细胞生物学第06章线粒体课件

第七章细胞的能量转换──线粒体和叶绿体2009年3月23日第一节线粒体与氧化磷酸化●线粒体的形态结构●线粒体的化学组成及酶的定位●氧化磷酸化●线粒体与疾病

1.线粒体的形态、大小、数量与分布线粒体结构模式图

线粒体外膜孔蛋白

·

执行氧化反应的电子传递链

·ATP合成酶

·

线粒体内膜转运蛋白线粒体内膜中的运输系统

二、线粒体的化学组成及酶的定位●线粒体组分分离方法●线粒体的化学组成●线粒体酶的定位2.线粒体的化学组成与各部分功能◆蛋白质(线粒体干重的65～70％)◆脂类(线粒体干重的25～30％)：·磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。·线粒体脂类和蛋白质的比值:0.3:1（内膜）；1:1（外膜）

3.线粒体主要酶的分布部位酶的名称部

位酶

的

名

称外膜单胺氧化酶NADH-细胞色素c还原酶（对鱼藤酮不敏感）犬尿酸羟化酶酰基辅酶A合成酶膜间隙腺苷酸激酶二磷酸激酶核苷酸激酶内膜细胞色素b，c，c1，a，a3氧化酶ATP合成酶系琥珀酸脱氢酶β-羟丁酸和β-羟丙酸脱氢酶肉毒碱酰基转移酶丙酮酸氧化酶NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感）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、蛋白质和核酸合成酶系、丙酮酸脱氢酶复合物细胞质线粒体内膜天冬氨酸-酮戊二酸苹果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸苹果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+线粒体基质苹果酸脱氢酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ苹果酸脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为膜上的转运载体）呼吸链苹果酸-天冬氨酸穿梭途径3-磷酸甘油穿梭途径（线粒体基质）磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHNAD+线粒体内膜NADHFMNCoQbc1caa3O2（细胞质）黄素蛋白酶类

特点：以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白递氢机理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2细胞色素血红素的结构传递电子机理：Fe3+

Fe2+-e+e波长/nm

还原型Cytc的吸收光谱CoQ的结构和递氢原理CoQ+2HCoQH22．电子载体的排列顺序◆电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高)◆电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形成高能电子

(能量转化)，终止于O2形成水。

◆高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物(H+-泵)将H+从基质侧泵到膜间隙，形成跨线粒体内膜H+梯度(能量转化)◆电子传递链各组分在膜上不对称分布3.电子传递链的四种复合物(哺乳类)◆复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白。作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电子辅酶Q；泵出4H+

◆复合物Ⅱ：琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递体而非质子移位体）组成：含FAD辅基，2Fe-S中心，作用：催化2低能电子FADFe-S辅酶Q(无H+泵出)

猪心粒体膜蛋白复合物II的三维结构（饶子和等，2005，Cell）3.电子传递链的四种复合物(哺乳类)细胞色素C氧化酶的三维结构与作用（三）两条氧化呼吸链1．NADH氧化呼吸链

2．琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼吸链)（四）ATP形成机制——氧化磷酸化◆氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程，即有机分子中储藏的能量高能电子质子动力势ATP◆氧化(电子传递、消耗氧,放能)与磷酸化(ADP+Pi，储能)同时进行，分别由两个不同的结构体系执行.1.ATP合酶的结构与组成

线粒体ATP合成系统的解离与重建实验证明电子传递与ATP合成是由两个不同的结构体系执行,F1颗粒具有ATP酶活性ATP合酶可逆性复合酶，即既能利用质子电化学梯度储存的能量合成ATP,又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙2．能量耦联与ATP合酶的作用机制几个假说

1953年EdwardSlater

化学耦联假说1961年PeterMitchell化学渗透假说1979年PaulBoyer结合变构假说1978年获诺贝尔化学奖1997年获诺贝尔化学奖化学渗透假说原理示意图4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+

ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-+++++++++__________质子流线粒体内膜磷酸化

氧化

2．能量耦联与ATP合酶的作用机制◆化学渗透假说内容：电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，形成H+电化学梯度。在这个梯度驱使下，H+穿过ATP合成酶回到基质，同时合成ATP,电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。◆支持化学渗透假说的实验证据该实验表明：

·质子动力势乃ATP合成的动力

·膜应具有完整性

·电子传递与ATP合成是两件相关而又不同的事件质子动力势的其他作用◆产热：冬眠动物与新生儿的BrownFatCell线粒体产生大量热量Boyer和Walker的工作

英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构，证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个β亚基的确有不同构象，从而有力地支持了Boyer的假说。

Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。

美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出结合变构假说，认为ATP合成酶β亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个β亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。ATPase的结合变构模型IIIIVIII定子转子

结合变构理论认为质子流通过Fo引起亚基III寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置

/亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变,亚基的中心

-螺旋被认为是转子,亚基I和II与亚基组合在一起组成定子,它压住

/异质六聚体.ATP酶作用机理ADP+PiProtenFluxH+ATP+H2O

ATPADP+PiProtenFlux有于ADP与Pi结合的构象有于ADP与Pi生成的构象有利于ATP释放的构象利用分子马达检测病原菌利用分子马达检测病原菌原理

色素体δ-freeF0F1-ATPase可作为一种新型的生物传感器去检测反应体系中的目的miRNA。首先将特异的miRNA探针连接到F0F1-ATPase的β亚基上。δ-freeF0F1-ATPase在光驱动下质子进行连续的改变，从而引发分子马达的旋转。连接在β亚基上的探针与miRNA反应，这个杂交反应会影响到分子马达的旋转，可以通过对分子马达进行标记即用pH-敏感型的CdTe原子团标记来检测其改变。总的反应体系可以通过荧光强度的变化来监测。由于探针的特异性及检测的灵敏性可以很容易的区分反应体系中的miRNA家族。由于不同病原菌具有不同的特异性核苷酸序列，所以可将该方法用于病原菌的检测。具体的操作同上，只是探针换成了特异性引物，检测对象变成了特异性基因片段。该方法具有快速、灵敏、特异性强的特点，可作为快速检测方法研究的新的趋势，具有广阔的应用前景。氧化磷酸化图解四、线粒体与疾病

线粒体是细胞内最容易受损伤的细胞器，许多研究工作表明，线粒体与人的疾病、衰老和细胞凋亡有关。克山病是一种心肌线粒体病线粒体释放细胞色素C参与细胞凋亡线粒体ＤＮＡ上某一微小的差异与引发帕金森氏症等疾病的神经细胞死亡现象相关，这一差异还可能决定人能否长寿。

小结1、了解线粒体的形态与分布，电子载体的种类和排列顺序，线粒体与疾病。熟悉NAD+、FMN、FAD、铁硫蛋白、泛醌和细胞色素的