第六章 细胞的能量转换

一、授课题目第六章细胞的能量转换—线粒体和叶绿体二、教学目的和要求1.掌握线粒体与叶绿体的形态结构与生物学功能；2.理解线粒体与叶绿体的半自主性；3.了解线粒体与叶绿体的增殖与起源的两种假说。

三、教学重点和难点教学重点：1线粒体、叶绿体的超微结构2化学渗透学说3线粒体、叶绿体的半自主性教学难点：线粒体、叶绿体的超微结构及功能的关系四、主要参考资料五、教学过程（含教学内容、教学办法、辅导手段、板书设计、学时分配等）线粒体(Mitochodria)和叶绿体(Chloroplasts)都是产能细胞器；线粒体存在于所有真核细胞(eukaryotic cells)中，叶绿体存在于植物细胞(plant cells)中，学习这章要理解线粒体与叶绿体的结构及其功能的关系。

Mit: Oxidative phosphorylation→ATPChl: Photosynthesis→ATP+NADPH（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）（这两种是不稳定的高能化合物）→Sugar，lipide,protein(叶绿体通过光合作用把光能转换为化学能，并储存于糖类、脂类、蛋白质等大分子有机物中)线粒体和叶绿体是半自主性细胞器，它们都有自身的基因组，信息量有限，其编码出的蛋白并不足以完成能量转换，因此需要核基因与其共同完成；线粒体和叶绿体蛋白装配问题，有些蛋白是在核基因编码，在细胞质合成，然后再如何分选进入线粒体和叶绿体；线粒体与叶绿体的增殖（即个体的发生）与起源（系统发生，进化问题）第一节线粒体与氧化磷酸化一线粒体的结构和各部分的功能（Mitochondrial structure and function）㈠线粒体是一个动态细胞器，在生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内变动很大，即使在同一细胞，随着代谢条件的不同也会发生变化。

线粒体的大小和数量反映了细胞的活动对能量需求；（骨骼肌横纹肌细胞；精子的头部和尾部；肌纤维中间夹杂的线粒体；肌纤维周围围绕着大量线粒体）㈡线粒体的内膜和外膜线粒体内外膜之间的空隙，称为膜间隙；内膜所包围的嵴外空间，称为线粒体基质（紫色部分）；在线粒体基质中，朝向线粒体基质定位在内膜上的有ATP合成酶（基粒）；在线粒体基质空间，有线粒体自身的基因组，裸露的双链环状DNA,不与组蛋白结合；还有核糖体，其形态、大小、沉降系数（70S）与细菌类似;（线粒体的模式图；横切面;扫描电镜照片）Outer membrane: contains channel-forming protein,called Porin(孔蛋白).Permeable to all molecules of 5000 daltons or less（外膜通透性大）Inner membrane (Impermeability，不透性):Contains proteins with three types of functions:⑴Electron-transport chain:Carry out oxidation reactions;（电子传递链）⑵A TP synthase: Makes A TP in the matrix;（ATP合成酶）⑶Transport proteins:Allow the passage of metabolites(代谢产物);（转运蛋白）Intermembrane space: Contains several enzymes use ATP to phosphorylate other nucleotides.（这些酶通过催化ATP使其他核苷酸分子磷酸化）Matrix: Enzymes; Mit DNA, Ribosomes, etc.（基质中的酶类最多，在线粒体内部完成三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸氧化等，使底物彻底氧化；还含有线粒体的遗传系统）（Specific functions localized within the Mit by disruption of the organelle and fractionation）(将线粒体放在低渗溶液中，线粒体中的水分子向外跑，线粒体胀大，外膜可塑性不大，先破裂，内膜可塑性大，不破裂；通过离心分离出外膜（膜空间的内容物流出）和其他，把其他在转入高渗溶液中，使内膜又缩回去，内膜用去垢剂处理（降解内膜），离心后，就得到内膜和基质两部分；总之用差速离心方法分离线粒体各部分)㈢ Localization of metabolic functions within the mitochondrion:Outer membrane: Phospholipid synthesis(磷脂合成); fatty acid desaturation（脂肪酸链去饱和）; fatty acid elongation（脂肪酸链延长）; Marker: monoamine oxidase （单胺氧化酶）;Inner membrane: Electron transport（电子传递）; Oxidative phosphorylation; Metabolite transport; Cardiolipin（心脂质,心肌磷脂）/TPL（总磷脂）(20%); Marker: cytochrome oxidase（细胞色素氧化酶）;Intermembrane space: Nucleotide phosphorylation（核苷酸的磷酸化）; Marker:adenylate kinase（腺苷酸激酶）Matrix: Pyruvate oxidation（丙酮酸氧化作用）;TCA cycle（三羧酸循环，柠檬酸循环）; β oxidation of fats（脂肪酸的β氧化）; DNA replication; RNA transcription, Protein translation;Marker:MDH（苹果酸脱氢酶）（基质对完成线粒体的功能是非常关键的，糖酵解是发生在细胞质基质中的，糖酵解的产物是丙酮酸，丙酮酸作为底物要进入线粒体要经过三羧酸循环，结果产生NADH；三羧酸循环是葡萄糖有氧彻底氧化的一个环式反应系列，它进入的底物是糖酵解的产物丙酮酸，然后丙酮酸进入线粒体完成三羧酸循环，使底物彻底氧化，变成二氧化碳和水。

）二线粒体的功能㈠线粒体中的氧化代谢㈡电子传递链与电子传递㈢质子转移与质子驱动力的形成㈣ATP形成机制－氧化磷酸化⑴氧化磷酸化的分子基础（molecular basis of oxidative phosphorylation）（糖酵解的产物丙酮酸、脂肪分解后产生的脂肪酸，作为底物通过外膜和内膜上的转运蛋白运到线粒体基质，丙酮酸和脂肪酸在进入三羧酸循环之前，必须形成乙酰辅酶A,乙酰CoA是所有有机物代谢成小分子后进入TCA最基础的原料，TCA的结果是产生NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸），NADH脱氢变成NAD+，脱下的氢一个代表质子，另一个代表两个电子；）（质子的运动：质子在线粒体内膜上，有一个电子传递链，由几个复合物构成，其中大部分都有质子泵的作用，它从基质一侧定向转移到膜间空间一侧，形成质子的跨膜梯度，就形成了PH梯度，外面质子浓度高，里面质子浓度低；）（电子的运动：电子通过脱氢后，解离出的电子以高能电子的形式通过电子传递链传递，逐渐传递能量逐渐释放，最终交给电子的受体O2,形成H2O;质子梯度再通过ATP合成酶从膜间隙回到基质，使ADP磷酸化产生ATP,ATP可以出线粒体外膜外在整个做功，外面的ADP可以进来，这些交换运输都需要靠内膜上的转运蛋白；）（TCA产生的CO2释放出来，消耗的O2生成H2O，这些都是在质子定向转移、质子驱动下的ATP合成，电子的传递与之密切相关）化学渗透假说(chemiosmotic coupling hypothesis)就是解释线粒体如何产生能量的。

（英国生物化学家P.Mitchell 于1961年提出的解释释氧化磷酸化偶联机理的假说。

该学说认为: 在电子传递过程中, 伴随着质子从线粒体内膜的里层向外层转移, 形成跨膜的氢离子梯度,这种势能驱动了氧化磷酸化反应(提供了动力), 合成了ATP。

这一学说具有大量的实验证明，得到公认并获得了1978年诺贝尔奖。

化学渗透学说可以很好地说明线粒体内膜中电子传递、质子电化学梯度建立、ADP磷酸化的关系。

）①Molecular basis of oxidation:Electron-transport chain电子传递链中的各组分，并不是游离存在的，当破坏了线粒体内膜后，可分离出4种膜蛋白复合物，分别被命名为复合物I、II、III、IV.复合物I：NADH脱氢酶；作用：使NADH脱氢变成NAD+;使四个质子通过质子泵从基质到膜间空间；复合物II：琥珀酸脱氢酶；是三羧酸循环中位移一种结合在膜上的酶，是一种跨膜蛋白复合物；作用：是催化从琥珀酸来的1对低能电子经FAD和Fe-S传给泛醌。

复合物III：细胞色素还原酶（细胞色素bc1复合物）；细胞色素c并不是一个膜的整合蛋白，它是在内膜的膜间空间一侧，它是小分子，可以运动来转移电子；作用：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耦联起来。

复合物IV：细胞色素c氧化酶；作用：既是电子传递体又是递氢体。

注：从复合物I到复合物IV一共转运10个质子（4+2+2+2）（图下的列出的数据：构成这些复合物的亚基有些是线粒体DNA编码的，有的是核DNA编码的，一共多少个亚基；例如复合物I线粒体编码7个亚基，核DNA编码35个亚基，因此总共是由42个亚基构成的复合物；）⑵磷酸化的分子基础（Molecular basis of phosphorylation:ATP synthase）①The structure of the ATP synthase(ATP合成酶)（左图为电镜下照片，头部、颈部、基部；）(F1particle is the catalytic subunit; The F0particle attaches to F1and is embedded in the inner membrane;)（头部是F1颗粒，催化亚单位的部分，即催化ADP磷酸化，一共有5种亚基，3α:3β：1γ：1δ：1ε，头部朝向线粒体基质；F0区指ATP合成酶以疏水蛋白为主的跨膜区，由a,b,c3种亚基以ab2c10-12的比例组成的一个跨膜质子通道。

）② F1具有合成ATP酶的功能（F1 particles have ATP synthase activity）证明F1在内膜上的功能主要看两个方面：一是有无电子传递的功能；二是是否催化ATP 的合成；(将完整的线粒体进行裂解，内膜上形成一些内膜小泡，小泡上的黑点部分就代表ATP合成酶的F1（可溶性部分），发现F1能合成ATP,但不能水解ATP；进一步分离成解离的ATP酶和解离下来的内膜小泡，则合成的功能没了，但具备水解的功能；通过离心分离这两部分，发现内膜小泡只有电子传递的功能，ATP合成酶只能水解ATP；如果将这两部分再重组，则同时恢复了电子传递和合成ATP的功能，没有水解ATP的功能；)③ATP酶的结合变构模型和旋转催化（Proton translocation through F0 drives ATP synthase by F1:Binding Change Model and rotational catalysis）解释ATP是怎么合成的；(Boyer proposed in 1979, and was greatly stimulated by the publication in 1994 of the structure for F1 complex(X-ray)from bovine heart mitochondria)（γ亚基相当于定子，周围亚基相当于转子；F1上有三个不同的腺嘌呤核苷酸结合位点，每一个β亚基中有一个。