05 细胞基本知识概要7

1、细胞生物学,中国药科大学药理教研室,第七章 细胞的能量转换线粒体和叶绿体,第一节 线粒体与氧化磷酸化 一、线粒体的形态结构 二、线粒体的化学组成及酶的定位 三、线粒体的功能 四、线粒体与疾病 第二节 线粒体是半自主性细胞器 一、线粒体的DNA 二、线粒体的蛋白质合成 第三节 线粒体的增殖与起源,细胞能量流,生物的基本能量来源是太阳光的辐射能 细胞是生物能量生成、利用的基本单位，进行着能量的吸收、储存、转移与转化等过程 能被生物利用的能量形式多样，但基础的能源是化学能和光能,化学能,细胞能量的利用是以化学能为核心，并仅能利用化合物总能量中可释出的一部分 当一种化合物水解时释放自由能的多少取决于该

2、化合物整个分子的结构 细胞内大部分物质都遵循氧化反应的一般规律进行氧化反应，常见的氧化方式有脱e-、脱氢和加氧等类型；最终的氧化分解产物是CO2和H2O，同时释放能量,生物能量的储存和释放,细胞内的氧化反应主要以生成高能磷酸化合物方式储存所释放的能量，从而为生物体所利用 细胞最常见的高能磷酸化合物是ATP：一游离核苷酸，由腺嘌呤、核糖与三分子磷酸构成，磷酸与磷酸间借磷酸酐键连接 细胞内ATP生成的三种方式：光合磷酸化（photophosphorylation），氧化磷酸化（oxidative phosphorylation），底物水平磷酸化（substrate level phosphoryl

3、ation）,p,p,p,p,& 能量,p,p,ATP,ADP,p,& 能量,p,p,p,AMP,p,p,& 能量,+能量,ATP通过磷酸基团等转移的特殊方式，既可储藏光合或物质分解产生的能量，也可为各种生物酶促反应或合成细胞结构分子和营养分子提供能量,第一节 线粒体与氧化磷酸化,1890年R. Altaman首次发现线粒体，命名为bioblast，以为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌 1898年Benda首次将这种颗命名为mitochondrion 1900年L. Michaelis用Janus Green B对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用 Green（1948）证实线粒体含所有

4、三羧酸循环的酶，Kennedy和Lehninger（1949）发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成；Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体 Mitchell（19611980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说,一、线粒体的形态结构,形状多样，一般呈线状，也有粒状或短线状 不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大，但在同一类型细胞中数目相对稳定 直径一般在0.51.0m，在长度上变化很大 蛋白占干重的65-70%，脂类占25-30%,1、分布,多数细胞中，线粒体均匀分布在整个细胞质中；但在某些细胞中，线粒体的分布不均一，有时线粒体聚集在细胞质的边缘 在细胞质中，线粒体常常集中在

5、代谢活跃的区域 线粒体具有自由运动的特性，能向细胞需能的部位转移，或者固定在需能部位的附近，以便运送ATP 线粒体除较多分布在需要ATP的区域外，也较为集中分布在有较多氧化反应底物的区域,2、超微结构,蛋白质：占线粒体干重的6570%；线粒体的蛋白质分为可溶性和不溶性的可溶性的蛋白质主要是基质的酶和膜的外周蛋白；不溶性的蛋白质构成膜的本体，其中一部分是镶嵌蛋白， 也有一些是酶蛋白 脂类：线粒体的脂类只占干重的2030%；在线粒体的脂类中多数是磷脂， 占总脂的3/4以上；含丰富的心磷脂和较少的胆固醇是线粒体在组成上与细胞其他膜结构的明显差别,二、线粒体的化学组 成及酶的定位,线粒体最外的一层全封

6、闭的单位膜结构，是线粒体的界膜 构成外膜的脂与蛋白的含量几乎相等 具有porin构成的亲水通道，允许分子量5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过 由于通透性高，膜间间隙中的环境几乎和胞质溶胶相似 含有一些特殊的酶类，说明外膜不仅参与膜磷脂的合成，同时对那些将在线粒体基质中进行彻底氧化的物质先行初步分解；单胺氧化酶是标志酶,（一）外膜,（二）内膜,位于外膜的内侧包裹线粒体基质的一层单位膜结构；通透性较低，不允许离子和大多数带电荷的小分子通过 通常向基质折褶形成嵴，嵴的形成使内膜的表面积大大增加；嵴有两种排列方式，一是层状，一是管状 内膜嵴上有许多排列规则的颗粒称为线粒体基粒，又称偶联因

7、子1，简称F1，实际是ATP合酶，又叫F0F1-ATP酶复合物 内膜的酶类：运输酶类；合成酶类；e-传递和ATP合成的酶类；标志酶是细胞色素氧化酶 是线粒体进行e-传递和氧化磷酸化的主要部位,（三）膜间间隙,是内外膜之间的腔隙，宽约6-8nm 标志酶为腺苷酸激酶：功能是催化ATP分子的末端磷酸基团 转移到AMP，生成2分子ATP,（四）线粒体基质,为内膜和嵴包围的空间，含有：催化三羧酸循环，脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶类 标志酶为苹果酸脱氢酶 基质具有一套完整的转录和翻译体系， 如 线粒体DNA（mtDNA），及线粒体特有的核糖体，RNAs 、rRNA、DNA聚合酶、 氨基酸活化酶等 纤维丝

8、和e-密度很大的致密颗粒状物质，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子,线粒体各部分蛋白的分布,（五）线粒体各部分的功能,三、线粒体的功能氧化磷酸化作用,糖酵解,（一）真核细胞中的氧化作用,葡萄糖,丙酮酸,发酵,NADH,NAD+,NAD+,NADH,乳酸,缺氧,丙酮酸,乙酰辅酶A,NAD,NADH,CO2,NAD+,ATP,ATP,ATP,CO2+H2O,TCA 循环,NADH,电子传递链,胞质溶胶,氧存在,细胞质膜,（二）呼吸链与电子传递,呼吸链：是线粒体内膜上一组酶的复合体，其功能是进行电子传递、H+的传递及氧的利用，产生H2O和ATP 在TCA循环中，乙酰COA中的2个C完全被氧化直接

9、产生的能量很少，大部分的能量都储存在辅酶（NADH和FADH2）分子中 如果将能量一次性释放则不能全部收集和储存，并会损伤细胞，为此细胞利用线粒体内膜中一系列的电子载体（呼吸链），伴随电子逐步传递，将能量储存在ATP的高能磷酸键。 电子通过呼吸链的流动称为电子运输或电子传递，伴随氧化进行的磷酸化就称为氧化磷酸化,1、电子载体,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物质称为电子载体 参与传递的电子载体有五种：NAD，黄素蛋白，细胞色素，铁硫蛋白和辅酶Q 除辅酶Q外，其余电子载体中接受和提供电子的氧化还原中心都是与蛋白相连的辅基,NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide

10、adenine dinucleotide），连接三羧酸循环和呼吸链，将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白 黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白，可接受2个电子2个质子；黄素相关的脱氢酶类主要有：以FMN为辅基的NADH脱氢酶。以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶,NAD NADP,Flavin mononucleotide(FMN)& Flavin adenine dinucleotide,细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通过Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子,铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，

11、通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型,辅酶Q：是脂溶性小分子量醌类化合物，通过氧化和还原传递电子；有3种氧化还原形式，即：氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（QH）,Cua Cyt a Cub 2e,Cyt c,Cyt b FeS Cyt c1,COQ,NADH-COQ还原酶复合物,2e FMN Fe-S,NADH,NAD+H+,H+ in,H+out,2e FAD Fe-s 2e-,琥珀酸,延胡索酸,琥珀酸-COQ还原酶复合物,2H+,FADH2,FAD+2H+,1/2O2+2H+,H2O,H+ in,H+out,CoQH2-细

12、胞色素c还原酶复合物,细胞色素c氧化酶复合物,2、呼吸链的组成和排列,呼吸链的电子载体在线粒体内膜中不是单一存在而是同其他的蛋白质组成复合物 这些复合物分别命名为复合物、；其中都没有细胞色素c和辅酶Q，这两种呼吸链的成分独立存在于线粒体膜中 组成呼吸链的四种复合物都是由不同的蛋白质组成的多蛋白复合体，功能是参与氧化还原作用，由于这些复合物在线粒体内膜中不停的移动，所有没有稳定的结构,线粒体呼吸链中四种复合物的性质,复合物,又称NADH脱氢酶或NADH-COQ还原酶复合物 组成：42条肽链组成，呈L型，含一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在 作用：催化NADH的2个电

13、子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧） e-传递的方向为： NADHFMNFe-SQ 总的反应结果为： NADH + 5H+M + QNAD+ + QH2 + 4H+C,复合物,又称琥珀酸脱氢酶或琥珀酸-COQ酶复合物，至少由4条肽链组成，含有一个FAD，2个铁硫蛋白 功能：催化电子从琥珀酸传递给辅酶Q，但不转移质子 e-传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ 反应结果为：琥珀酸+Q延胡索酸+QH2,复合物,细胞色素c还原酶，又称COQH2-细胞色素c还原酶复合物 组成：至少11条不同肽链，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个铁

14、硫蛋白和一个细胞色素c1 作用：催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙 总的反应结果为：2还原态cyt c1 + QH2 + 2 H+M2氧化态cyt c1 + Q+ 4H+C,复合物的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关,复合物,即细胞色素c氧化酶 组成：为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚单位 作用是将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙 电子传递的路线为：cyt cCuAheme aa3- CuBO2 总的反应结果为：4还原态cyt c + 8 H+M + O24氧化态cyt c

15、 + 4H+C + 2H2O,3、两条主要的呼吸链,复合物、组成主要的呼吸链，催化NADH的脱氢氧化 复合物、组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化 呼吸链各组分有序，使电子按氧化还原电位从低向高传递，能量逐级释放，呼吸链中的复合物、都是质子泵，可将质子有机质转移到膜间隙，形成质子动力势驱动ATP的合成,主呼吸链,e- 传递从NADH开始，复合物将还原型的NADH氧化，释放出的2个 e- 和1个 H+ 被FMN接受，同时从基质中摄取一个 H 将FMN还原成FMNH2，NADH被氧化成NAD+重新进入TCA循环 FMNH2将一对 H+ 传递到膜间间隙，同时将一对 e- 经铁硫蛋白传递给Q池中的两

16、个辅酶Q 两个辅酶Q得到 e- 后从基质摄取两个 H+ 被还原成两个半醌（QH） 泛醌在内膜中通过扩散进行穿膜循环（醌循环），两个半醌各从细胞色素b获得一个 e-，并从基质中再摄取两个 H+，形成两个全醌（QH2） 当全醌扩散到内膜外侧时，便把两个 e- 传递给细胞色素c1，并向膜间间隙释放一对 H+ ，本身又被氧化成半醌 当半醌扩散到接近细胞色素b时，将携带的另2个 e- 传递给细胞色素b，并向膜间间隙释放一对 H+ ，细胞色素b的一对e-又回到醌循环中 细胞色素c1将接受的2个 e- 经细胞色素c和细胞色素氧化酶传递给O，将O还原成H2O 一对 e- 经呼吸链传递到O时，共将基质中5对 H

17、 泵到膜间间隙，从而使膜间间隙的 H 浓度高于基质，估计每通过一对 H 可合成1个ATP,Transport of electrons from NADH,次呼吸链,电子传递方式同主呼吸链，只是起始电子供体是FADH2，不经过复合物I，并且复合物II不是递氢体，所以传递的H+较少，最后产生的能量也要少些,Transport of electrons from FADH2,两条呼吸链,鱼藤酮、阿米妥,抗霉素A,CN、CO,呼吸链组分及ATP酶在线粒体内膜上呈不对称分布，如细胞色素C位于线粒体内膜的C侧（向细胞质的一侧），而ATP酶位于内膜的M侧（向线粒体基质的一侧） 将线粒体用超声波破碎，线粒体

18、内膜碎片可形成颗粒朝外的小膜泡，称亚线粒体小泡或亚线粒体颗粒，这种小泡具有正常的电子传递和磷酸化的功能 用细胞色素c的抗体能够抑制完整线粒体的氧化磷酸化，但不能抑制亚线粒体颗粒的氧化磷酸化，说明细胞色素c位于线粒体内膜的C侧,氧化磷酸化作用机理,Mitchell P.1961提出“化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis)” 电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧（M侧）泵至膜间隙（胞质侧或C侧），由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（pH）及电位梯度（），两者共同构成电化学梯度即H动力势（P） P=-(2

19、.3RT/F)pH 质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP,质子动力势,ATP合酶,ATP合酶的结构和功能,ATP合酶（ATP synthetase），分子量500KD，状如蘑菇；分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用H动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运H，属于F型H泵 F1由5种多肽组成33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个亚基具有一个） F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有H通道，可使H由膜间隙流回基质 也有学者将之看成是线粒体内膜呼吸链的第五个复

20、合物（complex V）,ATP 合酶,ATP合酶合成ATP机制,1ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP 2F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同：在L构象（loose），ADP、 Pi与酶疏松结合在一起；在T构象（tight）底物（ADP、 Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去 3质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T

21、、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP,构象耦联假说,氧化磷酸化抑制剂,抑制呼吸链的电子传递。包括以下类型： 抑制NADHCoQ的电子传递。如：阿米妥(amytal)、鱼藤酮（rotenone）、杀粉蝶素A（piericidin） 抑制Cyt bCyt c1的电子传递。如：抗霉素A 抑制细胞色素氧化酶O2。如：CO、CN、NaN3、H2S,电子传递抑制剂,磷酸化抑制剂 与F0结合结合，阻断H+通道。如：寡霉素 解偶联剂（uncoupler） 解偶联蛋白(uncoupling proteins, UCPs)：位于动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体，与维持体温有关 质子载体： DNP、FCCP

22、 质子通道：增温素（thermogenin） 其它离子载体：如缬氨霉素 某些药物：如过量的阿斯匹林,线粒体的半自主性,线粒体具有独立的遗传体系 线粒体也能合成蛋白质，但是合成能力有限；线粒体的核糖体蛋白、氨酰tRNA 合成酶、许多结构蛋白， 都是核基因编码， 在细胞质中合成后，定向转运到线粒体的，因此称线粒体为半自主细胞器 mtDNA表现为母系遗传：其突变率高于核DNA，并且缺乏修复能力。有些遗传病，如Leber遗传性视神经病，肌阵挛性癫痫等均与线粒体基因突变有关,线粒体的增殖,间壁分离 ：分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两个，常见于鼠肝和植物产生组织中 收缩后分离：分裂时通过线粒体中部

23、缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中 出芽：见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体,线粒体与叶绿体的蛋白质定向转运,导向信号与线粒体蛋白定位,线粒体本身的遗传信息有限，由线粒体DNA编码的蛋白质大约只有13种，而线粒体执行功能时需上百种蛋白质 细胞质中合成的蛋白质是如何运进线粒体并准确定位呢？,细胞质中合成的某些线粒体蛋白质,蛋白质寻靶与分选,线粒体转运肽是新生蛋白N端一段大约2080个氨基酸残基的肽链，通常带正电荷的碱性氨基酸含量较为丰富 转运肽序列中不含有或基本不含有带负电荷的酸性氨基酸，并且有形成两性螺旋的倾向 不同转运肽之间没有同源性，说明转

24、运肽的序列与识别的特异性有关，而与二级或高级结构无太大关系,线粒体转运肽转运蛋白质时，具有以下特点： 需要受体转运肽首先需要和线粒体膜上的受体识别 从接触点进入线粒体内外膜要局部融合形成被运输蛋白进入的接触点 蛋白质要解折叠 需要能量既要消耗ATP，又要膜电位的驱动 需要转运肽酶 需要分子伴侣的帮助帮助转运的蛋白质解折叠，还必须将转运的蛋白质重新折叠,表7-1 线粒体蛋白分选信号*,线粒体蛋白转运,完整的多肽,线粒体内膜和外膜蛋白的转运,线粒体内膜和外膜蛋白的定位只需要一个引导肽，引导外膜和内膜蛋白穿膜 引导肽后有一段疏水的停止转运序列阻止蛋白质进一步穿膜，从而使蛋白质结合在线粒体的膜上 若疏

25、水的停止转运序列同外膜转运酶（translocase of the outer membrane，Tom）结合，则成为外膜蛋白，若是同内膜转运酶（translocase of the inter memberane，Tim）结合则是内膜蛋白,蛋白质的转运涉及多种蛋白复合体，即转位因子（translocator），由两部分构成的：受体和蛋白质通过的孔道 TOM复合体，负责通过外膜，进入膜间隙：在酵母中TOM70负责转运内部具有信号序列的蛋白；TOM20负责转运N端具有信号序列的蛋白，这两种蛋白的功能都相当于内质网上的SPR受体 TOM复合体的通道被称为GIP（general import por

26、e，主要由Tom40构成， 还包括Tom22， Tom7， Tom6和Tom5,TIM复合体,TIM23负责将蛋白质转运到基质，也可将某些蛋白质安插在内膜 TIM22负责将线粒体的代谢物运输蛋白，如ADPATP和磷酸的转运蛋白插入内膜,线粒体基质蛋白转运,线粒体基质蛋白，除极少数外，都是在细胞质游离核糖体上合成，并通过转运肽转运进来 运输过程： 前体蛋白在游离核糖体合成释放后，在细胞质分子伴侣Hsp 70的帮助下解折叠 通过N端的转运肽同线粒体外膜上的受体蛋白识别，并在受体（或附近）的内外膜接触点处利用ATP水解产生的能量驱动前体蛋白进入转运蛋白的运输通道，然后由电化学梯度驱动穿过内膜，进入基

27、质 在基质中，由mHsp 70继续维持前体蛋白的解折叠状态 而后在Hsp 60的帮助下，前体蛋白进行正确折叠，最后由转运肽酶切除转运肽，成为成熟的线粒体基质蛋白,内膜,Hsp70,ATP,ADP+Pi,1,2,ATP,ADP+Pi,ATP,ADP+Pi,Hsp60,ATP,ADP+Pi,H2O,4,接触点,线粒体膜间间隙蛋白的转运,线粒体膜间间隙蛋白的定位需两个导向序列：位于N端最前面的为基质导向序列，其后还有第二个导向序列即膜间间隙导向序列 膜间间隙导向序列有两种转运定位方式：保守性寻靶和非保守性寻靶,保守性寻靶,前体蛋白在N端的基质导向序列引导下采用与线粒体基质蛋白同样的运输方式：膜间间隙导向序列成了N端的导向序列，能识别内膜的受体和转运蛋白，引导蛋白质穿过内膜，进入线粒体膜间间隙,COO-,NH3,ATP,ADP+Pi,ATP,ADP+Pi,COO-,外膜,胞质溶胶,膜间间隙,细胞色素b2,膜间间隙导向序列,COO-,受体蛋白,转运蛋白,NH3,COO-,NH3,COO-,NH3,转运穿过内膜,血红素,内膜,基质,受体与运输转运蛋白,细胞质分子伴侣Hsp70,基质导向