1、第六章第六章 线粒体与细胞的线粒体与细胞的 能量转换能量转换 自养生物与异养生物是一种氧化反应 有机化合物有机化合物+O+O2 2COCO2 2+能能量量“燃料”：糖类、脂肪、蛋白质C C6 6H H1212O O6 6+6O+6O2 26CO6CO2 2+6H+6H2 2O+O+能量（能量（ATP+ATP+热量）热量）主要在线粒体中进行，温和条件、酶参与调控细胞呼吸产生能量概述 18501850年，年，AltmannAltmann发现发现 存在于所有真核细胞中（哺乳动物红细胞除外）存在于所有真核细胞中（哺乳动物红细胞除外）提供细胞生命活动提供细胞生命活动8080能量能量 数量因细胞种类而不同
2、，少的数量因细胞种类而不同，少的1 1个，多的达数十万个个，多的达数十万个第一节第一节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 光镜下，呈线状、粒状或杆状，直径光镜下，呈线状、粒状或杆状，直径0.50.51.01.0 m m (一一)线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关线粒体形态结构（苏木精线粒体形态结构（苏木精HE染色）染色）肾小管肾小管细胞细胞 图中箭图中箭头所示头所示颗粒状颗粒状线粒体线粒体线粒体形态结构（荧光）线粒体形态结构（荧光）线粒体线粒体形态结构(电镜)蝙蝠胰腺细胞蝙蝠胰腺细胞线
3、粒体线粒体管状线粒体管状线粒体线粒体包线粒体包围着要被围着要被氧化的脂氧化的脂肪滴肪滴线粒体的可塑性线粒体的可塑性 （一个活细胞的线粒体快速变化形状）一个活细胞的线粒体快速变化形状）线粒体在心肌细线粒体在心肌细胞和精子尾部的胞和精子尾部的分布及形态分布及形态线粒体内膜向内突起形成嵴线粒体内膜向内突起形成嵴（Cristae)Cristae)线粒体的超微结构线粒体的超微结构1.1.外膜外膜 脂类：蛋白质脂类：蛋白质1 1：1 1，厚约，厚约5 57nm7nm 允许通过分子量小于允许通过分子量小于10000D10000D的物质的物质2.2.内膜内膜 脂类：蛋白质脂类：蛋白质1 1：4 4，厚约，厚约
4、4.5nm4.5nm 部分内突，形成嵴部分内突，形成嵴 允许通过分子量小于允许通过分子量小于150D150D的物质的物质 选择通透性高，通过膜上转运蛋白控制选择通透性高，通过膜上转运蛋白控制3.3.膜间腔膜间腔 少量蛋白酶系少量蛋白酶系3 3 转位接触点转位接触点内外膜接触点内外膜接触点肉毒碱缺乏症肉毒碱缺乏症（运输脂肪酸）（运输脂肪酸）内膜转位子：通道蛋白内膜转位子：通道蛋白外膜转位子：受体蛋白外膜转位子：受体蛋白功能：蛋白质等进出线粒体的通道功能：蛋白质等进出线粒体的通道 4基质基质 含多种代谢酶系，含多种代谢酶系，DNA、mRNA、tRNA、核糖体、基质颗粒、核糖体、基质颗粒基粒（基粒（
5、ATPATP酶复合体）酶复合体）头部头部可溶性可溶性ATPATP酶（偶联因子酶（偶联因子F1F1）合成）合成ATPATP柄柄寡霉素敏感蛋白（寡霉素敏感蛋白（OSCPOSCP），调控质子通道），调控质子通道基片基片偶联因子偶联因子F0F0，质子的通道。，质子的通道。ATP酶复合体：合成ATP线粒体中的代谢功能定位线粒体中的代谢功能定位外膜外膜磷脂合成磷脂合成脂肪酸去饱和作用脂肪酸去饱和作用脂肪酸延长脂肪酸延长内膜内膜电子传递电子传递氧化磷酸化氧化磷酸化代谢产物转运代谢产物转运膜间腔膜间腔核苷酸磷酸化核苷酸磷酸化基质基质丙酮酸酯氧化丙酮酸酯氧化TCA 循环循环脂肪的脂肪的 氧化氧化DNA 复制复制
6、,RNA 转录，蛋白质翻译转录，蛋白质翻译1.1.蛋白质蛋白质 占总含量的占总含量的2/32/3，主要分布于内膜和基质，主要分布于内膜和基质 氧化还原酶连接酶水解酶氧化还原酶连接酶水解酶 3737 10109 92.2.脂类脂类 约占总含量的约占总含量的1/31/3，大部分是磷脂，大部分是磷脂此外还有此外还有DNADNA、多种辅酶、维生素及无机离子等、多种辅酶、维生素及无机离子等二、线粒体的化学组成二、线粒体的化学组成三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 线粒体有一套相对独立的线粒体有一套相对独立的DNADNA复制和蛋白质合成体复制和蛋白质合成体系，是一个半自主细胞器。系，是一个半自主细胞
7、器。1.1.线粒体线粒体DNADNA（mtDNAmtDNA）：）：双链闭环结构，独立复制。双链闭环结构，独立复制。全长全长16,569bp16,569bp，共有，共有3737个基因，包括个基因，包括2 2个个rRNArRNA（12S12S、16S16S），），2222个个tRNAtRNA，1313个与氧化磷酸化有关的多肽。个与氧化磷酸化有关的多肽。2.2.线粒体蛋白合成线粒体蛋白合成 线粒体有自己的线粒体有自己的DNADNA、mRNAmRNA、tRNAtRNA、rRNArRNA及蛋白质及蛋白质合成相应的酶，核糖体合成相应的酶，核糖体线粒体线粒体DNADNA双链闭环，裸双链闭环，裸DNADNA。
8、人人mtDNA mtDNA 长长16,569bp,16,569bp,编码一编码一些线粒体蛋白：些线粒体蛋白：（1 1）细胞色素氧）细胞色素氧化酶化酶1 1、2 2、3 3亚基亚基（2 2）ATPase 6ATPase 6、8 8亚基亚基 （3 3）CytB CytB 亚基亚基（4 4）NADH-CoQNADH-CoQ还还原酶的七个亚基原酶的七个亚基 线粒体DNA尼安德特人线粒体基因组问世（Cell），2008）线粒体：细胞质中含有遗传物质线粒体：细胞质中含有遗传物质DNADNA有三个有三个“生理父母生理父母”的猴宝宝的猴宝宝(NatureNature,2009,2009)有线粒体疾病的母猴卵细
9、胞核、健康母猴去核有线粒体疾病的母猴卵细胞核、健康母猴去核的卵细胞、公猴精子的卵细胞、公猴精子20102010诺贝尔生理医学奖诺贝尔生理医学奖英国科学家罗伯特爱德华兹(Robert G.Edwards)因发展体外授精疗法(IVF)获奖 有自身的核糖体和有自身的核糖体和tRNAtRNA22 tRNAs 22 tRNAs 和和 rRNAsrRNAs（16S16S，12S12S，5S5S）线粒体蛋白质的来源线粒体蛋白质的来源图中药物图中药物用于阻止用于阻止蛋白质合蛋白质合成成及线粒体及线粒体内蛋白的内蛋白的来源来源 线粒体密码子与通用的密码子略有不同线粒体密码子与通用的密码子略有不同表：通用密码与线
10、粒体遗传密码的异同。表：通用密码与线粒体遗传密码的异同。但线粒体但线粒体 CUACUA苏氨酸（亮）苏氨酸（亮）AUAAUA甲硫氨酸（异亮）甲硫氨酸（异亮）UGAUGA色氨酸（终止）色氨酸（终止）3.3.线粒体线粒体DNADNA的复制的复制 类似于原核细胞类似于原核细胞 轻链晚于重链复制，且方向相反轻链晚于重链复制，且方向相反 不受细胞周期约束不受细胞周期约束 整个过程约整个过程约2 2小时小时线粒体具半自主性线粒体的分裂线粒体肌病线粒体肌病蓝色蓝色:琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶棕色棕色:细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶慢性进行性外眼肌麻痹慢性进行性外眼肌麻痹细胞能量产生的过程细胞能量产生的过程能量产生
11、过程：能量产生过程：糖酵解（胞质）糖酵解（胞质）丙酮酸（胞质）丙酮酸（胞质）乙酰辅酶乙酰辅酶A A（内膜）（内膜）Krebs Krebs 循环（基循环（基质）质）电子传递和氧化磷电子传递和氧化磷酸化（内膜）酸化（内膜）三、氧化磷酸化耦联与三、氧化磷酸化耦联与ATPATP形成形成1.1.呼吸链（呼吸链（respiratory chain):respiratory chain):线粒体内膜上传递线粒体内膜上传递电子的系列酶复合体。电子的系列酶复合体。复合体复合体：NADHNADH脱氢酶脱氢酶 复合体复合体：琥珀酸脱氢酶：琥珀酸脱氢酶 复合体复合体：细胞色素：细胞色素C C还原酶还原酶 复合体复合体
12、：细胞色素：细胞色素C C氧化酶氧化酶2.ATP2.ATP合成酶合成酶（复合体（复合体）基粒基粒（一）结构基础（一）结构基础ATPATP合酶（合酶（ATPase)ATPase)复合体的组成复合体的组成 头部：头部：偶联因子偶联因子F1 F1，合成，合成ATPATP 柄部：柄部：寡霉素敏感寡霉素敏感蛋白（蛋白（OSCPOSCP）基片：基片：偶联因子偶联因子F0F0F1:5 5 个亚单位的比个亚单位的比例：例：3:3:1:1:1 F F0:0:1a1a：2b2b：12c12c（二）氧化过程伴随磷酸化耦联（二）氧化过程伴随磷酸化耦联呼吸链上电子传递和氧化还原过程呼吸链上电子传递和氧化还原过程u英国科
13、学家米切尔（英国科学家米切尔（P.MitchellP.Mitchell）19611961年提出年提出化学渗透假说（四）（四）ATPATP合成的分子机制：构象偶联学说合成的分子机制：构象偶联学说Boyer p 1979Boyer p 1979年提出，年提出，F1 F1 亚基在电化学势能驱动下依次产生亚基在电化学势能驱动下依次产生L L、T T、O O三三种构象种构象生物氧化产生生物氧化产生ATPATP的统计的统计 一个葡萄糖分子经过细胞呼吸全过程产生多少一个葡萄糖分子经过细胞呼吸全过程产生多少ATPATP？糖酵解：底物水平磷酸化产生糖酵解：底物水平磷酸化产生 4 ATP4 ATP（细胞质）（细胞
14、质）己糖分子活化消耗己糖分子活化消耗 2 ATP2 ATP（细胞质）（细胞质）产生产生 2NADH2NADH，经电子传递产生，经电子传递产生 4 4或或 6 ATP6 ATP （线粒体）净积累（线粒体）净积累 6 6或或8 ATP8 ATP 丙酮酸氧化脱羧：产生丙酮酸氧化脱羧：产生 2NADH2NADH（线粒体），生成（线粒体），生成 6ATP6ATP 三羧酸循环：底物水平的磷酸化产生（线粒体）三羧酸循环：底物水平的磷酸化产生（线粒体）2ATP2ATP；产生产生 6NADH6NADH（线粒体），生成（线粒体），生成 18ATP18ATP；产生产生 2FADH2FADH2 2（线粒体），生成（线
15、粒体），生成 4 ATP4 ATP 总计生成总计生成 3636或或38 ATP 38 ATP 第四节第四节 线粒体与医学线粒体与医学 肿瘤等病理疾病抑制线粒体功能肿瘤等病理疾病抑制线粒体功能 缺血、缺氧抑制缺血、缺氧抑制ATPATP合成酶活性、引起线粒合成酶活性、引起线粒体变性体变性 药物、毒物抑制细胞氧化药物、毒物抑制细胞氧化 红霉素、氯霉素红霉素、氯霉素 一氧化碳、氰化物阻断电子传递一氧化碳、氰化物阻断电子传递小结 基本概念：基粒与基质颗粒基本概念：基粒与基质颗粒;细胞氧化与氧化磷酸细胞氧化与氧化磷酸化化 结构功能：线粒体的超微结构特点结构功能：线粒体的超微结构特点 细胞呼吸和能量转换的基本过程细胞呼吸和能量转换的基本过程 其他知识：线粒体其他知识：线粒体DNADNA遗传特点遗传特点 化学渗透假说的主要内容化学渗透假说的主要内容重点掌握：重点掌握：难点：难点：电子传递与氧化磷酸化电子传递与氧化磷酸化 化学渗透假说化学渗透假说
