第六章 线粒体 mi

Inner membrane Elementary particle (基粒 基粒) 基粒
嵴
基粒
Structure and ATP synthesis
Inner membrane Elementary particle(基粒) (基粒)
ATP酶 （ATP合成酶复合体、F0F1ATP酶） ATP合成酶复合体、 合成酶复合体
Inner membrane Elementary particle
ATP合成酶复合体 ATP合成酶复合体 ATP酶 F0F1ATP酶 a) 头部 偶联因子F 催化ATP ATP合成 偶联因子F1,催化ATP合成 组分： 组分：α3β3γδε b)基部 基部 偶联因子F 连接F 偶联因子F0, 连接F1与内 膜，是质子通道 组分： 组分：a1b2c12
Inner membrane 呼吸链
又称电子传递链（Electron-transport chain） 又称电子传递链（ ）
在线粒体内膜上，一系列相互关联地有序排 在线粒体内膜上， 列成传递链的蛋白复合物， 列成传递链的蛋白复合物，它们能可逆地接受和 释放H 与氧化磷酸化偶联。 释放H+和e-,与氧化磷酸化偶联。 由四种复合物组成： 由四种复合物组成： 复合物Ⅰ NADH-CoQ还原酶 复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶 复合物Ⅱ 琥珀酸-CoQ还原酶 复合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶 复合物Ⅲ 细胞色素C 复合物Ⅲ：CoQH2-细胞色素C还原酶 复合物Ⅳ 细胞色素C 复合物Ⅳ：细胞色素C氧化酶
nucleus
cytosol
matrix
核编码蛋白质向线粒体转运
核编码蛋白质向线粒体基质转运 游离Ri合成前体蛋白 游离Ri合成前体蛋白 Ri 导肽（基质导入序列） 导肽（基质导入序列） 线粒体蛋白质除少数由mtDNA编码外， mtDNA编码外 线粒体蛋白质除少数由mtDNA编码外，大多数蛋 分子伴侣（热休克蛋白70 Hsp90） 分子伴侣（热休克蛋白70或Hsp90） 前体蛋白的N 端都有一段20 80个氨基酸组成的 20～70或 前体蛋白的N-端都有一段20～80个氨基酸组成的 白质都是由核基因组编码并由胞质核糖体合成转运
(intermembrane space)
Outer membrane 脂类与蛋白质 比例： 比例：1:1 光滑平整 富含转运蛋白 孔蛋白） 通透 （孔蛋白）,通透 性较高
Inner membrane
蛋白与脂类的 比例大于 大于3:1 比例大于3:1 高度特化，通透 高度特化， 性小, 性小,分子量大 150的物质不 于150的物质不 能自由通过 折叠成嵴(crista), 提高ATP ATP生产能力 提高ATP生产能力
线粒体的形态、数量和分布 线粒体的形态、
线粒体的数目 生理活动旺盛的细胞中线粒体数目较多 哺乳动物成熟的红细胞中没有线粒体 一般动物细胞中有数百个，如大鼠肝 一般动物细胞中有数百个， 细胞内有500 1400个线粒体 500—1400个线粒体； 细胞内有500 1400个线粒体；
线粒体的形态、数量和分布 线粒体的形态、
核编码蛋白质向线粒体转运
㈡多肽链穿膜的过程 这一过程是在导肽 的引导下， 的引导下，先与线粒 体膜上受体分子相识 别并结合。 别并结合。再通过膜 上蛋白通道进入线粒 分子伴侣” 体“分子伴侣”此时 的作用是防止蛋白重 新折叠。 新折叠。
核编码蛋白质向线粒体转运
㈢蛋白进入线粒体后的 重新折叠 蛋白进入线粒体后 首先将导肽切除， 首先将导肽切除，然 后重新折叠， 后重新折叠，恢复其 原有的自然状态即可 发挥功能。 发挥功能。
线粒体的分布 能量需求大的区域分布较多
线粒体结构
（Mitochondrial structure） ）
线粒体结构
（Mitochondrial structure） ）
内膜
(inner membrane)
嵴
(crista)
外膜
(outer membrane)
基质腔
(matrix space)
膜间腔Leabharlann Baidu
线粒体
Mitochondria
“Power plants” of the cell
Mitochondrion plays an important role in apoptosis
Mitochondrial DNA mutations contribute to aging
教学内容
一、线粒体的形态结构 二、线粒体的功能（ATP合成） 线粒体的功能（ATP合成 合成） 三、线粒体是半自主性细胞器 线粒体是半自主性细胞器 四、核编码蛋白质向线粒体的转运 五、线粒体的发生 六、线粒体与医学
丙酮酸
伴随线粒体内膜电子 高能底物水解放 传递链的氧化过程所 能，直接将高能 乙酰CoA 乙酰 进行的能量转换和 磷酸键从底物转 ATP的生成 的生成。 ATP的生成。 移到ADP ADP上 移到ADP上，使
TCA ADP磷酸化生成 ADP磷酸化生成 电子传递偶联 氧化磷酸化
ATP。 ATP。
2ATP(底物 底物 水平磷酸化) 水平磷酸化 线粒体
细胞呼吸的基本过程 以葡萄糖为例） （以葡萄糖为例） 1.糖酵解： 1.糖酵解： 糖酵解 在细胞质基质进行 2.三羧酸循环 2.三羧酸循环(TAC)： 三羧酸循环 ： 在线粒体基质进行 3.电子传递和氧化磷 3.电子传递和氧化磷 电子传递和 酸化： 酸化： 在线粒体内膜进行
葡萄糖 糖酵解 细胞质基质 2ATP (底物水平 底物水平 磷酸化) 磷酸化
Inner membrane
蛋白与脂类的比例大于3:1。 蛋白与脂类的比例大于3:1。 大于3:1 高度特化，通透性小,分子量大于150的 高度特化，通透性小,分子量大于150的 150 物质不能自由通过。 物质不能自由通过。 折叠成嵴(crista),提高ATP生产能力。 提高ATP生产能力。 折叠成嵴 提高ATP生产能力 有序排列的呼吸链组分;内表面排列基粒 有序排列的呼吸链组分;内表面排列基粒 呼吸链组分
2分子丙酮酸生成乙酰CoA,产生2对H 分子丙酮酸生成乙酰CoA,产生2 CoA,产生 每次循环生成2CO 产生4 每次循环生成2CO2，产生4对H
底物水平磷酸化产生2ATP 底物水平磷酸化产生2ATP
1分子葡萄糖经氧化: 分子葡萄糖经氧化: 分子葡萄糖经氧化 产生12对H， 产生12对 12 10对以NAD+为载氢体、 10对以NAD 为载氢体、 对以
线粒体的功能
能 源 物 质
葡萄糖 酸 酸
丙酮酸
线粒体的功能
细胞氧化(cellular oxidation)： ： 线粒体内, 的参与下， 线粒体内,在O2的参与下，分解各种 供能物质释放能量的过程， 供能物质释放能量的过程，由于细 胞氧化过程中，要消耗O 释放CO 胞氧化过程中，要消耗O2释放CO2和 H2O，所以又称细胞呼吸(cellular respiration)、生物氧化 生物氧化(biological oxidation)
β δ α
α
β α
β γ ε
b
a
cc cc
两个腔室 膜间腔（ 膜间腔（Intermembrane space 外腔） 外腔） 转位接触点 位于内外膜之间的封闭 间隙。在膜间腔上有内、 间隙。在膜间腔上有内、 外膜之间形成的接触点， 外膜之间形成的接触点， 称为转位接触点， 称为转位接触点，是蛋白 质出入线粒体的通道。 质出入线粒体的通道。
H
34ATP +CO2+H2O
Cellular respiration (细胞呼吸 细胞呼吸) 细胞呼吸
I. 糖酵解：细胞质中进行 糖酵解：
反应过程不需要氧——无氧酵解 无氧酵解 反应过程不需要氧 产生2分子丙酮酸,2对H 产生2分子丙酮酸,2对 ,2
底物水平磷酸化产生2ATP
II. 三羧酸循环 三羧酸循环(TAC)：线粒体基质中进行 ：
序列，富含碱性氨基酸， 序列，富含碱性氨基酸，内含定向运往线粒体的信 入线粒体的。 入线粒体的。这些转运入线粒体的蛋白质称为前体 息，称为导肽。 蛋白。 蛋白称为导肽。 。
核编码蛋白质向线粒体转运
㈠前体蛋白进入线粒 体前的去折叠 这一过程主要是在 分子伴侣” “分子伴侣”蛋白的 协助下完成。 协助下完成。热休克 蛋白（HSP） 蛋白（HSP）是一类 重要的“分子伴侣” 重要的“分子伴侣” 蛋白
贮能、 合成） 放能、电子传递） 氧化（放能、电子传递） 磷酸化（贮能、ATP合成） 呼吸链） （呼吸链） 基粒
10对以NAD+为载氢体、2对以FAD为载氢体 10对以NAD+为载氢体、 对以FAD为载氢体 对以NAD+为载氢体 FAD 进入电子传递链， 分子NADH+H 可形成3 进入电子传递链，1分子NADH+H+可形成3分 ATP； 分子FADH 形成2分子ATP ATP。 子ATP；1分子FADH2形成2分子ATP。
线粒体的形态、数量和分布 线粒体的形态、
线粒体的形态 线状、粒状、杆状等 线状、粒状、 光镜下可见，直径 光镜下可见，直径0.5 ~ 1.0 µm、长 、 1~4 µm
线粒体的形态、数量和分布 线粒体的形态、
线粒体的形态
线粒体的形态、数量和分布 线粒体的形态、
线粒体的形态 线状、粒状、杆状等 线状、粒状、 光镜下可见，直径0.5 光镜下可见，直径 ~ 1.0 µm、长1~4 µm 、
氧化磷酸化
(Oxidative Phosphorylation)
氧化磷酸化偶联机制
化学渗透假说
34ATP
38ATP
线粒体： 线粒体：半自主性细胞器 （一）自主性
具有mtDNA——双链，环状，裸露，不与组 ——双链 环状，裸露， 具有 ——双链， 蛋白结合， 蛋白结合，分散在基质中 、 ☆具有蛋白质合成系统——包括 具有蛋白质合成系统——包括mtmRNA、 具有蛋白质合成系统——包括 mttRNA、mtrRNA、核糖体 、 、
线粒体的发生
线粒体增殖
线粒体的起源
（the origin of mitochondria） ）
内共生学说
线粒体与医学
一 . 疾病过程中的线粒体变化 敏感、多变， 敏感、多变，常作为组织病变的标志 mtDNA突变导致疾病 二 . mtDNA突变导致疾病 母系遗传
线粒体与医学
Leber遗传性视神经 遗传性视神经 病 (LHON) LHON是青少年 LHON是青少年 早期发病的由眼神经 炎引起的视神经萎缩, 炎引起的视神经萎缩, 表现为急性的视力减 退,眼底早期有视乳 头轻度充血, 头轻度充血,边缘不 清,此后遗留视乳头 颞侧苍白. 颞侧苍白.
线粒体与医学
一 . 疾病过程中的线粒体变化 敏感、多变， 敏感、多变，常作为组织病变的标志 mtDNA突变导致疾病 二 . mtDNA突变导致疾病 母系遗传 mtDNA-nDNA突变交互作用引起的疾病 三 . mtDNA-nDNA突变交互作用引起的疾病
Summary
I. 线粒体的形态结构 II. 线粒体的功能：ATP合成 线粒体的功能： 合成 III.线粒体：半自主的细胞器 线粒体： 线粒体 IV. 核编码蛋白质向线粒体的转运
㈡ 非自主性 信息量小， ⒈ mtDNA信息量小，仅编码 信息量小 仅编码5~10%的蛋 的蛋 白质，其余的蛋白质由核基因编码。 白质，其余的蛋白质由核基因编码。 线粒体遗传系统受控于核遗传系统， ⒉ 线粒体遗传系统受控于核遗传系统，
mtDNA的电镜照片 的电镜照片
线粒体： 线粒体：半自主性细胞器
两个腔室 基质腔（Matrix space 内腔、嵴间腔） 内腔、嵴间腔） 基质腔（ 进行三羧酸循环的重要场所 基质 （Matrix ） a)催化三羧酸循环、脂肪 催化三羧酸循环、 催化三羧酸循环 酸氧化、 酸氧化、核酸与蛋白质 合成的各种酶系 b) mtDNA, RNA, ribosomes（核糖体） （核糖体）
NAD（辅酶I NAD（辅酶I） 烟酰胺腺嘌 呤二核苷酸 FAD（黄酶） FAD（黄酶） 黄素腺嘌呤 二核苷酸
2对以FAD为载氢体 对以FAD为载氢体 FAD 经电子传递链，进行氧化磷 经电子传递链， 酸化作用。 酸化作用。
氧化磷酸化
(Oxidative Phosphorylation)
呼吸链（电子传递链Electron transport chain） 呼吸链（电子传递链 ）