【—初二生物上冊之線粒體功能】,線粒體膜通透性增加也能使誘導凋亡因子等分子釋放進入細胞質(zhì)基質(zhì),破壞細胞結(jié)構(gòu)。
能量轉(zhuǎn)化
線粒體是真核生物進行氧化代謝的部位,是糖類、脂肪和氨基酸最終氧化釋放能量的場所。線粒體負責的最終氧化的共同途徑是三羧酸循環(huán)與氧化磷酸化,分別對應有氧呼吸的第二、三階段。細胞質(zhì)基質(zhì)中完成的糖酵解和在線粒體基質(zhì)中完成的三羧酸循環(huán)在會產(chǎn)還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(reduced nicotinarnide adenine dinucleotide,NADH)和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸(reduced flavin adenosine dinucleotide,F(xiàn)ADH2)等高能分子,而氧化磷酸化這一步驟的作用則是利用這些物質(zhì)還原氧氣釋放能量合成ATP。在有氧呼吸過程中,1分子葡萄糖經(jīng)過糖酵解、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化將能量釋放后,可產(chǎn)生30-32分子ATP(考慮到將NADH運入線粒體可能需消耗2分子ATP)。如果細胞所在環(huán)境缺氧,則會轉(zhuǎn)而進行無氧呼吸。此時,糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸便不再進入線粒體內(nèi)的三羧酸循環(huán),而是繼續(xù)在細胞質(zhì)基質(zhì)中反應(被NADH還原成乙醇或乳酸等發(fā)酵產(chǎn)物),但不產(chǎn)生ATP。所以在無氧呼吸過程中,1分子葡萄糖只能在第一階段產(chǎn)生2分子ATP。
三羧酸循環(huán)
糖酵解中生成的每分子丙酮酸會被主動運輸轉(zhuǎn)運穿過線粒體膜。進入線粒體基質(zhì)后,丙酮酸會被氧化,并與輔酶A結(jié)合生成CO2、還原型輔酶Ⅰ和乙酰輔酶A。乙酰輔酶A是三羧酸循環(huán)(也稱為“檸檬酸循環(huán)”或“Krebs循環(huán)”)的初級底物。參與該循環(huán)的酶除位于線粒體內(nèi)膜的琥珀酸脫氫酶外都游離于線粒體基質(zhì)中。在三羧酸循環(huán)中,每分子乙酰輔酶A被氧化的同時會產(chǎn)生起始電子傳遞鏈的還原型輔因子(包括3分子NADH和1分子FADH2)以及1分子三磷酸鳥苷(GTP)。
氧化磷酸化
在線粒體內(nèi)膜上的酶復合物(NADH-泛醌還原酶、泛醌-細胞色素c還原酶、細胞色素c氧化酶)利用過程中釋放的能量將質(zhì)子逆濃度梯度泵入線粒體膜間隙。雖然這一過程是高效的,但仍有少量電子會過早地還原氧氣,形成超氧化物等活性氧(ROS),這些物質(zhì)能引起氧化應激反應使線粒體性能發(fā)生衰退。
當質(zhì)子被泵入線粒體膜間隙后,線粒體內(nèi)膜兩側(cè)便建立起了電化學梯度,質(zhì)子就會有順濃度梯度擴散的趨勢。質(zhì)子唯一的擴散通道是ATP合酶(呼吸鏈復合物V)。當質(zhì)子通過復合物從膜間隙回到線粒體基質(zhì)時,電勢能被ATP合酶用于將ADP和磷酸合成ATP。這個過程被稱為“化學滲透”,是一種協(xié)助擴散。彼得·米切爾就因為提出了這一假說而獲得了1978年諾貝爾獎。1997年諾貝爾獎獲得者保羅·博耶和約翰·瓦克闡明了ATP合酶的機制。
儲存鈣離子
線粒體可以儲存鈣離子,可以和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細胞外基質(zhì)等結(jié)構(gòu)協(xié)同作用,從而控制細胞中的鈣離子濃度的動態(tài)平衡。線粒體迅速吸收鈣離子的能力使其成為細胞中鈣離子的緩沖區(qū)。在線粒體內(nèi)膜膜電位的驅(qū)動下,鈣離子可由存在于線粒體內(nèi)膜中的單向運送體輸送進入線粒體基質(zhì);排出線粒體基質(zhì)時則需要鈉-鈣交換蛋白的輔助或通過鈣誘導鈣釋放(calcium-induced-calcium-release,CICR)機制。在鈣離子釋放時會引起伴隨著較大膜電位變化的“鈣波”(calcium wave),能激活某些第二信使系統(tǒng)蛋白,協(xié)調(diào)諸如突觸中神經(jīng)遞質(zhì)的釋放及內(nèi)分泌細胞中激素的分泌。線粒體也參與細胞凋亡時的鈣離子信號轉(zhuǎn)導。
總結(jié):線粒體的某些功能只有在特定的組織細胞中才能展現(xiàn)。例如,只有肝臟細胞中的線粒體才具有對氨氣(蛋白質(zhì)代謝過程中產(chǎn)生的廢物)造成的毒害解毒的功能。
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