1、線粒體和細胞能量轉換線粒體和細胞能量轉換2概述概述 第一節(jié)第一節(jié) 線粒體的基本特征線粒體的基本特征 第二節(jié)第二節(jié) 細胞呼吸與能量轉換細胞呼吸與能量轉換第三節(jié)第三節(jié) 細胞的能量轉換細胞的能量轉換第四節(jié)第四節(jié) 線粒體與人類學、醫(yī)學研究線粒體與人類學、醫(yī)學研究 內容內容2概 述 地球上一切生命活動所需要的能量主要來源于太陽能。 但不同生物代謝時吸收能量的機制不同，光能轉變?yōu)榛瘜W能只發(fā)生在具有葉綠素的植物和一些有光合能力的細菌中，它們能通過光合作用，將無機物（如CO2和H2O）轉化成可被自身利用的有機物，這種生物是自養(yǎng)生物（autotroph）。 而動物細胞不具有葉綠體，它們以自養(yǎng)生物合成的有機物為營

2、養(yǎng)，通過分解代謝而取得能量，因而被稱為異養(yǎng)生物（heterotroph）。3 動物細胞實現這一能量轉換的細胞內結構就是線粒體動物細胞實現這一能量轉換的細胞內結構就是線粒體（單數（單數mitochondrionmitochondrion；復數；復數mitochondriamitochondria）。）。3 第一節(jié) 線粒體的基本特征一、線粒體的中含有眾多參與能量代謝的酶系 除去水分之外，線粒體的主要成分是蛋白質，約占組分總量的65%70%，多數分布于內膜和基質。4線粒體蛋白質分為兩類：線粒體蛋白質分為兩類： 一類是可溶性蛋白，包括基質中的酶和膜外周蛋白；一類是可溶性蛋白，包括基質中的酶和膜外周蛋白

3、； 另一類是不溶性蛋白，為膜結構蛋白或膜鑲嵌酶蛋白。另一類是不溶性蛋白，為膜結構蛋白或膜鑲嵌酶蛋白。 線粒體含有眾多酶系，目前已確認有線粒體含有眾多酶系，目前已確認有120120余種，是細余種，是細胞中含酶最多的細胞器。這些酶分別位于線粒體的不同部胞中含酶最多的細胞器。這些酶分別位于線粒體的不同部位，在線粒體行使細胞氧化功能時起重要的作用。位，在線粒體行使細胞氧化功能時起重要的作用。4二、線粒體的形態(tài)、數量與分布與線粒體的類型和功能狀態(tài)有關 光鏡下的線粒體呈線狀、粒狀或桿狀等，直徑。不同類型或不同生理狀態(tài)的細胞，其線粒體的形態(tài)、大小、數目及排列分布常不相同。 線粒體的數量可因細胞種類而不同，最

4、少的細胞只含1個線粒體，最多的達50萬個，其總體積可占細胞體積的25%。這與細胞本身的代謝活動有關，代謝旺盛需要能量較多時，線粒體數目較多；反之線粒體的數目則較少。55 線粒體在很多細胞中呈彌散均勻分布狀態(tài)，但一般較多聚集在生理功能旺盛、需要能量供應的區(qū)域，如在肌細胞中，線粒體集中分布在肌原纖維之間；在精子細胞中，線粒體圍繞鞭毛中軸緊密排列，以利于精子運動尾部擺動時的能量供應；有時，同一細胞在不同生理狀況下，可發(fā)現線粒體變形移位現象。 66三、線粒體是由雙層單位膜套疊而成的封閉性膜囊結構 電鏡下，線粒體是由雙層單位膜套疊而成的封閉性膜囊結構。兩層膜將線粒體內部空間與細胞質隔離，并使線粒體內部空

5、間分隔成兩個膜空間，構成線粒體的支架。7（一）外膜是一層單位膜（一）外膜是一層單位膜 外膜（外膜（outer membraneouter membrane）是線粒體最外層所包繞的）是線粒體最外層所包繞的一層單位膜，厚約一層單位膜，厚約5 57nm7nm，光滑平整。在組成上，外膜的，光滑平整。在組成上，外膜的脂質和蛋白質成分各占脂質和蛋白質成分各占1/21/2。外膜中含有整合蛋白孔蛋白。外膜中含有整合蛋白孔蛋白（porinporin），它們以），它們以片層結構形式形成直徑片層結構形式形成直徑2 23nm3nm桶狀桶狀通道，跨越脂質雙層，可以通過相對分子質量在通道，跨越脂質雙層，可以通過相對分子質

6、量在5,0005,000以以下的物質。下的物質。7（二）內膜向基質折疊形成特定的內部空（二）內膜向基質折疊形成特定的內部空間間 內膜（inner membrane）比外膜稍薄，平均厚，也是一層單位膜。內膜的化學組成中20%是脂類，80%是蛋白質，蛋白質的含量明顯高于其他膜成分。8 內膜將線粒體的內部空間分成兩部分，其中由內膜直內膜將線粒體的內部空間分成兩部分，其中由內膜直接包圍的空間稱內腔，含有基質，也稱基質腔（接包圍的空間稱內腔，含有基質，也稱基質腔（matrix matrix spacespace）；內膜與外膜之間的空間稱為外腔，或膜間腔）；內膜與外膜之間的空間稱為外腔，或膜間腔（inte

7、rmembrane spaceintermembrane space）。內膜上有大量向內腔突起的）。內膜上有大量向內腔突起的折疊（折疊（infoldinginfolding），形成嵴（），形成嵴（cristaecristae）。嵴與嵴之間）。嵴與嵴之間的內腔部分稱嵴間腔（的內腔部分稱嵴間腔（intercristal spaceintercristal space），而由于），而由于嵴向內腔突進造成的外腔向內伸入的部分稱為嵴內空間嵴向內腔突進造成的外腔向內伸入的部分稱為嵴內空間（intracristal spaceintracristal space）。嵴的形成大大擴大了內膜的）。嵴的形成大大擴

8、大了內膜的面積，提高了內膜的代謝效率。面積，提高了內膜的代謝效率。 8 內膜（包括嵴）的內表面附著許多突出于內腔的顆粒稱為基粒（elementary particle) 基粒分為頭部、柄部和基片三部分，是由多種蛋白質亞基組成的復合體。 基粒頭部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，因此，基粒又稱ATP合酶復合體（ATP synthase complex）。9910101111 （三）內外膜轉位接觸點形成核編碼蛋（三）內外膜轉位接觸點形成核編碼蛋白質進入線粒體的通道白質進入線粒體的通道 線粒體的內、外膜上存在著一些內膜與外膜相互接觸的地方為轉位接觸點（translocation contac

9、t site）。是蛋白質等物質進出線粒體的通道。1212（四）基質為物質氧化代謝提供場所（四）基質為物質氧化代謝提供場所 線粒體內腔充滿了電子密度較低的可溶性蛋白質和脂肪等成分，稱之為基質（matrix）。 線粒體中催化三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白質合成等有關的酶都在基質中。 還含有線粒體獨特的雙鏈環(huán)狀DNA、核糖體，這些構成了線粒體相對獨立的遺傳信息復制、轉錄和翻譯系統(tǒng)。 1313四、線粒體有自己相對獨立的遺傳體系（一）線粒體有自己的遺傳系統(tǒng)和蛋白質（一）線粒體有自己的遺傳系統(tǒng)和蛋白質翻譯系統(tǒng)翻譯系統(tǒng) 線粒體雖然有自己的遺傳系統(tǒng)和自己的蛋白質翻譯系統(tǒng)，且部分遺傳密碼也與核密碼有不

10、同的編碼含義，但它與細胞核的遺傳系統(tǒng)構成了一個整體。 線粒體的基因組只有一條DNA，稱為線粒體DNA（mtDNA），mtDNA是裸露的。 在一個線粒體內往往有1至數個mtDNA分子，平均為510個。它主要編碼線粒體的tRNA、rRNA及一些線粒體蛋白質，如電子傳遞鏈酶復合體中的亞基。 但由于線粒體中大多數酶或蛋白質仍由核編碼，所以它們在細胞質中合成后經特定的方式轉送到線粒體中。1414（二）線粒體基因組為一條雙鏈環(huán)狀的（二）線粒體基因組為一條雙鏈環(huán)狀的DNADNA分子分子 人線粒體基因組的全序列測定早已完成，線粒體基因組的序列（又稱劍橋序列）共含16569個堿基對（bp），為一條雙鏈環(huán)狀的DN

11、A分子。雙鏈中一為重鏈（H），一為輕鏈（L ） 。1515 重鏈和輕鏈上的編碼物各不相同,人類線粒體基因組共編碼了37個基因。 重鏈編碼12SrRNA、16SrRNA、NADH-CoQ氧化還原酶1（NADH-CoQ oxidoreductase 1，ND1）、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5、細胞色素C氧化酶1（cytochrome coxidase , COX）、COX、COX、細胞色素b 的亞基、ATP合酶的第6亞單位和第8亞單位（A6、A8）及14個tRNA等（圖中用小寫字母表示，表示其對應的氨基酸）； 輕鏈編碼了ND6及8個tRNA。 16 161717 由這13個基因所編碼的

12、蛋白質均已確定，其中3個為構成細胞色素c氧化酶（COX）復合體（復合體）催化活性中心的亞單位（COX、COX和COX）；2個為ATP合酶復合體（復合體）F0部分的2個亞基（A6和A8）；7個為NADH-CoQ還原酶復合體（復合體）的亞基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）；還有1個編碼的結構蛋白質為CoQH2-細胞色素c還原酶復合體（復合體）中細胞色素b 的亞基。18181919（三）重鏈和輕鏈各有一個啟動子啟動線（三）重鏈和輕鏈各有一個啟動子啟動線粒體基因的轉錄粒體基因的轉錄 線粒體基因組的轉錄是從兩個主要的啟動子處開始轉錄的，分別為重鏈啟動子（heavy-stran

13、d promoter，HSP）和輕鏈啟動子（light-strand promoter，LSP）. 與核合成mRNA不同，線粒體mRNA不含內含子，也很少有非翻譯區(qū)。每個mRNA5端的起始密碼或三個堿基為AUG（或AUA），UAA的終止密碼位于mRNA的3端。某些情況下，一個堿基U就是mtDNA體系中的終止密碼子。2020 線粒體mRNA翻譯的起始氨基酸為甲酰甲硫氨酸，這點與原核生物類似。另外線粒體的遺傳密碼也與核基因不完全相同，例如UGA在核編碼系統(tǒng)中為終止密碼，但在人類細胞的線粒體編碼系統(tǒng)中，它編碼色氨酸。2121密碼子核密碼子編碼氨基酸線粒體密碼子編碼氨基酸哺乳動物果 蠅鏈孢酶菌酵 母植

14、 物UGA終止密碼子色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸終止密碼子AGA、AGG精氨酸終止密碼子絲氨酸精氨酸精氨酸精氨酸AUA異亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸異亮氨酸異亮氨酸異亮氨酸AUU異亮氨酸異亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸異亮氨酸CUU、CUCCUA、CUG亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸蘇氨酸亮氨酸22線粒體與核密碼子編碼氨基酸比較線粒體與核密碼子編碼氨基酸比較22 線粒體基因中兩個重疊基因，一個是復合物的ND4L和ND4，另一個是復合物的ATP酶8和ATP酶6。2323（四）線粒體（四）線粒體DNA的復制是一個緩慢而復的復制是一個緩慢而復雜的過程雜的過程 人類mtDNA也是單一的復制起始，mtDNA的復制起始點

15、被分成兩半，一個是在重鏈上，稱為重鏈復制起始點（OH），位于環(huán)的頂部，tRNAPhe基因（557）和 tRNAPro基因（16023）之間的控制區(qū)，它控制重鏈子鏈DNA的自我復制；一個是在輕鏈上，稱為輕鏈復制起始點（OL），位于環(huán)L的“8點鐘”位置，它控制輕鏈子鏈DNA的自我復制。 24242525五、線粒體靶序列引導核編碼蛋白質向線粒體轉運（一）核編碼蛋白在進入線粒體需要分子（一）核編碼蛋白在進入線粒體需要分子伴侶蛋白的協(xié)助伴侶蛋白的協(xié)助 線粒體內含有10001500種蛋白質，除上述的13種多肽外，98以上是由細胞核DNA編碼，在細胞質核糖體合成后運入線粒體的。 線粒體含有4個蛋白質輸入的亞

16、區(qū)域：線粒體外膜、線粒體內膜、膜間隙和基質。而在這些核編碼蛋白在進入線粒體的過程中，需要一類被稱為分子伴侶（molecular chaperon）的蛋白質的協(xié)助，其中絕大多數線粒體蛋白被輸入到基質，少數輸入到膜間腔以及插入到內膜和外膜上。2626 輸入到線粒體的蛋白質都在其N-端具有一段線粒體靶序列稱為基質導入順序（matrix-targeting sequence，MTS），線粒體外膜和內膜上的受體能識別并結合各種不同的但相關的MTS。2727線粒體定位蛋白質基質乙醇脫氫酶（酵母）氨甲酰磷酸合酶（哺乳動物）檸檬酸合酶（citrate synthase）與其他檸檬酸酶DNA聚合酶F1ATP酶亞

17、單位（除植物外），、（某些真菌）Mn2+超氧物岐化酶鳥氨酸轉氨酶（哺乳動物）鳥氨酸轉氨甲酰酶（哺乳動物）核糖體蛋白質RNA聚合酶內膜ADP/ATP 反向轉運體（antiporter）復合體亞基1、2、5（鐵-硫蛋白）、6、7復合體（COX）亞基4，5，6，7 F0ATP酶生熱蛋白（thermogenin）膜間腔細胞色素c細胞色素c過氧化物酶細胞色素b2和c1（復合體亞基）28 部分核編碼的線粒體蛋白部分核編碼的線粒體蛋白28（二）前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀（二）前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài)態(tài) 當線粒體蛋白可溶性前體 (soluble precursor of mitochondrial

18、 proteins)在核糖體內形成以后，少數前體蛋白與一種稱為新生多肽相關復合物(nascent-associated complex，NAC)的分子伴侶蛋白相互作用。29 在哺乳動物的胞質中存在著：在哺乳動物的胞質中存在著： 前體蛋白的結合因子（前體蛋白的結合因子（presequence-binding factor，PBF），它能夠增加），它能夠增加hsc70對線粒體蛋白的轉運；對線粒體蛋白的轉運； 線粒體輸入刺激因子（線粒體輸入刺激因子（mitochondrial import stimulatory factor，MSF），常單獨發(fā)揮著），常單獨發(fā)揮著ATP酶的作用，酶的作用，為聚集蛋

19、白的解聚提供能量。為聚集蛋白的解聚提供能量。29 前體蛋白與MSF所形成的復合體能進一步與外膜上的一套受體Tom37和Tom70相結合。 Tom37和Tom70把前體蛋白轉移到第二套受體Tom20和Tom22，同時釋放MSF。 與前體蛋白結合的受體Tom20和Tom22與外膜上的通道蛋白Tom40（第三套受體）相偶聯。 后者與內膜的接觸點共同組成一個直徑為的越膜通道（tim17受體系統(tǒng), 非折疊的前體蛋白通過這一通道轉移到線粒體基質。303031313232333334蛋白蛋白N N端具有兩個信序列，首先被運送到基質，然后端具有兩個信序列，首先被運送到基質，然后N N端信號肽被切除，暴露出導端

20、信號肽被切除，暴露出導向內膜的信號序列，在向內膜的信號序列，在OXAOXA的幫助下插入內膜。如果第二段信號序列被內膜外表面的的幫助下插入內膜。如果第二段信號序列被內膜外表面的異二聚體內膜蛋白酶（異二聚體內膜蛋白酶（heterodimeric inner membrane peptidaseheterodimeric inner membrane peptidase，Imp1/imp2Imp1/imp2）切）切除，則成為膜間隙蛋白。除，則成為膜間隙蛋白。N N端信號序列的后面有一段疏水序列，扮演停止轉移序列端信號序列的后面有一段疏水序列，扮演停止轉移序列的角色，能與的角色，能與TIM23TIM2

21、3復合體結合，當進入基質的信號序列被切除后，脫離轉位因子復復合體結合，當進入基質的信號序列被切除后，脫離轉位因子復合體而進入內膜，如果插入膜中的部分又被酶切除，側成為定位于膜間隙的蛋白。合體而進入內膜，如果插入膜中的部分又被酶切除，側成為定位于膜間隙的蛋白。線粒體內膜上負責代謝底物產物轉運的蛋白，如腺苷轉位酶是多次跨膜蛋白，線粒體內膜上負責代謝底物產物轉運的蛋白，如腺苷轉位酶是多次跨膜蛋白，其其N N端沒有可被切除的信號序列，但包含端沒有可被切除的信號序列，但包含3 36 6個內部信號序列，可被個內部信號序列，可被TIM22TIM22復合體插復合體插到內膜上。到內膜上。343535（三）分子運

22、動產生的動力協(xié)助多肽鏈穿（三）分子運動產生的動力協(xié)助多肽鏈穿越線粒體膜越線粒體膜 前體蛋白一旦和受體結合后，就要和外膜及內膜上膜通道發(fā)生作用才可進入線粒體。在此過程中，一種也為分子伴侶的線粒體基質hsc70（mthsp70）可與進入線粒體腔的前導肽鏈交聯，提示mthsp70參與了蛋白質的轉運。 36Simon等提出一種作用機制，即布朗棘輪模型（等提出一種作用機制，即布朗棘輪模型（Brownian Rachet model） 36（四）多肽鏈需要在線粒體基質內重新折（四）多肽鏈需要在線粒體基質內重新折疊才形成有活性的蛋白質疊才形成有活性的蛋白質 蛋白質跨膜轉運至線粒體基質后，必須恢復其天然構象以

23、行使功能。當蛋白跨過線粒體膜后，大多數定位于基質的蛋白被基質作用蛋白酶（matrix processing protease, MPP）所移除。 在大多數情況下，輸入多肽的最后折疊還需要另外一套基質分子伴侶如hsc60、hsc10的協(xié)助。3737六、線粒體介導了某些類型的細胞死亡 細胞凋亡的研究已經從細胞核控制凋亡過程的研究部分地轉移到線粒體控制凋亡過程的研究上來。3838（一）許多證據顯示線粒體是控制細胞死（一）許多證據顯示線粒體是控制細胞死亡的中心環(huán)節(jié)之一亡的中心環(huán)節(jié)之一無論死亡細胞的類型是什么，也無論導致細胞死亡的因素是什么，細胞死亡（包括凋亡和壞死）的共同特征是在細胞死亡前都有線粒體膜

24、通透性改變；相對于其他細胞生物學指標（包括caspase）而言，線粒體通透性的改變是預測細胞死亡更有價值的指標；加大原凋亡效應物的作用劑量可通過作用于線粒體膜而誘導線粒體膜通透性的改變；3939Bcl-2家族中抑制凋亡的成員能與線粒體膜蛋白產生交叉反應，通過其抑制線粒體膜通透性而抑制細胞凋亡；通過特異性藥物抑制線粒體膜的通透性可阻止或延緩細胞死亡；無細胞系統(tǒng)已分離出一些線粒體蛋白，它們具有水解酶活性。這些研究都說明線粒體構成了導致細胞死亡的一個或幾個關鍵步驟。4040（二）線粒體的改變構成了細胞死亡的原（二）線粒體的改變構成了細胞死亡的原因或表現因或表現 線粒體在能量代謝和自由基代謝中占據十分

25、重要的地位，線粒體產生大量超氧陰離子，并通過鏈式反應形成活性氧（ROS），當ROS水平較低時，可促進細胞增生；而當ROS水平較高時，使得線粒體內膜非特異性通透性孔道（MPTP）開放，不僅導致跨膜電位崩潰，也使cyto c外漏，再啟動caspase的級聯活化，最終由caspase-3啟動凋亡。4141（三）線粒體控制著某些細胞死亡過程的（三）線粒體控制著某些細胞死亡過程的中心環(huán)節(jié)中心環(huán)節(jié) 與線粒體有關的細胞死亡的三個時限（phase）： 一是線粒體前期，這是誘導細胞死亡的因子通過信號轉導途徑級聯傳遞或損傷途徑被激活的過程，因此也稱為誘導期或起始期，由于不同的誘導因子有不同的作用途徑，所以這一時期

26、也屬于私有途徑（private pathway）； 4242 三是線粒體后期，也稱為降解期，從線粒體釋放的蛋白質，激活蛋白酶和核酸酶，后者進一步介導后續(xù)的死亡機制。由于第二期和第三期是不同因素導致細胞死亡的共同途路，因此也稱為共有途徑（common pathway）。43 二是線粒體期，在這一時期線粒體膜的通透性發(fā)生改二是線粒體期，在這一時期線粒體膜的通透性發(fā)生改變，這是線粒體控制細胞死亡的關鍵時期，一旦進入這一變，這是線粒體控制細胞死亡的關鍵時期，一旦進入這一點，細胞將不可避免地發(fā)生后續(xù)過程，故也稱為效應期點，細胞將不可避免地發(fā)生后續(xù)過程，故也稱為效應期（effector phase）或決定

27、期（）或決定期（decisive phase）；）； 434444七、線粒體的起源與發(fā)生尚有爭論（一）線粒體是通過分裂方式實現增殖的（一）線粒體是通過分裂方式實現增殖的 對于現代真核細胞中的線粒體發(fā)生（biogenesis）機制，目前有三種關于線粒體生物發(fā)生的觀點，即重新合成、起源于非線粒體的亞細胞結構以及通過原有線粒體的分裂形成。 Attardi等認為，線粒體的生物發(fā)生過程分兩個階段。在第一階段，線粒體的膜進行生長和復制，然后分裂增殖；第二階段包括線粒體本身的分化過程，建成能夠行使氧化磷酸化功能的機構。線粒體的生長和分化階段分別接受細胞核和線粒體兩個獨立的遺傳系統(tǒng)控制。4545（二）線粒體的

28、起源尚無定論（二）線粒體的起源尚無定論 線粒體可能起源于古老厭氧真核細胞共生的早期細菌。在之后的長期進化過程中，二者共生聯系更加密切，共生物的大部分遺傳信息轉移到細胞核上，這樣留在線粒體上的遺傳信息大大減少，即線粒體起源的內共生學說。許多證據支持這一假說：線粒體的遺傳系統(tǒng)與細菌相似，如DNA呈環(huán)狀、不與組蛋白結合；線粒體的蛋白質合成方式與細菌相似，如核糖體為70S，抑制蛋白質合成的機制等。但這一機制也有不足之處，所以有學者提出了非共生假說。 46464747 第二節(jié) 細胞呼吸與能量轉換一、細胞呼吸是細胞氧化分解物質獲取能量的過程 較高等的動物都能依靠呼吸系統(tǒng)從外界吸取O2并排出CO2。細胞也存

29、在有這樣的呼吸作用，即在細胞內特定的細胞器（主要是線粒體）內，在O2的參與下，分解各種大分子物質，產生CO2；與此同時，分解代謝所釋放出的能量儲存于ATP中，這一過程稱為細胞呼吸(cellular respiration)，也稱為生物氧化（biological oxidation) 或細胞氧化(cellular oxidation)。 4848 細胞呼吸是細胞內提供生物能源的主要途徑，它的化學本質與燃燒反應相同，最終產物都是 CO2和H2O，釋放的能量也完全相等。細胞呼吸有以下特點： 細胞呼吸本質上是在線粒體中進行的一系列由酶系所催化的氧化還原反應； 所產生的能量儲存于ATP的高能磷酸鍵中；

30、整個反應過程是分步進行的，能量也是逐步釋放的； 反應是在恒溫(37)和恒壓條件下進行的； 反應過程中需要H2O的參與。4949二、ATP是細胞能量的轉換分子 細胞呼吸所產生的能量并不像燃燒所產生的熱能那樣散發(fā)出來，而是儲存于細胞能量轉換分子ATP中。ATP是一種高能磷酸化合物，細胞呼吸時，釋放的能量可通過ADP的磷酸化而及時儲存于ATP 的高能磷酸鍵中作為備用；反之，當細胞進行各種活動需要能量時，又可去磷酸化，斷裂一個高能磷酸鍵以釋放能量來滿足機體需要。5050 隨著細胞內不斷進行的能量釋放和儲存，ATP 與ADP 不停地進行著互變。 因為ATP是細胞內能量轉換的中間攜帶者，所以被形象地稱為“

31、能量貨幣”。ATP 是細胞生命活動的直接供能者，也是細胞內能量獲得、轉換、 儲存和利用等環(huán)節(jié)的聯系紐帶。5151第三節(jié) 細胞的能量轉換 “能量貨幣”ATP中所攜帶的能量來源于糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化，這些物質的氧化是能量轉換的前提。以葡萄糖氧化為例，從糖酵解到ATP的形成是一個極其復雜的過程，大體分為三個步驟：即糖酵解、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化。蛋白質和脂肪的徹底氧化只在第一步中與糖有所區(qū)別。 52525353一、葡萄糖在細胞質中進行糖酵解 一分子葡萄糖經過十多步反應，生成2分子丙酮酸，同時脫下2對H交給受氫體NAD+攜帶，形成2分子NADH+H+。NAD+能可逆地接受兩個電子和一個H+，另一

32、個H+則留在溶質中。在糖酵解過程中一共生成4分子ATP，但由于要消耗2分子ATP，所以凈生成 2分子的ATP。 這種由高能底物水解放能，直接將高能磷酸鍵從底物轉移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP的作用，稱為底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation）。 5454NADH+ H+ 進入線粒體的方式較為復雜，必須借助于線粒體內膜上特異性穿梭系統(tǒng)進入線粒體內。55在線粒體基質中丙酮酸脫氫酶體系作用下，丙酮酸進一步分解在線粒體基質中丙酮酸脫氫酶體系作用下，丙酮酸進一步分解為乙酰輔酶為乙酰輔酶A A，NADNAD+ +作為受氫體被還原作為受氫體被還原 。55二、三

33、羧酸循環(huán)在線粒體基質中實現 在線粒體基質中，乙酰CoA與草酰乙酸結合成檸檬酸而進入檸檬酸循環(huán)，由于檸檬酸有3個羧基，故也稱為三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）。5656 循環(huán)中，檸檬酸經過一系列酶促的氧化脫氫和脫羧反應，其中的2個碳原子氧化形成CO2，從而削減了2個碳原子。在循環(huán)的末端，又重新生成草酰乙酸，而草酰乙酸又可和另1個乙酰CoA結合，生成檸檬酸，開始下一個循環(huán)，如此周而復始。5757 整個過程中，總共消耗了3個H2O，生成1分子的GTP（可轉變?yōu)?分子的ATP）、4對H和2分子CO2。 脫下的4對H，其中3對以NAD+為受氫體，另1對以FAD為受氫體。FAD能可逆地接受2個H， 即兩個質子和兩

34、個電子，轉變成還原態(tài)FADH2。ATP/ADP及NADH/NAD+ 比值高時均能降低TAC循環(huán)的速度。5858三、氧化磷酸化偶聯是能量轉換的關鍵 氧化磷酸化是釋放代謝能的主要環(huán)節(jié)，在這個過程中，NADH和FADH2分子把它們從食物氧化得來的電子轉移到氧分子。這一反應相當于氫原子在空氣中燃燒最終形成水的過程，釋放出的能量絕大部分用于生成ATP，少部分以熱的形式釋放。59（一）（一）呼吸鏈和呼吸鏈和ATP合酶復合體是氧化磷酸化的結構基礎合酶復合體是氧化磷酸化的結構基礎 1分子的葡萄糖經無氧氧化、丙酮酸脫氫和分子的葡萄糖經無氧氧化、丙酮酸脫氫和TAC循環(huán)循環(huán), 共共產生了產生了6分子的分子的CO2和

35、和12對對H，這些，這些H必須進一步氧化成為必須進一步氧化成為水，整個有氧氧化過程才告結束。水，整個有氧氧化過程才告結束。 59 H并不能與O2直接結合，一般認為H須首先離解為H+和e-，電子經過線粒體內膜上酶體系的逐級傳遞，最終使1/2O2成為O2-，后者再與基質中的2個H+化合生成H2O。這一傳遞電子的酶體系是由一系列能夠可逆地接受和釋放H+和e-的化學物質所組成，它們在內膜上有序地排列成相互關聯的鏈狀，稱為呼吸鏈（respiratory chain）或電子傳遞呼吸鏈（electron transport respiratory chain）。6060 只傳遞電子的酶和輔酶稱為電子傳遞體，

36、它們可分為醌類、 細胞色素和鐵硫蛋白三類化合物；既傳遞電子又傳遞質子的酶和輔酶稱為遞氫體。 除了泛醌(CoQ)和細胞色素c(Cyt c)外，組成呼吸鏈的成員分別組成了、四個脂類蛋白質復合體，它們是線粒體內膜的整合蛋白。CoQ是脂溶性的蛋白質，可在脂雙層中從膜的一側向另一側移動；Cyt c是膜邊周蛋白，可在膜表面移動。6161復合體酶活性分子量輔基 NADH-CoQ氧化還原酶85 000FMN 、FeS 琥珀酸- CoQ氧化還原酶97 000FAD、FeS CoQH2-細胞色素c氧化還原酶280 000血紅素b、 FeS血紅素c1 細胞色素c氧化酶200 000血紅素a、Cu血紅素a362線粒體

37、電子傳遞鏈組分線粒體電子傳遞鏈組分62 線粒體內膜（包括嵴）上附有許多圓球形基粒。 基粒由頭部、柄部和基片3部分組成：頭部呈球形，直徑約89nm；柄部直徑約4nm，長5nm；頭部與柄部相連凸出在內膜表面，柄部則與嵌入內膜的基片相連。進一步研究表明，基粒是將呼吸鏈電子傳遞過程中釋放的能量用于使ADP磷酸化生成ATP的關鍵裝置，是由多種多肽構成的復合體，其化學本質是ATP合酶復合體（ATP synthase complex），也稱F0F1 ATP合酶。63636464（二）電子傳遞過程中釋放出的能量催化（二）電子傳遞過程中釋放出的能量催化ADPADP磷酸化而合成磷酸化而合成ATPATP實現氧化磷酸

38、化偶聯實現氧化磷酸化偶聯 經糖酵解和三羧酸循環(huán)產生的NADH和FADH2 是兩種還原性的電子載體，它們所攜帶的電子經線粒體內膜上的呼吸鏈逐級定向傳遞給O2，本身則被氧化。電子傳遞過程中釋放出的能量被F0F1ATP酶復合體用來催化ADP磷酸化而合成ATP，這就是氧化磷酸化作用。 65656666 在正常情況下，氧化水平總是和磷酸化水平密切偶聯的，沒有磷酸化就不能進行電子傳遞。根據對相鄰電子載體的氧化還原電位的測定表明，呼吸鏈中有3個主要的能量釋放部位，即NADHFMN，Cyt bCyt c之間，Cyt aO2之間。這3個部位釋放的能量依次為50800 J、41000 J和99500 J，每個部位

39、裂解所釋放的能量都足以使一分子ADP磷酸化生成一個分子的ATP。 6767 載氫體NADH和FADH2進入呼吸鏈的部位不同，所釋放的自由能也有差異。1分子NADH+H+經過電子傳遞，釋放的能量可以形成3分子ATP；而1分子FADH2所釋放的能量則能夠形成2分子ATP。 68 葡萄糖完全氧化所釋放的能量主要通過兩條途徑形成葡萄糖完全氧化所釋放的能量主要通過兩條途徑形成ATPATP： 底物水平磷酸化生成底物水平磷酸化生成4 4分子分子ATPATP，其中在糖酵解和，其中在糖酵解和TACTAC循環(huán)中分別生成循環(huán)中分別生成2 2分子分子ATPATP； 氧化磷酸化生成氧化磷酸化生成3434個個ATPATP

40、分子。分子。68（三）（三）H H+ +穿膜傳遞轉變?yōu)闄M跨線粒體內膜的電化學質子梯度驅動結合穿膜傳遞轉變?yōu)闄M跨線粒體內膜的電化學質子梯度驅動結合在內膜上的在內膜上的ATPATP合酶催化合酶催化ADPADP磷酸化合成磷酸化合成ATPATP（化學滲透假說）：（化學滲透假說）： NADH或FADH2提供一對電子，經電子傳遞鏈，最后為O2所接受； 電子傳遞鏈同時起H+泵的作用，在傳遞電子的過程中伴隨著H+從線粒體基質到膜間腔的轉移； 線粒體內膜對H+和OH-具有不可透性，隨著電子傳遞過程的進行，H+在膜間腔中積累,造成了內膜兩側的質子濃度差，從而保持了一定勢能差； 膜間腔中的H+有順濃度返回基質的傾向，能借助勢能通過ATP酶復合體F0上的質子通道滲透到線粒體基質中，所釋放的自由能驅動F0F1 ATP合酶合成ATP。 6969四、電化學梯度所包含的能量轉換成AT