第六章细胞的能量转换

第六章细胞的能量转换-------线粒体和叶绿体第一节线粒体1890年，R.Altaman发现线粒体，命名为bioblast。1898年，Benda将这种颗粒命名为mitochondrion。1900年，L.Michaelis用JanusGreenB对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用。1904年，在植物细胞中发现了线粒体。至20世纪50年代，证实三羧酸循环，氧化磷酸化和脂肪酸氧化等重要的能量代谢过程均发生在线粒体中。现在线粒体的结构和功能的研究已经深入到分子水平。（一）形态与分布形状：线粒体是一个动态细胞器，在活细胞中具有多形性、易变性、运动性和适应性等特点，其形态、大小、数量与分布在不同细胞中变动很大，即使在同一细胞，随代谢条件不同也会发生很大变化。线粒体，一般呈粒状或杆状，有时可以形成分支的相互连接的网状结构。化学组成：蛋白质和脂类。大小：一般直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm，在胰脏外分泌细胞中可长达10~20μm，称巨线粒体，人的成纤维细胞线粒体可达40μm。•数量及分布：植物细胞少于动物细胞（叶绿体可替代线粒体的某些功能）；许多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。在很多细胞中，线粒体在细胞质中的分布是比较均匀的。通常结合在微管上，分布在细胞功能旺盛的区域，这样有利于就近运送和利用ATP。数量：不同类型细胞中线粒体数目差异很大，同一类型细胞数目相对稳定。动物细胞内线粒体的数目从数百到数千，代谢旺盛的细胞中线粒体数目多。•线粒体的运动：根据细胞代谢的需要，线粒体可以运动、变形、融合和分裂增殖。玉米的小孢子在发育过程中，线粒体定向的移动、聚集与分散，这样绒毡层细胞中线粒体的数量可增加40多倍。（二）超微结构线粒体（mitochondrion）是由两层彼此平行的单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。外膜起界膜的作用，内膜向内折叠成嵴。内外膜将线粒体分割为两个区室：内外膜之间的叫膜间隙，内膜包围的空间叫基质。包括：外膜（outermembrane）、内膜（innermembrane）、膜间隙（intermembrane）和基质（matrix）四个功能区隔。外膜：厚约6nm，光滑而有弹性，它与内质网或细胞骨架等其他细胞组分有结构和功能的联系，内外膜之间有随机分布的接触点。蛋白质和脂质各占50％。具有孔蛋白构成的亲水通道，允许小分子物质自由通过。外膜通透性很高，使膜间隙中的环境和胞质溶胶相似。外膜含有一些特殊的酶类：肾上腺素氧化、色氨酸降解、脂肪酸链延长，这表明外膜参与膜磷脂的合成，将线粒体基质中进行彻底氧化的物质先行初步分解。标志酶为单胺氧化酶。•由β链形成的桶状结构，中心是直径2－3nm的小孔，可对细胞的不同状态作出反应，从而可逆的开闭。可以通过相对分子量5×103的分子通过。ATP、NAD、辅酶A可自由跨膜。•内膜：位于外膜的内侧把膜间隙和基质分开的一层单位膜，厚约6－8nm。内膜内陷形成嵴（cristae）来扩大内膜表面积。嵴有两种类型，板层状和管状，与细胞种类和生理状况有密切关系，为动态结构在线粒体的不同功能状态下，可能有几种不同的结构形式。心磷脂含量高（对离子的不可渗透性有关），通透性很低，H+和ATP等不能自由通过，必需有载体蛋白和通透酶参与，这对建立质子电化学梯度，驱动ATP的合成有重要作用。嵴膜上有基粒，基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子）构成。内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。•膜间隙：内外膜之间的间隙，宽6－8nm，细胞进行活跃呼吸时可扩大。内充满无定形液体，含有可溶性的酶、底物和辅助因子。嵴通过窄管保持与膜间隙的通讯联系。标志酶为腺苷酸激酶。•基质：内膜包围的嵴外空间。充满可溶性蛋白质的胶状物质，有一定的pH和渗透压，三羧酸循环、脂肪酸氧化和氨基酸降解等有关的酶都存在于基质中，同时含有核糖体和环状双链DNA。标志酶为苹果酸脱氢酶。二、线粒体的功能线粒体是物质彻底氧化分解的场所，主要功能进行三羧酸循环及氧化磷酸化，合成ATP，为细胞的生命活动提供能量。参与细胞中氧自由基的生成，调节细胞氧化还原电位和信号转导，调控细胞凋亡，基因表达，细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡。糖、脂肪细胞质丙酮酸和脂肪酸线粒体乙酰coA（三羧酸循环）氢通过电子传递链到达氧生成水，同时ADP磷酸化生成ATP（一）氧化磷酸化的分子结构基础线粒体超声波亚线粒体小泡或颗粒胰蛋白酶颗粒解离，只能传递电子，而不能发生磷酸化颗粒重新装配上电子传递和氧化磷酸化（电子传递的组分位于线粒体的内膜，颗粒是氧化磷酸化偶联的因子）•线粒体是氧化代谢的中心，糖类、脂类和蛋白质最终氧化释能的场所，物质氧化的最终共同途径，氧化磷酸化是生物体获得能量的主要途径。•线粒体内膜上的NADH脱氢酶只能接受来自线粒体基质中的NADH上的电子。胞质糖酵解产生的NADH不能透过内膜，可通过两个“穿梭”途径到达基质。•苹果酸－天冬氨酸穿梭途径：将电子传递给NDA＋，电子从复合物Ⅰ进入呼吸链，每对电子生成2.5个ATP。•甘油－3－磷酸穿梭途径：电子转移给FAD，使其还原为FADH2，将胞质中的NADH2的电子从复合物Ⅱ进入呼吸链，每对电子生成1.5个ATP•当NADH中的1对电子传递到O2时，有10个H＋被泵出，而FADH2中的一对电子传递有6个H＋被泵出，合成一个ATP需要4个H＋，所以以NADH为电子供体，P/O比值为2.5，以FADH2为电子供体则为1.5电子传递链概念：有序排列在线粒体的内膜，能可逆的接受和释放电子或H+的酶体系称为电子传递链或呼吸链。电子载体：在电子传递过程中，与释放的电子结合并将电子传递下去的化合物称为电子载体。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、铜原子等。黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子和2个质子。呼吸链上主要的黄素蛋白是：具有FMN为辅基的NADH脱氢酶，以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。细胞色素：以铁卟啉为辅基的色素蛋白，通过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。他们之间的差异在于血红素基团取代的位置和蛋白质氨基酸序列的不同。三个铜原子：位于线粒体内膜的单个蛋白质分子内。类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu1+的变化传递电子。铁硫蛋白(iron-sulfurprotein)：一类含非血红素铁的蛋白质。在蛋白质的中央含有2个铁原子和2个硫原子或含有4个铁和4个硫原子，通过硫与蛋白质的半胱氨酸残基相连，整个复合物一次只能接受和传递单个电子，并且通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。•辅酶Q（coenzymeQ）：又叫泛醌，是脂溶性、带有一条长的类异戊二烯侧链的苯醌，它接受一个电子成为半醌自由基（QH），接受两个电子成为氢醌（QH2），在双电子供体和单电子受体之间的结合处发挥作用，泛醌体积小而且疏水，能够在内膜的脂双分子层中自由的扩散；它既携带电子又携带质子，多以在电子流动和质子运动中进行偶联的过程中占据中心地位。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，氢醌（QH2）和自由基半醌（QH）电子载体的排列顺序呼吸链中的电子载体有严格的排列顺序和方向。是按氧化还原电位从低向高排序，NAD＋／NADH电位最低（－0.32V），O2／H2O最高（＋0.82V）。还原电位值越低，提供电子的能力越强，越易成为还原剂而处于传递链的前面。每一个载体都是从呼吸链前一个载体获得电子被还原，随后将电子传递给相邻的下一个载体被氧化，这样，电子从一个载体传向下一个载体，电子沿着呼吸链传递的同时也伴随能量的释放。呼吸链的最终受体是氢，氧接受电子后与H＋结合生成水。电子传递链的复合物利用脱氧胆酸（deoxycholate，一种离子型去污剂）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜，细胞色素C位于线粒体内膜的外侧，属于膜外周蛋白。复合物Ⅰ、Ⅱ催化电子从两种不同的供体NADH和FADH2传递到泛醌。复合物Ⅲ使电子从泛醌传递到细胞色素C；复合物Ⅳ将电子从细胞色素C传递到O2，结束整个电子传递过程。复合物ⅠNADH脱氢酶，即NADH－CoQ还原酶，哺乳动物的复合物Ⅰ是由42条不同的多肽链组成的大型酶复合物，其中7个是疏水的跨膜多肽，由线粒体基因编码。呈L型，其中L的一个臂位于膜中，另一个臂伸展到基质中。作用是催化NHDH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。电子传递的方向为：NADH→FMN→Fe-S→Q复合物Ⅱ琥珀酸脱氢酶，即琥珀酸－辅酶Q还原酶。三羧酸循环中唯一一种结合在膜上的酶，含有一个FAD，2个铁硫蛋白，作用是催化电子从琥珀酸来的1对低能电子经过FAD和Fe-S传给辅酶Q。电子传递过程中释放的自由能不足以合成ATP，因此，这一步反应没有ATP的形成，电子传递也不伴随质子的跨膜，但它使FADH2上的电子进入呼吸链。电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q复合物Ⅲ细胞色素c还原酶，即CoQ－细胞色素C还原酶、细胞色素bc1复合体或简称bc1，由10条多肽链组成，总相对分子量为250×103，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移1对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。它将电子从UQH2到细胞色素C的传递和H+从基质到膜间隙的单向运动两个过程偶联起来。复合物Ⅳ细胞色素c氧化酶，由13条多肽链组成，分子质量204×103，以二聚体形式存在，该酶共有4个氧化还原中心：细胞色素a和a3及2个铜离子，都集中在两个亚基上。其作用是将细胞色素c接受的电子传给氧，每转移1对电子，在基质侧摄取4个H＋，其中2个用于水的形成，另2个质子至膜间隙。复合物Ⅳ既是电子传递体又是递氢体。两条主要的呼吸链根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，分为NADH呼吸链和FADH2呼吸链。复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成NADH呼吸链，催化NADH的脱氢氧化，复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成FADH2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这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。三、氧化磷酸化的作用机理（一）质子动力势对于氧化磷酸化的偶联机制提出的假说有化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说等。“化学渗透假说”，取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说。内容是当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（△pH）及电位梯度（Ψ），两者共同构成电化学梯度，即质子动力势（proton-motiveforce,△P）。△P=△Ψ-(2.3RT/F)△pH其中△Ψ为膜电位,T为绝对温度，R为气体常数，F为法拉弟常数。质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。（二）ATP合成酶的结构和作用机理ATP合成酶（ATPsynthetase）或F1F0-ATP酶，成蘑菇状。分布于线粒体和叶绿体中，在跨膜质子动力势的推动下，ADP磷酸化生成ATP，参与氧化磷酸化和光合磷酸化。氧化磷酸化是指当电子从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的过程。结构组成ATP合成酶是一种可逆性复合酶，既能利用质子动力势合成ATP,又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙。ATP合成酶的分子结构由突出于膜外的F1头部和嵌入膜中的F0基部两部分组成。F1头部：为水溶性的蛋白质，从内膜突出于基质，比较容易从膜上脱落。它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子，属于F型质子泵。F1是由