线粒体与细胞能量转换

线粒体与叶绿体能量转换：叶绿体：通过光合作用把光能转换为化学能，储存于大分子有机物中线粒体：将储存在生物大分子中的化学能转换为细胞可直接利用的能源线粒体与叶绿体的共性：半自主性细胞器1.形态特征主要是封闭的双层单位膜结构，内膜经过折叠演化为表面极大扩增的内膜特化结构系统，在能量转换过程中起重要作用。2.功能都是高效的产生ATP的精密装置。3.遗传物质都具有环状DNA及自身转录RNA与翻译蛋白质的体系（第二遗传信息系统）第1页/共42页第2页/共42页一、线粒体的形态结构定位（分布）与形态结构与化学组成二、线粒体的功能氧化代谢电子传递链与电子传递质子转移与质子驱动力的形成氧化磷酸化为各种生命活动提供能量三、线粒体与疾病第3页/共42页线粒体在细胞内的分布一般是不均匀的，根据细胞代谢需要，线粒体可在细胞质中运动变形和分裂增殖。第4页/共42页线粒体的形态与分布形状多样，以线状和粒状最常见；大小、数量与分布也变动很大；大小：一般直径为0.5-1μm,长度为1.5-3μm，至几十μm；不同类型中线粒体的数目相差很大：一般动物细胞比植物细胞多，代谢旺盛的细胞比静态细胞多；在胞质中的分布通常是均匀的，某些细胞里集中在代谢旺盛的部位在胞质中的定位与迁移与微管有关。第5页/共42页第6页/共42页外膜（outermembrane）厚约5-7nm蛋白质、脂质各占50%含孔蛋白（porin），由β折叠链形成桶状结构，中心为2-3nm的小孔。可以可逆的开闭，完全打开时，可通过分子量10000以下的物质。外膜的通透性非常高标志酶为单胺氧化酶第7页/共42页内膜（innermembrane）平均厚4.5nm蛋白质:脂质=4:1缺乏胆固醇，富含心磷脂，占磷脂含量的20%，形成了通透性屏障，严格控制分子和离子通过。对建立质子电化学梯度，驱动ATP合成起重要作用。向内折叠形成嵴（cristae）增加内膜的表面积标志酶为细胞色素氧化酶第8页/共42页膜间隙(intermembranespace)&基质（matrix）

内外膜之间的腔隙，宽6-8nm，含有可溶性的酶、底物和辅助因子。标志酶为：腺苷酸激酶。内膜所包围的嵴外空间为线粒体基质。基质内包含可溶性蛋白质的胶状物质，具有一定的pH值和渗透压。基质中酶包括：TCA循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解等有关的酶;遗传系统包括DNA、RNA、核糖体和转录、翻译遗传信息所需的各种装置。标志酶为：苹果酸脱氢酶第9页/共42页线粒体的化学组成◆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，内膜缺乏胆固醇，富含主要是心磷脂(20%)。线粒体内、外膜脂类和蛋白质的比值:0.3:1（内膜）；1:1（外膜）第10页/共42页线粒体主要酶的分布

第11页/共42页线粒体的功能线粒体主要功能是进行三羧酸循环及氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成、调节细胞氧化还原电位和信号转导，调控细胞凋亡、基因表达、细胞内多种离子的跨膜运输及电解质稳态平衡，包括线粒体对细胞中Ca2+的稳态调节有关。 （一）线粒体中的氧化代谢 （二）电子传递链与电子传递（三）质子转移与质子驱动力的形成（四）ATP形成机制——氧化磷酸化第12页/共42页线粒体中的氧化代谢线粒体中的三羧酸循环，是物质氧化的最终共同途径，氧化磷酸化是生物体获得能量的主要途径。Figure9.6ElectronscarriedviaNADHGlycolsisGlucosePyruvateATPSubstrate-levelphosphorylationElectronscarriedviaNADHandFADH2CitricacidcycleOxidative

phosphorylation:

electrontransportand

chemiosmosisATPATPSubstrate-levelphosphorylationOxidativephosphorylationMitochondrionCytosol第13页/共42页糖酵解第14页/共42页苹果酸-天冬氨酸穿梭草酰乙酸谷氨酸α-酮戊二酸第15页/共42页TCA循环第16页/共42页电子传递链与电子传递在线粒体内膜上存在传递电子的一组酶的复合体，由一系列能可逆地接受和释放电子的化学物质所组成，它们在内膜上相互关联地有序排列成传递链，称为电子传递链（electrontransportchain）或呼吸链（respiratorychain）,是典型的多酶体系。电子通过呼吸链的流动，称为电子传递。

1.电子载体

2.电子载体排列顺序

3.电子转运复合物第17页/共42页电子载体

电子传递链是由一系列特殊的电子载体构成的。在电子传递过程中，与释放的电子结合并将电子传递下去的化合物称为电子载体（electroncarrier）。电子载体有五种：黄素蛋白（flavoprotein）细胞色素(cytochrome)

泛醌(ubiquinone,UQ)

铁硫蛋白(iron-sulfurprotein)

铜原子(copperatom)它们都具有氧化还原作用，除泛醌外接受和提供电子的氧化还原中心都是与蛋白质相连的辅基。第18页/共42页黄素蛋白（flavoprotein）是由一条多肽与黄素腺嘌呤单核苷酸（FMN）或黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）紧密结合组成的结合蛋白，黄素蛋白的辅基都是核黄素（维生素B2）的衍生物，每次能传递两个电子和两个H+。第19页/共42页细胞色素(cytochrome)

是一种带有含铁血红素辅基而对可见光具有特征性强吸收的蛋白，血红素中的铁通过Fe3+和Fe2+

两种状态变换，传递单个电子。包括细胞色素a、a3、b、c、c1。第20页/共42页泛醌(ubiquinone,UQ)泛醌或称辅酶Q（CoQ），是一种脂溶性的带有一条长的类异戊二烯侧链苯醌。它是唯一不与蛋白结合的电子载体，位于内膜上，能够在内膜脂双分子层上自由扩散。第21页/共42页铁硫蛋白(iron-sulfurprotein)铁硫蛋白是一类含非血红素铁的蛋白质，在铁硫蛋白分子的中央结合的是铁和硫，称为铁硫中心。靠Fe3+和Fe2+

两种状态变换传递电子，每次只能传递一个电子。第22页/共42页铜原子(copperatom)在aa3分子中，除含血红素铁外，尚含有2个铜原子，依靠Cu2+和Cu+的变化传递单个电子，把电子从a3传递到氧。第23页/共42页电子载体排列顺序实验证明，呼吸链中的电子载体有严格的排列顺序和方向。它们是按照氧化还原电位从低向高排序。第24页/共42页电子转运复合物

电子传递链中的各组分不是游离存在的，而是结合成为膜蛋白复合物，其功能是参加氧化还原作用，共含有70多种不同的多肽。复合物Ⅰ复合物Ⅲ复合物Ⅳ复合物Ⅱ第25页/共42页复合物Ⅱ第26页/共42页复合物Ⅲ第27页/共42页复合物Ⅳ第28页/共42页◆五种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素(含血红素辅基)、Fe-S中心、铜原子、辅酶Q。前四种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性醌。◆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。◆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)◆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第29页/共42页质子转移与质子驱动力的形成膜电位（△Ψ）和膜内外H+浓度差（△pH）所贮存的电化学梯度自由能总称为质子动力势（proton-motiveforce,△P）。△P=△Ψ-2.3—△pHRTF第30页/共42页ATP形成机制——氧化磷酸化将ADP转变为ATP的过程称为磷酸化（phosphorylation）。底物水平的磷酸化氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）光合磷酸化（photophosphorylation）1.ATP合成酶的结构与组成2.能量耦联与ATP合成酶的作用机制

第31页/共42页底物水平的磷酸化

由相关的酶将底物分子上的磷酸基团转移到ADP分子上，生成ATP。第32页/共42页ATP合成酶的结构与组成第33页/共42页能量耦联与ATP合成酶的作用机制

◆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◆化学渗透假说◆ATP合成机制第34页/共42页该实验证明了：

1.颗粒是ATP合成必需的

2.小泡是电子传递必需的

3.电子传递和ATP合成是分开进行的第35页/共42页氧化磷酸化的耦联机制—化学渗透假说◆化学渗透假说内容：（获1978诺贝尔化学奖）由英国Michell提出，认为在电子传递过程中，由于线粒体内膜的不通透性，形成了跨线粒体内膜的质子梯度驱动ATP的合成(实验证据)。◆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第36页/共42页下面实验可以证明从NADH或FADH2到O2的电子传递与质子的跨膜转运相耦联：第37页/共42页下面两个实验可以证明只要有质子动力势就可以合成ATP细菌视紫红质第38页/共42页结合变构机制BandingChangeMechanism(Boyer1979)，1997年获诺贝尔化学奖1.质子梯度作用不是用于形成ATP，而是使ATP从酶分子上解脱下来。2.3个β亚基构象不同