细胞的能量转换线粒体和叶绿体3.ppt

第六章第六章 细胞的能量转换：细胞的能量转换：线粒体和叶绿体线粒体和叶绿体Chapter Seven Chapter Seven Mitochondria and ChloroplastMitochondria and Chloroplast1细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]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2细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构 •（一）形态和分布（一）形态和分布•1.1.形态：因种类和生理状态而异，一形态：因种类和生理状态而异，一般呈粒状或杆状，也有环形，哑铃形、般呈粒状或杆状，也有环形，哑铃形、线状、分杈状线状、分杈状3细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]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   4细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•2.2.大小：直径大小：直径0.5-1μm0.5-1μm，长，长1.5-3.0μm1.5-3.0μm。

•胰脏分泌细胞中的线粒体可长达胰脏分泌细胞中的线粒体可长达10-20μm10-20μm，称巨线粒体，人成纤维细胞线粒体则更，称巨线粒体，人成纤维细胞线粒体则更长，达长，达40μm40μm5细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•3.3.数量：同类型细胞中数目稳定不同类型细数量：同类型细胞中数目稳定不同类型细胞中从胞中从1 1个到数千个代谢活跃细胞数量多；个到数千个代谢活跃细胞数量多；动物细胞较植物细胞多；红细胞无线粒体动物细胞较植物细胞多；红细胞无线粒体•4.4.分布：一般均匀分布常结合在微管上，可分布：一般均匀分布常结合在微管上，可向功能旺盛区域迁移故代谢活跃区域较多向功能旺盛区域迁移故代谢活跃区域较多6细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]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7细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]（二）线粒体的结构（二）线粒体的结构 •线粒体由内外两层单位膜封闭形成，包括外膜、线粒体由内外两层单位膜封闭形成，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8细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]线粒体结构模型 9细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]1 1、外膜、外膜 (outer membrane) (outer membrane)•全封闭的单位膜，脂和蛋白含量近相等全封闭的单位膜，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，通透性较，通透性较高，分子量高，分子量<5KD<5KD分子可通过。

分子可通过•具一些特殊酶类，如色氨酸降解的酶、脂肪链具一些特殊酶类，如色氨酸降解的酶、脂肪链延伸的酶标志酶为延伸的酶标志酶为单胺氧化酶单胺氧化酶10细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]11细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]2 2、内膜、内膜 （（inner membraneinner membrane）） •厚约厚约6-8nm6-8nm，蛋白质，蛋白质/ /脂类脂类>3:1>3:1，心磷脂含，心磷脂含量量20%20%，无胆固醇无胆固醇•通透性低，仅让不带电荷小分子通过，大通透性低，仅让不带电荷小分子通过，大分子和离子通过内膜需特殊转运系统分子和离子通过内膜需特殊转运系统12细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•内膜向基质褶入形成内膜向基质褶入形成嵴嵴(cristae)(cristae)，嵴常，嵴常呈板层状，也有管状呈板层状，也有管状•嵴上有基粒，基粒由头部嵴上有基粒，基粒由头部(F(F1 1) )和嵌入内膜和嵌入内膜的基部的基部(F(F0 0) )构成13细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]板层状结构14细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]管状嵴线粒体 15细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•内膜具丰富的蛋白质和酶类，主要有参与内膜具丰富的蛋白质和酶类，主要有参与氧化磷酸化电子传递的蛋白质复合体及氧化磷酸化电子传递的蛋白质复合体及ATPATP合成的酶类，以及其它一些参与物质运输合成的酶类，以及其它一些参与物质运输与合成的酶类。

与合成的酶类•标志酶为标志酶为细胞色素细胞色素C C氧化酶氧化酶16细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]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，含大量可溶性酶、底物和辅助因子辅助因子•标志酶为标志酶为腺苷酸激酶腺苷酸激酶，催化，催化ATPATP分子分子的末端磷酸基团转移到的末端磷酸基团转移到AMPAMP17细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]4 4、基质（、基质（matrixmatrix））•除糖酵解外，其它参与生物氧化的酶均除糖酵解外，其它参与生物氧化的酶均粒体基质中：粒体基质中：TCATCA循环、脂肪酸和丙酮酸氧循环、脂肪酸和丙酮酸氧化的酶标志酶为化的酶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 tRNA 、、rRNArRNA、、DNADNA聚合酶、氨基酸聚合酶、氨基酸活化酶等活化酶等18细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]二、线粒体的功能二、线粒体的功能•是细胞进行生物氧化的主要场所，糖是细胞进行生物氧化的主要场所，糖类、脂肪和氨基酸最终的氧化均发生类、脂肪和氨基酸最终的氧化均发生粒体。

并将氧化与磷酸化偶联，粒体并将氧化与磷酸化偶联，合成合成ATPATP19细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]( (一一) )真核细胞中的氧化作用真核细胞中的氧化作用(oxidation)(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•1) 1) 在胞质中，糖经糖酵解氧化生成丙酮酸；在胞质中，糖经糖酵解氧化生成丙酮酸；•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，彻底氧化成循环，彻底氧化成CO2CO220细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]21细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]22细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•2. 2. 脂肪的氧化：脂肪的氧化：•脂肪先在胞质中水解成脂肪酸，脂肪酸进脂肪先在胞质中水解成脂肪酸，脂肪酸进入线粒体基质，通过入线粒体基质，通过ββ氧化途径生成乙酰氧化途径生成乙酰CoACoA，及，及1 1分子分子NADHNADH和和FADHFADH2 223细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]3 3、氨基酸的氧化、氨基酸的氧化•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24细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•4 4、、TCATCA循环：循环：• 乙酰乙酰CoACoA和草酰乙酸结合生成柠檬酸，和草酰乙酸结合生成柠檬酸，柠檬酸经氧化脱羧，经酮戊二酸、琥珀酸，柠檬酸经氧化脱羧，经酮戊二酸、琥珀酸，降解成草酰乙酸降解成草酰乙酸• 每循环一次生成每循环一次生成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 225细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•5 5、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，， FADH FADH2 2和和NADHNADH中含有底物氧化释放的高能电子，共中含有底物氧化释放的高能电子，共5 5对，可用于对，可用于ATPATP合成26细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]27细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•糖酵解也产生糖酵解也产生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，将电子传递给磷酸穿梭，将电子传递给FADFAD，形成，形成FADHFADH2 2，，参与参与ATPATP合成。

合成28细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭29细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]苹果酸－天门冬氨酸穿梭•胞液中的NADH，首先由苹果酸脱氢酶催化将草酰乙酸还原成苹果酸，苹果酸再通过内膜上的二羧酸载体系统与线粒体内的α酮戊二酸交换而进入线粒体然后，苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下，又氧化生成草酰乙酸并释出NADH，再经历与粒体内产生的NADH氧化相同的过程30细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]( (二二) )呼吸链与电子传递呼吸链与电子传递•TCATCA循环后，能量储在循环后，能量储在NADHNADH和和FADHFADH2 2中，需中，需将其氧化才能将能量释放出，该过程涉及将其氧化才能将能量释放出，该过程涉及电子从电子从NADHNADH或或FADHFADH2 2传递到氧传递到氧•呼吸链是内膜上的一组酶复合体，负责将呼吸链是内膜上的一组酶复合体，负责将电子传递到氧气，产生电子传递到氧气，产生ATPATP31细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•电子在经呼吸链进行传递时，高能电子中所电子在经呼吸链进行传递时，高能电子中所含能量逐步释放，最后储存在含能量逐步释放，最后储存在ATPATP的高能磷酸的高能磷酸键中，即将键中，即将ADPADP转变成转变成ATPATP，该过程称为磷酸，该过程称为磷酸化。

而电子传递链将生物氧化和磷酸化串联化而电子传递链将生物氧化和磷酸化串联在一起的过程并称为氧化磷酸化在一起的过程并称为氧化磷酸化32细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]1 1、电子载体、电子载体 •电子载体电子载体: :与电子结合并将其传递下去的与电子结合并将其传递下去的物质•(1) NAD(1) NAD：烟酰胺嘌呤二核苷酸，脱氢：烟酰胺嘌呤二核苷酸，脱氢酶的辅酶，连接酶的辅酶，连接TCATCA循环和呼吸链，将氢循环和呼吸链，将氢交给黄素蛋白交给黄素蛋白33细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3](2)(2)黄素蛋白黄素蛋白(flavoprotein)(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, , 辅基为辅基为FMNFMN或或FAD.FAD. 每个每个FMNFMN或或FADFAD可接受可接受2 2个电子和个电子和2 2个质子 呼吸链上既有以呼吸链上既有以FMNFMN为辅基的为辅基的NADHNADH脱氢酶，脱氢酶，也有以也有以FADFAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。

为辅基的琥珀酸脱氢酶34细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•(3)(3)细胞色素细胞色素(cytochrome)(cytochrome)：：•呼吸链中有呼吸链中有5 5类细胞色素：类细胞色素：a a、、a a3 3、、b b、、c c、、c c1 1，均含有血红素铁，以，均含有血红素铁，以FeFe3+3+和和FeFe2+2+互变传递互变传递电子 •而细胞色素而细胞色素a a、、a a3 3还与铜原子相连，铜原子还与铜原子相连，铜原子也依靠自身化合价的变化进行电子传递也依靠自身化合价的变化进行电子传递35细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]血红素的结构 36细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3](4)  (4)  铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe/S protein)(Fe/S protein)：： 属细胞色素类，分子中央结合的是铁和属细胞色素类，分子中央结合的是铁和硫，称铁硫中心一般含硫，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，互变进行电子传递，且一次只能传递且一次只能传递1 1个电子个电子 37细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]38细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•(5)(5)辅酶辅酶Q (coenzyme Q)Q (coenzyme Q)：：•脂溶性小分子醌类化合物，通过氧化和还原脂溶性小分子醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。

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，还原型氢醌醌(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39细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]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+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电位越小，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在呼吸链中的排列顺序40细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]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、分处理内膜、分离出呼吸链的离出呼吸链的4 4种复合物，即复合物种复合物，即复合物ⅠⅠ、、ⅡⅡ、、ⅢⅢ和和ⅣⅣ。

•而参与电子传递的辅酶而参与电子传递的辅酶Q Q和细胞色素和细胞色素C C不属不属于任何一种复合物辅酶于任何一种复合物辅酶Q Q溶于内膜，细胞溶于内膜，细胞色素色素C C位于内膜的膜间隙侧位于内膜的膜间隙侧(C(C侧侧) )，属膜外，属膜外周蛋白41细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]（（1 1）复合物）复合物Ⅰ Ⅰ •NADHNADH－－CoQCoQ还原酶，哺乳动物中由还原酶，哺乳动物中由4242条肽链组成条肽链组成含含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：电子传递方向：NADH→FMN→Fe-S→QNADH→FMN→Fe-S→Q•结果：结果：NADH + 5HNADH + 5H+ +(M) + Q→NAD(M) + Q→NAD+ + + QH + QH2 2 + 4H + 4H+ + (C)(C)42细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]（（2 2）复合物）复合物ⅡⅡ•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•催化电子从琥珀酸催化电子从琥珀酸→CoQ→CoQ，传递过程：琥珀酸，传递过程：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q→FAD→Fe-S→Q。

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 243细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]（（3 3）复合物）复合物 Ⅲ Ⅲ•CoQ- cytcCoQ- cytc还原酶，由还原酶，由1111条不同肽链组成，以二条不同肽链组成，以二聚体存在，单体含聚体存在，单体含2 2个个cyt b (b562cyt b (b562，，b566)b566)、一、一个个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 c + QHcyt c + QH2 2 + 2 H + 2 H+ +(M)→2(M)→2还原还原态态cyt c + Q+ 4Hcyt c + Q+ 4H+ +(C)(C)44细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•复合物复合物ⅢⅢ的电子传递较复杂，与的电子传递较复杂，与“Q“Q循环循环””有有关关•辅酶辅酶Q Q是脂溶性小分子，能在膜中自由扩散，是脂溶性小分子，能在膜中自由扩散，在内膜在内膜C C侧，侧，QH2QH2将一个电子交给将一个电子交给Fe-S→Fe-S→细胞细胞色素色素c1→c1→细胞色素细胞色素c c，被氧化为半醌，被氧化为半醌(QH)(QH)，并，并将一个质子释放到膜间隙；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b566→b562b566→b562，释放，释放另外一个质子到膜间隙。

另外一个质子到膜间隙45细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•cyt b566cyt b566得到的电子为循环电子，传递路得到的电子为循环电子，传递路线为：半醌线为：半醌→b566→b562→→b566→b562→辅酶辅酶Q Q•因此，辅酶因此，辅酶Q Q的还原有的还原有3 3种途径，均发生在种途径，均发生在内膜内膜M M侧一是被复合体侧一是被复合体ⅠⅠ还原，二是被复还原，二是被复合体合体ⅡⅡ还原，三是被还原，三是被cyt b562cyt b562还原46细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]Q循环示意图 47细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]（（4 4）复合物）复合物 Ⅳ Ⅳ•cyt ccyt c氧化酶，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：电子从原子作用：电子从cyt c →cyt c →氧氧•传递路线：传递路线：cyt c→Cucyt c→CuA A→ cyta→a→ cyta→a3 3- Cu- CuB B →O→O2 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 →4→4氧化氧化态态cyt c + 4Hcyt c + 4H+ +(C)+ 2H(C)+ 2H2 2O O48细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]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ⅠⅠ、、ⅢⅢ、、ⅣⅣ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ⅡⅡ、、ⅢⅢ、、ⅣⅣ组成，催化琥珀组成，催化琥珀酸氧化酸氧化49细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]两条主要的呼吸链50细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]Molecular basis of oxidation: Electron-transport chain51细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]（三）（三）ATPATP合酶合酶(ATP synthetase)(ATP synthetase)的结构和作用机理的结构和作用机理 •是生物能量转化的核心酶。

参与氧化磷酸化和是生物能量转化的核心酶参与氧化磷酸化和光合磷酸化，催化合成光合磷酸化，催化合成ATPATP•存在于线粒体内膜、叶绿体类囊体膜、异氧菌存在于线粒体内膜、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，分离状态下合成活性，分离状态下具水解具水解ATPATP的活性52细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]The ATP synthase is a reversible coupling device 53细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]1. ATP1. ATP合酶合酶(F(F0 0F F1 1-ATP-ATP酶酶) )的结构的结构•1)F1)F1 1: 5: 5种多肽组成的九聚体种多肽组成的九聚体(3α3βγδε)(3α3βγδε)，，αα和和ββ交替排列，如桔瓣交替排列，如桔瓣γγ贯穿贯穿αβαβ复合体，复合体，并与并与F F0 0接触，接触，εε帮助帮助γγ与与F F0 0结合δδ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αβαβ复合体的结构具复合体的结构具3 3个个ATPATP合合成催化位点成催化位点, ,每个每个ββ亚基亚基1 1个。

个•2)F2)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δδ固定固定F1F1；；a a亚基是质子通道亚基是质子通道54细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]ATP 合酶的结构合酶的结构F1: 5 subunits in the ratio 3 :3 :1 :1 :1 F0: 1a：：2b：：12c 55细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•在合成在合成ATPATP时，在流过时，在流过F F0 0的的a a亚基的亚基的H H+ +推动下推动下, ,由由1212个个c c亚基组成的转子发生亚基组成的转子发生旋转，带动旋转，带动 转动，转动，  依次与依次与3 3个个ββ亚基亚基作用，使作用，使ββ亚基催化位点构象发生变亚基催化位点构象发生变化，催化化，催化ATPATP合成合成56细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]57细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]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，是呼吸个部位自由能变化较大，是呼吸链氧化还原放能与链氧化还原放能与ATPATP合成偶联部位，可被特合成偶联部位，可被特异性抑制剂阻断。

异性抑制剂阻断•这这3 3个部位分别是复合物个部位分别是复合物ⅠⅠ、、ⅢⅢ、、ⅣⅣ，它们每，它们每传递传递1 1对电子，释放的自由能足够合成对电子，释放的自由能足够合成1 1分子分子ATPATP而而复合物复合物ⅡⅡ释放的自由能不足以合成释放的自由能不足以合成1 1个分子个分子ATP,ATP,不是不是ATPATP合成的偶联位点合成的偶联位点58细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]Summary of the major activities during aerobic respiration in a mitochondrionNADHO2: 3ATP/2e;FADH2 O2 : 2ATP/2e59细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]（四）氧化磷酸化的偶联机理（四）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(chemiosmotic 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)60细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]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)”，，7070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 61细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]化学渗透学说化学渗透学说•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，线粒体内膜对离子高度不通基质侧泵至膜间隙，线粒体内膜对离子高度不通透，使膜间隙的透，使膜间隙的H+H+浓度高于基质，在内膜两侧形浓度高于基质，在内膜两侧形成成pHpH梯度梯度(△pH)(△pH)及电位梯度及电位梯度(Ψ)(Ψ)，共同构成电化，共同构成电化学梯度，即质子动力势学梯度，即质子动力势(△P)(△P)•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ATPATP62细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3] 化学渗透学说 63细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]64细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]Mithchell’s Chemiosmotic theory (1961)More than 21026 molecules (>160kg) of ATP per day in our bodies.65细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]Other roles for the proton-motive force in addition to ATP synthase66细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]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，主要观点是：提出构象耦联假说，主要观点是：• H+ H+通过通过F0F0时，引起时，引起c c亚基构成的环旋转，亚基构成的环旋转，带动带动γγ转动，转动，γγ端部不对称，引起端部不对称，引起F1F1上上3 3个个ββ亚基的催化位点的构象周期性变化亚基的催化位点的构象周期性变化(L(L、、T T、、O)O)。

在在L L构象，构象，ADPADP、、 Pi Pi与酶疏松结合；在与酶疏松结合；在T T构象构象与酶紧密结合，合成与酶紧密结合，合成ATPATP；在；在O O构象构象ATPATP与酶的与酶的亲和力低，被释放每个亚基要经过亲和力低，被释放每个亚基要经过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ATPATP67细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]68细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]69细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]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α3β3γα3β3γ固定在玻片上，在固定在玻片上，在γγ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γγ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70细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]71细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]（四）氧化磷酸化抑制剂（四）氧化磷酸化抑制剂 •1. 1. 电子传递抑制剂电子传递抑制剂: :•①①抑制抑制NADH→CoQNADH→CoQ电子传递电子传递: :阿米妥、鱼阿米妥、鱼藤酮、杀粉蝶素藤酮、杀粉蝶素A A•②②抑制抑制Cyt b→Cyt c1Cyt b→Cyt c1电子传递电子传递: :抗霉素抗霉素A A •③③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 S72细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•2 2．磷酸化抑制剂．磷酸化抑制剂: : 与与F F0 0结合，阻断结合，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，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道，能增大内膜对载体或通道，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，使氧化释放出的能量全部以热的形式散发生成，使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，与维持体温有关白，与维持体温有关73细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•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•其它离子载体：缬氨霉素其它离子载体：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74细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]三、线粒体的半自主性三、线粒体的半自主性 •19631963年发现线粒体年发现线粒体DNA(mtDNA)DNA(mtDNA)后，又后，又粒体发现粒体发现RNARNA、、DNADNA聚合酶、聚合酶、RNARNA聚合酶、聚合酶、tRNAtRNA、核糖体等进行、核糖体等进行DNADNA复制、转录和蛋白复制、转录和蛋白质翻译的全套装备，说明质翻译的全套装备，说明线粒体具独立遗线粒体具独立遗传体系传体系。

75细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•线粒体能合成蛋白质，但合成能力有限线粒体能合成蛋白质，但合成能力有限线粒体线粒体10001000多种蛋白质中，自身合成的仅多种蛋白质中，自身合成的仅十余种•线粒体核糖体蛋白、氨酰线粒体核糖体蛋白、氨酰tRNA tRNA 合成酶、许合成酶、许多结构蛋白，多结构蛋白， 都是核基因编码，在胞质中都是核基因编码，在胞质中合成，定向转运到线粒体合成，定向转运到线粒体. .•故称故称线粒体为半自主细胞器线粒体为半自主细胞器76细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•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•mtDNAmtDNA还合成还合成12S12S和和16SrRNA16SrRNA及及2222种种tRNAtRNA。

77细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]vGenes in mtDNA encode rRNAs, tRNAs, and some mitochondrial proteinsHuman mt DNA: 16,569bp 2 rRNAs, 22 tRNAs, 13 polypeptides: NADH reductase. 7 sub. Cty b-c1 complex. 1 cytb Cyt oxidase. 3 subunits ATP synthase: 2 F0 sub 78细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•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%.79细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•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80细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•线粒体在形态、染色反应、化学组成、物线粒体在形态、染色反应、化学组成、物理性质、遗传体系等方面，都很像细菌，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。

在进化过程中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，形成了半自传信息转移到了宿主细胞中，形成了半自主性细胞器主性细胞器81细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]线粒体遗传体系和细菌相似的特征：线粒体遗传体系和细菌相似的特征：•①DNA①DNA为环形分子，无内含子；为环形分子，无内含子；•②②核糖体为核糖体为70S70S型；型；•③RNA③RNA聚合酶被溴化乙锭抑制不被放线菌素聚合酶被溴化乙锭抑制不被放线菌素D D所抑制所抑制•④tRNA④tRNA、氨酰基、氨酰基-tRNA-tRNA合成酶不同于胞质中的；合成酶不同于胞质中的；•⑤⑤蛋白合成起始氨酰基蛋白合成起始氨酰基tRNAtRNA是是N-N-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰tRNAtRNA•⑥⑥对细菌蛋白合成抑制剂氯霉素敏感，对胞质蛋白对细菌蛋白合成抑制剂氯霉素敏感，对胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感合成抑制剂放线菌酮不敏感82细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]五、线粒体的增殖五、线粒体的增殖 •线粒体主要是通过已有的线粒体的分裂进线粒体主要是通过已有的线粒体的分裂进行增殖的，有以下几种形式：行增殖的，有以下几种形式： 1 1、、间壁分离间壁分离，分裂时先由内膜向中心，分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分成两个，常见于鼠肝和皱褶，将线粒体分成两个，常见于鼠肝和植物产生组织中。

植物产生组织中83细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]a dividing Mit in a liver cell84细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]线粒体的间壁分裂 85细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3] 2 2、、收缩后分离收缩后分离，分裂时通过线粒体中部缢缩，分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和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酵母线粒体中86细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]•3 3、、出芽出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体现小芽，脱落后长大，发育为线粒体 87细胞的能量转换线粒体和叶绿体[3]。