线粒体与细胞的能量转换

1、 ATP ATP是生命活动的直是生命活动的直 接供能者。接供能者。 线粒体通过氧化磷酸线粒体通过氧化磷酸 化合成生物体所需能化合成生物体所需能 量量 (ATP) (ATP)的的90%90%以上。以上。 线粒体的形态结构与酶的定位线粒体的形态结构与酶的定位线粒体蛋白质穿膜进入线粒体线粒体蛋白质穿膜进入线粒体线粒体的功能线粒体的功能 线粒体的半自主性线粒体的半自主性 线粒体的增殖线粒体的增殖线粒体与医学线粒体与医学电镜下观察：线粒体是由两层单位膜电镜下观察：线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构。围成的封闭的囊状结构。外外 膜膜内内 膜膜膜间腔膜间腔 （外室）（外室）嵴嵴嵴间腔嵴间腔 （内室（内

2、室 ）内含基质内含基质 第一节第一节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征目前已确认有目前已确认有120120余种，是细胞中含酶最多的细余种，是细胞中含酶最多的细胞器。这些酶分别位于线粒体的不同部位，在线胞器。这些酶分别位于线粒体的不同部位，在线粒体行使细胞氧化功能时起重要的作用。粒体行使细胞氧化功能时起重要的作用。内膜标志酶内膜标志酶细胞色素氧化酶；细胞色素氧化酶； 外膜标志酶外膜标志酶单胺氧化酶；单胺氧化酶；基质标志酶基质标志酶苹果酸脱氢酶；苹果酸脱氢酶；膜间腔的标志酶膜间腔的标志酶腺苷酸激酶。腺苷酸激酶。 一、线粒体含有众多参与能量代谢的酶系一、线粒体含有众多参与能量代谢的酶系蛋白质：蛋白质

3、：是线粒体的主要成分，约占是线粒体的主要成分，约占65%-70%65%-70%，多多分布于内膜和基质分布于内膜和基质。脂类：脂类：占线粒体干重的占线粒体干重的25%-30%25%-30%，大部分是磷脂。，大部分是磷脂。 此外，还含有此外，还含有DNADNA和完整的遗传系统，多种和完整的遗传系统，多种辅酶（如辅酶（如CoQCoQ、FMNFMN、FADFAD和和NADNAD等）、维生素和等）、维生素和各类无机离子。各类无机离子。可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白不溶性蛋白：构成膜的镶嵌蛋白、结构蛋白不溶性蛋白：构成膜的镶嵌蛋白、结构蛋白 和部分酶蛋白。和部分酶

4、蛋白。 二、线粒体的形态、数量和分布二、线粒体的形态、数量和分布1.1.形态形态 光镜下光镜下: : 线状、粒状、短杆状等线状、粒状、短杆状等形态可逆性形态可逆性在一定条件下可改变，在一定条件下可改变，低渗时低渗时，膨胀呈泡状；，膨胀呈泡状；高渗时高渗时，伸长呈线状。，伸长呈线状。 2.2.大小大小 细胞中较大的细胞器，与细胞种细胞中较大的细胞器，与细胞种类 、 生 理 状 况 有 关 ， 一 般 直 径 ：类 、 生 理 状 况 有 关 ， 一 般 直 径 ： 0.5-1.0 0.5-1.0 m m；长度：；长度： 1.5-3.0 1.5-3.0 m m。 3.3.数数 目目 不同类型细胞中

5、差异较大。不同类型细胞中差异较大。 哺乳动物哺乳动物: : 肝细胞中肝细胞中20002000个左右个左右 肾细胞中肾细胞中300300个左右个左右 精子中精子中2525个左右个左右代谢旺盛时，线粒体数量较多，反之线粒体代谢旺盛时，线粒体数量较多，反之线粒体的数量则较少。的数量则较少。心肌细胞心肌细胞精子尾部精子尾部 4.4.分布：分布： 通常分布于细胞生理功能旺盛通常分布于细胞生理功能旺盛区域和需要能量多的部位。区域和需要能量多的部位。 三、线粒体的结构三、线粒体的结构 包围在线粒体外包围在线粒体外表面的一层单位膜。表面的一层单位膜。厚厚67nm67nm，平整、光，平整、光滑。滑。外外 膜膜

6、封闭结构使之封闭结构使之在细胞质中相对隔在细胞质中相对隔绝，保证了线粒体绝，保证了线粒体能够不受干扰地进能够不受干扰地进行物质氧化分解。行物质氧化分解。 ( (一一) ) 线粒体外膜线粒体外膜 厚约厚约6nm6nm，通透性很，通透性很低，但有高度的选择通透低，但有高度的选择通透性，借助载体蛋白控制内性，借助载体蛋白控制内外物质的交换。外物质的交换。内内 膜膜 集中了电子传递体集中了电子传递体和氧化磷酸化酶系和氧化磷酸化酶系,ATP,ATP 合成酶系，是物质氧化合成酶系，是物质氧化 分解和分解和ATPATP合成的场所。合成的场所。 ( (二二) ) 线粒体内膜线粒体内膜 嵴嵴 嵴的形态和排列方式

7、主要有两种类型：嵴的形态和排列方式主要有两种类型： 板层状板层状（大多数高等动物细胞中）（大多数高等动物细胞中） 小管状小管状（原生动物和一些较低等（原生动物和一些较低等 动物细胞中）动物细胞中） 嵴：内膜向内室折叠形成，增加嵴：内膜向内室折叠形成，增加了内膜的表面积。了内膜的表面积。板层状嵴板层状嵴小管状嵴小管状嵴外膜外膜内膜内膜膜间隙膜间隙嵴间腔嵴间腔嵴内腔嵴内腔嵴嵴 基基 粒粒基粒（基粒（ATPATP合酶）：合酶）： 内膜和嵴膜基质面上内膜和嵴膜基质面上带柄的小颗粒。与膜面带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。垂直而规律排列。 基粒基粒（内室）（内室）（外室）（外室）线粒体主要酶的分布线粒

8、体主要酶的分布部部 位位外外 膜膜脂类代谢有关的酶脂类代谢有关的酶特征酶：单胺氧化酶特征酶：单胺氧化酶膜膜 间间 腔腔腺苷酸激酶、核苷酸激酶腺苷酸激酶、核苷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶内内 膜膜 呼吸链氧化反应的酶系、呼吸链氧化反应的酶系、 ATPATP合成酶系合成酶系特征酶：细胞色素（特征酶：细胞色素（c c）氧化酶）氧化酶嵴嵴 间间 腔腔 三羧酸循环反应、丙酮酸与脂肪酸氧化三羧酸循环反应、丙酮酸与脂肪酸氧化 的酶系的酶系 、蛋白质和核酸合成酶系、蛋白质和核酸合成酶系特征酶：苹果酸脱氢酶特征酶：苹果酸脱氢酶 ( (三三) )蛋白质穿膜进入线粒体的通道蛋白质穿膜进入线粒体的通道

9、线粒体膜上的转位接触点线粒体膜上的转位接触点膜间隙变窄膜间隙变窄嵴内腔嵴内腔 基粒基粒（ATP酶）酶）（四）基质（四）基质( (内室内室) )内膜和嵴围成的腔。内膜和嵴围成的腔。线粒体线粒体 DNADNA线粒体线粒体DNA线粒体线粒体 mRNAmRNA 线粒体线粒体tRNAtRNA线粒体核糖体线粒体核糖体线粒体核糖体线粒体核糖体基质颗粒基质颗粒基质颗粒基质颗粒三羧酸循环的场所；线粒体内三羧酸循环的场所；线粒体内DNADNA、蛋白质合成的场所。、蛋白质合成的场所。四、线粒体的遗传体系四、线粒体的遗传体系 ( (一一) )线粒体线粒体DNADNA 特点：特点：通常是通常是裸露裸露的，不与组蛋白结合

10、。的，不与组蛋白结合。存在部位：存在部位：线粒体的线粒体的基质基质内或依附于线粒体内或依附于线粒体内膜内膜。数量：数量：一个线粒体内往往有一个线粒体内往往有1 1至数个至数个mtDNAmtDNA分子，分子， 平均为平均为5-105-10个。个。编码产物：编码产物：线粒体的线粒体的tRNAtRNA、rRNArRNA及一些线粒体及一些线粒体 蛋白质。蛋白质。 为一条双链环状的为一条双链环状的DNADNA分子，双链中一为分子，双链中一为重重链（链（H H），），一为一为轻链（轻链（L L），），重链和轻链上的编码产物重链和轻链上的编码产物各不相同。与核基因组相各不相同。与核基因组相比，线粒体基因组有

11、很少比，线粒体基因组有很少非编码的序列。非编码的序列。 人类线粒体基因组共编码人类线粒体基因组共编码3737个基因。个基因。 ( (二二) )线粒体基因组结构线粒体基因组结构( (三三) )线粒体基因的转录线粒体基因的转录1.1.转录转录 启动子：启动子：线粒体基因组的转录是从两个主要的启动线粒体基因组的转录是从两个主要的启动子处开始的，分别为子处开始的，分别为重链启动子（重链启动子（HSPHSP）和和轻链启轻链启动子（动子（LSP)LSP)。转录因子与其结合，在。转录因子与其结合，在mtRNAmtRNA聚合酶聚合酶的作用下启动转录。的作用下启动转录。 转录过程：转录过程：线粒体基因的转录类似

12、原核生物的转录，线粒体基因的转录类似原核生物的转录，即即产生一个多顺反子产生一个多顺反子，包括，包括mRNAmRNA和和tRNAtRNA。重链形成两个初级转录物：重链形成两个初级转录物： 初级转录物初级转录物tRNAtRNAphephe、tRNAtRNAvalval、12SrRNA12SrRNA和和16S rRNA 16S rRNA 初级转录物初级转录物mRNAmRNA和和tRNA tRNA 2.mRNA2.mRNA合成合成 不含内含子，也很少有非翻译区。不含内含子，也很少有非翻译区。 起始密码为起始密码为AUGAUG（或（或AUAAUA），终止密码为），终止密码为UAAUAA。 33端有多聚

13、端有多聚A A的尾部，的尾部，55端没有细胞核端没有细胞核mRNAmRNA加工加工时的帽结构时的帽结构 。3.3.蛋白质翻译蛋白质翻译 在线粒体内并在线粒体的核糖体上进行翻译。在线粒体内并在线粒体的核糖体上进行翻译。 构成线粒体核糖体的蛋白质由细胞质运入线粒体内。构成线粒体核糖体的蛋白质由细胞质运入线粒体内。 用于蛋白质合成的所有用于蛋白质合成的所有tRNAtRNA都是由都是由mtDNAmtDNA编码。编码。线粒体的遗传密码与核基因不完全相同线粒体的遗传密码与核基因不完全相同 线粒体蛋白质合成系统线粒体蛋白质合成系统 MtDNA MtDNA RNARNA前体前体切割加工切割加工1313种种mt

14、-mRNAmt-mRNA2222种种mt-tRNAmt-tRNA2 2种种mt-rRNA(12S,16S)mt-rRNA(12S,16S)转录转录 1. 1. 线粒体线粒体RNARNA 2. 2.特点：特点： （与胞质蛋白质合成相比）（与胞质蛋白质合成相比） 1) 1) 各种各种RNARNA是线粒体所独有的是线粒体所独有的 RNARNA聚合酶的抑制剂聚合酶的抑制剂 线粒体：菲啶溴红（线粒体：菲啶溴红（E.B.E.B.） 类似原类似原 核细胞核细胞 真核细胞：放线菌素真核细胞：放线菌素D D、aa鹅膏覃碱鹅膏覃碱 2 2 ）核糖体对药物的敏感性不一样）核糖体对药物的敏感性不一样 线粒体：线粒体：

15、 氯霉素、红霉素氯霉素、红霉素 真核细胞胞质：放线菌酮真核细胞胞质：放线菌酮(3) (3) 遗传密码与通用密码有差异遗传密码与通用密码有差异 （2 2） 起始起始tRNAtRNA不同不同 线粒体：线粒体：NN甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰tRNAtRNA 真核细胞胞质：真核细胞胞质：甲硫氨酰甲硫氨酰tRNAtRNA 3 ) 3 ) 蛋白质合成过程不同蛋白质合成过程不同 （1 1） 转录、翻译在同一时间和地转录、翻译在同一时间和地 点进行点进行密码子密码子线粒体密码线粒体密码通用遗传密码通用遗传密码UGAUGAAUAAUAAGGAGG色氨酸色氨酸蛋氨酸蛋氨酸终止子终止子终止子终止子异亮氨酸异亮氨酸精氨

16、酸精氨酸通用遗传密码与线粒体遗传密码的差别通用遗传密码与线粒体遗传密码的差别线线 粒粒 体体 遗遗 传传 系系 统统 与与 核核 遗遗 传传 系系 统统 的的 相相 互关系互关系( (三三) )线粒体线粒体DNADNA的复制的复制类似于原核细胞的类似于原核细胞的DNADNA复制。复制。 一个重链复制起始点：控制重链自我复制一个重链复制起始点：控制重链自我复制 一个轻链复制起始点：控制轻链自我复制一个轻链复制起始点：控制轻链自我复制复制特点复制特点： 轻链的轻链的复制要晚复制要晚于重链；于重链； 重链的合成方向是顺时针的；轻链的合成方向是逆时针的；重链的合成方向是顺时针的；轻链的合成方向是逆时针

17、的； 复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期的静止期或复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期的静止期或间期，甚至可分布在整个细胞周期。间期，甚至可分布在整个细胞周期。 复制时间复制时间：整个复制过程约持续：整个复制过程约持续2 2个小时。个小时。五、线粒体靶序列引导核编码五、线粒体靶序列引导核编码蛋白向线粒体运输蛋白向线粒体运输 （一）需要分子伴侣的协助（一）需要分子伴侣的协助运送之前，蛋白质大多以运送之前，蛋白质大多以前体前体形式存在。形式存在。 线粒体中的蛋白质绝大多数由核基因编码，在线粒体中的蛋白质绝大多数由核基因编码，在细胞质中的游离核糖体合成，称细胞质中的游离核糖体合成，称前体蛋

18、白前体蛋白，将定向，将定向转运至线粒体。转运至线粒体。基质导入序列（基质导入序列（matrix-targeting matrix-targeting sequencesequence，MTSMTS）基质导入序列（导肽）基质导入序列（导肽）NN末端引伸出末端引伸出的一段含线粒体靶序列的肽链。的一段含线粒体靶序列的肽链。 折叠折叠 解折叠解折叠 重新折叠重新折叠 分子伴侣分子伴侣 分子伴侣分子伴侣 前体蛋白与受体结合。前体蛋白与受体结合。 mthsp70mthsp70可与进入线粒体腔的前导肽链交联，防可与进入线粒体腔的前导肽链交联，防止了前导肽链退回细胞质。止了前导肽链退回细胞质。 分子伴侣：分子

19、伴侣：保持前体蛋白在线粒体外的非折叠状态保持前体蛋白在线粒体外的非折叠状态NACNAC：与少数前体蛋白相互作用，增加蛋白转运的准确性。与少数前体蛋白相互作用，增加蛋白转运的准确性。hsc70hsc70：和绝大多数的前体蛋白结合，使前体蛋白打开折叠，和绝大多数的前体蛋白结合，使前体蛋白打开折叠， 防止已松弛的前体蛋白聚集。防止已松弛的前体蛋白聚集。（二）前体蛋白在线粒体外保持非折叠（二）前体蛋白在线粒体外保持非折叠质质线粒体蛋白穿膜转运的布朗棘轮模型示意图线粒体蛋白穿膜转运的布朗棘轮模型示意图 （三）分子伴侣运动产生的动力协助多（三）分子伴侣运动产生的动力协助多肽穿越线粒体膜肽穿越线粒体膜（四）

20、多肽链需在线粒体基质内重新折（四）多肽链需在线粒体基质内重新折叠才能形成有活性的蛋白质叠才能形成有活性的蛋白质基质作用蛋白酶基质作用蛋白酶MPPMPP：定位于线粒体内膜：定位于线粒体内膜上，切除大多数蛋白的基质导入序列。上，切除大多数蛋白的基质导入序列。mtHsp70mtHsp70、Hsc60Hsc60、Hsp1Hsp1等协助折叠等协助折叠导肽与线粒体外膜上的受体结合导肽与线粒体外膜上的受体结合内、外膜之间的接触点内、外膜之间的接触点插入到内膜插入到内膜进入线粒体基质后，蛋白质重新折叠，进入线粒体基质后，蛋白质重新折叠，形成成熟的蛋白质；导肽被水解形成成熟的蛋白质；导肽被水解( (五五) )核

21、编码蛋白向线粒体其他部位的转运核编码蛋白向线粒体其他部位的转运 1.1.蛋白质向线粒体膜间腔的转运蛋白质向线粒体膜间腔的转运 信号序列信号序列基质导入序列基质导入序列MTSMTS：引导前体蛋白进入基质。引导前体蛋白进入基质。膜间腔导入序列膜间腔导入序列ISTSISTS：引导前体蛋白进入膜间腔。引导前体蛋白进入膜间腔。 转运方式转运方式整个蛋白进入基质，第整个蛋白进入基质，第2 2个信号序列个信号序列ISTSISTS引导多肽链引导多肽链通过通过内膜上的通道内膜上的通道进入膜间腔进入膜间腔。 第第2 2个信号序列个信号序列ISTSISTS起起转移终止转移终止序列的作用，阻止前体蛋序列的作用，阻止前

22、体蛋白向基质转运，并白向基质转运，并固定于内膜固定于内膜上，切去位于内膜上的上，切去位于内膜上的ISTSISTS部分后，进入膜间腔。部分后，进入膜间腔。通过通过直接扩散直接扩散从胞浆通过外膜而进入膜间腔。从胞浆通过外膜而进入膜间腔。2.2.蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运 在外膜蛋白的转运中，在外膜蛋白的转运中，类孔蛋白类孔蛋白P70P70的研究最的研究最多。多。 在在P70P70的的MTSMTS后有一段长的疏水序列，起着后有一段长的疏水序列，起着转移转移终止序列终止序列的作用，而使之固定于外膜上。的作用，而使之固定于外膜上。 内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚。

23、内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚。 六、线粒体介导的细胞死亡六、线粒体介导的细胞死亡 目前普遍接受的线粒体起源假说为目前普遍接受的线粒体起源假说为内共生学说内共生学说，该学说认，该学说认为线粒体可能起源于与古老厌氧真核细胞共生的早期细菌。为线粒体可能起源于与古老厌氧真核细胞共生的早期细菌。 七、线粒体的起源与发生七、线粒体的起源与发生 线粒体是通过分裂方式实现增殖的线粒体是通过分裂方式实现增殖的目前普遍接受的观点认为：线粒体的生物发生是通目前普遍接受的观点认为：线粒体的生物发生是通过原有线粒体分裂完成的。过原有线粒体分裂完成的。线粒体的生物发生过程：线粒体的生物发生过程： 第一阶段第一阶段

24、线粒体进行线粒体进行分裂增殖分裂增殖； 第二阶段第二阶段线粒体本身的分化过程，建成能够线粒体本身的分化过程，建成能够行使行使氧化磷酸化氧化磷酸化功能的机构。功能的机构。 线粒体分裂线粒体分裂 狗心肌细胞线粒体狗心肌细胞线粒体 新生鼠肝细胞线粒体新生鼠肝细胞线粒体213线粒体的增殖线粒体的增殖间壁分离间壁分离: :收缩分离收缩分离: :出芽分裂出芽分裂: :线粒体的内膜向中心内褶形成间壁，线粒体的内膜向中心内褶形成间壁，或某一个嵴的延伸。当延伸到对侧或某一个嵴的延伸。当延伸到对侧内膜时，线粒体一分为二。内膜时，线粒体一分为二。线粒体中央部分收缩并向两端线粒体中央部分收缩并向两端拉长，中央形成很细

25、的颈，整拉长，中央形成很细的颈，整个线粒体成哑铃形，最后断裂个线粒体成哑铃形，最后断裂成两个新线粒体。成两个新线粒体。先从线粒体上长出小芽，然后先从线粒体上长出小芽，然后小芽与母线粒体分离，经过不小芽与母线粒体分离，经过不断长大，形成新的线粒体。断长大，形成新的线粒体。间壁分离间壁分离收缩分离收缩分离出芽分离出芽分离线粒体三种分裂方式：线粒体三种分裂方式：出芽分裂出芽分裂收缩分裂收缩分裂间壁分裂间壁分裂线粒体的分裂都不是绝对均等的。在同一线粒体中，线粒体的分裂都不是绝对均等的。在同一线粒体中，可能存在有不同类型的可能存在有不同类型的mtDNAmtDNA，随机地分配随机地分配到新的线到新的线粒体

26、中。粒体中。另一方面线粒体分裂还另一方面线粒体分裂还受到细胞分裂的影响受到细胞分裂的影响。 生命活动中的大部分能量来生命活动中的大部分能量来自于线粒体自于线粒体细胞动力工厂细胞动力工厂第二节第二节 细胞呼吸与能量转换细胞呼吸与能量转换 慢跑，细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同慢跑，细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同时产生时产生二氧化碳二氧化碳和水。和水。 快跑，细胞将葡萄糖分解成快跑，细胞将葡萄糖分解成乳酸乳酸和二氧化碳。和二氧化碳。在特定细胞器（主要是线粒体）内，在在特定细胞器（主要是线粒体）内，在O O2 2的参与下，分的参与下，分解各种大分子物质，产生解各种大分子物质，产生COC

27、O2 2；与此同时，分解代谢所释；与此同时，分解代谢所释放出的能量储存于放出的能量储存于ATPATP中的过程，称为中的过程，称为细胞呼吸细胞呼吸（cellular respirationcellular respiration），），也称也称生物氧化生物氧化（biological oxidationbiological oxidation）或细胞氧化（）或细胞氧化（cellular cellular oxidationoxidation）。细胞呼吸的概念细胞呼吸的概念细胞呼吸的特点细胞呼吸的特点本质上是在线粒体中进行的一系列由酶系所催化的本质上是在线粒体中进行的一系列由酶系所催化的氧化氧化还原

28、反应还原反应；所产生的所产生的能量储存于能量储存于ATPATP的高能磷酸键中；的高能磷酸键中；整个反应过程是整个反应过程是分步进行分步进行的，能量也是逐步释放的；的，能量也是逐步释放的；反应是在反应是在恒温恒温(37)(37)和恒压和恒压条件下进行的；条件下进行的； 反应过程中需要反应过程中需要H H2 2O O的参与。的参与。 ATPATP是一种高能磷酸化合物是一种高能磷酸化合物 细胞呼吸时，释放的能量可通过细胞呼吸时，释放的能量可通过ADPADP的的磷酸化磷酸化而及时储存于而及时储存于ATPATP的高能磷酸键中作为备用；的高能磷酸键中作为备用； 当细胞进行各种活动需要能量时，又可当细胞进行

29、各种活动需要能量时，又可去磷酸去磷酸化化，断裂一个高能磷酸键以释放能量来满足机，断裂一个高能磷酸键以释放能量来满足机体需要。体需要。ATP的放能、储能反应简式的放能、储能反应简式A-PPP A-PP + Pi + 能量能量去磷酸化磷酸化细胞呼吸所产生的能量储存于细胞能量转换分子细胞呼吸所产生的能量储存于细胞能量转换分子ATPATP中中 第三节第三节 细胞的能量转换细胞的能量转换ATPATP中所携带的能量来源于中所携带的能量来源于糖、氨基糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化酸和脂肪酸等的氧化，这些物质的，这些物质的氧化是能量转换的前提。氧化是能量转换的前提。从糖酵解到从糖酵解到ATPATP的形成是一个极其

30、复的形成是一个极其复杂的过程，分为杂的过程，分为三个步骤三个步骤： 糖酵解（糖酵解（glycolysisglycolysis） 三羧酸循环（三羧酸循环（TACTAC） 氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylationoxidative phosphorylation）酵酵 解：解： 在细胞质内进行，反应过程中不需要在细胞质内进行，反应过程中不需要氧氧无氧酵解。无氧酵解。2丙酮酸丙酮酸 + 2H+ + 2ATP+2NADH（C3H4O3)+2H2O 葡萄糖葡萄糖 +2Pi+2ADP+2NAD+ （C6H12O6） 特点特点： （1 1）不需氧不需氧，细胞质基质中进行，细胞

31、质基质中进行 （2 2）净生成）净生成2 2个个ATPATP，能量储藏在，能量储藏在丙酮酸丙酮酸中。中。一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解 1.1.葡萄糖在细胞质中经糖酵解途径分解成丙酮酸葡萄糖在细胞质中经糖酵解途径分解成丙酮酸底物水平磷酸化（底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylationsubstrate-level phosphorylation）：由）：由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADPADP上，上，使使ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP的作用。的作用。

32、NADH+H NADH+H+ +通过穿梭机制进入线粒体通过穿梭机制进入线粒体糖酵解过程产生的还原当量（糖酵解过程产生的还原当量（NADH+HNADH+H+ +）本身不能透过本身不能透过线粒体内膜，必须借助线粒体内膜上线粒体内膜，必须借助线粒体内膜上特异性穿梭系统特异性穿梭系统进入线粒体。进入线粒体。苹果酸苹果酸天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭-酮戊二酸穿梭酮戊二酸穿梭乙酰辅酶乙酰辅酶A A生成生成特点特点：（1 1） 线粒体线粒体基质基质中进行中进行（2 2） 3C3C的丙酮酸变成活泼的的丙酮酸变成活泼的2C2C乙酰辅酶乙酰辅酶A A（3 3） 无无ATPATP形成形成在线粒体基质中丙酮酸脱氢酶体系作

33、用下，丙酮酸在线粒体基质中丙酮酸脱氢酶体系作用下，丙酮酸进一步分解为乙酰进一步分解为乙酰CoACoA，NADNAD+ +作为受氢体被还原，作为受氢体被还原，具体反应式具体反应式：2CH3COCOOH + 2HSCoA + 2NAD+ 2CH3CO-ScoA + 2CO2 + 2NADH + 2H+ 葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸NADNADH2CO2乙乙 酸酸CoA乙酰乙酰CoA草酰乙酸草酰乙酸三羧酸循环三羧酸循环（柠檬酸循环（柠檬酸循环）柠檬酸柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸异柠檬酸异柠檬酸NADNADH2CO2 -酮戊二酸酮戊二酸NADNADH2CO2琥珀酸琥珀酸FADFADH2延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果

34、酸NADNADH21231注：注：NAD（辅酶（辅酶I）:尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸FAD（黄酶）（黄酶）: 黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸在线粒体在线粒体基质基质中，乙酰中，乙酰CoACoA与草酰与草酰乙酸结合成柠檬酸而进入乙酸结合成柠檬酸而进入三羧酸循三羧酸循环（环（tricarboxylic acid cycletricarboxylic acid cycle， TACTAC），），经过一系列的代谢反应，经过一系列的代谢反应，乙酰基被氧化分解，草酰乙酸再生。乙酰基被氧化分解，草酰乙酸再生。三羧酸循环是三大营三羧酸循环是三大营养素的最终代谢通路养素的最终代谢通路。糖

35、、脂肪、氨基酸在糖、脂肪、氨基酸在体内进行生物氧化都体内进行生物氧化都将产生将产生乙酰乙酰CoACoA，然后，然后进入三羧酸循环进入进入三羧酸循环进入降解。降解。二、二、三三羧羧酸酸循循环环三羧酸循环三羧酸循环乙酰辅酶乙酰辅酶A+草酰乙酸草酰乙酸 （2C） （4C）柠檬酸（柠檬酸（6C） 3对以对以NAD为氢受体为氢受体四对氢原子四对氢原子 （NAD+ NADH） 1对以对以FAD为氢受体为氢受体 （FAD FDAH2） 2个个CO2特点：特点：（1） 反应在线粒体基质中进行反应在线粒体基质中进行（2） 7次连续反应为一次循环次连续反应为一次循环（3） 生成一分子生成一分子GTP7个连续反应个

36、连续反应( (一一) )呼吸链和呼吸链和ATPATP合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础 1.1.呼吸链呼吸链代谢物脱下的代谢物脱下的成对氢原子成对氢原子通过多种酶和辅酶所催化的通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应连锁反应逐步传递，最后逐步传递，最后与氧结合生成水与氧结合生成水，此传递过，此传递过程称为程称为呼吸链呼吸链。参加呼吸链的酶及辅酶按一定顺序在。参加呼吸链的酶及辅酶按一定顺序在线粒体内膜上排列，线粒体内膜上排列，进行氢和电子的传递进行氢和电子的传递，故又称为，故又称为电子传递链电子传递链。三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键呼吸

37、链传递氢和电子的功能由四种酶复合体完成呼吸链传递氢和电子的功能由四种酶复合体完成呼吸链蛋白质组成呼吸链蛋白质组成每个复合体都由多条多肽链（大部分由核基因组编码，少部分由线粒体基因组编码）组成每个复合体都由多条多肽链（大部分由核基因组编码，少部分由线粒体基因组编码）组成 线粒体内膜（包括嵴）的内表面附着的线粒体内膜（包括嵴）的内表面附着的圆球形基粒。圆球形基粒。 将呼吸链电子传递过程中释放的能量用于使将呼吸链电子传递过程中释放的能量用于使ADPADP磷磷酸化生成酸化生成ATPATP的关键装置。的关键装置。 化学本质是化学本质是ATPATP合酶复合体合酶复合体，也称，也称F F0 0F F1 1A

38、TPATP合酶合酶。2.ATP2.ATP合酶复合体合酶复合体转子：C1211定子：a1b2133磷酸化的结构基础：磷酸化的结构基础：ATPATP合酶合酶19791979年年BoyerBoyer提出提出结合变构模型结合变构模型。其要点。其要点: : ATPATP合酶利用质子动力势，催化合酶利用质子动力势，催化ATPATP合成。合成。 ATPATP合酶的头部有合酶的头部有3 3个催化位点个催化位点(亚基亚基) )，催化位，催化位点有点有3 3种构象。种构象。 质子通过质子通过a a亚基时，引起亚基时，引起c c亚基构成的环旋转，带亚基构成的环旋转，带动动亚基旋转，亚基旋转，亚基端部高度不对称，引起

39、亚基端部高度不对称，引起亚基亚基3 3个催化位点构象的周期性变化（个催化位点构象的周期性变化（L L、T T、O O），），将将ADPADP和和PiPi加合在一起，形成加合在一起，形成ATPATP。 1994 1994年年WalkerWalker通过牛心线粒体晶体结构证明了通过牛心线粒体晶体结构证明了该模型。该模型。电子传递过程中释放出的能量被电子传递过程中释放出的能量被F F0 0F F1 1ATPATP合酶用来催化合酶用来催化ADPADP磷酸化而合成磷酸化而合成ATPATP，ATPATP生成部位生成部位即是氧化磷酸化即是氧化磷酸化偶联部位。偶联部位。( (二二) )氧化磷酸化耦联氧化磷酸化

40、耦联 Mitchell(1961Mitchell(1961，英国，英国) )提出，该学说认提出，该学说认为：为： 电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子质子从内膜基质侧泵至膜间隙，形成质从内膜基质侧泵至膜间隙，形成质子动力势。子动力势。 以这种势能作为动力，驱动磷酸化反应，以这种势能作为动力，驱动磷酸化反应，合成合成ATPATP。ATP形成的偶联部位形成的偶联部位呼吸链上有呼吸链上有3 3个主要的放能部位个主要的放能部位 NAD黄酶（黄酶（FMN）辅酶辅酶Q细胞色素细胞色素 bc1ca a3O2ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPFADH2ATPADP+Pi第四节第四节 线粒体与医