细胞的能量转换器学习教案

会计学1第一页，共68页。一、线粒体的形态一、线粒体的形态(xngti)结构结构1.1 1.1 线粒体的发现与功能线粒体的发现与功能(gngnng)(gngnng)研究研究 1890年年R. Altaman首次动物细胞内发现线粒体，命名为首次动物细胞内发现线粒体，命名为bioblast。1897年年Benda首次将这种颗粒命名为首次将这种颗粒命名为mitochondrion。1900年年L. Michaelis用用Janus Green B对线粒体进行活体染色，发现线对线粒体进行活体染色，发现线粒体中可进行氧化粒体中可进行氧化-还原反应。还原反应。1948年，年，Green证实证实(zhngsh)线粒体含所有三羧酸循环的酶线粒体含所有三羧酸循环的酶1943-1950年，年，Kennedy和和Lehninger 发现线粒体内完成的，脂肪酸发现线粒体内完成的，脂肪酸氧化、氧化磷酸化。氧化、氧化磷酸化。在在Hatefi等（等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体。）纯化了呼吸链四个独立的复合体。Mitchell（19611980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。1994年，年，Boyer 因提出因提出ATP合成酶的结合变化和旋转催化机制获得诺合成酶的结合变化和旋转催化机制获得诺贝尔化学奖贝尔化学奖第1页/共67页第二页，共68页。1.2 1.2 线粒体的形态线粒体的形态(xngti)(xngti)结构结构 线粒体的形态、大小、数量线粒体的形态、大小、数量(shling)(shling)与分布与分布l粒状或杆状最常见粒状或杆状最常见(chn jin)，也可呈环形、哑铃形、枝，也可呈环形、哑铃形、枝状。状。l直径直径0.51m，长，长1.53.0m，在胰脏外分泌细胞中可长达，在胰脏外分泌细胞中可长达1020m，称巨线粒体。，称巨线粒体。l在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大，在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大， 但在同一类但在同一类型的细胞中数目相对稳定。有些细胞中只有一个线粒体，有些型的细胞中数目相对稳定。有些细胞中只有一个线粒体，有些则有几十、几百、甚至几千个线粒体。则有几十、几百、甚至几千个线粒体。l肝细胞约肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的个线粒体，占细胞体积的20%，许多哺乳动物，许多哺乳动物成熟的红细胞无线粒体。成熟的红细胞无线粒体。 一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构第2页/共67页第三页，共68页。1.2 1.2 线粒体的形态线粒体的形态(xngti)(xngti)结构结构 线粒体的超微结构线粒体的超微结构 外膜外膜(outer membrane(outer membrane）：含孔蛋白）：含孔蛋白(porin)(porin)，通透性较高。，通透性较高。 内膜（内膜（inner membraneinner membrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristaecristae），嵴能显著扩大，嵴能显著扩大(kud)(kud)内膜表面积（达内膜表面积（达510510倍）。含有与能量转换相关倍）。含有与能量转换相关的蛋白的蛋白 （执行氧化反应的电子传递链酶系、（执行氧化反应的电子传递链酶系、 ATP ATP合成酶、线粒体内膜转合成酶、线粒体内膜转运蛋白）。运蛋白）。 膜间隙（膜间隙（intermembrane spaceintermembrane space）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。 基质（基质（matrixmatrix）：含三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、线粒体基）：含三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体因表达酶系等以及线粒体DNA, RNADNA, RNA，核糖体。，核糖体。第3页/共67页第四页，共68页。肌细胞和精子的尾部肌细胞和精子的尾部(wi b)聚集较多的线粒体，聚集较多的线粒体， 以提供能量以提供能量线粒体包围着脂肪滴，内有大量线粒体包围着脂肪滴，内有大量(dling)要被氧化的脂肪要被氧化的脂肪 线粒体的线粒体的TEM照片照片(zhopin) 第4页/共67页第五页，共68页。内膜向线粒体基质褶入形成嵴（内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴能显著扩大），嵴能显著扩大(kud)内内膜表面积（达膜表面积（达510倍），嵴有两种类型：板层状（图倍），嵴有两种类型：板层状（图7-1）、管）、管状，但多呈板层状。状，但多呈板层状。 嵴上覆有基粒（嵴上覆有基粒（elementary particle），基粒由头部（），基粒由头部（F1偶联因子偶联因子(ynz)）和基部（）和基部（F0偶联因子偶联因子(ynz)）构成，）构成，F0嵌入线粒体内膜。嵌入线粒体内膜。一、线粒体的形态一、线粒体的形态(xngti)结构结构第5页/共67页第六页，共68页。线粒体的化学组成：线粒体的化学组成：蛋白质蛋白质(线粒体干重的线粒体干重的6570)。线粒体的蛋白质分为可溶性和不溶性的。线粒体的蛋白质分为可溶性和不溶性的。可溶性的蛋白质主要是基质的酶和膜的外周蛋白；可溶性的蛋白质主要是基质的酶和膜的外周蛋白；不溶性的蛋白质构成不溶性的蛋白质构成(guchng)膜的本体，其中一部膜的本体，其中一部分是镶嵌蛋白，分是镶嵌蛋白， 也有一些是酶蛋白。也有一些是酶蛋白。脂类脂类(线粒体干重的线粒体干重的2530)：磷脂占磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。线粒体脂类和蛋白质的比值线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1（内膜）；（内膜）；1:1（外膜（外膜） 一、线粒体的形态一、线粒体的形态(xngti)结构结构第6页/共67页第七页，共68页。线粒体主要线粒体主要(zhyo)酶的分布酶的分布部位部位 酶的名称酶的名称部部 位位酶酶 的的 名名 称称外膜外膜单胺氧化酶单胺氧化酶NADH-细胞色素细胞色素c还原酶（对鱼还原酶（对鱼藤酮不敏感）藤酮不敏感）犬尿酸羟化酶犬尿酸羟化酶酰基辅酶酰基辅酶A合成酶合成酶膜间隙膜间隙腺苷酸激酶腺苷酸激酶二磷酸激酶二磷酸激酶核苷酸激酶核苷酸激酶内膜内膜细胞色素细胞色素b，c，c1，a，a3氧化酶氧化酶ATP合成酶系合成酶系琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶-羟丁酸和羟丁酸和-羟丙酸脱氢酶羟丙酸脱氢酶肉毒碱酰基转移酶肉毒碱酰基转移酶丙酮酸氧化酶丙酮酸氧化酶NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感）脱氢酶（对鱼藤酮敏感） 基质基质柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶、苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶延胡索酸酶延胡索酸酶、异柠檬酸异柠檬酸脱氢酶脱氢酶顺乌头酸酶顺乌头酸酶、谷氨酸谷氨酸脱氢酶脱氢酶脂肪酸氧化酶系、脂肪酸氧化酶系、天冬氨酸转氨酶、天冬氨酸转氨酶、蛋白质和核酸合成酶系、蛋白质和核酸合成酶系、丙酮酸脱氢酶复合物丙酮酸脱氢酶复合物第7页/共67页第八页，共68页。线粒体膜通透性线粒体膜通透性* * * 线粒体通透性研究线粒体通透性研究(ynji) (ynji) 将线粒体放在将线粒体放在100 mM100 mM蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线粒体的膜间间隙；然后将线粒体取蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线粒体的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线粒体内部蔗糖的平均浓度，结果只有出测定线粒体内部蔗糖的平均浓度，结果只有50 mM50 mM， 比环境比环境(hunjng)(hunjng)中蔗糖的浓度低中蔗糖的浓度低。线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内膜对蔗糖是不通透的。线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内膜对蔗糖是不通透的( (图图7-7)7-7)。 第8页/共67页第九页，共68页。 线粒体各组分线粒体各组分(zfn)(zfn)的分离的分离 首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒体质线粒体质)仍结合在一起，通过离心可将线粒体质分离。用去垢剂处理仍结合在一起，通过离心可将线粒体质分离。用去垢剂处理(chl)线粒体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有线粒体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有F1颗粒。颗粒。 由于线粒体外膜的通透性比内膜高，由于线粒体外膜的通透性比内膜高，利用这一性质，利用这一性质，Donal Parsons 和他和他的同事的同事(tng sh)最先建立了分离线粒最先建立了分离线粒体内膜、外膜及其他组分的方法。体内膜、外膜及其他组分的方法。第9页/共67页第十页，共68页。线粒体的功能：线粒体的功能：氧化氧化(ynghu)磷酸化磷酸化氧自由基的形成氧自由基的形成细胞凋亡细胞凋亡基因表达基因表达细胞的信号转导细胞的信号转导电解质稳态平衡调控电解质稳态平衡调控钙的稳态调控钙的稳态调控 进行三羧酸循环进行三羧酸循环(xnhun)(xnhun)及氧化磷酸化，合成及氧化磷酸化，合成ATPATP，为细胞，为细胞生命活动提供直接能量是线粒体的主要功能。生命活动提供直接能量是线粒体的主要功能。 二、线粒体的功能二、线粒体的功能(gngnng)第10页/共67页第十一页，共68页。什么是氧化磷酸化：什么是氧化磷酸化：当电子当电子(dinz)从从NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）或（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）或FADH2 （黄素腺嘌呤）经呼吸链传递给氧形成水时，同（黄素腺嘌呤）经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有时伴有ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化，这一过程称为氧化磷酸化。什么是呼吸链（电子什么是呼吸链（电子(dinz)传递链）：传递链）：在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物，它们在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物，它们是传递电子是传递电子(dinz)的酶体系，由一系列可逆地接受和释的酶体系，由一系列可逆地接受和释放电子放电子(dinz)或或H+的化学物质组成，在内膜上相互关联的化学物质组成，在内膜上相互关联地有序排列，称为电子地有序排列，称为电子(dinz)传递链（传递链（electron-transport chain）或呼吸链（）或呼吸链（respiratory chain）。）。二、线粒体的功能二、线粒体的功能(gngnng)第11页/共67页第十二页，共68页。二、线粒体的功能二、线粒体的功能(gngnng)（一）线粒体中的氧化（一）线粒体中的氧化(ynghu)代代谢谢糖、脂糖、脂肪肪(zhfng)细胞质细胞质丙酮酸和脂肪酸丙酮酸和脂肪酸线粒体线粒体乙酰乙酰coA（三羧酸循环）（三羧酸循环）氢通过电子传递链到达氧生成水，同时氢通过电子传递链到达氧生成水，同时ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP第12页/共67页第十三页，共68页。（二）电子传递链与电子传递（二）电子传递链与电子传递1.1.电子载体电子载体2.2.主要有：黄素蛋白、细胞色素主要有：黄素蛋白、细胞色素(s s)(s s)、铜原子、铁硫蛋白、辅酶、铜原子、铁硫蛋白、辅酶Q Q等。等。 NADNAD即烟酰胺嘌呤二核苷酸（即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide），是体内很多脱氢酶的辅酶，连接），是体内很多脱氢酶的辅酶，连接(linji)三羧酸循环和呼吸链，其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。三羧酸循环和呼吸链，其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。 NAD的结构的结构(jigu)和功能（和功能（NAD：RH，NADP：RPO3H2） 第13页/共67页第十四页，共68页。 黄素黄素(hun s)蛋白蛋白含含FMN或或FAD的蛋白质，每个的蛋白质，每个FMN或或FAD可接受可接受2个电子个电子(dinz)和和2个质子。呼吸个质子。呼吸链上具有链上具有FMN为辅基的为辅基的NADH脱氢酶，以脱氢酶，以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。为辅基的琥珀酸脱氢酶。 FMN (flavin adenine mononucleotide) 的分子结构的分子结构(fn z ji u) FAD ( flavin adenine dinucleotide)的分子结构的分子结构 第14页/共67页第十五页，共68页。细胞细胞(xbo)(xbo)色素色素 分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞类，即：细胞(xbo)色素色素a、a3、b、c、c1，其中，其中a、a3含有铜原子。含有铜原子。 血红素血红素c的结构的结构(jigu)第15页/共67页第十六页，共68页。辅酶辅酶(f mi)Q辅酶辅酶(f mi)Q(f mi)Q（泛醌）（泛醌） 脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化(ynghu)和还原传递电子。和还原传递电子。有有3种氧化种氧化(ynghu)还原形式即氧化还原形式即氧化(ynghu)型醌型醌Q，还原型氢醌（，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。）。 第16页/共67页第十七页，共68页。铁硫蛋白铁硫蛋白(dnbi)(dnbi)： 在其分子结构中每个铁原子和在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过个硫原子结合，通过(tnggu)Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有互变进行电子传递，有2Fe-2S和和4Fe-4S两种类型。两种类型。 铁硫蛋白铁硫蛋白(dnbi)的结构（引自的结构（引自Lodish等等1999） 铜原子铜原子: : 通过通过Cu2+和和Cu+的变换传递电子的变换传递电子第17页/共67页第十八页，共68页。l呼吸链中的电子载体呼吸链中的电子载体(zit)严格按氧化还原电位从低严格按氧化还原电位从低向高排列向高排列. lNAD+/NADH最低最低, O2/H2O最高最高.2. 电子载体电子载体(zit)排列顺序排列顺序第18页/共67页第十九页，共68页。3. 电子电子(dinz)转运复合物转运复合物利用利用(lyng)(lyng)脱氧胆酸（脱氧胆酸（deoxycholatedeoxycholate，一种离子型去污剂）处理线粒体，一种离子型去污剂）处理线粒体内膜内膜, ,分离出呼吸链的分离出呼吸链的4 4种复合物，即复合物种复合物，即复合物、和和，辅酶，辅酶Q Q和细和细胞色素胞色素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位于线粒体位于线粒体内膜的内膜的C C侧，属于膜的外周蛋白。侧，属于膜的外周蛋白。 第19页/共67页第二十页，共68页。复合物复合物 即即NADH脱氢酶，哺乳动物的复合物脱氢酶，哺乳动物的复合物由由42条肽链组成，呈条肽链组成，呈L型，含有一个型，含有一个FMN和和至少至少6个铁硫蛋白，分子量接近个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以，以二聚体形式存在。二聚体形式存在。作用：是催化作用：是催化NADH的的2个电子传递至辅个电子传递至辅酶酶Q，同时将，同时将4个质子个质子(zhz)由线粒体基质由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（侧）转移至膜间隙（C侧）。电子传侧）。电子传递的方向为：递的方向为：总的反应结果为：总的反应结果为： NADH + 5H+（M） + QNAD+ + QH2 + 4H+（C） NADHFMNFe-SQ第20页/共67页第二十一页，共68页。复合物复合物 即琥珀酸脱氢酶，至少由即琥珀酸脱氢酶，至少由4条肽链组成，含条肽链组成，含有一个有一个FAD，2个铁硫蛋白个铁硫蛋白作用：是催化电子从琥珀酸转至辅酶作用：是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但，但不转移不转移(zhuny)质子。质子。电子传递的方向为：电子传递的方向为：琥珀酸琥珀酸FADFe-SQ。反应结果为：反应结果为： 琥珀酸琥珀酸+Q延胡索酸延胡索酸+QH2第21页/共67页第二十二页，共68页。复合物复合物 即细胞色素即细胞色素c还原酶，由至少还原酶，由至少11条不同肽链组成，条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋和一个铁硫蛋白。白。作用是催化电子从辅酶作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素传给细胞色素c，每转移，每转移一对一对(y du)电子，同时将电子，同时将4个质子由线粒体基质泵个质子由线粒体基质泵至膜间隙（至膜间隙（2个来自个来自UQ，2个来自基质跨膜）。总个来自基质跨膜）。总的反应结果为：的反应结果为： 2还原还原(hun yun)态态cyt c1 + QH2 + 2 H+（M）2氧化态氧化态cyt c1 + Q+ 4H+（C）第22页/共67页第二十三页，共68页。Q cycle复合物复合物的电子传递比较复杂，和的电子传递比较复杂，和“Q“Q循环循环”有关。有关。辅酶辅酶Q Q能在膜中自由扩散，在内膜能在膜中自由扩散，在内膜C C侧，还原型辅酶侧，还原型辅酶Q Q（氢醌）（氢醌） 将一个电子交给将一个电子交给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，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素，被氧化为半醌，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素b566b562b566b562，释放另外一个质子到膜间隙。细胞色素，释放另外一个质子到膜间隙。细胞色素b566b566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。在内膜。在内膜M M侧，辅酶侧，辅酶Q Q可被复合体可被复合体（复合体（复合体）或细胞色素）或细胞色素b562b562还原为氢醌。一对电子由辅酶还原为氢醌。一对电子由辅酶Q Q到复合物到复合物的电子传递过程中，共有的电子传递过程中，共有(n yu)(n yu)四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶Q Q转移的。转移的。 第23页/共67页第二十四页，共68页。组成：即细胞色素组成：即细胞色素c氧化酶氧化酶,二聚体，每二聚体，每个单体至少个单体至少13条肽链。条肽链。作用：将从细胞色素作用：将从细胞色素c接受的电子传给接受的电子传给氧，每转移一对电子，在氧，每转移一对电子，在M侧消耗侧消耗2个个质子，同时质子，同时(tngsh)转移转移2个质子至个质子至C侧。侧。电子传递的路线为电子传递的路线为 :复合物复合物IVIV：细胞：细胞(xbo)(xbo)色素色素c c氧化酶氧化酶cyt cCuAheme aa3- CuBO24还原还原(hun yun)态态cyt c + 8 H+M + O24氧化态氧化态cyt c + 4H+C + 2H2O第24页/共67页第二十五页，共68页。第25页/共67页第二十六页，共68页。两条主要两条主要(zhyo)(zhyo)的呼吸链的呼吸链 l根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，分为根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，分为(fn wi)NADH呼吸呼吸链和链和FADH2呼吸链。呼吸链。复合物复合物I-III-IV组成组成(z chn)复合物复合物II-III-IV组成组成第26页/共67页第二十七页，共68页。呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从低向高传递，呼吸链中有三个部位有较大呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从低向高传递，呼吸链中有三个部位有较大(jio d)的自由能变化，足以使的自由能变化，足以使ADP与无机磷结合形成与无机磷结合形成ATP。部位。部位在在NADH至至CoQ之间。部位之间。部位在细胞色素在细胞色素b和细胞色素和细胞色素c之间。部位之间。部位在细胞色素在细胞色素a和氧之间。和氧之间。（二）电子传递链与电子传递（二）电子传递链与电子传递第27页/共67页第二十八页，共68页。NADHFMN Fe-SFADFe-S琥珀酸Cytb Fe-S Cytc1Cytaa3CoQCytcADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP（二）电子传递链与电子传递（二）电子传递链与电子传递第28页/共67页第二十九页，共68页。 对于氧化磷酸化的偶联机制提出的假说有化学对于氧化磷酸化的偶联机制提出的假说有化学(huxu)偶联假说、构象偶联假说、化学偶联假说、构象偶联假说、化学(huxu)渗透假说等。渗透假说等。 “化学化学(huxu)渗透假说渗透假说”，取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说。，取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说。 内容是当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成内容是当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（梯度（pH）及电位梯度（）及电位梯度（），两者共同构成电化学），两者共同构成电化学(huxu)梯度，即质子动力势（梯度，即质子动力势（proton-motive force, P）。）。P=-(2.3RT/F)pH 其中其中T为绝对温度，为绝对温度，R为气体常数，为气体常数，F为法拉弟常数。为法拉弟常数。 质子沿电化学梯度穿过内膜上的质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使酶复合物流回基质，使ATP酶的构象发生酶的构象发生(fshng)改变，将改变，将ADP和和Pi合成合成ATP。（三）质子（三）质子(zhz)转移与质子转移与质子(zhz)驱动力的形成驱动力的形成第29页/共67页第三十页，共68页。第30页/共67页第三十一页，共68页。第31页/共67页第三十二页，共68页。第32页/共67页第三十三页，共68页。ATP合成酶是一种合成酶是一种(y zhn)可逆性复合酶，既可逆性复合酶，既能利用质子动力势合成能利用质子动力势合成ATP, 又能水解又能水解ATP将质子将质子从基质泵到膜间隙。从基质泵到膜间隙。ATP合成酶（合成酶（ATP synthetase）或）或F1 F0-ATP酶，成蘑菇状。分布于线粒体和叶酶，成蘑菇状。分布于线粒体和叶绿体中，在跨膜质子动力势的推动下，绿体中，在跨膜质子动力势的推动下，ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP，参与，参与(cny)氧化磷氧化磷酸化和光合磷酸化。酸化和光合磷酸化。（四）（四）ATP形成形成(xngchng)机制机制氧化磷酸化氧化磷酸化第33页/共67页第三十四页，共68页。ATPATP合成酶合成酶分子结构分子结构F1由由5种多肽组成种多肽组成33复合复合体，具有三个体，具有三个ATP合成的催化位合成的催化位点（每个点（每个亚基具有一个）。亚基具有一个）。和和单位交替排列，状如桔瓣。单位交替排列，状如桔瓣。贯贯穿穿复合体（相当于发电机的转复合体（相当于发电机的转子），并与子），并与F0接触，接触，帮助帮助(bngzh)与与F0结合。结合。与与F0的的两个两个b亚基形成固定亚基形成固定复合体的复合体的结构（相当于发电机的定子）。结构（相当于发电机的定子）。 F0由三种多肽组成由三种多肽组成ab2c12复合复合体，嵌入内膜，体，嵌入内膜，12个个c亚基组成亚基组成一个环形结构，具有质子通道一个环形结构，具有质子通道,可可使质子由膜间隙流回基质。使质子由膜间隙流回基质。 第34页/共67页第三十五页，共68页。1979年年Boyer P提出构象偶联假说：提出构象偶联假说：1ATP酶利用质子动力势，产生酶利用质子动力势，产生(chnshng)构象的改变，改变与底物的亲构象的改变，改变与底物的亲 和力，催化和力，催化ADP与与Pi形成形成ATP。2F1具有三个催化位点，同一时间，三个催化位点的构象不具有三个催化位点，同一时间，三个催化位点的构象不 同，与核苷酸的亲和力也不同。同，与核苷酸的亲和力也不同。在在L构象（构象（loose），），ADP、Pi与酶疏松结合；与酶疏松结合；在在T构象（构象（tight）ADP、 Pi与酶紧密结合在一起，并形成与酶紧密结合在一起，并形成ATP；在在O构象（构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。与酶的亲和力很低，被释放出去。3质子通过质子通过F0时，引起时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋亚基旋 转，由于转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚亚 基基3个催化位点构象的周期性变化（个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将），不断将ADP 和和Pi加合在一起，形成加合在一起，形成ATP。能量耦联与能量耦联与ATP合酶的作用合酶的作用(zuyng)机制机制第35页/共67页第三十六页，共68页。对构象对构象(u xin)耦联假说的证明：耦联假说的证明： 1994年，年，Walker发表了牛心线粒体发表了牛心线粒体F1-ATP酶的晶体结构酶的晶体结构日本的吉田（日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人将）等人将33固定固定(gdng)在玻片上，在在玻片上，在亚基的亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有维，在含有ATP的溶液中温育时的溶液中温育时，在显微镜下可观察到，在显微镜下可观察到亚基带亚基带动肌动蛋白纤维旋转。动肌动蛋白纤维旋转。 第36页/共67页第三十七页，共68页。（一）线粒体肌病（一）线粒体肌病（二）线粒体脑肌病（二）线粒体脑肌病（三）（三）Leber 遗传性视神经病遗传性视神经病（四）亚急性坏死性脑脊髓病（四）亚急性坏死性脑脊髓病 (Leigh disease)常见常见(chn jin)线粒体遗传病线粒体遗传病第37页/共67页第三十八页，共68页。根据临床表现，将线粒体脑肌病分为：伴有破碎红纤维的肌阵挛根据临床表现，将线粒体脑肌病分为：伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫（癫痫（MERRF)MERRF)、线粒体脑疾病、线粒体脑疾病(jbng)(jbng)合并乳酸血症及卒中样发合并乳酸血症及卒中样发作作(MELAS) (MELAS) 、Kearns-SayerKearns-Sayer综合征（综合征（KSS) KSS) 、慢性进行性眼外肌瘫、慢性进行性眼外肌瘫痪（痪（CEPO) CEPO) 、神经源性肌软弱、共济失调并发色素性视网膜炎（、神经源性肌软弱、共济失调并发色素性视网膜炎（NARP)NARP)和和LeighLeigh综合征（综合征（LS)LS)等几种。等几种。第38页/共67页第三十九页，共68页。4977 4977 位点缺失位点缺失(qu sh) (qu sh) 缺血性心脏病缺血性心脏病 冠状动脉粥样硬化性心脏病冠状动脉粥样硬化性心脏病 7436 7436 位点缺失位点缺失(qu sh) (qu sh) 扩张性扩张性心肌病心肌病 肥厚性心肌病肥厚性心肌病线粒体心肌病累及心脏和骨骼肌，病人常有严重的心力衰竭线粒体心肌病累及心脏和骨骼肌，病人常有严重的心力衰竭，常见临床表现为劳动，常见临床表现为劳动(lodng)性呼吸困难，心动过速，全身性呼吸困难，心动过速，全身肌无力伴全身严重水肿，心脏和肝肿大等症状。肌无力伴全身严重水肿，心脏和肝肿大等症状。第39页/共67页第四十页，共68页。第40页/共67页第四十一页，共68页。组装组装第41页/共67页第四十二页，共68页。为什么说线粒体和叶绿体是半自主性细胞器？为什么说线粒体和叶绿体是半自主性细胞器？ 1）两种细胞器含有）两种细胞器含有DNA自我复制、转录、翻译所必自我复制、转录、翻译所必需的基本组分。需的基本组分。 2）两种细胞器中的蛋白绝大多数是由核基因编码的）两种细胞器中的蛋白绝大多数是由核基因编码的。这些。这些 蛋白在细胞质基质中合成，然后被转运至细胞器蛋白在细胞质基质中合成，然后被转运至细胞器中。中。 3）细胞核与细胞器之间存在）细胞核与细胞器之间存在(cnzi)着密切的、精着密切的、精确的、严格调控确的、严格调控 的关系。的关系。 线粒体和叶绿体的自主性是有限的，对线粒体和叶绿体的自主性是有限的，对核遗传核遗传 系统有很大的依赖性。系统有很大的依赖性。 因此，线粒体和叶绿体的增殖和生长受核基因此，线粒体和叶绿体的增殖和生长受核基因、自身基因两套遗传信息的控制，所以称半自主性因、自身基因两套遗传信息的控制，所以称半自主性细胞器。细胞器。第42页/共67页第四十三页，共68页。一、线粒体和叶绿体的一、线粒体和叶绿体的DNA均为环状双链均为环状双链DNA，与细菌相似。，与细菌相似。不同物种细胞中的不同物种细胞中的mtDNA、ctDNA大小不一。大小不一。 例如：例如： mtDNA：动物细胞中周长多为：动物细胞中周长多为5um；酵母菌；酵母菌26um。 人类最短人类最短; ctDNA： 赤松赤松(ch sn)藻最小，衣藻最大。藻最小，衣藻最大。核中核中DNA远远大于远远大于mtDNA、ctDNA半保留自我复制方式，受核基因调控。半保留自我复制方式，受核基因调控。 如：如：DNA聚合酶由核基因编码，在细胞质基质中合成。聚合酶由核基因编码，在细胞质基质中合成。线粒体和叶绿体的核糖体线粒体和叶绿体的核糖体70S，与细菌相似。，与细菌相似。第43页/共67页第四十四页，共68页。 1981年年Anderson等人完成了人类线粒体基因组的全部等人完成了人类线粒体基因组的全部(qunb)核苷酸序列的测定。核苷酸序列的测定。 线粒体基因组线粒体基因组第44页/共67页第四十五页，共68页。线粒体基因组全长线粒体基因组全长16569bp第45页/共67页第四十六页，共68页。1.1.封闭性双链分子封闭性双链分子(fnz)(fnz)，外为，外为H H链，内为链，内为L L链。链。5.5.不与组蛋白结合不与组蛋白结合(jih)(jih)，裸露存在。，裸露存在。3.3.双链均有编码能力双链均有编码能力(nngl)(nngl)，D-D-环为唯一的非编码区。环为唯一的非编码区。6.6.突变率高，且无突变率高，且无DNADNA修复系统。修复系统。2.2.结构紧凑，无内含子，部分区域有重叠现象。结构紧凑，无内含子，部分区域有重叠现象。4.H4.H链含有链含有2828个基因，个基因，L L链含有链含有9 9个基因个基因mtDNA突变率比突变率比nDNA高高1020倍倍线粒体基因组线粒体基因组第46页/共67页第四十七页，共68页。2 2个个rRNArRNA基因基因(jyn)(jyn)7 7个个NADHNADH脱氢酶亚单位脱氢酶亚单位(dnwi)(dnwi)的基因的基因3 3个细胞色素个细胞色素c c氧化酶亚单位氧化酶亚单位基因基因 2 2个个ATPATP酶复合体酶复合体 成分基因成分基因1 1个细胞色素个细胞色素b b基因基因1656916569bpbp编码编码37 37 个基因个基因1313个个mRNAmRNA基因基因线粒体氧化磷线粒体氧化磷酸有关的蛋白酸有关的蛋白质质第47页/共67页第四十八页，共68页。 密码子密码子 核编码核编码(bin m)(bin m)的的AA AA 线粒体编码线粒体编码(bin m)(bin m)的的AAAA UGA UGA 终终 止止 色氨酸色氨酸 AGA,AGG AGA,AGG 精氨酸精氨酸 终止终止(zhngzh)(zhngzh) AUA AUA 异亮氨酸异亮氨酸 起始甲硫氨酸起始甲硫氨酸 AUU AUU 异亮氨酸异亮氨酸 起始甲硫氨酸起始甲硫氨酸tRNAtRNA兼用性较强，仅用兼用性较强，仅用2222个个tRNAtRNA就可识别多达就可识别多达4848个密码子。个密码子。线粒体线粒体DNA的遗传特征的遗传特征第48页/共67页第四十九页，共68页。（三）（三）mtDNAmtDNA为母系为母系(mx)(mx)遗传遗传受精卵中的线粒体受精卵中的线粒体DNADNA几几乎全都来自于卵子，来源乎全都来自于卵子，来源于精子于精子(jngz)(jngz)的的mtDNAmtDNA对表型无明显作用，这种对表型无明显作用，这种双亲信息的不等量表现决双亲信息的不等量表现决定了线粒体遗传病的传递定了线粒体遗传病的传递方式不符合孟德尔遗传，方式不符合孟德尔遗传，而是表现为母系遗传（而是表现为母系遗传（maternal inheritancematernal inheritance）。 第49页/共67页第五十页，共68页。 线粒体疾病线粒体疾病(jbng)典型系谱典型系谱第50页/共67页第五十一页，共68页。（四）（四）mtDNA在细胞分裂复制在细胞分裂复制(fzh)分离过程中存在遗传瓶颈分离过程中存在遗传瓶颈第51页/共67页第五十二页，共68页。（五）（五）mtDNA的异质性与阈值的异质性与阈值(y zh)效应效应 第52页/共67页第五十三页，共68页。l任何两个人的任何两个人的mtDNAmtDNA，平均每，平均每10001000个碱基对中就有个碱基对中就有4 4个不同。个不同。l有害的突变会由于选择而被消除，故突变的有害的突变会由于选择而被消除，故突变的mtDNAmtDNA基因虽很普基因虽很普遍，但线粒体遗传病却不常见。遍，但线粒体遗传病却不常见。l最近的研究显示，在核基因组中有指导线粒体突变修复的基最近的研究显示，在核基因组中有指导线粒体突变修复的基因存在因存在(cnzi)(cnzi)，但其遗传学意义还有待深入研究。，但其遗传学意义还有待深入研究。 （六）（六）mtDNA的突变率极高的突变率极高l线粒体基因线粒体基因(jyn)(jyn)常见的突变类型常见的突变类型l 碱基突变碱基突变l 缺失、插入突变缺失、插入突变l mtDNA mtDNA拷贝数目突变拷贝数目突变第53页/共67页第五十四页，共68页。二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成(hchng)第54页/共67页第五十五页，共68页。三、线粒体蛋白质的运送三、线粒体蛋白质的运送(yn sn)与组装与组装蛋白质合成定位的特点：后转移方式蛋白质合成定位的特点：后转移方式 转运前的状态：转运前的状态： 伸展伸展(shnzhn)的前体蛋白的前体蛋白 N端的蛋白质信号序列称前导肽端的蛋白质信号序列称前导肽 前体蛋白前体蛋白=成熟蛋白成熟蛋白+前导肽前导肽 前导肽的特点：前导肽的特点：1）多位于）多位于N端，约由端，约由2080个氨基酸，富含精氨酸、带羟基的个氨基酸，富含精氨酸、带羟基的 氨基酸。氨基酸。2）形成）形成(xngchng)一个两性的一个两性的螺旋，带正电荷的亲水氨基螺旋，带正电荷的亲水氨基 酸和不带酸和不带 电荷的疏水氨基酸分别位于电荷的疏水氨基酸分别位于的两侧。的两侧。3）对转运的蛋白质无特异性的要求。）对转运的蛋白质无特异性的要求。第55页/共67页第五十六页，共68页。 转运后的状态转运后的状态: 信号序列在导肽酶的作用下，被切除。信号序列在导肽酶的作用下，被切除。 形成形成(xngchng)的成熟蛋白重折叠。的成熟蛋白重折叠。 被转运蛋白被转运蛋白(dnbi)(dnbi)所到达的特定部位：所到达的特定部位： 外膜、内膜、膜间隙、基质。外膜、内膜、膜间隙、基质。 线粒体蛋白的运送过程线粒体蛋白的运送过程(guchng) 蛋白质解折叠、转运、重折叠。蛋白质解折叠、转运、重折叠。三、线粒体蛋白质的运送与组装三、线粒体蛋白质的运送与组装第56页/共67页第五十七页，共68页。第57页/共67页第五十八页，共68页。Simon 布朗棘轮模型主要观点：布朗棘轮模型主要观点： 蛋白在转运孔道内，多肽链做布朗运动摇摆不定，一旦前体蛋白进蛋白在转运孔道内，多肽链做布朗运动摇摆不定，一旦前体蛋白进入线粒体腔，立即有入线粒体腔，立即有mHsp70结合上去，防止肽链退回细胞基质结合上去，防止肽链退回细胞基质(j zh)中。随着肽链的进一步延伸，有更多的中。随着肽链的进一步延伸，有更多的mHsp结合。结合。线粒体蛋白线粒体蛋白(dnbi)的运送过程是耗能的过程的运送过程是耗能的过程 解折叠解折叠 重折叠重折叠 转运转运(zhun yn)过程：过程：Hsp60Hsp70mHsp70ATPADP + ATP三、线粒体蛋白质的运送与组装三、线粒体蛋白质的运送与组装第58页/共67页第五十九页，共68页。第四节第四节 线粒体的增殖线粒体的增殖(zngzh)与起源与起源 线粒体的增殖线粒体的增殖(zngzh)线粒体的起源线粒体的起源 内共生学说内共生学说 非共生学说非共生学说第59页/共67页第六十页，共68页。线粒体的增殖线粒体的增殖(zngzh)线粒体的增殖是通过已有的线粒体的分裂线粒体的增殖是通过已有的线粒体的分裂(fnli)，有以下几种形式：，有以下几种形式： 1、间壁、间壁(jinb)分离，分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两个分离，分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两个，常见于鼠肝和植物分生组织中。，常见于鼠肝和植物分生组织中。线粒体的间壁分裂线粒体的间壁分裂 第60页/共67页第六十一页，共68页。2、收缩分离，分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端、收缩分离，分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端(lin dun)不断拉长然后分裂为两不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。个，见于蕨类和酵母线粒体中。 线粒体的收缩线粒体的收缩(shu su)分裂分裂 3、出芽，见于酵母、出芽，见于酵母(jiom)和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。线粒体。线粒体的增殖线粒体的增殖第61页/共67页第六十二页，共68页。线粒体的起源线粒体的起源(qyun)第62页/共67页第六十三页，共68页。第63页/共67页第六十四页，共68页。第64页/共67页第六十五页，共68页。不足之处不足之处第65页/共67页第六十六页，共68页。第66页/共67页第六十七页，共68页。NoImage内容(nirng)总结会计学。线粒体包围(bowi)着脂肪滴，内有大量要被氧化的脂肪。线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1（内膜）。氢通过电子传递链到达氧生成水，同时ADP磷酸化生成ATP。在内膜M侧，辅酶Q可被复合体（复合体）或细胞色素b562还原为氢醌。P=-(2.3RT/F)pH。3.双链均有编码能力，D-环为唯一的非编码区。不能解释细胞核是如何进化来的，即原核细胞如何演化为真核细胞。的来源也很难解释第六十八页，共68页。