第六章 线粒体与细胞的能量转换

这是一篇关于线粒体思维导图，包含线粒体的基本特征、线粒体与疾病、细胞呼吸与能量转换等。

第六章 线粒体与细胞的能量转换

• 第一节 线粒体的基本特征
  • 一、线粒体的形态、数量和结构
    • （一）线粒体的形态、数量
      • 形态：光镜下呈线状、粒状或杆状等
      • 数量：①因细胞种类而不同②最少的只含1个线粒体，最多的达50万个。③代谢旺盛时，线粒体数量较多，反之线粒体的数量则较少。④精细胞约25个，肾细胞约400个，肝细胞约1300个线粒体，成熟的红细胞多无线粒体。
    • （二）线粒体的超微结构
      • 电镜下，线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构。
      • 1.外膜 (outermembrane）
        • 位置：线粒体最外层的一层单位膜，厚约5~7nm。
        • 组成：约50%为脂类，约50%为蛋白质。
        • 特点：①包括多种转运蛋白，②形成较大的水相通道跨越脂质双层，使外膜出现直径2~3nm的小孔，允许通过分子量在10 000 Da以下的物质，包括一些小分子多肽。
      • 2.内膜 （innermembrane）
        • 位置：位于线粒体外膜内侧，平均厚4.5nm
        • 组成：20%是脂类，80%是蛋白质。
        • 特点：通透性小，分子量大于150的物质不能通过。选择通透性高，膜上的转运蛋白控制内、外腔的物质交换，以保证活性物质的代谢。
      • 3.转位接触点 (translocation contactsite)
        • 在线粒体的内、外膜上存在的一些内膜与外膜相互接触的地方，此处膜间隙变狭窄，称为转位接触点。
          • 内膜转位子(Tim)——通道蛋白 ​外膜转位子(Tom)——受体蛋白
        • 功能：蛋白质等物质进出线粒体的通道
      • 4.基质 （matrix）
        • 成分：①酶类(催化三羚酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等)
        • 独立的遗传体系
          • ②双链环状DNA(线粒体特有）
          • ③核糖体
      • 5.基粒 (elementaryparticle)
        • 内膜(包括峭)的内表面附着许多突出于内腔的颗粒，每个线粒体大约有104~105个。
        • 头部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，
        • 又称ATP合酶复合体(ATP synthase complex)，也称FoFiATP合酶。
  • 二、线粒体的化学组成
    • 1.蛋白质：是线粒体的主要成分，约占65%~70%，多分布于内膜和基质。
      • 线粒体含有众多酶系，分别位于线粒体的不同部位，在线粒体行使细胞氧化功能时起重要的作用。
    • 2.脂类：占线粒体干重的25%~30%，大部分是磷脂。
    • 3.其他：含有DNA和完整的遗传系统，多种辅酶(如CoQ、FMN、FAD和NAD+等)、维生素和各类无机离子。
  • 三、线粒体的遗传体系（了解）
    • （一）线粒体DNA
      • 1.存在部位：线粒体的基质内或依附于线粒体内膜。
      • 2.数量：一个线粒体内往往有1至数个mtDNA分子，平均为5~10个。
      • 3.基因组结构：
        • ①形态
        • ②长度16568bp
        • ③无组蛋白
        • ④H链，L链
        • ⑤无内含子
        • ⑥复制、转录
          • HSP(D-loop) ​LSP
        • ⑦密码子
      • 4.编码产物：少。线粒体的tRNA、rRNA及一些线粒体蛋白质。
        • 人类线粒体基因组共编码37个基因。
    • （二）线粒体的复制（了解）
      • mtDNA复制类似于原核细胞，D环复制
      • 轻链的复制要晚于重链
      • 重链的合成方向是顺时针的轻链的合成方向是逆时针的
      • 复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期的静止期或间期，甚至可分布在整个细胞周期。
    • • 子主题
  • 四、线粒体核编码蛋白质的转运
    • (一)核编码蛋白向线粒体基质中的转运
      • 1.核编码蛋白进入线粒体时需要信号序列输
      • 2.前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态
      • 3.分子运动产生的动力协助多肽链穿过线粒体膜
      • 4.多肽链需要在线粒体基质内重新折叠才形成有活性的蛋白质
    • (二)核编码蛋白向线粒体其他部位的转运
  • 五、线粒体的起源
    • 目前普遍接受假说，内共生学说，认为线粒体可能起源于某种早期细菌，它最初与古老厌氧真核细胞共生，最终成为真核细胞的一部分。
  • 六、线粒体的融合与分裂
    • （一）线粒体通过分裂进行增殖
    • （二）mtDNA随机地、不均等的被分配到新的线粒体中
      • 在有丝分裂和减数分裂时，新合成的 mtDNA分子随机分配到子代线粒体，子代线粒体随机分布到子细胞中，因此，子细胞就拥有不同比例的突变型mtDNA分子
    • （三）线粒体的融合有利于促进线粒体的相互协作
  • 七、线粒体的功能
    • 1.氧化磷酸化：营养物质在线粒体内氧化并与磷酸化耦联生成ATP是线粒体的主要功能。
    • 2.摄取和释放Ca2+：线粒体和内质网一起共同调节胞质中的Ca2+浓度
    • 3.参与细胞死亡：在某些情况下，线粒体是细胞死亡的启动环节；而在另一些情况下，线粒体则仅仅是细胞死亡的一条“通路”。
• 第二节 细胞呼吸与能量转换
  • 引入
    • 1分子葡萄糖直接、完全燃烧释放能量约2804kJ/mol,远远大于任何载体分子能够捕获的能量。1分子ATP的能量约 31kJ/mol
    • 递氢体NAD+和NADH的循环
    • 递氢体FAD和FADH的循环
    • 细胞氧化/生物氧化/细胞呼吸
      • 细胞氧化(cellular oxidation)：细胞在O，的参与下，分解各种大分子物质，产生COz，释放出的能量储存于ATP中的过程，也称生物氧化(biological oxidation)。类似人类呼吸，又称细胞呼吸(cellular respiration)
      • 在细胞氧化物质的同时，进行ADP的磷酸化反应，所以又称为氧化磷酸化。
  • 细胞氧化的基本过程
    • 一、糖酵解
      • 葡萄糖在细胞质中降解生成丙酮酸
      • 发生部位：细胞质
      • 净生成2 ATP，2 NADH
      • 有氧条件下最终进入线粒体进行氧化
      • 无氧条件下发酵产能
      • 发酵使ATP在无氧条件下产生，同时NAD+再生
        • ①在酿造和制作酵母中转变成乙醇和CO2 ​②在肌肉中产生乳酸
    • 二、乙酰辅酶A生成
      • 丙酮酸进入线粒体，在线粒体基质中分解生成乙酰CoA
      • 发生部位：线粒体基质
      • 生成1 NADH
    • 三、三羚酸（TCA）循环
      • 乙酰CoA经过三酸循环，使其C全部氧化成CO2
      • 产生
        • 3 NADH
        • 1 FADH2
        • 1 ATP（GTP）
      • 发生部位：线粒体基质
      • 线粒体内膜通透性小，分子量大于150的物质不能通过。
    • 四、氧化磷酸化耦联ATP形成
      • 糖酵解、乙酰辅酶A和三羚酸循环产生的H包含H+和e-
      • 其中H+被NADH和FADH，捕获，通过呼吸链辅酶，泵入线粒体膜间腔，
      • e-由呼吸链顺序传递，传递过程中产生自由能差，被辅酶作为泵的能量，
      • 它们最终把O2还原成H2O，同时由基粒合成大量ATP。
      • 发生部位：线粒体内膜、基粒
    • H+梯度怎么形成？
      • 电子传递中的自由能差，驱动H+穿膜传递，转变为H+梯度，即横跨线粒体内膜的电化学质子梯度。
    • H+梯度有什么作用？
      • 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。
    • 五、呼吸链/电子传递链
      • 呼吸链是一系列能够可逆地接受和释放H+和e-的酶体系，它们在线粒体内膜上有序排列成链状，所以称呼吸链。又因为它们能进行H+和e-的传递，所以又称为电子传递链。
      • 1 呼吸链
      • 2 从“自由能差”处思考，细胞为什么要进行多次传递？
        • 电子传递时释放能量，产生 的自由能差，作为泵的能源
      • 3 化学渗透假说 （chemiosmotic coupling hypothesis
        • 化学渗透假说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。
      • 4 基粒
        • 又称ATP合酶，形状如蘑菇，属于F型质子泵
        • 球形的F1(头部)
        • 嵌入膜中的F0(基部)
      • 5 ATP合酶的工作机制：结合变构
• 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
    • 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。
      • Leber遗传性视神经病
    • 线粒体疾病主要影响神经、肌肉系统。
  • 三、线粒体融合和分裂异常相关的疾病
  • 四、线粒体疾病的治疗
• 总结
  • 子主题