细胞生物学 线粒体
合集下载
医学细胞生物学-6 线粒体
第六章线粒体与细胞的能量转换1化学组成和遗传体系。
2第一节线粒体的基本特征●一、线粒体的形态、数量和结构●二、线粒体的化学组成●三、线粒体的遗传体系●四、线粒体核编码蛋白质的转运●五、线粒体的起源●六、线粒体的分裂与融合●七、线粒体的功能 3一、线粒体的形态、数量和结构1.线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关形态：光镜下，线状、粒状、短杆状；有的圆形、哑铃形、星形；还有分枝状、环状等●低渗情况下，膨胀如泡状；高渗情况下，伸长为线状●胚胎肝细胞线粒体：发育早期短棒状，发育晚期长棒状●酸性环境下膨胀，碱性环境下粒状4大小：细胞内较大的细胞器。
一般直径：0.5—1.0um;长度：3um。
骨骼肌细胞中可见巨大线粒体，长达7—10微米数目：不同类型的细胞中差异较大。
最少的细胞含1个线粒体，最多的达50万个。
正常细胞中：1000—2000个。
●单细胞鞭毛藻中1个线粒体●巨大变形虫中约50万个线粒体●哺乳动物肝细胞中约2000个线粒体，肾细胞中约300个5分布：因细胞形态和类型的不同而存在差异。
通常分布于细胞生理功能旺盛的区域和需要能量较多的部位。
●精细胞中，沿鞭毛紧密排列；肌细胞中，包装在邻近肌原纤维中间●细胞内线粒体分布可因细胞的生理状态改变产生移位现象●肾小管细胞内交换功能旺盛时，线粒体集中于质膜近腔面内缘；●有丝分裂过程中线粒体均匀分布在纺锤丝周围。
总之：线粒体的形态、大小、数目和分布在不同形态和类型的细胞可塑性较大。
67 2. 超微结构：线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构☆内膜与外膜套叠形成囊中之囊☆内、外囊膜不相通☆内外膜组成线粒体的支架 8(1) 外膜（outer membrane ）：包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚5—7nm ，平整、光滑。
外膜的1/2为脂类，1/2为蛋白质。
外膜含有多种转运蛋白，形成较大的水相通道跨越脂质双层，φ：2-3nm ，允许分子量为10 K 以内的物质可以自由通过。
【细胞生物学】第7章 线粒体
二、 mt突变所致的疾病 Leber遗传性视神经病 1. Leber遗传性视神经病 11778bp G→A突变 bp上 突变， aa→组 11778bp上G→A突变，精aa→组aa
Leber T 医生
二、 m t突变所致的疾病 Leber遗传性视神经病 1. Leber遗传性视神经病 11778bp G→A突变 bp上 突变， aa→组 11778bp上G→A突变，精aa→组aa 帕金森病（ 2. 帕金森病（Parkinson disease) 4977bp长的一段DNA缺失 长的一段DNA 4977bp长的一段DNA缺失
与原核细胞相似： 与原核细胞相似： 转录和翻译过程的时间与地点 起始密码AUA 起始密码AUA 起始tRNA tRNA为 甲酰甲硫氨酰tRNA 起始tRNA为N-甲酰甲硫氨酰tRNA
三 、 mt对核编码蛋白质的转运 导肽(leader 导肽(leader sequence) 分子伴侣（ 分子伴侣（molecular chaperone ） HSP（ protein,热休克蛋白 热休克蛋白） HSP（heat shock protein,热休克蛋白） 细胞质HSP 细胞质HSP 线粒体HSP 线粒体HSP 输入受体 成孔膜蛋白
mt的蛋白质合成系统 的蛋白质合成系统： 二 、 mt的蛋白质合成系统：
1. mtDNA 位于基质内或依附于内膜 mtDNA具有自我复制的能力 具有自我复制的能力, 2. mtDNA具有自我复制的能力,以自身为模板半保 留复制， 留复制，可分布整个细胞周期 3.有自己的蛋白质翻译系统 3.有自己的蛋白质翻译系统 4.所编码的蛋白质在线粒体内的核糖体上进行 4.所编码的蛋白质在线粒体内的核糖体上进行 5.所编码的RNA和蛋白质并不运出线粒体外 5.所编码的RNA和蛋白质并不运出线粒体外 所编码的RNA
医学-细胞生物学线粒体
需能较多的部位。
二、线粒体的超微结构
两层单位膜 围成的
封闭的囊状结构。
分为四部分 外膜 内膜 膜间隙 基质
线粒体的结构
线粒体的超微结构
1.外膜 (outer membrane)
膜间隙 （外室）
外膜 嵴 内膜
嵴间腔 嵴内腔 （内室）
2.内膜（inner membrane）
由一层单位膜构成， 膜间隙 厚5nm，通透性差， （外室） 有高度选择通透性， 借助载体蛋白控制 内外物质的交换。
细胞氧化
一分子葡萄糖 酵解：2个
彻底氧化生成
三羧酸循环：2个
38个ATP 线粒体：36个
内膜呼吸氧化过程：
34个
本章重点
1. 掌握：线粒体的形态、超微结构、 线粒体的半自主性。
2. 熟悉：线粒体的功能。
标志酶—苹果酸脱氢酶
– 线粒体DNA（mtDNA），线粒体核糖体，
tRNA 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。
纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质， Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。
线粒体的化学组成
三、线粒体的化学组成
1. 蛋白质：占线粒体干重的65% -70%，内膜含量 较多。
可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白； 不溶性蛋白：为膜的镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白。
4nm 长 4.5-6 nm
6-11.5nm 高5-6nm
F1抑制蛋白 头部: 合成ATP
F1
柄部 : 调节质子通道
OSCP
基部: 质子通道
F0
基粒 （ATP酶复合体）
ATP 合酶
F1 柄部OSCP F0
3. 膜间隙 (intermembrane space)
二、线粒体的超微结构
两层单位膜 围成的
封闭的囊状结构。
分为四部分 外膜 内膜 膜间隙 基质
线粒体的结构
线粒体的超微结构
1.外膜 (outer membrane)
膜间隙 （外室）
外膜 嵴 内膜
嵴间腔 嵴内腔 （内室）
2.内膜（inner membrane）
由一层单位膜构成， 膜间隙 厚5nm，通透性差， （外室） 有高度选择通透性， 借助载体蛋白控制 内外物质的交换。
细胞氧化
一分子葡萄糖 酵解：2个
彻底氧化生成
三羧酸循环：2个
38个ATP 线粒体：36个
内膜呼吸氧化过程：
34个
本章重点
1. 掌握：线粒体的形态、超微结构、 线粒体的半自主性。
2. 熟悉：线粒体的功能。
标志酶—苹果酸脱氢酶
– 线粒体DNA（mtDNA），线粒体核糖体，
tRNA 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。
纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质， Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。
线粒体的化学组成
三、线粒体的化学组成
1. 蛋白质：占线粒体干重的65% -70%，内膜含量 较多。
可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白； 不溶性蛋白：为膜的镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白。
4nm 长 4.5-6 nm
6-11.5nm 高5-6nm
F1抑制蛋白 头部: 合成ATP
F1
柄部 : 调节质子通道
OSCP
基部: 质子通道
F0
基粒 （ATP酶复合体）
ATP 合酶
F1 柄部OSCP F0
3. 膜间隙 (intermembrane space)
细胞生物学第七章 线粒体ppt课件
■ 两套遗传体系的协同性
通过离体实验发现两套 遗传体系的遗传机制不 同。 如放线菌酮是细胞质蛋 白质合成抑制剂，但是 对细胞器蛋白质的翻译 却没有作用。另外，一 些抗生素，如氯霉素、 四环素、红霉素等能够 抑制线粒体蛋白质的合 成，但对细胞质蛋白质 合成没有多大影响。 通过对转录的抑制研究， 发现线粒体基因转录的 RNA聚合酶也是特异 的(图)。
线粒体蛋白转运
图 线粒体蛋白转运的部位
分子伴侣（molecular chaperon）
概念：一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质，它 们在细胞内帮助其他含多肽的结构完成正确的组装，而且在 组装完毕后与之分离，不构成这些蛋白质结构执行功能时的 组份。 种类：伴侣素家族（chaperonin, Cpn）、热休克蛋白 家族 （ Hsp family ）、 核质素、T 受体结合蛋白 (TRAP) 等 特征：1、分子伴侣对靶蛋白没有高度专一性，同一分子伴 侣可以促进多种氨基酸序列完全不同的多肽链折叠成为空间 结构、性质和功能都不相关的蛋白质。 2、它的催化效率很低。行使功能需要水解ATP，以改 变其构象，释放底物，进行再循环。 3、它和肽链折叠的关系，是阻止错误折叠，而不是促 进正确折叠。 4. 多能性（胁迫保护防止交联聚沉，转运，调节转录 和复制，组装细胞骨架） 5. 进化保守性
细胞生物学第七 章 线粒体
第一节、 线粒体的生物学特征
线粒体是能够在光学显微镜进行 观察的显微结构。 ● 1890年，德国生物学家 Altmann第一个发现线粒体。 ● 1897年对线粒体进行命名。 ● 1900年，Leonor Michaelis用 染料Janus green对肝细胞进行 染色，发现细胞消耗氧之后，线 粒体的颜色逐渐消失了，从而提 示线粒体具有氧化还原反应的作 用。
第七章 线粒体
6 CO2
下面的问题是 NADH、 FADH2中的能量
如何转换形成ATP。
NADH : 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
维生素PP的活性形式。 氧化型：NAD＋ 还原型：NADH＋H＋ （由氧化型接
受两个电子和两个质子而来） 是多种不需氧脱氢酶的辅酶。
FADH2 ：F是黄素蛋白,A是腺嘌呤,D=double,
1. 16569bp (剑桥序列)的裸露、双链闭合环状分子。 2. 编码22种tRNA和2种rRNA，13种呼吸链酶复合
体。占线粒体全部蛋白质的10％。 3. 1至数百个拷贝，突变率高。 4. 母系遗传 5. 遗传密码与通用密码有差异。
（二 ） 线粒体是半自主性细胞器
1. 线粒体能够独立地复制、转录和翻译 DNA、RNA、核糖体 呼吸链酶复合体、ATP合酶、cyt b的亚基
研究发现
线粒体基因突变可导致老年痴呆症。
维吉尼亚大学的 James等首次发 现mtDNA与AD 有关：mtDNA与 造成AD细胞损 伤的β样淀粉蛋
白之间存在直接 关系。
阿尔海默茨病（AD）患者
众多研究表明：线粒体疾病发病机制主要是线粒体DNA异 常突变引起的遗传性疾病。
此外还有：学渗透学说主要内容：
• 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,形成质子动力势；
• 内膜对质子是不通透的；
• 质子在质子动力势的驱动下穿过F0质子通道流回基质，使F1 构象发生改变，催化ADP合成ATP。
质子动力势 （ △P）
动画
(五)、细胞呼吸的特点：
功能：进行电子传递和能量的释放
(
呼 吸 链
电 子 传 递 链
)
Green等人首先将呼吸链拆离成四种功能复合物
下面的问题是 NADH、 FADH2中的能量
如何转换形成ATP。
NADH : 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
维生素PP的活性形式。 氧化型：NAD＋ 还原型：NADH＋H＋ （由氧化型接
受两个电子和两个质子而来） 是多种不需氧脱氢酶的辅酶。
FADH2 ：F是黄素蛋白,A是腺嘌呤,D=double,
1. 16569bp (剑桥序列)的裸露、双链闭合环状分子。 2. 编码22种tRNA和2种rRNA，13种呼吸链酶复合
体。占线粒体全部蛋白质的10％。 3. 1至数百个拷贝，突变率高。 4. 母系遗传 5. 遗传密码与通用密码有差异。
（二 ） 线粒体是半自主性细胞器
1. 线粒体能够独立地复制、转录和翻译 DNA、RNA、核糖体 呼吸链酶复合体、ATP合酶、cyt b的亚基
研究发现
线粒体基因突变可导致老年痴呆症。
维吉尼亚大学的 James等首次发 现mtDNA与AD 有关：mtDNA与 造成AD细胞损 伤的β样淀粉蛋
白之间存在直接 关系。
阿尔海默茨病（AD）患者
众多研究表明：线粒体疾病发病机制主要是线粒体DNA异 常突变引起的遗传性疾病。
此外还有：学渗透学说主要内容：
• 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,形成质子动力势；
• 内膜对质子是不通透的；
• 质子在质子动力势的驱动下穿过F0质子通道流回基质，使F1 构象发生改变，催化ADP合成ATP。
质子动力势 （ △P）
动画
(五)、细胞呼吸的特点：
功能：进行电子传递和能量的释放
(
呼 吸 链
电 子 传 递 链
)
Green等人首先将呼吸链拆离成四种功能复合物
细胞生物学笔记线粒体
线粒体(mt)在电镜下线粒体是由二层单位膜组成的细胞器,是细胞内氧化磷酸化、产能、贮能的重要场所。
一、光镜结构二、mt电镜结构①外膜：脂类和蛋白质各占1/2,蛋白质为转运蛋白,形成含水通道。
②内膜：高度特化，是胞质与mt基质之间的主要通道屏障。
其中蛋白质占76%，主要是合成ATP的F0F1复合体和电子传递链。
脂类主要是心磷脂，使内膜对质子及离子的通透性减小，从而产生了内膜两侧质子的动力势和电位差。
③mt嵴：④基粒：头部：又称偶联因子F1，由五种亚基(αβγδε)组成，αβ亚基各有3个，形成一个球状小体，是催化ADP和磷酸化合成A TP的关键装置。
柄部：是F1和F0连接部位，由F1和F0各有一部分组成，其作用调控质子通道。
基部：称F0偶联因子。
⑤膜间腔（嵴内腔或mt外室）⑥转位接触点：⑦基质腔（嵴间腔或内室）：是三羧酸循环的重要部位。
⑧基质：主要是催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、核酸、蛋白质酶类。
三、mt的化学成份主要蛋白质、脂类以及DNA、多种辅酶，如NAD、FMN、FAD、COQ等。
①蛋白质：干重65~70%。
可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白不可溶性蛋白：膜镶嵌蛋白、结构蛋白以及部分酶类②脂类：干重25%~30%，主要是磷脂（占90%）。
即卵磷脂、脑磷脂以及少量的心磷脂和胆固醇。
其中外膜所含磷脂和胆固醇比内膜多3倍，内膜含心磷脂多,胆固醇少；心磷脂能减小内膜对质脂和离子的通透性四、线粒体的遗传体系（半自主性）线粒体是由两个遗传体系所控制,即线粒体基因组和细胞核基因组两个彼此分开的遗传系统，线粒体的这种特性称为线粒体的半自主性；线粒体DNA构成了线粒体基因组（一）mt遗传体系1、mt DNA结构特点1）封闭、环状、双链，无组蛋白；2）不含内含子，非编码区和调节序列很少；3）不严格的密码子配对；4）部分遗传密码与通用密码的意义不同；5）起始密码为AUA而非AUG；6）编码产物只自用；7）依赖nDNA发挥功能；2、线粒体基因组及其所编码的13种蛋白质①基因组：人类mtDNA含有16569个碱基对，呈小分子双链环状DNA,双链中一条为重链(H)，另一条为轻链(L),两条链共组成37个基因，其中H链28个基因，L链9个基因。
[细胞生物学]线粒体
![[细胞生物学]线粒体](https://img.taocdn.com/s3/m/3b68c27b5901020206409c00.png)
✓ 线粒体酶含量多：是含酶最多的细胞器，参与物质分 解和氧化磷酸化。
✓ 含有DNA：是细胞内除核外唯一含DNA的细胞器。
12.08.2020
精品课件
12
线粒体是细胞核以外惟一含DNA的细胞 器，具有独立合成蛋白质的能力，但一 定程度上受细胞核的控制，因此线粒体 是具有半自主性的细胞器。
12.08.2020
主要症状：肌阵挛性癫痫的短暂发作(周期性 抽搐)，共济失调，感觉神经性听力丧失，轻 度痴呆，扩张性心肌病和肾功能异常等症状。
12.08.2020
精品课件
28
发病机理：mtDNA8344G突变→线粒体蛋白质 合成的整体水平↓→除复合物Ⅱ以外的氧化 磷酸化成分含量降低(尤其是呼吸链酶复合 物Ⅰ和Ⅳ的含量降低)。
精品课件
40
✓ NADH呼吸链：由复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成，催 化NADH氧化，是主呼吸链。
✓ FADH2呼吸链：由复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成，催 化FADH2氧化，是次呼吸链。
12.08.2020
精品课件
41
12.08.2020
精品课件
42
✓H+的传递：通过递氢体由线粒体基质 释放至膜间腔。
✓电子的传递：经呼吸链逐级传递，最
酸，生成2分子ATP。 C6H12O6 + 2NAD + 2ADP + 2Pi 糖酵解酶
2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP
12.08.2020
精品课件
34
在线粒体基质中进行。
丙酮酸→线粒体基质 分解
乙
酰CoA＋草酰乙酸 结(4合C)
柠檬酸(6C，含三个羧基) →三羧酸
循环(TAC循环)。
✓ 含有DNA：是细胞内除核外唯一含DNA的细胞器。
12.08.2020
精品课件
12
线粒体是细胞核以外惟一含DNA的细胞 器，具有独立合成蛋白质的能力，但一 定程度上受细胞核的控制，因此线粒体 是具有半自主性的细胞器。
12.08.2020
主要症状：肌阵挛性癫痫的短暂发作(周期性 抽搐)，共济失调，感觉神经性听力丧失，轻 度痴呆，扩张性心肌病和肾功能异常等症状。
12.08.2020
精品课件
28
发病机理：mtDNA8344G突变→线粒体蛋白质 合成的整体水平↓→除复合物Ⅱ以外的氧化 磷酸化成分含量降低(尤其是呼吸链酶复合 物Ⅰ和Ⅳ的含量降低)。
精品课件
40
✓ NADH呼吸链：由复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成，催 化NADH氧化，是主呼吸链。
✓ FADH2呼吸链：由复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成，催 化FADH2氧化，是次呼吸链。
12.08.2020
精品课件
41
12.08.2020
精品课件
42
✓H+的传递：通过递氢体由线粒体基质 释放至膜间腔。
✓电子的传递：经呼吸链逐级传递，最
酸，生成2分子ATP。 C6H12O6 + 2NAD + 2ADP + 2Pi 糖酵解酶
2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP
12.08.2020
精品课件
34
在线粒体基质中进行。
丙酮酸→线粒体基质 分解
乙
酰CoA＋草酰乙酸 结(4合C)
柠檬酸(6C，含三个羧基) →三羧酸
循环(TAC循环)。
细胞生物学线粒体(生物医学工程)
磷酸化
38ATP
五、线粒体的半自主性
1.线粒体有独立的遗传系统 1.mtDNA是环状，裸露，信息量较 小，有独立的编码系统,和细菌DNA 相似。 2.mtDNA可进行自我复制，转录自 己的mRNA、tRNA、rRNA 3.有自己的核糖体，能独立合成线 粒体蛋白质（电子传递链酶复合体 中的亚基：细胞色素C氧化酶、ATP 酶复合体F0的亚基等） 4. mtDNA所用遗传密码和“通用” 的遗传密码不完全相同。
上页 下页 返回 结束
复制 转录 组成 Phe
H链
L链
上页
下页
返回
结束
Cytb 基因 （1个） ATP酶复合体 (2个 组成成分基因)
Pr基因(13个)
CytC氧化酶 (3个 亚单位基因 ) N A D H 脱 (7个 氢酶基因 )
M基因组
37个基因
rRNA (2个) 基因 tRNA基因(22个)
转换的主要部位。 上页 下页 返回 结束
一、线粒体的形态
光镜下形态
大小
线状
直径约0.5~1um
颗粒状
故名线粒体
图1 成纤维细胞线条状线粒体
上页 下页 返回 结束
图2 家兔肝脏细胞颗粒状线粒体
上页 下页 返回 结束
图3 蝙蝠肝脏细胞棒状线粒体
上页 下页 返回 结束
线 粒 体的结 构----显微 结构
上皮细胞颗粒状线粒体 图中箭头所示颗粒状线粒体
电镜下的形态
短棒状 或小球状
线粒体是由双层单位膜包围而形式的囊状小体
• 形态多变性：线状
粒状
粒状（低渗膨胀）
线状（高渗伸长）
短
长（生长）
数目多变性： 不同细胞中数目不同，约1--50万个不等。 一般代谢旺盛细胞中线粒体多，反之则少；
细胞生物学-细胞的能量转换─线粒体
由13多条肽链组成，相对分子量204×103，3个疏水性多肽链由线粒体基因编码 4个氧化还原中心： 细胞色素a和a3及2个铜离子（CuA和CuB） 其作用是催化电子从细胞色素c传给氧生成H2O
Cytochrome C Oxidase
质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质， 使ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。
黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2
个电子和2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶， 以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。
细胞色素：以铁卟啉为辅基的色蛋白，通过Fe3+、Fe2+形式变 化传递电子。呼吸链中有5类，即细胞色素a、a3、b、c、c1， 其中aa3含有铜原子。
Matrix
复合物 Ⅱ(琥珀酸脱氢酶)：
2个亲水蛋白：黄素蛋白和铁硫蛋白， 及2个穿膜蛋白 TCA中唯一一个跨膜的酶，相对分子量140×103 无ATP生成，无质子跨膜。 电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q
Two hydrophilic a flavoprotein (SdhA): SdhA contains a covalently attached FAD cofactor and the succinate binding site
1
2
3
第三节 线粒体是半自主性细胞器
一、线粒体具有独立的遗传体系 线粒体是一种半自主性的细胞器，它除了有自己的遗 传物质--线粒体DNA外，还有蛋白质合成系统(mRNA、 rRNA、tRNA)和线粒体核糖体等。线粒体中的蛋白质只有
约20种是线粒体基因编码的，但组成线粒体约有上千种之
多，所以大多数线粒体蛋白质还是由核基因编码。由此可 见，线粒体的生物合成涉及两个彼此分开的遗传系统。
Cytochrome C Oxidase
质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质， 使ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。
黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2
个电子和2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶， 以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。
细胞色素：以铁卟啉为辅基的色蛋白，通过Fe3+、Fe2+形式变 化传递电子。呼吸链中有5类，即细胞色素a、a3、b、c、c1， 其中aa3含有铜原子。
Matrix
复合物 Ⅱ(琥珀酸脱氢酶)：
2个亲水蛋白：黄素蛋白和铁硫蛋白， 及2个穿膜蛋白 TCA中唯一一个跨膜的酶，相对分子量140×103 无ATP生成，无质子跨膜。 电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q
Two hydrophilic a flavoprotein (SdhA): SdhA contains a covalently attached FAD cofactor and the succinate binding site
1
2
3
第三节 线粒体是半自主性细胞器
一、线粒体具有独立的遗传体系 线粒体是一种半自主性的细胞器，它除了有自己的遗 传物质--线粒体DNA外，还有蛋白质合成系统(mRNA、 rRNA、tRNA)和线粒体核糖体等。线粒体中的蛋白质只有
约20种是线粒体基因编码的，但组成线粒体约有上千种之
多，所以大多数线粒体蛋白质还是由核基因编码。由此可 见，线粒体的生物合成涉及两个彼此分开的遗传系统。
细胞生物学8线粒体
丙酮酸氧化酶
NADH 脱氢酶
膜 腺苷酸激酶 间 二磷酸激酶 腔 核苷酸激酶
苹果酸脱氢酶
柠檬酸合成酶
延胡索酸酶
基 异柠檬酸脱氢酶
质
顺乌头酸酶 谷氨酸脱氢酶
腔 脂肪酸氧化酶系
天冬胺酸转氨酶
蛋白质和核酸合成酶系
丙酮酸脱氢酶复合物
四、线粒体的半自主性
• ①环形DNA； • ② 70S核糖体，对氯霉素敏感，对放线菌酮不敏感； • ③RNA聚合酶可被利福平、链霉素等抑制 ； • ④tRNA和氨酰基-tRNA合成酶不同于细胞质中的； • ⑤蛋白质合成的起始氨基酸为N-甲酰甲硫氨酸。
• ②复合物II-III-IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。 ——FADH2呼吸链
FADH2
2e－
复合物Ⅱ
2e－
NADH
2e－ 复 物
合 Ⅰ
2e－辅酶 Q
2e－ 复合 物Ⅲ
2e－ 细胞 2e－ 复合 色素C 物Ⅳ
2e－1/2O2
复合物Ⅰ：NADH-CoQ氧化还原酶
复合物Ⅱ: 琥珀酸－ CoQ氧化还原酶 复合物Ⅲ: CoQ－细胞色素c氧化还原酶
Amytal
rotenone
• 抑制复合物II，如：2-噻吩甲酰三氟丙酮和萎锈灵。
2-Thenoyltrifluoroacetone
carboxin
• 抑制复合物III ，如抗霉素A 。
Antinomycin A 1
•抑制复合物IV，如CO、CN、NaN3、H2S。
电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序，当呼吸链某 一特定部位被抑制后，底物一侧均为还原状态，氧一侧均为氧化态， 可用分光光度计检测。
本章内容提要
• 线粒体的结构与功能； • 氧化磷酸化的分子基础、作用机理； • 线粒体的半自主性及其发生。
细胞生物学 线粒体
第六章 线粒体
• 外膜包围在线粒体外层，厚6nm • 内膜在内侧，厚7nm • 内膜向线粒体腔形成褶叠，称Mit嵴（嵴间平行，与纵轴垂直） • 嵴增加内膜面积（外膜的5倍，细胞膜结构总面积的1/3）
第六章 线粒体
• Fernadez-Moran发现，嵴膜上重复出现大分子单元（颗粒结构9nm），称 基粒（F1颗粒、F1因子、内膜亚单位）
第六章 线粒体
• 膜部： • 嵌合在膜内疏水蛋白复合体，称F0因子 • 与寡霉素结合，通过OSCP对F1因子起作用 • 与质子H+传递有关 • 当去除F1 和OSCP，内膜对H+的通透性，结合上去，可堵住H+泄漏，推测有H+
通道
第六章 线粒体
• ATP合成酶工作机制 • 分子“马达” • 旋转催化机制 • 亚基像车轮的“轴”，在质子流推动下，转动 • 带动与“轴”相连的3个亚基转动（逆时针） • 导致亚基构象交替变化（三种构象：L 结合 ADP+Pi；T 合成ATP；O 释放ATP，并周而复始） • 1997年，诺贝尔化学奖
硫蛋白、细胞色素b、c1、c、a和a3等
第六章 线粒体
（4）能量转换酶——基粒（ATP酶复合体） 基粒：ATP合成酶（F1-F0偶联因子， F1-F0 ATP酶） 三部分： 头部： 球状，直径9nm，容易分离，水溶性，称F1因子，由33 9亚基组成
第六章 线粒体
• 分离的F1因子能催化： ADP+Mit内，合成反应，存在一种热稳定蛋白（MW1万），可与F1结合，抑 制ATP水解，促进合成
• 称F1抑制蛋白
第六章 线粒体
• 柄部： • 由一种蛋白质组成
• 作用：使F1因子对寡霉素敏感 • F1因子合成ATP的活性能被寡霉素抑制，但寡霉素不 直接作用于F1因子，通过柄部蛋白传递 • 称寡霉素敏感性转授蛋白（oligomycin-sensitivity confering protein，OSCP）
细胞生物学线粒体(生物医学工程)课件
促进组织修复和再生。
细胞移植
利用线粒体移植技术，将健康的线 粒体导入病变细胞中，以改善细胞 功能，为细胞移植治疗提供新的思 路。
疾病模型建立
通过研究线粒体在不同疾病中的变 化，可以建立疾病模型，为药物研 发和治疗方法提供实验基础。
04
CATALOGUE
线粒体研究展望
线粒体研究的新技术和方法
基因组学和蛋白质组学技术
线粒体在生物医学工程中的未来发展
1 2 3
组织工程
通过调控细胞中线粒体的功能，可以优化组织工 程中细胞的生长和分化，提高组织再生修复的能 力。
生物材料设计
利用线粒体功能改善生物材料的性能，提高其在 药物输送、组织工程和再生医学等领域的应用效 果。
个性化医疗
结合线粒体功能和遗传信息，为个体提供定制化 的预防、诊断和治疗方案，实现精准医疗的目标 。
肿瘤转移
线粒体异常可能导致肿瘤细胞 迁移和侵袭能力增强，引发肿 瘤转移。
肿瘤耐药
线粒体异常可能导致肿瘤细胞 对化疗药物的耐药性增强。
肿瘤凋亡
线粒体是细胞凋亡的重要调控 部位，线粒体功能障碍可能抑
制肿瘤细胞的凋亡。
线粒体与代谢性疾病
糖尿病
线粒体功能障碍可能导致胰岛素抵抗和β细 胞功能障碍，引发糖尿病。
利用这些技术深入了解线粒体基因的表达和蛋白质功能，有助于 揭示线粒体在细胞生物学中的作用。
光学显微镜技术
随着光学显微镜技术的不断发展，如超分辨显微镜，可以在细胞水 平上观察线粒体的结构和动态变化。
生物信息学方法
通过分析大量基因和蛋白质数据，可以预测线粒体相关疾病的遗传 风险因素，为疾病的诊断和治疗提供依据。
基因表达调控
通过调控线粒体基因的表达，可 以影响线粒体功能，进而治疗由 线粒体功能障碍引起的遗传性疾 病。
细胞移植
利用线粒体移植技术，将健康的线 粒体导入病变细胞中，以改善细胞 功能，为细胞移植治疗提供新的思 路。
疾病模型建立
通过研究线粒体在不同疾病中的变 化，可以建立疾病模型，为药物研 发和治疗方法提供实验基础。
04
CATALOGUE
线粒体研究展望
线粒体研究的新技术和方法
基因组学和蛋白质组学技术
线粒体在生物医学工程中的未来发展
1 2 3
组织工程
通过调控细胞中线粒体的功能，可以优化组织工 程中细胞的生长和分化，提高组织再生修复的能 力。
生物材料设计
利用线粒体功能改善生物材料的性能，提高其在 药物输送、组织工程和再生医学等领域的应用效 果。
个性化医疗
结合线粒体功能和遗传信息，为个体提供定制化 的预防、诊断和治疗方案，实现精准医疗的目标 。
肿瘤转移
线粒体异常可能导致肿瘤细胞 迁移和侵袭能力增强，引发肿 瘤转移。
肿瘤耐药
线粒体异常可能导致肿瘤细胞 对化疗药物的耐药性增强。
肿瘤凋亡
线粒体是细胞凋亡的重要调控 部位，线粒体功能障碍可能抑
制肿瘤细胞的凋亡。
线粒体与代谢性疾病
糖尿病
线粒体功能障碍可能导致胰岛素抵抗和β细 胞功能障碍，引发糖尿病。
利用这些技术深入了解线粒体基因的表达和蛋白质功能，有助于 揭示线粒体在细胞生物学中的作用。
光学显微镜技术
随着光学显微镜技术的不断发展，如超分辨显微镜，可以在细胞水 平上观察线粒体的结构和动态变化。
生物信息学方法
通过分析大量基因和蛋白质数据，可以预测线粒体相关疾病的遗传 风险因素，为疾病的诊断和治疗提供依据。
基因表达调控
通过调控线粒体基因的表达，可 以影响线粒体功能，进而治疗由 线粒体功能障碍引起的遗传性疾 病。
大学医学细胞生物学线粒体
殖
形成两个新线粒体。
出芽分裂 ：先从线粒体上长出小芽，然后小芽与母线粒体分
离，经过不断长大，形成新的线粒体。
线粒体的增殖
间壁分离
收缩分离
出芽分裂
线粒体的起源
内共生假说：线粒体是由共生于原始真核细胞内的细菌演变而来。
依据：
线
1.线粒体DNA呈环状、裸露与细菌相似。
粒 体
2.线粒体的核糖体为70S与细菌相同，而真核细胞为80S。
关于NADH氧化呼吸链
• NAD+ 为氧化型烟酰胺腺嘌呤二核甘酸（即 氧化型辅酶I）
• NADH为还原型烟酰胺腺嘌呤二核甘酸（即 还原型辅酶I）
• 生物氧化过程中大多数脱氢酶都以NAD+ 为 辅酶，也就是说，底物脱下的氢首先被NAD+ 接受，然后再向下传递。
• 复合体I：即NADH-泛醌还原酶（NADH脱氢酶复 合体），可将电子传递给泛醌。该复合物含有以 FMN为辅基的黄素蛋白和以Fe-S为辅基的铁硫蛋 白。
2 线粒体内膜本身具有离子不通透性，能隔绝包括H+、OH-在内 的各种正负离子，正是由于线粒体内膜是质子屏障，产生跨膜 的电化学梯度，外室中高浓度的H质子有返回内室的趋势。
3 当H质子从外室通过基粒F0上的质子通道进入内室时，驱动F1 因子旋转, 利用这种势能使ADP磷酸化合成ATP。
一、线 粒 体 的DNA ( mtDNA )
基粒：内膜和嵴膜内表面上附着带柄的颗粒，亦称为“ATP
合成酶复合体”。它是氧化磷酸化最终产生ATP的部位。
（四）基质
内膜和嵴围成的腔隙，
嵴间腔 （内室）
腔内充满均质的胶状
物质——基质。
膜间隙 （外室）
嵴 内膜 外膜
细胞生物学 第六章 线粒体
带柄的小颗粒 。 氧化磷酸化关键装置
头部 :球形，含有可溶性 ATP 酶/偶联因子F1。功能是合
成ATP 。另有 ATP 酶复合体抑制多肽，调节酶活性。
柄部 :对寡霉素敏感的蛋白（ OSCP ），调控质子通道
基片 :嵌入内膜，疏水蛋白（ HP ）/偶联因子 F0 ，质子通道。
（四）内腔及基质
1963 年，纳斯（ Nass ）等在鸡胚肝细胞线粒体中 发现有环状 DNA 分子，称 线粒体 DNA （mtDNA ）。
进一步研究发现，线粒体有自己的遗传系统和蛋
白质合成体系。但它只编码少量线粒体蛋白质，大 多数蛋白质还是由核 DNA 编码，线粒体基因的复制
与表达所需的许多酶，也是由核 DNA所提供的。所
人心肌细胞的线粒体
线粒体肿胀
线粒体空泡化（心肌缺氧） 线粒体增生显著
线粒体病有以下共同特性：
（一）异质性： 细胞中 mtDNA 存在突变型与野生型
两种类型，即异质性。只有当突变的 mtDNA 逐渐积累，
其比例达到一定程度才能引起疾病。 （二）特异性： 主要侵犯代谢旺盛、需能高的组织
，如神经细胞、肌肉等。
粒体核糖体的。
线粒体蛋白质的合成与真核细胞不同：
①线粒体 RNA聚合酶可被菲啶溴红（ E.B. ）等原核细胞 RNA
聚合酶抑制剂所抑制，但真核细胞 RNA 聚合酶抑制剂如 α-鹅
膏覃碱，对它却没有抑制作用。
②蛋白质合成过程中对药物的敏感性不同：如放线菌酮可抑制
细胞质核糖体蛋白质合成，但不能抑制线粒体核糖体蛋白质合
第一节 线粒体的形态结构
一、光镜下线粒体的形态结构（了解）
?形态： 线状、粒状、杆状、哑铃形、星形、分支形、环形。 ?大小 :直径0.5~1.0μm，长度 2~3 μm ；骨胳肌细胞直径 2~3 μm ，长度 8~10μm ，称为巨大线粒体 (giantmitochondria)
头部 :球形，含有可溶性 ATP 酶/偶联因子F1。功能是合
成ATP 。另有 ATP 酶复合体抑制多肽，调节酶活性。
柄部 :对寡霉素敏感的蛋白（ OSCP ），调控质子通道
基片 :嵌入内膜，疏水蛋白（ HP ）/偶联因子 F0 ，质子通道。
（四）内腔及基质
1963 年，纳斯（ Nass ）等在鸡胚肝细胞线粒体中 发现有环状 DNA 分子，称 线粒体 DNA （mtDNA ）。
进一步研究发现，线粒体有自己的遗传系统和蛋
白质合成体系。但它只编码少量线粒体蛋白质，大 多数蛋白质还是由核 DNA 编码，线粒体基因的复制
与表达所需的许多酶，也是由核 DNA所提供的。所
人心肌细胞的线粒体
线粒体肿胀
线粒体空泡化（心肌缺氧） 线粒体增生显著
线粒体病有以下共同特性：
（一）异质性： 细胞中 mtDNA 存在突变型与野生型
两种类型，即异质性。只有当突变的 mtDNA 逐渐积累，
其比例达到一定程度才能引起疾病。 （二）特异性： 主要侵犯代谢旺盛、需能高的组织
，如神经细胞、肌肉等。
粒体核糖体的。
线粒体蛋白质的合成与真核细胞不同：
①线粒体 RNA聚合酶可被菲啶溴红（ E.B. ）等原核细胞 RNA
聚合酶抑制剂所抑制，但真核细胞 RNA 聚合酶抑制剂如 α-鹅
膏覃碱，对它却没有抑制作用。
②蛋白质合成过程中对药物的敏感性不同：如放线菌酮可抑制
细胞质核糖体蛋白质合成，但不能抑制线粒体核糖体蛋白质合
第一节 线粒体的形态结构
一、光镜下线粒体的形态结构（了解）
?形态： 线状、粒状、杆状、哑铃形、星形、分支形、环形。 ?大小 :直径0.5~1.0μm，长度 2~3 μm ；骨胳肌细胞直径 2~3 μm ，长度 8~10μm ，称为巨大线粒体 (giantmitochondria)
细胞生物学 线粒体
10.03.2020
29
10.03.2020
30
核
肌动蛋白单体
顶
体
线 粒 体
10.03.2020
31
10.03.2020
32
外腔
嵴间腔 内腔
(膜间腔)
(基质腔)
嵴内腔 (嵴内空间)
10.03.2020
33
在细胞质中进行。 有机物(如葡萄糖)在酶作用下生成丙酮酸，
生成2分子ATP。 C6H12O6 + 2NAD + 2ADP + 2Pi 糖酵解酶
14
核编码蛋白质的线粒体转运过程 图
前体蛋白在线粒体外去折叠。 多肽链穿越线粒体膜。 多肽链在线粒体内重新折叠。（图）
10.03.2020
15
✓ 紧密折叠的蛋白不可能穿越线粒体膜，因此在运输前 必须去折叠。
✓ 线粒体前体蛋白：蛋白质“成熟”形式＋基质导入 序列(MTS)。基质导入序列又称导肽，是输入线粒体 的蛋白质在其N端具有的一段氨基酸序列，能够被线 粒体膜上的受体识别并结合，从而定向蛋白质的转运。
✓ NADH和FADH2必须被氧化才能维持三羧酸循环。
➢ NADH + 1/2 O2 → NAD+ + 能量
➢ FADH2 + 1/2 O2 → FAD+ + 能量
✓ NADH和FADH2被氧化时释放的H+、电子和能量如
10.03.20何20 安置?
37
1. 氧化还原：脱下的H 氧化 H2O。 ✓ H不直接与O2结合，H 解离 H+＋e－。
13
线粒体DNA的形态结构
✓ mtDNA为双链结构。 ➢ 两条链编码不同的基因。 ➢ 根据两条链转录RNA在CsCl中密度不同，分为重链
细胞生物学专业笔记线粒体
线粒体(mt)在电镜下线粒体是由二层单位膜构成旳细胞器,是细胞内氧化磷酸化、产能、贮能旳重要场合。
一、光镜构造二、mt电镜构造①外膜：脂类和蛋白质各占1/2,蛋白质为转运蛋白,形成含水通道。
②内膜：高度特化，是胞质与mt基质之间旳重要通道屏障。
其中蛋白质占76%，重要是合成ATP旳F0F1复合体和电子传递链。
脂类重要是心磷脂，使内膜对质子及离子旳通透性减小，从而产生了内膜两侧质子旳动力势和电位差。
③mt嵴：④基粒：头部：又称偶联因子F1，由五种亚基(αβγδε)构成，αβ亚基各有3个，形成一种球状小体，是催化ADP和磷酸化合成A TP旳核心装置。
柄部：是F1和F0连接部位，由F1和F0各有一部分构成，其作用调控质子通道。
基部：称F0偶联因子。
⑤膜间腔（嵴内腔或mt外室）⑥转位接触点：⑦基质腔（嵴间腔或内室）：是三羧酸循环旳重要部位。
⑧基质：重要是催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、核酸、蛋白质酶类。
三、mt旳化学成分重要蛋白质、脂类以及DNA、多种辅酶，如NAD、FMN、FAD、COQ等。
①蛋白质：干重65~70%。
可溶性蛋白：基质中旳酶和膜外周蛋白不可溶性蛋白：膜镶嵌蛋白、构造蛋白以及部分酶类②脂类：干重25%~30%，重要是磷脂（占90%）。
即卵磷脂、脑磷脂以及少量旳心磷脂和胆固醇。
其中外膜所含磷脂和胆固醇比内膜多3倍，内膜含心磷脂多,胆固醇少；心磷脂能减小内膜对质脂和离子旳通透性四、线粒体旳遗传体系（半自主性）线粒体是由两个遗传体系所控制,即线粒体基因组和细胞核基因组两个彼此分开旳遗传系统，线粒体旳这种特性称为线粒体旳半自主性；线粒体DNA构成了线粒体基因组（一）mt遗传体系1、mt DNA构造特点1）封闭、环状、双链，无组蛋白；2）不含内含子，非编码区和调节序列很少；3）不严格旳密码子配对；4）部分遗传密码与通用密码旳意义不同；5）起始密码为AUA而非AUG；6）编码产物只自用；7）依赖nDNA发挥功能；2、线粒体基因组及其所编码旳13种蛋白质①基因组：人类mtDNA具有16569个碱基对，呈小分子双链环状DNA,双链中一条为重链(H)，另一条为轻链(L),两条链共构成37个基因，其中H链28个基因，L链9个基因。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
H+通II
Arg
H+通道I
γ和ε的转动引起β构象变化，催化ATP生成
结合变化机制：
β三种状态:
O 空置状态
ADP＋Pi ATP
T 紧密结合态
L 松散结合态
转子旋转的试验学证据：
• 在嗜热菌的 F1ATPase β的N端 添加10个His，固定 在Ni-NTA膜上； • 将γN端的一个Ser换 为Cys，以连上肌动 蛋白丝(荧光标记)； • 加ATP后可观察到 肌动蛋白丝旋转；
基粒(elementary particle)
• 内膜和嵴的基质面上带柄的颗 粒； • 由头部（F1）和基部（F0）构 成。 (F1-F0 ATP酶)
长 轴 垂 直 板 层 状 嵴
管状嵴
纵行排列板层状嵴
心肌细胞排列紧密的板层状嵴
3 膜间腔
• 外膜与内膜间的空腔，由于外膜通透性很强，
而内膜的通透性又很低，所以膜间隙中的化学
3）呼吸链的电子传递及其抑制剂和作用部位
鱼藤酮 ×
氰化物 叠氮钠 CO
×
×
抗霉素A
氧化还原电势
琥珀酸 脱氢酶
通过电子传递链实现了跨膜的H＋浓度差
2 ATP合成酶 (ATP synthase)
F1：亲水性头部，易分离，催 线粒体基质 化ATP ,含3α、3β、γ、δ和ε； • 水解 的多亚基蛋白复合物， β:催化 ATP合成 水解； 由水溶性 F1/ 头部和疏水 ε:抑制 水解,堵塞H＋通道； 性ATP F0基部所组成，也叫 F1F0 ATPase。 F0：疏水性基部，传送H＋到F1, F0 含1a, 2b, 10-14c。 a: H＋通道； “转子” ：γ，ε
◆复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶复合物（电子传递 体和H+ 移位体） 组成：含42个亚基，至少6Fe-S中心和1黄素蛋白。 作用：氧化NADH，将2e-CoQ；泵出4 H+ ◆复合物Ⅱ：琥珀酸脱氢酶复合物（电子传递体而 非H+移位体） 组成：含FAD辅基，2Fe-S中心，1Cytb 作用：氧化琥珀酸，2e-FADFe-SCoQ
P．D．Boyer和J．E．Walker荣获1997年诺贝尔化
学奖(各1/4，另1/2由Na+-K+泵学说提出者获得)。
H+ 通过a和c亚基形成的通道，推动转子旋转
a和c产生/失去瞬间盐桥 c的Asp 结合/解离H+ c极性环和转子结合/分离 产生扭力距使转子转动
质子动力势推动H+沿膜间 腔Ic-AspII 流动， 驱动c和γ旋转；象水轮发 电机一样工作。
线粒体中的多数蛋白由核基因编码、在细胞质 核糖体中合成。故线粒体基因在转录与转译过程 中受核基因控制，对核基因具很大依赖性。
3
线粒体蛋白的跨膜分选
• 在游离核糖体合成，以包含“成熟” 蛋白和N 端导肽 (1eader peptide)的前体 (precursor) 存在。
• 导肽引导蛋白通过内外膜的接触点进入线粒体， 指导蛋白进入线粒体特定部位后被切除。 • 蛋白前体跨膜时需解折叠(unfolding)；跨膜后 需重新折叠(refolding) ，需 “分子伴侣”参与。
成分几乎接近细胞质基质，功能是建立和维持
H＋梯度。
4 基质（matrix)
• 充斥在内膜包围的嵴外空间（又称内室inner
chamber） 中，内有： 酶：参与三羧酸循环、脂肪酸氧化及蛋白合成; 基质颗粒：内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子； 线粒体DNA、 RNA及核糖体。
二
线粒体的化学组成及酶定位
化学渗透假说
• 主要内容
在呼吸链电子传递过程中，通过线粒体内膜上呼吸 链组分间氢与电子的交替传递，使H+从内膜内侧向 外侧定向转移。由于线粒体内膜对 H+高度不通透， 造成内膜两侧跨膜质子梯度，形成质子动力势 (H+ 浓度差&膜电位)。其中蕴藏的能量驱使H+穿过ATP 合酶，驱动ADP与Pi形成ATP。
1 线粒体DNA的结构
线粒体DNA (简称mtDNA) 较小，结构简单， 位于线粒体基质中和线粒体内膜上。 不含组蛋白，呈环形，与细菌基因组相似。 哺乳动物线粒体基因组大小为16 500 碱基对 (bp)。
2 线粒体基因组编码的RNA和蛋白质
线粒体DNA转录的rRNA、tRNA均通过线粒体核 糖体用于合成线粒体蛋白质（数目有限）。 真核生物线粒体核糖体的RNA组分和蛋白质的构 成、大小及对抗生素敏感性方面均不同于细胞质 核糖体，但某些方面类似原核生物核糖体。
三 线粒体的功能
• 氧化磷酸化:糖、脂和氨基酸彻底氧化放能； • 参与氧自由基ROS的生成； • 参与细胞程序性死亡(通过开启内膜上非特异性 通道而改变线粒体通透性实现)； • 胞内Ca++调节、信号转导； • 离子跨膜转运等；
线粒体的存在状况反映了细胞对能量的需求
生物氧化的分区和定位
氧化磷酸化过程是能量 转换过程，即有机分子 中的能量高能电子 质子动力势ATP 多糖、蛋白和脂肪最初 的分解（细胞质基质） TCA循环 (线粒体基质) 电子传递、氧化磷酸化 (线粒体内膜)
Noji H et al. 1997, Nature
四 半自主性的细胞器—线粒体
线粒体是一个含有 DNA 并能进行转录和
转译的细胞器。 线粒体中含有DNA 、 mRNA、tRNA、 核糖体、氨基酸活化酶等。 1966 年 Slonimski 证明了线粒体 DNA 具有 遗传功能，被认为是真核细胞的第二遗 传系统。
1 外膜
• 一层厚约6nm的单位膜，包围 在线粒体最外面； • 脂类组成与内质网相似；
外膜
• 含大量孔蛋白(Porin)，允许 <10KDa 分子通过，具高通透 性，使得膜间隙环境几乎与胞 质溶胶相似。
• 含一些特殊的酶（单胺氧化酶 monoamine oxidase)
2 内膜
• 外膜内侧的一层单位膜
◆复合物Ⅲ：细胞色素bc1复合物（电子传递体和H+移 位体） 组成：二聚体，单体含1cyt c1、2cytb、1Fe-S蛋白 作用：催化CoQ氧化,2e- cytc；泵出4H+ (2个来自 UQ，2个来自基质）
◆复合物Ⅳ：Cytc氧化酶（电子传递体和H+移位体） 组成：二聚体，单体含1cyt a, 1cyt a3和2Cu 作用：氧化cyt c, 2e- O2 ,泵出2H+，
（一）氧化磷酸化作用的分子结构基础
氧化(电子传递、消耗氧, 放能)与磷酸化 (ADP+Pi，储能)同时进行，密切偶连，分别由两 个不同的结构体系执行。
超声波
尿素或 胰蛋白酶 完整线粒体 电子传递＋ ATP合成＋
亚线粒体颗粒 电子传递 ＋ ATP合成 ＋ ATP酶活性－
分离颗粒 电子传递 ＋ ATP合成 － ATP酶活性＋
电子传递链可作为质子泵，将线粒体 基质中的H+泵至膜间腔
膜内外质子浓度差和电势差构成质子动力势，驱 动质子穿过ＡＴＰ酶，促使ＡＴＰ合成；
化学渗透假说的实验证据：
细菌视紫红质 质子泵
去垢剂
?
·ATP合成动力为质子动力势
ATP酶
加入磷脂并 去除去垢剂
脂质体
·完整性膜是维持质子动力 势的前提； · 电子传递和ATP合成是相关 但又不同的事件。
一 线粒体的形态结构
（一）线粒体的形态、大小、数量和分布 随细胞种类和生理状态变 化而变化； • 外形：线状、颗粒状、哑 铃状、环形、圆柱形等。 • 大小：直径为0.5~1μm，长 约2～3μm。
显微镜下一个线粒体的变形
• 数目：
动物细胞较植物细胞多； 代谢旺盛的细胞中较多，人成熟红细胞中无线粒体； • 分布： • 集中在细胞功能旺盛区域；
（三）ATP合成酶作用机制
以 PD Boyer 为代表，提出了通过 ATP 合酶合成 ATP 的 “ 结 合 变 化 ” (binding change mechanism) 和“旋转模型”(rotational model)。
内容： ATP 合酶 3 个 β 亚基各具一定构象，不同构 象与核苷酸亲和力不同。 H+ 流驱动 γ 和 ε 旋转 1200 的情况下， 3β 亚基构象发生相互转变，引 起 β 亚基对 ATP 、 ADP 和 Pi 亲和力的改变，使 ATP合成和释放。
1）呼吸链的氧化还原酶系：
• • • • • 烟酰胺脱氢酶； 黄素相关的脱氢酶/黄素蛋白； 铁硫蛋白(iron-sulfur protein); 泛醌/辅酶Q(ubiquinone/CoQ):Q, QH2, QH 细胞色素(cytochrome，Cyt)：以铁卟啉为辅基。
2）电子传递链的四种复合物(哺乳类)
氧化 电子传递链
磷酸化ATP合成酶 • • • • 1953年由Slater E.C.提出“化学偶联学说”。 1961年Mitchell P.提出“化学渗透假说”。 1964年Boyer P.D.提出“构象假说”。 至20世纪70年代，化学渗透假说在取得大量实 验结果证实的基础上，成为氧化磷酸化作用中 较为流行的一种假说。
“定子”： a，b，δ
膜间腔
F1ATPase 的晶体结构
γ 亚单位包含一个 弯曲的螺旋环， 由其组成“轴” 插入由α 和 β 组成 的环中.
α ,β ,γ ,δ ,ε
ATP合成酶是一个可逆的偶联装置，它可利用质子动力势合成ATP，又可 利用ATP水解的能量将质子由基质中泵出内膜
（二） 氧化磷酸化偶联机制
• 迁移时以微管为导轨、由马达蛋白提供动力。
线粒体
鞭毛髓部
心肌细胞 精子尾部
（二）线粒体的超微结构
电镜下是由两层单位膜围成的封闭囊状结构 由外向内分为4个部分： • 外 膜 (outer membrane) • 膜间腔（intermembrane space） • 内 膜（inner membrane） • 基质/内 室 （matrix/inner chamber）
Arg
H+通道I
γ和ε的转动引起β构象变化，催化ATP生成
结合变化机制：
β三种状态:
O 空置状态
ADP＋Pi ATP
T 紧密结合态
L 松散结合态
转子旋转的试验学证据：
• 在嗜热菌的 F1ATPase β的N端 添加10个His，固定 在Ni-NTA膜上； • 将γN端的一个Ser换 为Cys，以连上肌动 蛋白丝(荧光标记)； • 加ATP后可观察到 肌动蛋白丝旋转；
基粒(elementary particle)
• 内膜和嵴的基质面上带柄的颗 粒； • 由头部（F1）和基部（F0）构 成。 (F1-F0 ATP酶)
长 轴 垂 直 板 层 状 嵴
管状嵴
纵行排列板层状嵴
心肌细胞排列紧密的板层状嵴
3 膜间腔
• 外膜与内膜间的空腔，由于外膜通透性很强，
而内膜的通透性又很低，所以膜间隙中的化学
3）呼吸链的电子传递及其抑制剂和作用部位
鱼藤酮 ×
氰化物 叠氮钠 CO
×
×
抗霉素A
氧化还原电势
琥珀酸 脱氢酶
通过电子传递链实现了跨膜的H＋浓度差
2 ATP合成酶 (ATP synthase)
F1：亲水性头部，易分离，催 线粒体基质 化ATP ,含3α、3β、γ、δ和ε； • 水解 的多亚基蛋白复合物， β:催化 ATP合成 水解； 由水溶性 F1/ 头部和疏水 ε:抑制 水解,堵塞H＋通道； 性ATP F0基部所组成，也叫 F1F0 ATPase。 F0：疏水性基部，传送H＋到F1, F0 含1a, 2b, 10-14c。 a: H＋通道； “转子” ：γ，ε
◆复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶复合物（电子传递 体和H+ 移位体） 组成：含42个亚基，至少6Fe-S中心和1黄素蛋白。 作用：氧化NADH，将2e-CoQ；泵出4 H+ ◆复合物Ⅱ：琥珀酸脱氢酶复合物（电子传递体而 非H+移位体） 组成：含FAD辅基，2Fe-S中心，1Cytb 作用：氧化琥珀酸，2e-FADFe-SCoQ
P．D．Boyer和J．E．Walker荣获1997年诺贝尔化
学奖(各1/4，另1/2由Na+-K+泵学说提出者获得)。
H+ 通过a和c亚基形成的通道，推动转子旋转
a和c产生/失去瞬间盐桥 c的Asp 结合/解离H+ c极性环和转子结合/分离 产生扭力距使转子转动
质子动力势推动H+沿膜间 腔Ic-AspII 流动， 驱动c和γ旋转；象水轮发 电机一样工作。
线粒体中的多数蛋白由核基因编码、在细胞质 核糖体中合成。故线粒体基因在转录与转译过程 中受核基因控制，对核基因具很大依赖性。
3
线粒体蛋白的跨膜分选
• 在游离核糖体合成，以包含“成熟” 蛋白和N 端导肽 (1eader peptide)的前体 (precursor) 存在。
• 导肽引导蛋白通过内外膜的接触点进入线粒体， 指导蛋白进入线粒体特定部位后被切除。 • 蛋白前体跨膜时需解折叠(unfolding)；跨膜后 需重新折叠(refolding) ，需 “分子伴侣”参与。
成分几乎接近细胞质基质，功能是建立和维持
H＋梯度。
4 基质（matrix)
• 充斥在内膜包围的嵴外空间（又称内室inner
chamber） 中，内有： 酶：参与三羧酸循环、脂肪酸氧化及蛋白合成; 基质颗粒：内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子； 线粒体DNA、 RNA及核糖体。
二
线粒体的化学组成及酶定位
化学渗透假说
• 主要内容
在呼吸链电子传递过程中，通过线粒体内膜上呼吸 链组分间氢与电子的交替传递，使H+从内膜内侧向 外侧定向转移。由于线粒体内膜对 H+高度不通透， 造成内膜两侧跨膜质子梯度，形成质子动力势 (H+ 浓度差&膜电位)。其中蕴藏的能量驱使H+穿过ATP 合酶，驱动ADP与Pi形成ATP。
1 线粒体DNA的结构
线粒体DNA (简称mtDNA) 较小，结构简单， 位于线粒体基质中和线粒体内膜上。 不含组蛋白，呈环形，与细菌基因组相似。 哺乳动物线粒体基因组大小为16 500 碱基对 (bp)。
2 线粒体基因组编码的RNA和蛋白质
线粒体DNA转录的rRNA、tRNA均通过线粒体核 糖体用于合成线粒体蛋白质（数目有限）。 真核生物线粒体核糖体的RNA组分和蛋白质的构 成、大小及对抗生素敏感性方面均不同于细胞质 核糖体，但某些方面类似原核生物核糖体。
三 线粒体的功能
• 氧化磷酸化:糖、脂和氨基酸彻底氧化放能； • 参与氧自由基ROS的生成； • 参与细胞程序性死亡(通过开启内膜上非特异性 通道而改变线粒体通透性实现)； • 胞内Ca++调节、信号转导； • 离子跨膜转运等；
线粒体的存在状况反映了细胞对能量的需求
生物氧化的分区和定位
氧化磷酸化过程是能量 转换过程，即有机分子 中的能量高能电子 质子动力势ATP 多糖、蛋白和脂肪最初 的分解（细胞质基质） TCA循环 (线粒体基质) 电子传递、氧化磷酸化 (线粒体内膜)
Noji H et al. 1997, Nature
四 半自主性的细胞器—线粒体
线粒体是一个含有 DNA 并能进行转录和
转译的细胞器。 线粒体中含有DNA 、 mRNA、tRNA、 核糖体、氨基酸活化酶等。 1966 年 Slonimski 证明了线粒体 DNA 具有 遗传功能，被认为是真核细胞的第二遗 传系统。
1 外膜
• 一层厚约6nm的单位膜，包围 在线粒体最外面； • 脂类组成与内质网相似；
外膜
• 含大量孔蛋白(Porin)，允许 <10KDa 分子通过，具高通透 性，使得膜间隙环境几乎与胞 质溶胶相似。
• 含一些特殊的酶（单胺氧化酶 monoamine oxidase)
2 内膜
• 外膜内侧的一层单位膜
◆复合物Ⅲ：细胞色素bc1复合物（电子传递体和H+移 位体） 组成：二聚体，单体含1cyt c1、2cytb、1Fe-S蛋白 作用：催化CoQ氧化,2e- cytc；泵出4H+ (2个来自 UQ，2个来自基质）
◆复合物Ⅳ：Cytc氧化酶（电子传递体和H+移位体） 组成：二聚体，单体含1cyt a, 1cyt a3和2Cu 作用：氧化cyt c, 2e- O2 ,泵出2H+，
（一）氧化磷酸化作用的分子结构基础
氧化(电子传递、消耗氧, 放能)与磷酸化 (ADP+Pi，储能)同时进行，密切偶连，分别由两 个不同的结构体系执行。
超声波
尿素或 胰蛋白酶 完整线粒体 电子传递＋ ATP合成＋
亚线粒体颗粒 电子传递 ＋ ATP合成 ＋ ATP酶活性－
分离颗粒 电子传递 ＋ ATP合成 － ATP酶活性＋
电子传递链可作为质子泵，将线粒体 基质中的H+泵至膜间腔
膜内外质子浓度差和电势差构成质子动力势，驱 动质子穿过ＡＴＰ酶，促使ＡＴＰ合成；
化学渗透假说的实验证据：
细菌视紫红质 质子泵
去垢剂
?
·ATP合成动力为质子动力势
ATP酶
加入磷脂并 去除去垢剂
脂质体
·完整性膜是维持质子动力 势的前提； · 电子传递和ATP合成是相关 但又不同的事件。
一 线粒体的形态结构
（一）线粒体的形态、大小、数量和分布 随细胞种类和生理状态变 化而变化； • 外形：线状、颗粒状、哑 铃状、环形、圆柱形等。 • 大小：直径为0.5~1μm，长 约2～3μm。
显微镜下一个线粒体的变形
• 数目：
动物细胞较植物细胞多； 代谢旺盛的细胞中较多，人成熟红细胞中无线粒体； • 分布： • 集中在细胞功能旺盛区域；
（三）ATP合成酶作用机制
以 PD Boyer 为代表，提出了通过 ATP 合酶合成 ATP 的 “ 结 合 变 化 ” (binding change mechanism) 和“旋转模型”(rotational model)。
内容： ATP 合酶 3 个 β 亚基各具一定构象，不同构 象与核苷酸亲和力不同。 H+ 流驱动 γ 和 ε 旋转 1200 的情况下， 3β 亚基构象发生相互转变，引 起 β 亚基对 ATP 、 ADP 和 Pi 亲和力的改变，使 ATP合成和释放。
1）呼吸链的氧化还原酶系：
• • • • • 烟酰胺脱氢酶； 黄素相关的脱氢酶/黄素蛋白； 铁硫蛋白(iron-sulfur protein); 泛醌/辅酶Q(ubiquinone/CoQ):Q, QH2, QH 细胞色素(cytochrome，Cyt)：以铁卟啉为辅基。
2）电子传递链的四种复合物(哺乳类)
氧化 电子传递链
磷酸化ATP合成酶 • • • • 1953年由Slater E.C.提出“化学偶联学说”。 1961年Mitchell P.提出“化学渗透假说”。 1964年Boyer P.D.提出“构象假说”。 至20世纪70年代，化学渗透假说在取得大量实 验结果证实的基础上，成为氧化磷酸化作用中 较为流行的一种假说。
“定子”： a，b，δ
膜间腔
F1ATPase 的晶体结构
γ 亚单位包含一个 弯曲的螺旋环， 由其组成“轴” 插入由α 和 β 组成 的环中.
α ,β ,γ ,δ ,ε
ATP合成酶是一个可逆的偶联装置，它可利用质子动力势合成ATP，又可 利用ATP水解的能量将质子由基质中泵出内膜
（二） 氧化磷酸化偶联机制
• 迁移时以微管为导轨、由马达蛋白提供动力。
线粒体
鞭毛髓部
心肌细胞 精子尾部
（二）线粒体的超微结构
电镜下是由两层单位膜围成的封闭囊状结构 由外向内分为4个部分： • 外 膜 (outer membrane) • 膜间腔（intermembrane space） • 内 膜（inner membrane） • 基质/内 室 （matrix/inner chamber）