细胞生物学-细胞的能量转换─线粒体.ppt

1、线粒体(mitochondrion)是线粒体是真核细胞内一种高效地将有机物中储存的能量转换为细胞生命活动的直接能源ATP的细胞器。人体内的细胞每天要合成几公斤的ATP， 95ATP是由线粒体中的呼吸链所产生，因此，线粒体被称为细胞内的“能量工厂”。,（一）形态与分布 形状：线粒体一般呈粒状或杆状，环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状。,大小：一般直径0.51m，长1.53.0m，在人的成纤维细胞中可长达40m，称巨线粒体。 数量及分布：在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大， 但在同一类型的细胞中数目相对稳定。有些细胞中只有一个线粒体，有些则有几十、几百、甚至几千个线粒体。 肝细胞约1300个

2、线粒体；单细胞鞭毛藻仅1个，许多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。植物细胞少于动物细胞；通常结合在微管上，分布在细胞功能旺盛的区域。在心肌细胞中超过50%。,（二）超微结构,线粒体（mitochondrion）是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。,通透性强:具有孔蛋白构成的孔径为2-3nm亲水通道的含水通道 5000 Da pass,线粒体的外膜,含40%的脂类和60%的蛋白质,1 通透性小，是线粒体调节物质通过的主要的途径。 2 内膜向内形成嵴，上布满了颗粒基粒。除基粒外，还存在着许多蛋白复合体。,线粒体的内膜,3 线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。,一

3、是高度特化的单位膜，膜上蛋白质占膜总重量的76%；,线粒体的膜间隙(intermembrane space)： 内外膜之间的间隙，延伸到嵴的轴心部，膜间隙的pH值与细胞质的相似。含许多可溶性酶、底物及辅助因子。,线粒体的基质(matrix)： 可溶性蛋白质的胶状物质，含三羧酸循环酶系、线粒体基因、表达酶系等以及线粒体DNA, RNA，核糖体。,(三)、线粒体化学组成及酶的定位,化学组成,蛋白质占65-70，脂质25-30（磷脂）；与脂蛋白质的比值，内膜为0.3:1，外膜为1:1；基质中含有DNA、RNA、核糖体、致密颗粒和上百种酶。,线粒体酶的定位,140余种，37氧化还原酶，10合成酶，9水

4、解酶，标志酶30余种，主要在内膜和基质中。,线粒体内酶的分布,二、线粒体的功能,线粒体的主要功能是氧化磷酸化，合成ATP，为细胞的生命活动提供能量。,动物细胞中80%的ATP来源于线粒体，糖、脂肪和氨基酸彻底氧化，电子经过一系列的传递，传至氧分子，逐级释放能量，合成ATP。,真核细胞中碳水化合物代谢,真核细胞中糖类、蛋白质和脂肪的氧化代谢,真核细胞中苹果酸-天冬氨酸穿梭途径,进入线粒体基质的电子传给NAD+ 生成NADH，直接将电子传递到呼吸链， 每传递一对电子到O2， 就能生成2.5个ATP分子。,真核细胞中甘油-3-磷酸穿梭系统,电子经过复合物II进入呼吸链，不经过复合物I， 每传递一对电

5、子仅能生成1.5个ATP分子。,线粒体内膜两条呼吸链的组分、排列及氧化磷酸化的耦联系部位,根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，分为NADH呼吸链和FADH2呼吸链。 NADH呼吸链由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。 FADH2呼吸链由复合物II、III、IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。,在三羧酸循环中，乙酰CoA氧化释放的大部分能量都储存在辅酶(NADH和FADH2)分子中。细胞利用线粒体内膜中一系列的电子载体(呼吸链)，伴随着逐步电子传递，将NADH或FADH2进行氧化，逐步收集释放的自由能最后用于ATP的合成，将能量储存在ATP的高能磷酸键。,呼吸链与电子传递,NA

6、DH + 1/2 O2- NAD+ H2O + 能量,FADH2 + 1/2 O2- FAD+ H2O + 能量,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。 有四种黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白和辅酶Q，在这四类电子载体中，除了辅酶Q以外，接受和提供电子的氧化还原中心都是与蛋白相连的辅基。,电子载体(electron carriers),电子载体(electron carrier)： 黄素蛋白（Flavoprotein） 细胞色素（Cytochrome） 泛醌（ubiquinone, UQ）or 辅酶Q （Coenyme Q, CoQ） 铁硫蛋白（iron-sulfur

7、 protein） 铜原子（copper atom）,黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子和2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶，以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。,细胞色素：以铁卟啉为辅基的色蛋白，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aa3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，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，含有长长的疏水 链，由五碳类戊二醇构成通过氧化和还原传递电子。,1 氧化型醌

8、 (Q) 2 还原型氢醌（QH2） 3 介于两者之者的自由基半醌（QH）。,有3种氧化还原形式,线粒体内膜电子传递复合物的排列及电子和质子传递示意图,复合物 （NADH脱氢酶）： 106 Da FMN黄素蛋白+ 6铁硫中心 42条不同的多肽链组成，其中7个是疏水的跨膜多肽，由线粒体基因编码。 电子传递的方向为：NADHFMNFe-SQ,复合物 (琥珀酸脱氢酶)： 2个亲水蛋白：黄素蛋白和铁硫蛋白， 及2个穿膜蛋白 TCA中唯一一个跨膜的酶，相对分子量140103 无ATP生成，无质子跨膜。 电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ,Succinate Dehydrogenase,复合物 (细胞

9、色素还原酶)： 由10多条肽链组成，相对分子量250103 1个细胞色素b：两种血红素b562 , b 566 1个细胞色素c 1个铁硫蛋白 复合物将电子从UQH2到细胞色素c的传递和H+从基质到膜间隙的单向运动两个过程耦联起来。,复合物 (细胞色素氧化酶)： 由13多条肽链组成，相对分子量204103，3个疏水性多肽链由线粒体基因编码 4个氧化还原中心： 细胞色素a和a3及2个铜离子（CuA和CuB） 其作用是催化电子从细胞色素c传给氧生成H2O,Cytochrome C Oxidase,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。

10、,ATP合成酶，分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用质子动力势合成ATP，每秒钟可产生100个ATP。,ATP合成酶的结构和作用机理,F1头部：为水溶性的蛋白质，从内膜突出于基质，可以利用质子动力势合成ATP。 F1是由9个亚基组成的33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（亚基）。和单位交替排列成桔瓣状结构。 贯穿复合体，发挥转子的作用来调节三个 亚基催化位点的开放和关闭，并与F0接触. 帮助与F0结合。一起形成转子。 与F0的两个b亚基形成固定复合体的结构（定子）。,c,ATP合成酶的作用机制,ATP合酶合成ATP的机理,结合变构模型(binding-change m

11、odel) 该模型认为F1中的亚基作为C亚基旋转中心中固定的转动杆，旋转时会引起复合物构型的改变。有三种不同的构型，对ATP和ADP具有不同的结合能力:,O型几乎不与ATP、ADP和Pi结合; L型同ADP和Pi的结合较强; T型与ADP和Pi的结合很紧，并能自动形成ATP，并能与ATP牢牢结合,支持构象耦联假说的实验：,日本的吉田将 33固定在玻片上，在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亚基带动肌动蛋白纤维旋转。,复合物 (ATP合成酶)： F1（耦联因子F1）：33 F0（耦联因子F0）： ab2c1012,1,2,3,一、线粒体具有独立的遗传体系 线粒体是一种半自主性的细胞器，它除了有自己的遗传物质-线粒体DNA外，还有蛋白质合成系统(mRNA、rRNA、tRNA)和线粒体核糖体等。线粒体中的蛋白质只有约20种是线粒体基因编码的，但组成线粒体约有上千种之多，所以大多数线粒体蛋白质还是由核基因编码。由此可见，线