细胞的能量转换线粒体和叶绿体

关于细胞的能量转换线粒体和叶绿体第1页，课件共87页，创作于2023年2月第一节线粒体与氧化磷酸化线粒体被称为细胞内的能量工厂。人体内的细胞每天要合成几千克的ATP，95%是由线粒体中的呼吸链所产生。第2页，课件共87页，创作于2023年2月一、线粒体的形态结构（一）形态和分布1.形态：因种类和生理状态而异，一般呈粒状或杆状，也有环形，哑铃形、线状、分杈状。第3页，课件共87页，创作于2023年2月活细胞中线粒体形态高度可变

第4页，课件共87页，创作于2023年2月2.大小：直径0.5-1μm，长1.5-3.0μm。胰脏分泌细胞中的线粒体可长达10-20μm，称巨线粒体，人成纤维细胞线粒体则更长，达40μm。第5页，课件共87页，创作于2023年2月3.数量：同类型细胞中数目稳定。不同类型细胞中从1个到数千个。代谢活跃细胞数量多；动物细胞较植物细胞多；红细胞无线粒体。4.分布：一般均匀分布。常结合在微管上，可向功能旺盛区域迁移。故代谢活跃区域较多。第6页，课件共87页，创作于2023年2月线粒体大小和数量反映了细胞能量需求

线粒体位于心肌细胞和精子尾部需能多的部位第7页，课件共87页，创作于2023年2月（二）线粒体的结构线粒体由内外两层单位膜封闭形成，包括外膜、内膜、膜间隙和基质4个部分。第8页，课件共87页，创作于2023年2月线粒体结构模型

第9页，课件共87页，创作于2023年2月1、外膜(outermembrane)全封闭的单位膜，脂和蛋白含量近相等;具孔蛋白(porin)构成的亲水通道，通透性较高，分子量<5KD分子可通过。具一些特殊酶类，如色氨酸降解的酶、脂肪链延伸的酶。标志酶为单胺氧化酶。第10页，课件共87页，创作于2023年2月第11页，课件共87页，创作于2023年2月2、内膜（innermembrane）厚约6-8nm，蛋白质/脂类>3:1，心磷脂含量20%，无胆固醇。通透性低，仅让不带电荷小分子通过，大分子和离子通过内膜需特殊转运系统。第12页，课件共87页，创作于2023年2月内膜向基质褶入形成嵴(cristae)，嵴常呈板层状，也有管状。嵴上有基粒，基粒由头部(F1)和嵌入内膜的基部(F0)构成。第13页，课件共87页，创作于2023年2月板层状结构第14页，课件共87页，创作于2023年2月管状嵴线粒体

第15页，课件共87页，创作于2023年2月内膜具丰富的蛋白质和酶类，主要有参与氧化磷酸化电子传递的蛋白质复合体及ATP合成的酶类，以及其它一些参与物质运输与合成的酶类。标志酶为细胞色素C氧化酶。第16页，课件共87页，创作于2023年2月3、膜间隙(intermembranespace)宽6-8nm，含大量可溶性酶、底物和辅助因子标志酶为腺苷酸激酶，催化ATP分子的末端磷酸基团转移到AMP第17页，课件共87页，创作于2023年2月4、基质（matrix）除糖酵解外，其它参与生物氧化的酶均在线粒体基质中：TCA循环、脂肪酸和丙酮酸氧化的酶。标志酶为苹果酸脱氢酶。含一套完整的转录和翻译体系：mtDNA，70S核糖体，tRNA、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。第18页，课件共87页，创作于2023年2月二、线粒体的功能是细胞进行生物氧化的主要场所，糖类、脂肪和氨基酸最终的氧化均发生在线粒体。并将氧化与磷酸化偶联，合成ATP。第19页，课件共87页，创作于2023年2月(一)真核细胞中的氧化作用(oxidation)葡萄糖和脂肪酸是真核细胞能量的主要来源。1.糖的氧化1)在胞质中，糖经糖酵解氧化生成丙酮酸；2)丙酮酸进入线粒体，脱羧生成乙酰CoA3)乙酰CoA进入TCA循环，彻底氧化成CO2第20页，课件共87页，创作于2023年2月第21页，课件共87页，创作于2023年2月第22页，课件共87页，创作于2023年2月2.脂肪的氧化：脂肪先在胞质中水解成脂肪酸，脂肪酸进入线粒体基质，通过β氧化途径生成乙酰CoA，及1分子NADH和FADH2。第23页，课件共87页，创作于2023年2月3、氨基酸的氧化乙酰辅酶A是线粒体能量代谢的核心分子。第24页，课件共87页，创作于2023年2月4、TCA循环：乙酰CoA和草酰乙酸结合生成柠檬酸，柠檬酸经氧化脱羧，经酮戊二酸、琥珀酸，降解成草酰乙酸。每循环一次生成2分子CO2、一分子GTP、4分子NADH和一分子FADH2。第25页，课件共87页，创作于2023年2月5、辅酶在能量传递中的作用:

TCA循环的净产物是FADH2和NADH，FADH2和NADH中含有底物氧化释放的高能电子，共5对，可用于ATP合成。第26页，课件共87页，创作于2023年2月第27页，课件共87页，创作于2023年2月糖酵解也产生NADH，可通过苹果酸-天门冬氨酸穿梭和甘油-磷酸穿梭，将电子传递给FAD，形成FADH2，参与ATP合成。第28页，课件共87页，创作于2023年2月磷酸甘油穿梭第29页，课件共87页，创作于2023年2月苹果酸－天门冬氨酸穿梭胞液中的NADH，首先由苹果酸脱氢酶催化将草酰乙酸还原成苹果酸，苹果酸再通过内膜上的二羧酸载体系统与线粒体内的α酮戊二酸交换而进入线粒体。然后，苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下，又氧化生成草酰乙酸并释出NADH，再经历与在线粒体内产生的NADH氧化相同的过程。第30页，课件共87页，创作于2023年2月(二)呼吸链与电子传递TCA循环后，能量储在NADH和FADH2中，需将其氧化才能将能量释放出，该过程涉及电子从NADH或FADH2传递到氧。呼吸链是内膜上的一组酶复合体，负责将电子传递到氧气，产生ATP。第31页，课件共87页，创作于2023年2月电子在经呼吸链进行传递时，高能电子中所含能量逐步释放，最后储存在ATP的高能磷酸键中，即将ADP转变成ATP，该过程称为磷酸化。而电子传递链将生物氧化和磷酸化串联在一起的过程并称为氧化磷酸化。第32页，课件共87页，创作于2023年2月1、电子载体电子载体:与电子结合并将其传递下去的物质。(1)

NAD：烟酰胺嘌呤二核苷酸，脱氢酶的辅酶，连接TCA循环和呼吸链，将氢交给黄素蛋白。第33页，课件共87页，创作于2023年2月(2)黄素蛋白(flavoprotein)：由一条多肽链结合一个辅基组成的酶类,辅基为FMN或FAD.

每个FMN或FAD可接受2个电子和2个质子。

呼吸链上既有以FMN为辅基的NADH脱氢酶，也有以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。第34页，课件共87页，创作于2023年2月(3)细胞色素(cytochrome)：呼吸链中有5类细胞色素：a、a3、b、c、c1，均含有血红素铁，以Fe3+和Fe2+互变传递电子。而细胞色素a、a3还与铜原子相连，铜原子也依靠自身化合价的变化进行电子传递。第35页，课件共87页，创作于2023年2月血红素的结构

第36页，课件共87页，创作于2023年2月(4)

铁硫蛋白(Fe/Sprotein)：属细胞色素类，分子中央结合的是铁和硫，称铁硫中心。一般含4个原子，2个铁和2个S，称2Fe-2S，也有4Fe-4S。也是通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，且一次只能传递1个电子

第37页，课件共87页，创作于2023年2月第38页，课件共87页，创作于2023年2月(5)辅酶Q(coenzymeQ)：脂溶性小分子醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式：氧化型醌Q，还原型氢醌(QH2)和介于两者间的半醌(QH)。每个醌能接受和传递2个电子和质子第39页，课件共87页，创作于2023年2月2、氧化还原电位与载体排列顺序同种物质得失电子的两种状态称氧还对。如NAD+和NADH，两者间有电位差，即氧还电位可在标准条件下测定标准氧还电位。标准氧还电位越小，提供电子的能力越强通过测定电子载体的氧化还原电位，可推断其在呼吸链中的排列顺序第40页，课件共87页，创作于2023年2月3、电子传递复合物用脱氧胆酸(离子型去污剂)处理内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。而参与电子传递的辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜，细胞色素C位于内膜的膜间隙侧(C侧)，属膜外周蛋白。第41页，课件共87页，创作于2023年2月（1）复合物ⅠNADH－CoQ还原酶，哺乳动物中由42条肽链组成。含1个FMN和6个Fe/S，以二聚体存在。作用：催化NADH的2个电子传至辅酶Q，并将4个H+由基质(M侧)→膜间隙(C侧)。电子传递方向：NADH→FMN→Fe-S→Q结果：NADH+5H+(M)+Q→NAD++QH2+4H+(C)第42页，课件共87页，创作于2023年2月（2）复合物Ⅱ琥珀酸脱氢酶，4条肽链，含1个FAD，2个Fe/S催化电子从琥珀酸→CoQ，传递过程：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。不转移质子。反应结果为：琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2第43页，课件共87页，创作于2023年2月（3）复合物ⅢCoQ-cytc还原酶，由11条不同肽链组成，以二聚体存在，单体含2个cytb(b562，b566)、一个cytc1和一个Fe/S。作用：催化电子从辅酶Q→cytc，每转移一对电子，同时将4个H+转移至膜间隙。结果：2氧化态cytc+QH2+2H+(M)→2还原态cytc+Q+4H+(C)第44页，课件共87页，创作于2023年2月复合物Ⅲ的电子传递较复杂，与“Q循环”有关辅酶Q是脂溶性小分子，能在膜中自由扩散，在内膜C侧，QH2将一个电子交给Fe-S→细胞色素c1→细胞色素c，被氧化为半醌(QH)，并将一个质子释放到膜间隙；半醌将电子交给细胞色素b566→b562，释放另外一个质子到膜间隙。第45页，课件共87页，创作于2023年2月cytb566得到的电子为循环电子，传递路线为：半醌→b566→b562→辅酶Q。因此，辅酶Q的还原有3种途径，均发生在内膜M侧。一是被复合体Ⅰ还原，二是被复合体Ⅱ还原，三是被cytb562还原。第46页，课件共87页，创作于2023年2月Q循环示意图

第47页，课件共87页，创作于2023年2月（4）复合物Ⅳcytc氧化酶，以二聚体存在，单体含1个cyta、a3和2个Cu原子。作用：电子从cytc→氧传递路线：cytc→CuA→cyta→a3-CuB→O2每转移一对电子，从基质中摄取4个H+，其中2个用于水形成，另2个被转至膜间隙。结果：

4还原态cytc+8H+(M)+O2→4氧化态cytc+4H+(C)+2H2O第48页，课件共87页，创作于2023年2月4、两条主要的呼吸链呼吸链传递的主要是NADH，而FADH2较少，可将呼吸链分为主、次两条：主链由复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成，催化NADH氧化次链由复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成，催化琥珀酸氧化第49页，课件共87页，创作于2023年2月两条主要的呼吸链第50页，课件共87页，创作于2023年2月Molecularbasisofoxidation:Electron-transportchain第51页，课件共87页，创作于2023年2月（三）ATP合酶(ATPsynthetase)的结构和作用机理是生物能量转化的核心酶。参与氧化磷酸化和光合磷酸化，催化合成ATP。存在于线粒体内膜、叶绿体类囊体膜、异氧菌和光合菌质膜上。膜结合状态下具有ATP合成活性，分离状态下具水解ATP的活性。第52页，课件共87页，创作于2023年2月TheATPsynthaseisareversiblecouplingdevice

第53页，课件共87页，创作于2023年2月1.ATP合酶(F0F1-ATP酶)的结构1)F1:5种多肽组成的九聚体(3α3βγδε)，α和β交替排列，如桔瓣。γ贯穿αβ复合体，并与F0接触，ε帮助γ与F0结合。δ与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构。具3个ATP合成催化位点,每个β亚基1个。2)F0:由3个亚基组成的15聚体(1a:2b:12c)。c亚基在膜中形成物质运动的环，b亚基与δ固定F1；a亚基是质子通道。第54页，课件共87页，创作于2023年2月ATP合酶的结构F1:5subunitsintheratio3:3:1:1:1F0:1a：2b：12c

第55页，课件共87页，创作于2023年2月在合成ATP时，在流过F0的a亚基的H+推动下,由12个c亚基组成的转子发生旋转，带动转动，依次与3个β亚基作用，使β亚基催化位点构象发生变化，催化ATP合成第56页，课件共87页，创作于2023年2月第57页，课件共87页，创作于2023年2月氧化磷酸化与电子传递的偶联呼吸链中有3个部位自由能变化较大，是呼吸链氧化还原放能与ATP合成偶联部位，可被特异性抑制剂阻断。这3个部位分别是复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ，它们每传递1对电子，释放的自由能足够合成1分子ATP。而复合物Ⅱ释放的自由能不足以合成1个分子ATP,不是ATP合成的偶联位点。第58页，课件共87页，创作于2023年2月SummaryofthemajoractivitiesduringaerobicrespirationinamitochondrionNADHO2:3ATP/2e;FADH2O2:2ATP/2e第59页，课件共87页，创作于2023年2月（四）氧化磷酸化的偶联机理氧化与磷酸化的偶联机制一直是研究氧化磷酸化作用的关键主要的假说有：1、化学渗透学说(chemiosmoticcouplinghypothesis)2、构象偶联假说(conformationalcouplinghypothesis)第60页，课件共87页，创作于2023年2月1、化学渗透假说：质子动力势MitchellP.1961提出“化学渗透假说(ChemiosmoticHypothesis)”，70年代化学渗透假说得到大量实验的支持，成为一种较为流行的假说，Mitchell也因此获得1978年诺贝尔化学奖。第61页，课件共87页，创作于2023年2月化学渗透学说电子沿呼吸链传递时，释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，线粒体内膜对离子高度不通透，使膜间隙的H+浓度高于基质，在内膜两侧形成pH梯度(△pH)及电位梯度(Ψ)，共同构成电化学梯度，即质子动力势(△P)。质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP合酶流回基质，使ATP合酶构象改变，将ADP和Pi合成ATP第62页，课件共87页，创作于2023年2月

化学渗透学说第63页，课件共87页，创作于2023年2月第64页，课件共87页，创作于2023年2月Mithchell’sChemiosmotictheory(1961)Morethan21026molecules(>160kg)ofATPperdayinourbodies.第65页，课件共87页，创作于2023年2月Otherrolesfortheproton-motiveforceinadditiontoATPsynthase第66页，课件共87页，创作于2023年2月2、构象耦联假说1979年Boyer提出构象耦联假说，主要观点是：

H+通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，带动γ转动，γ端部不对称，引起F1上3个β亚基的催化位点的构象周期性变化(L、T、O)。在L构象，ADP、Pi与酶疏松结合；在T构象与酶紧密结合，合成ATP；在O构象ATP与酶的亲和力低，被释放。每个亚基要经过3次构象改变才能催化合成1个ATP。第67页，课件共87页，创作于2023年2月第68页，课件共87页，创作于2023年2月第69页，课件共87页，创作于2023年2月支持构象耦联假说的实验有：1．日本的吉田（MassasukeYoshida）等人将α3β3γ固定在玻片上，在γ亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到γ亚基带动肌动蛋白纤维旋转。2．在另外一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白连接到ATP合酶的F0亚基上，在ATP存在时同样可以观察到肌动蛋白的旋转。第70页，课件共87页，创作于2023年2月第71页，课件共87页，创作于2023年2月（四）氧化磷酸化抑制剂1.电子传递抑制剂:①抑制NADH→CoQ电子传递:阿米妥、鱼藤酮、杀粉蝶素A。②抑制Cytb→Cytc1电子传递:抗霉素A③抑制细胞色素氧化酶→O2:CO，CN，NaN3，H2S第72页，课件共87页，创作于2023年2月2．磷酸化抑制剂:与F0结合，阻断H+通道，从而抑制ATP合成：寡霉素、二环己基碳化二亚胺(DCC)3．解偶联剂(uncoupler):使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可进行，而磷酸化不能进行。解偶联剂为离子载体或通道，能增大内膜对H+通透性，消除H+梯度，无ATP生成，使氧化释放出的能量全部以热的形式散发动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体中有独特的解偶联蛋白，与维持体温有关。第73页，课件共87页，创作于2023年2月常用解偶联剂主要有：质子载体：2，4-二硝基酚(DNP)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼(FCCP)。质子通道:增温素。其它离子载体：缬氨霉素。某些药物：如过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。第74页，课件共87页，创作于2023年2月三、线粒体的半自主性1963年发现线粒体DNA(mtDNA)后，又在线粒体发现RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖体等进行DNA复制、转录和蛋白质翻译的全套装备，说明线粒体具独立遗传体系。第75页，课件共87页，创作于2023年2月线粒体能合成蛋白质，但合成能力有限。线粒体1000多种蛋白质中，自身合成的仅十余种。线粒体核糖体蛋白、氨酰tRNA合成酶、许多结构蛋白，都是核基因编码，在胞质中合成，定向转运到线粒体.故称线粒体为半自主细胞器。第76页，课件共87页，创作于2023年2月利用标记氨基酸培养细胞，用氯霉素和放线菌酮分别抑制线粒体和胞质蛋白质合成，发现人的mtDNA编码的多肽为细胞色素c氧化酶的3个亚基，F0的2个亚基，NADH脱氢酶的7个亚基和细胞色素b等13条多肽。mtDNA还合成12S和16SrRNA及22种tRNA。第77页，课件共87页，创作于2023年2月GenesinmtDNAencoderRNAs,tRNAs,andsomemitochondrialproteinsHumanmtDNA:16,569bp2rRNAs,22tRNAs,13polypeptides:NADHreductase.7sub.Ctyb-c1complex.1cytbCytoxidase.3subunitsATPsynthase:2F0sub