細(xì)生老師課件16級(jí)

醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)

第六章線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換高級(jí)講師王波

中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院生物教研室線粒體的基本特征線粒體的形態(tài)、數(shù)量和結(jié)構(gòu)線粒體的形態(tài)、數(shù)量與細(xì)胞的類型和生理狀態(tài)有關(guān)線粒體呈線狀、棒狀、粒狀，直徑0.5~1.0μm，長(zhǎng)1.5～3μm

因細(xì)胞種類、生理狀態(tài)的不同，線粒體形態(tài)、數(shù)目、分布也不同每個(gè)細(xì)胞含1000~2000個(gè)，最少一個(gè)，最多50萬(wàn)個(gè)；與細(xì)胞代謝相關(guān)線粒體是由雙層單位膜套疊而成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu)1.外膜是線粒體外層單位膜

5~7nm厚，50%脂類、50%蛋白；外膜蛋白多為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，形成跨膜水相通道，允許分子量10kD以下分子通過(guò)，包括小分子多肽（氨基酸平均分子量128D）2.內(nèi)膜的內(nèi)表面附著許多顆粒4.5nm厚，20%脂類、80%蛋白；由內(nèi)膜包裹的空間，叫內(nèi)腔/基質(zhì)腔；內(nèi)、外膜之間的空間，叫外腔/膜間腔線粒體的基本特征內(nèi)膜大量向內(nèi)腔突起性折疊，形成嵴cristae嵴與嵴之間的內(nèi)腔部分，稱嵴間腔由于嵴向內(nèi)腔突起，造成的外腔向內(nèi)伸入的部分，稱嵴內(nèi)空間內(nèi)膜通透性很小，分子量大于150D，就不能通過(guò)膜上轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白控制內(nèi)外腔的物質(zhì)交換內(nèi)膜內(nèi)表面附著許多顆粒，數(shù)目：104~105個(gè)/線粒體，稱基粒elementaryparticle——ATP合酶復(fù)合體線粒體的基本特征3.內(nèi)外膜相互接近形成的轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)是物質(zhì)運(yùn)到線粒體的臨時(shí)性結(jié)構(gòu)電鏡觀察揭示：內(nèi)外膜有些接觸點(diǎn)，稱轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)translocationcontactsite轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)分布著進(jìn)出線粒體的通道蛋白和特異性受體，稱內(nèi)膜轉(zhuǎn)位子transloconoftheinnermembrane,Tim；和外膜轉(zhuǎn)位子transloconoftheoutermembrane,Tom4.基質(zhì)是氧化代謝的場(chǎng)所線粒體內(nèi)腔充滿可溶性蛋白質(zhì)和脂肪等，稱基質(zhì)matrix基質(zhì)中含各種酶：三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白質(zhì)合成線粒體內(nèi)有雙鏈環(huán)狀DNA，有1~多個(gè)DNA拷貝，有獨(dú)立遺傳物質(zhì)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯線粒體的基本特征線粒體基質(zhì)中有70S核糖體，跟細(xì)菌的類似，直徑約20nm線粒體基質(zhì)中有小的電子致密顆粒，稱為基質(zhì)顆粒或致密顆粒；基質(zhì)顆粒內(nèi)含Ca2+、Mg2+等離子，以結(jié)晶鹽形式存在，大小多超過(guò)核糖體的直徑線粒體的基本特征5.基粒的化學(xué)本質(zhì)是ATP合酶基粒，又稱ATP合酶復(fù)合體，頭部直徑9nm，柄部長(zhǎng)5nm，寬4nm線粒體的化學(xué)組成線粒體主要成分蛋白質(zhì)，占干重65%~70%，多數(shù)分布于內(nèi)膜和基質(zhì)線粒體蛋白分為兩類：可溶性蛋白：基質(zhì)中酶、膜外周蛋白不溶性蛋白：膜結(jié)構(gòu)蛋白、膜鑲嵌酶蛋白脂類占線粒體干重25%~30%，大多是磷脂(內(nèi)膜——心磷脂20%)DNA、多種輔酶(CoQ、FMN、FAD和NAD+等)線粒體含120余種酶，位于不同部位內(nèi)膜標(biāo)志酶：細(xì)胞色素氧化酶（氧化還原、質(zhì)子泵）外膜標(biāo)志酶：?jiǎn)伟费趸福ù呋瘑伟啡缒I上腺素氧化脫氨生成醛

）基質(zhì)標(biāo)志酶：蘋(píng)果酸脫氫酶膜間腔標(biāo)志酶：腺苷酸激酶（催化ATP+AMP→2ADP）線粒體的基本特征線粒體的遺傳體系有獨(dú)立遺傳、翻譯系統(tǒng)，遺傳密碼更接近原核生物線粒體DNA構(gòu)成了線粒體基因組mtDNA(mitochondrialDNA)裸露的、不與組蛋白結(jié)合，在基質(zhì)內(nèi)一個(gè)線粒體平均5~10個(gè)DNA分子，編碼線粒體的tRNA、rRNA及一些線粒體蛋白質(zhì)但是大多數(shù)酶和蛋白質(zhì)仍由細(xì)胞核DNA編碼，在細(xì)胞質(zhì)中合成，轉(zhuǎn)送到線粒體中線粒體基因組共16569bp，雙鏈環(huán)狀DNA，一條重鏈，一條輕鏈兩條鏈編碼物不同，共編碼37個(gè)基因線粒體的基本特征編碼蛋白質(zhì)的基因僅13個(gè)，均以ATG為起始密碼，有終止密碼3個(gè)細(xì)胞色素C氧化酶復(fù)合體催化活性中心亞基COXⅠ、Ⅱ、Ⅲ2個(gè)ATP合酶復(fù)合體亞基A6、A87個(gè)NADH-CoQ還原酶復(fù)合體亞基ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5、ND61個(gè)CoQH2-細(xì)胞色素C還原酶復(fù)合體中細(xì)胞色素b的亞基線粒體的基本特征2種rRNA分子22種tRNA分子線粒體基因組只有很少非編碼序列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)錄從兩個(gè)主要啟動(dòng)子處開(kāi)始：重鏈啟動(dòng)子heavy-strandpromoter,HSP和輕鏈啟動(dòng)子light-strandpromoter,LSP線粒體轉(zhuǎn)錄因子1(mitochondrialtranscriptionfactor1,mtTFA)參與線粒體轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)線粒體基因轉(zhuǎn)錄類似原核生物，產(chǎn)生一個(gè)多順?lè)醋泳€粒體mRNA不含內(nèi)含子，少有非翻譯區(qū)起始密碼AUG/AUA，起始氨基酸甲酰甲硫氨酸(原核)終止密碼UAA線粒體DNA基因在線粒體內(nèi)的核糖體上進(jìn)行翻譯，線粒體編碼的RNA、蛋白質(zhì)不運(yùn)出線粒體線粒體核糖體蛋白質(zhì)，在細(xì)胞質(zhì)中合成，轉(zhuǎn)入線粒體內(nèi)線粒體的所有tRNA都由mtDNA編碼線粒體的基本特征線粒體DNA的兩條鏈有各自的復(fù)制起始點(diǎn)重鏈復(fù)制起始點(diǎn)originofheavy-strandreplication,OH控制重鏈的自我復(fù)制，先復(fù)制輕鏈復(fù)制起始點(diǎn)originoflight-standreplication,OL控制輕鏈的自我復(fù)制，后復(fù)制線粒體的環(huán)狀DNA復(fù)制過(guò)程持續(xù)2個(gè)小時(shí)；其復(fù)制周期不受細(xì)胞周期影響，可分布在整個(gè)細(xì)胞周期線粒體核編碼蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體內(nèi)有1000個(gè)基因產(chǎn)物，只有37個(gè)由線粒體基因編碼，其余由核基因編碼核編碼蛋白向線粒體基質(zhì)中的轉(zhuǎn)運(yùn)1.核編碼蛋白進(jìn)入線粒體時(shí)需要分子伴侶蛋白的協(xié)助線粒體的基本特征輸入到線粒體基質(zhì)的蛋白質(zhì)N端有一段基質(zhì)導(dǎo)入序列matrix-targetingsequence,MTS（或名：導(dǎo)肽）富含帶正電荷的精氨酸、賴氨酸、絲氨酸和蘇氨酸(缺少酸性氨基酸)，20～80個(gè)氨基酸2.前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài)胞質(zhì)中的分子伴侶：新生多肽相關(guān)復(fù)合物(nascentassociatedcomplex,NAC)，作用于被轉(zhuǎn)運(yùn)的肽鏈，增加蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的準(zhǔn)確性分子伴侶：熱休克蛋白70(Hsp70)，結(jié)合大多數(shù)被轉(zhuǎn)運(yùn)的肽鏈，防止已松弛的肽鏈聚集胞質(zhì)中前體蛋白結(jié)合因子(presequence-bindingfactor,PBF)，增加Hsc70(熱激蛋白70同源蛋白Heatshockcognateprotein70)對(duì)線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體輸入刺激因子(mitochondrialimportstimulatoryfactor,MSF)，發(fā)揮ATP酶作用，為蛋白解聚提供能量線粒體的基本特征線粒體的基本特征3.分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力協(xié)助多肽鏈穿過(guò)線粒體膜S.M.Simon提出作用機(jī)制——布朗棘輪模型BrownianRachetmodel：轉(zhuǎn)移多肽在線粒體膜上的蛋白孔道內(nèi)，做布朗運(yùn)動(dòng)搖擺不定，一旦自發(fā)進(jìn)入線粒體腔，立即有線粒體內(nèi)的mtHsp70結(jié)合上去，防止肽鏈退回細(xì)胞質(zhì)中；隨著肽鏈進(jìn)一步伸入線粒體腔，更多mtHsp70結(jié)合假說(shuō)：mtHsp70以一種高能構(gòu)象結(jié)合前導(dǎo)肽，然后松弛為一種低能構(gòu)象，促使前導(dǎo)肽進(jìn)入，并迫使后面的肽鏈解鏈并進(jìn)入4.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)肽鏈進(jìn)入線粒體基質(zhì)后，其導(dǎo)肽序列被基質(zhì)作用蛋白酶matrixprocessingprotease,MPP—定位于線粒體內(nèi)膜，所切除mtHsp70、mtHsp60、mtHsp10協(xié)助肽鏈重新折疊，形成天然構(gòu)象線粒體的基本特征核編碼蛋白向線粒體其他部位的轉(zhuǎn)運(yùn)包括轉(zhuǎn)進(jìn)膜間腔、內(nèi)膜上、外膜上；除含有MTS，還有額外信號(hào)序列1.蛋白質(zhì)向線粒體膜間腔的轉(zhuǎn)運(yùn)膜間腔蛋白質(zhì)均有膜間腔導(dǎo)入序列intermembranespace-targetingsequence,ISTS引導(dǎo)肽鏈進(jìn)入膜間腔膜間腔蛋白質(zhì)N端先進(jìn)入基質(zhì)，并被酶切去MTS序列，然后依照ISTS的不同，有兩種轉(zhuǎn)運(yùn)方式：①整個(gè)肽鏈進(jìn)入基質(zhì)，結(jié)合mtHsp70折疊，并在ISTS引導(dǎo)下，通過(guò)內(nèi)膜上通道，進(jìn)入膜間腔②ISTS起轉(zhuǎn)移終止序列的作用，肽鏈C端不能轉(zhuǎn)入內(nèi)膜，并固定于內(nèi)膜上，在膜間腔蛋白酶作用下，切除內(nèi)膜上的ISTS部分，C端落于膜間腔（在此發(fā)揮作用）第③種膜間腔蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)方式：以直接擴(kuò)散方式，通過(guò)外膜上類孔蛋白線粒體的基本特征

線粒體外膜的類孔蛋白P70——類似原核生物孔蛋白2.蛋白質(zhì)向線粒體外膜和內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)外膜蛋白類孔蛋白P70研究較多，其MTS后有一段長(zhǎng)的疏水序列，起著轉(zhuǎn)移終止序列的作用，使之固定于外膜上內(nèi)膜上的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)基質(zhì)尚不清楚線粒體的起源與發(fā)生線粒體的分裂與融合線粒體是通過(guò)分裂方式實(shí)現(xiàn)增殖的自從線粒體DNA發(fā)現(xiàn)后，普遍接受線粒體是以分裂方式進(jìn)行增殖的線粒體的發(fā)生分兩個(gè)階段(接受細(xì)胞核、線粒體遺傳系統(tǒng)的調(diào)控)：①分裂增殖②新生線粒體的分化（成熟并有功能）線粒體的分裂增殖方式：①出芽分裂②收縮分裂③間壁分裂線粒體的基本特征無(wú)論哪種增殖方式，線粒體分裂都不絕對(duì)均等，受細(xì)胞分裂一定影響mtDNA隨機(jī)地、不均等地被分配到新的線粒體中同一個(gè)線粒體內(nèi)，mtDNA可能有天然的野生型，還有少量突變型分裂時(shí)，mtDNA隨機(jī)分配到新的線粒體中，導(dǎo)致mtDNA異質(zhì)性變化，稱復(fù)制分離在分裂旺盛的細(xì)胞中，野生型與突變型比例發(fā)生遺傳漂變，向同質(zhì)性方向發(fā)展，只有野生型存在而在分裂不旺盛的細(xì)胞中，突變型mtDNA可能具有復(fù)制優(yōu)勢(shì)，在胞質(zhì)中積累越來(lái)越多，形成突變型的同質(zhì)性細(xì)胞線粒體融合是有一系列相關(guān)蛋白介導(dǎo)的過(guò)程線粒體的融合有利于促進(jìn)線粒體的相互協(xié)作，使不同線粒體交換物質(zhì)和信息，如膜電位快速傳遞和內(nèi)容物的交換隨細(xì)胞的衰老，mtDNA積累很多突變，融合可以補(bǔ)充并修復(fù)突變線粒體的基本特征線粒體的基本特征線粒體的融合是一系列蛋白分子精確調(diào)控和介導(dǎo)的線粒體的功能主要功能：營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的氧化及耦聯(lián)磷酸化，生成ATP與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)共同調(diào)節(jié)胞質(zhì)中Ca2+濃度，攝取和釋放Ca2+參與細(xì)胞凋亡的啟動(dòng)：線粒體在能量代謝和自由基代謝中產(chǎn)生大量超氧陰離子，其通過(guò)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)形成活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS）ROS水平低，細(xì)胞增生；ROS水平高，線粒體內(nèi)膜非特異性通透性孔道開(kāi)放，導(dǎo)致跨膜電位崩潰、細(xì)胞色素c外漏，啟動(dòng)細(xì)胞凋亡在細(xì)胞內(nèi)線粒體的參與下，利用O2，分解各種大分子，產(chǎn)生CO2，并將代謝釋放的能量?jī)?chǔ)存于ATP的過(guò)程，稱細(xì)胞呼吸，或生物氧化/細(xì)胞氧化細(xì)胞呼吸是細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生能量的主要途徑，本質(zhì)同燃燒一樣，終產(chǎn)物都是：CO2和H2O釋放的能量也相等細(xì)胞呼吸的特點(diǎn)：①線粒體中進(jìn)行的一系列由酶系催化的氧化還原反應(yīng)②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)分步進(jìn)行，能量逐步釋放④反應(yīng)在恒溫恒壓條件下進(jìn)行（體內(nèi)生理?xiàng)l件下）⑤反應(yīng)需要H2O的參與細(xì)胞能量的轉(zhuǎn)換分子——ATP；是一種高能磷酸化合物，細(xì)胞呼吸釋放的能量?jī)?chǔ)存于ATP的高能磷酸鍵中細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換當(dāng)細(xì)胞活動(dòng)需要能量時(shí)，去磷酸化，斷裂一個(gè)（或兩個(gè)）高能磷酸鍵，釋放能量

去磷酸化A-P~P~P

A-P~P

+Pi

+能量

磷酸化隨著細(xì)胞內(nèi)能量的釋放、儲(chǔ)存，能量轉(zhuǎn)換的中間攜帶者，在ATP與ADP之間不斷進(jìn)行互變ATP是細(xì)胞內(nèi)直接供能者，是細(xì)胞內(nèi)能量獲得、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存、利用的聯(lián)系紐帶ATP儲(chǔ)存的能量來(lái)源于糖、氨基酸、脂肪酸等氧化從葡萄糖到ATP形成，經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：糖酵解glycolysis、三羧酸循環(huán)tricarboxylicacidcycle,TAC、氧化磷酸化oxidativephosphorylation蛋白質(zhì)與脂肪的徹底氧化，只在第一步與糖有區(qū)別細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)中的糖酵解糖酵解酶系C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi

進(jìn)入有氧氧化2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP丙酮酸2CH3CHOHCOOH+2NAD++2ATP完成無(wú)氧酵解乳酸

2CH3CH2OH+2CO2+2NAD++2ATP

乙醇底物水平磷酸化：～P鍵從底物轉(zhuǎn)移到ADP→ATP1個(gè)葡萄糖分子，經(jīng)過(guò)十余步反應(yīng)，生成2分子丙酮酸；形成2分子NADH+H+，凈生成2分子ATP如果從糖原開(kāi)始糖酵解，不需要消耗1分子ATP，進(jìn)行葡萄糖的磷酸化，則總反應(yīng)凈生成3分子ATP細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換1→24→53→4細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換8→99→10細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換6→7無(wú)氧時(shí)，丙酮酸還原成乳酸或者乙醇，完成無(wú)氧氧化，減少糖酵解產(chǎn)物丙酮酸的量，底物水平合成少量ATP（2分子）丙酮酸進(jìn)入線粒體內(nèi)膜的機(jī)制不明有氧時(shí)，NADH+H+通過(guò)線粒體內(nèi)膜的穿梭機(jī)制，進(jìn)入線粒體；2NADH進(jìn)入線粒體，經(jīng)呼吸鏈氧化，產(chǎn)生5ATP，加上底物水平磷酸化的2ATP，共產(chǎn)生7ATP細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換IntermembranespaceMatrix

MalateNAD+NADHOxaloacetateAspartateAspartateOxaloacetateMalateNAD+

NADH

Glutamate–aspartatetransporter

Aspartateaminotransferase

Malatedehydrogenase

Malatedehydrogenase

Aspartateaminotransferase

Glutamate

α-Ketoglutarate

α-Ketoglutarate

GlutamateThemalate-aspartateshuttleMalate-

α-ketoglutarate

transporter

肝、腎、心線粒體NADH主要穿梭機(jī)制TheglycerolphosphateshuttleDihydroxyacetonephosphate，DHAP二羥丙酮磷酸腦、昆蟲(chóng)肌肉中線粒體NADH主要穿梭機(jī)制丙酮酸進(jìn)入線粒體基質(zhì)，推斷是靠自身的脂溶性，簡(jiǎn)單擴(kuò)散入線粒體丙酮酸在線粒體內(nèi)，在丙酮酸脫氫酶作用下，生成乙酰輔酶A

丙酮酸脫氫酶系2CH3COCOOH+2CoA-SH2CH3CO～SCoA+2CO2

2NAD+

2NADH+2H+細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換線粒體基質(zhì)中的三羧酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中，乙酰CoA與草酰乙酸結(jié)合，形成檸檬酸，因?yàn)闄幟仕嵊?個(gè)羧基，故稱三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)，tricarboxylicacidcycle）也叫Krebscycle（發(fā)現(xiàn)者HansAdolfKrebs,1953年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)）細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換在一次完整的檸檬酸循環(huán)(三羧酸循環(huán))中，一分子乙酰CoA的乙酰基被氧化，2次脫羧釋放2個(gè)CO2，4次脫氫生成3對(duì)NADH+H+

、1對(duì)FADH2

，并生成1個(gè)GTP(底物水平，相當(dāng)于1ATP)，消耗3H2O當(dāng)細(xì)胞內(nèi)ATP/ADP、NADH/NAD比值高時(shí)，三羧酸循環(huán)速度變慢一分子葡萄糖，經(jīng)過(guò)三羧酸循環(huán)的總反應(yīng)式如下：2CH3CO～SCoA+6NAD++2FAD+2ADP+2Pi+6H2O→4CO2+6NADH+6H++2FADH2+2HS-CoA+2ATP三羧酸循環(huán)是各種有機(jī)物最后的氧化過(guò)程，也是各類有機(jī)物相互轉(zhuǎn)化的樞紐脂肪酸、一些氨基酸也從胞質(zhì)進(jìn)入線粒體，轉(zhuǎn)化為乙酰CoA或三羧酸循環(huán)的其他中間體，并進(jìn)行完全氧化、提供能量(完全氧化唯一途徑)這些中間產(chǎn)物可用來(lái)合成氨基酸、卟啉、嘧啶核苷酸等細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換氧化磷酸化耦聯(lián)與ATP形成氧化磷酸化，是放能的主要環(huán)節(jié)，NADH和FADH2把電子轉(zhuǎn)移到氧分子，絕大多數(shù)釋放的能量用于生成ATP，少部分以熱能形式釋放呼吸鏈和ATP合酶復(fù)合體是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)1.呼吸鏈?zhǔn)且幌盗心軌蚩赡娴亟邮芎歪尫臜+和e-的酶體系1分子葡萄糖經(jīng)無(wú)氧氧化、丙酮酸脫氫、三羧酸循環(huán)，產(chǎn)生：6分子CO2、12對(duì)H；這些H必須完全氧化成水，整個(gè)有氧氧化過(guò)程才結(jié)束H先離解為H+和e-，e-經(jīng)過(guò)線粒體內(nèi)膜酶系的逐級(jí)傳遞，最終傳遞給1/2個(gè)O2，成為O2-，后者再結(jié)合基質(zhì)中的2個(gè)H+，生成1個(gè)H2O傳遞電子的酶系是一系列能可逆接受和釋放H+和e-的化學(xué)物質(zhì)組成，在線粒體內(nèi)膜上有序排列成相互關(guān)聯(lián)的鏈狀，稱呼吸鏈

respiratorychain

或電子傳遞呼吸鏈

electrontransport

respiratorychain

細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換呼吸鏈成分如下：醌類、細(xì)胞色素、鐵硫蛋白三類化合物UQ(ubiquinone,泛醌)又名輔酶Q(CoQ)，是脂溶性分子，由5碳的異戊二烯聚合成疏水鏈，還原態(tài)為UQH2，UQ/UQH2

定位脂雙層中，能迅速進(jìn)行側(cè)向擴(kuò)散CytC(細(xì)胞色素C)可溶性蛋白質(zhì)，在膜間腔中，沿內(nèi)膜移動(dòng)呼吸鏈其它成員組成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)脂類蛋白質(zhì)復(fù)合體，是內(nèi)膜整合蛋白細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換2.ATP合酶復(fù)合體催化ATP的合成蘑菇樣蛋白質(zhì)復(fù)合體，在細(xì)菌與線粒體中高度保守，兩部分組成：球形F1頭部，直徑8~9nm，由5種亞基組成：α3β3δγε

柄部：對(duì)寡霉素敏感的蛋白質(zhì)（OSCP），結(jié)合寡霉素，抑制ATP形成F0基片(basalsection)，包埋于內(nèi)膜中，由3種亞基組成：ab2c10–14F0基部有一通道，允許質(zhì)子(即H+)從膜間腔經(jīng)F1頭部進(jìn)入基質(zhì)細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換氧化過(guò)程中伴隨磷酸化的耦聯(lián)NADH和FADH2是兩種還原性電子載體，所攜帶的電子經(jīng)內(nèi)膜上的呼吸鏈，逐級(jí)定向傳遞給O2，本身被氧化，電子傳遞產(chǎn)生的質(zhì)子電化學(xué)濃度梯度被F0F1ATP酶復(fù)合體用來(lái)催化ADP磷酸化成ATP——氧化磷酸化經(jīng)氧化還原電位的測(cè)定，表明呼吸鏈中有3個(gè)能量釋放部位（質(zhì)子由基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到膜間腔）：NADH→FMN、Cytb→Cytc、Cyta→O2質(zhì)子在線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的電化學(xué)濃度梯度，能使ADP磷酸化，生成ATP；因NADH和FADH2進(jìn)入呼吸鏈的部位不同，導(dǎo)致1分子NADH+H+經(jīng)過(guò)電子傳遞，形成2.5分子ATP；而1分子FADH2經(jīng)過(guò)電子傳遞，形成1.5分子ATP總結(jié)：葡萄糖完全氧化釋放的能量通過(guò)2條途徑形成ATP：①底物水平磷酸化生成4分子ATP(糖酵解、三羧酸循環(huán)各2分子)；②氧化磷酸化生成28分子ATP(共產(chǎn)生12對(duì)H，其中10對(duì)以NAD+為載體，2對(duì)以FAD為載體)——共生成32分子ATP(腦組織：NADH磷酸甘油穿梭，少2ATP)

細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換電子傳遞時(shí)H+穿膜形成電化學(xué)梯度1961年，英國(guó)化學(xué)家P.Mitchell提出化學(xué)滲透假說(shuō)chemiosmoticcouplinghypothesis，解釋了電子傳遞與磷酸化藕聯(lián)機(jī)制（并于1978年獲得諾貝爾獎(jiǎng)）化學(xué)滲透假說(shuō)內(nèi)容：①NADH和FADH2提供一對(duì)電子，經(jīng)電子傳遞鏈，最后被O2接受②電子傳遞鏈同時(shí)起到H+泵作用，在傳遞電子過(guò)程中，將H+從線粒體基質(zhì)轉(zhuǎn)移到膜間腔③線粒體內(nèi)膜對(duì)H+和OH-不能通透，造成內(nèi)膜兩側(cè)的H+濃度差④膜間腔里的H+順濃度梯度，借助這個(gè)勢(shì)能通過(guò)ATP合酶復(fù)合體的F0質(zhì)子通道，驅(qū)動(dòng)F0F1ATP酶復(fù)合體合成ATP化學(xué)滲透假說(shuō)兩個(gè)特點(diǎn)：需要定向化學(xué)反應(yīng)；突出膜結(jié)構(gòu)細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換電化學(xué)梯度所包含的能量轉(zhuǎn)換成ATP的化學(xué)能F0F1ATP合酶如何利用H+的電化學(xué)梯度，催化ADP與Pi形成ATP？1989年P(guān)aulD.Boyer提出結(jié)合變構(gòu)機(jī)制binding-changemechanism：當(dāng)H+穿過(guò)F1因子活性部位，F(xiàn)1顆粒構(gòu)象變化，導(dǎo)致底物ADP與Pi緊密結(jié)合，產(chǎn)物ATP釋放（Boyer因此獲得1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）根據(jù)結(jié)合變構(gòu)機(jī)制，ATP合成步驟如下：①質(zhì)子(H+)跨膜釋放的能量，用來(lái)改變F1頭部活性位點(diǎn)對(duì)ATP結(jié)合力②每個(gè)活性位點(diǎn)按3個(gè)狀態(tài)依次變構(gòu)，每種構(gòu)象跟底物親和力不同③ATP的合成被旋轉(zhuǎn)催化，γ亞基相對(duì)于其它亞基旋轉(zhuǎn)線粒體內(nèi)膜上專一性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，如：腺苷酸轉(zhuǎn)移酶，利用內(nèi)膜兩側(cè)的H+濃度差，把ADP和Pi運(yùn)進(jìn)線粒體基質(zhì)，而把ATP運(yùn)到線粒體外細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換F0基片在ATP合成中的作用：①F0基片的10-14個(gè)C亞基(12個(gè))組成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，駐留在內(nèi)膜脂雙層中②C亞基環(huán)狀結(jié)構(gòu)連接γ亞基的柄部③質(zhì)子的順電化學(xué)梯度跨膜運(yùn)輸，驅(qū)動(dòng)了C亞基環(huán)狀結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)④F0基片的C亞基環(huán)狀結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭力，驅(qū)動(dòng)了與之相連的γ亞基的柄部也旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致ATP合成和釋放細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換線粒體合成ATP為細(xì)胞提供能量，還調(diào)節(jié)細(xì)胞中的氧化-還原狀態(tài)，是細(xì)胞內(nèi)氧自由基的主要發(fā)源地線粒體與疾病關(guān)系密切，可能是細(xì)胞病變的一部分、也可能是誘發(fā)疾病的動(dòng)因，比如mtDNA突變導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能異常疾病過(guò)程中的線粒體變化（線粒體對(duì)環(huán)境敏感，可作為病變指標(biāo)）中毒或病毒入侵→線粒體腫脹、破裂原發(fā)性肝癌→線粒體嵴的數(shù)目下降，最終成為液泡狀線粒體缺血性損傷→線粒體凝聚、腫脹壞血病病變組織→幾個(gè)線粒體融合成球某些細(xì)胞病變→線粒體內(nèi)積累大量蛋白質(zhì)、脂肪、或基粒氰化物、CO等可阻斷線粒體的電子傳遞呼吸鏈，造成氧化中斷、細(xì)胞死亡隨年齡增長(zhǎng)，線粒體氧化磷酸化能力下降線粒體與疾病mtDNA突變與疾病線粒體DNA環(huán)狀、裸露，易發(fā)生突變，很少修復(fù)突變的mtDNA當(dāng)進(jìn)行異常復(fù)制時(shí)，機(jī)體的免疫系統(tǒng)不能對(duì)此識(shí)別和阻止，細(xì)胞靠加快分裂來(lái)減輕突變mtDNA帶來(lái)的細(xì)胞損害當(dāng)這種策略無(wú)效時(shí)，導(dǎo)致疾病——線粒體疾病mitochondrialdisorder，表現(xiàn)為線粒體結(jié)構(gòu)和功能缺陷線粒體疾病主要影響神經(jīng)、肌肉系統(tǒng)，稱線粒體腦肌病，有不同臨床表現(xiàn)線粒體融合和分裂異常相關(guān)的疾病線粒體融合和分裂異?；蛘呔幋a參與線粒體融合和分裂蛋白的基因發(fā)生突變，可能導(dǎo)致疾病參與線粒體分裂的Drp1基因突變，嬰兒出生后大腦發(fā)育障礙、視神經(jīng)萎縮、其它嚴(yán)重并發(fā)癥線粒體與疾病當(dāng)線粒體分裂被擾亂，線粒體功能失常，如：膜電位缺失，ROS增高、線粒體DNA丟失介導(dǎo)線粒體融合的Opa1和Mfn2的突變，引起Kjer病（常染色體顯性視神經(jīng)萎縮癥）和2A型腓骨肌萎縮癥細(xì)胞內(nèi)線粒體不斷進(jìn)行融合和分裂并保持動(dòng)態(tài)平衡，對(duì)維持細(xì)胞正常生命活動(dòng)意義重大線粒體疾病的治療線粒體治療尚待突破目前的治療措施：補(bǔ)充療法(補(bǔ)充呼吸鏈所需輔酶，如輔酶Q)、