線粒體2作用機(jī)理課件

線粒體2作用機(jī)理課件11、生命活動(dòng)能量的來源●來自于體內(nèi)糖、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物的氧化，生物體內(nèi)的氧化和外界的燃燒在化學(xué)本質(zhì)上相同，方式不同。2、什么是生物氧化？●有機(jī)分子在機(jī)體內(nèi)氧化分解成CO2和H2O并釋放出能量的過程，稱為生物氧化（細(xì)胞氧化或細(xì)胞呼吸）。生物氧化在形式上雖有加氧、脫氫和失電子的不同形式，但從氧化的基本概念來看，生物氧化與體外的化學(xué)氧化，實(shí)質(zhì)相同，即一種物質(zhì)丟失電子是氧化，得到電子是還原。

1、生命活動(dòng)能量的來源●來自于體內(nèi)糖、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物2CO2+H2O+能量細(xì)胞呼吸氧化分解ADP+PiATP釋放能量用于各項(xiàng)生命活動(dòng)主要能源物質(zhì)葡萄糖直接能源物質(zhì)ADP和ATP的相互轉(zhuǎn)變保正了生物所需能量的及時(shí)供應(yīng)。生物體內(nèi)的能量代謝CO2+H2O+能量細(xì)胞呼吸ADP+PiATP釋放能3細(xì)胞呼吸(cellrespiration)

概念：糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等有機(jī)物在生活細(xì)胞內(nèi)氧化分解為二氧化碳和水或分解為不徹底的氧化產(chǎn)物，并伴隨著釋放能量的過程。

實(shí)質(zhì)：生物氧化

特征：1、溫和條件下逐步進(jìn)行2、需酶的作用3、能量逐步釋放4、沒有劇烈的發(fā)光發(fā)熱現(xiàn)象細(xì)胞呼吸(cellrespiration)概念：糖類、脂4細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體（主要）細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)需氧、酶等不需氧、需酶較多較少①兩者第一階段相同即都將葡萄糖分解成丙酮酸（糖酵解）②都分解有機(jī)物、釋放能量有氧呼吸與無氧呼吸的比較二氧化碳和水氧化徹底酒精、二氧化碳或乳酸氧化不徹底細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、線粒體（主要）細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)需氧、酶等不需氧、需酶較5無氧呼吸

概念：活細(xì)胞在無氧或缺氧條件下，通過酶的催化作用，把葡萄糖等有機(jī)物不徹底地氧化分解成為乙醇或乳酸等，同時(shí)釋放較少能量的過程。C6H12O62C3H6O3（乳酸）+能量(少量)酶C6H12O62C2H5OH(酒精)+2CO2+能量(少量）酶酒精發(fā)酵：酵母菌乳酸發(fā)酵：乳酸菌無氧呼吸概念：活細(xì)胞在無氧或缺氧條件下，通過酶的催化作用，6無氧呼吸的生理意義：增強(qiáng)生物適應(yīng)短時(shí)無氧條件的能力細(xì)胞呼吸原理的應(yīng)用：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中采取措施增強(qiáng)根系的細(xì)胞呼吸糧食儲(chǔ)藏和果蔬保鮮設(shè)法降低細(xì)胞呼吸無氧呼吸的生理意義：增強(qiáng)生物適應(yīng)短時(shí)無氧條件的能力細(xì)胞呼吸原7概念：活細(xì)胞在氧氣的參與下，將糖類等有機(jī)物徹底氧化分解，產(chǎn)生二氧化碳和水，同時(shí)釋放出大量的能量的過程。有氧呼吸細(xì)胞呼吸的主要類型C6H12O6+6H2O+6O26CO2+12H2O+能量酶發(fā)生場(chǎng)所：外界條件：物質(zhì)變化：能量去向：有氧氣進(jìn)入線粒體有機(jī)物徹底分解成無機(jī)物ATP和熱細(xì)胞質(zhì)、線粒體（主要）總反應(yīng)式：概念：活細(xì)胞在氧氣的參與下，將糖類等有機(jī)物徹底氧化分解，產(chǎn)生8線粒體2作用機(jī)理課件9線粒體[H]2分子丙酮酸CO2葡萄糖釋放少量能量，形成少量ATPO2[H]釋放少量能量，形成少量ATPH2O釋放大量能量，形成大量ATP細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)H2O線粒體[H]2分子丙酮酸CO2葡萄糖釋放少量能量，形成少量A10有氧呼吸全過程細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)葡萄糖酶2丙酮酸少量能量4〔H〕++丙酮酸、〔H〕、釋放少量能量，形成少量ATP線粒體6CO26H2O酶2丙酮酸少量能量20〔H〕+++CO2、〔H〕、釋放少量能量，形成少量ATP線粒體6O212H2O酶大量能量24〔H〕++H2O、釋放大量能量，形成大量ATP有氧呼吸全過程細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)葡萄糖酶2丙酮酸少量能量4〔H〕++11有氧呼吸三個(gè)階段的比較細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)主要是葡萄糖丙酮酸[H]少量丙酮酸CO2、[H]少量[H]、O2H2O大量線粒體線粒體有氧呼吸三個(gè)階段的比較細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)主要是葡萄糖丙酮酸[H]少量12外膜內(nèi)膜基質(zhì)基粒嵴線粒體的模式圖酶形態(tài)結(jié)構(gòu)外膜內(nèi)膜基質(zhì)基粒嵴線粒體的模式圖酶形態(tài)結(jié)構(gòu)13酶蛋白的分布

外膜內(nèi)膜基質(zhì)膜間隙

單胺氧化酶

腺苷酸激酶

細(xì)胞色素c氧化酶蘋果酸脫氫酶

提取

酶蛋白的分布

外膜內(nèi)膜基質(zhì)膜間隙單胺氧化酶腺苷酸激酶細(xì)142、內(nèi)膜位于外膜的內(nèi)側(cè)包裹線粒體基質(zhì)的一層單位膜，厚5～6nm。內(nèi)膜的通透性較低，一般不允許離子和大多數(shù)帶電的小分子通過。線粒體內(nèi)膜通常要向基質(zhì)折褶形成嵴，從而增加了內(nèi)膜的表面積。嵴上有ATP合酶，又叫基粒。內(nèi)膜的酶類可以粗略地分為三類∶運(yùn)輸酶類、合成酶類、電子傳遞和ATP合成酶類。內(nèi)膜是線粒體進(jìn)行電子傳遞和氧化磷酸化的主要部位。標(biāo)志酶為細(xì)胞色素C氧化酶

2、內(nèi)膜位于外膜的內(nèi)側(cè)包裹線粒體基質(zhì)的一層單位膜，厚5～615線粒體內(nèi)膜的主動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)

內(nèi)膜含100種以上的多肽，蛋白質(zhì)和脂類的比例高于3:1。心磷脂含量高（達(dá)20%）、缺乏膽固醇，類似于細(xì)菌。通透性很低，僅允許不帶電荷的小分子物質(zhì)通過，大分子和離子通過內(nèi)膜時(shí)需要特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。①糖酵解產(chǎn)生的NADH必須進(jìn)入電子傳遞鏈參與有氧氧化；②線粒體產(chǎn)生的代謝物質(zhì)如草酰輔酶A和乙酰輔酶A必須運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中，它們分別是細(xì)胞質(zhì)中葡萄糖和脂肪酸的前體物質(zhì);③線粒體產(chǎn)生的ATP必須進(jìn)入到胞質(zhì)溶膠，以便供給細(xì)胞反應(yīng)所需的能量，同時(shí)，ATP水解形成的ADP和Pi又要被運(yùn)入線粒體作為氧化磷酸化的底物。利用膜間隙形成的H+梯度協(xié)同運(yùn)輸。線粒體內(nèi)膜的主動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)膜含100種以上的多肽，蛋白質(zhì)和16線粒體中的蛋白質(zhì)絕大多數(shù)都是核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)的游離核糖體上合成后運(yùn)輸?shù)骄€粒體的。線粒體中的蛋白質(zhì)絕大多數(shù)都是核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)的游離核糖體17翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)與蛋白質(zhì)尋靶共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)與蛋白質(zhì)分選翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)與蛋白質(zhì)尋靶共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)與蛋白質(zhì)分選18線粒體基質(zhì)蛋白輸入線粒體線粒體基質(zhì)蛋白輸入線粒體19基粒的發(fā)現(xiàn)及功能預(yù)測(cè)

在二十世紀(jì)七十年代初，Humberto-FernandezMoran用負(fù)染技術(shù)檢查分離的線粒體時(shí)發(fā)現(xiàn):線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)一側(cè)的表面附著一層球形顆粒，球形顆粒通過柄與內(nèi)膜相連。幾年后，EfraimRacker分離到內(nèi)膜上的顆粒，稱為偶聯(lián)因子1，簡(jiǎn)稱F1。

牛心臟線粒體（負(fù)染電鏡）可見球形顆粒通過小柄附著在線粒體內(nèi)膜嵴上

基粒的發(fā)現(xiàn)及功能預(yù)測(cè)在二十世紀(jì)七十年代初，Humbe20Racker發(fā)現(xiàn)這種顆粒很像水解ATP的酶，即ATPase，這似乎是一個(gè)特別的發(fā)現(xiàn)，為什么線粒體內(nèi)膜需要如此多的水解ATP的酶?如果按照常規(guī)的方式思考所發(fā)現(xiàn)顆粒的問題,似難理解線粒體內(nèi)膜上需要ATP水解酶,如果將ATP的水解看成是ATP合成的相反過程,F1球形顆粒的功能就顯而易見了:它含有ATP合成的功能位點(diǎn),即ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成,到底行使何種功能,視反應(yīng)條件而定。在分離狀態(tài)下具有ATP水解酶的活性，在結(jié)合狀態(tài)下具有ATP合成酶的活性。

Racker發(fā)現(xiàn)這種顆粒很像水解ATP的酶，即ATPase，21線粒體2作用機(jī)理課件22ATP合酶合成ATP的機(jī)理？結(jié)合變構(gòu)模型ATP合酶合成ATP的機(jī)理？23三、線粒體的功能

線粒體的主要功能是對(duì)糖、脂肪、氨基酸等能源物質(zhì)的氧化,進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。細(xì)胞氧化是指依靠酶的催化,氧將細(xì)胞內(nèi)各種供能物質(zhì)氧化而釋放能量的過程。由于細(xì)胞氧化過程中,要消耗O2并放出CO2和H20,所以又稱為細(xì)胞呼吸。在細(xì)胞生命活動(dòng)中,95%的能量來自線粒體,因此人們又將線粒體喻為細(xì)胞的動(dòng)力工廠。

三、線粒體的功能線粒體的主要功能是對(duì)糖、脂肪、氨基酸等能源24線粒體2作用機(jī)理課件25MitochondrialfunctionMitochondrialfunction26糖蛋白質(zhì)脂肪酵解

乙酰輔酶A生成

三羧酸循環(huán)

電子傳遞和氧化磷酸化

糖蛋白質(zhì)脂肪酵解27物質(zhì)氧化所釋放的可利用能量都以高能電子的形式由電子載體NAD+和FAD+從底物中移出，并經(jīng)線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈進(jìn)一步氧化。物質(zhì)氧化所釋放的可利用能量都以高能電子的形式由電子載體NAD28呼吸鏈又稱電子傳遞鏈（electrontransferchain），指排列在線粒體內(nèi)膜上，由一系列遞氫體和電子傳遞體按一定順序排列組成的連續(xù)酶促反應(yīng)體系。代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。呼吸鏈又稱電子傳遞鏈（electrontransferc291、電子傳遞鏈（呼吸鏈）（在內(nèi)膜有序排列的酶系）呼吸鏈上進(jìn)行電子傳遞的載體主要有：NAD、黃素蛋白、細(xì)胞色素、銅原子、鐵硫蛋白、輔酶Q等。（1）

NAD：

即煙酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide），是體內(nèi)很多脫氫酶的輔酶，連接三羧酸循環(huán)和呼吸鏈，其功能是將代謝過程中脫下來的氫交給黃素蛋白。（2）黃素蛋白：含F(xiàn)MN或FAD的蛋白質(zhì)，每個(gè)FMN或FAD可接受2個(gè)電子，2個(gè)質(zhì)子。呼吸鏈上具有以FMN為輔基的NADH脫氫酶和以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶。1、電子傳遞鏈（呼吸鏈）（在內(nèi)膜有序排列的酶系）30（3）細(xì)胞色素：分子中含有血紅素鐵，以共價(jià)形式與蛋白結(jié)合，通Fe3+、Fe2+形式變化傳遞電子，呼吸鏈中有5類，即：細(xì)胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有銅原子。（4）三個(gè)銅原子：位于線粒體內(nèi)膜的一個(gè)蛋白質(zhì)上，形成類似于鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)，通過Cu2+、Cu1+的變化傳遞電子。（5）鐵硫蛋白：在其分子結(jié)構(gòu)中每個(gè)鐵原子和4個(gè)硫原子結(jié)合，通過Fe2+、Fe3+互變進(jìn)行電子傳遞。（6）泛醌Q或輔酶Q(CoQ)：是脂溶性小分子量的醌類化合物，通過氧化和還原傳遞電子。也是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。（3）細(xì)胞色素：分子中含有血紅素鐵，以共價(jià)形式與蛋白結(jié)合，31能量產(chǎn)生過程能量產(chǎn)生過程322、呼吸鏈的復(fù)合物

利用脫氧膽酸（deoxycholate）處理線粒體內(nèi)膜、分離出呼吸鏈的4種復(fù)合物，即復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，輔酶Q和細(xì)胞色素C不屬于任何一種復(fù)合物。輔酶Q溶于內(nèi)膜、細(xì)胞色素C位于線粒體內(nèi)膜的C側(cè)，屬于膜的外周蛋白。（1）復(fù)合物Ⅰ

即NADH脫氫酶，哺乳動(dòng)物的復(fù)合物Ⅰ由42條肽鏈組成，含有一個(gè)FMN和至少6個(gè)鐵硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚體形式存在。作用是催化NADH的2個(gè)電子傳遞至輔酶Q，同時(shí)將4個(gè)質(zhì)子由線粒體基質(zhì)（M側(cè)）轉(zhuǎn)移至膜間隙（C側(cè)）。電子傳遞的方向?yàn)椋篘ADH－FMN－Fe-S－Q。2、呼吸鏈的復(fù)合物33（2）復(fù)合物Ⅱ

即琥珀酸脫氫酶，至少由4條肽鏈組成，含有一個(gè)FAD，2個(gè)鐵硫蛋白。作用是催化電子從琥珀酸轉(zhuǎn)至輔酶Q，但不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。電子傳遞的方向?yàn)椋虹晁幔璅AD－Fe-S－Q。－（3）復(fù)合物

Ⅲ

即細(xì)胞色素c還原酶，由至少11條不同肽鏈組成，以二聚體形式存在，每個(gè)單體包含兩個(gè)細(xì)胞色素b（b562、b566）、一個(gè)細(xì)胞色素c1和一個(gè)鐵硫蛋白。作用是催化電子從輔酶Q傳給細(xì)胞色素c，每轉(zhuǎn)移一對(duì)電子，同時(shí)將4個(gè)質(zhì)子由線粒體基質(zhì)泵至膜間隙。（4）復(fù)合物

Ⅳ

即細(xì)胞色素c氧化酶，以二聚體形式存在。作用是將從細(xì)胞色素c接受的電子傳給氧，每轉(zhuǎn)移一對(duì)電子，在基質(zhì)側(cè)消耗2個(gè)質(zhì)子，同時(shí)轉(zhuǎn)移2個(gè)質(zhì)子至膜間隙。（2）復(fù)合物Ⅱ34NADH呼吸鏈，每傳遞一對(duì)電子釋放的自由能可形成2.5分子ATP。FADH2呼吸鏈，每傳遞一對(duì)電子釋放的自由能可形成1.5分子ATP。NADH呼吸鏈，每傳遞一對(duì)電子釋放的自由能可形成2.5分子35線粒體膜上電子傳遞和氧化磷酸化線粒體膜上電子傳遞和氧化磷酸化36電子從一個(gè)分子傳遞給另一個(gè)分子電子傳遞的過程是一個(gè)不斷進(jìn)行氧化和還原反應(yīng)的過程電子傳遞是定向的，O2對(duì)電子具有最大的親和力電子傳遞過程中有3次大的能量釋放電子從一個(gè)分子傳遞給另一個(gè)分子電子傳遞的過程是一個(gè)不斷進(jìn)行氧37NADH的產(chǎn)能過程N(yùn)ADH的產(chǎn)能過程38FADH2生能過程FADH2生能過程39電子傳遞鏈電子傳遞鏈40氧化磷酸化作用與生物氧化作用相伴而發(fā)生的電子沿呼吸鏈傳遞的氧化作用和釋放的自由能轉(zhuǎn)移給ADP，使ADP磷酸化生成高能ATP相偶聯(lián)的過程，叫氧化磷酸化作用。場(chǎng)所：線粒體原料：還原性代謝中間產(chǎn)物（丙酮酸、異檸檬酸、蘋果酸、脂酰CoA、琥珀酸）產(chǎn)物：ATP，H2O途徑：NADH氧化呼吸鏈，琥珀酸氧化呼吸鏈氧化磷酸化的全過程用方程式表示如下：NADH+H++3ADP+3Pi+?O2————NAD++4H2O+3ATP氧化磷酸化作用與生物氧化作用相伴而發(fā)生的電子沿呼吸鏈傳遞的氧41ATP合成酶ATP合成酶催化跨膜質(zhì)子梯度形成ATP，位于線粒體膜內(nèi)側(cè)球狀頭部F1，催化ATP生成F0構(gòu)成質(zhì)子通道F0和F1之間的柄部OSCP：寡霉素敏感蛋白

胞液ATP合成酶ATP合成酶催化跨膜質(zhì)子梯度形成ATP，位于線粒422、ADP形成ATP的部位部位I：NADH和輔酶Q之間部位II：輔酶Q和cyt-c之間部位III：cyt-a和O之間NADHFADH21分子ATP無

1分子ATP1分子ATP1分子ATP1分子ATP

代謝物脫出的氫，大多數(shù)通過呼吸鏈完成其氧化過程。ATP的形成也主要靠呼吸鏈的氧化磷酸化作用。

2、ADP形成ATP的部位部位I：NADH和輔酶Q之間43ATP合成ATP合成44氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）物質(zhì)氧化高能電子氧氧化過