ATP与生物能源
本节纲要 3.1 细胞的能量通货—ATP 3.2 生物能源——细胞呼吸产生能量 3.3 细胞呼吸的化学过程 3.2 生物能源——细胞呼吸产生能量 3.3 细胞呼吸的化学过程 3.4 ATP形成机理和能量形成的统计 3.5 与线粒体有关的线粒体的疾病 3.6 能量的初始来源——光合
3.1 细胞的能量通货—ATP 生物体能量以化学能形式在细胞中储存、消耗和转移。 在活细胞中，能量主要贮存在腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)中，它是高能磷酸化合物的代表。 ATP 腺嘌呤 磷酯键 核糖 磷酸基团 酸酐键 ATP 1分子腺嘌呤 1分子核糖 3个相连的磷酸基团构成的核苷酸。
ATP水解时，一个高能磷酸键断裂，同时释放出能量 极不稳定 磷酸键脆弱，易于断裂 ATP水解时，一个高能磷酸键断裂，同时释放出能量 每摩尔ATP 水解形成ADP，可产生-30.5 KJ/mol（7.3 Kcal/mol）的能量。 一个成年人每天摄入的食物分子经过细胞呼吸形成的ATP，可提供大约2200 Kcal的能量。 ATP+H2O ——> ADP+Pi G = -30.5 KJ/mol
ATP作为细胞能量的通货其功能方式 转移磷酸基团的“共同中间体” 。 吸能反应和ATP的分解相偶联，放能反应和ATP的合成相偶联 。
本节纲要 3.1 细胞的能量通货—ATP 3.2 生物能源——细胞呼吸产生能量 3.3 细胞呼吸的化学过程 3.2 生物能源——细胞呼吸产生能量 3.3 细胞呼吸的化学过程 3.4 ATP形成机理和能量形成的统计 3.5 能量的初始来源——光合 3.6 与线粒体有关的线粒体的疾病
3.2 生物能源物质——细胞呼吸产生能量 细胞呼吸基本概念 细胞呼吸是生物细胞消耗氧气来分解食物分子并获得能量的过程，是生物体获得能量的主要代谢途径。 有机化合物+O2→CO2+能量 C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量（ATP+热量）
动物细胞呼吸的“燃料”——生物能量物质 糖类、脂肪、蛋白质等 ATP和ADP分子的相互转换 生物体能量物质的消耗及能量载体？
酵母菌发酵与细胞呼吸 发酵是典型的细胞呼吸过程 有氧:酵母细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同时产生二氧化碳。 缺氧:酵母菌将葡萄糖分解成酒精（乙醇）和二氧化碳。
人体细胞的呼吸过程 慢跑：细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同时产生二氧化碳和水； 快跑：细胞将葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳。
呼吸运动与细胞呼吸
本节纲要 3.1 细胞的能量通货—ATP 3.2 生物能源——细胞呼吸产生能量 3.3 细胞呼吸的化学过程 3.2 生物能源——细胞呼吸产生能量 3.3 细胞呼吸的化学过程 3.4 ATP形成机理和能量形成的统计 3.5 与线粒体有关的线粒体的疾病 3.6 能量的初始来源——光合
生物氧化及氧化还原反应 生物氧化(biological oxidation)：细胞呼吸是一种典型的生物氧化反应。 生物氧化的特点： 需要氧气； 主要在线粒体中进行，温和条件和酶的参与； 氧化过程产生的能量一般贮存在ATP中。
氧化还原反应 获得电子—还原反应；失去电子—氧化反应。
生物体内的氧化反应——细胞中氢及其电子从一个化合物向另一个化合物转移； 氧化还原反应是呼吸作用和光合作用等代谢中最基本的反应。
被转移的氢原子所携带的能量储藏在新化学键中 XH2 (还原型底物)＋NAD+→X(氧化型底物)＋NADH＋H+ XH2 (还原型底物)＋NADP+→X(氧化型底物)＋NADPH＋H+ XH2 (还原型底物)＋FAD+→X(氧化型底物)＋FADH2 还原态的NADH和FADH2等还可将所接受的电子和氢传递给其他传递体如细胞色素、辅酶Q等。 NAD＋: 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶I NADP＋：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶II FAD＋: 黄素腺嘌呤二核苷酸
线粒体的结构与功能定位 线粒体是细胞呼吸和能量代谢中心，产能车间。 线粒体的结构 线粒体分为外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区 由内膜和外膜包裹的囊状结构，囊内是液态的基质； 外膜平整，内膜向内折入形成一些嵴，内膜上面有ATP酶复合体；
细胞呼吸的功能定位 对于有氧呼吸来说，包括三个阶段，即糖酵解、三羧酸循环以及电子传递与ATP的合成。
糖酵解的酶是在细胞质中，细胞质是糖酵解进行的场所； 三羧酸循环的酶大部分在线粒体基质中，三羧酸循环发生在线粒体的基质中； 线粒体的内膜上含有电子传递链及ATP酶复合体，电子传递过程及ATP的合成发生在线粒体内膜的表面。
细胞呼吸的化学过程 概述 细胞呼吸是由一系列化学反应组成的一个连续完整的代谢过程； 细胞呼吸的3个阶段： 即糖酵解、三羧酸循环以及电子传递与ATP的合成。 每一步化学反应都需要特定的酶参与才能完成。
糖酵解 （glycolysis） 淀粉、葡萄糖或其它六碳糖在无氧条件下分解成丙酮酸的过程，通称为糖酵解。它是一种在不需要氧气供应的条件下，产生ATP 的一种供能方式； 它是动物、植物和微生物细胞中葡萄糖分解的共同代谢途径； 由葡萄糖到丙酮酸的糖酵解过程中，所有的中间产物都是以磷酸化合物的形式来实现的。
Krebs循环 三羧酸循环发生在线粒体中，但丙酮酸需先转变成乙酰辅酶A后才进入三羧酸循环 。 三羧酸循环包括8个步骤； 该过程中的关键化合物为柠檬酸；循环的最后产物是草酰乙酸。 分解1分子丙酮酸形成3分子CO2、 4分子NADH和1分子FADH2及1分子ATP。 NADH和FADH2再经过一系列呼吸链的传递释放能量。
电子传递链和氧化磷酸化 电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能电子从NADH 和FADH2最终传递给分子氧，生成水。 同时随着电子能量水平的逐步下降，高能电子所释放的化学能就通过磷酸化途径贮存到ATP分子中。 氧化磷酸化： （oxidative phosphorylation）。
电子传递链又称呼吸链，主要成分是线粒体内膜上的蛋白复合物，这些复合物包含了一系列的电子传递体。 (FMN Fe-S) (Cytc Cytb (Cytc) 2
ATP形成机理和能量形成的统计 底物水平的磷酸化 在磷酸化过程中，相关的酶将底物分子上的磷酸基团直接转移到ADP分子上。 整个糖酵解中ATP的形成都是底物水平的磷酸化反应；Krebs循环也有底物水平的磷酸化。
与电子传递链相偶联的磷酸化 1961年，英国科学家Mitchell提出化学渗透学说，由此荣获1978年的诺贝尔奖。 跨膜的质子梯度（浓度差），导致化学渗透发生； 质子顺梯度从外腔经ATP合成酶而返回到线粒体的基质中； 所释放的能使ADP与磷酸结合生成ATP。
A
ATP合成酶： F1 Fo F1 Fo
1分子葡萄糖彻底氧化分解所形成的能量统计： 糖酵解：底物水平的磷酸化产生4个ATP，己糖活化消耗2个ATP，脱氢反应产生2个NADH，经电子传递链生成4或6个ATP，净产生6或8个ATP； Krebs循环：底物水平的磷酸化产生2个ATP，脱氢反应产生8个NADH和2个FADH2，8个NADH经电子传递链生成24个ATP，2个FADH2经电子传递链生成4个ATP，净产生30个ATP。
生物体内的代谢网络模式简图 合成代谢与分解代谢组成代谢网络
本节纲要 3.1 细胞的能量通货—ATP 3.2 生物能源——细胞呼吸产生能量 3.3 细胞呼吸的化学过程 3.2 生物能源——细胞呼吸产生能量 3.3 细胞呼吸的化学过程 3.4 ATP形成机理和能量形成的统计 3.5 与线粒体有关的线粒体的疾病 3.6 能量的初始来源——光合
线粒体病(mitochondriopathy)的定义 因遗传缺陷引起线粒体代谢酶的缺陷导致 ATP 合成障碍，能量产生不足而出现的一组多系统疾病，也称为线粒体细胞病 (mitochondrial cytopathy)。 线粒体的主要功能体现在氧化磷酸化系统：产生能量，生成氧自由基，调节程序化细胞死亡（细胞凋亡 apoptosis)。
历史 1962年，线粒体肌病 氧化磷酸化脱偶联 1977年，线粒体脑肌病(encephalomyopathy) 1981年，人类线粒体 DNA (mt DNA) 全长序列测定，并提出本病多为母系遗传。 1988年，Holt首次在线粒体病患者中发现有mt DNA缺失，证实 mtDNA 突变是重要的发病原因。 1989年，King等首次建立了人类无mtDNA 细胞系 (ρ°细胞)，可用来研究在不同核背景下，缺陷型线粒体的表现。
MtDNA的结构特点 每一个细胞内均有数量不等的线粒体（红细胞除外）； 每一个线粒体内有 2~10个拷贝的 mt DNA； 人 mt DNA 由16569 bp 的双链环状 DNA 组成，含1个轻链和1个重链。其中包括 37 个基因：22 个 tRNA基因、2个rRNA 基因(12S和16SrRNA)和13个 mRNA 基因； 除与 mt DNA 复制及转录有关的一小段区域外，无内含子序列，37个基因间隔区共有 87bp； 所有的 13 种蛋白质产物均参与组成呼吸链。
病因和发病机制 mtDNA或/和核DNA 发生基因突变； 线粒体内酶功能缺陷； ATP合成障碍； 不能维持细胞的正常生理功能产生氧化应激； 氧自由基产生增加，诱导细胞凋亡。
线粒体疾病的发病机理 线粒体疾病的遗传方式包括母系遗传及孟德尔遗传； 细胞的 mt DNA 有多重拷贝，线粒体编码基因的表现型依赖于一个细胞内突变型和野生型 mt DNA 的相对比例，当突变型达到一定阈值时，病理特征才能表现出来。
线粒体疾病的发病机理 子代细胞中突变型和野生型 mt DNA 的比例随细胞分裂可能发生变化，改变其基因型和表现型。 线粒体疾病为多系统疾病。 骨骼肌、脑及心肌、 周围神经、肾、肝、内分泌腺体
临床分型 一、线粒体肌病 二、线粒体脑肌病 三、Leber 遗传性视神经病 四、亚急性坏死性脑脊髓病 (Leigh disease)
线粒体肌病 骨骼肌受侵为主，也可合并周围神经损害，极度不能耐受疲劳，约半数伴肌痛，肌萎缩占少数。 临床表现多样：可类似多发性肌炎，重症肌无力，进行性肌营养不良，周期性瘫痪，心肌病……
线粒体脑肌病 PEO (进行性眼外肌瘫痪)：以慢性进行性眼外肌瘫痪为主 KSS (Kearns-Sayre syndrome) 可伴有身材矮小，智能低下，神经性难听，小脑共济失调，CSF 蛋白，EEG异常，多无家族史 发病年龄多在20岁以前
线粒体脑肌病 MELAS（线粒体脑肌病伴乳酸血症和卒中样发作）(Mitochondrial encephalomyopathy with lactic acidemia and stroke-like episodes) 发作性头痛、呕吐、偏瘫、偏盲、偏身感觉障碍……，身材矮小，智能减退，神经性难听，可有痉挛发作，CSF多正常，CT:多发脑梗塞，基底节钙化，脑萎缩，脑室扩大,可有家族史，血乳酸增高。
线粒体脑肌病 多见于儿童, 有家族史,肌阵挛性癫痫, 智能减退,小脑共济失调，痉挛发作, 可有神经性难听，血乳酸可增高。 MERRF 肌阵挛性癫痫 (Myoclonus epilepsy with ragged-red-fiber, RRF) 多见于儿童, 有家族史,肌阵挛性癫痫, 智能减退,小脑共济失调，痉挛发作, 可有神经性难听，血乳酸可增高。
mt DNA 点突变 一 tRNAlys tRNAleu(UUR) 线粒体脑肌病的鉴别表 临床表现 KSS MERRF MELAS 眼外肌瘫痪 + 一 一 视网膜色素变性 + 一 一 心脏传导阻滞 + 一 一 CSF 蛋白 > 100mg/dl + 一 一 肌阵挛 一 + 一 共济失调 + + 一 肌力减弱 + + + 发作性呕吐 一 一 + 皮质盲 一 一 + 偏瘫、偏盲 一 一 + 痉挛 一 + + 痴呆 + + + 身材矮小 + + + 神经性难听 + + + 血乳酸增高 + + + 家族史 一 + + RRF + + + 海绵状变性 + + + mt DNA 缺失 + 一 一 mt DNA 点突变 一 tRNAlys tRNAleu(UUR)
Leber 遗传性视神经病 (Leber hereditary optic neuropathy, LHON) 好发年龄为 18~30岁，85%的患者为男性，多数双侧视力同时减退，少数一眼先发病，数周或数月后另眼也发生视力丧失，其后病情相对稳定。中央视力丧失，周边视力保存，全盲者少见，瞳孔对光反射保存，伴色觉障碍。 本病多以视神经受侵为主,较少伴有其他症状和体征。
亚急性坏死性脑脊髓病 (Leigh disease) 为先天代谢异常性疾病； 表现为常染色体隐性遗传或母系遗传，男性多于女性； 多数发生于 1 岁以下的婴儿； 临床表现复杂多样，生前诊断常很困难，多在出生后 3~4 个月发病，首先表现为喂养困难、智能发育停滞、吞咽困难、全身无力、肌张力低下、消瘦、锥体束征、视力、听力减退、眼外肌瘫痪、眼球震颤和共济失调等，少数可有精神运动性癫痫。呼吸功能障碍是另一特征性症状，表现为阵发性中枢性过度呼吸。部分病例有周围神经受损。症状多持续进展，绝大多数患儿死于2 岁之前
线粒体肌病的生化分类 线粒体底物的运输缺陷 丙酮酸 线粒体底物的利用缺陷 丙酮酸酶系缺陷 呼吸链 (resqiratory chain) 缺陷 复合体及电子载体 能量保持和转换异常 能量生成脱偶联
临床诊断 病史特点 心肌酶谱 肌电图 脑电图 头颅 MRI 或 CT 检查：（Leigh 及 MELAS 有特征性改变） 血乳酸、丙酮酸最注运动量试验 （15 WT 运动量）
线粒体呼吸链酶复合体活性测定 肌活检 （冰冻切片，组化染色，光镜检查；超薄切片，电镜检查） mt DNA 检测： CPEO 及 KSS 多为 mt DNA 缺失，MERRF 多为 mt DNA 8344 处发生点突变 AG，MELAS 多在 mt DNA 3243 处 AG 的点突变
线粒体肌病和脑肌病的治疗 无特效治疗 大剂量维生素 B 族，辅酶 Q10 能量制剂 （不加胰岛素），ATP 80~120mg/日口服或静点 （可加 CoA） 当酶复合体 II+III 缺陷，可用 Vit.K3+Vit.C 以建立电子传递旁路 如为肉碱缺乏可补充肉碱 （L-carnitine） 皮质激素（脂质累积病有效） 中药 （补气，活血） 基因治疗？