第七章线粒体与细胞的能量转换

1、第七章第七章 线粒体与细胞的线粒体与细胞的能量转换能量转换l能够进行光合作用的植物细胞和某些细菌能够进行光合作用的植物细胞和某些细菌能将无机物如能将无机物如CO2和和H2O转化成可被自身利转化成可被自身利用的有机物，此称自养生物用的有机物，此称自养生物(autotroph)。动物细胞无叶绿体，只能以自养生物合成动物细胞无叶绿体，只能以自养生物合成的有机物为营养，通过分解代谢获取能量，的有机物为营养，通过分解代谢获取能量，故被称为异养生物故被称为异养生物(heterotroph)。动物细。动物细胞实现这一能量转换的细胞内结构是线粒胞实现这一能量转换的细胞内结构是线粒体体(mitochondrio

2、n or mitochondria)。线粒体的基本特征线粒体的基本特征l线粒体的主要化学成分是蛋白质，主要为线粒体的主要化学成分是蛋白质，主要为结构蛋白和众多酶类，线粒体是细胞中含结构蛋白和众多酶类，线粒体是细胞中含酶最多的细胞器，目前已知含酶最多的细胞器，目前已知含120多种，这多种，这些酶在行使细胞氧化功能时起重要作用，些酶在行使细胞氧化功能时起重要作用，有些酶还可作为线粒体不同部位的标志性有些酶还可作为线粒体不同部位的标志性酶，如内、外膜的细胞色素氧化酶和单胺酶，如内、外膜的细胞色素氧化酶和单胺氧化酶等。氧化酶等。l线粒体还含有线粒体还含有DNA和完整的遗传系统及多和完整的遗传系统及多种

3、辅酶等物质。种辅酶等物质。线粒体呈线状、粒状或杆状，不同类型或不同生理线粒体呈线状、粒状或杆状，不同类型或不同生理状态的细胞及细胞发育的不同阶段，线粒体的形状态的细胞及细胞发育的不同阶段，线粒体的形态、大小、数目及排列分布常不相同。线粒体的态、大小、数目及排列分布常不相同。线粒体的数量可因细胞种类而不同。数量可因细胞种类而不同。线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构。线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构。l 线粒体外膜是线粒体最线粒体外膜是线粒体最外层所包绕的一层单位外层所包绕的一层单位膜，膜，外膜含有脂质和蛋外膜含有脂质和蛋白约各占一半，蛋白多白约各占一半，蛋白多为转运蛋白，它

4、们形成为转运蛋白，它们形成较大的水相通道跨越脂较大的水相通道跨越脂质双层，使外膜出现直质双层，使外膜出现直径径2-3nm的小孔的小孔(porin)，可以通过分子量在可以通过分子量在5000以下的物质，包括一些以下的物质，包括一些小分子多肽。小分子多肽。l 线粒体内膜向基质折叠形成特定的内部空间，线粒体内膜向基质折叠形成特定的内部空间，内膜将线粒内膜将线粒体的内部空间分成两部分，其中由内膜直接包围的空间称体的内部空间分成两部分，其中由内膜直接包围的空间称内腔，含有基质，也称基质腔；内膜与外膜之间的空间称内腔，含有基质，也称基质腔；内膜与外膜之间的空间称为外腔，或膜间腔，内膜上有大量向内突起的折叠

5、，形成为外腔，或膜间腔，内膜上有大量向内突起的折叠，形成嵴。嵴与嵴之间的内腔部分称为嵴间腔而由于嵴向内突起嵴。嵴与嵴之间的内腔部分称为嵴间腔而由于嵴向内突起造成的外腔向内深入的部分称为嵴内空间，内膜的通透性造成的外腔向内深入的部分称为嵴内空间，内膜的通透性很小。内膜有高度的选择通透性。内膜（包括嵴）的内表很小。内膜有高度的选择通透性。内膜（包括嵴）的内表面附着许多突出于内腔的颗粒，每个线粒体大约有面附着许多突出于内腔的颗粒，每个线粒体大约有104-105个，称为基粒个，称为基粒，基粒头部具有催化基粒头部具有催化ADP生成生成ATP的酶。的酶。l 线粒体内外膜转位接触点形成编线粒体内外膜转位接触

6、点形成编码蛋白质进入线粒体的通道；码蛋白质进入线粒体的通道；l 线粒体内腔充满了电子密度较低线粒体内腔充满了电子密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等成分称的可溶性蛋白质和脂肪等成分称之为基质之为基质(matrix)；l 线粒体中催化三羧酸循环等有关线粒体中催化三羧酸循环等有关反应的酶、线粒体独特的双链环反应的酶、线粒体独特的双链环状状DNA、核糖体，这些构成了、核糖体，这些构成了相对独立的线粒体遗传信息复制、相对独立的线粒体遗传信息复制、转录和翻译系统，线粒体是除细转录和翻译系统，线粒体是除细胞核以外唯一含有胞核以外唯一含有DNA的细胞的细胞器。器。l线粒体的基因组只有一条线粒体的基因组只有一条DN

7、A，称为线粒，称为线粒体体DNA(mtDNA)，它主要编码线粒体的，它主要编码线粒体的tRNA、rRNA及一些线粒体蛋白质如某些及一些线粒体蛋白质如某些酶的组成成分。酶的组成成分。l线粒体中大多数酶或蛋白质仍由核线粒体中大多数酶或蛋白质仍由核DNA编编码，那些蛋白质在细胞质中合成后转运入码，那些蛋白质在细胞质中合成后转运入线粒体中。核编码蛋白质在进入线粒体的线粒体中。核编码蛋白质在进入线粒体的过程中需要一类被称为伴侣蛋白的物质协过程中需要一类被称为伴侣蛋白的物质协助，大多数线粒体蛋白被输入到基质，少助，大多数线粒体蛋白被输入到基质，少数到膜间隙和内、外膜上。数到膜间隙和内、外膜上。l 输入到线

8、粒体的蛋输入到线粒体的蛋白质在其白质在其N-端都有端都有一段线粒体靶序列一段线粒体靶序列称为基质导入序列称为基质导入序列(MTS)，线粒体外，线粒体外膜和内膜上的受体膜和内膜上的受体能识别并结合各种能识别并结合各种不同的但相关的不同的但相关的MTS，线粒体外蛋，线粒体外蛋白通过受体可以进白通过受体可以进入线粒体。入线粒体。l前体蛋白在线粒体外处于非折叠状态；前体蛋白在线粒体外处于非折叠状态；l前体蛋白和受体结合造成变构，此分子运前体蛋白和受体结合造成变构，此分子运动产生的动力协助多肽链穿越线粒体膜；动产生的动力协助多肽链穿越线粒体膜；l多肽链需要在线粒体基质内重新折叠才形多肽链需要在线粒体基质

9、内重新折叠才形成天然构象并形成有活性的蛋白质。成天然构象并形成有活性的蛋白质。l线粒体蛋白以类似的机制进入线粒体其他线粒体蛋白以类似的机制进入线粒体其他部位。部位。l线粒体介导了某些类型的细胞死亡线粒体介导了某些类型的细胞死亡(凋亡凋亡) ：l在研究凋亡的实验中，发现了许多证据显示在研究凋亡的实验中，发现了许多证据显示线粒体是控制细胞死亡的重要环节之一。当线粒体是控制细胞死亡的重要环节之一。当细胞受到内部或外部凋亡信号刺激时，线粒细胞受到内部或外部凋亡信号刺激时，线粒体外膜通透性改变，线粒体内的凋亡因子如体外膜通透性改变，线粒体内的凋亡因子如细胞色细胞色素素C、凋亡诱导因子、凋亡诱导因子(AI

10、F)等释放到细等释放到细胞质中，与胞质中凋亡蛋白酶活化因子胞质中，与胞质中凋亡蛋白酶活化因子Apaf-1结合，活化结合，活化caspase9进而激活进而激活caspase3，导，导致细胞凋亡。许多凋亡相关蛋白如致细胞凋亡。许多凋亡相关蛋白如Bcl-2、Bax等定位于线粒体膜上。等定位于线粒体膜上。l 线粒体的起源目前尚不太清楚，有几种假说。线粒体的起源目前尚不太清楚，有几种假说。线粒体通过分裂方式实现增殖线粒体通过分裂方式实现增殖线粒体的起源有内共生和线粒体的起源有内共生和非共生两种假说非共生两种假说细胞呼吸与能量转换细胞呼吸与能量转换l细胞呼吸是细胞内生物能源生成的主要途细胞呼吸是细胞内生物

11、能源生成的主要途径。径。l在细胞内特定的细胞器（主要是线粒体）在细胞内特定的细胞器（主要是线粒体）内，在内，在O2的参与下，分解各种大分子物质，的参与下，分解各种大分子物质，产生产生CO2；与此同时，分解代谢所释放出的；与此同时，分解代谢所释放出的能量储存于能量储存于ATP中，这一过程称为细胞呼中，这一过程称为细胞呼吸吸(cellular respiration)，也称为生物氧化，也称为生物氧化(biological oxidation)或细胞氧化或细胞氧化(cellular oxidation)。l细胞呼吸的特点：细胞呼吸的特点：1、细胞呼吸本质上是在线粒体中进行的一、细胞呼吸本质上是在线粒

12、体中进行的一系列由酶系所催化的氧化还原反应；系列由酶系所催化的氧化还原反应；2、所产生能量储存于、所产生能量储存于ATP的高能磷酸键中；的高能磷酸键中；3、整个反应过程是分步进行的，能量也是、整个反应过程是分步进行的，能量也是逐步释放的；逐步释放的；4、反应在恒温、反应在恒温(37)和恒压条件下进行；反和恒压条件下进行；反应过程中需要应过程中需要H2O的参与。的参与。lATP是一种高能磷酸化合物，细胞呼吸时，是一种高能磷酸化合物，细胞呼吸时，释放的能量可通过释放的能量可通过ADP的磷酸化而及时储的磷酸化而及时储存于存于ATP的高能磷酸键中作为备用；反之，的高能磷酸键中作为备用；反之，当细胞进行

13、各种活动需要能量时，又可去当细胞进行各种活动需要能量时，又可去磷酸化，断裂一个高能磷酸键形成磷酸化，断裂一个高能磷酸键形成ADP以以释放能量来满足机体需要。释放能量来满足机体需要。 ATP是细胞生命活动的直接供能者，也是细胞生命活动的直接供能者，也是细胞内能量获得、转换、储存和利用等是细胞内能量获得、转换、储存和利用等环节的联系纽带。环节的联系纽带。细胞的能量转换细胞的能量转换l ATP所携带的能量来源于所携带的能量来源于糖、氨基酸和脂肪酸等的糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化，以葡萄糖为例，从氧化，以葡萄糖为例，从糖酵解到糖酵解到ATP的形成，其的形成，其过程可分为三步过程可分为三步:l 一、葡萄糖

14、在细胞质中进一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解行糖酵解(glycolysis)（无（无氧）氧）;l 二、三羧酸循环二、三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle, TCA)在线粒体基质中实现在线粒体基质中实现（有氧）（有氧）;l 三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)在线粒体在线粒体膜上完成。膜上完成。糖酵解产生的丙酮酸经复杂的内膜穿梭机制进入线粒体，糖酵解产生的丙酮酸经复杂的内膜穿梭机制进入线粒体，分解为乙酰辅酶分解为乙酰辅酶A，再经三羧酸循环彻底分解。，再经三羧酸循环彻底分解。l 氧化磷酸化是释放代谢能的主要环节，在这个过氧化磷酸化

15、是释放代谢能的主要环节，在这个过程中，程中，NADH（还原型辅酶（还原型辅酶I）和）和FADH2（还原型（还原型黄素腺嘌呤二核苷酸）分子把它们从食物氧化得黄素腺嘌呤二核苷酸）分子把它们从食物氧化得来的电子转移到氧分子。这一反应相当于氢原子来的电子转移到氧分子。这一反应相当于氢原子在空气中燃烧最终形成水的过程，释放出来的能在空气中燃烧最终形成水的过程，释放出来的能量绝大部分用于生成量绝大部分用于生成ATP，少部分以热的形式释，少部分以热的形式释放。放。l 呼吸链和呼吸链和ATP合酶是氧化磷酸化的结构基础，糖合酶是氧化磷酸化的结构基础，糖氧化过程中产生的氧化过程中产生的H必须进一步氧化成水，但必须

16、进一步氧化成水，但H不不能与能与O2直接结合，须先解离为直接结合，须先解离为H+和和e-，电子经过，电子经过线粒体内膜上酶体系的逐级传递，最终使线粒体内膜上酶体系的逐级传递，最终使1/2 O2 成为成为O2- ， O2-再与基质中的再与基质中的2个个H+化合生成化合生成H2 O。这一酶体系在内膜上有序地排列成相互关联的链这一酶体系在内膜上有序地排列成相互关联的链状，故称为呼吸链或电子传递呼吸链。状，故称为呼吸链或电子传递呼吸链。l线粒体内膜上附着许线粒体内膜上附着许多圆球形基粒，这是多圆球形基粒，这是将呼吸链电子传递过将呼吸链电子传递过程中释放的能量用于程中释放的能量用于使使ADP磷酸化生成磷

17、酸化生成ATP的关键装置，是的关键装置，是由许多种多肽构成的由许多种多肽构成的复合体，其化学本质复合体，其化学本质是是ATP合酶复合体。合酶复合体。l 电子传递过程中释放出的能量催化电子传递过程中释放出的能量催化ADP磷酸化而磷酸化而合成合成ATP实现氧化磷酸化偶联。氧化水平总是和实现氧化磷酸化偶联。氧化水平总是和磷酸化水平密切偶联的，没有磷酸化就不能进行磷酸化水平密切偶联的，没有磷酸化就不能进行电子传递。电子传递。l 葡萄糖完全氧化所释放的能量主要通过两条途径葡萄糖完全氧化所释放的能量主要通过两条途径形成形成ATP：1、底物水平磷酸化生成、底物水平磷酸化生成4分子分子ATP，其中在糖酵解和其

18、中在糖酵解和TCA循环中分别生成循环中分别生成2分子分子ATP；2、氧化磷酸化生成、氧化磷酸化生成34分子分子ATP，共生成，共生成38分子分子ATP。由此可见，葡萄糖有氧氧化的产能效率大。由此可见，葡萄糖有氧氧化的产能效率大大高于无氧酵解的能量利用效率。大高于无氧酵解的能量利用效率。l H+穿膜传递形成横跨线粒体内膜的电化学质子梯穿膜传递形成横跨线粒体内膜的电化学质子梯度驱动结合在内膜上的度驱动结合在内膜上的ATP合酶催化合酶催化ADP磷酸化磷酸化合成合成ATP。l 电化学梯度所含的能量可转换成电化学梯度所含的能量可转换成ATP的化学能。的化学能。l 氧化磷酸化所需的氧化磷酸化所需的ADP和

19、和Pi是细胞质输入到线粒体基质中是细胞质输入到线粒体基质中的，而合成的的，而合成的ATP则要输往线粒体外，但线粒体内膜具有则要输往线粒体外，但线粒体内膜具有高度不通透性，这些物质进出线粒体需要依靠一些专一性高度不通透性，这些物质进出线粒体需要依靠一些专一性的转运蛋白。的转运蛋白。线粒体与人类学和医学研究线粒体与人类学和医学研究l 线粒体对外界环境的变化很敏感，在有害物质渗线粒体对外界环境的变化很敏感，在有害物质渗入、病毒感染等情况下，线粒体会发生肿胀甚至入、病毒感染等情况下，线粒体会发生肿胀甚至破裂，肿胀的体积有时可比正常体积大破裂，肿胀的体积有时可比正常体积大35倍。倍。l 肝癌细胞中，常可见到线粒体嵴的数目减少并最肝癌细胞中，常可见到线粒体嵴的数目减少并最终成为液泡状线粒体；维生素终成为液泡状线粒体；维生素C缺乏时，病变