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1、关于物质的能量转换线粒体第1页，讲稿共99张，创作于星期二第一节第一节 线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化线粒体被称为细胞内的能量工厂线粒体被称为细胞内的能量工厂。人体内。人体内的细胞每天要合成几千克的的细胞每天要合成几千克的ATPATP，95%95%是由是由线粒体中的呼吸链所产生线粒体中的呼吸链所产生。线粒体通过线粒体通过氧化磷酸化氧化磷酸化，进行能量转换。，进行能量转换。第2页，讲稿共99张，创作于星期二线粒体发现及功能研究简史线粒体发现及功能研究简史18901890年年AltamanAltaman发现线粒体发现线粒体,命名为命名为bioblastbioblast。18981898年年B
2、endaBenda将这种颗命名为将这种颗命名为mitochondrionmitochondrion。19001900年年L.MichaelisL.Michaelis发现线粒体具有氧化作用。发现线粒体具有氧化作用。19481948年年GreenGreen证实线粒体含所有三羧酸循环的酶。证实线粒体含所有三羧酸循环的酶。19491949年年KennedyKennedy发现脂肪酸氧化是在线粒体内完成。发现脂肪酸氧化是在线粒体内完成。19761976年年HatefiHatefi等纯化了呼吸链四个独立的复合体。等纯化了呼吸链四个独立的复合体。1961-19801961-1980年年MitchellMitc
3、hell提出氧化磷酸化化学偶联学说。提出氧化磷酸化化学偶联学说。第3页，讲稿共99张，创作于星期二一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构 （一）形态、大小、数量和分布（一）形态、大小、数量和分布1.1.形态形态：粒状或杆状，因种类和生理状态，可：粒状或杆状，因种类和生理状态，可呈环形，哑铃形、线状、分杈状。呈环形，哑铃形、线状、分杈状。2.2.大小大小：直径：直径0.51m0.51m，长，长1.53.0m1.53.0m，胰脏，胰脏分泌细胞中可长达分泌细胞中可长达1020m1020m，称巨线粒体。人成，称巨线粒体。人成纤维细胞则更长，可达纤维细胞则更长，可达40m40m。线粒体形状与大小也随着
4、代谢条件不同而改变。线粒体形状与大小也随着代谢条件不同而改变。第4页，讲稿共99张，创作于星期二3.3.数量数量：不同类型细胞中：不同类型细胞中M M相差大，有的仅相差大，有的仅1 1个，有的数百或数千，同类型细胞中数目稳定。个，有的数百或数千，同类型细胞中数目稳定。在代谢活跃的细胞中数量多；植物常较动物少；在代谢活跃的细胞中数量多；植物常较动物少；红细胞中无线粒体。红细胞中无线粒体。4.4.分布分布：常均匀分布在胞质，但也有不均匀：常均匀分布在胞质，但也有不均匀分布，常集中在代谢活跃的区域。分布，常集中在代谢活跃的区域。M M常结合在微管上，可向功能旺盛区域迁移。常结合在微管上，可向功能旺盛
5、区域迁移。第5页，讲稿共99张，创作于星期二线粒体大小和数量反映了细胞能量需求线粒体大小和数量反映了细胞能量需求线粒体位于心肌细胞和精子尾部需能多的部位线粒体位于心肌细胞和精子尾部需能多的部位第6页，讲稿共99张，创作于星期二活细胞中线粒体形态高度可变活细胞中线粒体形态高度可变第7页，讲稿共99张，创作于星期二（二）线粒体的结构（二）线粒体的结构 线粒体由线粒体由内外两层单位膜封闭内外两层单位膜封闭形成，包括外膜、形成，包括外膜、内膜、膜间隙和基质内膜、膜间隙和基质4 4个部分。个部分。第8页，讲稿共99张，创作于星期二线粒体结构模型第9页，讲稿共99张，创作于星期二1 1、外膜、外膜 (ou
6、t membrane)(out membrane)全封闭的单位膜，厚全封闭的单位膜，厚6nm6nm，脂和蛋白含量近相等，脂和蛋白含量近相等;具孔蛋白具孔蛋白(porin)(porin)构成的构成的亲水通道亲水通道，分子量，分子量5KD3:13:1。心磷脂含量。心磷脂含量20%20%、无胆固醇。、无胆固醇。氧化磷酸化的电子传递链位于内膜。氧化磷酸化的电子传递链位于内膜。第11页，讲稿共99张，创作于星期二内膜向基质褶入形成内膜向基质褶入形成嵴嵴(cristae)(cristae)，嵴有，嵴有2 2种类种类型：型：板层状；板层状；管状。多呈板层状。管状。多呈板层状。嵴上有基粒，基粒由头部嵴上有基粒
7、，基粒由头部(F(F1 1)和基部和基部(F(F0 0)构成，构成，F F0 0嵌入内膜。嵌入内膜。内膜具丰富的酶，主要是参与电子传递与内膜具丰富的酶，主要是参与电子传递与ATPATP合成的酶类，及参与运输与合成的酶类，标志合成的酶类，及参与运输与合成的酶类，标志酶为酶为细胞色素细胞色素C C氧化酶氧化酶。第12页，讲稿共99张，创作于星期二板层状结构第13页，讲稿共99张，创作于星期二管状嵴线粒体第14页，讲稿共99张，创作于星期二3 3、膜间隙、膜间隙(intermembrane space)(intermembrane space)宽宽6-8nm6-8nm，含大量可溶性酶、底物和辅助因子
8、，含大量可溶性酶、底物和辅助因子膜间隙的膜间隙的pHpH值与胞质相似。值与胞质相似。标志酶为标志酶为腺苷酸激酶腺苷酸激酶，催化，催化ATPATP分子的末端磷分子的末端磷酸基团转移到酸基团转移到AMPAMP第15页，讲稿共99张，创作于星期二4 4、基质（、基质（matrixmatrix）除糖酵解外，其它生物氧化的酶均在基质中：除糖酵解外，其它生物氧化的酶均在基质中：TCATCA循环、脂肪酸和丙酮酸氧化的酶。循环、脂肪酸和丙酮酸氧化的酶。标志酶为标志酶为苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶。含一套完整的转录和翻译体系：含一套完整的转录和翻译体系：mtDNAmtDNA，70S70S核糖体，核糖体，tRNA t
9、RNA、rRNArRNA、DNADNA聚合酶、氨基酸聚合酶、氨基酸活化酶等。活化酶等。第16页，讲稿共99张，创作于星期二二、线粒体的功能二、线粒体的功能是糖类、脂肪和氨基酸最终的氧化场所。是糖类、脂肪和氨基酸最终的氧化场所。物质先在胞质中经一系列降解形成丙酮酸和物质先在胞质中经一系列降解形成丙酮酸和脂肪酸，进入线粒体，再经一系列分解形成脂肪酸，进入线粒体，再经一系列分解形成乙酰辅酶乙酰辅酶A A，进入三羧酸循环。，进入三羧酸循环。主要功能是主要功能是进行氧化磷酸化，合成进行氧化磷酸化，合成ATPATP第17页，讲稿共99张，创作于星期二(一一)真核细胞中的氧化作用真核细胞中的氧化作用(oxi
10、dation)(oxidation)葡萄糖和脂肪酸是真核细胞能量的主要来源。葡萄糖和脂肪酸是真核细胞能量的主要来源。1.1.糖的氧化糖的氧化:分为分为3 3个阶段：个阶段：1)1)在胞质中，糖氧化生成丙酮酸；在胞质中，糖氧化生成丙酮酸；2)2)丙酮酸进入线粒体，脱羧生成乙酰丙酮酸进入线粒体，脱羧生成乙酰CoACoA 3)3)乙酰乙酰CoACoA进入进入TCATCA循环，彻底氧化循环，彻底氧化第18页，讲稿共99张，创作于星期二2.2.脂肪的氧化：在胞质中水解成脂肪酸，脂脂肪的氧化：在胞质中水解成脂肪酸，脂肪酸进入线粒体基质，通过肪酸进入线粒体基质，通过氧化途径生氧化途径生成乙酰成乙酰CoACo
11、A，及，及1 1分子分子NADHNADH和和FADHFADH2 2。乙酰辅酶乙酰辅酶A A是线粒体能量代谢的核心分子。是线粒体能量代谢的核心分子。第19页，讲稿共99张，创作于星期二3.TCA3.TCA循环：乙酰循环：乙酰CoACoA和草酰乙酸结合成一个和草酰乙酸结合成一个含含3 3个羧酸的柠檬酸，柠檬酸经氧化脱羧，经个羧酸的柠檬酸，柠檬酸经氧化脱羧，经酮戊二酸、琥珀酸，降解成草酰乙酸，每循酮戊二酸、琥珀酸，降解成草酰乙酸，每循环一次生成环一次生成2 2分子分子COCO2 2、一分子、一分子GTPGTP、4 4分子分子NADHNADH和一分子和一分子FADHFADH2 2。第20页，讲稿共99
12、张，创作于星期二4.4.辅酶在能量传递中的作用辅酶在能量传递中的作用:TCATCA循环的净产物是循环的净产物是FADHFADH2 2和和NADHNADH，含循环中底物，含循环中底物氧化释放的电子，共氧化释放的电子，共5 5对，可用于对，可用于ATPATP合成。合成。胞质糖酵解也产生胞质糖酵解也产生NADHNADH，可通过苹果酸，可通过苹果酸-天门冬天门冬氨酸穿梭和甘油氨酸穿梭和甘油-磷酸穿梭，将电子传递给线粒磷酸穿梭，将电子传递给线粒体的体的FADFAD，形成，形成FADHFADH2 2，参与参与ATPATP合成。合成。第21页，讲稿共99张，创作于星期二(二二)呼吸链与电子传递呼吸链与电子传
13、递呼吸链呼吸链(respiratory chain)(respiratory chain)，是内膜上的一组，是内膜上的一组酶复合体。酶复合体。功能是进行电子、功能是进行电子、H H+的传递及氧的的传递及氧的利用，产生利用，产生H H2 2O O和和ATPATP。TCATCA循环后，大部分能量储在循环后，大部分能量储在NADHNADH和和FADHFADH2 2中，需中，需将还原型辅酶氧化才能将能量释放出，该过程将还原型辅酶氧化才能将能量释放出，该过程涉及电子从涉及电子从NADHNADH或或FADHFADH2 2传递到氧。传递到氧。第22页，讲稿共99张，创作于星期二在内膜中一系列的电子载体进行的
14、电子传递在内膜中一系列的电子载体进行的电子传递过程中，过程中，NADHNADH或或FADHFADH2 2所含能量逐步释放，最所含能量逐步释放，最后储存在后储存在ATPATP的高能磷酸键中。的高能磷酸键中。电子经呼吸链流动称电子传递，电子经呼吸链流动称电子传递，ADPADP转变成转变成ATPATP称磷酸化，两者的偶联即氧化磷酸化。称磷酸化，两者的偶联即氧化磷酸化。第23页，讲稿共99张，创作于星期二（三）氧化磷酸化（三）氧化磷酸化(oxidative(oxidative phosphorylation)phosphorylation)的分子基础的分子基础 第24页，讲稿共99张，创作于星期二1
15、1、电子载体、电子载体 与电子结合并将其传递下去的物质与电子结合并将其传递下去的物质:电子载体。电子载体。呼吸链电子载体：黄素蛋白、细胞色素、铜原呼吸链电子载体：黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶子、铁硫蛋白、辅酶Q Q。(1)NAD(1)NAD：烟酰胺嘌呤二核苷酸，脱氢酶的辅：烟酰胺嘌呤二核苷酸，脱氢酶的辅酶，连接酶，连接TCATCA循环和呼吸链，将氢交给黄素蛋白。循环和呼吸链，将氢交给黄素蛋白。第25页，讲稿共99张，创作于星期二NAD的结构和功能的结构和功能:NAD：RH，NADP：RH2PO3-第26页，讲稿共99张，创作于星期二(2)(2)黄素蛋白黄素蛋白(flavoprot
16、ein)(flavoprotein)：由一条多肽链结合一个辅基组成的酶类由一条多肽链结合一个辅基组成的酶类,辅辅基为基为FMNFMN或或FADFAD，每个，每个FMNFMN或或FADFAD可接受可接受2 2个电子个电子和和2 2个质子。呼吸链上有以个质子。呼吸链上有以FMNFMN为辅基的为辅基的NADHNADH脱脱氢酶，以氢酶，以FADFAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。为辅基的琥珀酸脱氢酶。第27页，讲稿共99张，创作于星期二FMN(flavinmononucleotide)的分子结构第28页，讲稿共99张，创作于星期二FAD(flavinadeninedinucleotide)的分子结构第29页，
17、讲稿共99张，创作于星期二(3)(3)细胞色素细胞色素(cytochrome)(cytochrome)：含血红素铁，以：含血红素铁，以FeFe3+3+和和FeFe2+2+互变传递电子，呼吸链中有互变传递电子，呼吸链中有5 5类细类细胞色素胞色素:a:a、a a3 3、b b、c c、c c1 1；a a、a a3 3含铜原子。含铜原子。血红素基团的铁可传递单个电子血红素基团的铁可传递单个电子aaaa3 3分子中分子中,还含还含2 2个铜原子个铜原子,靠其化合价的变靠其化合价的变化化,把电子从把电子从a a3 3传递到氧传递到氧第30页，讲稿共99张，创作于星期二血红素的结构第31页，讲稿共99
18、张，创作于星期二(4)(4)铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe/S protein)(Fe/S protein)：属细胞色：属细胞色素类，分子中央结合的是铁和硫，非血红素类，分子中央结合的是铁和硫，非血红素，称铁硫中心。一般含素，称铁硫中心。一般含4 4个原子，个原子，2 2个铁个铁和和2 2个个S S，称，称2Fe-2S2Fe-2S，也有，也有4Fe-4S4Fe-4S。也是通过也是通过FeFe2+2+、FeFe3+3+互变进行电子传递，且互变进行电子传递，且一次只能传递一次只能传递1 1个电子个电子 第32页，讲稿共99张，创作于星期二第33页，讲稿共99张，创作于星期二(5)(5)辅酶辅酶Q(coen
19、zyme Q)Q(coenzyme Q)：脂溶性小分子醌类化：脂溶性小分子醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。合物，通过氧化和还原传递电子。有有3 3种氧化还原形式：氧化型醌种氧化还原形式：氧化型醌Q Q，还原型氢醌，还原型氢醌(QH(QH2 2)和介于两者间的半醌和介于两者间的半醌(QH)(QH)。每个醌能接受和传递每个醌能接受和传递2 2个电子和质子个电子和质子第34页，讲稿共99张，创作于星期二辅酶Q第35页，讲稿共99张，创作于星期二2 2、氧化还原电位与载体排列顺序、氧化还原电位与载体排列顺序同种物质得失电子的两种状态称氧还对。如同种物质得失电子的两种状态称氧还对。如NAD+NAD+
20、和和NADHNADH，两者间有电位差，即氧还电位，两者间有电位差，即氧还电位可在标准条件下测定标准氧还电位。标准氧还电可在标准条件下测定标准氧还电位。标准氧还电位越小，提供电子的能力越强位越小，提供电子的能力越强通过测定电子载体的氧化还原电位，可推断其在通过测定电子载体的氧化还原电位，可推断其在呼吸链中的排列顺序呼吸链中的排列顺序第36页，讲稿共99张，创作于星期二3 3、电子传递复合物、电子传递复合物 用脱氧胆酸用脱氧胆酸(离子型去污剂离子型去污剂)处理内膜、分离出处理内膜、分离出呼吸链的呼吸链的4 4种复合物，即复合物种复合物，即复合物、和和，辅酶，辅酶Q Q和细胞色素和细胞色素C C不属
21、于任何一种复合物。不属于任何一种复合物。辅酶辅酶Q Q溶于内膜，细胞色素溶于内膜，细胞色素C C位于内膜的膜间隙位于内膜的膜间隙侧侧(C(C侧侧)，属膜外周蛋白。，属膜外周蛋白。第37页，讲稿共99张，创作于星期二（1 1）复合物）复合物 NADHNADH脱氢酶，哺乳动物中由脱氢酶，哺乳动物中由4242条肽链组成。含条肽链组成。含1 1个个FMNFMN和和6 6个个Fe/SFe/S，以二聚体存在。，以二聚体存在。作用：催化作用：催化NADHNADH的的2 2个电子传至辅酶个电子传至辅酶Q Q，并将，并将4 4个个H H+由基质由基质(M(M侧侧)膜间隙膜间隙(C(C侧侧)。电子传递方向：。电子
22、传递方向：NADHFMNFe-SQNADHFMNFe-SQ结果：结果：NADH+5HNADH+5H+(M)+QNAD(M)+QNAD+QH+QH2 2+4H+4H+(C)(C)第38页，讲稿共99张，创作于星期二（2 2）复合物）复合物琥珀酸脱氢酶，琥珀酸脱氢酶，4 4条肽链，含条肽链，含1 1个个FADFAD，2 2个个Fe/SFe/S传递低能电子，催化电子从琥珀酸传递低能电子，催化电子从琥珀酸CoQCoQ，传递，传递过程：琥珀酸过程：琥珀酸FADFe-SQFADFe-SQ。不转移质子。不转移质子。反应结果为：琥珀酸反应结果为：琥珀酸+Q+Q延胡索酸延胡索酸+QH+QH2 2第39页，讲稿共
23、99张，创作于星期二（3 3）复合物）复合物 CoQ-cyt cCoQ-cyt c还原酶，由还原酶，由1111条不同肽链组成，以条不同肽链组成，以二聚体存在，单体含二聚体存在，单体含2 2个个cyt b(b562cyt b(b562，b566)b566)、一个一个cyt c1cyt c1和一个和一个Fe/SFe/S。作用：催化电子从辅酶作用：催化电子从辅酶Q cyt cQ cyt c，每转移一，每转移一对电子，同时将对电子，同时将4 4个个H H+转移至膜间隙。转移至膜间隙。结果：结果：2 2氧化态氧化态cyt ccyt c1 1+QH+QH2 2+2 H+2 H+(M)2(M)2还原还原态态
24、cyt ccyt c1 1+Q+4H+Q+4H+(C)(C)第40页，讲稿共99张，创作于星期二复合物复合物的电子传递和的电子传递和“Q Q循环循环”有关有关辅酶辅酶Q Q能在膜中自由扩散，在内膜能在膜中自由扩散，在内膜C C侧，侧，QH2QH2将一将一个电子交给个电子交给Fe-SFe-S细胞色素细胞色素c1c1细胞色素细胞色素c c，被，被氧化为半醌氧化为半醌(QH)(QH)，并将一个质子释放到膜间隙，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素半醌将电子交给细胞色素b566b562b566b562，释放另外，释放另外一个质子到膜间隙。一个质子到膜间隙。cyt b566cyt b566得
25、到的电子为循环电子，传递路线为：得到的电子为循环电子，传递路线为：半醌半醌b566b562b566b562辅酶辅酶Q Q。在内膜。在内膜M M侧，辅酶侧，辅酶Q Q可被复合体可被复合体（复合体（复合体）或）或cyt b562cyt b562还原为氢还原为氢醌。一对电子由辅酶醌。一对电子由辅酶Q Q到复合物到复合物的电子传递过的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶质子是辅酶Q Q转移的。转移的。第41页，讲稿共99张，创作于星期二Q循环示意图第42页，讲稿共99张，创作于星期二（4 4）复合物）复合物 cyt ccyt c氧化酶
26、，以二聚体存在，单体含氧化酶，以二聚体存在，单体含1 1个个cyt acyt a、a a3 3和和2 2个个CuCu原子。作用：将电子从原子。作用：将电子从cyt c cyt c 氧。氧。传递路线：传递路线：cyt cCucyt cCuA Aheme aaheme aa3 3-Cu-CuB B OO2 2每转移一对电子，从基质中摄取每转移一对电子，从基质中摄取4 4个个H H+，其中，其中2 2个个用于水形成，另用于水形成，另2 2个被转至膜间隙。个被转至膜间隙。结果：结果：4 4还原态还原态cyt c+8 Hcyt c+8 H+(M)+O(M)+O2 2 44氧化氧化态态cyt c+4Hcy
27、t c+4H+(C)+2H(C)+2H2 2O O第43页，讲稿共99张，创作于星期二4 4、两条主要的呼吸链、两条主要的呼吸链 呼吸链传递的主要是呼吸链传递的主要是NADHNADH，而，而FADHFADH2 2较少，较少，可将呼吸链分为主、次两条：可将呼吸链分为主、次两条：主链由复合物主链由复合物、组成，催化组成，催化NADHNADH氧化氧化次链由复合物次链由复合物、组成，催化琥珀组成，催化琥珀酸氧化酸氧化第44页，讲稿共99张，创作于星期二两条主要的呼吸链第45页，讲稿共99张，创作于星期二A.Molecularbasisofoxidation:Electron-transportchai
28、n第46页，讲稿共99张，创作于星期二（二）（二）ATPATP合酶合酶(ATP synthetase)(ATP synthetase)的的结构和作用机理结构和作用机理 F F0 0F F1 1-ATP-ATP酶，是生物能量转化的核心酶。参与酶，是生物能量转化的核心酶。参与氧化磷酸化和光合磷酸化，催化合成氧化磷酸化和光合磷酸化，催化合成ATPATP。也存在线粒体内膜、叶绿体类囊体膜、异氧菌也存在线粒体内膜、叶绿体类囊体膜、异氧菌和光合菌质膜上。和光合菌质膜上。膜结合状态下具有膜结合状态下具有ATPATP合成活性，分离状态下具合成活性，分离状态下具水解水解ATPATP的活性。的活性。第47页，讲稿
29、共99张，创作于星期二1.ATP1.ATP合酶的结构合酶的结构(1)F(1)F1 1:由由5 5种多肽组成的九聚体种多肽组成的九聚体(33)(33)，和和单位交替排列，如桔单位交替排列，如桔瓣。瓣。贯穿贯穿复合体，并与复合体，并与F F0 0接触，接触，帮助帮助与与F F0 0结合。结合。与与F F0 0的两个的两个b b亚基形成固定亚基形成固定复合体的结构。具复合体的结构。具3 3个个ATPATP合成催化位点合成催化位点,每个每个亚基一个。亚基一个。(2)F(2)F0 0:由由3 3个亚基组成的个亚基组成的1515聚体聚体(1a:2b:12c)(1a:2b:12c)。c c亚基在膜中形成物质
30、运动的环，亚基在膜中形成物质运动的环，b b亚基与亚基与固固定定F1F1；a a亚基是质子通道。亚基是质子通道。第48页，讲稿共99张，创作于星期二ATP合酶的结构合酶的结构F1:5subunitsintheratio3:3:1:1:1 F0:1a：2b：12c第49页，讲稿共99张，创作于星期二F F1 1和和F F0 0通过转子和定子联系起来，在合成或通过转子和定子联系起来，在合成或水解水解ATPATP时，转子在通过时，转子在通过F F0 0的的H H+推动下推动下,依次依次与与3 3个个亚基作用，调节亚基作用，调节亚基催化位点构亚基催化位点构象变化；定子在一侧将象变化；定子在一侧将333
31、3与与F F0 0连接起来。连接起来。F F0 0的作用之一的作用之一,利用跨膜质子势转换成扭力矩，利用跨膜质子势转换成扭力矩，推动转子旋转推动转子旋转.第50页，讲稿共99张，创作于星期二第51页，讲稿共99张，创作于星期二2.2.氧化磷酸化与电子传递的偶联氧化磷酸化与电子传递的偶联呼吸链中有呼吸链中有3 3个部位自由能变化较大，是呼吸链个部位自由能变化较大，是呼吸链氧化还原放能与氧化还原放能与ATPATP合成偶联部位，可被特异性合成偶联部位，可被特异性抑制剂阻断。抑制剂阻断。复合物复合物、每传递一对电子，释放的自由每传递一对电子，释放的自由能都足够合成能都足够合成1 1分子分子ATPATP
32、，这三个复合物是呼吸链，这三个复合物是呼吸链中电子传递与氧化磷酸化偶联的中电子传递与氧化磷酸化偶联的3 3个位点，个位点，各处各处生成生成1 1分子分子ATPATP。NADHNADH呼吸链有呼吸链有3 3个偶联位点，可个偶联位点，可生成生成3 3个个ATP.ATP.FADHFADH2 2呼吸链只合成呼吸链只合成2 2分子分子ATPATP，因为复合物，因为复合物不不是是ATPATP合成的偶联位点。合成的偶联位点。第52页，讲稿共99张，创作于星期二SummaryofthemajoractivitiesduringaerobicrespirationinamitochondrionNADHO2:3
33、ATP/2e;FADH2O2:2ATP/2e第53页，讲稿共99张，创作于星期二3.3.生物氧化产生生物氧化产生ATPATP的统计的统计一个葡萄糖分子经细胞呼吸全过程产生的一个葡萄糖分子经细胞呼吸全过程产生的ATP ATP 糖酵解：底物水平磷酸化产生糖酵解：底物水平磷酸化产生 4 ATP4 ATP（胞质）（胞质）己糖分子活化消耗己糖分子活化消耗 2 ATP2 ATP（胞质）（胞质）产生产生 2NADH2NADH，经电子传递产生，经电子传递产生 4 4或或 6 ATP6 ATP 净积累净积累 6 6或或8 ATP8 ATP丙酮酸氧化脱羧：产生丙酮酸氧化脱羧：产生 2NADH(M)2NADH(M)
34、，生成，生成 6ATP6ATP三羧酸循环：底物水平的磷酸化产生三羧酸循环：底物水平的磷酸化产生(M)(M)2ATP2ATP；产生产生 6NADH6NADH（M M），生成），生成 18ATP18ATP；产生产生 2FADH22FADH2（M M），生成），生成 4 ATP4 ATP总计生成总计生成 3636或或38 ATP38 ATP 第54页，讲稿共99张，创作于星期二（三）氧化磷酸化的偶联机理（三）氧化磷酸化的偶联机理 氧化与磷酸化的偶联机制一直是研究氧化磷酸化氧化与磷酸化的偶联机制一直是研究氧化磷酸化作用的关键作用的关键主要的假说有：主要的假说有：1 1、化学渗透学说化学渗透学说(che
35、miosmotic coupling(chemiosmotic coupling hypothesis)hypothesis)2 2、构象偶联假说构象偶联假说(conformational coupling(conformational coupling hypothesis)hypothesis)第55页，讲稿共99张，创作于星期二1 1、化学渗透假说：质子动力势、化学渗透假说：质子动力势 Mitchell P.1961Mitchell P.1961提出提出“化学渗透假说化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis)”(Chemiosmotic Hypothesis)”，70
36、70年代化年代化学渗透假说得到大量实验的支持，成为一学渗透假说得到大量实验的支持，成为一种较为流行的假说，种较为流行的假说，MitchellMitchell也因此获得也因此获得19781978年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。第56页，讲稿共99张，创作于星期二化学渗透学说：电子沿呼吸链传递时，释放的能化学渗透学说：电子沿呼吸链传递时，释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，线粒体内膜量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，线粒体内膜对离子高度不通透，使膜间隙的对离子高度不通透，使膜间隙的H+H+浓度高于基质，浓度高于基质，在内膜两侧形成在内膜两侧形成pHpH梯度梯度(pH)(pH)及电位梯度及电位梯度
37、()()，共同构成电化学梯度，即质子动力势共同构成电化学梯度，即质子动力势(P)(P)。P=-(2.3RT/F)pHP=-(2.3RT/F)pHTT为绝对温度，为绝对温度，R R为气体常数，为气体常数，F F为法拉第常数为法拉第常数质子沿电化学梯度穿过内膜上的质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATPATP合酶流回基合酶流回基质，使质，使ATPATP合酶构象改变，将合酶构象改变，将ADPADP和和PiPi合成合成ATPATP第57页，讲稿共99张，创作于星期二化学渗透学说第58页，讲稿共99张，创作于星期二第59页，讲稿共99张，创作于星期二MithchellsChemiosmotictheory(1
38、961)Morethan21026molecules(160kg)ofATPperdayinourbodies.第60页，讲稿共99张，创作于星期二Otherrolesfortheproton-motiveforceinadditiontoATPsynthase第61页，讲稿共99张，创作于星期二2 2、构象耦联假说、构象耦联假说19791979年年BoyerBoyer提出构象耦联假说，要点有：提出构象耦联假说，要点有：1 1ATPATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化亲和力，催化ADPADP与与PiPi形成形成ATPAT
39、P。2 2F1F1有三个催化位点，三个催化位点的构象不同、与核苷有三个催化位点，三个催化位点的构象不同、与核苷酸的亲和力不同。在酸的亲和力不同。在L L构象构象(loose)(loose)，ADPADP、PiPi与酶疏松结合；与酶疏松结合；在在T(tight)T(tight)构象与酶紧密结合；在构象与酶紧密结合；在O O构象构象(open)ATP(open)ATP与酶的与酶的亲和力低，被释放。亲和力低，被释放。3 3质子通过质子通过F0F0时，引起时，引起c c亚基构成的环旋转，带动亚基构成的环旋转，带动亚基亚基旋转，旋转，亚基端部高度不对称，它的旋转引起亚基端部高度不对称，它的旋转引起亚基亚
40、基3 3个催个催化位点构象的周期性变化化位点构象的周期性变化(L(L、T T、O)O)。每个亚基要经过。每个亚基要经过3 3次构象次构象改变才能催化合成改变才能催化合成1 1个个ATPATP。第62页，讲稿共99张，创作于星期二第63页，讲稿共99张，创作于星期二第64页，讲稿共99张，创作于星期二TheATPsynthaseisareversiblecouplingdevice第65页，讲稿共99张，创作于星期二支持构象耦联假说的实验有：支持构象耦联假说的实验有：1 1日本的吉田（日本的吉田（Massasuke YoshidaMassasuke Yoshida）等人将）等人将3333固定在玻
41、片上，在固定在玻片上，在亚基的顶端连接亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATPATP的溶液中的溶液中温育时，在显微镜下可观察到温育时，在显微镜下可观察到亚基带动肌动亚基带动肌动蛋白纤维旋转。蛋白纤维旋转。2 2在另外一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白在另外一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白连接到连接到ATPATP合酶的合酶的F F0 0亚基上，在亚基上，在ATPATP存在时同样存在时同样可以观察到肌动蛋白的旋转。可以观察到肌动蛋白的旋转。第66页，讲稿共99张，创作于星期二亚基旋转的观察第67页，讲稿共99张，创作于星期二（四）氧化磷酸化抑制剂（四）氧化磷酸
42、化抑制剂 电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序，当呼吸电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序，当呼吸链某一特定部位被抑制，底物一侧均为还原态，另一侧均为氧链某一特定部位被抑制，底物一侧均为还原态，另一侧均为氧化态，可用分光光度计检测，各组分氧化态和还原态具不同的化态，可用分光光度计检测，各组分氧化态和还原态具不同的吸收峰。吸收峰。1.1.电子传递抑制剂电子传递抑制剂:包括以下类型：包括以下类型：抑制抑制NADHCoQNADHCoQ电子传递电子传递:阿米妥、鱼藤酮、杀粉蝶素阿米妥、鱼藤酮、杀粉蝶素A A。抑制抑制Cyt bCyt c1Cyt bCyt c1电子传递电子传递:抗霉
43、素抗霉素A A 抑制细胞色素氧化酶抑制细胞色素氧化酶O O2 2:CO:CO，CNCN，NaNNaN3 3，H H2 2S S第68页，讲稿共99张，创作于星期二2 2磷酸化抑制剂磷酸化抑制剂:与与F F0 0结合结合，阻断结合结合，阻断H H+通道，从而抑制通道，从而抑制ATPATP合成：寡霉素、二环己基碳化二亚胺合成：寡霉素、二环己基碳化二亚胺(DCC)(DCC)3 3解偶联剂解偶联剂(uncoupler):(uncoupler):使氧化和磷酸化脱偶联，氧化使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可进行，而磷酸化不能进行。解偶联剂为离子载体或通仍可进行，而磷酸化不能进行。解偶联剂为离子载体或通道，能增
44、大内膜对道，能增大内膜对H H+通透性，消除通透性，消除H H+梯度，无梯度，无ATPATP生成，使生成，使氧化释放出的能量全部以热的形式散发氧化释放出的能量全部以热的形式散发动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体中有独特的解偶联蛋白，动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体中有独特的解偶联蛋白，与维持体温有关。与维持体温有关。第69页，讲稿共99张，创作于星期二常用解偶联剂主要有：常用解偶联剂主要有：质子载体：质子载体：2 2，4-4-二硝基酚二硝基酚(DNP)(DNP)，羰基，羰基-氰氰-对对-三氟甲氧基苯肼三氟甲氧基苯肼(FCCP)(FCCP)。质子通道质子通道:增温素。增温素。其它离子载体：缬氨霉素。其它离
45、子载体：缬氨霉素。某些药物：如过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化某些药物：如过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。部分解偶联，从而使体温升高。第70页，讲稿共99张，创作于星期二三、线粒体的半自主性三、线粒体的半自主性 6363年发现线粒体年发现线粒体DNA(mtDNA)DNA(mtDNA)后，又在线粒体发现后，又在线粒体发现RNARNA、DNADNA聚合酶、聚合酶、RNARNA聚合酶、聚合酶、tRNAtRNA、核糖体等、核糖体等进行进行DNADNA复制、转录和蛋白质翻译的全套装备，复制、转录和蛋白质翻译的全套装备，说明说明线粒体具独立遗传体系线粒体具独立遗传体系。线粒体能合成蛋白
46、质，但合成能力有限。线粒体线粒体能合成蛋白质，但合成能力有限。线粒体10001000多种蛋白质中，自身合成的仅十余种。线粒多种蛋白质中，自身合成的仅十余种。线粒体核糖体蛋白、氨酰体核糖体蛋白、氨酰tRNA tRNA 合成酶、许多结构蛋合成酶、许多结构蛋白，白，都是核基因编码，都是核基因编码，在胞质中合成，定向转在胞质中合成，定向转运到线粒体，故称运到线粒体，故称线粒体为半自主细胞器线粒体为半自主细胞器。第71页，讲稿共99张，创作于星期二利用标记氨基酸培养细胞，用氯霉素和放线菌利用标记氨基酸培养细胞，用氯霉素和放线菌酮分别抑制线粒体和胞质蛋白质合成，发现人酮分别抑制线粒体和胞质蛋白质合成，发现
47、人的的mtDNAmtDNA编码的多肽为细胞色素编码的多肽为细胞色素c c氧化酶的氧化酶的3 3个个亚基，亚基，F0F0的的2 2个亚基，个亚基，NADHNADH脱氢酶的脱氢酶的7 7个亚基和个亚基和细胞色素细胞色素b b等等1313条多肽。条多肽。mtDNAmtDNA还合成还合成12S12S和和16SrRNA16SrRNA及及2222种种tRNAtRNA。第72页，讲稿共99张，创作于星期二mtDNAmtDNA分子为环状双链分子为环状双链DNADNA，外环为重链，外环为重链(H)(H)，内，内环为轻链（环为轻链（L L）。）。基因排列非常紧凑，大多数基因基因排列非常紧凑，大多数基因无无内含子序
48、列。内含子序列。基因组变化较大，动物细胞基因组变化较大，动物细胞mtDNAmtDNA较小，约较小，约16.5kb16.5kb，酵母达，酵母达80kb80kb。每个细胞含几百个线粒体，每个线粒体又含多个每个细胞含几百个线粒体，每个线粒体又含多个mtDNAmtDNA，但，但mtDNAmtDNA的总量不到核基因组的的总量不到核基因组的1%.1%.第73页，讲稿共99张，创作于星期二多数基因由多数基因由H H链转录，包括链转录，包括2 2个个rRNArRNA，1414个个tRNA tRNA 和和1212个编码多肽的个编码多肽的mRNAmRNA。L L链编码另外链编码另外8 8个个tRNAtRNA和一条
49、多肽链。和一条多肽链。mtDNAmtDNA上的基因相互连接，上的基因相互连接，一些多肽基因相互一些多肽基因相互重叠，几乎所有阅读框都缺少非翻译区域。重叠，几乎所有阅读框都缺少非翻译区域。很多基因没有完整的终止密码，很多基因没有完整的终止密码，仅以仅以T T或或TA TA 结尾，结尾，mRNAmRNA终止信号是在转录后加工加上去终止信号是在转录后加工加上去第74页，讲稿共99张，创作于星期二vGenes in mtDNA encode rRNAs,tRNAs,and some mitochondrial proteinsHuman mt DNA:16,569bp 2 rRNAs,22 tRNAs
50、,13 polypeptides:NADH reductase.7 sub.Cty b-c1 complex.1 cytb Cyt oxidase.3 subunits ATP synthase:2 F0 sub 第75页，讲稿共99张，创作于星期二线粒体在形态、染色反应、化学组成、物理性质、遗传体线粒体在形态、染色反应、化学组成、物理性质、遗传体系等方面，都很像细菌，所以推测其起源于内共生。在进系等方面，都很像细菌，所以推测其起源于内共生。在进化过程中好氧细菌逐步丧失了独立性，并将大量遗传信息化过程中好氧细菌逐步丧失了独立性，并将大量遗传信息转移到了宿主细胞中，形成了半自主性。转移到了宿主细