细胞的能量转换线粒体和叶绿体精选课件.ppt
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1、关于细胞的能量转关于细胞的能量转换线粒体和叶绿体换线粒体和叶绿体第一页,本课件共有87页第一节 线粒体与氧化磷酸化n线粒体被称为细胞内的能量工厂线粒体被称为细胞内的能量工厂。人体内的细胞每天要合成几千克。人体内的细胞每天要合成几千克的的ATPATP,95%95%是由线粒体中的呼吸链所产生是由线粒体中的呼吸链所产生。第二页,本课件共有87页一、线粒体的形态结构 n(一)形态和分布(一)形态和分布n1.1.形态:因种类和生理状态而异,一般呈粒状或杆状,也有形态:因种类和生理状态而异,一般呈粒状或杆状,也有环形,哑铃形、线状、分杈状。环形,哑铃形、线状、分杈状。第三页,本课件共有87页活细胞中线粒体
2、形态高度可变活细胞中线粒体形态高度可变第四页,本课件共有87页n2.2.大小:直径大小:直径0.5-1m0.5-1m,长,长1.5-3.0m1.5-3.0m。n胰脏分泌细胞中的线粒体可长达胰脏分泌细胞中的线粒体可长达10-20m10-20m,称巨线粒体,人成纤维,称巨线粒体,人成纤维细胞线粒体则更长,达细胞线粒体则更长,达40m40m。第五页,本课件共有87页n3.3.数量:同类型细胞中数目稳定。不同类型细胞中从数量:同类型细胞中数目稳定。不同类型细胞中从1 1个到数千个。代谢个到数千个。代谢活跃细胞数量多;动物细胞较植物细胞多;红细胞无线粒体。活跃细胞数量多;动物细胞较植物细胞多;红细胞无线
3、粒体。n4.4.分布:一般均匀分布。常结合在微管上,可向功能旺盛区域迁移。故代分布:一般均匀分布。常结合在微管上,可向功能旺盛区域迁移。故代谢活跃区域较多。谢活跃区域较多。第六页,本课件共有87页线粒体大小和数量反映了细胞能量需求线粒体位于心肌细胞和精子尾部需能多的部位第七页,本课件共有87页(二)线粒体的结构 n线粒体由内外两层单位膜封闭形成,包括外膜、内膜、膜间隙和基质线粒体由内外两层单位膜封闭形成,包括外膜、内膜、膜间隙和基质4 4个部分。个部分。第八页,本课件共有87页线粒体结构模型第九页,本课件共有87页1、外膜(outer membrane)n全封闭的单位膜,脂和蛋白含量近相等全封
4、闭的单位膜,脂和蛋白含量近相等;n具孔蛋白具孔蛋白(porin)(porin)构成的构成的亲水通道亲水通道,通透性较高,分子量,通透性较高,分子量5KD3:13:1,心磷脂含量,心磷脂含量20%20%,无胆固醇。,无胆固醇。n通透性低,仅让不带电荷小分子通过,大分子和离子通过内膜需特殊通透性低,仅让不带电荷小分子通过,大分子和离子通过内膜需特殊转运系统。转运系统。第十二页,本课件共有87页n内膜向基质褶入形成内膜向基质褶入形成嵴嵴(cristae)(cristae),嵴常呈板层状,也有管状。,嵴常呈板层状,也有管状。n嵴上有基粒,基粒由头部嵴上有基粒,基粒由头部(F(F1 1)和嵌入内膜的基部
5、和嵌入内膜的基部(F(F0 0)构成。构成。第十三页,本课件共有87页板层状结构第十四页,本课件共有87页管状嵴线粒体第十五页,本课件共有87页n内膜具丰富的蛋白质和酶类,主要有参与氧化磷酸化电子传递的蛋白内膜具丰富的蛋白质和酶类,主要有参与氧化磷酸化电子传递的蛋白质复合体及质复合体及ATPATP合成的酶类,以及其它一些参与物质运输与合成的酶合成的酶类,以及其它一些参与物质运输与合成的酶类。类。n标志酶为标志酶为细胞色素细胞色素C C氧化酶氧化酶。第十六页,本课件共有87页3、膜间隙(intermembrane space)n宽宽6-8nm6-8nm,含大量可溶性酶、底物和辅助因子,含大量可溶
6、性酶、底物和辅助因子n标志酶为标志酶为腺苷酸激酶腺苷酸激酶,催化,催化ATPATP分子的末端磷酸基团转移到分子的末端磷酸基团转移到AMPAMP第十七页,本课件共有87页4、基质(matrix)n除糖酵解外,其它参与生物氧化的酶均在线粒体基质中:除糖酵解外,其它参与生物氧化的酶均在线粒体基质中:TCATCA循环、脂循环、脂肪酸和丙酮酸氧化的酶。标志酶为肪酸和丙酮酸氧化的酶。标志酶为苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶。n含一套完整的转录和翻译体系:含一套完整的转录和翻译体系:mtDNAmtDNA,70S70S核糖体,核糖体,tRNA tRNA、rRNArRNA、DNADNA聚合酶、氨基酸活化酶等。聚合酶、氨
7、基酸活化酶等。第十八页,本课件共有87页二、线粒体的功能n是细胞进行生物氧化的主要场所,糖类、脂肪和氨基酸最终的是细胞进行生物氧化的主要场所,糖类、脂肪和氨基酸最终的氧化均发生在线粒体。并将氧化与磷酸化偶联,合成氧化均发生在线粒体。并将氧化与磷酸化偶联,合成ATPATP。第十九页,本课件共有87页(一)真核细胞中的氧化作用(oxidation)n葡萄糖和脂肪酸是真核细胞能量的主要来源。葡萄糖和脂肪酸是真核细胞能量的主要来源。n1.1.糖的氧化糖的氧化n1)1)在胞质中,糖经糖酵解氧化生成丙酮酸;在胞质中,糖经糖酵解氧化生成丙酮酸;n2)2)丙酮酸进入线粒体,脱羧生成乙酰丙酮酸进入线粒体,脱羧生
8、成乙酰CoACoAn3)3)乙酰乙酰CoACoA进入进入TCATCA循环,彻底氧化成循环,彻底氧化成CO2CO2第二十页,本课件共有87页第二十一页,本课件共有87页第二十二页,本课件共有87页n2.2.脂肪的氧化:脂肪的氧化:n脂肪先在胞质中水解成脂肪酸,脂肪酸进入线粒体基质,通过脂肪先在胞质中水解成脂肪酸,脂肪酸进入线粒体基质,通过氧化氧化途径生成乙酰途径生成乙酰CoACoA,及,及1 1分子分子NADHNADH和和FADHFADH2 2。第二十三页,本课件共有87页3、氨基酸的氧化n乙酰辅酶乙酰辅酶A A是线粒体能量代谢的核心分子。是线粒体能量代谢的核心分子。第二十四页,本课件共有87页
9、n4 4、TCATCA循环:循环:n 乙酰乙酰CoACoA和草酰乙酸结合生成柠檬酸,柠檬酸经氧化脱羧,经酮戊和草酰乙酸结合生成柠檬酸,柠檬酸经氧化脱羧,经酮戊二酸、琥珀酸,降解成草酰乙酸。二酸、琥珀酸,降解成草酰乙酸。n 每循环一次生成每循环一次生成2 2分子分子COCO2 2、一分子、一分子GTPGTP、4 4分子分子NADHNADH和一分子和一分子FADHFADH2 2。第二十五页,本课件共有87页n5 5、辅酶在能量传递中的作用、辅酶在能量传递中的作用:nTCATCA循环的净产物是循环的净产物是FADHFADH2 2和和NADHNADH,FADHFADH2 2和和NADHNADH中含有底
10、物氧化释放中含有底物氧化释放的高能电子,共的高能电子,共5 5对,可用于对,可用于ATPATP合成。合成。第二十六页,本课件共有87页第二十七页,本课件共有87页n糖酵解也产生糖酵解也产生NADHNADH,可通过苹果酸,可通过苹果酸-天门冬氨酸穿梭和甘油天门冬氨酸穿梭和甘油-磷酸穿梭,磷酸穿梭,将电子传递给将电子传递给FADFAD,形成,形成FADHFADH2 2,参与参与ATPATP合成。合成。第二十八页,本课件共有87页磷酸甘油穿梭第二十九页,本课件共有87页苹果酸天门冬氨酸穿梭苹果酸天门冬氨酸穿梭n胞液中的NADH,首先由苹果酸脱氢酶催化将草酰乙酸还原成苹果酸,苹果酸再通过内膜上的二羧酸
11、载体系统与线粒体内的酮戊二酸交换而进入线粒体。然后,苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下,又氧化生成草酰乙酸并释出NADH,再经历与在线粒体内产生的NADH氧化相同的过程。第三十页,本课件共有87页(二)呼吸链与电子传递nTCATCA循环后,能量储在循环后,能量储在NADHNADH和和FADHFADH2 2中,需将其氧化才能将能量释放中,需将其氧化才能将能量释放出,该过程涉及电子从出,该过程涉及电子从NADHNADH或或FADHFADH2 2传递到氧。传递到氧。n呼吸链是内膜上的一组酶复合体,负责将电子传递到氧气,产生呼吸链是内膜上的一组酶复合体,负责将电子传递到氧气,产生ATPATP。第三十一页,本课
12、件共有87页n电子在经呼吸链进行传递时,高能电子中所含能量逐步释放,最后储存电子在经呼吸链进行传递时,高能电子中所含能量逐步释放,最后储存在在ATPATP的高能磷酸键中,即将的高能磷酸键中,即将ADPADP转变成转变成ATPATP,该过程称为磷酸化。而电子,该过程称为磷酸化。而电子传递链将生物氧化和磷酸化串联在一起的过程并称为氧化磷酸化。传递链将生物氧化和磷酸化串联在一起的过程并称为氧化磷酸化。第三十二页,本课件共有87页1、电子载体 n电子载体电子载体:与电子结合并将其传递下去的物质。与电子结合并将其传递下去的物质。n(1)NAD(1)NAD:烟酰胺嘌呤二核苷酸,脱氢酶的辅酶,连接:烟酰胺嘌
13、呤二核苷酸,脱氢酶的辅酶,连接TCATCA循环循环和呼吸链,将氢交给黄素蛋白。和呼吸链,将氢交给黄素蛋白。第三十三页,本课件共有87页(2)(2)黄素蛋白黄素蛋白(flavoprotein)(flavoprotein):由一条多肽链结合一个辅基组成的酶类由一条多肽链结合一个辅基组成的酶类,辅基为辅基为FMNFMN或或FAD.FAD.每个每个FMNFMN或或FADFAD可接受可接受2 2个电子和个电子和2 2个质子。个质子。呼吸链上既有以呼吸链上既有以FMNFMN为辅基的为辅基的NADHNADH脱氢酶,也有以脱氢酶,也有以FADFAD为辅基的琥珀酸脱为辅基的琥珀酸脱氢酶。氢酶。第三十四页,本课件
14、共有87页n(3)(3)细胞色素细胞色素(cytochrome)(cytochrome):n呼吸链中有呼吸链中有5 5类细胞色素:类细胞色素:a a、a a3 3、b b、c c、c c1 1,均含有血红素铁,以,均含有血红素铁,以FeFe3+3+和和FeFe2+2+互变传递电子。互变传递电子。n而细胞色素而细胞色素a a、a a3 3还与铜原子相连,铜原子也依靠自身化合价的变化进还与铜原子相连,铜原子也依靠自身化合价的变化进行电子传递。行电子传递。第三十五页,本课件共有87页血红素的结构第三十六页,本课件共有87页(4)(4)铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe/S protein)(Fe/S prote
15、in):属细胞色素类,分子中央结合的是铁和硫,称铁硫中心。一般含属细胞色素类,分子中央结合的是铁和硫,称铁硫中心。一般含4 4个原子,个原子,2 2个铁和个铁和2 2个个S S,称,称2Fe-2S2Fe-2S,也有,也有4Fe-4S4Fe-4S。也是通过也是通过FeFe2+2+、FeFe3+3+互变进行电子传递,且一次只能传递互变进行电子传递,且一次只能传递1 1个电子个电子 第三十七页,本课件共有87页第三十八页,本课件共有87页n(5)(5)辅酶辅酶Q(coenzyme Q)Q(coenzyme Q):n脂溶性小分子醌类化合物,通过氧化和还原传递电子。脂溶性小分子醌类化合物,通过氧化和还原
16、传递电子。n有有3 3种氧化还原形式:氧化型醌种氧化还原形式:氧化型醌Q Q,还原型氢醌,还原型氢醌(QH(QH2 2)和介于两者间的半醌和介于两者间的半醌(QH)(QH)。n每个醌能接受和传递每个醌能接受和传递2 2个电子和质子个电子和质子第三十九页,本课件共有87页2、氧化还原电位与载体排列顺序n同种物质得失电子的两种状态称氧还对。如同种物质得失电子的两种状态称氧还对。如NAD+NAD+和和NADHNADH,两者间有电位差,两者间有电位差,即氧还电位即氧还电位n可在标准条件下测定标准氧还电位。标准氧还电位越小,提供电子的能力可在标准条件下测定标准氧还电位。标准氧还电位越小,提供电子的能力越
17、强越强n通过测定电子载体的氧化还原电位,可推断其在呼吸链中的排列顺序通过测定电子载体的氧化还原电位,可推断其在呼吸链中的排列顺序第四十页,本课件共有87页3、电子传递复合物 n用脱氧胆酸用脱氧胆酸(离子型去污剂离子型去污剂)处理内膜、分离出呼吸链的处理内膜、分离出呼吸链的4 4种复合物,种复合物,即复合物即复合物、和和。n而参与电子传递的辅酶而参与电子传递的辅酶Q Q和细胞色素和细胞色素C C不属于任何一种复合物。辅酶不属于任何一种复合物。辅酶Q Q溶于内膜,细胞色素溶于内膜,细胞色素C C位于内膜的膜间隙侧位于内膜的膜间隙侧(C(C侧侧),属膜外周蛋白。,属膜外周蛋白。第四十一页,本课件共有
18、87页(1)复合物 nNADHNADHCoQCoQ还原酶,哺乳动物中由还原酶,哺乳动物中由4242条肽链组成。含条肽链组成。含1 1个个FMNFMN和和6 6个个Fe/SFe/S,以二聚,以二聚体存在。体存在。n作用:催化作用:催化NADHNADH的的2 2个电子传至辅酶个电子传至辅酶Q Q,并将,并将4 4个个H H+由基质由基质(M(M侧侧)膜间隙膜间隙(C(C侧侧)。电子传递方向:。电子传递方向:NADHFMNFe-SQNADHFMNFe-SQn结果:结果:NADH+5HNADH+5H+(M)+QNAD(M)+QNAD+QH+QH2 2+4H+4H+(C)(C)第四十二页,本课件共有87
19、页(2)复合物n琥珀酸脱氢酶,琥珀酸脱氢酶,4 4条肽链,含条肽链,含1 1个个FADFAD,2 2个个Fe/SFe/Sn催化电子从琥珀酸催化电子从琥珀酸CoQCoQ,传递过程:琥珀酸,传递过程:琥珀酸FADFe-SQFADFe-SQ。不转移质子。不转移质子。n反应结果为:琥珀酸反应结果为:琥珀酸+Q+Q延胡索酸延胡索酸+QH+QH2 2第四十三页,本课件共有87页(3)复合物 nCoQ-cytcCoQ-cytc还原酶,由还原酶,由1111条不同肽链组成,以二聚体存在,单体含条不同肽链组成,以二聚体存在,单体含2 2个个cyt b cyt b(b562(b562,b566)b566)、一个、一
20、个cyt c1cyt c1和一个和一个Fe/SFe/S。n作用:催化电子从辅酶作用:催化电子从辅酶Q cyt cQ cyt c,每转移一对电子,同时将,每转移一对电子,同时将4 4个个H H+转移至膜转移至膜间隙。间隙。n结果:结果:2 2氧化态氧化态cyt c+QHcyt c+QH2 2+2 H+2 H+(M)2(M)2还原态还原态cyt c+Q+4Hcyt c+Q+4H+(C)(C)第四十四页,本课件共有87页n复合物复合物的电子传递较复杂,与的电子传递较复杂,与“Q Q循环循环”有关有关n辅酶辅酶Q Q是脂溶性小分子,能在膜中自由扩散,在内膜是脂溶性小分子,能在膜中自由扩散,在内膜C C
21、侧,侧,QH2QH2将一个电子将一个电子交给交给Fe-SFe-S细胞色素细胞色素c1c1细胞色素细胞色素c c,被氧化为半醌,被氧化为半醌(QH)(QH),并将一个质,并将一个质子释放到膜间隙;子释放到膜间隙;n半醌将电子交给细胞色素半醌将电子交给细胞色素b566b562b566b562,释放另外一个质子到膜间隙。,释放另外一个质子到膜间隙。第四十五页,本课件共有87页ncyt b566cyt b566得到的电子为循环电子,传递路线为:半醌得到的电子为循环电子,传递路线为:半醌b566b562b566b562辅酶辅酶Q Q。n因此,辅酶因此,辅酶Q Q的还原有的还原有3 3种途径,均发生在内膜
22、种途径,均发生在内膜M M侧。一是被复合体侧。一是被复合体还原,二是被复合体还原,二是被复合体还原,三是被还原,三是被cyt b562cyt b562还原。还原。第四十六页,本课件共有87页Q循环示意图第四十七页,本课件共有87页(4)复合物 ncyt ccyt c氧化酶,以二聚体存在,单体含氧化酶,以二聚体存在,单体含1 1个个cyt acyt a、a a3 3和和2 2个个CuCu原子。作用:电子原子。作用:电子从从cyt c cyt c 氧氧n传递路线:传递路线:cyt cCucyt cCuA A cytaa cytaa3 3-Cu-CuB B OO2 2n每转移一对电子,从基质中摄取每
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