线粒体功能及其相关毒性作用

线粒体的分离
外膜 磷脂合成 脂肪酸的去饱和化 脂肪酸链的延伸 标志酶：单胺氧化酶
基质 丙酮酸氧化 三羧酸循环 脂肪酸的β氧化 DNA复制、RNA转录 蛋白质翻译 标志酶：苹果酸脱氢酶
内膜 电子传递 氧化磷酸化 代谢中间物的转运 标志酶：细胞色素氧化酶
膜间空间 核苷酸的磷酸化 标志酶：腺苷激酶
线 粒 体 产 能 （
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，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，2 H+泵出， 2 H+ 参与形成水
（三）质子转移与驱动力的形成
Ca2+调控
线粒体承担的能量转换实质
线粒体的损伤
线粒体渗透转变 细胞内Ca2+异常 ATP合成酶异常 自由基的产生和积累 原发性代谢紊乱的相互作用 线粒体DNA异常
线粒体渗透转变(MPT)
1. 线粒体摄取Ca2+、渗透势下降，ROS和RNS生成、ATP耗竭和原发性代 谢紊乱都会引起线粒体内膜通透性（MPT）突然升高。
2. MPT是一种跨越线粒体内外膜间的蛋白质孔（巨通道）开放引起的。 这个通道对于分子质量小于1500的溶质可通透，它的开放使质子自 由的内流进入，引起膜电位迅速和完全耗散、ATP合成的中断以及水 的渗透内流，导致线粒体膨胀，已经蓄积于基质间隙的Ca2+通过此 孔大量流出，进入细胞质。这样的线粒体不仅不能合成ATP，而且由 于内膜的去极化迫使ATP合酶以相反的模式（水解ATP）将余留的能 源全部耗尽。如果细胞中大部分或全部的线粒体都发生渗透转变， 细胞溶解坏死将达到巅峰。
（二）电子传递链与电子传递
在电子传递的过程中，接受和释放的电子的分子和原子被称 为电子载体。
由电子载体组成的电子传递序列被称为电子传递链。 五种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素、泛醌、 铁硫蛋
白和铜原子。除泛醌外，其他氧化还原中心都是与蛋白质相 连的辅基。 呼吸链中的电子载体有严格的排列顺序和方向，按氧化还原 电位由低向高排列(NAD+/NADH最低，O2/H2O最高）。
上就是把H+跨膜电位差和质
子浓度梯度形成的质子驱动
力转换成ATP分子中的高能
磷酸键。
TCA循环提供的质子驱动力 和高能电子是线粒体合成 ATP的基本能源。
（四）ATP形成机制—氧化磷酸化
氧化(电子传递、放能)与磷酸化(ADP+Pi，储能)同时进行，密切耦 联，分别由两个不同的结构体系实现。
用超声波将线粒体破碎，线粒体内膜碎片可自然卷成颗粒朝外的小 膜泡，这种小膜泡称为亚线粒体小泡或亚线粒体颗粒。
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电子传递复合物
电子传递复合物，组成两种呼吸链：NADH呼吸链, FADH2呼吸链， 电子传递链各组分在线粒体内膜上不对称分布。
复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶（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1对电子从NADH辅酶Q； 泵出4 H+
复合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶（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1对低能电子FADFe-S辅酶Q (无H+泵出)
复合物Ⅲ：CoQ- Cyt c还原酶（既是电子传递体又是质子移位体） 组成：包括1个cyt c1、1个cyt b、1个Fe-S蛋白 作用：催化电子从UQH2cyt c；泵出4 H+ （2个来自UQ，2个来自基质）
） 示 意 图
ATP
糖 丙酮酸
脂肪 脂肪酸
CoA 三羧酸循环TCA NADH或FADH2
线粒体内膜 丙酮酸载体
电子传递到 形成质子电化
氧生成水
学梯度
ATP合成酶 合成ATP
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（一）线粒体中的氧化代谢
线粒体是糖类、 脂类和蛋白质最终氧 化释能的场所，TCA 是物质氧化的最终共 同途径，氧化磷酸化 是生物体获得能量的 主要途径。
细胞内的钙库
• 细胞内储存Ca2+库包括肌质网、线粒体，负责肌细胞细胞质中 钙离子的调节，心肌细胞去极化时释放钙离子，复极化时摄 取钙离子。心衰时，肌质网功能障碍的原因之一是能量的缺 乏，ATP依赖的Ca2+泵功能降低，导致心肌复极化时不能有效 摄取钙离子，去极化时又不能及时释放钙离子。
ATP合酶的结构与组成
ATP合酶是最终生成ATP的装置。它分布于细菌质膜、线粒体内 膜和叶绿体类囊体膜上。
ATP合酶的分子由球形的头部和基部组成。
线粒体功能小结
线粒体主要功能是高效地将有机物中储存的能量转换为细 胞生命活动的直接能源ATP；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、细胞内多种离子 的跨膜转运及电解质稳态平衡。
在动物细胞线粒体膜上存在渗透性转换孔（PTP），当PTP开放时， 线粒体内膜对中低分子量的化合物的渗透性会突然增加，从而导致 线粒体基质中分子量小于1.5kD的游离物质渗透进入膜间空间，这个 过程称为线粒体渗透性转换（mitochondrion permeability transition,MPT）。
➢ 膜间隙的宽度通常为6-8nm，在呼吸活跃时，膜间隙可显著扩大。 ➢ 含有可溶性酶类、底物以及辅Βιβλιοθήκη Baidu因子。其含有的腺苷酸激酶可以
催化ATP分子末端磷酸基团转移到AMP，生成ADP。
线粒体基质
线粒体基质富含可溶性蛋白胶状物，具有稳定的pH和渗透压。具有催化三羧酸循环、脂肪 酸氧化和氨基酸降解的相关酶类。含有DNA、RNA 、核糖体。
膜间空间中的离子环境几乎与胞质相同。
线粒体内膜
内膜具有很高的蛋白质/脂质比，缺乏胆固醇，富含心磷脂。 内膜具有极高的不透性，因此限制了所有分子和离子的自由通过，是质子
电化学梯度的建立以及ATP合成所必须的。 线粒体内膜上的蛋白主要执行三种功能：
1）电子传递链；2）ATP合成；3）转运蛋白。
线粒体膜间隙
线粒体的基本结构
高度动态的细胞器：线粒体的大小、数量和分布反应了细胞对能量的需求。
线粒体及其相关毒性作用
➢ 线粒体外膜 ➢ 外膜上分布有孔蛋白（porin）构成的桶装通道，直径2-3nm，当孔蛋白通道完全打开时，可以通
过相对分子质量高达5000的分子。 ➢ ATP 、NAD、辅酶A等相对分子质量小于1000的物质均可自由通过外膜。因此，外膜的通透性很高，