第六章线粒体
第六章 线粒体
第六章线粒体名词解释1、电子传递链electron-transport chain膜上一系列由电子载体组成的电子传递途径。
这些电子载体接受高能电子，并在传递过程中逐步降低电子的能量，最终将释放的能量用于合成ATP或以其他能量形式储存。
2、化学渗透学说chemiosmosis氧化磷酸化的耦联机制。
电子经电子传递链传递后，形成跨线粒体内膜的质子动力势，用以驱动ATP合成酶合成ATP。
3、结合变构模型binding change model利用质子动力势驱动ATP合成酶构象发生改变，将ADP和无机磷合成ATP的模型。
4、孔蛋白porin存在于线粒体和叶绿体外膜上的整合膜蛋白，形成非选择性的通道。
5、内共生学说endosysmbiont theory关于叶绿体和线粒体起源的假说，认为叶绿体和线粒体起源于被原始真核细胞吞噬的共生原核生物。
6、线粒体mitochondrion将储存在有机物中的能量通过氧化磷酸化过程形成ATP的细胞器。
线粒体是一种能量转换细胞器，还参与细胞凋亡等重要生理过程。
7、氧化磷酸化oxidative phosphorylation底物在氧化过程中产生高能电子，通过线粒体内膜电子传递链，将高能电子的能量释放出来转换成质子动力势进而合成ATP的过程。
8、ATP合酶ATP synthase位于线粒体内膜或叶绿体的类囊体膜上，通过氧化磷酸化或光合磷酸化催化ADP和无机磷合成ATP的酶，由F1头部和嵌入膜内的F0基部组成，也常见于细菌膜上。
9、线粒体膜间隙intermembrane space线粒体内膜和外膜之间的间隙，约6～8nm，其中充满无定形的液体，含有可溶性的酶、底物和辅助因子。
膜间隙的标志酶是腺苷酸激酶。
10、嵴cristae线粒体内膜向基质折褶形成的结构称作嵴(cristae), 嵴的形成使内膜的表面积大大增加。
11、电子载体electron carriers在电子传递过程中与释放的电子结合并将电子传递下去的物质称为电子载体。
细胞生物学之笔记--第6章
第六章线粒体mitochondion与细胞的能量转换第一节线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量&结构（一）线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关线状、粒状、杆状etc 直径0.5~1.0μm。
（二）线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构1.外膜是线粒体外层单位膜outer membrane5~7nm厚，50%脂类、50%蛋白（重量）外膜蛋白多为转运蛋白，形成跨膜水相通道（直径2~3μm），允许分子量10kD以下分子通过，包括小分子多肽（氨基酸平均分子量128D）2.内膜的内表面附着许多颗粒inner membrane4.5nm厚，20%脂类、80%蛋白✧内腔/基质腔（matrix space）由内膜包裹的空间✧外腔/膜间腔（intermembrane space）内、外膜之间的空间✧嵴（cristae）内膜大量向内腔突起性折叠形成✧嵴间腔（intercristae space）嵴与嵴之间的内腔部分✧嵴内空间（intracristae space）由于嵴向内腔突起，造成的外腔向内伸入的部分内膜通透性很小，分子量大于150D，就不能通过内膜有高度的选择通透性，膜上转运蛋白控制内外腔的物质交换内膜内表面附着许多颗粒，数目：104~105个/线粒体，称基粒elementary particle =A TP合酶复合体（A TP synthase complex）3.内外膜相互接近所形成的转位接触点是物质转运到线粒体的临时性结构转位接触点translocation contact site 电镜观察揭示内外膜有些接触点转位接触点分布有蛋白质等物质进出线粒体的通道蛋白和特异性受体，称内膜转位子translocon of the inner membrane, Tim; 和外膜转位子translocon of the outer membrane, Tom4.基质是氧化代谢的场所✧基质matrix 内腔中充满的电子密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等成分✧基质中含各种酶：三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成✧基质中含有双链环状DNA、70S核糖体有1~多个DNA拷贝，有独立遗传物质复制、转录、翻译5.基质的化学本质是ATP合酶基粒，又称A TP合酶复合体，头部直径9nm，柄部长5nm，宽4nm二、线粒体的化学组成三、线粒体的遗传体系（一）线粒体DNA构成了线粒体基因组mtDNA(mitochondrial DNA) 裸露、不与组蛋白结合，基质内一个线粒体平均5~10个DNA分子，编码线粒体的t RNA、rRNA及一些线粒体蛋白质但大多数酶和蛋白质仍由细胞核DNA编码，在细胞质中合成，转送到线粒体中线粒体基因组共16 569 bp，双链环状DNA，一条重链，一条轻链。
第六章 线粒体
（分布：多靠近需 耗能多的位置，如 rER附近，精子尾部 等。）
如有促进脂肪酸进入线粒体代谢的酶。
⑵组成：２０％是脂类，８０％是蛋白质 内膜上约有60多种蛋白质 三种主要功能蛋白质： ①电子传递链酶系：呼吸链电子传递系统氧化反应 的蛋白质： ②ATP合成酶系：基质中合成ATP（氧化磷酸化） ③特异转运蛋白：小分子物质转出基质 ⑶特点： 通透性小，分子量大于１５０的物质不能通过。 选择通透性高，膜上的转运蛋白质控制内、外腔的 物质交换，以保证活性物质的代谢。
ATP合酶复合体 生物氧化 细胞氧化 细胞呼吸 嵴 基粒 糖酵解 内膜 嵴间腔 膜间腔 嵴内空间
matrix 基质 matrix space 基质腔 matrix-targeting sequence .MTS 基质导入序列 Outer membrane 外膜 Oxidative phosphorylation 氧化磷酸化 Translocation contact site 转位接触点 Translocon of the inner membrane, Tim 内膜转位子 Translocon of the outer membrane .Tom 外膜转位子 Tricarboxylic acid cycle ,TAC 三羧酸循环
:细胞液 :线粒体基质 :线粒体基质
第06章-线粒体遗传病
Complex Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
Subunits 41 4 11 13
Nuclear 34 4 10 10
mtDNA 7 0 1 3
ATPase
14
12
2
合计
87
70
13
（二）线粒体基因组所用的遗传密码
和通用密码不完全等同
Codon UGG UGA AGG AGA AUG AUA
Universal code Trp Stop Arg Arg Met Ile
含16569个碱基对。 外环为重链（H）富含G
12种多肽链 12S rRNA 16S rRNA 14种tRNA
内环为轻链（L）富含C
1种多肽链 8种tRNA
mtDNA共有37个 基2因种 编码
rRNA(12S和16S ）基因
22种 编码 tRNA 基因
13种 编码 蛋白质 基因
Human mtDNA, a circular molecule that has been completely sequenced, is among the smallest known mtDNAs, containing 16,569 base pairs. It encodes the two rRNAs found in mitochondrial ribosomes and the 22 tRNAs used to translate mitochondrial mRNAs.
（一）线粒体蛋白输入缺陷 （二）底物运输缺陷 （三）底物利用缺陷 （四）铁运输缺陷 （五）电子传递链缺陷
mtDNA Trp Trp Stop Stop Met Met
（三）mtDNA为母系遗传
母亲将她的mtDNA 传递给儿子和女儿， 但只有女儿能将其 mtDNA传递给下一代。
第六章线粒体和叶绿体(共80张PPT)
复合物IV：细胞色素c氧化酶
• 组成：为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚单位。
• 作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧形成水，每转移一对电子，在基
质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。（2 H+泵出， 2 H+ 参与 形成水）
• cyt c→CuA→heme a→a3- CuB→O2
Transport of electrons from NADH
Transport of electrons from FADH2
在电子传递过程中，有几点需要说明
• 四种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素(含血红素辅基)、铁硫蛋白、辅酶 Q。前三种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性醌。
• 电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形成高能电子(能量转化) ， 终止于O2形成水。
• 4还原态cyt c + 8 H+M + O2→4氧化态cyt c + 4H+C + 2H2O
两条主要的呼吸链
• ①由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。
• ②由复合物II、III、IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。
• 对应于每个复合物Ⅰ，大约需要3个复合物Ⅲ，7个复合物Ⅳ，任 何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而是由辅酶Q和细胞色 素c这样的可扩散性分子连接。
（二） 线粒体的超微结构（两膜两室）
基质
膜间隙
外膜
嵴
内膜
A three-dimensional diagram of a mitochondrion cut longitudinally
•线粒体的超微结构
◆外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性较高。外膜的 标志酶是单胺氧化酶。 ◆内膜（inner membrane）：富含心磷脂，高度不通透性，向内折叠
第六章 线粒体和叶绿体
1) 内膜结构
单层膜，比外膜厚； 通透性较外膜小； 向内折叠成嵴，表面积极大增加，代谢效率 极大提高;
嵴的形状与数量和细胞种类与生理状况有关
2) 线粒体分类（根据嵴的形态结构）
（a）板层形 （b）管形 （a）,（b）为基本形 （c）羽冠形 （d）网膜形 （e）绒毛形 （f）平行形 （g）同心圆形
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第二节 叶绿体与光合作用
●一.叶绿体(Chloroplast)的形态结构
二.叶绿体的结构与化学组成
●三.叶绿体的功能—光合作用
(photosynthesis)
一、叶绿体(Chloroplast)的形态结构
●叶绿体与线粒体形态结构比较
叶绿体内膜并不向内折叠成嵴；内膜不含电
子传递链；除了膜间隙、基质外，还有类囊体； 捕光系统、电子传递链和ATP合成酶都位于类囊体 膜上。 ●叶绿体超微结构
1964年由Paul Boyer最先提出来的。此学
说认为电子沿电子传递链传递使线粒体 内膜蛋白质组分发生了构象变化，形成 一种高能形式。这种高能形式通过ATP 的合成而恢复其原来的构象。未能找到 有力的证据。
（３）化学渗透学说 1961 由英国生物化学家Peter Mitchell最先提出来
的。此学说认为电子传递释放出的自由能和ATP合成
＋
个H 泵出内膜。
ｃ 内膜对H+不能自由通过，泵出
膜外侧的H+不能自由返回膜内侧，
因而造成H+浓度的跨膜浓度梯度。
此梯度包含的能量可驱使ADP和Pi 生成ATP。
ｄ.氢通过ATP合成酶上 的特殊的途径，返回基 质。H+浓度梯度所释放
的自由能，偶联ADP和
第六章 线粒体
◆ 辅酶Q（CoQ）、黄素单核苷酸（FMN）、 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、烟酰胺腺 嘌呤二核苷酸（NAD）等。它们作为辅酶 （或辅基）参与电子传递的氧化还原过程。
◆ 基质中含有催化三羧酸循环、脂肪酸β-氧 化、氨基酸氧化、蛋白质合成等有关的上 百种酶和其他成分， 如环状DNA、RNA、 核糖体及较大的致密颗粒，这些颗粒是含 磷酸钙的沉积物，其作用是储存钙离子， 也可结合镁离子。基质中还有许多可溶性 代谢中间物。
化学渗透假说有两个特点：
A. 强调线粒体膜结构的完整性
如果膜不完整，H+ 便能自由通过膜，则无法在内 膜两侧形成质子动力势，那么氧化磷酸化就会解 偶联。一些解偶联剂的作用就在于改变膜对H+ 的 通透性，从而使电子传递所释放的能量不能转换 合成ATP。
B. 定向化学反应
ATP水解时，H+从线粒体内膜基质侧抽提到膜间 隙，产生电化学质子梯度。ATP合成的反应也是 定向的，在电化学质子梯度推动下，H+ 由膜间隙 通过内膜上的ATP合成酶进入基质，其能量促使 ADP和Pi合成ATP。
◆ 复合物Ⅳ：细胞色素C氧化酶
组成： 二聚体，每一单体含13个亚基，含cyt a, a3 ,Cu, Fe。既是电子传递体又是质子移位 体。 作用： 催化电子从cyt c分子O2 形成水，2 H+泵 出， 2 H+ 参与形成水。
在电子传递过程中，有几点需要说明
◆ 四种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素（含血红 素辅基）、 Fe-S 中心和辅酶 Q。前三种与蛋白质 结合，辅酶Q为脂溶性醌。 ◆ 电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形 成高能电子（能量转化），终止于O2形成水。 ◆ 电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递 (NAD+/NAD最低，H2O/O2最高)。
医学遗传学 第六章 线粒体遗传病 知识点
医学遗传学第六章线粒体遗传病线粒体基因组的结构特征：不与组蛋白结合，呈裸露闭环双链状。
分为重链H链和轻链L 链。
重链富含鸟嘌呤G。
轻链富含胞嘧啶C。
编码区：线粒体基因排列紧密，部分会重叠。
没有启动子和内含子。
有的基因没有完整的三连体终止密码。
基因间隔区短，只有87bp。
两条链都有编码功能。
非编码区（D环区/控制区）：与线粒体复制及转录有关。
包括H链复制的起始点。
H、L链转录的启动子。
四个高度保守序列（可通过此结构判定物种）。
两个高变区。
编码区的保守序列包含37个基因：2个rRNA基因，22个tRNA基因以及是13个氧化磷酸化有关的蛋白质编码基因。
线粒体基因组的遗传特征：半自主性遗传密码和通用密码不同母系遗传：母亲将mtDNA传递给她的所有子女，但只有她的女儿们能将其mtDNA传递给下一代。
mtDNA的突变率极高：原因是--mtDNA的特殊结构（缺乏酪蛋白和其他DNA组结合蛋白的保护。
无DNA损伤的修复系统，没有内含子。
独特的复制方式和复制错配。
mtDNA处于高度氧化的环境。
（ROS和自由基导致氧化损伤或诱导突变。
）同质性与异质性：同质性：一个组织或细胞中所有的线粒体具有相同的基因组，全部为野生型或全部为突变型mtDNA。
异质性：一个细胞或组织具有突变型，也有野生型mtDNA，基金组不同。
异质性的发生率：中枢神经系统＞肌肉组织＞血液。
成人大于儿童。
阀值效应：突变的mtDNA达到一定的比例，超过阀值时能引起某些器官或组织功能异常，导致能量产生急剧下降。
对ATP依赖程度：中枢神经系统＞骨骼肌＞心脏＞胰腺＞肾脏＞肝脏。
遗传瓶颈与复制分离：遗传瓶颈：卵母细胞中的线粒体数目从10万个锐减到少于100个的过程。
复制分离：细胞分裂时进行随机分配，导致mtDNA异质性变化的过程。
线粒体基因组突变类型：点突变：2/3的点突变发生在与线粒体内蛋白质翻译有关的tRNA和rRNA基因上，这些突变会导致tRNA和rRNA的结构异常，从而影响mtDNA编码的多肽链的翻译过程。
第六章 线粒体
（nascent-associated complex 新生多肽相关复合物） 与前体相互作用，能增加前体蛋白转运的 准确性。
前体蛋白结合因子（presequence-binding factor, PBF） 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）ATP酶，为蛋白解聚供能
二、线粒体的化学组成
蛋白质：占线粒体干重的65% -70% (如：大鼠肝细胞线粒体蛋白质
67%在基质内，21%在内膜，6%在外膜，6%在膜间腔)
线 粒 体 的 化 学 组 成
脂 类：占线粒体干重的25% -30%，其中大部分为磷脂 ：磷脂酰胆 碱（卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）、心磷脂（主要存 在内 膜中占其总脂20% ） 外膜：脂类占52%、蛋白质占48%，胆固醇和磷脂含量比 内膜高。 内膜：脂类占24%、蛋白质占76%，胆固醇含量极少，心磷 脂含量比任何膜都高。 DNA和完整的遗传系统
外膜
内膜
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。
2、内膜（inner membrane）：
位于外膜内侧，由一层单位膜构成，平均厚4.5nm。含100种 以上的多肽，蛋白质和脂类的比例约4:1。心磷脂含量高（达 20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。其通透性很差，但有高 度的选择通透性，借助载体蛋白控制内外物质的交换。
（一）线粒体DNA构成了线粒体基因组
1.mtDNA: 是双链闭合环状分子、裸露不与组蛋白结合,
第六章 线粒体与叶绿体
●ATP水解酶的活性
●ATP合成酶的活性
故 F0-F1 颗 粒 又 称 为 ATP 合 酶 (ATP synthase )。
Structure of ATP synthase
◆结构
● Head section: 即 F1, 由 5 种多肽组成九聚 体 , 含有 3 个催化 ATP 合成的位点 , 每个β亚 基一个。 ● Stalk section: 由 F1 的γ亚基和ε亚基构 成,γ亚基穿过头部作为头部旋转的轴。 ● Membrane section: 即 F0, 由 3 种不同的亚 基组成的十五聚体(1a∶2b∶12c)。
一、线粒体和叶绿体的DNA
●mtDNA /ctDNA形状、数量、大小
●mtDNA和ctDNA均以半保留方式进行自我复制
●mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期及G2期，
DNA 先复制，随后线粒体分裂。 ctDNA 复制的时
间在G1期。 复制仍受核控制
mtDNA /ctDNA形状、数量、大小
◆双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA) ◆mtDNA 大小在动物中变化不大，但在植物中变化 较大高等植物，120kbp~200kbp； ◆ 人 mtDNA ： 16,569bp ， 37 个 基 因 ( 编 码 12S,16S rRNA ； 22 种 tRNA ； 13 种多肽： NADH 脱氢酶 7 个
性等特点. 线粒体的形状多种多样,但以线状和粒状最常见.
线粒体在不同类型细胞中,其数目相差很大，但在同一类型细胞中的数目
是相对比较 稳定的.
●线粒体的超微结构 ◆外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)， 通透性较高。标志酶是
单胺氧化酶
◆内膜（inner membrane）：高度不通透性，向内折 叠形成嵴。 含有与能量转换相关的蛋白.标志酶是细胞色素氧化酶.
第六章 线粒体与叶绿体
个质子，同时转移2个质子至膜间隙。所以复合物Ⅳ既是电子
传递体又是质子移位体。
•呼吸链中复合物的排列及功能
线粒体呼吸链中四种复合物的性质
复合物 序号 名称 Ⅰ Ⅱ NADH脱氢酶 琥珀酸脱氢酶 多肽数 22～26 4～5 电子传递 辅基 1个FMN 6-9个Fe/S 中心 1个FAD 3个Fe/S中心 2个细胞色素bc 1个细胞色素c1 1个 Fe/S中心 1个细胞色素a 细胞 色素c 氧(O2) 1个细 胞色素a3 2个Cu中 心(其中 细胞色素a3 是Fe/Cu中心) 接收自 NADH 琥珀酸 (经由酶结 合的FAD) 辅酶Q 传递给 辅酶Q 辅酶Q 传递 质子 是 否
细胞色素
三个铜原子：类似于铁硫蛋白的结构，通过
Cu2+、Cu1+的变化传递电子。
铁硫蛋白：在其分子结构中有2Fe-2S和4Fe4S两种类型。 通过Fe2+ 、 Fe3+互变进行电子 传递。 辅酶Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通 过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式即 氧化型醌Q，还原态QH2和自由基半醌（QH）。
复合物Ⅲ
CoQ-细胞色素c还原酶，由10条多肽链组成，以二聚体形式存 在，每个单体包含两个细胞色素b、一个细胞色素c1和一个铁 硫蛋白。作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移1对 电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。所以复合物
Ⅲ既是电子传递体又是质子移位体。
复合物Ⅳ 细胞色素氧化酶，由6-13条多肽链组成，以二聚体形式存在， 每个单体含有细胞色素a和细胞色素a3及2个铜原子。作用是催 化电子从细胞色素c传给氧，每转移1对电子，在基质侧消耗2
电子传递链
• 在三羧酸循环中，乙酰CoA氧化释放癿大部分能 量都储存在辅酶(NADH和FADH2)分子中。细胞 利用线粒体内膜中一系列癿电子载体(呼吸链)， 伴随着逐步电子传递，将NADH戒FADH2迚行氧 化，逐步收集释放癿自由能最后用于ATP癿合成， 将能量储存在ATP癿高能磷酸键。
第六章线粒体
↑
↓
苹果酸←延胡索酸←琥珀酸
该过程底物水平磷酸化生成2ATP
④氧化磷酸化
（oxidative phosphorylation）
——定义：伴随电子传递链的氧化过程所 进行的能量转换和ATP的生成就是氧化磷 酸化。该过程产生34ATP。 线粒体内形成ATP，并贮存能量。1 分子葡萄糖彻底氧化生成CO2和H2O，净 产生 38 ATP。
（2）底物水平磷酸化只占细胞ATP 来源的10~20%以上。
（三）呼吸链 （respiratory chain)与电子传递 及能量释放
NADH和FADH2中的能量是如何转换合成ATP的？
1、呼吸链概念、组成及其定位
电子传递链（呼吸链）可比做放能装置——它是一 组酶的复合体，分布并镶嵌在线粒体内膜上，它 包括递氢体（复合物I、III、IV ）、和递电子体 （辅酶Q、细胞色素b、c1、c、a、a3和铁硫蛋 白），在线粒体内膜上电子逐级传递过程中，完 成氧化还原并释放能量。
线粒体中约有140多种酶（参见表8-1）其中氧化
还原酶约占37%，连接酶占10%，水解酶仅占9%。
线粒体各部分的标志酶
外膜——单胺氧化酶 膜间腔——腺苷酸激酶 内膜——琥珀酸脱氢酶 基质——苹果酸脱氢酶
三、 线粒体的超微结构
电镜下：线粒体是由两层单 位膜围成的封闭的囊状结构。 主要分为外膜、内膜、膜间 隙和基质四部分。 还有内膜上的嵴和基粒以及
形成柄的一部分。 帮助与F0结合 。 与F0的两个b亚基共同形成定子。
• F0 由3个不同的亚单位组成—— 1a 2b 12c。 c 亚单位形成膜上可移动的环； a 亚单位可作为质子的通道； b 亚单位嵌入脂质双层，并延伸 到F1， 形成柄的一部分。
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第四节
线粒体与细胞凋亡
线粒体疾病——以线粒体结构和功能缺陷为主要疾病原因的 疾病（帕金森病） 线粒体疾病的特征： 高突变率（比核DNA高10~20倍） 多质性（野生型和突变型的DNA同时存在） 母系遗传 阈值效应 线粒体与癌症的发生：mtDNA易突变，内膜缺损，mtDNA片段 游离在胞质中并整合到核基因组中 线粒体与细胞凋亡
人线粒体基因组不同于核基因组的特点
1、结构紧密，基因内部不含内含子，几乎没有 非编码序列 2、mtDNA不与组蛋白结合 3、两条链的编码不对称 4、密码子的配对是不严格的 5、遗传密码与核密码有不同的编码意义
哺乳动物mtDNA的遗传密码与通用遗传 密码有以下区别
①UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码； ②多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子 编码，起始甲硫氨酸由AUG，AUA，AUU和 AUC四个密码子编码； ③AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密 码子，线粒体密码系统中有4个终止密码子 （UAA，UAG，AGA，AGG）。
线粒体沿着微管的迁移
线粒体的超微结构
两层单位膜（结构和功能不同）围成的封闭的囊性结构
结构、功能和化学组成不同的两层膜
光滑平整 5-7nm 向内突出折叠形成嵴
4.5nm
蛋白：75%
蛋白50%
多种转运蛋白形成含水的通道 10000以下的小分子自由通过
通透性小于外膜
大于150的物质不能通过 包括ATP合酶、转运蛋白、 电子传递链
基质导入序列（MTS）是输入到线粒体蛋白质都具有的一段序 列 位于N-端 包含介导蛋白质向线粒体转运的信号
转运目的地：线粒体基质 膜间腔 外膜 内膜
核编码蛋白向线粒体基质中的转运
前体蛋白在胞浆中游离核糖体上合成 前体蛋白在多种分子伴侣的作用下保持非折叠状态 前体蛋白的MTS序列与线粒体膜上的受体识别并结合 非折叠的前体蛋白通过转位接触点转运到线粒体基质 中 在基质作用蛋白酶的作用下移除MTS序列 在分子伴侣的帮助下多肽链重新折叠形成活性蛋白 质
外源性： 90%
核DNA编码 细胞质内合成，转运入线粒体
线粒体合成蛋白的特点
与转录同步进行 起始密码为AUA 对氯、红、链霉素敏感，放线菌酮不敏感 数量少但关键 需要的tRNA、mRNA和核糖体是专用的
核编码蛋白向线粒体的转运
核编码的线粒体蛋白：都具有MTS序列 其它的信号序列
让我们开始上课吧!
第六章 线粒体与细胞的能量转换
线粒体的基本特征
细胞呼吸与能量转换
细胞的能量转换 线粒体与细胞死亡 线粒体与医学
(mitochondrion)
第一节
光镜下：线状 颗粒状 杆状
线粒体的基本特征
数量、分布：不同细胞之间在数量上存在差异
常分布在细胞内能量需求大的区域
可沿微管、由马达蛋白提供动力向功能旺盛的区域迁移
线粒体的半自主性
线粒体中含有DNA、各种RNA、核糖体和蛋白 质合成所需的酶类，它的遗传系统能表达和进行 蛋白质的合成。有一定的自主性。 线粒体合成的蛋白质只能满足本身结构和功能的 极小一部分需求，它的遗传系统的表达在很大出芽分裂
收缩分裂 间壁分裂
不是绝对均等的
分裂过程中mtDNA随机、不均等地分配到新的线粒体中 线粒体起源于共生的早期细菌
第二节 细胞呼吸与能量转换
细胞呼吸（生物氧化；细胞氧化） 细胞内特定的细胞器（线粒体）内，在氧的参与下，分解大分 子物质,产生CO2、释放能量并储存于ATP中的过程。
脂肪————脂肪酸 多糖——糖——丙酮酸 蛋白质————氨基酸
乙酰CoA——三羧酸循环——电子传递和氧化磷酸化 ATP 糖酵解 有氧氧化
1分子葡萄糖
2 分子ATP 38 分子ATP
第三节 细胞的能量转换
细胞氧化的过程 1、糖酵解——细胞质
2、三羧酸循环——线粒体基质 3、氧化磷酸化——结构基础 呼吸链 ATP合酶复合体
化学渗透假说
Mitchell P.1961 提出 70年代关于化学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， Mitchell本人也因此获得1978年诺贝尔 化学奖
mtDNA的复制、转录
复制——半保留 需要核基因编码的酶类、调控因子的参与 两个单向复制叉 两条链合成的方向相反，不同步 不受细胞周期的影响
转录——需要核基因编码的酶和转录因子的参与 重链和轻链各有一个启动子 成熟的mRNA无帽，有靴
线粒体蛋白质的来源
内源性：10%
线粒体完成电子传递和氧化磷酸化必需的 在线粒体内合成、 不运出线粒体
The release of cytochrome C from the mitochondria is a particularly important event in the induction of apoptosis. Once cytochrome C has been released into the cytosol it is able to interact with a protein called Apaf-1. This leads to the recruitment of procaspase 9 into a multi-protein complex with cytochrome C and Apaf-1 called the apoptosome. Formation of the apoptosome leads to activation of caspase 9 and the induction of apoptosis.
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梯度及电位梯 度两者共同构成电化学梯度。 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合成酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。
核编码蛋白向线粒体膜间腔的转运
细胞质中合成多肽链 多肽链N-端进入基质，在蛋白酶的作用下切除MTS 整个蛋白进入基质 在分子伴侣帮助下，ISTS序列 引导下通过内膜上的通道 ISTS序列阻止c-端进入基质 多肽链固定在内膜上，侧向扩散 在蛋白酶作用下切除ISTS,C-端脱落
线粒体的膜间腔
外膜上 通道
相对独立的遗传信息复制、转录 和翻译系统
基粒（ ATP合酶复合体）
线粒体内膜内表面上附着，突出于内腔的颗粒
是将呼吸链电子传递过程中释放的能量用于使ADP生成ATP的 重要部位，它的化学本质是ATP合酶
头部：具有ATP合酶活性 能被F1抑制蛋白抑制 柄部：调控质子通过，对寡霉素敏感
基部：嵌入内膜，是质子流向头部的 通道
线粒体的遗传体系
除植物中的叶绿体外，真核细胞中唯一含 有核外遗传物质的细胞器 线粒体DNA(mtDNA)
裸露的，不与组蛋白结合 多拷贝 编码线粒体的tRNA,rRNA,部分线粒体蛋白
人类线粒体基因组
16569bp 一个双链、环状DNA分子 两条链上编码物不相同 37个基因的编码产物 2个rRNA分子 22种tRNA分子 13种蛋白质
Outer membrane
inner membrane
孔蛋白（porin）
线粒体内膜
是细胞质与线粒体基质之间主要的通透屏障 内表面有负责多种功能的蛋白
线粒体的内部空间
膜间腔（外腔）
充满无定形液体 含有多种可溶性酶、底物和辅助因子 基质腔（内腔） 酶:DNA聚合酶、氨基酸活化酶等 线粒体 DNA 线粒体RNA 线粒体核糖体（70s) 基粒
转位接触点
电镜下观察到线粒体存在着一些内外膜相互接触的地 方，此处膜间隙变狭窄
分布有通道蛋白 和特异性受体
线粒体的化学组成
蛋白质： 占65%-70%、 含酶最多的细胞器（120种） 不同部位的标志酶 内膜——细胞色素氧化酶 外膜——单胺氧化酶 基质——苹果酸脱氢酶 膜间腔——腺苷酸激酶 脂类 ： 占25%-30% 主要是磷脂 含丰富的心磷脂、少量的胆固醇 DNA/RNA/核糖体 辅酶、维生素和无机离子