第五章细胞的能量转换一线粒体和叶绿体 (3学时) 线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。 ●线粒体与氧化磷酸化 ●叶绿体与光合作用 ●线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 ●线粒体和叶绿体的增殖与起源
1 第五章 细胞的能量转换─线粒体和叶绿体 （3学时） 线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。 ●线粒体与氧化磷酸化 ●叶绿体与光合作用 ●线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 ●线粒体和叶绿体的增殖与起源
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
2 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
线粒体的形态结构 线粒体的形态、大小、数量与分布 冷线粒体一般呈粒状或杆状,但因生物种类和生理状态而异,可呈环形, 哑铃形、线状、分杈状或其它形状。数目一般数百到数千个,线粒体通常 分布在细胞功能旺盛的区域。 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),嵴能显著扩大内膜表面积(达5~-10倍)。含有与能量转换 相关的蛋白(执行氧化反应的电子传递链酶系、ATP合成酶、线粒体内 膜转运蛋白) 令膜间隙( intermembrane space):含许多可溶性酶、底物及辅助因子。 ☆基质(matiⅸx):含三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、线粒体 基因表达酶系等以及线粒体DNA,RNA,核糖体
3 一、线粒体的形态结构 线粒体的形态、大小、数量与分布 ❖ 线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形， 哑铃形、线状、分杈状或其它形状。数目一般数百到数千个，线粒体通常 分布在细胞功能旺盛的区域。 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），嵴能显著扩大内膜表面积（达5~10倍）。含有与能量转换 相关的蛋白 （执行氧化反应的电子传递链酶系、 ATP合成酶、线粒体内 膜转运蛋白）。 ❖ 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、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、线粒体 基因表达酶系等以及线粒体DNA, RNA，核糖体
线粒体的化学组成及酶的定位 线粒体的化学组成 冷蛋白质(线粒体干重的65~70 令脂类(线粒体干重的25~30%): ●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) 线粒体酶的定位
4 二、线粒体的化学组成及酶的定位 线粒体的化学组成 ❖蛋白质(线粒体干重的65～70％) ❖脂类(线粒体干重的25～30％)： ⚫ 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） 线粒体酶的定位
线粒体主要酶的分布 部位 酶的名称 部位 酶的名称 单胺氧化酶 腺苷酸激酶 外膜NADH-细胞色素c还原酶(对鱼藤酮不敏感) 膜间隙二磷酸激酶 犬尿酸羟化酶 核苷酸激酶 酰基辅酶A合成酶 细胞色素b,c,c1,a,a3氧化酶 柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶 ATP合成酶系 延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶 琥珀酸脱氢酶 顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶 内膜β-羟丁酸和β-羟丙酸脱氢酶 基质脂肪酸氧化酶系、 肉毒碱酰基转移酶 天冬氨酸转氨酶、 丙酮酸氧化酶 蛋白质和核酸合成酶系 NADH脱氢酶(对鱼藤酮敏感) 丙酮酸脱氢酶复合物
5 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 β-羟丁酸和β-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
氧化磷酸化 ●线粒体主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。 什么是氧化磷酸化: 令当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时,同时伴有ADP 磷酸化形成ATP,这一过程称为氧化磷酸化 什么是呼吸链: ☆在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物,它们是传递电 子的酶体系,由一系列可逆地接受和释放电子或H的化学物质组成, 在内膜上相互关联地有序排列,称为电子传递链( electron- ransport chain)或呼吸链( respiratory chain) 氧化磷酸化( oxidative phosphorylation)的分子基础 氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透假说( Chemiosmotic Hypothesis, Mithchell, 1961) 线粒体能量转换过程略图
6 三、氧化磷酸化 线粒体主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。 什么是氧化磷酸化： ❖ 当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP 磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化。 什么是呼吸链： ❖ 在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物，它们是传递电 子的酶体系，由一系列可逆地接受和释放电子或H+的化学物质组成， 在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链（electron-transport chain）或呼吸链（respiratory chain）。 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)的分子基础 氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透假说 (Chemiosmotic Hypothesis, Mithchell,1961) 线粒体能量转换过程略图
氧化磷酸化的分子基础 电子载体 ☆呼吸链电子载体主要有:黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q等。 冷黄素蛋白:含FMN或FAD的蛋白质,每个FMN或FAD可接受2个电子2 个质子。 细胞色素:分子中含有血红素铁,以共价形式与蛋白结合,通Fe3+ Fe2形式变化传递电子,呼吸链中有5类,即:细胞色素a、a3、b、c、 C1,其中a、a3含有铜原子 冷铁硫蛋白:在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合,通过Fe2 Fe3+互变进行电子传递,有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。 冷辅醢Q:是脂溶性小分子量的醌类化合物,通过氧化和还原传递电子 有3种氧化还原形式即氧化型醌Q,还原型氢醌(QH2)和介于两者之 者的自由基半醌(QH 呼吸链的复合物 两条主要的呼吸链:NADH呼吸链,FADH2呼吸链 ATP合成酶( ATP synthase)(磷酸化的分子基础)
7 氧化磷酸化的分子基础 电子载体 ❖呼吸链电子载体主要有：黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q等。 ❖黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子2 个质子。 ❖细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+ 、 Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、 c1，其中a、a3含有铜原子。 ❖铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+ 、 Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。 ❖辅酶Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。 有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）和介于两者之 者的自由基半醌（QH）。 呼吸链的复合物 两条主要的呼吸链： NADH呼吸链, FADH2呼吸链 ATP合成酶（ATP synthase）(磷酸化的分子基础)
电子传递链的四种复合物哺乳类) ●复合物I: 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 令作用:催化NADH氧化,从中获得2高能电子→辅酶Q;泵出4H ●复合物Ⅱ:琥珀酸脱氢酶复合物(是电子传递体而非质子移位体) 令组成:含FAD辅基,2Fe-S中心, 令作用:催化2低能电子→FAD→FeS→辅酶Q(无H泵出) ●复合物Ⅲ:细胞色素bc1复合物(既是电子传递体又是质子移位体) 令组成:包括 lctc1、 Icyt b、1FeS蛋白 冷作用:催化电子从UQH2cytc:泵出4H(2个来自UQ,2个来自基质) ◆复合物Ⅳ:细胞色素C氧化酶(既是电子传递体又是质子移位体) 冷组成:二聚体,每一单体含13个亚基,cyta,cyta3Cu,F 作用:催化电子从cy分子O2形成水,2H泵出,2H参与形成水
8 电子传递链的四种复合物(哺乳类) 复合物Ⅰ：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+ 复合物Ⅱ：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➔FAD➔Fe-S➔辅酶Q (无H+泵出) 复合物Ⅲ：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1cyt c1、1cyt b、1Fe-S蛋白 ❖作用：催化电子从UQH2➔cyt c；泵出4 H+ （2个来自UQ，2个来自基质） 复合物Ⅳ：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，cyt a, cyt a3 ,Cu, Fe ❖作用：催化电子从cytc➔分子O2形成水，2H+泵出，2H+参与形成水
两条主要的呼吸链 复合物、Ⅱ、Ⅳ组成主要的呼吸链,催化NADH的脱氢氧化, 复合物Ⅱ、Ⅱ、Ⅳ组成另一条呼吸链,催化琥珀酸的脱氢氧化 呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从 低向高传递,呼吸链中有三个部位有较大的自由能变化,足以 使ADP与无机磷结合形成ATP。部位I在NADH至CoQ之间。部 位Ⅱ在细胞色素b和细胞色素c之间。部位Ⅲ在细胞色素a和氧之 旧 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。 电子传递链各组分在膜上不对称分布
9 两条主要的呼吸链 复合物I、ⅡI、IV组成主要的呼吸链，催化NADH的脱氢氧化， 复合物Ⅱ、ⅡI、IV组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化。 呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从 低向高传递，呼吸链中有三个部位有较大的自由能变化，足以 使ADP与无机磷结合形成ATP。部位Ⅰ在NADH至CoQ之间。部 位Ⅱ在细胞色素b和细胞色素c之间。部位Ⅲ在细胞色素a和氧之 间。 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。 电子传递链各组分在膜上不对称分布
ATP合成酶(磷酸化的分子基础 分子结构 令基粒( elementary particle),基粒由头部(F1偶联因子)和基部(F 偶联因子)构成,FO嵌入线粒体内膜 令F1由5种多肽组成a3B36复合体,具有三个ATP合成的催化位点 每个β亚基具有一个 和β单位交替排列,状如桔瓣。γ贯穿αβ 复合体(相当于发电机的转子),并与F0接触,ε助γ与F0结合。8 与F0的两个b亚基形成固定α复合体的结构(相当于发电机的定子) 冷FO由三种多肽组成ab2c12复合体,嵌入内膜,12个c亚基组成一个环 形结构,具有质子通道可使质子由膜间隙流回基质。 工作特点 ☆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 ATP合成机制一构象耦联假说( Boyer1979) 令γ亚单位相对于αβ亚单位旋转的直接实验证据
10 ATP合成酶(磷酸化的分子基础) 分子结构 ❖ 基粒（elementary particle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F 偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。 ❖ F1由5种多肽组成α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点 （每个β亚基具有一个）。α和β单位交替排列，状如桔瓣。γ贯穿αβ 复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，ε帮助γ与F0结合。δ 与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构（相当于发电机的定子）。 ❖ F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环 形结构，具有质子通道,可使质子由膜间隙流回基质。 工作特点： ❖ 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。 ATP合成机制—构象耦联假说(Boyer 1979) ❖ 亚单位相对于亚单位旋转的直接实验证据