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户蔡
5 years ago
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1 第十二章线粒体与氧化磷酸化

2 主要内容 : 1 掌握线粒体的超微结构及主要功能; 2 掌握电子传递和氧化磷酸化的结构基础; 3 掌握氧化磷酸化的偶联机制---- 化学渗透假说和结合变构模型 ; 4 了解线粒体的半自主性及来源

3 能量转换器广泛存在于真核细胞中, 通过氧化磷酸化将质子浓度梯度转换为 ATP, 为细胞生命活动提供能量半自主性细胞器

4 线粒体的发现及生理活动的认识过程 1857 年, 发现该颗粒状细胞器,Kollicker( 瑞士 ) 1898 年, 命名线粒体,Benda( 德国 ) 1912 年, 线粒体是氧化作用部位,Kingsbury 1913 年, 氧的消耗与磷酸化偶联,Engelhardt 年, 柠檬酸循环脂肪酸氧化氧化磷酸化在线粒体发生, 且氧化磷酸化需电子传递, Kennedy and Lehninger 20 世纪 50 年代后, 线粒体超微结构 ( 电镜 ) 与生理活动联系起来, 证明了柠檬酸循环, 氧化磷酸化等在线粒体的不同部位进行

5 一形态大小第一节线粒体的形态结构形态多为条形或椭圆形, 有内伸的嵴因物种和生理状态而异, 可呈环形, 哑铃形蛇形分支状等大小因细胞类型和生理状态而异, 一般横切面直径 μm, 长 2-8μm 大鼠胰腺外分泌细胞中可长达 10-20μm, 称巨大线粒体

6 二数量 1 与生理状况有关不同状态细胞对能量需求不同, 线粒体数量存在较大差异 2 动物细胞一般有数百到几千个( 哺乳动物红细胞除外, 无线粒体 ) 3 植物细胞与动物细胞相比线粒体数目相对较少( 存在另一个能量转换器叶绿体 )

7 三线粒体的分布倾向于分布在细胞功能旺盛区域, 有利于需能部位的供能横纹肌精子尾巴

8 线粒体可向功能旺盛区迁移, 微管为导轨马达蛋白提供动力荧光染料 rhodamine123 染色显示的线粒同一细胞微管的免疫荧光照片体照片结论 : 线粒体倾向于沿微管排列

9 四线粒体超微结构线粒体是双层膜围成的一个封闭的香肠状囊式结构包括外膜内膜膜间隙和基质四个功能隔区

10 ( 一 ) 线粒体外膜厚约 6nm; 有孔蛋白 (porin) 组成的圆筒状通道, 通透性高, 允许相对分子量 5000 Da 以下的小分子通过外膜膜间隙内膜

11 ( 二 ) 线粒体内膜厚约 6-8nm 通透性低, 只允许不带电荷的小分子通过, 大分子和离子需经专一性运载系统穿膜运输向内室伸出嵴, 增大内膜表面积和代谢效率嵴的形状和数量可变, 一般有如下类型 : 板层状 : 高等动物细胞管状 : 原生动物和大多数植物细胞

12 嵴的线粒体基质面排列有许多圆球颗粒称为 F1 颗粒, 具有 ATP 酶活性, 内膜中与 F1 因子结合的蛋白为 F0 因子, 其复合体称头为 F0F1-ATP 酶或 ATP 合成酶部 ATP 合成酶在氧化磷酸化中起偶联作用, 将 H + 梯度势能转化为 ATP 内膜 F1 因子柄部 F0 因子 F 0 F 1 -ATP 酶或 ATP 合成酶

13 ( 三 ) 膜间隙 ( 外室 ) 内外膜间 6-8nm 的空隙嵴内的空间称为嵴内间隙, 两者相通, 充满液体, 含有可溶性酶底物和辅助因子等某些部位内外膜紧密接触, 无膜间隙, 为胞质中合成蛋白进入线粒体的部位

14 ( 四 ) 线粒体基质内膜包围的空间, 充满胶状物质蛋白质酶 : 三羧酸循环脂肪酸氧化丙酮酸氧化有形成分脂类丝状物质 : 环状 DNA RNA 核糖体 : 酵母 70S; 哺乳动物 55S 致密颗粒状物质 :Ca 2+ 磷酸钙沉淀储存 Ca 2+, 具有控制细胞质中钙离子浓度的作用

15 五线粒体各部分的分离差速离心完整线粒体密度梯度离心线粒体亚组分低渗处理吸水膨胀分离外膜去垢剂

17 六线粒体的化学组成蛋白质 ( 各种酶 ): 占线粒体干重的 65%-70% 脂类 :25% ~ 30%, 大部分为磷脂核酸 :DNA RNA 辅酶维生素金属离子及核糖体等内膜蛋白质 : 脂类 =4:1 大部分 Pr 为 ATP 酶复合物外膜蛋白质 : 脂类 =1:1

18 七线粒体中各种酶的定位分布线粒体含 120 多种酶, 其中氧化还原酶占 37%; 合成酶占 10%; 水解酶不足占 9% 内膜 : 呼吸链和氧化磷酸化酶基质 : 柠檬酸循环脂肪酸氧化丙酮酸氧化及蛋白质和核酸合成相关酶类

19 线粒体各部分的标志酶

20 第二节氧化磷酸化过程主要功能 : 氧化磷酸化 ; 产生 ATP; 储积钙离子 ; 参与细胞凋亡调控动物细胞中 80% 以上的 ATP 是在线粒体中合成的, 是细胞能量来源的主要途径

22 二电子传递和氧化磷酸化的结构基础 ( 一 ) 氧化磷酸化与电子传递分别进行实验证据 : 线粒体内膜重组实验亚线粒体小泡电子传递链内膜上 ; 氧化磷酸化基本颗粒

23 实验结论由 NADH 脱氢酶至细胞色素氧化酶的整个电子传递链存在于内膜本身氧化磷酸化作用由基本颗粒 (ATP 酶复合物 ) 来承担

24 ( 二 ) 电子传递链和内膜内外质子梯度的形成组成电子传递链的 4 大类分子 : 黄素蛋白 : 递氢体和电子传递体 = 铁硫蛋白 : 常见的为含有 Fe 2 S 2 和 Fe 4 S 4 的铁硫蛋白, 通过 Fe 2+ 和 Fe 3+ 之间的转变传递电子辅酶 Q: 脂溶性醌类化合物, 为递氢体和电子传递体细胞色素 : 又名细胞色素氧化酶, 为电子传递体

26 复合物 Ⅰ Ⅲ Ⅳ 组成一条主呼吸链, 催化 NADH 的氧化 NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2 复合物 Ⅱ Ⅲ Ⅳ 组成次呼吸链, 催化琥珀酸的氧化

27 呼吸链各组分的排列高度有序, 电子按氧化还原电位从低向高传递电子传递时, 复合物 Ⅰ Ⅲ Ⅳ 将质子从基质转移至膜间隙形成质子梯度, 造成电化学梯度势能, 为合成 ATP 奠定能量基础

28 由质子浓度差和电荷分离所产生的电化学势能代表将电子传递的能量暂时贮存, 当质子顺电化学梯度流动时, 在 ATP 酶作用下合成 ATP

29 第三节 ATP 的合成一 ATP 合成酶氧化磷酸化过程中起耦联作用的是内膜上的 ATP 合成酶, 即 F0-F1 耦联因子作用 : 合成 ATP 能量来源 : 电子传递中释放的能量

30 16 条肽链组成 ; 分子量 500kD; 结构上分为头部 (F1 ATP 酶 ) 和膜部 (F0 因子 ); ATP 合成酶中构成了一条亲水性通道, 允许质子顺电化学梯度通过

31 1 头部 (F1 因子 ): 2 膜部 (Fo 因子 ):

32 ATP 合成酶具有合成或水解 ATP 的功能质子转运方向取决于细胞的净自由能 (ΔG), 随着电化学梯度的降低,ΔG 不足以让质子进入基质合成 ATP, 这时 ATP 被水解, 提供能量将质子泵到膜间隙, 以恢复质子梯度

33 二氧化磷酸化的耦联机制 NADH 和 FADH 2 将所携带电子经呼吸链传递给 O2 电子携带的能量被 ATP 酶用来催化 ADP 磷酸化, 生成 ATP 偶联的三个部位 : (1) NADH FMN (2) Cytb Cytc 每个部位释放的能量基本可使 ADP 磷酸化生成 1 个 ATP (3) Cytaa3 O2 NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2

34 线粒体氧化磷酸化偶联机制假说 : 1 化学渗透假说 ; 2 结合变构模型假说

35 1 化学渗透假说 Mitchell P.1961 提出化学渗透假说 (Chemiosmotic Coupling Hypothesis), 1978 年获得诺贝尔化学奖 70 年代关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持, 成为一种较为流行的假说

36 化学渗透假说的主要内容 : a 电子传递链不对称分布, 起质子泵的作用 b 电子沿呼吸链传递时, 所释放能量将质子从基质泵至膜间隙 c 内膜对离子高度不通透, 使膜间隙的质子浓度高于基质, 在内膜两侧形成 ph 梯度 ( ph) 及电位梯度 (Ψ), 两者共同构成电化学梯度, 即质子动力势 d 质子沿电化学梯度经内膜上的 ATP 酶流回基质时,ATP 酶构象发生改变, 催化 ADP 磷酸化合成 ATP

38 化学渗透假说的 5 个要点 : 1NADH 提供 1 对电子, 经电子传递链, 最后为 O 2 所接受 2 电子传递链中载氢体和电子传递体相间排列每当电子由载氢体传向电子传递体时, 载氢体的氢即以 H + 的形式释放到内膜外,1 对电子在呼吸链中 3 次穿膜运动, 向外室排放了 10 个质子

39 3 内膜对 H + 和 OH - 具有不可透性, 所以随着电子传递过程的进行,H + 在外室中积累, 造成了膜两侧的质子浓度差, 从而保持了一定的势能差 4 外室中的质子有顺浓度差返回基质的倾向, 当 H + 通过 F1- F0 复合物进入基质时,ATP 酶利用这种势能合成了 ATP 5 F1-F0 复合物需要 3 或 4 个质子的势能合成一个 ATP 分子

40 化学渗透假说说明了电子传递过程中质子动力的产生, 但尚未说明质子动力如何推动 ATP 合成酶合成 ATP

41 2 结合变构模型 a.f1 上有 3 个活性部位对底物具有不同的亲和力 : β-adp 构象, 对介质中的 ADP 和 Pi 具有高亲和力 β-atp 构象, 与 ATP 紧密结合 β- 排空构象, 释放 ATP b.γ 亚基中心轴每旋转 120 度即与不同的 β 构象亚基接触, 推动 β 亚基的构象转换

43 三 ATP 的穿膜运输机制 ATP 合成酶合成的 ATP 最初存在于线粒体基质中, 然而绝大部分 ATP 要在细胞质溶质中发挥作用, 因此需要把合成的 ATP 运出线粒体

44 线粒体内膜上的运输蛋白保证了氧化磷酸化产物及底物的转运

45 第四节线粒体的半自主性线粒体是一种半自主性细胞器, 基质中含有环状 DNA 分子和核糖体线粒体 DNA 含有多种多肽以及所需 rrna trna 编码的基因线粒体在核 DNA 和线粒体 DNA 的双重控制下活动

46 线粒体生长与增殖所需的大部分蛋白是由核基因编码在胞质中合成的, 仅有少部分蛋白是由其自身基因编码在线粒体内合成的哺乳动物线粒体 DNA 除编码 rrna 和 22 种氨基酸 trna 外, 仅能编码 13 种多肽链, 这些多肽链均为氧化磷酸化过程所需成分其余的线粒体蛋白均由核基因编码

48 线粒体的来源 : 线粒体由原有线粒体分裂而来, 与细胞分裂不同步, 在细胞间期分裂

49 1 间壁分裂内膜向中心皱褶形成隔, 将线粒体分成两部分, 外膜部分内陷插入到隔的双层膜之间将线粒体分成两个子线粒体见于部分动物和植物组织中

50 2 收缩后分离线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个, 多见于蕨类或酵母线粒体

51 3 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

52 线粒体进化来源 : 内共生假说原始厌气细菌吞噬了原核生物 ( 如好气细菌 ) 形成共生关系寄主为共生者提供营养和保护, 共生者为寄主提供能量生成系统最终共生者演化成细胞的组成成分

53 细菌的氧化磷酸化 : 细菌无线粒体, 但能进行氧化磷酸化, 呼吸链存在于质膜中细菌呼吸链工作原理与真核生物线粒体内膜上的呼吸链基本相同主要差别是细菌质膜中的呼吸链比线粒体中的简单, 细菌细胞中每对电子通过呼吸链只输出 4 个质子, 合成 2 个 ATP

54 思考题试述线粒体超微结构各部分的主要功能及标志性酶? 证明线粒体电子传递和磷酸化作用是由两个不同的结构系统执行的, 如何实现? 氧化磷酸化偶联机制的化学渗透假说的主要论点有哪些?

第六章生物氧化

第二篇物质代谢及其调节 The biochemistry and molecular biology department of MU 第一阶段又称消化第二阶段是生物化学主要研究的内容第三阶段是三大营养素的共同通路第六章生物氧化 The biochemistry and molecular biology department of MU 物质在生物体内进行氧化称为生物氧化, 主要是糖脂肪