1、第六章 細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換：線粒體和葉綠體Chapter Seven Chapter Seven Mitochondria and ChloroplastMitochondria and Chloroplast第一節(jié) 線粒體與氧化磷酸化n 線粒體被稱為細(xì)胞內(nèi)的能量工廠線粒體被稱為細(xì)胞內(nèi)的能量工廠。人體內(nèi)的細(xì)胞每天要合成幾千克。人體內(nèi)的細(xì)胞每天要合成幾千克的的ATPATP，95%95%是由線粒體中的呼吸鏈所產(chǎn)生是由線粒體中的呼吸鏈所產(chǎn)生。一、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu) n （一）形態(tài)和分布（一）形態(tài)和分布n 1.1.形態(tài)：因種類和生理狀態(tài)而異，一般呈粒狀或桿狀，也有形態(tài)：因種類和生理狀態(tài)而異，一般呈粒狀或桿狀

2、，也有環(huán)形，啞鈴形、線狀、分杈狀。環(huán)形，啞鈴形、線狀、分杈狀?；罴?xì)胞中線粒體形態(tài)高度可變活細(xì)胞中線粒體形態(tài)高度可變 n 2.2.大?。褐睆酱笮。褐睆?.5-1m0.5-1m，長，長1.5-3.0m1.5-3.0m。n 胰臟分泌細(xì)胞中的線粒體可長達(dá)胰臟分泌細(xì)胞中的線粒體可長達(dá)10-20m10-20m，稱巨線粒體，人成纖，稱巨線粒體，人成纖維細(xì)胞線粒體則更長，達(dá)維細(xì)胞線粒體則更長，達(dá)40m40m。n 3.3.數(shù)量：同類型細(xì)胞中數(shù)目穩(wěn)定。不同類型細(xì)胞中從數(shù)量：同類型細(xì)胞中數(shù)目穩(wěn)定。不同類型細(xì)胞中從1 1個到數(shù)千個。代謝個到數(shù)千個。代謝活躍細(xì)胞數(shù)量多；動物細(xì)胞較植物細(xì)胞多；紅細(xì)胞無線粒體?；钴S細(xì)胞數(shù)量

3、多；動物細(xì)胞較植物細(xì)胞多；紅細(xì)胞無線粒體。n 4.4.分布：一般均勻分布。常結(jié)合在微管上，可向功能旺盛區(qū)域遷移。故分布：一般均勻分布。常結(jié)合在微管上，可向功能旺盛區(qū)域遷移。故代謝活躍區(qū)域較多。代謝活躍區(qū)域較多。線粒體大小和數(shù)量反映了細(xì)胞能量需求 線粒體位于心肌細(xì)胞和精子尾部需能多的部位（二）線粒體的結(jié)構(gòu) n 線粒體由內(nèi)外兩層單位膜封閉形成，包括外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)線粒體由內(nèi)外兩層單位膜封閉形成，包括外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)4 4個部分個部分。線粒體結(jié)構(gòu)模型 1、外膜 (outer membrane)n 全封閉的單位膜，脂和蛋白含量近相等全封閉的單位膜，脂和蛋白含量近相等; ;n 具孔蛋白具

4、孔蛋白(porin)(porin)構(gòu)成的構(gòu)成的親水通道親水通道，通透性較高，分子量，通透性較高，分子量5KD3:13:1，心磷脂含量，心磷脂含量20%20%，無膽固醇。，無膽固醇。n 通透性低，僅讓不帶電荷小分子通過，大分子和離子通過內(nèi)膜需特殊通透性低，僅讓不帶電荷小分子通過，大分子和離子通過內(nèi)膜需特殊轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。n 內(nèi)膜向基質(zhì)褶入形成內(nèi)膜向基質(zhì)褶入形成嵴嵴(cristae)(cristae)，嵴常呈板層狀，也有管狀。，嵴常呈板層狀，也有管狀。n 嵴上有基粒，基粒由頭部嵴上有基粒，基粒由頭部(F(F1 1) )和嵌入內(nèi)膜的基部和嵌入內(nèi)膜的基部(F(F0 0) )構(gòu)成。構(gòu)成。板層狀結(jié)構(gòu)管

5、狀嵴線粒體 n 內(nèi)膜具豐富的蛋白質(zhì)和酶類，主要有參與氧化磷酸化電子傳遞的蛋白內(nèi)膜具豐富的蛋白質(zhì)和酶類，主要有參與氧化磷酸化電子傳遞的蛋白質(zhì)復(fù)合體及質(zhì)復(fù)合體及ATPATP合成的酶類，以及其它一些參與物質(zhì)運輸與合成的酶合成的酶類，以及其它一些參與物質(zhì)運輸與合成的酶類。類。n 標(biāo)志酶為標(biāo)志酶為細(xì)胞色素細(xì)胞色素C C氧化酶氧化酶。3、膜間隙(intermembrane space) n 寬寬6-8nm6-8nm，含大量可溶性酶、底物和輔助因子，含大量可溶性酶、底物和輔助因子n 標(biāo)志酶為標(biāo)志酶為腺苷酸激酶腺苷酸激酶，催化，催化ATPATP分子的末端磷酸基團轉(zhuǎn)移到分子的末端磷酸基團轉(zhuǎn)移到AMPAMP4、基

6、質(zhì)（matrix）n 除糖酵解外，其它參與生物氧化的酶均在線粒體基質(zhì)中：除糖酵解外，其它參與生物氧化的酶均在線粒體基質(zhì)中：TCATCA循環(huán)、脂循環(huán)、脂肪酸和丙酮酸氧化的酶。標(biāo)志酶為肪酸和丙酮酸氧化的酶。標(biāo)志酶為蘋果酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶。n 含一套完整的轉(zhuǎn)錄和翻譯體系：含一套完整的轉(zhuǎn)錄和翻譯體系：mtDNAmtDNA，70S70S核糖體，核糖體，tRNA tRNA 、rRNArRNA、DNADNA聚合酶、氨基酸活化酶等。聚合酶、氨基酸活化酶等。二、線粒體的功能n 是細(xì)胞進(jìn)行生物氧化的主要場所，糖類、脂肪和氨基酸最終是細(xì)胞進(jìn)行生物氧化的主要場所，糖類、脂肪和氨基酸最終的氧化均發(fā)生在線粒體。并將氧化

7、與磷酸化偶聯(lián)，合成的氧化均發(fā)生在線粒體。并將氧化與磷酸化偶聯(lián)，合成ATPATP。(一)真核細(xì)胞中的氧化作用(oxidation)n 葡萄糖和脂肪酸是真核細(xì)胞能量的主要來源。葡萄糖和脂肪酸是真核細(xì)胞能量的主要來源。n1. 1. 糖的氧化糖的氧化n 1) 1) 在胞質(zhì)中，糖經(jīng)糖酵解氧化生成丙酮酸；在胞質(zhì)中，糖經(jīng)糖酵解氧化生成丙酮酸；n 2) 2) 丙酮酸進(jìn)入線粒體，脫羧生成乙酰丙酮酸進(jìn)入線粒體，脫羧生成乙酰CoACoAn 3) 3) 乙酰乙酰CoACoA進(jìn)入進(jìn)入TCATCA循環(huán)，徹底氧化成循環(huán)，徹底氧化成CO2CO2n2. 2. 脂肪的氧化：脂肪的氧化：n 脂肪先在胞質(zhì)中水解成脂肪酸，脂肪酸進(jìn)入線

8、粒體基質(zhì)，通過脂肪先在胞質(zhì)中水解成脂肪酸，脂肪酸進(jìn)入線粒體基質(zhì)，通過氧氧化途徑生成乙?；緩缴梢阴oACoA，及，及1 1分子分子NADHNADH和和FADHFADH2 2。3、氨基酸的氧化n 乙酰輔酶乙酰輔酶A A是線粒體能量代謝的核心分子是線粒體能量代謝的核心分子。n4 4、TCATCA循環(huán)：循環(huán)：n 乙酰乙酰CoACoA和草酰乙酸結(jié)合生成檸檬酸，檸檬酸經(jīng)氧化脫羧，經(jīng)酮戊和草酰乙酸結(jié)合生成檸檬酸，檸檬酸經(jīng)氧化脫羧，經(jīng)酮戊二酸、琥珀酸，降解成草酰乙酸。二酸、琥珀酸，降解成草酰乙酸。n 每循環(huán)一次生成每循環(huán)一次生成2 2分子分子COCO2 2、一分子、一分子GTPGTP、4 4分子分子NA

9、DHNADH和一分子和一分子FADHFADH2 2。n5 5、輔酶在能量傳遞中的作用、輔酶在能量傳遞中的作用: : n TCATCA循環(huán)的凈產(chǎn)物是循環(huán)的凈產(chǎn)物是FADHFADH2 2和和NADHNADH， FADHFADH2 2和和NADHNADH中含有底物氧化釋放中含有底物氧化釋放的高能電子，共的高能電子，共5 5對，可用于對，可用于ATPATP合成。合成。n 糖酵解也產(chǎn)生糖酵解也產(chǎn)生NADHNADH，可通過蘋果酸，可通過蘋果酸- -天門冬氨酸穿梭和甘油天門冬氨酸穿梭和甘油- -磷酸穿梭磷酸穿梭，將電子傳遞給，將電子傳遞給FADFAD，形成，形成FADHFADH2 2，參與參與ATPATP合

10、成。合成。磷酸甘油穿梭蘋果酸天門冬氨酸穿梭蘋果酸天門冬氨酸穿梭n 胞液中的NADH，首先由蘋果酸脫氫酶催化將草酰乙酸還原成蘋果酸，蘋果酸再通過內(nèi)膜上的二羧酸載體系統(tǒng)與線粒體內(nèi)的酮戊二酸交換而進(jìn)入線粒體。然后，蘋果酸在蘋果酸脫氫酶催化下，又氧化生成草酰乙酸并釋出NADH，再經(jīng)歷與在線粒體內(nèi)產(chǎn)生的NADH氧化相同的過程。(二)呼吸鏈與電子傳遞n TCATCA循環(huán)后，能量儲在循環(huán)后，能量儲在NADHNADH和和FADHFADH2 2中，需將其氧化才能將能量釋放中，需將其氧化才能將能量釋放出，該過程涉及電子從出，該過程涉及電子從NADHNADH或或FADHFADH2 2傳遞到氧。傳遞到氧。n 呼吸鏈?zhǔn)?/p>

11、內(nèi)膜上的一組酶復(fù)合體，負(fù)責(zé)將電子傳遞到氧氣，產(chǎn)生呼吸鏈?zhǔn)莾?nèi)膜上的一組酶復(fù)合體，負(fù)責(zé)將電子傳遞到氧氣，產(chǎn)生ATPATP。n 電子在經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行傳遞時，高能電子中所含能量逐步釋放，最后儲存電子在經(jīng)呼吸鏈進(jìn)行傳遞時，高能電子中所含能量逐步釋放，最后儲存在在ATPATP的高能磷酸鍵中，即將的高能磷酸鍵中，即將ADPADP轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)變成ATPATP，該過程稱為磷酸化。而電，該過程稱為磷酸化。而電子傳遞鏈將生物氧化和磷酸化串聯(lián)在一起的過程并稱為氧化磷酸化。子傳遞鏈將生物氧化和磷酸化串聯(lián)在一起的過程并稱為氧化磷酸化。1、電子載體 n 電子載體電子載體: :與電子結(jié)合并將其傳遞下去的物質(zhì)。與電子結(jié)合并將其傳遞下

12、去的物質(zhì)。n (1) NAD(1) NAD：煙酰胺嘌呤二核苷酸，脫氫酶的輔酶，連接：煙酰胺嘌呤二核苷酸，脫氫酶的輔酶，連接TCATCA循環(huán)和循環(huán)和呼吸鏈，將氫交給黃素蛋白。呼吸鏈，將氫交給黃素蛋白。(2)(2)黃素蛋白黃素蛋白(flavoprotein)(flavoprotein)： 由一條多肽鏈結(jié)合一個輔基組成的酶類由一條多肽鏈結(jié)合一個輔基組成的酶類, , 輔基為輔基為FMNFMN或或FAD.FAD. 每個每個FMNFMN或或FADFAD可接受可接受2 2個電子和個電子和2 2個質(zhì)子。個質(zhì)子。 呼吸鏈上既有以呼吸鏈上既有以FMNFMN為輔基的為輔基的NADHNADH脫氫酶，也有以脫氫酶，也有

13、以FADFAD為輔基的琥珀酸脫為輔基的琥珀酸脫氫酶。氫酶。n (3)(3)細(xì)胞色素細(xì)胞色素(cytochrome)(cytochrome)：n 呼吸鏈中有呼吸鏈中有5 5類細(xì)胞色素：類細(xì)胞色素：a a、a a3 3、b b、c c、c c1 1，均含有血紅素鐵，以，均含有血紅素鐵，以FeFe3+3+和和FeFe2+2+互變傳遞電子。互變傳遞電子。 n 而細(xì)胞色素而細(xì)胞色素a a、a a3 3還與銅原子相連，銅原子也依靠自身化合價的變化進(jìn)還與銅原子相連，銅原子也依靠自身化合價的變化進(jìn)行電子傳遞。行電子傳遞。血紅素的結(jié)構(gòu) (4) (4) 鐵硫蛋白鐵硫蛋白(Fe/S protein)(Fe/S pr

14、otein)： 屬細(xì)胞色素類，分子中央結(jié)合的是鐵和硫，稱鐵硫中心。一般含屬細(xì)胞色素類，分子中央結(jié)合的是鐵和硫，稱鐵硫中心。一般含4 4個原子，個原子，2 2個鐵和個鐵和2 2個個S S，稱，稱2Fe-2S2Fe-2S，也有，也有4Fe-4S4Fe-4S。 也是通過也是通過FeFe2+2+、FeFe3+3+互變進(jìn)行電子傳遞，且一次只能傳遞互變進(jìn)行電子傳遞，且一次只能傳遞1 1個電子個電子 n (5)(5)輔酶輔酶Q (coenzyme Q)Q (coenzyme Q)：n 脂溶性小分子醌類化合物，通過氧化和還原傳遞電子。脂溶性小分子醌類化合物，通過氧化和還原傳遞電子。n 有有3 3種氧化還原形式

15、：氧化型醌種氧化還原形式：氧化型醌Q Q，還原型氫醌，還原型氫醌(QH(QH2 2) )和介于兩者間的半醌和介于兩者間的半醌(QH)(QH)。n 每個醌能接受和傳遞每個醌能接受和傳遞2 2個電子和質(zhì)子個電子和質(zhì)子2、氧化還原電位與載體排列順序n 同種物質(zhì)得失電子的兩種狀態(tài)稱氧還對。如同種物質(zhì)得失電子的兩種狀態(tài)稱氧還對。如NAD+NAD+和和NADHNADH，兩者間有電位差，兩者間有電位差，即氧還電位，即氧還電位n 可在標(biāo)準(zhǔn)條件下測定標(biāo)準(zhǔn)氧還電位。標(biāo)準(zhǔn)氧還電位越小，提供電子的能力可在標(biāo)準(zhǔn)條件下測定標(biāo)準(zhǔn)氧還電位。標(biāo)準(zhǔn)氧還電位越小，提供電子的能力越強越強n 通過測定電子載體的氧化還原電位，可推斷其在

16、呼吸鏈中的排列順序通過測定電子載體的氧化還原電位，可推斷其在呼吸鏈中的排列順序3、電子傳遞復(fù)合物 n 用脫氧膽酸用脫氧膽酸( (離子型去污劑離子型去污劑) )處理內(nèi)膜、分離出呼吸鏈的處理內(nèi)膜、分離出呼吸鏈的4 4種復(fù)合物，種復(fù)合物，即復(fù)合物即復(fù)合物、和和。n 而參與電子傳遞的輔酶而參與電子傳遞的輔酶Q Q和細(xì)胞色素和細(xì)胞色素C C不屬于任何一種復(fù)合物。輔酶不屬于任何一種復(fù)合物。輔酶Q Q溶于內(nèi)膜，細(xì)胞色素溶于內(nèi)膜，細(xì)胞色素C C位于內(nèi)膜的膜間隙側(cè)位于內(nèi)膜的膜間隙側(cè)(C(C側(cè)側(cè)) )，屬膜外周蛋白。，屬膜外周蛋白。（1）復(fù)合物 n NADHNADHCoQCoQ還原酶，哺乳動物中由還原酶，哺乳動物

17、中由4242條肽鏈組成。含條肽鏈組成。含1 1個個FMNFMN和和6 6個個Fe/SFe/S，以二，以二聚體存在。聚體存在。n 作用：催化作用：催化NADHNADH的的2 2個電子傳至輔酶個電子傳至輔酶Q Q，并將，并將4 4個個H H+ +由基質(zhì)由基質(zhì)(M(M側(cè)側(cè)) ) 膜間隙膜間隙(C(C側(cè)側(cè)) )。電子傳遞方向：。電子傳遞方向：NADHFMNFe-SQNADHFMNFe-SQn 結(jié)果：結(jié)果：NADH + 5HNADH + 5H+ +(M) + QNAD(M) + QNAD+ + + QH + QH2 2 + 4H + 4H+ + (C) (C)（2）復(fù)合物n 琥珀酸脫氫酶，琥珀酸脫氫酶，

18、4 4條肽鏈，含條肽鏈，含1 1個個FADFAD，2 2個個Fe/SFe/Sn 催化電子從琥珀酸催化電子從琥珀酸CoQCoQ，傳遞過程：琥珀酸，傳遞過程：琥珀酸FADFe-SQFADFe-SQ。不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。n 反應(yīng)結(jié)果為：琥珀酸反應(yīng)結(jié)果為：琥珀酸+Q+Q延胡索酸延胡索酸+QH+QH2 2（3）復(fù)合物 n CoQ- cytcCoQ- cytc還原酶，由還原酶，由1111條不同肽鏈組成，以二聚體存在，單體含條不同肽鏈組成，以二聚體存在，單體含2 2個個cyt b cyt b (b562(b562，b566)b566)、一個、一個cyt c1cyt c1和一個和一個Fe/SFe/S。n

19、作用：催化電子從輔酶作用：催化電子從輔酶Q cyt cQ cyt c，每轉(zhuǎn)移一對電子，同時將，每轉(zhuǎn)移一對電子，同時將4 4個個H H+ +轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移至膜間隙。膜間隙。n 結(jié)果：結(jié)果：2 2氧化態(tài)氧化態(tài)cyt c + QHcyt c + QH2 2 + 2 H + 2 H+ +(M)2(M)2還原態(tài)還原態(tài)cyt c + Q+ 4Hcyt c + Q+ 4H+ +(C)(C)n 復(fù)合物復(fù)合物的電子傳遞較復(fù)雜，與的電子傳遞較復(fù)雜，與“Q Q循環(huán)循環(huán)”有關(guān)有關(guān)n 輔酶輔酶Q Q是脂溶性小分子，能在膜中自由擴散，在內(nèi)膜是脂溶性小分子，能在膜中自由擴散，在內(nèi)膜C C側(cè)，側(cè)，QH2QH2將一個電將一個電子交

20、給子交給Fe-SFe-S細(xì)胞色素細(xì)胞色素c1c1細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c，被氧化為半醌，被氧化為半醌(QH)(QH)，并將一個，并將一個質(zhì)子釋放到膜間隙；質(zhì)子釋放到膜間隙；n 半醌將電子交給細(xì)胞色素半醌將電子交給細(xì)胞色素b566b562b566b562，釋放另外一個質(zhì)子到膜間隙。，釋放另外一個質(zhì)子到膜間隙。n cyt b566cyt b566得到的電子為循環(huán)電子，傳遞路線為：半醌得到的電子為循環(huán)電子，傳遞路線為：半醌b566b562b566b562輔酶輔酶Q Q。n 因此，輔酶因此，輔酶Q Q的還原有的還原有3 3種途徑，均發(fā)生在內(nèi)膜種途徑，均發(fā)生在內(nèi)膜M M側(cè)。一是被復(fù)合體側(cè)。一是被復(fù)合體還原

21、，二是被復(fù)合體還原，二是被復(fù)合體還原，三是被還原，三是被cyt b562cyt b562還原。還原。Q循環(huán)示意圖 （4）復(fù)合物 n cyt ccyt c氧化酶，以二聚體存在，單體含氧化酶，以二聚體存在，單體含1 1個個cyt acyt a、a a3 3和和2 2個個CuCu原子。作用：電原子。作用：電子從子從cyt c cyt c 氧氧n 傳遞路線：傳遞路線：cyt cCucyt cCuA A cytaa cytaa3 3- Cu- CuB B OO2 2n 每轉(zhuǎn)移一對電子，從基質(zhì)中攝取每轉(zhuǎn)移一對電子，從基質(zhì)中攝取4 4個個H H+ +，其中，其中2 2個用于水形成，另個用于水形成，另2 2個

22、被轉(zhuǎn)至膜個被轉(zhuǎn)至膜間隙。間隙。n 結(jié)果：結(jié)果： 4 4還原態(tài)還原態(tài)cyt c + 8 Hcyt c + 8 H+ +(M) + O(M) + O2 2 44氧化態(tài)氧化態(tài)cyt c + 4Hcyt c + 4H+ +(C)+ 2H(C)+ 2H2 2O O4、兩條主要的呼吸鏈 n 呼吸鏈傳遞的主要是呼吸鏈傳遞的主要是NADHNADH，而，而FADHFADH2 2較少，可將呼吸鏈分為主、次較少，可將呼吸鏈分為主、次兩條：兩條：n 主鏈由復(fù)合物主鏈由復(fù)合物、組成，催化組成，催化NADHNADH氧化氧化n 次鏈由復(fù)合物次鏈由復(fù)合物、組成，催化琥珀酸氧化組成，催化琥珀酸氧化兩條主要的呼吸鏈Molecul

23、ar basis of oxidation: Electron-transport chain（三）ATP合酶(ATP synthetase)的結(jié)構(gòu)和作用機理 n 是生物能量轉(zhuǎn)化的核心酶。參與氧化磷酸化和光合磷酸化，催化合成是生物能量轉(zhuǎn)化的核心酶。參與氧化磷酸化和光合磷酸化，催化合成ATPATP。n 存在于線粒體內(nèi)膜、葉綠體類囊體膜、異氧菌和光合菌質(zhì)膜上。存在于線粒體內(nèi)膜、葉綠體類囊體膜、異氧菌和光合菌質(zhì)膜上。n 膜結(jié)合狀態(tài)下具有膜結(jié)合狀態(tài)下具有ATPATP合成活性，分離狀態(tài)下具水解合成活性，分離狀態(tài)下具水解ATPATP的活性。的活性。The ATP synthase is a reversi

24、ble coupling device 1. ATP合酶(F0F1-ATP酶)的結(jié)構(gòu)n 1)F1)F1 1: 5: 5種多肽組成的九聚體種多肽組成的九聚體(33)(33)，和和交替排列，如桔瓣。交替排列，如桔瓣。貫穿貫穿復(fù)合體，并與復(fù)合體，并與F F0 0接觸，接觸，幫助幫助與與F F0 0結(jié)合。結(jié)合。與與F F0 0的兩個的兩個b b亞基形亞基形成固定成固定復(fù)合體的結(jié)構(gòu)。具復(fù)合體的結(jié)構(gòu)。具3 3個個ATPATP合成催化位點合成催化位點, ,每個每個亞基亞基1 1個。個。n 2)F2)F0 0: : 由由3 3個亞基組成的個亞基組成的1515聚體聚體(1a:2b:12c)(1a:2b:12c)

25、。c c亞基在膜中形成物質(zhì)運動的亞基在膜中形成物質(zhì)運動的環(huán)，環(huán)，b b亞基與亞基與固定固定F1F1；a a亞基是質(zhì)子通道。亞基是質(zhì)子通道。ATP 合酶的結(jié)構(gòu)合酶的結(jié)構(gòu)F1: 5 subunits in the ratio 3 :3 :1 :1 :1 F0: 1a：2b：12c n 在合成在合成ATPATP時，在流過時，在流過F F0 0的的a a亞基的亞基的H H+ +推動下推動下, ,由由1212個個c c亞基組亞基組成的轉(zhuǎn)子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，帶動成的轉(zhuǎn)子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，帶動 轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動， 依次與依次與3 3個個亞基作用，亞基作用，使使亞基催化位點構(gòu)象發(fā)生變化，催化亞基催化位點構(gòu)象發(fā)生變化，催化ATPAT

26、P合成合成氧化磷酸化與電子傳遞的偶聯(lián)n 呼吸鏈中有呼吸鏈中有3 3個部位自由能變化較大，是呼吸鏈氧化還原放能與個部位自由能變化較大，是呼吸鏈氧化還原放能與ATPATP合成合成偶聯(lián)部位，可被特異性抑制劑阻斷。偶聯(lián)部位，可被特異性抑制劑阻斷。n 這這3 3個部位分別是復(fù)合物個部位分別是復(fù)合物、，它們每傳遞，它們每傳遞1 1對電子，釋放的自由對電子，釋放的自由能足夠合成能足夠合成1 1分子分子ATPATP。而而復(fù)合物復(fù)合物釋放的自由能不足以合成釋放的自由能不足以合成1 1個分子個分子ATP,ATP,不是不是ATPATP合成的偶聯(lián)位點。合成的偶聯(lián)位點。Summary of the major acti

27、vities during aerobic respiration in a mitochondrionNADHO2: 3ATP/2e;FADH2 O2 : 2ATP/2e（四）氧化磷酸化的偶聯(lián)機理 n 氧化與磷酸化的偶聯(lián)機制一直是研究氧化磷酸化作用的關(guān)鍵氧化與磷酸化的偶聯(lián)機制一直是研究氧化磷酸化作用的關(guān)鍵n 主要的假說有：主要的假說有：n 1 1、化學(xué)滲透學(xué)說、化學(xué)滲透學(xué)說(chemiosmotic coupling hypothesis)(chemiosmotic coupling hypothesis)n 2 2、構(gòu)象偶聯(lián)假說、構(gòu)象偶聯(lián)假說(conformational coupling

28、 hypothesis)(conformational coupling hypothesis)1、化學(xué)滲透假說：質(zhì)子動力勢 n Mitchell P.1961Mitchell P.1961提出提出“化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說(Chemiosmotic (Chemiosmotic Hypothesis)”Hypothesis)”，7070年代化學(xué)滲透假說得到大量實驗的支持，成為一年代化學(xué)滲透假說得到大量實驗的支持，成為一種較為流行的假說，種較為流行的假說，MitchellMitchell也因此獲得也因此獲得19781978年諾貝爾化學(xué)獎。年諾貝爾化學(xué)獎。 化學(xué)滲透學(xué)說n 電子沿呼吸鏈傳遞時，釋放

29、的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵至膜間隙，線粒體電子沿呼吸鏈傳遞時，釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵至膜間隙，線粒體內(nèi)膜對離子高度不通透，使膜間隙的內(nèi)膜對離子高度不通透，使膜間隙的H+H+濃度高于基質(zhì)，在內(nèi)膜兩側(cè)形成濃度高于基質(zhì)，在內(nèi)膜兩側(cè)形成pHpH梯梯度度( (pH)pH)及電位梯度及電位梯度()()，共同構(gòu)成電化學(xué)梯度，即質(zhì)子動力勢，共同構(gòu)成電化學(xué)梯度，即質(zhì)子動力勢( (P)P)。n 質(zhì)子沿電化學(xué)梯度穿過內(nèi)膜上的質(zhì)子沿電化學(xué)梯度穿過內(nèi)膜上的ATPATP合酶流回基質(zhì)，使合酶流回基質(zhì)，使ATPATP合酶構(gòu)象改變，將合酶構(gòu)象改變，將ADPADP和和PiPi合成合成ATPATP 化學(xué)滲透學(xué)說 Mithc

30、hells Chemiosmotic theory (1961)More than 21026 molecules (160kg) of ATP per day in our bodies.Other roles for the proton-motive force in addition to ATP synthase2、構(gòu)象耦聯(lián)假說n 19791979年年BoyerBoyer提出構(gòu)象耦聯(lián)假說，主要觀點是：提出構(gòu)象耦聯(lián)假說，主要觀點是：n H+H+通過通過F0F0時，引起時，引起c c亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，帶動亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動，端部不對端部不對稱，引起稱，引起F1F1上上3 3

31、個個亞基的催化位點的構(gòu)象周期性變化亞基的催化位點的構(gòu)象周期性變化(L(L、T T、O)O)。在。在L L構(gòu)象，構(gòu)象，ADPADP、 PiPi與酶疏松結(jié)合；在與酶疏松結(jié)合；在T T構(gòu)象與酶緊密結(jié)合，合成構(gòu)象與酶緊密結(jié)合，合成ATPATP；在；在O O構(gòu)象構(gòu)象ATPATP與酶的親和力低，被釋放。每個亞基要經(jīng)過與酶的親和力低，被釋放。每個亞基要經(jīng)過3 3次構(gòu)象改變才能催次構(gòu)象改變才能催化合成化合成1 1個個ATPATP。支持構(gòu)象耦聯(lián)假說的實驗有：n 1 1日本的吉田（日本的吉田（Massasuke YoshidaMassasuke Yoshida）等人將）等人將3333固定在玻片上，在固定在玻片上，

32、在亞基的頂端連接熒光標(biāo)記的肌動蛋白纖維，在含有亞基的頂端連接熒光標(biāo)記的肌動蛋白纖維，在含有ATPATP的溶液中溫育時，在的溶液中溫育時，在顯微鏡下可觀察到顯微鏡下可觀察到亞基帶動肌動蛋白纖維旋轉(zhuǎn)。亞基帶動肌動蛋白纖維旋轉(zhuǎn)。n 2 2在另外一個實驗中，將熒光標(biāo)記的肌動蛋白連接到在另外一個實驗中，將熒光標(biāo)記的肌動蛋白連接到ATPATP合酶的合酶的F F0 0亞基上，亞基上，在在ATPATP存在時同樣可以觀察到肌動蛋白的旋轉(zhuǎn)。存在時同樣可以觀察到肌動蛋白的旋轉(zhuǎn)。（四）氧化磷酸化抑制劑 n 1. 1. 電子傳遞抑制劑電子傳遞抑制劑: :n 抑制抑制NADHCoQNADHCoQ電子傳遞電子傳遞: :阿米

33、妥、魚藤酮、殺粉蝶素阿米妥、魚藤酮、殺粉蝶素A A。n 抑制抑制Cyt bCyt c1Cyt bCyt c1電子傳遞電子傳遞: :抗霉素抗霉素A A n 抑制細(xì)胞色素氧化酶抑制細(xì)胞色素氧化酶OO2 2: CO: CO，CNCN，NaNNaN3 3，H H2 2S Sn 2 2磷酸化抑制劑磷酸化抑制劑: : 與與F F0 0結(jié)合，阻斷結(jié)合，阻斷H H+ +通道，從而抑制通道，從而抑制ATPATP合成：寡霉素、二環(huán)己基碳化二亞胺合成：寡霉素、二環(huán)己基碳化二亞胺(DCC)(DCC)n 3 3解偶聯(lián)劑解偶聯(lián)劑(uncoupler): (uncoupler): 使氧化和磷酸化脫偶聯(lián)，使氧化和磷酸化脫偶聯(lián)

34、，氧化仍可進(jìn)行，而磷酸化不能進(jìn)行。解偶聯(lián)劑為離子氧化仍可進(jìn)行，而磷酸化不能進(jìn)行。解偶聯(lián)劑為離子載體或通道，能增大內(nèi)膜對載體或通道，能增大內(nèi)膜對H H+ +通透性，消除通透性，消除H H+ +梯度，梯度，無無ATPATP生成，使氧化釋放出的能量全部以熱的形式散發(fā)生成，使氧化釋放出的能量全部以熱的形式散發(fā)n 動物棕色脂肪組織和肌肉線粒體中有獨特的解偶聯(lián)蛋動物棕色脂肪組織和肌肉線粒體中有獨特的解偶聯(lián)蛋白，與維持體溫有關(guān)。白，與維持體溫有關(guān)。n 常用解偶聯(lián)劑主要有：常用解偶聯(lián)劑主要有：n 質(zhì)子載體：質(zhì)子載體：2 2，4-4-二硝基酚二硝基酚(DNP)(DNP)，羰基，羰基- -氰氰- -對對- -三氟

35、甲氧基苯肼三氟甲氧基苯肼(FCCP)(FCCP)。n 質(zhì)子通道質(zhì)子通道: : 增溫素。增溫素。n 其它離子載體：纈氨霉素。其它離子載體：纈氨霉素。n 某些藥物：如過量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶聯(lián)，從而使體溫升某些藥物：如過量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶聯(lián)，從而使體溫升高。高。三、線粒體的半自主性 n 19631963年發(fā)現(xiàn)線粒體年發(fā)現(xiàn)線粒體DNA(mtDNA)DNA(mtDNA)后，又在線粒體發(fā)現(xiàn)后，又在線粒體發(fā)現(xiàn)RNARNA、DNADNA聚合酶聚合酶、RNARNA聚合酶、聚合酶、tRNAtRNA、核糖體等進(jìn)行、核糖體等進(jìn)行DNADNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯的

36、全套裝備，說明全套裝備，說明線粒體具獨立遺傳體系線粒體具獨立遺傳體系。n 線粒體能合成蛋白質(zhì)，但合成能力有限。線粒體線粒體能合成蛋白質(zhì)，但合成能力有限。線粒體10001000多種蛋白質(zhì)中，多種蛋白質(zhì)中，自身合成的僅十余種。自身合成的僅十余種。n 線粒體核糖體蛋白、氨酰線粒體核糖體蛋白、氨酰tRNA tRNA 合成酶、許多結(jié)構(gòu)蛋白，合成酶、許多結(jié)構(gòu)蛋白， 都是核基因都是核基因編碼，在胞質(zhì)中合成，定向轉(zhuǎn)運到線粒體編碼，在胞質(zhì)中合成，定向轉(zhuǎn)運到線粒體. .n 故稱故稱線粒體為半自主細(xì)胞器線粒體為半自主細(xì)胞器。n 利用標(biāo)記氨基酸培養(yǎng)細(xì)胞，用氯霉素和放線菌酮分別抑制線粒體和胞質(zhì)蛋利用標(biāo)記氨基酸培養(yǎng)細(xì)胞，

37、用氯霉素和放線菌酮分別抑制線粒體和胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成，發(fā)現(xiàn)人的白質(zhì)合成，發(fā)現(xiàn)人的mtDNAmtDNA編碼的多肽為細(xì)胞色素編碼的多肽為細(xì)胞色素c c氧化酶的氧化酶的3 3個亞基，個亞基，F(xiàn)0F0的的2 2個亞基，個亞基，NADHNADH脫氫酶的脫氫酶的7 7個亞基和細(xì)胞色素個亞基和細(xì)胞色素b b等等1313條多肽。條多肽。n mtDNAmtDNA還合成還合成12S12S和和16SrRNA16SrRNA及及2222種種tRNAtRNA。vGenes in mtDNA encode rRNAs, tRNAs, and some mitochondrial proteinsHuman mt DNA: 16

38、,569bp 2 rRNAs, 22 tRNAs, 13 polypeptides: NADH reductase. 7 sub. Cty b-c1 complex. 1 cytb Cyt oxidase. 3 subunits ATP synthase: 2 F0 sub n mtDNAmtDNA分子為環(huán)狀雙鏈分子為環(huán)狀雙鏈DNADNA，外環(huán)為重鏈，外環(huán)為重鏈(H)(H)，內(nèi)環(huán)為輕鏈（，內(nèi)環(huán)為輕鏈（L L）。）。n 基因排列非常緊湊，大多數(shù)基因基因排列非常緊湊，大多數(shù)基因無無內(nèi)含子序列。內(nèi)含子序列。n 基因組變化較大，動物細(xì)胞基因組變化較大，動物細(xì)胞mtDNAmtDNA較小，約較小，約16.5kb