第七章线粒体与细胞能量转换

1、第七章 线粒体与细胞的能量转换第一节 线粒体的基本特征一、线粒体的主要化学成分是蛋白质 蛋白质 65%70% 线粒体蛋白质主要分布在内膜和基质。 大鼠肝细胞线粒体蛋白质分布：基质占67%，内膜占21%，外膜和膜间腔各占 6%。分两类：可溶性蛋白：基质中的酶、膜外周蛋白 肝细胞线粒体可溶性蛋白占50%70%。不溶性蛋白：膜结构蛋白、膜镶嵌酶蛋白线粒体不同部位的标志酶 外膜 单胺氧化酶 膜间腔 腺苷酸激酶 内膜 细胞色素氧化酶 基质 苹果酸脱氢酶线粒体含有120余种酶（酶系）氧化还原酶37%、合成酶10%、水解酶约9%2022-5-7第六章 线粒体与细胞的能量转换5线粒体主要酶的分布线粒体主要酶的

2、分布 外膜 单胺氧化酶 NADH-Cyt c还原酶 酰基CoA合成酶 内膜 Cyt b,c,c1,a,a3 ATP合成酶系 琥珀酸脱氢酶 -羟丁酸和-羟丙酸脱氢酶 肉毒碱酰基转移酶 丙酮酸氧化酶 NADH脱氢酶 膜间腔 腺苷酸激酶 二磷酸激酶 核苷酸激酶 基质 柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶 延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶 顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶 脂肪酸氧化酶系 天冬氨酸转氨酶 蛋白质合成酶系 核酸合成酶系 丙酮酸脱氢酶复合物线粒体的脂类占干重的25%30%（75%以上是磷脂）主要为磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、心磷脂其余为磷脂酰肌醇、胆固醇外膜含少量胆固醇内膜富含心磷脂（20%），缺乏胆固醇。二、线粒

3、体的形态、数量和分布 形态：线状、粒状或杆状低渗，线粒体泡状；高渗，线粒体线状。酸性，线粒体膨胀；碱性，线粒体粒状。人胚胎肝细胞发育早期，线粒体短棒状；发育晚期，线粒体长棒状。 大小 直径0.21.0，长14大鼠肝细胞线粒体长5胰腺分泌细胞线粒体长1020人类成纤维细胞线粒体长达40 数量：与细胞的生理功能和状态有关数个50万个。最多时占细胞总体积的25%。哺乳动物肝细胞有10002000个，占细胞总体积的15%20%。哺乳动物心肌、骨骼肌、小肠细胞线粒体极其丰富。 分布: 需能较多的区域，可沿微管向功能旺盛的区域迁移 相差显微镜下活的成纤维细胞，显示线粒体和微管的关系相差显微镜下活的成纤维细

4、胞，显示线粒体和微管的关系 肌细胞的线粒体沿肌原纤维规则排列。 精子的线粒体定位在中段，围绕鞭毛的近轴部分。 肠上皮细胞线粒体聚集于顶部和基底部，呈两极分布。三、线粒体的超微结构扫描电镜下线粒体形态透射电镜下线粒体的结构线粒体的超微结构线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭囊泡状结构（一）外膜( outer membrane ) 6nm光滑平整的单位膜 蛋白质：脂类为1:1 孔蛋白（porin）形成2-3nm通道 分子量5103以下的物质可自由通过，如ATP，NAD，CoA等小分子物质（二）内膜(inner membrane)(inner membrane) 内膜厚约45nm，深度折叠形成嵴（cr

5、istae） 蛋白质：脂类大于3:1 缺乏胆固醇，富含心磷脂 分子量 150的物质不能通过 膜转运蛋白丰富并具特异性 内膜上有电子传递链、基粒和转位接触点（三）膜间腔 膜间腔是指内膜与外膜之间的腔隙，6-8nm 转位接触点是核编码蛋白进入线粒体的通道嵴（cristae） 内膜向内腔突起的折叠 嵴间腔是嵴与嵴之间的内腔 基质腔即内腔，富含可溶性蛋白和多种酶 膜间腔是指内膜与外膜之间的腔隙，6-8nm 基粒（elementary particle）是附着在内膜和嵴上凸向内腔的颗粒 -头部：具有酶活性，催化ADP磷酸化成ATP -丙部：连接头部与基片 -基片：嵌入内膜基粒（elementary pa

6、rticle）（四）基质腔 基质中充满可溶性蛋白质和脂肪 进行活跃的生物化学反应 含有催化TCA cycle、脂肪酸-氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等多种酶2022-5-7第六章 线粒体与细胞的能量转换20四、线粒体具有相对独立的遗传体系（一）线粒体有自己的遗传系统和蛋白质翻译系统 线粒体基因组 1963年，Nass首次发现鸡卵母细胞的线粒体 DNA (mitochondrial DNA, mt DNA ) 裸露，不与组蛋白结合，在基质中/依附于线粒体内膜。 每个线粒体含有1数个 mt DNA，平均 510 个。 翻译系统的部分密码与核密码编码含义有所不同。2022-5-7第六章 线粒体与细胞的

7、能量转换22（二）线粒体基因组是一条双链环状的DNA Human mt DNA 含 16569 bp，双链闭环超螺旋DNA。 一条重链 一条轻链 人类线粒体基因组共编码37个基因人类线粒体基因组编码图2022-5-7第六章 线粒体与细胞的能量转换23人类线粒体基因组共编码人类线粒体基因组共编码37个基因个基因 重链编码（28个） 12S rRNA、16S rRNA NADH-CoQ 氧化还原酶 1 (NADH-CoQ oxidoreductase 1, ND1)、ND2、ND3、ND4L、ND4 & ND5 细胞色素C氧化酶 (cytochrome C oxidase, COX)、CO

8、X & COX 细胞色素b 的亚基 ATP 合酶的第6亚基和第8亚基( A6, A8 ) 14个 tRNA 轻链编码（9个） ND6、8个 tRNA线粒体基因组的37个基因 13个是编码蛋白质的基因，以ATG（甲硫氨酸）为起始密码 3个为细胞色素C氧化酶（COX、COX和COX）构成复合体 2个为ATP合酶复合体（F0）的亚基（A6和A8） 7个为NADH-CoQ还原酶复合体的亚基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6） 1个CoQH2-细胞色素c还原酶复合体中细胞色素b的亚基 24个基因编码两种rRNA和22种tRNA分子2022-5-725电子传递链组分2022

9、-5-726ND1, ND2,ND3, ND4L,ND4, ND5& ND6COXCOX COX A6,A8 呼吸链蛋白质的组成12022-5-727人类线粒体基因组共编码人类线粒体基因组共编码37个基因个基因 13个基因编码蛋白质； 2个基因编码两种rRNA分子； 22个基因编码22种tRNA分子； 线粒体基因组经济，紧凑；没有内含子，很少非编码序列。 人类核基因组约2%为编码序列。 洋葱基因组是人类基因组的12倍大，阿米巴变形虫的基因组是人类基因组的200倍大！（三）重链和轻链各有一个启动子启动线粒体基因的转录 转录从重链和轻链各自的主要启动子开始 重链上的转录起始位点有2个，形成

10、两个初级转录产物 线粒体mRNA不含内含子，很少有非翻译区 翻译起始氨基酸为甲酰甲硫氨基酸 人类细胞的线粒体编码系统中UGA代表色氨酸 线粒体编码的RNA和蛋白质不运出线粒体外 线粒体基因组的两个重叠基因是 复合物中的ND4L和ND4 复合物中的ATP酶8和ATP酶6（四）线粒体DNA的复制是一个缓慢而复杂的过程 人mtDNA复制起始点分成两半，一个重链复制起始点（顶部），一个轻链复制起始点（8点钟处） 重链顺时针方向复制，轻链逆时针方向复制 轻链的复制晚于重链，整个复制持续2小时 复制不受细胞周期的影响2022-5-731五、核编码蛋白的线粒体转运 线粒体的4个蛋白质输送亚区域，进入不同部位

11、的蛋白具有不同的转运途径。 1. 线粒体外膜(outer mitochondrial membrane, OMM )2. 线粒体内膜(inner mitochondrial membrane, IMM )3. 膜间腔(intermembrane space)4. 基质(matrix)2022-5-7第六章 线粒体与细胞的能量转换32（一）核编码蛋白进入线粒体需要分子伴侣的协助 前体蛋白 由核基因编码的将要输入到线粒体的蛋白。 前体蛋白N-端具有基质导入序列(matrix-targeting sequence, MTS )，由2080个氨基酸残基组成，富含 Arg, Lys, Ser &

12、 Thr, 少见 Asp & Glu. MTS 包含了所有介导前体蛋白输入线粒体基质的信号。 分子伴侣 识别前体蛋白解折叠后暴露的疏水基团并与之结合，防止其聚集；协助跨膜转运后多肽的折叠和组装。2022-5-734(二)前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态新生多肽相关复合物 (nascent-associated complex, NAC) 与少数前体蛋白相互作用，增加蛋白转运的准确性。 热休克蛋白 热休克同源蛋白( heat shock protein, hsp heat shock cognate protein, hsc ) 胞质hsc70 协助前体蛋白解折叠，到达线粒体表面后，AT

13、P提供能量使其解离。 mthsc70 维持前体蛋白解折叠，把多肽“铰进”基质后使其重新折叠。2022-5-735 哺乳动物胞浆中能准确结合前体蛋白的因子 前体蛋白结合因子( pre-sequence binding factor, PBF ) 增强 hsc70 对线粒体蛋白的转运 线粒体输入刺激因子( mitochondrial import stimulatory factor, MSF ) 不依赖 hsc70，单独发挥 ATP 酶的作用，为聚集蛋白的解聚提供能量。( (二二) )前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态2022-5-736 内膜 ATP/ADP 反向

14、转运体和 MSF 形成复合体，再与外膜上的受体 Tom 37 & Tom 70 结合，把前体蛋白转移到 Tom 20 & Tom 22，同时释放 MSF. 多数与 hsp70 结合的前体蛋白直接和 Tom 20 & Tom22 结合，再与外膜上的通道蛋白 Tom 40 偶联， Tom 40 与内膜转位接触点共同构成越膜通道，蛋白质进入基质。2022-5-737蛋白质转运涉及转位因子蛋白质转运涉及转位因子( translocator )TOM 复合体 OMM上的蛋白输入复合体 由结合前体蛋白的受体和蛋白转运通道构成，把前体蛋白转运到外膜上或穿越外膜。TIM 复合体 IMM

15、上的蛋白输入复合体 包括前体蛋白的受体和穿膜通道，把前体蛋白转运到基质或内膜上。TIM 22将蛋白质插入内膜；TIM 23将蛋白质转运到基质，也可将某些蛋白质安插在内膜。OXA复合体 IMM上的蛋白输入复合体 - 负责将线粒体合成的蛋白质和基质中的蛋白插入内膜 （ OXA 为氧化酶装置复合物）负责线粒体蛋白质转运的蛋白质复合体2022-5-739蛋白质输入线粒体蛋白质输入线粒体 前体蛋白正在输入离体线粒体的电镜照片 正在输入蛋白质的位点通过用金颗粒标记的蛋白，可在电镜下观察到。 这些颗粒定位在内膜与外膜极靠近的位点。0.2m 2022-5-740（三）分子运动产生的动力协助多肽穿越线粒体膜（三

16、）分子运动产生的动力协助多肽穿越线粒体膜 多肽链首先通过 TOM 复合体进入膜间隙，然后再通过 TIM 复合体进入基质/蛋白质通过转位接触点直接进入基质。 布朗棘轮模型( Brownian ratchet model ) 多肽进入线粒体膜上的转运孔，当 N-端进入基质时，驻留在膜内表面的 mthsc70 与刚显露的多肽链结合，阻断多肽通过孔扩散返回细胞质基质。 扩散是随机过程，扩散的分子可在任何有效的方向运动。 mthsc70 反复结合在蛋白质线性分子上，像齿轮一样将多肽链“铰进( hand over hand )”基质。2022-5-741( (四四) )多肽链在线粒体基质内重新折叠多肽链在

17、线粒体基质内重新折叠 基质导入序列 ( MTS ) 被线粒体加工蛋白酶( 移除 mthsc70 作为折叠因子协助多肽折叠 mthsc60 完成最后折叠2022-5-7422022-5-743（五）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运（五）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运1. 膜间腔蛋白质的转运 前体蛋白具有两个信号序列 前体蛋白的N-端携带MTS靶向基质，MTS被MPP （基质作用蛋白酶）移除。 前体蛋白携带膜间腔导入序列( intermembrane space-targeting sequence, ISTS )，靶向膜间腔。根据 ISTS 的不同，有2种转运方式 整条多肽链进入基质，并与 m

18、thsp70 结合；ISTS 引导多肽链通过内膜的转运孔进入膜间腔。 前体蛋白的 ISTS 作为停止转移序列，被 TIM 23 安插在内膜上；肽链随内膜侧向运动而扩散，被膜间腔蛋白酶加工切断。ISTS 在内膜中，C-端脱落，成为膜间隙的可溶性蛋白。2022-5-744 外膜和内膜蛋白质的转运 进入内膜的前体蛋白具有两个信号序列，经 TOMTIM 23 进入基质后，第二个信号序列使蛋白通过 OXA 复合体被安插到内膜上。 进入内膜的前体蛋白具有停止转移序列，被 TIM 23 安插在内膜上。2022-5-745 蛋白质输入是一个耗能过程 在线粒体外，释放与前体蛋白结合的 hsc70，须水解 ATP

19、 获得能量； 通过 TIM 复合体进入基质时，IMM 两侧的电位作用于带正电荷的前体蛋白靶信号，为前体蛋白进入基质提供能量（质子动力势）。 加入药物 DNP 消除膜电位，蛋白转移停止，多肽停滞在膜内，跨越 TOM complex & TIM complex. 前体蛋白进入线粒体基质，mthsp70 将多肽链“ 铰进” 基质，需要消耗 ATP。（六）线粒体介导细胞死亡2022-5-747六、线粒体的起源与发生六、线粒体的起源与发生（一）线粒体的增殖方式 线粒体增殖的几种假说 裂殖 细胞利用脂类、蛋白质和DNA等重新合成 利用质膜/核膜/内质网膜等重新装配 镜下观察活细胞的线粒体，支持第一

20、种观点 出芽：见于酵母和藓类，线粒体膜突起、长大，脱离原线粒体，发育为新的线粒体。 收缩分裂：线粒体在中部缢缩分裂为两个。 间壁分裂：线粒体内膜向中心内褶，形成间壁，一分为二。见于鼠肝和植物分生组织。狗心肌细胞线粒体昆虫细胞线粒体2022-5-748（二）mtDNA 随机分配到新的线粒体中 线粒体可以含有正常的（即野生型）和突变的mtDNA 混合物，称为异质性。 线粒体分裂时随机分配 细胞内存在野生型和突变型线粒体 细胞分裂时随机分配 随机分配导致 mtDNA 异质性变化的过程称为复制分离。 当特定组织中占优势的线粒体含有缺陷的遗传信息时，将出现线粒体疾病。2022-5-749（三）线粒体可能

21、起源于共生的早期细菌 线粒体在形态、染色反应、化学组成、物理性质、活动状态、遗传体系等方面类似于细菌，推测线粒体起源于内共生。 需氧细菌被原始真核细胞吞噬后，在长期互利共生中演化形成现今的线粒体。 在进化过程中，需氧细菌逐步丧失其独立性，并将大量遗传信息整合到宿主细胞中，形成了线粒体的半自主性。 线粒体基因组与细菌基因组结构相似。 基因表达机制、对抗生素敏感性均相同。2022-5-750线粒体起源的内共生假说2022-5-7512022-5-752第二节第二节 细胞呼吸与能量转换细胞呼吸与能量转换一、细胞呼吸 糖、脂肪、蛋白质等营养物质在细胞内彻底氧化生成 CO2 和 H2O，释放能量的过程称

22、为细胞氧化(cellular oxidation)。此过程需耗氧、放出CO2 ，又称为细胞呼吸 (cellular respiration) 。 细胞呼吸的特点 酶促反应，在恒温、恒压条件下分步进行。 能量逐步释放，贮存在高能磷酸键中。 反应过程需要水的参与。2022-5-753二、细胞能量的转换分子ATP去磷酸化磷酸化2022-5-754线粒体的主要功能能量转换葡萄糖糖酵解丙酮酸发酵乳糖细胞质CO2,H2OATPATPATP质膜2022-5-755细胞的能量转换过程 葡萄糖氧化的三个步骤 第1阶段：糖酵解( glycolysis ) 第2阶段：三羧酸循环 ( tri-carboxylic a

23、cid cycle, TCA 循环 ) 第3阶段：氧化磷酸化( oxidative phosphorylation )2022-5-756一、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 C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 糖酵解酶系 进入有氧氧化 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP 丙酮酸 2CH3CHOHCOOH + 2NAD+ + 2ATP 完成无氧氧化 乳 酸 2CH3CH2OH + 2CO2+2NAD+ + 2ATP 乙 醇NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide, 烟酰胺腺嘌呤二核苷

24、酸，带正电荷的离子) 受氢体 可逆地接受2个电子和1个H+，另1个H+则留在溶质中。底物水平磷酸化：由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP。2022-5-757 丙酮酸与 NADH + H+ 进入线粒体有氧氧化 丙酮酸以其自身的脂溶性通过内膜 NADH+H+借助于内膜上特异性穿梭系统进入基质 苹果酸 - 天冬氨酸穿梭 心肌、肝和肾细胞 - 磷酸甘油穿梭 脑细胞 丙酮酸被“初加工” ，转变成 TCA 循环能够利用的形式：醋酸。醋酸必须以乙酰CoA*的形式进入 TCA 循环 丙酮酸脱氢酶 2CH3COCOOH + 2HSCoA + 2NAD+ 2CH3C

25、OSCoA + 2CO2 + 2NADH + 2H+ * 乙酰 CoA 是醋酸与辅酶A ( CoA,一种载体分子 )结合而成2022-5-758苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭机制天冬氨酸穿梭机制心肌、肝和肾细胞质基质的NADH可通过苹果酸-天冬氨酸穿梭作用再被氧化。细胞质基质中的草酰乙酸由NADH还原为苹果酸后，通过苹果酸-酮戊二酸载体进入线粒体。在基质内，苹果酸又借助NAD+转变为NADH再氧化为草酰乙酸，结果，电子从细胞质基质的NADH到线粒体基质的NADH，只发生了电子的传递。草酰乙酸由转氨基作用转变为天冬氨酸离开线粒体，又在细胞质基质中再通过转氨酶作用变为草酰乙酸。一、葡萄糖在细胞质中进行

26、糖酵解线粒体基质细胞质基质2022-5-759磷酸甘油穿梭机制 脑细胞质基质NADH不能跨过线粒体内膜进入线粒体被氧化，但可通过磷酸甘油穿梭作用被再氧化。 细胞质基质3-磷酸甘油脱氢酶氧化NADH并将磷酸二羟丙酮还原为3-磷酸甘油。 3-磷酸甘油进入线粒体，通过线粒体的3-磷酸甘油脱氢酶（辅酶FAD）脱氢又转变为磷酸二羟丙酮。磷酸二羟丙酮扩散回到细胞质基质。 FADH2将电子传递给泛醌再被氧化。 2022-5-760二、 三羧酸循环在线粒体基质中实现2022-5-761二、二、TCA cycle柠檬酸 6C异柠檬酸 6C-酮戊二酸5C琥珀酰CoA 4C NAD+ NADH+H+12345678

27、9NAD+ NADH+H+NAD+NADH+H+NADH+H+NAD+FADH2FAD丙酮酸 3C乙酰CoA 2C草酰乙酸 4C苹果酸 4C延胡索酸 4C琥珀酸 4CGTPGDP葡萄糖、氨基酸、脂肪酸、甘油等CO2PiCO2CO22022-5-762 TCA循环总反应式 CH3COCoA + 2H2O + FAD + 3NAD+ + GDP + Pi 2CO2 + FADH2 + 3NADH + 3H+ + GTP + HS-CoA 能量产生 每循环一次氧化1个乙酰基，产生1GTP、3NADH 和 1FADH2 2！ TCA循环是各种有机物进行氧化的最后阶段，也是各类有机物相互转化的枢纽。20

28、22-5-763三、氧化磷酸化偶联是能量转换的关键 NADH 和 FADH2 携带的电子经呼吸链逐级定向传递给O2，本身被氧化。电子传递过程中释放的能量被 ATP 合酶用来催化 ADP 磷酸化合成 ATP。 氧化（放能）磷酸化（贮能）由两个不同的结构系统同时进行并偶联在一起。2022-5-764（一）呼吸链和（一）呼吸链和 ATP 合酶是氧化磷酸化的结构基础合酶是氧化磷酸化的结构基础1. 呼吸链（电子传递链） 位于线粒体内膜上有序地排列的酶体系，由一系列电子载体构成，能够可逆地接受和释放H+和e-。呼吸链上的最终电子受体是分子氧。 链中的每一环节是一个分子，通常是蛋白质。 在一系列氧化还原反应

29、中，链的每一环节先接受一个电子，然后再供出这个电子。 电子传递体：只传递电子的酶和辅酶（泛醌、Cyt 和 FeS） 递氢体：既传递电子又传递质子的酶和辅酶2022-5-765（一）呼吸链和（一）呼吸链和 ATP 合酶是氧化磷酸化的结构基础合酶是氧化磷酸化的结构基础 电子转运复合物 线粒体内膜崩解时，电子载体以4种不同的跨膜蛋白复合物被分离出来，均为整合膜蛋白。 泛醌和细胞色素C不属于任何一种复合物 泛醌（脂溶性蛋白质）能在膜内运动 细胞色素C（膜周边蛋白）仅沿着膜运动 典型呼吸链各组分的排列顺序和方向 NADHFMNCoQCyt b Cyt c1 Cyt c Cyt aa3O22022-5-7

30、66复合体(NADH -CoQ还原酶or NADH脱氢酶)催化一对电子从NADH转移到泛醌(UQ)上形成氢醌(UQH2)。每传递一对电子，伴随4H+从基质侧被转移到膜间腔，电子传递体兼质子移位体。H+移位体FMN,FeSH+移位体cytb,c1,FeSH+移位体血红素a,a3,Cu2022-5-767 复合体（或NADH脱氢酶） 催化一对电子从NADH转移到泛醌(UQ)上形成氢醌(UQH2)。 每传递一对电子，伴随4H+从基质侧被转移到膜间腔，既是电子传递体又是质子移位体。 复合体（或琥珀酸脱氢酶） 提供了将来自琥珀酸的电子传到FAD再转移到泛醌生成氢醌的途径。电子传递不伴随质子的跨膜转移。

31、复合体( 或 Cyt b, c1 ) 催化电子从氢醌转移到 Cyt c。每转移一对电子，有4H+从基质侧被泵到膜间腔。 其中2H+是从进入复合物的还原态的UQH2 中获得的；另外2H+来自基质，并作为第二个UQH2 的部分被跨膜转移到膜间腔中。 复合体 ( 或 Cyt c 氧化酶 ) 电子连续地从还原态的 Cyt c 传给氧。 反应如下：2 Cytc2+ + 2H+ + 1/2O2 2Cytc3+ + H2O 要还原1个O2分子则反应如下：4 Cytc2+ + 4H+ + O2 4Cytc3+ + 2H2O2022-5-768（一）呼吸链和（一）呼吸链和 ATP 合酶是氧化磷酸化的结构基础合酶

32、是氧化磷酸化的结构基础2. ATP合酶复合体 又称基粒(elementary particle) 排列在内膜和嵴的基质腔一侧的颗粒状凸起 基粒间距为102022-5-769基粒基粒(elementary particle)2022-5-770 ATP synthase 由头部、柄部和基片3部分组成 头部圆球形，柄部连接头部和嵌入内膜的基片9 nm4nm4.55nm2022-5-7712. ATP合酶复合体合酶复合体 ATP synthase 包含F1和F0两个主要组分 头部 又称F1偶联因子，由5种亚基以3 :3 :组成。 亚基呈螺旋结构位于“橘子”中央，上段与,有限接触；下段与有很强的亲和力

33、，结合在一起形成“转子”。 亚基协助亚基附着到F0。2022-5-7722. ATP合酶复合体合酶复合体 F0基部包埋在膜中，由3种亚基以1a:2b:12c组成。 c亚基在膜上形成一个可动环； 成对的b亚基和F1头部的亚基组成一个外周柄，固定/亚基的位置； a亚基有跨膜转运的质子通道，将H+从膜间腔转运到基质。2022-5-773（二）氧化过程伴随磷酸化的偶联 还原性辅酶NADH&FADH2怎样被利用而生成ATP? 高能电子从FADH2和NADH转移到电子传递链的第一个载体上。 质子通过ATP合酶返跨膜的运动，为ADP磷酸化生成ATP提供必需的能量。2022-5-774根据接收代谢物上

34、脱下的 H 的原初受体，电子载体的类型分为 NADH 呼吸链( Transport of electrons from NADH ) NADH作为电子供体。 FADH2 呼吸链( Transport of electrons from FADH2 ) FADH2作为电子供体。电子从TCA循环中的琥珀酸脱氢酶（构成复合酶体）传给泛醌，泛醌绕开传递链上游末端，因末端NADH氧还电位太负而不能接受黄素核苷酸能量较低的电子。2022-5-775 呼吸链3个能量释放偶联ATP生成的部位 MADHFMN，50 800 J Cyt bCyt c，41 000 J Cyt aa3O2，99 500 J 图中阐

35、明了载体的近似氧还电位和电子对沿呼吸连传递到分子氧的过程中自由能的下降。 红色箭头指示的3个电子转移过程中的每一个都能产生足够的能量使得质子跨线粒体内膜运动，质子的运动反过来又为ADP生成ATP提供了所需的能量。2022-5-776生物氧化产生生物氧化产生ATP的统计的统计糖酵解（以葡萄糖为例）糖酵解（以葡萄糖为例）底物水平磷酸化底物水平磷酸化 4 ATP细胞质基质细胞质基质己糖分子活化己糖分子活化 2 ATP细胞质基质细胞质基质2分子分子 NADH 3 ATP (or 5ATP)*进入线粒体进入线粒体*丙酮酸丙酮酸氧化脱羧氧化脱羧2分子分子 NADH 5 ATP线线 粒粒 体体TCA 循环循

36、环底物水平磷酸化底物水平磷酸化 2 ATP线线 粒粒 体体6分子分子 NADH 15 ATP线线 粒粒 体体2分子分子 FADH2 3 ATP线线 粒粒 体体总计生成总计生成 30 ATP (or 32ATP)*P/O值:指一对电子经呼吸链传递给氧所生成的ATP分子数，或者指每消耗一个氧原子所产生的ATP分子数。NADH2.5; FADH21.52022-5-777（三）电子传递时（三）电子传递时H+穿膜形成电化学梯度穿膜形成电化学梯度 化学渗透假说(Chemiosmotic coupling Hypothesis)，英国化学家 P. Mitchell，1961 电子传递释放的能量将H+从基质

37、泵出内膜，形成跨膜质子电化学梯度；然后，H+顺浓度梯度穿过位于内膜的ATP合酶回流到基质，释放的能量驱动ATP合成。2022-5-778电化学质子梯度如何驱动电化学质子梯度如何驱动ATP合酶生成合酶生成ATP? F1具有3个催化位点，但在特定的时间，3个催化位点的构象不同(L,T,O)，与核苷酸的亲和力不同。 质子的“下坡”跨膜运动驱动c环转动，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部高度不对称，其旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化：松弛(L)紧密(T)开放(O), 不断将 ADP 和 Pi 加合生成 ATP。2022-5-779（四）电化学梯度所包含的能量转换成（四）电化学梯度所包含的能量转换

38、成ATP的化学能的化学能 3种亚基的构象怎么会发生交替变化呢？ 每个亚基具有 L, T & O 的状态 ADP + Pi 与松弛状态的亚基结合，当其构象转变为紧密结合状态时，ADP + Pi 即形成 ATP； 随后，当亚基转变为开放状态时，ATP 被释放进入基质。 每一亚基 LTO 构象循环进行，不断合成 ATP。 结合变构机制(binding-change mechanism),1989. Paul D. Boyer 荣获1997年诺贝尔化学奖在红色的催化位点上，ATP自发形成2022-5-780支持结合变构机制和旋转催化作用的证据支持结合变构机制和旋转催化作用的证据(a) F1的截

39、面，显示其3个亚基的空间组织。 螺旋的亚基伸进F1的中央腔并位于两侧的和亚基之间。 亚基催化位点的构象通过其与亚基的接触而确定。(b) F1的俯视图，显示33围绕着不对称的亚基。 亚基处于相对于周围亚基旋转的位置上。亚基能与3个亚基以不同方式接触，从而诱导每个亚基采取不同的构象。(a)(b)催化位点构象的结构基础2022-5-781第四节第四节 线粒体与医学（略）线粒体与医学（略） 线粒体疾病 是 mtDNA 和 nDNA 编码线粒体蛋白的基因变异，导致线粒体结构损伤和氧化磷酸化功能下降而引起的疾病。 表现为 ATP 能量减少、活性氧自由基 (ROS) 增多和乳酸中毒等，造成细胞损伤或细胞凋亡

40、。 可发生在身体某一部位或多个部位，形成多系统疾病，患者常有两种或更多病症的综合表现，形成综合症。2022-5-782第四节第四节 线粒体与医学（略）线粒体与医学（略） 线粒体疾病的特征 母系遗传胞质遗传 人类胚胎细胞中的线粒体专一来自于卵细胞。 高突变率比核 DNA 高10倍以上 mtDNA 裸露，没有组蛋白保护，容易受到侵害；缺乏有效的修复系统；复制时不对称，单链 DNA 有自发脱氨基效应；复制频率较 nDNA 高。 复制分离线粒体含有正常的和突变的 mtDNA 混合物，分裂时它们被随机分配到子代线粒体。 阈值效应突变 mtDNA 达到一定阈值，细胞表现变异表型。 含高百分比突变线粒体的个

41、体所患疾病将更加严重。2022-5-783一、疾病过程中的线粒体变化一、疾病过程中的线粒体变化 中毒、感染 氰化物、CO能阻断呼吸链的电子传递，中断氧化磷酸化过程。 病毒感染，线粒体肿胀、破裂。 原发性肝癌 线粒体嵴数量减少，呈液泡状。 缺血性损伤 线粒体肿胀、凝集。 坏血病 23个线粒体发生融合。 衰老 从老人身上获得的细胞与从年青人身上获得的同类细胞相比，前者的 mtDNA 突变明显增多。 氧化磷酸化能力下降2022-5-784二、二、mtDNA 突变可导致多种疾病突变可导致多种疾病 帕金森病(Parkinson?s disease, PD) mtDNA 4 977bp缺失。线粒体功能退行

42、性变化。 患者脑部黒质区细胞呼吸链复合酶体活性明显下降。 行动迟缓、姿势异常、手脚震颤。 丙酮酸脱氢酶缺陷 线粒体能量代谢缺陷 丙酮酸乙酰辅酶A的关键步骤受阻，导致乳酸积聚、中毒，影响脑组织细胞代谢，引起脑损伤。2022-5-785部分与部分与 mtDNA 突变相关的疾病突变相关的疾病 疾病名称疾病名称临床表现临床表现突变类型突变类型老年性痴呆老年性痴呆进行性丧失认知能力进行性丧失认知能力点突变点突变慢性进行性眼外肌麻痹慢性进行性眼外肌麻痹 眼肌麻痹和线粒体肌病眼肌麻痹和线粒体肌病点突变点突变/重排重排肌阵挛性癫痫、粗红肌肌阵挛性癫痫、粗红肌纤维病纤维病癫痫合并线粒体肌病癫痫合并线粒体肌病 点突变点突变线粒体脑肌病线粒体脑肌病脑组织机能障碍合并线脑组织机能障碍合并线粒体肌病及酸中毒粒体肌病及酸中毒 点突变点突变线粒体肌病线粒体肌病 肌无力，退化，肌内有肌无力，退化，肌内有充满异常线粒体的粗糙充满异常线粒体的粗糙红纤维（特殊染色检测）红纤维（特殊染色检测） 点突变点突变/缺失缺失2022-5-786骨骼肌中的线粒体异常骨骼肌中的线粒体异常2022-5-