第六章线粒体与细胞能量转换

1、第六章线粒体与细胞能量转换第一节 线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量和结构（一）线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关形态：线状、粒状或杆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：截面直径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1个50万个。最多时占细胞总体积的25%。哺乳动物心肌、骨骼肌、小肠细胞线粒体极丰富。分布：需能较多的区域，可沿微管向功能旺盛的区域迁移线粒体微管（二）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。1. 外膜( outer memb

2、rane )包围在线粒体表面的一层单位膜，厚6nm，光滑平整。仅含少量酶蛋白，蛋白质/脂类为1:1。整合膜蛋白包括多种转运蛋白孔蛋白分子量5103以下的物质可自由通过。（二）线粒体的超微结构1. 外膜( outer membrane )包围在线粒体表面的一层单位膜，厚6nm，光滑平整。仅含少量酶蛋白，蛋白质/脂类为1:1。整合膜蛋白包括多种转运蛋白孔蛋白由片层形成的筒状结构，包绕成一直径23nm的内部通道。分子量5103以下的物质可自由通过。（二）线粒体的超微结构2. 内膜( inner membrane )内膜厚约4.5nm，深度折叠形成嵴( cristae )。富含酶蛋白和辅酶，蛋白质/脂

3、类大于3:1。内膜有电子传递链和基粒。通透性低，分子量 150的物质不能通过。水分子和游离酸型丙酮酸可通过膜上有转运蛋白，包含多种转运系统。（二）线粒体的超微结构3. 膜间腔( inter membrane space )线粒体内外膜之间封闭的腔隙，宽约68nm。 嵴内腔( intracristae space )是膜间腔的延伸。含可溶性酶、底物和辅助因子转位接触点( translocation contact site ) 图 128页内、外膜在某些地方相互接触，使膜间腔变狭窄处。由通道蛋白和特异性受体构成。（二）线粒体的超微结构4. 基质腔( matrix space )内膜包围的嵴外空间

4、嵴间腔 内膜折叠形成的两层嵴之间的间隙基质( matrix )富含可溶性蛋白 如催化TCA cycle、脂肪酸-氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等多种酶。可溶性代谢中间产物线粒体 DNA, RNA, 核糖体二、线粒体的化学组成蛋白质占线粒体干重65%70%,主要分布在内膜和基质。可溶性蛋白 基质中的酶、膜外周蛋白不溶性蛋白 膜结构蛋白、膜镶嵌酶蛋白线粒体含有120余种酶（酶系）氧化还原酶37%、合成酶10%、水解酶约9%外膜标志酶：单胺氧化酶内膜标志酶：Cyt b,c,c1,a,a3膜间腔标志酶：腺苷酸激酶基质标志酶：苹果酸脱氢酶二、线粒体的化学组成脂类占干重的25%30%（75%以上是磷脂）主要

5、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。三、线粒体的遗传体系线粒体由两套遗传系统控制，是具有半自主性的细胞器。核基因组线粒体基因组（一）线粒体 DNA 结构Human mt DNA 含16 569 bp，双链环状DNA分子。裸露，不与组蛋白结合，在基质中或附着在内膜上。每个线粒体含有1数个 mt DNA. 平均 510 个。人类线粒体基因组编码图 图 129页人类线粒体基因组共编码37个基因 130页电子传递链组分ND1, ND2,ND3, ND4L,ND4, ND5& ND6Cyt bCOXCOX COX 三、线粒体的遗

6、传体系（二）重链和轻链各有一个启动子启动线粒体基因的转录（略）（三）线粒体DNA的两条链由各自的复制起始点（略）四、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1. 线粒体外膜(outer mitochondrial membrane, OMM)2. 线粒体内膜(inner mitochondrial membrane, IMM)3. 膜间腔4. 基质（一）核编码蛋白向线粒体基质的转运1. 核编码蛋白进入线粒体需要分子伴侣蛋白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

7、个氨基酸残基组成，富含 Arg, Lys, Ser & 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。完成转运后，MTS 被信号肽酶(signal peptidase)切除。（一）核编码蛋白向线粒体基质的转运2. 前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态分子伴侣 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；协助跨膜转运后的多肽折叠和组装。新生多肽相关复合物 热休克蛋白 热休克同源蛋白胞质hsc70 协助前体蛋白解折叠，到达线粒体表面后，ATP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。 前体蛋白结合因子

8、( pre-sequence binding factor, PBF ) 线粒体输入刺激因子( mitochondrial import stimulatory factor, 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。3. 分子伴侣运动产生的动力协助多肽穿越线粒体膜蛋白质首先通过 TOM 复合体进入膜间隙，然后通过 TIM 复合体进入基质。蛋白质通过转位接触点直接进入基质在接触点上 TOM 与 TIM 协同作用，多肽靶向基质。布朗棘轮模型 (

9、 Brownian ratchet model ) 图 133页4. 多肽链在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。（二）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运（了解）前体蛋白具有两个信号序列前体蛋白 N-端携带 MTS 靶向基质，MTS 被 MPP 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。2. 蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运 教材 134页五、线粒体的起源

10、与发生（一）分裂增殖出芽：见于酵母和藓类植物，线粒体出芽、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：线粒体内膜向中心皱褶，形成间壁，将其一分为二，常见于鼠肝和植物分生组织。五、线粒体的起源与发生（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。五、线粒体的起源与发生（三）线粒体可能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

11、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变为线粒体。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。线粒体起源的内共生假说第二节 细胞呼吸与能量转换一、细胞呼吸糖、脂肪和蛋白质等营养物质在细胞内彻底氧化生成 CO2 和 H2O，释放能量的过程称为细胞氧化(cellular oxidation)。此过程需消耗O2、放出CO2，又称为细胞呼吸 (cellular respiration) 。细胞呼吸的特点第二节 细胞呼吸与能量转换二、细胞能量的转换分子ATP第三节 细胞的能量转换葡萄糖氧化的三个步骤第1阶

12、段 糖酵解 (glycolysis)第2阶段 三羧酸循环(tri-carboxylic acid cycle，TCA cycle)第3阶段 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)一、糖酵解（细胞质基质） C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 酵解酶系 进入有氧氧化 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP 丙酮酸 2CH3CHOHCOOH + 2NAD+ + 2ATP 完成无氧酵解 乳 酸 2CH3CH2OH + 2CO2+2NAD+ + 2ATP 乙 醇NAD+ ( nicotinamide adenine dinucleo

13、tide, 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，带正电荷的离子)电子受体一、糖酵解（细胞质基质）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2CH3COCOOH + 2HSCoA + 2NAD+ 2CH3COSCoA + 2CO2 + 2NADH + 2H+ NADH + H+借助于内膜上的特异性穿梭系统进入基质苹果酸 - 天冬氨酸穿梭 教材 138页- 磷酸甘油穿梭二、 线粒体基质中的 TCA cycle柠檬酸 6C异柠檬酸 6C-酮戊二酸5C琥珀酰CoA 4C NAD+ NADH+H+123456789NAD+ NADH+H+NAD+NADH+H+NADH+H+NAD+

14、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CO2PiCO2CO2二、线粒体基质中的 TCA cycle三羧酸循环要点TCA 循环将丙酮酸氧化为CO2和H2O，并产生能量。TCA 循环共有8个步骤。循环一次，氧化1个乙酰基。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产生 1GTP、3NADH 和 1FADH2 2！三、线粒体氧化磷酸化偶联与A

15、TP形成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。（一）呼吸链和 ATP 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，由一系列电子载体构成，能够可逆地接受和释放H+和电子。呼吸链上的最终电子受体是分子氧。电子传递体：只传递电子的酶和辅酶（泛醌、Cytc）递氢体：既传递电子又传递质子的酶和辅酶电子载体的类型 根据接收代谢物上脱下的 H 的原初受体，分为NADH 呼吸链FADH2 呼吸链电子转运

16、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。复合体复合体复合体 复合体泛醌和细胞色素C不属于任何一种复合物复合体（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。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

17、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还原1个O2分子反应如下： 4 Cytc2+ + 4H+ + O2 4Cytc3+ + 2H2O2. ATP 合酶复合体基粒(elementary particle)排列在内膜和嵴上基质腔一侧的颗粒状凸起。基粒间距为10 。2. ATP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

18、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，结合在一起形成“转子”。亚基协助亚基附着到 F0。2. ATP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。（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。（二）氧化过程伴随磷酸化的偶联根据实验测定

19、，各组分在链上的顺序与其得失电子的趋势有关，电子总是从低氧化还原电位向高氧化还原电位流动。氧化还原电位值愈低的组分供电子的倾向愈大呼吸链3个能量释放偶联ATP生成的部位，见图。NADH2.5 ATPFADH21.5 ATP生物氧化产生ATP的统计糖酵解（以葡萄糖为例）底物水平磷酸化 4 ATP细胞质基质己糖分子活化 2 ATP细胞质基质2分子 NADH 3 ATP (or 5ATP)*进入线粒体*丙酮酸氧化脱羧2分子 NADH 5 ATP线 粒 体TCA 循环底物水平磷酸化 2 ATP线 粒 体6分子 NADH 15 ATP线 粒 体2分子 FADH2 3 ATP线 粒 体总计生成 30 AT

20、P (or 32ATP)*（三）电子传递时 H+穿膜形成电化学梯度化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis) 英国 P. Mitchell，1961 电子传递释放的能量将 H+从基质泵出内膜，形成跨膜电化学质子梯度；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。电化学质子梯度如何驱动ATP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：LTO,

21、不断将 ADP 和 Pi 加合生成 ATP。（四）电化学梯度所包含的能量转换成ATP的化学能结合变构机制( binding-change mechanism )3个亚基的构象怎么会发生交替变化呢？每个亚基具有松弛 (L)、紧密 (T) 和开放 (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状态时，ADP + Pi 自发形成 ATP；随后，当亚基转变为开放状态时，ATP 被释放进入基质。第四节 线粒体与细胞死亡自学了解第五节 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、活性氧自由基增多和乳酸中毒等，造成细胞损伤或细胞