课件：线粒体作用机理.ppt

第九章 线粒体（mitochondrial）,生物的各种活动都需要能量。,线粒体是 细胞内的 “动力工 厂”,2019,-,1,2019,-,2,为 何 线 粒 体 能 提 供 能 量 ？,线 粒 体 如 何 提 供 能 量 ？,How can it be?,2019,-,3,内容简介,线粒体的生物学特征 线粒体与能量转换 线粒体与疾病 小结,2019,-,4,线粒体概述： 1、有机物分解代谢能量; 2、存在于除红细胞以外的一切真核 细胞中; 3、能量的80%由线粒体提供。,2019,-,5,第一节 线粒体的生物学特征,一线粒体的结构： 光镜下呈线状、粒状或杆状，不同 生理条件下形状、大小、数目及分 布不一。,2019,-,6,An TEM image of mitochondrion,2019,-,7,2019,-,8,（二）分布,多分布在细胞功能旺盛的区域，可向这些区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。,Mitochondria distributed in skeletal muscle,2019,-,9,（三）功能区隔,分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。,Schematic view of mitochondrion,2019,-,10,2019,-,11,2019,-,12,(一)大小:为较大的细胞器,直径约0.5-1.0um (二)数目:数百至数千不等,一般为1000-2000 个,不同细胞差异很大: 哺乳动物成熟红细胞: 无 精子细胞: 25个 肝细胞: 1300个 卵母细胞: 30万个 (三)电镜下结构:双层膜套叠而成的封闭性 膜囊结构,内外膜不相连,与细胞质隔离,2019,-,13,1.外膜（outer membrane):最外面,一层单位膜7nm， 脂类 和蛋白各1/2, 含直径1-3nm通道 的孔 蛋白, 可通过5000以下分子量的物质。 标志酶单胺氧化酶,2019,-,14,2.内膜和内部空间 内膜(inner membrane)： 一层单位膜 5nm， 蛋白占76%, 高度的选择通透性,分子量大于150的物质不能自由通过。 内膜具有嵴cristae，内膜上向内腔突起的折叠，能扩大表面积（510倍），分两种：板层状、管状；嵴上有基粒。,标志酶细胞色素C氧化酶,2019,-,15,Lamellar cristae,2019,-,16,Tubular cristae,2019,-,17,2019,-,18,基粒 (elemetary particle) （ATP合酶/ F0F1ATP酶） 头部 (偶联因子F1)：圆球形，突入内腔， 具有酶活性，催化ADPATP 柄 部： 连接头部和基部，调控质子通道 基部 (F0偶联因子) ：嵌于内膜中，有物种差异，连接 F1和内膜，质子流向F1的穿膜通 道,2019,-,19,嵴膜上垂直分布着的许多基本颗粒（基粒，F1颗粒）,基粒,2019,-,20,外膜,内膜,基质,基粒,嵴,线粒体的模式图,酶,形态结构,2019,-,21,膜间腔（外室） (intermembrane space / out chamber)： 内外膜之间 包括嵴内腔 含多种可溶性酶 含底物和 辅助因子。 标志酶腺苷酸激酶,2019,-,22,基质腔（内室 / 嵴间腔） (matrix space / inner chamber) ： 三羧酸循环的重要场所。 标志酶苹果酸脱氢酶 基质(matrix)： 含多种酶 ，双链环状DNA、RNA、核糖体,2019,-,23,二线粒体的化学组成 1. 水：是线粒体中含量最多的成分 2. 蛋白质：占65%-70%，分布在内膜和基质中 分为： 可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白 不溶性蛋白：膜结构蛋白 3. 脂类 ： 占25%-30%，主要是磷脂 4. 另外还含有：DNA、辅酶、维生素、无机离子 5. 含有120多种酶，是细胞中含酶最多的细胞器,2019,-,24,酶蛋白的分布,外膜,内膜,基质,膜间隙,单胺氧化酶,腺苷酸激酶,细胞色素c氧化酶,苹果酸脱氢酶,提取,2019,-,25,2、内膜,位于外膜的内侧包裹线粒体基质的一层单位膜， 厚56nm。 内膜的通透性较低，一般不允许离子和大多数带电的小分子通过。 线粒体内膜通常要向基质折褶形成嵴，从而增加了内膜的表面积。嵴上有ATP合酶，又叫基粒。 内膜的酶类可以粗略地分为三类运输酶类、合成酶类、电子传递和ATP合成酶类。 内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的主要部位。 标志酶为细胞色素C氧化酶,2019,-,26,几种不同部位的标志酶： 内 膜 细胞色素C氧化酶 外 膜 单胺氧化酶 基 质 苹果酸脱氢酶 膜间腔 腺苷酸激酶,2019,-,27,线粒体内膜的主动运输系统,内膜含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。 糖酵解产生的NADH必须进入电子传递链参与有氧氧化； 线粒体产生的代谢物质如草酰辅酶A和乙酰辅酶A必须运输到细胞质中，它们分别是细胞质中葡萄糖和脂肪酸的前体物质; 线粒体产生的ATP必须进入到胞质溶胶，以便供给细胞反应所需的能量，同时，ATP水解形成的ADP和Pi又要被运入线粒体作为氧化磷酸化的底物。 利用膜间隙形成的H+梯度协同运输。,2019,-,28,三线粒体基因组 1. 线粒体DNA: 1) 有自己的遗传系统 2) 是除核以外唯一含有DNA的细胞器 3) 只有一条DNA线粒体DNA(mtDNA)，编码线粒体 的tRNA 、rRNA和蛋白质 4) 人全序列基因测序已经完成剑桥序列，含有 37个基因、定位于22种tRNA，2种rRNA，编码13种 蛋白质,2019,-,29,5) 双链环状DNA分子: 重链/轻链 6) 只有很少有非编码的序列, mRNA不含内含子 7) DNA为母系遗传,2019,-,30,2. 线粒体蛋白质合成: 1）有自己的蛋白质翻译系统 2）所编码的蛋白质是在线粒体内的核糖体上进行的 3）所编码的RNA和蛋白质并不运出线粒体外 4）用于蛋白质合成的所有tRNA都是由mtDNA编码的 5）mtDNA为裸露的，不与组蛋白结合 6）mtDNA 位于基质内或依附于内膜 7）mtDNA具有自我复制的能力,以自身为模板半保留复 制，可分布整个细胞周期,2019,-,31,3.线粒体是半自主性的细胞器: 线粒体中由自身合成的蛋白质仅占10%,其余均为细胞核基因组编码。因此，线粒体有自己的DNA和蛋白质合成体系，即独立的遗传系统，但又受核基因组遗传系统的控制，其生长和增殖受核基因组和自身基因组两套遗传系统的控制，故为半自主性细胞器。,2019,-,32,2019,-,33,四 . 线粒体的生物发生 目前普遍接受的观点：线粒体以分裂的方式增殖，线粒体的生物发生分为两个阶段： 线粒体膜生长、复制：分离增殖 线粒体本身分化：建立氧化磷酸化的机构 线粒体的分化和生长分别接受细胞核与线粒体两个独立的遗传系统控制。,2019,-,34,线粒体的间壁分裂,2019,-,35,线粒体的收缩分裂,2019,-,36,2019,-,37,无氧呼吸,概念：,活细胞在无氧或缺氧条件下，通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物不彻底地氧化分解成为乙醇或乳酸等，同时释放较少能量的过程。,酒精发酵：酵母菌,乳酸发酵：乳酸菌,2019,-,38,细胞质基质、线粒体（主要）,细胞质基质,需氧、酶等,不需氧、需酶,较 多,较 少,两者第一阶段相同即都将葡萄糖分解成丙酮酸（糖酵解）,都分解有机物、释放能量,有氧呼吸与无氧呼吸的比较,2019,-,39,第二节 细胞的能量转换 一细胞呼吸（cellular respiration） 概念：线粒体内，在氧的参与下分解大分子物 质，产生CO2、释放能量并储存于ATP中的 过程，又称生物氧化（biological oxidation）,2019,-,40,2019,-,41,特点：1. 线粒体中一系列由酶催化的氧化还原反应 2. 产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中 3. 反应过程分步进行、能量逐级释放 4. 反应恒温、恒压条件下进行 5. 反应过程需要水的参与 二细胞能量转换分子 释放能量：ADP+PiATP（储存） 需要能量：ATP-PiADP（释放）,2019,-,42,主要能源物质,生物体内的能量代谢,2019,-,43,氧化磷酸化的分子基础,动物细胞80%的ATP来源于线粒体。,2019,-,44,2019,-,45,有氧呼吸全过程,细胞质基质,丙酮酸、H、释放少量能量，形成少量ATP,线粒体,CO2、H、释放少量能量，形成少量ATP,线粒体,H2O、释放大量能量，形成大量ATP,2019,-,46,H,2分子丙酮酸,CO2,释放少量能量，形成少量ATP,H2O,2019,-,47,细胞的氧化过程分三个阶段:,2019,-,48,糖 蛋白质 脂肪,酵解,乙酰辅酶A生成,三羧酸循环,电子传递和氧化磷酸化,2019,-,49,一. 糖酵解:C6H12O62CH3COCOOH+2(2H)+2ATP,2019,-,50,二. 三羧酸循环,2019,-,51,物质氧化所释放的可利用能量都以高能电子的形式由电子载体NAD+和FAD+从底物中移出，并经线粒体内膜上的电子传递链进一步氧化。,2019,-,52,呼吸链又称电子传递链（electron transfer chain），指排列在线粒体内膜上，由一系列递氢体和电子传递体按一定顺序排列组成的连续酶促反应体系。,代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。,2019,-,53,三. 电子传递偶联氧化磷酸化: 将三个阶段所脱下的氢原子通过线粒体内膜 上的一系列酶进行逐级传递,生成水,传递过程中所释放的能量使ADP磷酸化形成ATP。,2019,-,54,1、电子传递链（呼吸链）（在内膜有序排列的酶系） 呼吸链上进行电子传递的载体主要有：NAD、黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶Q等。 （1） NAD： 即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide），是体内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链，其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。 （2）黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子，2个质子。呼吸链上具有以FMN为辅基的NADH脱氢酶和以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。,2019,-,55,（3） 细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。 （4）三个铜原子：位于线粒体内膜的一个蛋白质上，形成类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu1+的变化传递电子。 （5）铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递。 （6）泛醌Q或辅酶Q(CoQ)：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。也是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。,2019,-,56,能量产生过程,2019,-,57,2、呼吸链的复合物 利用脱氧胆酸（deoxycholate）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物、和，辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜、细胞色素C位于线粒体内膜的C侧，属于膜的外周蛋白。 （1）复合物 即NADH脱氢酶，哺乳动物的复合物由42条肽链组成，含有一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。作用是催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。电子传递的方向为：NADHFMNFe-SQ。,2019,-,58,（2）复合物 即琥珀酸脱氢酶，至少由4条肽链组成，含有一个FAD，2个铁硫蛋白。作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ。 （3）复合物 即细胞色素c还原酶，由至少11条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。 （4）复合物 即细胞色素c氧化酶，以二聚体形式存在。作用是将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。,2019,-,59,NADH呼吸链，每传递一对电子释放的自由能 可形成2.5分子ATP。,FADH2呼吸链，每传递一对电子释放的自由能 可形成1.5分子ATP。,2019,-,60,NADH的产能过程,2019,-,61,FADH2生能过程,2019,-,62,电子传递链,2019,-,63,呼吸链的复合物,H+ ，e,Q循环,2019,-,64,2019,-,65,分子葡萄糖完全氧化生成：,糖酵解： 底物水平的磷酸化产生4个ATP，己 糖活化消耗2个ATP，脱氢反应产生2个 NADH，经电子传递链生成4或6个ATP Krebs循环：底物水平的磷酸化产生2个ATP，脱 氢反应产生8个NADH和2个FADH2，8 个NADH经电子传递链生成24个ATP， 2个FADH2经电子传递链生成4个ATP。,2019,-,66,2019,-,67,生物氧化产生ATP的统计 一个葡萄糖分子经过细胞呼吸全过程产生多少ATP？ 糖酵解：底物水平磷酸化产生 4 ATP（细胞质） 己糖分子活化消耗 2 ATP（细胞质） 产生 2NADH，经电子传递产生 4或 6 ATP （线粒体）净积累 6或8 ATP 丙酮酸氧化脱羧：产生 2NADH（线粒体），生成 6ATP 三羧酸循环：底物水平的磷酸化产生（线粒体）2ATP； 产生 6NADH（线粒体），生成 18ATP； 产生 2FADH2（线粒体），生成 4 ATP 总计生成 36或38 ATP,2019,-,68,氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）,2019,-,69,将生物氧化所释放能量的转移过程与ADP的磷酸化过程结合起来，而将生物氧化释放的能量转移到ATP的高能磷酸键中，又称氧化磷酸化偶联。,2019,-,70,ATP的合成：ADP+Pi（由细胞质输入到线粒体的基质中） 在 ATP合酶的催化下合成ATP。 合成的ATP由线粒体内膜上的腺苷酸转移酶输出线粒体。,ATP和ADP分子的相互转换,2019,-,71,基粒的发现及功能预测,在二十世纪七十年代初，Humberto-Fernandez Moran 用负染技术检查分离的线粒体时发现:线粒体内膜的基质一侧的表面附着一层球形颗粒，球形颗粒通过柄与内膜相连。几年后，Efraim Racker分离到内膜上的颗粒，称为偶联因子1，简称F1。,牛心脏线粒体（负染电镜） 可见球形颗粒通过小柄附着在线粒体内膜嵴上,2019,-,72,Racker发现这种颗粒很像水解ATP的酶，即ATPase，这似乎是一个特别的发现，为什么线粒体内膜需要如此多的水解ATP的酶? 如果按照常规的方式思考所发现颗粒的问题,似难理解线粒体内膜上需要ATP水解酶,如果将ATP的水解看成是ATP合成的相反过程,F1球形颗粒的功能就显而易见了:它含有ATP合成的功能位点,即ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成,到底行使何种功能,视反应条件而定。 在分离状态下具有ATP水解酶的活性，在结合状态下具有ATP合成酶的活性。,2019,-,73,ATP合酶合成ATP的机理？ 结合变构模型,2019,-,74,ATP合成,2019,-,75,氧化磷酸化的抑制剂,呼吸链抑制剂 能与呼吸链中某些部位的电子传递体结合，从而阻断电子传递，如鱼藤酮、粉蝶霉素A、巴比妥；抗霉素A、二巯基丙醇；CO、CN、N3、H2S 氧化磷酸化抑制剂 对电子传递和ADP磷酸化均有抑制作用，如寡霉素 解偶联剂 使氧化与磷酸化（ATP合成）解耦联，不影响电子传递，但ATP不能合成，