医学细胞生物学第六章 线粒体与细胞的能量转换（2）

医学细胞生物学第六章 线粒体与细胞的能量转换（2）思维导图，包含了细胞呼吸的概念、 细胞呼吸的特点、疾病过程中的线粒体变化等。

第六章 线粒体与细胞的能量转换

• 第二节 细胞呼吸与能量转换
  • 细胞呼吸的概念
    • 在特定细胞器(主要是线粒体)内，在O2的参与下，分解各种大分子物质，产生Co2;与此同时，分解代谢所释放出的能量储存于ATP中的过程，称为细胞呼吸(cellular respiration),也称生物氧化(biological oxidation)或细胞氧化(cellular oxidation)。
  • 细胞呼吸的特点
    • 1.本质上是在线粒体中进行的一系列由酶系所催化的氧化还原反应
    • 2.所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中
    • 3.整个反应过程是分步进行的，能量也是逐步释放的
    • 4.反应是在恒温(37o℃)和恒压条件下进行的
    • 5.反应过程中需要H2O的参与
  • 细胞呼吸所产生的能量储存于细胞能量转换分子ATP中
    • 1.ATP是一种高能磷酸化合物
    • 2.细胞呼吸时，释放的能量可通过ADP的磷酸化而及时储存于ATP的高能磷酸键中作为备用
    • 3.当细胞进行各种活动需要能量时，又可去磷酸化，断裂一个高能磷酸键以释放能量来满足机体需要
    • ATP中所携带的能量来源于糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化，这些物质的氧化是能量转换的前提。
    • 从糖酵解到ATP的形成是一个极其复杂的过程，分为三个步骤
      • 糖酵解( glycolysis)
      • 三羧酸循环(TAC)
      • 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)
  • 一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解
    • (一)葡萄糖在细胞质中经糖酵解途径分解成丙酮酸
      • 底物水平磷酸化(substrate-level phosphorylation):由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP 上，使ADP磷酸化生成ATP的作用。
    • (二)NADH+H+通过穿梭机制进入线粒体
      • 糖酵解过程产生的还原当量(NADH+H+)本身不能透过线粒体内膜，必须借助线粒体内膜上特异性穿梭系统进入线粒体。
    • (三)丙酮酸在线粒体基质中氧化脱羧生成乙酰CoA
  • 二、乙酰CoA在线粒体基质中进行三羧酸循环
  • 三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键
    • (一)呼吸链和ATP合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础
      • 1.呼吸链
        • 代谢物脱下的成对氢原子通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最后与氧结合生成水，此传递过程称为呼吸链。参加呼吸链的酶及辅酶按一定顺序在线粒体内膜上排列，进行氢和电子的传递，故又称为电子传递链。
      • 2.ATP合酶复合体
        • 是线粒体内膜(包括嵴)的内表面附着的圆球形基粒。是将呼吸链电子传递过程中释放的能量用于使ADP磷酸化生成ATP的关键装置。 其化学本质是ATP合酶复合体，也称FoF1ATP合酶。
    • (二)氧化磷酸化偶联
      • 电子传递过程中释放出的能量被FoF1ATP合酶用来催化ADP磷酸化而合成ATP，ATP生成部位即是氧化磷酸化偶联部位。
    • (三)偶联机制--化学渗透假说
      • 化学渗透假说(chemiosmotic coupling hypothesis) 认为氧化磷酸化偶联的基本原理是:电子传递中的自由能差造成H+穿膜传递，转变为横跨线粒体内膜的电化学质子梯度。质子顺梯度回流并释放出能量，驱动结合在内膜上的ATP合酶，催化ADP磷酸化合成ATP。
• 第三节 线粒体与疾病
  • 一、疾病过程中的线粒体变化
    • 线粒体对外界环境因素的变化很敏感，一些环境因素的影响可直接造成线粒体功能的异常。随着年龄的增长，线粒体的氧化磷酸化能力下降。
  • 二、mtDNA突变与疾病
    • 线粒体含有自身独特的环状DNA，但其DNA是裸露的，易发生突变且很少能修复。
    • 以线粒体结构和功能缺陷为主要疾病原因的疾病常称为线粒体疾病(mitochondrial disorders)。
  • 三、线粒体融合和分裂异常相关的疾病
    • 线粒体融合和分裂异常或者编码参与线粒体融合和分裂蛋白的基因发生突变，就可能导致疾病的发生。
    • 参与线粒体分裂的Drp1基因发生突变时，导致婴儿出生后大脑发育障碍、视神经萎缩同时并伴有其他一些严重的并发症。
    • 当线粒体分裂被扰乱时，会导致一些常见的线粒体功能失常，如线粒体膜电位缺失、ROS增高以及线粒体DNA丢失等。
    • 介导细胞融合的蛋白Opa1和Mfn2的突变会引起Kjer' s病(常染色体显性视神经萎缩症)和2A型腓骨肌萎缩症。
  • 四、线粒体疾病的治疗
    • 线粒体疾病治疗的基本措施包括
      • 1.补充疗法: 给患者添加呼吸链所需的辅酶
      • 2.选择疗法 选用一些能促进细胞排斥突变线粒体的药物对患者进行治疗以增加异质体细胞中正常线粒体的比例，从而将细胞的氧化磷酸化水平升高至阈值以上
      • 3.基因疗法 将正常的线粒体基因转入患者体内以替代缺陷mtDNA发挥作用