医学细胞生物学第六章线粒体与细胞的能量转换

1、第六章 线粒体与细胞的能量转换mitochondion主要内容线粒体的基本特征细胞呼吸与能量转换线粒体与疾病2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换3第一节 线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量、分布和结构形态：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：光镜下直径0.51.0，长12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402022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换4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2

2、5%。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。线粒体微管2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换5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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换6线粒体的形态短杆状2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换7线粒体的形态线状、粒状2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换8 线粒

3、体的超微结构电镜下线粒体由两层单位膜套叠而成的封闭囊泡状结构。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换9嵴(cristae)2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换10（一）外膜( outer membrane )包围在线粒体表面的一层单位膜，厚6nm，光滑平整。蛋白质/脂类为1:1。仅含少量酶蛋白整合膜蛋白包括多种转运蛋白孔蛋白(porin)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。ATP, 辅酶A等（分子量低于103）小分子多肽2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换11孔蛋白外膜肽聚糖质膜转运蛋白孔蛋白革兰氏阴性菌在

4、质膜外还有含脂的外膜作为细胞壁的一部分。外膜中有孔蛋白，允许大小合适的物质通过。线粒体外膜中也发现许多具有大小不一和选择性的孔蛋白通道。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换12（二）内膜内膜(inner membrane)厚约4.5nm，深度折叠形成嵴( cristae )。板层状嵴 哺乳动物肝细胞、心肌细胞管状嵴 分泌类固醇激素的细胞 如肾上腺皮质细胞、黄体细胞、睾丸间质细胞和白细胞内膜成分20%为脂类，80%为蛋白质内膜包围的空间为内腔即基质腔内腔含有基质，故称基质腔内膜与外膜之间的空间为外腔，或膜间腔嵴是内膜向内腔突起的折叠嵴内部空间与外腔相连，嵴内部这部分空间称嵴内腔嵴与嵴

5、之间的内腔部分称嵴间腔线粒体结构2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换15内膜富含酶蛋白和辅酶，蛋白质/脂类大于3:1。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，含有多种转运系统。几乎所有分子和离子都需要特异的膜蛋白转运。内膜有电子传递链和基粒（又称ATP合酶）。内膜特性线粒体基粒又称ATP合酶分头部、丙部和基片头部：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2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换17（三）转位接触点是核编码蛋白进入线粒体的通道内、外膜在某些地方相互接触，使膜间腔变狭窄处，称为转位接触点(

6、 translocation contact site ) 。鼠肝细胞线粒体约有115 个转位接触点。由通道蛋白和特异性受体构成。前体蛋白进出线粒体的通道。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换18由通道蛋白和特异性受体构成外膜转位子( translocon of the outer membrane, Tom )内膜转位子( translocon of the inner membrane, Tim )基质腔( matrix space )又称内腔，内膜包围的嵴外空间。嵴间腔 内膜折叠形成的两层嵴之间的间隙。膜间腔(inter membrane space)线粒体内外膜之间封闭的腔

7、隙，宽约68nm。 嵴内腔( intracristae space )是膜间腔的延伸。（四）基质( matrix )富含可溶性蛋白 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。大量可溶性代谢中间产物。线粒体DNA, RNA, 核糖体。形成自身遗传体系。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换20二、线粒体的主要化学成分蛋白质占线粒体干重的65%70%,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%。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

8、白线粒体不同部位的标志酶线粒体含有120余种酶（酶系）氧化还原酶37%、合成酶10%、水解酶约9%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2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换22线粒体主要酶的分布 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,a3ATP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

9、丙酮酸脱氢酶复合物2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换23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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换24三、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

10、密码与核密码编码含义有所不同。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换25（二）线粒体基因组是一条双链环状的DNAHuman 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2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换26人类线粒体基因组共编码37个基因重链编码（28个）12S rRNA、16S rRNANADH-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 oxidas

11、e, COX)、COX & 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2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能

12、量转换28电子传递链组分2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换29呼吸链蛋白质的组成ND1, ND2,ND3, ND4L,ND4, ND5& ND6COXCOX COX A6,A8Cyt b2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换30人类线粒体基因组共编码37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

13、和轻链各自的主要启动子开始线粒体转录因子1（mtTFA）参与线粒体基因转录的调节 mtTFA与HSP和LHP上游DNA特定序列相结合，在mtRNA聚合酶的作用下启动转录过程重链上的转录起始位点有2个，形成两个初级转录产物 - 转录产物I开始于tRNAphe,终止于16SrRNA基因的末端，最终剪切为tRNAphe、tRNAval、12SrRNA和16SrRNA； - 转录产物II的起始点约在12SrRNA基因的5端，持续转录整个重链，终产物为tRNA和mRNA（无rRNA）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

14、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重叠基因（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2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换36四、核编码蛋白的线粒体转运线粒体的基因产物主要来自核编码的蛋白线粒体的4个蛋白质输送亚区域，进入不同部位的蛋白具有不同的转运途径。 1. 线粒体外膜(outer mitochondria

15、l membrane, OMM )2. 线粒体内膜(inner mitochondrial membrane, IMM )3. 膜间腔(intermembrane space)4. 基质(matrix)2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换37（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 & 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

16、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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换39(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，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

17、其重新折叠。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换40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)前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换41内膜 ATP/ADP 反向转运体和 MSF 形成复合体，再与外膜上的受体 Tom 37 &

18、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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换42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。T

19、IM 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2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换44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 2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换45（三）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

20、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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换46(四)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( Mitochondrial

21、processing peptidase, MPP )移除mthsc70 作为折叠因子协助多肽折叠mthsc60 完成最后折叠2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换472022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换48（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 mths

22、p70 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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换49（五）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换50

23、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 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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换51五、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

24、网膜等重新装配镜下观察活细胞的线粒体，支持第一种观点 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2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换52（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

25、信息时，将出现线粒体疾病。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换53（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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换54线粒体起源的内共生假说2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换552022/9/25第

26、六章 线粒体与细胞的能量转换56第二节 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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换57二、细胞能量的转换分子ATP去磷酸化磷酸化2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换58线粒体的主要功能能量转换葡萄糖糖酵解丙酮酸发酵乳

27、糖细胞质CO2,H2OATPATPATP质膜真核细胞中糖类代谢概况2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换59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 acid cycle, TCA 循环 )第3阶段：氧化磷酸化( oxidative phosphorylation )2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换60一、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+ + 2A

28、TP 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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换61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

29、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+ 2CH3COSCoA + 2CO2 + 2NADH + 2H+ * 乙酰 CoA 是醋酸与辅酶A ( CoA,一种载体分子 )结合而成2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换62苹果酸-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

30、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糖酵解线粒体基质细胞质基质2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换63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

31、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。 2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换64二、 三羧酸循环在线粒体基质中实现2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换65二、TCA cycle柠檬酸 6C异柠檬酸 6C-酮戊二酸5C琥珀酰CoA 4C NAD+ NADH+H+123456789NAD+ 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CO2PiCO2CO

32、22022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换66TCA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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换67三、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

33、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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换68（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2022/9/25第六章 线粒体与细胞的

34、能量转换69（一）呼吸链和 ATP 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 aa3O22022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换70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

35、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,Cu2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换71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

36、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+ + 2H2O2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换72（一）呼吸链和 ATP 合酶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102022/9/25第六章 线粒体与细

37、胞的能量转换73基粒(elementary particle)2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换74ATP 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 nm4nm4.55nm2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换752. 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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换762. ATP合

38、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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换77（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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换78根据接收代谢物上脱下的 H 的原初受体，电子载体的类型分为NADH 呼

39、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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换79呼吸链3个能量释放偶联ATP生成的部位MADHFMN，50 800 JCyt bCyt c，41 000 JCyt aa3O2，99 500 J图中阐明了载体的近似氧还电位和电子对沿呼吸连传

40、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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换80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

41、P (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; FADH21.52022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换81（三）电子传递时H+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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换83电化学质子梯度如何驱动

42、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：松弛(L)紧密(T)开放(O), 不断将 ADP 和 Pi 加合生成 ATP。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换84（四）电化学梯度所包含的能量转换成ATP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；

43、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2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换85支持结合变构机制和旋转催化作用的证据(a) F1的截面，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

44、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2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换86第四节 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 (ROS) 增多和乳酸中毒等，造成细胞损伤或细胞凋亡。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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换87第四节 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

45、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体所患疾病将更加严重。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换88一、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

46、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2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换90二、mtDNA 突变可导致多种疾病帕金森病(Parkinsons disease, PD) mtDNA 4 977bp缺失。线粒体功能退行性变化。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。2022/9/25第六章 线粒体与细胞的能量转换91部分与 mtDNA 突变相关的疾病 疾病名称临床表现突变类型老年性痴呆进行性丧失认知能力点突变慢性进行性眼外肌麻痹眼肌麻痹和线粒体肌病点突变/重排肌阵挛性癫痫、粗红肌纤维病癫痫合并线粒体肌病 点突变线粒体脑肌病脑组织机能障碍合并线粒体肌病及酸中毒 点突变线粒体肌病 肌无力，退化，肌内有充满异常线