细胞生物学第06章线粒体.pptx

第七章第七章 细胞的能量转换细胞的能量转换线粒线粒体和叶绿体体和叶绿体生命学院生命学院 刘军锋刘军锋20092009年年3 3月月2323日日第一节第一节 线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化 线粒体的形态结构线粒体的形态结构 线粒体的化学组成及酶的定位线粒体的化学组成及酶的定位 氧化磷酸化氧化磷酸化 线粒体与疾病线粒体与疾病 1.线粒体的形态、大小、数量与分布线粒体的形态、大小、数量与分布2.线粒体的超微结构线粒体的超微结构 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,RNA，核糖体。线粒体结构模式图线粒体结构模式图 线粒体外膜孔蛋白 执行氧化反应的电子传递链执行氧化反应的电子传递链 ATP ATP合成酶合成酶 线粒体内膜转运蛋白线粒体内膜转运蛋白线粒体内膜中的运输系统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组分分离方法 线粒体的化学组成线粒体的化学组成 线粒体酶的定位线粒体酶的定位线粒体组分的分离线粒体组分的分离 2.线粒体的化学组成与各部分功能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，外膜主要是卵磷脂卵磷脂，内膜主要是心磷脂心磷脂。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线粒体主要酶的分布部位酶的名称部 位酶 的 名 称外膜单胺氧化酶NADH-细胞色素c还原酶（对鱼藤酮不敏感）犬尿酸羟化酶酰基辅酶A合成酶膜间隙腺苷酸激酶二磷酸激酶核苷酸激酶内膜细胞色素b，c，c1，a，a3氧化酶ATP合成酶系琥珀酸脱氢酶-羟丁酸和-羟丙酸脱氢酶肉毒碱酰基转移酶丙酮酸氧化酶NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感）基质柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶脂肪酸氧化酶系、天冬氨酸转氨酶、蛋白质和核酸合成酶系、丙酮酸脱氢酶复合物三、三、线粒体的功能线粒体的功能(一一)线粒体中的氧化代谢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”途径线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATPATP，为细胞，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。及电解质稳态平衡的调控有关。细胞质细胞质线粒体内膜线粒体内膜天冬氨酸天冬氨酸-酮戊二酸酮戊二酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸谷氨酸谷氨酸-酮戊二酸酮戊二酸天冬氨酸天冬氨酸苹果酸苹果酸谷氨酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸草酰乙酸NAD+线粒体基质线粒体基质苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶NADH+H+苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶谷草转氨酶谷草转氨酶（、为膜上的转运载体）为膜上的转运载体）呼吸链呼吸链苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭途径天冬氨酸穿梭途径3-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭途径途径（线粒体基质）（线粒体基质）磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油FADFADH2NADHNAD+线线粒粒体体内内膜膜NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2（细胞质）（细胞质）(二二)电子传递链与电子传递电子传递链与电子传递电子传递链电子传递链：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电子传递链，又称呼吸链呼吸链。1.电子载体电子载体黄素蛋白黄素蛋白：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。黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类 特点特点：以以FAD或或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白递氢机理：递氢机理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2细胞色素血红素的结构细胞色素血红素的结构传递电子机理传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e 波长/nm 还原型还原型Cytc的吸收光谱的吸收光谱CoQ的结构和递氢原理的结构和递氢原理CoQ+2H CoQH2铁硫蛋白传递电子机理传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e2电子载体的排列顺序电子载体的排列顺序电子传递方向按按氧氧化化还还原原电电势势递递增增的的方方向向传传递递(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高)电子传递起始于起始于NADHNADH脱氢酶催化脱氢酶催化NADHNADH氧化氧化，形成高能电子 (能量转化)，终止于终止于O O2 2形成水形成水。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电子传递链的四种复合物(哺乳类哺乳类)复复 合合 物物：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4 H+复复合合物物：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猪心粒体膜蛋白复合物II的三维结构的三维结构（饶子和饶子和 等，等，2005，Cell）3.电子传递链的四种复合物电子传递链的四种复合物(哺乳类哺乳类)复复合合物物：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）复复合合物物：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,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电子传递链的四种复合物(哺乳类哺乳类)细胞色素C氧化酶的三维结构与作用（三）两条氧化呼吸链（三）两条氧化呼吸链1NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 2琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链)（四）（四）ATPATP形成机制形成机制氧化磷酸化氧化磷酸化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：磷酸化磷酸化：将ADP转变为ATP的过程称为磷酸化。（四）（四）ATPATP形成机制形成机制氧化磷酸化氧化磷酸化 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能量耦联与能量耦联与ATP合酶的作用机制合酶的作用机制几个假说几个假说 1953年年 Edward Slater 化学耦联假说化学耦联假说 1961年年 Peter Mitchell 化学渗透假说化学渗透假说 1979年年 Paul Boyer 结合变构假说结合变构假说19781978年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖19971997年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖化学渗透假说原理示意图化学渗透假说原理示意图4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高高质质子子浓浓度度H2O2e-+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _质子流质子流线粒体内膜线粒体内膜磷酸化磷酸化 氧化氧化 2能量耦联与能量耦联与ATP合酶的作用机制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和和Walker的工作的工作 英国科学家英国科学家Walker通过通过x光衍射获得高分辩率的牛心光衍射获得高分辩率的牛心线粒体线粒体ATP酶晶体的三维结构，酶晶体的三维结构，证明在证明在ATP酶合成酶合成ATP的催的催化循环中三个化循环中三个亚基的确有不同构象，亚基的确有不同构象，从而有力地支持了从而有力地支持了Boyer的假说。的假说。Boyer和和Walker共同获得共同获得1997年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。美国科学家美国科学家Boyer为解释为解释ATP酶作用机理酶作用机理,提出提出结合变构结合变构假说，认为假说，认为ATP合成酶合成酶亚基有三种不同的构象，一种构象亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于有利于ADP和和Pi结合，一种构象结合，一种构象(T)可使结合的可使结合的ADP和和Pi合成合成ATP，第三种构象，第三种构象(O)使合成的使合成的ATP容易被释放出来。在容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构象的交替亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜变化，所需能量由跨膜H+提供。提供。ATPase的的结合变构结合变构模型模型 IIIIII IVIVIIIII I定子定子定子定子转子转子转子转子 结合变构理论认为结合变构理论认为结合变构理论认为结合变构理论认为质子流通过质子流通过质子流通过质子流通过FoFo引起亚引起亚引起亚引起亚基基基基III III 寡聚体和寡聚体和寡聚体和寡聚体和 及及及及 亚亚亚亚基一起转动基一起转动基一起转动基一起转动,这种旋转这种旋转这种旋转这种旋转配置配置配置配置 /亚基之间的亚基之间的亚基之间的亚基之间的不对称的相互作用不对称的相互作用不对称的相互作用不对称的相互作用,引引引引起催化位点性质的转起催化位点性质的转起催化位点性质的转起催化位点性质的转变变变变,亚基的中心亚基的中心亚基的中心亚基的中心 -螺螺螺螺旋被认为是转子旋被认为是转子旋被认为是转子旋被认为是转子,亚基亚基亚基亚基I I和和和和IIII与与与与 亚基组合在亚基组合在亚基组合在亚基组合在一起组成定子一起组成定子一起组成定子一起组成定子,它压住它压住它压住它压住 /异质六聚体异质六聚体异质六聚体异质六聚体.ATP酶作用机理酶作用机理ADP+PiADP+PiProten Proten FluxFluxHH+ATP ATP+H+H2 2OO ATPATPADP+PiADP+PiProten Proten FluxFlux有于有于有于有于ADPADP与与与与PiPi结合的构象结合的构象结合的构象结合的构象有于有于有于有于ADPADP与与与与PiPi生成的构象生成的构象生成的构象生成的构象有利于有利于有利于有利于ATPATP释放的构象释放的构象释放的构象释放的构象利用分子马达检测病原菌利用分子马达检测病原菌利用分子马达检测病原菌原理利用分子马达检测病原菌原理 色色素素体体-free F0F1-ATPase可可作作为为一一种种新新型型的的生生物物传传感感器器去去检检测测反反应应体体系系中中的的目目的的miRNA。首首先先将将特特异异的的miRNA探探针针连连接接到到F0F1-ATPase的的亚亚基基上上。-free F0F1-ATPase在在光光驱驱动动下下质质子子进进行行连连续续的的改改变变，从从而而引引发发分分子子马马达达的的旋旋转转。连连接接在在亚亚基基上上的的探探针针与与miRNA反反应应，这这个个杂杂交交反反应应会会影影响响到到分分子子马马达达的的旋旋转转，可可以以通通过过对对分分子子马马达达进进行行标标记记即即用用pH-敏敏感感型型的的CdTe原原子子团团标标记记来来检检测测其其改改变变。总总的的反反应应体体系系可可以以通通过过荧荧光光强强度度的的变变化化来来监监测测。由由于于探探针针的的特特异异性性及及检检测测的的灵灵敏敏性性可可以以很很容容易易的的区区分分反反应应体系中的体系中的miRNA家族。家族。由由于于不不同同病病原原菌菌具具有有不不同同的的特特异异性性核核苷苷酸酸序序列列，所所以以可可将将该该方方法法用用于于病病原原菌菌的的检检测测。具具体体的的操操作作同同上上，只只是是探探针针换换成成了了特特异异性性引引物物，检检测测对对象象变变成成了了特特异异性性基基因因片片段段。该该方方法法具具有有快快速速、灵灵敏敏、特特异异性性强强的的特特点点，可可作作为为快快速速检检测测方方法法研研究究的的新新的的趋趋势势，具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。氧化磷酸化图解四、线粒体与疾病四、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。n 克山病是一种心肌线粒体病 n 线粒体释放细胞色素C参与细胞凋亡n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。小小 结结1、了解线粒体的形态与分布，电子载体的种类和排列顺、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。熟悉序，线粒体与疾病。熟悉NAD+、FMN、FAD、铁硫、铁硫蛋白、泛醌和细胞色素的作用；。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、掌握线粒体的结构、电子传递链、呼吸链复合体的概念；念；ATP合酶的结构及氧化磷酸化机制；合酶的结构及氧化磷酸化机制；NADH氧化氧化呼吸链、琥珀酸氧化呼吸链及其排列顺序。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，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。形成机制。4难点：难点：ATP合酶的分子结构及作用机制。合酶的分子结构及作用机制。作业与思考题作业与思考题1呼吸链的组成成分有哪些？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电子传递链与氧化磷酸化之间有何关系？系？3氧化磷酸化的耦联机制的结合变构假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？说的主要论点是什么？有哪些证据？