對H（糖酵解產(chǎn)生2對，乙酰輔酶A的生成產(chǎn)生2對，TAC中產(chǎn)生8對，共12對）中10對NADH和2對FADH2通過氧化磷酸化總共產(chǎn)生34個ATP分子。（二）氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制：化學(xué)滲透假說：英國Mitchell1961年提出氧化磷酸化偶聯(lián)的基本原理是電子傳遞中的自由能差造成H+穿膜傳遞，暫時轉(zhuǎn)變?yōu)闄M跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)質(zhì)子梯度，然后，質(zhì)子順電化學(xué)梯度回流并釋放出能量，驅(qū)動結(jié)合在內(nèi)膜上的ATP合成酶，催化ADP磷酸化合成ATP①NADH或FADH2提供一對電子，經(jīng)傳遞鏈，最后被O2所接受；②電子傳遞鏈同時起質(zhì)子泵的作用，在電子傳遞過程中，H+從基質(zhì)轉(zhuǎn)移到膜間腔；③線粒體內(nèi)膜具有離子不透過性，能隔絕H+、OH-等，H+的逆濃度運(yùn)轉(zhuǎn)形成質(zhì)子濃度差，從而保持了一定的勢能差④膜間腔中的H+有順濃度梯度返回基質(zhì)的傾向，能借助勢能通過ATP合酶復(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F0F1ATP合酶合成ATPChemiosmoticTheoryATP合成

氧化磷酸化過程實(shí)際上是能量轉(zhuǎn)換過程，即有機(jī)分子中儲藏的能量高能電子質(zhì)子動力勢ATP氧化(電子傳遞、消耗氧,放能)與磷酸化(ADP+Pi，儲能)同時進(jìn)行，密切偶連，分別由兩個不同的結(jié)構(gòu)體系執(zhí)行.

線粒體能量轉(zhuǎn)換的四個階段：

糖酵解 （胞質(zhì)中）

由丙酮酸形成乙酰輔酶A（線粒體基質(zhì)）

三羧酸循環(huán)； （線粒體基質(zhì)）

電子傳遞和氧化磷酸化（線粒體內(nèi)膜上）

Summaryoftheaerobicoxidationofpyruvateandfattyacidsinmitochondria.一抗生素的副作用:

氯霉素、四環(huán)素、紅霉素等，它們之所以作為抗生素起作用，是因?yàn)樗鼈兛梢越Y(jié)合70s的核糖體，并阻斷其蛋白質(zhì)的生物合成；但是，人體細(xì)胞線粒體也存有類似于原核細(xì)胞的70s核糖體，這正是它們有時會有副作用的原因。

例如：鏈霉素、丁胺卡那霉素可以使聽神經(jīng)永久性損傷（內(nèi)耳毛細(xì)胞內(nèi)的線粒體受損）。但取決于劑量和個體的遺傳異質(zhì)性。第四節(jié)細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換與醫(yī)學(xué)關(guān)系二呼吸抑制劑:

KCN中的CN-能迅速絡(luò)合電子呼吸鏈終端的細(xì)胞色素aa3所含的Cu2+，從而細(xì)胞由于缺乏ATP，生命活動無法驅(qū)動或維持，導(dǎo)致細(xì)胞迅速死亡。三缺氧損傷:

缺氧使ATP缺乏，可導(dǎo)致很多后果，如乳酸濃度高，PH值降低；各種胞器內(nèi)環(huán)境難以維持甚至破裂（如溶酶體），細(xì)胞自溶，損傷不可逆。例：人體神經(jīng)系統(tǒng)最易受缺氧性損傷，這有二個主要原因：神經(jīng)系統(tǒng)是機(jī)體代謝最為旺盛的組織；神經(jīng)系統(tǒng)的胞內(nèi)外特殊的離子環(huán)境的維持離不開離子泵，而離子泵正是由ATP來驅(qū)動的。