1、會計(jì)學(xué)1細(xì)胞細(xì)胞(xbo)生物學(xué)生物學(xué)61第一頁，共44頁。第2頁/共44頁第二頁，共44頁。（二）線粒體的結(jié)構(gòu)(jigu)線粒體由內(nèi)外兩層膜封閉，包括外膜、內(nèi)膜、膜間隙(jin x)和基質(zhì)四個(gè)功能區(qū)域。1、外膜：含40%的脂類和60%的蛋白(dnbi)質(zhì)，具有孔蛋白(dnbi)（porin）構(gòu)成的親水通道。標(biāo)志酶為單胺氧化酶。第3頁/共44頁第三頁，共44頁。2、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。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)。內(nèi)膜向線粒體基質(zhì)褶入形成嵴（cristae），嵴能顯著擴(kuò)大內(nèi)膜表面積（達(dá)510倍），嵴

2、有兩種類型：板層狀，管狀。嵴上覆有基粒（elementary particle），基粒由頭部（F1偶聯(lián)因子）和基部（F0偶聯(lián)因子）構(gòu)成。線粒體氧化磷酸化的電子傳遞鏈位于(wiy)內(nèi)膜，內(nèi)膜的標(biāo)志酶為細(xì)胞色素C氧化酶。第4頁/共44頁第四頁，共44頁。3、膜間隙：是內(nèi)外膜之間的腔隙，延伸至嵴的軸心(zhu xn)部，腔隙寬約6-8nm。由于外膜具有大量親水孔道與細(xì)胞質(zhì)相通，因此膜間隙的pH值與細(xì)胞質(zhì)的相似。標(biāo)志酶為腺苷酸激酶。4、基質(zhì)：為內(nèi)膜和嵴包圍的空間。除糖酵解在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行外，其他的生物氧化過程都在線粒體中進(jìn)行。催化(cu hu)三羧酸循環(huán)，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶類均位于基質(zhì)中。標(biāo)志酶為蘋

3、果酸脫氫酶。第5頁/共44頁第五頁，共44頁。基質(zhì)具有一套完整的轉(zhuǎn)錄和翻譯(fny)體系。包括線粒體DNA（mtDNA），70S型核糖體，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等?；|(zhì)中還含有纖維絲和電子密度很大的致密顆粒狀物質(zhì)，內(nèi)含Ca2+、Mg2+、Zn2+等離子。第6頁/共44頁第六頁，共44頁。線粒體的電鏡照片(zhopin)管狀脊線粒體第7頁/共44頁第七頁，共44頁。線粒體結(jié)構(gòu)(jigu)（掃描電鏡）線粒體結(jié)構(gòu)(jigu)模型第8頁/共44頁第八頁，共44頁。心肌細(xì)胞和精子(jngz)尾部的線粒體肌原纖維、鞭毛(binmo)核心第9頁/共44頁第九頁，共44頁。（三）線

4、粒體化學(xué)(huxu)組成及酶的定位化學(xué)(huxu)組成蛋白質(zhì)占65-70，脂質(zhì)25-30（磷脂）；與脂蛋白質(zhì)的比值，內(nèi)膜為0.3:1，外膜為1:1；基質(zhì)中含有DNA、RNA、核糖體、致密(zhm)顆粒和上百種酶。線粒體酶的定位140余種，37氧化還原酶，10合成酶，9水解酶，標(biāo)志酶30余種，主要在內(nèi)膜和基質(zhì)中。第10頁/共44頁第十頁，共44頁。四、線粒體的功能(gngnng)主要(zhyo)功能：進(jìn)行三羧酸循環(huán)(xnhun)和氧化磷酸化，合成ATP，為細(xì)胞生命活動提供直接能量。次要功能：與細(xì)胞中氧自由基的生成，調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原點(diǎn)位和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控細(xì)胞凋亡、基因表達(dá)、離子跨膜運(yùn)輸調(diào)控電解質(zhì)平衡等

5、有關(guān)第11頁/共44頁第十一頁，共44頁。真核細(xì)胞線粒體中代謝(dixi)反應(yīng)圖解第12頁/共44頁第十二頁，共44頁。（一）線粒體中的氧化(ynghu)代謝線粒體是氧化代謝(dixi)的中心，是糖類、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)最終氧化釋能的場所。氧化磷酸化是生物體獲得(hud)能量的主要途徑。氧化放能磷酸化貯能偶聯(lián)在一起，有不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)第13頁/共44頁第十三頁，共44頁。1968年E.Racher等人超聲破碎線粒體，發(fā)現(xiàn)內(nèi)膜碎片(su pin)可自然卷曲成顆粒朝外的小膜泡。（亞線粒體小泡）具有(jyu)電子傳遞和磷酸化的功能亞線粒體小泡的分離(fnl)與重組第14頁/共44頁第十四頁，共44頁。兩

6、條典型(dinxng)的呼吸鏈：NADH呼吸(hx)鏈FADH2呼吸(hx)鏈供體：糖酵解產(chǎn)生的NADH，其電子穿梭進(jìn)入線粒體蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑 甘油-3-磷酸穿梭途徑第15頁/共44頁第十五頁，共44頁。（二）電子傳遞鏈（呼吸(hx)鏈）與電子傳遞在線粒體內(nèi)膜上存在傳遞電子的一組酶的復(fù)合體，由一系列能可逆接受(jishu)和釋放電子或H+的化學(xué)物質(zhì)所組成，它們再內(nèi)膜上相互關(guān)聯(lián)有序地排列成傳遞鏈，稱為電子傳遞鏈或呼吸鏈第16頁/共44頁第十六頁，共44頁。1.電子(dinz)載體（在內(nèi)膜上有序排列的酶系）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(yunz)、鐵

7、硫蛋白、輔酶Q等。NAD： 即煙酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide），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(dixi)過程中脫下來的氫交給黃素蛋白。第17頁/共44頁第十七頁，共44頁。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(hx)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。細(xì)胞色素：分子中含有血紅素鐵，以共價(jià)形式與蛋白(dnbi)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

8、。傳遞1個(gè)電子。第18頁/共44頁第十八頁，共44頁。輔酶Q（CoQ）（泛醌UQ）：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。存在三種(sn zhn)狀態(tài)：氧化態(tài)Q，還原態(tài)QH2，中間態(tài)QH。傳遞1個(gè)或2個(gè)電子。鐵硫蛋白：含非血紅素鐵的蛋白，在其分子結(jié)構(gòu)中2Fe-2S或4Fe-4S形成(xngchng)鐵硫中心 ，通過Fe2+、Fe3+互變進(jìn)行電子傳遞。傳遞1個(gè)電子。 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+、Cu+的變化(binhu)傳遞電子。傳遞1個(gè)電子。第19頁/共44頁第十九頁，共44頁。2.電子(dinz)載體的排列順序電子傳遞方向(f

9、ngxing)：NADHFMNCoQbc1caa3O2氧化(ynghu)還原電位由低到高-0.32-0.30.10.070.220.250.290.82第20頁/共44頁第二十頁，共44頁。3.電子(dinz)轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物利用脫氧膽酸（deoxycholate）處理(chl)線粒體內(nèi)膜、分離出呼吸鏈的4種復(fù)合物，即復(fù)合物、和，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)膜的膜間隙側(cè)（C側(cè)），屬于膜的外周蛋白。第21頁/共44頁第二十一頁，共44頁。（1）復(fù)合物 即NADH脫氫酶，又稱NADH-CoQ還原酶哺乳動物的復(fù)合物由42條肽鏈組成，含有一個(gè)FMN和至少6個(gè)

10、鐵硫蛋白，分子量接近(jijn)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ADHFMNFe-SQ。第22頁/共44頁第二十二頁，共44頁。（2）復(fù)合物 即琥珀酸脫氫酶，又稱琥珀酸-CoQ還原酶至少由4條肽鏈組成，含有一個(gè)(y )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晁酕ADFe-SQ。第23頁/共44頁第二十三頁，共44頁。（3）復(fù)合物 即細(xì)胞色素c還原酶，又稱bc1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（b

11、562、b566）、一個(gè)(y )細(xì)胞色素c1和一個(gè)(y )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)移一對電子，同時(shí)將4個(gè)質(zhì)子由線粒體基質(zhì)側(cè)泵至膜間隙側(cè)第24頁/共44頁第二十四頁，共44頁。（4）復(fù)合物 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)移一對電子，在基質(zhì)側(cè)消耗(xioho)2個(gè)質(zhì)子，同時(shí)轉(zhuǎn)移2個(gè)質(zhì)子至膜間隙。第25頁/共44頁第二十五頁，共44頁。（三）質(zhì)子(zhz)轉(zhuǎn)移與質(zhì)子(zhz)驅(qū)動力的形成復(fù)合物、組成主要的呼吸鏈，催化NADH的脫氫氧化。復(fù)合物：的比例為1：3：7。復(fù)合物、組成另一條呼吸鏈，催化琥珀酸的脫氫氧化。 任何兩個(gè)(l

12、in )復(fù)合物之間沒有穩(wěn)定的連接結(jié)構(gòu)，而是由輔酶Q和細(xì)胞色素c這樣的可擴(kuò)散性分子連接。呼吸鏈各組分有序，使電子按氧化還原電位從低向高傳遞，能量逐級釋放，呼吸鏈中的復(fù)合物、都是質(zhì)子泵，可將質(zhì)子有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)移到膜間隙，形成質(zhì)子動力勢（proton-motive force），驅(qū)動ATP的合成。第26頁/共44頁第二十六頁，共44頁。兩條主要(zhyo)的呼吸鏈NADH呼吸(hx)鏈和FADH2呼吸(hx)鏈第27頁/共44頁第二十七頁，共44頁。第28頁/共44頁第二十八頁，共44頁。線粒體膜上電子傳遞和氧化(ynghu)磷酸化第29頁/共44頁第二十九頁，共44頁。（四）ATP形成機(jī)制(jzh)氧化

13、磷酸化ADP磷酸化兩種途徑(tjng)：底物(d w)水平磷酸化氧化磷酸化當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)呼吸鏈傳遞給O2形成水時(shí)，同時(shí)伴有ADP磷酸化形成ATP，這一過程稱為第30頁/共44頁第三十頁，共44頁。ATP合成(hchng)酶（ATP synthetase），分子量500KD，狀如蘑菇。分為球形的F1（頭部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用質(zhì)子動力勢合成(hchng)ATP，也可以水解ATP，轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子。每個(gè)肝細(xì)胞線粒體通常含15000個(gè)ATP合酶、每個(gè)酶每秒鐘可產(chǎn)生100個(gè)ATP。1.ATP合成酶的結(jié)構(gòu)(jigu)與組成第31頁/共44頁第三十一頁，共44頁。F1由5種多肽組成

14、33復(fù)合體，具有三個(gè)ATP合成的催化位點(diǎn)（每個(gè)亞基具有一個(gè)）。和單位交替排列，狀如桔瓣。貫穿復(fù)合體（相當(dāng)于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子），并與F0接觸，幫助與F0結(jié)合。與F0的兩個(gè)b亞基形成(xngchng)固定復(fù)合體的結(jié)構(gòu)（相當(dāng)于發(fā)電機(jī)的定子）。第32頁/共44頁第三十二頁，共44頁。F0由三種多肽(du ti)組成ab2c12復(fù)合體，嵌入內(nèi)膜，12個(gè)c亞基組成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)子通道，可使質(zhì)子由膜間隙流回基質(zhì)。第33頁/共44頁第三十三頁，共44頁。 1979年代Boyer P提出構(gòu)象耦聯(lián)假說，一些有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)使這一學(xué)說得到廣泛的認(rèn)可。其要點(diǎn)如下：1ATP酶利用質(zhì)子動力勢，產(chǎn)生構(gòu)象的改變，改變與底物的

15、親和力，催化ADP形成(xngchng)ATP。2F1具有三個(gè)催化位點(diǎn)，但在特定的時(shí)間，三個(gè)催化位點(diǎn)的構(gòu)象不同、因而與核苷酸的親和力不同。在L構(gòu)象（loose），ADP、 Pi與酶疏松結(jié)合在一起；在T構(gòu)象（tight）底物（ADP、 Pi）與酶緊密結(jié)合在一起，在這種情況下可將兩者加合在一起；在O構(gòu)象（open）ATP與酶的親和力很低，被釋放出去。3質(zhì)子通過F0時(shí)，引起c亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，從而帶動亞基旋轉(zhuǎn)，由于亞基的端部是高度不對稱的，它的旋轉(zhuǎn)引起亞基3個(gè)催化位點(diǎn)構(gòu)象的周期性變化（L、T、O），不斷將ADP和Pi加合在一起，形成(xngchng)ATP。第34頁/共44頁第三十四頁，共44頁。A

16、TP酶結(jié)構(gòu)(jigu)和結(jié)構(gòu)(jigu)模型第35頁/共44頁第三十五頁，共44頁。ATP酶的結(jié)構(gòu)(jigu)模型亞基的結(jié)合位點(diǎn)具有催化(cu hu)ATP合成或水解的作用，和結(jié)合形成轉(zhuǎn)子，有抑制酶水解ATP的活性，同時(shí)有減少H+泄漏的功能第36頁/共44頁第三十六頁，共44頁。ATP酶催化(cu hu)ADP和Pi合成ATP的旋轉(zhuǎn)模型第37頁/共44頁第三十七頁，共44頁。ATP合成(hchng)和水解示意圖第38頁/共44頁第三十八頁，共44頁。支持構(gòu)象耦聯(lián)假說的實(shí)驗(yàn)有：1日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人將33固定在玻片上，在亞基的頂端連接熒光標(biāo)記的肌動蛋白纖維，在含有

17、ATP的溶液中溫育時(shí)，在顯微鏡下可觀察到亞基帶動肌動蛋白纖維旋轉(zhuǎn)。2在另外(ln wi)一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，將熒光標(biāo)記的肌動蛋白連接到ATP合酶的F0亞基上，在ATP存在時(shí)同樣可以觀察到肌動蛋白的旋轉(zhuǎn)。第39頁/共44頁第三十九頁，共44頁。氧化磷酸化的作用機(jī)理 Mitchell P.1961提出“化學(xué)滲透假說(Chemiosmotic Hypothesis)”，70年代關(guān)于化學(xué)滲透假說取得大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持，成為(chngwi)一種較為流行的假說，Mitchell本人也因此獲得1978年諾貝爾化學(xué)獎。 根據(jù)“化學(xué)滲透假說”，當(dāng)電子沿呼吸鏈傳遞時(shí)，所釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)（M側(cè)）泵至膜間隙（胞質(zhì)側(cè)或C側(cè)），由于線粒體內(nèi)膜對離子是高度不通透的，從而使膜間隙的質(zhì)子濃度高于基質(zhì)，在內(nèi)膜的兩側(cè)形成pH梯度及電位梯度，兩