第七章-线粒体与细胞的能量转换课件

第七章第七章线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换（mitochondria and cell energy conversion）概述概述 第一节第一节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征 第二节第二节 细胞呼吸与能量转换细胞呼吸与能量转换第三节第三节 细胞的能量转换细胞的能量转换第四节第四节 线粒体与人类学、医学研究线粒体与人类学、医学研究 内容内容概概 述述 地球上一切生命活动所需要的能量主要来源于太阳能。但不同生物代谢时吸收能量的机制不同，光能转变为化学能只发生在具有叶绿素的植物和一些有光合能力的细菌中，它们能通过光合作用，将无机物（如CO2和H2O）转化成可被自身利用的有机物，这种生物是自养生物（autotroph）。而动物细胞不具有叶绿体，它们以自养生物合成的有机物为营养，通过分解代谢而取得能量，因而被称为异养生物（heterotroph）。动物细胞实现这一能量转换的细胞内结构就是线粒体（单数mitochondrion；复数mitochondria）。第一节第一节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征一、线粒体的中含有众多参与能量代谢一、线粒体的中含有众多参与能量代谢的酶系的酶系 除去水分之外，线粒体的主要成分是蛋白质，约占组分总量的65%70%，多数分布于内膜和基质。线粒体蛋白质分为两类：一类是可溶性蛋白，包括基质中的酶和膜外周蛋白；另一类是不溶性蛋白，为膜结构蛋白或膜镶嵌酶蛋白。线粒体含有众多酶系，目前已确认有120余种，是细胞中含酶最多的细胞器。这些酶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。二、线粒体的形态、数量与分布与线粒二、线粒体的形态、数量与分布与线粒体的类型和功能状态有关体的类型和功能状态有关 光镜下的线粒体呈线状、粒状或杆状等，直径0.51.0m。不同类型或不同生理状态的细胞，其线粒体的形态、大小、数目及排列分布常不相同。线粒体的数量可因细胞种类而不同，最少的细胞只含1个线粒体，最多的达50万个，其总体积可占细胞体积的25%。这与细胞本身的代谢活动有关，代谢旺盛需要能量较多时，线粒体数目较多；反之线粒体的数目则较少。线粒体在很多细胞中呈弥散均匀分布状态，但一般较多聚集在生理功能旺盛、需要能量供应的区域，如在肌细胞中，线粒体集中分布在肌原纤维之间；在精子细胞中，线粒体围绕鞭毛中轴紧密排列，以利于精子运动尾部摆动时的能量供应；有时，同一细胞在不同生理状况下，可发现线粒体变形移位现象。三、线粒体是由双层单位膜套叠而成的三、线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构封闭性膜囊结构 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。两层膜将线粒体内部空间与细胞质隔离，并使线粒体内部空间分隔成两个膜空间，构成线粒体的支架。（一）外膜是一层单位膜（一）外膜是一层单位膜 外膜（outer membrane）是线粒体最外层所包绕的一层单位膜，厚约57nm，光滑平整。在组成上，外膜的脂质和蛋白质成分各占1/2。外膜中含有整合蛋白孔蛋白（porin），它们以片层结构形式形成直径23nm桶状通道，跨越脂质双层，可以通过相对分子质量在5 000以下的物质。（二）内膜向基质折叠形成特定的内部空间（二）内膜向基质折叠形成特定的内部空间 内膜（inner membrane）比外膜稍薄，平均厚4.5nm，也是一层单位膜。内膜的化学组成中20%是脂类，80%是蛋白质，蛋白质的含量明显高于其他膜成分。内膜将线粒体的内部空间分成两部分，其中由内膜直接包围的空间称内腔，含有基质，也称基质腔（matrix space）；内膜与外膜之间的空间称为外腔，或膜间腔（intermembrane space）。内膜上有大量向内腔突起的折叠（infolding），形成嵴（cristae）。嵴与嵴之间的内腔部分称嵴间腔（intercristal space），而由于嵴向内腔突进造成的外腔向内伸入的部分称为嵴内空间（intracristal space）。嵴的形成大大扩大了内膜的面积，提高了内膜的代谢效率。内膜（包括嵴）的内表面附着许多突出于内腔的颗粒称为基粒（elementary particle)基粒分为头部、柄部和基片三部分，是由多种蛋白质亚基组成的复合体。基粒头部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，因此，基粒又称ATP合酶复合体（ATP synthase complex）。（三）内外膜转位接触点形成核编码蛋白质进入线（三）内外膜转位接触点形成核编码蛋白质进入线粒体的通道粒体的通道 线粒体的内、外膜上存在着一些内膜与外膜相互接触的地方为转位接触点（translocation contact site）。是蛋白质等物质进出线粒体的通道。（四）基质为物质氧化代谢提供场所（四）基质为物质氧化代谢提供场所 线粒体内腔充满了电子密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等成分，称之为基质（matrix）。线粒体中催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等有关的酶都在基质中。还含有线粒体独特的双链环状DNA、核糖体，这些构成了线粒体相对独立的遗传信息复制、转录和翻译系统。四、线粒体有自己相对独立的遗传体系四、线粒体有自己相对独立的遗传体系（一）线粒体有自己的遗传系统和蛋白质翻译系统（一）线粒体有自己的遗传系统和蛋白质翻译系统 线粒体虽然有自己的遗传系统和自己的蛋白质翻译系统，且部分遗传密码也与核密码有不同的编码含义，但它与细胞核的遗传系统构成了一个整体。线粒体的基因组只有一条DNA，称为线粒体DNA（mtDNA），mtDNA是裸露的。在一个线粒体内往往有1至数个mtDNA分子，平均为510个。它主要编码线粒体的tRNA、rRNA及一些线粒体蛋白质，如电子传递链酶复合体中的亚基。但由于线粒体中大多数酶或蛋白质仍由核编码，所以它们在细胞质中合成后经特定的方式转送到线粒体中。（二）（二）线粒体基因组为一条双链环状的线粒体基因组为一条双链环状的DNA分子分子 人线粒体基因组的全序列测定早已完成，线粒体基因组的序列（又称剑桥序列）共含16569个碱基对（bp），为一条双链环状的DNA分子。双链中一为重链（H），一为轻链（L）。重链编码12SrRNA、16SrRNA、NADH-CoQ氧化还原酶1（NADH-CoQ oxidoreductase 1，ND1）、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5、细胞色素C氧化酶1（cytochrome coxidase,COX）、COX、COX、细胞色素b 的亚基、ATP合酶的第6亚单位和第8亚单位（A6、A8）及14个tRNA等（图中用小写字母表示，表示其对应的氨基酸）；重链和轻链上的编码物各不相同,人类线粒体基因组共编码了37个基因。轻链编码了ND6及8个tRNA。由这13个基因所编码的蛋白质均已确定，其中3个为构成细胞色素c氧化酶（COX）复合体（复合体）催化活性中心的亚单位（COX、COX和COX）；2个为ATP合酶复合体（复合体）F0部分的2个亚基（A6和A8）；7个为NADH-CoQ还原酶复合体（复合体）的亚基（ND1、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6）；还有1个编码的结构蛋白质为CoQH2-细胞色素c还原酶复合体（复合体）中细胞色素b 的亚基。（三）重链和轻链各有一个启动子启动线粒体基因（三）重链和轻链各有一个启动子启动线粒体基因的转录的转录 线粒体基因组的转录是从两个主要的启动子处开始转录的，分别为重链启动子（heavy-strand promoter，HSP）和轻链启动子（light-strand promoter，LSP）与核合成mRNA不同，线粒体mRNA不含内含子，也很少有非翻译区。每个mRNA5端的起始密码或三个碱基为AUG（或AUA），UAA的终止密码位于mRNA的3端。某些情况下，一个碱基U就是mtDNA体系中的终止密码子。线粒体mRNA翻译的起始氨基酸为甲酰甲硫氨酸，这点与原核生物类似。另外线粒体的遗传密码也与核基因不完全相同，例如UGA在核编码系统中为终止密码，但在人类细胞的线粒体编码系统中，它编码色氨酸。密码子核密码子编码氨基酸线粒体密码子编码氨基酸哺乳动物果 蝇链孢酶菌酵 母植 物UGA终止密码子色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸终止密码子AGA、AGG精氨酸终止密码子丝氨酸精氨酸精氨酸精氨酸AUA异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸AUU异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸CUU、CUCCUA、CUG亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸苏氨酸亮氨酸线线粒体与核密粒体与核密码码子子编码编码氨基酸比氨基酸比较较 线粒体基因中两个重叠基因，一个是复合物的ND4L和ND4，另一个是复合物的ATP酶8和ATP酶6。（四）线粒体（四）线粒体DNA的复制是一个缓慢而复杂的过程的复制是一个缓慢而复杂的过程 人类mtDNA也是单一的复制起始，mtDNA的复制起始点被分成两半，一个是在重链上，称为重链复制起始点（OH），位于环的顶部，tRNAPhe基因（557）和 tRNAPro基因（16023）之间的控制区，它控制重链子链DNA的自我复制；一个是在轻链上，称为轻链复制起始点（OL），位于环L的“8点钟”位置，它控制轻链子链DNA的自我复制。五、线粒体靶序列引导核编码蛋白质向五、线粒体靶序列引导核编码蛋白质向线粒体转运线粒体转运（一）核编码蛋白在进入线粒体需要分子伴侣蛋白（一）核编码蛋白在进入线粒体需要分子伴侣蛋白的协助的协助 线粒体内含有10001500种蛋白质，除上述的13种多肽外，98以上是由细胞核DNA编码，在细胞质核糖体合成后运入线粒体的。线粒体含有4个蛋白质输入的亚区域：线粒体外膜、线粒体内膜、膜间隙和基质。而在这些核编码蛋白在进入线粒体的过程中，需要一类被称为分子伴侣（molecular chaperon）的蛋白质的协助，其中绝大多数线粒体蛋白被输入到基质，少数输入到膜间腔以及插入到内膜和外膜上。输入到线粒体的蛋白质都在其N-端具有一段线粒体靶序列称为基质导入顺序（matrix-targeting sequence，MTS），线粒体外膜和内膜上的受体能识别并结合各种不同的但相关的MTS。线粒体定位蛋白质基质乙醇脱氢酶（酵母）氨甲酰磷酸合酶（哺乳动物）柠檬酸合酶（citrate synthase）与其他柠檬酸酶DNA聚合酶F1ATP酶亚单位（除植物外），、（某些真菌）Mn2+超氧物岐化酶鸟氨酸转氨酶（哺乳动物）鸟氨酸转氨甲酰酶（哺乳动物）核糖体蛋白质RNA聚合酶内膜ADP/ATP 反向转运体（antiporter）复合体亚基1、2、5（铁-硫蛋白）、6、7复合体（COX）亚基4，5，6，7 F0ATP酶生热蛋白（thermogenin）膜间腔细胞色素c细胞色素c过氧化物酶细胞色素b2和c1（复合体亚基）外膜线粒体孔蛋白（porin）P70 部分核编码的线粒体蛋白部分核编码的线粒体蛋白（二）前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态（二）前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态 当线粒体蛋白可溶性前体(soluble precursor of mitochondrial proteins)在核糖体内形成以后，少数前体蛋白与一种称为新生多肽相关复合物(nascent-associated complex，NAC)的分子伴侣蛋白相互作用。在哺乳动物的胞质中存在着：前体蛋白的结合因子（presequence-binding factor，PBF），它能够增加hsc70对线粒体蛋白的转运；线粒体输入刺激因子（mitochondrial import stimulatory factor，MSF），常单独发挥着ATP酶的作用，为聚集蛋白的解聚提供能量。前体蛋白与MSF所形成的复合体能进一步与外膜上的一套受体Tom37和Tom70相结合。Tom37和Tom70把前体蛋白转移到第二套受体Tom20和Tom22，同时释放MSF。与前体蛋白结合的受体Tom20和Tom22与外膜上的通道蛋白Tom40（第三套受体）相偶联。后者与内膜的接触点共同组成一个直径为1.52.5nm的越膜通道（tim17受体系统,非折叠的前体蛋白通过这一通道转移到线粒体基质。（三）分子运动产生的动力协助多肽链穿越线粒体（三）分子运动产生的动力协助多肽链穿越线粒体膜膜 前体蛋白一旦和受体结合后，就要和外膜及内膜上膜通道发生作用才可进入线粒体。在此过程中，一种也为分子伴侣的线粒体基质hsc70（mthsp70）可与进入线粒体腔的前导肽链交联，提示mthsp70参与了蛋白质的转运。Simon等提出一种作用机制，即布朗棘轮模型（Brownian Rachet model）：（四）多肽链需要在线粒体基质内重新折叠才形成（四）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有活性的蛋白质 蛋白质跨膜转运至线粒体基质后，必须恢复其天然构象以行使功能。当蛋白跨过线粒体膜后，大多数定位于基质的蛋白被基质作用蛋白酶（matrix processing protease,MPP）所移除。在大多数情况下，输入多肽的最后折叠还需要另外一套基质分子伴侣如hsc60、hsc10的协助。（五）线粒体蛋白以类似的机制进入线粒体其他部（五）线粒体蛋白以类似的机制进入线粒体其他部位位 线粒体蛋白除了向线粒体基质的转运外，还包括线粒体蛋白的膜间腔、内膜和外膜的转运，这类线粒体蛋白除了都具有MTS外，一般还都具有第2类信号顺序。六、线粒体介导了某些类型的细胞死亡六、线粒体介导了某些类型的细胞死亡 细胞凋亡的研究已经从细胞核控制凋亡过程的研究部分地转移到线粒体控制凋亡过程的研究上来。（一）许多证据显示线粒体是控制细胞死亡的中心（一）许多证据显示线粒体是控制细胞死亡的中心环节之一环节之一无论死亡细胞的类型是什么，也无论导致细胞死亡的因素是什么，细胞死亡（包括凋亡和坏死）的共同特征是在细胞死亡前都有线粒体膜通透性改变；相对于其他细胞生物学指标（包括caspase）而言，线粒体通透性的改变是预测细胞死亡更有价值的指标；加大原凋亡效应物的作用剂量可通过作用于线粒体膜而诱导线粒体膜通透性的改变；Bcl-2家族中抑制凋亡的成员能与线粒体膜蛋白产生交叉反应，通过其抑制线粒体膜通透性而抑制细胞凋亡；通过特异性药物抑制线粒体膜的通透性可阻止或延缓细胞死亡；无细胞系统已分离出一些线粒体蛋白，它们具有水解酶活性。这些研究都说明线粒体构成了导致细胞死亡的一个或几个关键步骤。（二）线粒体的改变构成了细胞死亡的原因或表现（二）线粒体的改变构成了细胞死亡的原因或表现 线粒体在能量代谢和自由基代谢中占据十分重要的地位，线粒体产生大量超氧阴离子，并通过链式反应形成活性氧（ROS），当ROS水平较低时，可促进细胞增生；而当ROS水平较高时，使得线粒体内膜非特异性通透性孔道（MPTP）开放，不仅导致跨膜电位崩溃，也使cyto c外漏，再启动caspase的级联活化，最终由caspase-3启动凋亡。（三）线粒体控制着某些细胞死亡过程的中心环节（三）线粒体控制着某些细胞死亡过程的中心环节 与线粒体有关的细胞死亡的三个时限（phase）：一是线粒体前期，这是诱导细胞死亡的因子通过信号转导途径级联传递或损伤途径被激活的过程，因此也称为诱导期或起始期，由于不同的诱导因子有不同的作用途径，所以这一时期也属于私有途径（private pathway）；二是线粒体期，在这一时期线粒体膜的通透性发生改变，这是线粒体控制细胞死亡的关键时期，一旦进入这一点，细胞将不可避免地发生后续过程，故也称为效应期（effector phase）或决定期（decisive phase）；三是线粒体后期，也称为降解期，从线粒体释放的蛋白质，激活蛋白酶和核酸酶，后者进一步介导后续的死亡机制。由于第二期和第三期是不同因素导致细胞死亡的共同途路，因此也称为共有途径（common pathway）。七、线粒体的起源与发生尚有争论七、线粒体的起源与发生尚有争论（一）线粒体是通过分裂方式实现增殖的（一）线粒体是通过分裂方式实现增殖的 对于现代真核细胞中的线粒体发生（biogenesis）机制，目前有三种关于线粒体生物发生的观点，即重新合成、起源于非线粒体的亚细胞结构以及通过原有线粒体的分裂形成。Attardi等认为，线粒体的生物发生过程分两个阶段。在第一阶段，线粒体的膜进行生长和复制，然后分裂增殖；第二阶段包括线粒体本身的分化过程，建成能够行使氧化磷酸化功能的机构。线粒体的生长和分化阶段分别接受细胞核和线粒体两个独立的遗传系统控制。（二）线粒体的起源尚无定论（二）线粒体的起源尚无定论 线粒体可能起源于古老厌氧真核细胞共生的早期细菌。在之后的长期进化过程中，二者共生联系更加密切，共生物的大部分遗传信息转移到细胞核上，这样留在线粒体上的遗传信息大大减少，即线粒体起源的内共生学说。许多证据支持这一假说：线粒体的遗传系统与细菌相似，如DNA呈环状、不与组蛋白结合；线粒体的蛋白质合成方式与细菌相似，如核糖体为70S，抑制蛋白质合成的机制等。但这一机制也有不足之处，所以有学者提出了非共生假说。第二节第二节 细胞呼吸与能量转换细胞呼吸与能量转换一、细胞呼吸是细胞氧化分解物质获取一、细胞呼吸是细胞氧化分解物质获取能量的过程能量的过程 较高等的动物都能依靠呼吸系统从外界吸取O2并排出CO2。细胞也存在有这样的呼吸作用，即在细胞内特定的细胞器（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，这一过程称为细胞呼吸(cellular respiration)，也称为生物氧化（biological oxidation)或细胞氧化(cellular oxidation)。细胞呼吸是细胞内提供生物能源的主要途径，它的化学本质与燃烧反应相同，最终产物都是 CO2和H2O，释放的能量也完全相等。细胞呼吸有以下特点：细胞呼吸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；所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中；整个反应过程是分步进行的，能量也是逐步释放的；反应是在恒温(37)和恒压条件下进行的；反应过程中需要H2O的参与。二、二、ATPATP是细胞能量的转换分子是细胞能量的转换分子 细胞呼吸所产生的能量并不像燃烧所产生的热能那样散发出来，而是储存于细胞能量转换分子ATP中。ATP是一种高能磷酸化合物，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；反之，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。A-PPP去磷酸化磷酸化A-PP+Pi+1.72kJ 随着细胞内不断进行的能量释放和储存，ATP 与ADP 不停地进行着互变。因为ATP是细胞内能量转换的中间携带者，所以被形象地称为“能量货币”。ATP 是细胞生命活动的直接供能者，也是细胞内能量获得、转换、储存和利用等环节的联系纽带。第三节第三节 细胞的能量转换细胞的能量转换 “能量货币”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。以葡萄糖氧化为例，从糖酵解到ATP的形成是一个极其复杂的过程，大体分为三个步骤：即糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化。蛋白质和脂肪的彻底氧化只在第一步中与糖有所区别。一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解 一分子葡萄糖经过十多步反应，生成2分子丙酮酸，同时脱下2对H交给受氢体NAD+携带，形成2分子NADH+H+。NAD+能可逆地接受两个电子和一个H+，另一个H+则留在溶质中。在糖酵解过程中一共生成4分子ATP，但由于要消耗2分子ATP，所以净生成 2分子的ATP。这种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，称为底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation）。NADH+H+进入线粒体的方式较为复杂，必须借助于线粒体内膜上特异性穿梭系统进入线粒体内。在线粒体基质中丙酮酸脱氢酶体系作用下，丙酮酸进一步分解为乙酰辅酶A，NAD+作为受氢体被还原。二、三羧酸循环在线粒体基质中实现二、三羧酸循环在线粒体基质中实现 在线粒体基质中，乙酰CoA与草酰乙酸结合成柠檬酸而进入柠檬酸循环，由于柠檬酸有3个羧基，故也称为三羧酸循环（TCA循环）。循环中，柠檬酸经过一系列酶促的氧化脱氢和脱羧反应，其中的2个碳原子氧化形成CO2，从而削减了2个碳原子。在循环的末端，又重新生成草酰乙酸，而草酰乙酸又可和另1个乙酰CoA结合，生成柠檬酸，开始下一个循环，如此周而复始。整个过程中，总共消耗了3个H2O，生成1分子的GTP（可转变为1分子的ATP）、4对H和2分子CO2。脱下的4对H，其中3对以NAD+为受氢体，另1对以FAD为受氢体。FAD能可逆地接受2个H，即两个质子和两个电子，转变成还原态FADH2。ATP/ADP及NADH/NAD+比值高时均能降低TAC循环的速度。三、氧化磷酸化偶联是能量转换的关键三、氧化磷酸化偶联是能量转换的关键 氧化磷酸化是释放代谢能的主要环节，在这个过程中，NADH和FADH2分子把它们从食物氧化得来的电子转移到氧分子。这一反应相当于氢原子在空气中燃烧最终形成水的过程，释放出的能量绝大部分用于生成ATP，少部分以热的形式释放。（一）（一）呼吸链和呼吸链和ATP合酶复合体是氧化磷酸化的结合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础构基础 1分子的葡萄糖经无氧氧化、丙酮酸脱氢和TAC循环,共产生了6分子的CO2和12对H，这些H必须进一步氧化成为水，整个有氧氧化过程才告结束。H并不能与O2直接结合，一般认为H须首先离解为H+和e-，电子经过线粒体内膜上酶体系的逐级传递，最终使1/2O2成为O2-，后者再与基质中的2个H+化合生成H2O。这一传递电子的酶体系是由一系列能够可逆地接受和释放H+和e-的化学物质所组成，它们在内膜上有序地排列成相互关联的链状，称为呼吸链（respiratory chain）或电子传递呼吸链（electron transport respiratory chain）。只传递电子的酶和辅酶称为电子传递体，它们可分为醌类、细胞色素和铁硫蛋白三类化合物；既传递电子又传递质子的酶和辅酶称为递氢体。除了泛醌(CoQ)和细胞色素c(Cyt c)外，组成呼吸链的成员分别组成了、四个脂类蛋白质复合体，它们是线粒体内膜的整合蛋白。CoQ是脂溶性的蛋白质，可在脂双层中从膜的一侧向另一侧移动；Cyt c是膜边周蛋白，可在膜表面移动。复合体酶活性分子量辅基 NADH-CoQ氧化还原酶85 000FMN、FeS 琥珀酸-CoQ氧化还原酶97 000FAD、FeS CoQH2-细胞色素c氧化还原酶280 000血红素b、FeS血红素c1 细胞色素c氧化酶200 000血红素a、Cu血红素a3线粒体电子传递链组分 线粒体内膜（包括嵴）上附有许多圆球形基粒。基粒由头部、柄部和基片3部分组成：头部呈球形，直径约89nm；柄部直径约4nm，长4.55nm；头部与柄部相连凸出在内膜表面，柄部则与嵌入内膜的基片相连。进一步研究表明，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，是由多种多肽构成的复合体，其化学本质是ATP合酶复合体（ATP synthase complex），也称F0F1 ATP合酶。（二）（二）电子传递过程中释放出的能量催化电子传递过程中释放出的能量催化ADP磷酸磷酸化而合成化而合成ATP实现氧化磷酸化偶联实现氧化磷酸化偶联 经糖酵解和三羧酸循环产生的NADH和FADH2 是两种还原性的电子载体，它们所携带的电子经线粒体内膜上的呼吸链逐级定向传递给O2，本身则被氧化。电子传递过程中释放出的能量被F0F1ATP酶复合体用来催化ADP磷酸化而合成ATP，这就是氧化磷酸化作用。在正常情况下，氧化水平总是和磷酸化水平密切偶联的，没有磷酸化就不能进行电子传递。根据对相邻电子载体的氧化还原电位的测定表明，呼吸链中有3个主要的能量释放部位，即NADHFMN，Cyt bCyt c之间，Cyt aO2之间。这3个部位释放的能量依次为50800 J、41000 J和99500 J，每个部位裂解所释放的能量都足以使一分子ADP磷酸化生成一个分子的ATP。载氢体NADH和FADH2进入呼吸链的部位不同，所释放的自由能也有差异。1分子NADH+H+经过电子传递，释放的能量可以形成3分子ATP；而1分子FADH2所释放的能量则能够形成2分子ATP。葡萄糖完全氧化所释放的能量主要通过两条途径形成ATP：底物水平磷酸化生成4分子ATP，其中在糖酵解和TAC循环中分别生成2分子ATP；氧化磷酸化生成34个ATP分子。（三）（三）H+穿膜传递转变为横跨线粒体内膜的电化学质子穿膜传递转变为横跨线粒体内膜的电化学质子梯度驱动结合在内膜上的梯度驱动结合在内膜上的ATP合酶催化合酶催化ADP磷酸化合磷酸化合成成ATP（化学渗透假说）：（化学渗透假说）：NADH或FADH2提供一对电子，经电子传递链，最后为O2所接受；电子传递链同时起H+泵的作用，在传递电子的过程中伴随着H+从线粒体基质到膜间腔的转移；线粒体内膜对H+和OH-具有不可透性，所以随着电子传递过程的进行，H+在膜间腔中积累,造成了内膜两侧的质子浓度差，从而保持了一定的势能差；膜间腔中的H+有顺浓度返回基质的倾向，能借助势能通过ATP酶复合体F0上的质子通道渗透到线粒体基质中，所释放的自由能驱动F0F1 ATP合酶合成ATP。四、电化学梯度所包含的能量转换成四、电化学梯度所包含的能量转换成ATPATP的化学能的化学能 结合变构机制（binding-change mechanism）认为：质子运动所释放的能量不直接用于ADP磷酸化，主要用于改变活性位点与ATP产物的结合亲和力。在任何时刻，ATP合酶上的3个亚基以3种不同的构象存在。从而使它们对核苷酸有不同的亲和性。ATP通过旋转催化而合成，在此过程中，通过F0“通道”的质子流引起c亚基环和附着与其上的亚基纵轴在33的中央进行旋转，旋转是由F0质子通道所进行的质子跨膜运动来驱动的。第四节第四节 线粒体与人类学、医学研究线粒体与人类学、医学研究 每一个人类细胞中带有数百个线粒体，每个线粒体中又含有若干个mtDNA分子。线粒体通过合成ATP而为细胞提供能量，调节细胞质的氧化-还原（redox）状态，也是细胞内氧自由基产生的主要来源，后者则与细胞的许多生命活动有关。因此维持线粒体结构与功能的正常，对于细胞的生命活动至关重要。在特定条件下线粒体与疾病的发生有着密切的关系，一方面是疾病状态下线粒体作为细胞病变的一部分，是疾病在细胞水平上的一种表现形式；另一方面线粒体作为疾病发生的主要动因，是疾病发生的关键，主要表现为mtDNA突变导致细胞结构和功能异常。一、疾病的发生发展过程中存在线粒体一、疾病的发生发展过程中存在线粒体变化变化 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。二、二、mtDNA突变导致疾病突变导致疾病 当突变线粒体DNA进行异常复制时，机体的免疫系统并不能对此予以识别和阻止，于是细胞为了将突变的线粒体迅速分散到子细胞中去，即以加快分裂的方式对抗这种状态，以减轻对细胞的损害，但持续的损害将最终导致疾病的发生。这类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、三、mtDNA用于人种起源研究用于人种起源研究 近年来研究人体细胞的线粒体DNA（mtDNA）多态性分析的结果表明，尽管人种间在体型、肤色方面有很大的不同，而从不同人种所采集的样本分析，显示全人类的mtDNA 的差异却非常之小。思考题思考题 1.线粒体有何结构特征？2.线粒体的结构特征与细胞能量转换的关系如何？3.线粒体在细胞死亡中起何作用？4.线粒体与医学实践有何关系？推荐阅读资料推荐阅读资料1.刘艳平.细胞生物学.湖南:湖南科技出版社，20082.翟中和，王喜忠，丁明孝.细胞生物学.第三版.北京:高等教育出版社，20073.胡以平.医学细胞生物学.北京:高等教育出版社，20094.王金发.细胞生物学.北京:科学出版社，20035.Alberts B,et al.Molecular Biology of the Cell M.5th ed.NEW YORK&LONDON:Garland Publishing,Inc,2008.主要期刊杂志主要期刊杂志CellNatureScienceEMBOAnnual Review of Cell 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