1、第七章 细胞的能量转换线粒体和叶绿体,生命学院 刘军锋,2009年3月23日,第一节 线粒体与氧化磷酸化, 线粒体的形态结构 线粒体的化学组成及酶的定位 氧化磷酸化 线粒体与疾病,1. 线粒体的形态、大小、数量与分布,2. 线粒体的超微结构, 外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性较高。 内膜（inner membrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristae）。含有与能量转换相关的蛋白 膜间隙（intermembrane space）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。 基质（matrix）：含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA, RN
2、A，核糖体。,线粒体结构模式图,线粒体外膜孔蛋白, 执行氧化反应的电子传递链 ATP合成酶 线粒体内膜转运蛋白,线粒体内膜中的运输系统,二、线粒体的化学组成及酶的定位, 线粒体组分分离方法 线粒体的化学组成 线粒体酶的定位,线粒体组分的分离,2.线粒体的化学组成与各部分功能,蛋白质(线粒体干重的6570) 脂类(线粒体干重的2530)： 磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。 线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1（内膜）；1:1（外膜）,3. 线粒体主要酶的分布,三、线粒体的功能,(一)线粒体中的氧化代谢 1.三大物质代谢 2.NADH的进入线粒体的两种“穿梭”途径,线粒体主
3、要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。,苹果酸-天冬氨酸穿梭途径,3-磷酸甘油穿梭途径,（线粒体基质）,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,FAD,FADH2,NADH,NAD+,线粒体内膜,NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2,（细胞质）,(二)电子传递链与电子传递 电子传递链：在线粒体内膜上存在传递电子的一组酶的复合体，由一系列能可逆的接收和释放电子或H+的化学物质所组成，它们在内膜上相互关联的有序排列成传递链,这一复杂传递体系即
4、电子传递链，又称呼吸链。,1. 电子载体,黄素蛋白：由一条多肽与黄素腺嘌呤单核苷酸（FMN）或FAD组成的结 合蛋白，线粒体中主要的黄素蛋白有NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶。 细胞色素：带有含铁血红素辅基而对可见光具有特征性强吸收的蛋白。 泛醌：辅酶Q，唯一不与蛋白结合的电子载体，可在膜中自由扩散，在 单电子受体和双电子受体之间起作用。 Fe-S蛋白：一类含非血红素铁的蛋白质,靠Fe3+和Fe2+的变换传递电子。 铜原子：在线粒体内膜的单个蛋白质分子内，传递单个电子。,黄素蛋白酶类,特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白,细胞色素血红素的结构,CoQ的结构和递氢原理,CoQ+2H
5、 CoQH2,铁硫蛋白,2电子载体的排列顺序,电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高) 电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形成高能电子(能量转化)， 终止于O2形成水。 高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物(H+-泵)将H+从基质侧泵到膜间隙，形成跨线粒体内膜H+梯度(能量转化) 电子传递链各组分在膜上不对称分布,3. 电子传递链的四种复合物(哺乳类),复合物：NADH-CoQ还原酶复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白。作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电子辅酶Q； 泵出
6、4 H+,复合物：琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递体而非质子移位体）组成：含FAD辅基，2Fe-S中心，作用：催化2低能电子FADFe-S辅酶Q (无H+泵出),猪心粒体膜蛋白复合物II的三维结构 （饶子和 等，2005，Cell）,3. 电子传递链的四种复合物(哺乳类),复合物：细胞色素bc1复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：包括1 cytc1、1 cytb、1 Fe-S蛋白作用：催化电子从UQH2cytc；泵出4 H+ （2个来自UQ，2个来自基质） 复合物：细胞色素C氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：二聚体，每一单体含13个亚基， 三维构象，cyt a,cyt a3 ,
7、Cu,Fe 作用：催化电子从cyt c分子O2 形成水，2H+泵出，2H+参与形成水。,3. 电子传递链的四种复合物(哺乳类),细胞色素C氧化酶的三维结构与作用,（三）两条氧化呼吸链,1NADH氧化呼吸链,2琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼吸链),（四）ATP形成机制氧化磷酸化,氧化磷酸化：代谢物脱下的氢经电子传递链与氧结合成水的过程中，释放的能量使ADP磷酸化生成ATP的过程称之氧化磷酸化，即氢的氧化和ADP的磷酸化相耦联，又称为耦联磷酸化。 氧化磷酸化偶联部位：,磷酸化：将ADP转变为ATP的过程称为磷酸化。,（四）ATP形成机制氧化磷酸化, 氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程，即有机分
8、子中储藏的能量高能电子质子动力势ATP 氧化(电子传递、消耗氧, 放能)与磷酸化(ADP+Pi，储能)同时进行，分别由两个不同的结构体系执行.,1. ATP合酶的结构与组成,线粒体ATP合成系统的解离与重建实验证明电子传递与ATP合成是由两个不 同的结构体系执行, F1颗粒具有ATP酶活性,ATP合酶可逆性复合酶，即既能利用质子电化学梯度储存的能量合成 ATP, 又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙,2能量耦联与ATP合酶的作用机制,几个假说1953年 Edward Slater 化学耦联假说1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说1979年 Paul Boyer 结合变构假说,
9、1978年获诺贝尔化学奖,1997年获诺贝尔化学奖,化学渗透假说原理示意图,4H+,2H+,2H+,4H+,NADH+H+,2H+,2H+,2H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2e-,+ + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,质子流,线粒体内膜,2能量耦联与ATP合酶的作用机制,化学渗透假说内容：电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，形成H+电化学梯度。在这个梯度驱使下，H+穿过ATP合成酶回到基质，同时合成ATP,电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。 支持化学渗透假说的实验
10、证据该实验表明：质子动力势乃ATP合成的动力膜应具有完整性电子传递与ATP合成是两件相关而又不同的事件,质子动力势的其他作用, 产热：冬眠动物与新生儿的Brown Fat Cell 线粒体产生大量热量,Boyer和Walker的工作,英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构， 证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个亚基的确有不同构象， 从而有力地支持了Boyer的假说。,Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。,美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出结合变构假说，认为ATP合成酶亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP
11、和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。,ATPase的结合变构模型,结合变构理论认为质子流通过Fo引起亚基III 寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置 /亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变, 亚基的中心 -螺旋被认为是转子,亚基I和II与亚基组合在一起组成定子,它压住 /异质六聚体.,ATP酶作用机理,ATP,有于ADP与Pi结合的构象,有于ADP与Pi生成的构象,有利于ATP释放的构象,利用分子马达检测病原菌,利用分子马达检测
12、病原菌原理,色素体-free F0F1-ATPase可作为一种新型的生物传感器去检测反应体系中的目的miRNA。首先将特异的miRNA探针连接到F0F1-ATPase的亚基上。 -free F0F1-ATPase在光驱动下质子进行连续的改变，从而引发分子马达的旋转。连接在亚基上的探针与miRNA反应，这个杂交反应会影响到分子马达的旋转，可以通过对分子马达进行标记即用pH-敏感型的CdTe原子团标记来检测其改变。总的反应体系可以通过荧光强度的变化来监测。由于探针的特异性及检测的灵敏性可以很容易的区分反应体系中的miRNA家族。由于不同病原菌具有不同的特异性核苷酸序列，所以可将该方法用于病原菌的检
13、测。具体的操作同上，只是探针换成了特异性引物，检测对象变成了特异性基因片段。该方法具有快速、灵敏、特异性强的特点，可作为快速检测方法研究的新的趋势，具有广阔的应用前景。,氧化磷酸化图解,四、线粒体与疾病,线粒体是细胞内最容易受损伤的细胞器，许多研究工作表明，线粒体与人的疾病、衰老和细胞凋亡有关。克山病是一种心肌线粒体病 线粒体释放细胞色素C参与细胞凋亡 线粒体上某一微小的差异与引发帕金森氏症等疾病的神经细胞死亡现象相关，这一差异还可能决定人能否长寿。,小 结,1、了解线粒体的形态与分布，电子载体的种类和排列顺序，线粒体与疾病。熟悉NAD+、 FMN、FAD、铁硫蛋白、泛醌和细胞色素的作用；。 2、掌握线粒体的结构、电子传递链、呼吸链复合体的概念； ATP合酶的结构及氧化磷酸化机制；NADH氧化呼吸链、琥珀酸氧化呼吸链及其排列顺序。 3重点：线粒体的结构，呼吸链、呼吸链复合体的概念，ATP形成机制。 4难点：ATP合酶的分子结构及作用机制。,作业与思考题,1呼吸链的组成成分有哪些？ 2电子传递链与氧化磷酸化之间有何关系？ 3氧化磷酸化的耦联机制的结合变构假说的主要论点是什么？有哪些证据？,
