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1、2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 1 1教学基本要求教学基本要求1.掌握掌握线粒体形粒体形态、数量、分布等、数量、分布等显微特征；微特征；2.掌握掌握线粒体的超微粒体的超微结构；熟悉构；熟悉线粒体的化学粒体的化学组成；成；3.熟悉熟悉线粒体基因粒体基因组结构与特征；了解构与特征；了解线粒体粒体遗传系系统与与细胞核胞核遗传系系统的相互关系；的相互关系；4.熟悉氧化磷酸化的概念与机制；熟悉氧化磷酸化的概念与机制；5.了解了解线粒体相关的粒体相关的临床意床意义2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 2 2第一第一节 线粒体的基本特征粒体的基本
2、特征一、一、线粒体的形粒体的形态、数量和、数量和结构构（一）（一）线粒体的形粒体的形态、数量与分布、数量与分布1.1.形形态：一般呈粒状或杆状。：一般呈粒状或杆状。&可呈可呈线状，状，哑铃形、分杈状或其它形状，因形、分杈状或其它形状，因生物或生物或细胞种胞种类和生理状和生理状态而异。如肝而异。如肝细胞胞的呈的呈椭球形和棒状，口腔粘膜上皮球形和棒状，口腔粘膜上皮细胞的是胞的是球形球形颗粒，酵母菌的是分支形的。低渗状粒，酵母菌的是分支形的。低渗状态下呈泡状，高渗状下呈泡状，高渗状态下成下成线状；人胚肝状；人胚肝细胞胞线粒体在粒体在发育早期是短棒状，晚期育早期是短棒状，晚期长棒状。棒状。2009-0
3、82009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 3 32.大小：一般直径大小：一般直径0.51.0m , 长1.53.0 m 。&在胰在胰脏外分泌外分泌细胞中可胞中可长达达1020 m，称，称巨巨线粒体粒体3.3.数量：因数量：因细胞的种胞的种类而不同，一个而不同，一个细胞中的胞中的线粒体数一般粒体数一般为几百到几千个。几百到几千个。&哺乳哺乳动物成熟物成熟红细胞中无胞中无线粒体。粒体。&单细胞鞭毛藻胞鞭毛藻1 1个个&酵母酵母细胞胞1 1个大型分支的个大型分支的线粒体粒体&肝肝细胞胞约13001300个个&巨大巨大变形虫形虫5050万个万个2009-082009-08细细胞生物学与胞生
4、物学与遗传遗传学学 4 44.4.分布：与分布：与细胞能量需求相适胞能量需求相适应。&代代谢旺盛的旺盛的细胞中胞中较多多&功能活功能活动旺盛的区域中旺盛的区域中较多：如在肝多：如在肝细胞中呈胞中呈均匀分布，在均匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行或胞中靠近微血管，呈平行或栅状排列，状排列，肠表皮表皮细胞中呈两极性分布，集中胞中呈两极性分布，集中在在顶端和基部，在精子中分布在鞭毛中段。端和基部，在精子中分布在鞭毛中段。&线粒体在粒体在细胞胞质中可以向功能旺盛的区域迁移中可以向功能旺盛的区域迁移2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 5 5（二）（二）线粒体的粒体的结构构
5、1.外膜外膜(outer membrane)（1）形）形态：光滑平整，厚：光滑平整，厚57nm（2）组成：脂成：脂类与蛋白与蛋白质各各约1/2，标志性志性酶是是单氨氧化氨氧化酶（3）功能特性：通透性）功能特性：通透性较高。含多种高。含多种转运蛋白运蛋白（孔蛋白，有直径（孔蛋白，有直径23nm的含水孔道），允的含水孔道），允许分子量在分子量在10000以下的物以下的物质自由通自由通过。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 6 62.内膜内膜(inner membrane)（1）形）形态：向内腔折叠形成：向内腔折叠形成嵴，表面，表面积大；大；嵴上有上有特化的基粒，膜厚特
6、化的基粒，膜厚4.5nm；（2）结构区域：构区域： 基基质腔腔(matrix space)：内膜：内膜围成，含基成，含基质， 膜膜间腔腔(intermembrane space)：内外膜之：内外膜之间的腔的腔 嵴(cristae): 嵴是内膜向是内膜向内腔突起形成的板状或内腔突起形成的板状或管状折叠。管状折叠。 嵴间腔腔(intercristae space) 嵴内腔内腔(intracristae space)2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 7 7（3）组成：脂成：脂类20%，蛋白，蛋白80%，内膜的，内膜的标志志性性酶是是细胞色素氧化胞色素氧化酶和琥珀酸脱和
7、琥珀酸脱氢酶。（4）功能特性：通透性）功能特性：通透性较低，分子量大于低，分子量大于150的的物物质不能通不能通过；有多种；有多种转运蛋白，运蛋白，选择通透性通透性强。3.转位接触点（位接触点（translocation contact site）（1 1）定）定义：线粒体内、外膜相互接触的位置，粒体内、外膜相互接触的位置，此此处膜膜间腔的狭，称腔的狭，称为转位接触点，是物位接触点，是物质进出出线粒体的通道。粒体的通道。（2 2）功能性成分）功能性成分n外膜外膜转位子（位子（TomTom）受体蛋白受体蛋白n内膜内膜转位子（位子（TimTim）通道蛋白通道蛋白2009-082009-08细细胞生
8、物学与胞生物学与遗传遗传学学 8 84.基基质（matrix）基基质腔和腔和嵴间腔中的胶状物腔中的胶状物质，成分有：，成分有：（1）酶类：三：三羧酸循酸循环，脂肪酸氧化，氨基酸，脂肪酸氧化，氨基酸分解，蛋白分解，蛋白质合成等；合成等；标志志酶是苹果酸脱是苹果酸脱氢酶。（2）DNA：双：双链环状状（3）核糖体：）核糖体：70S5.基粒基粒(elementary particle)基粒是基粒是内膜基内膜基质腔面的腔面的ATP酶复合体，可催化复合体，可催化ADP磷磷酸化生成酸化生成ATP。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 9 9二、二、线粒体的化学粒体的化学组成成线粒
9、粒体体的的化化学学组成成（一）蛋白（一）蛋白质（占干重的（占干重的6570%）（三）（三）DNA及及遗传系系统（有（有遗传半自主性）半自主性）（二）脂（二）脂类( (占占干重的干重的25-30%)25-30%)1.1.成分：卵磷脂、成分：卵磷脂、脑磷脂、磷脂、心磷脂及磷脂心磷脂及磷脂酰肌醇；肌醇；2.2.特征：卵磷脂含量最高，特征：卵磷脂含量最高，含心磷脂，胆固醇含量低含心磷脂，胆固醇含量低1.1.可溶性蛋白：基可溶性蛋白：基质中的中的酶蛋白和膜外在蛋白蛋白和膜外在蛋白2.2.不溶性蛋白：嵌入膜内的不溶性蛋白：嵌入膜内的结构蛋白和构蛋白和酶蛋白蛋白2009-082009-08细细胞生物学与胞生
10、物学与遗传遗传学学 1010三、三、线粒体的粒体的遗传体系体系线粒体有自己的基因表达系粒体有自己的基因表达系统，但只，但只编码10多多种蛋白种蛋白质，线粒体中已确定的粒体中已确定的酶有有120多种，多种，是半自主性是半自主性细胞器。胞器。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 1111（一）（一）线粒体基因粒体基因组特征特征1.线粒体基因粒体基因组的的结构构（1）DNA 分子特征：分子特征：环状，状，16 596 bp，1个分个分子，多个拷子，多个拷贝。（2）基因数量与）基因数量与类别：重：重链28个基因，个基因，轻链9个基个基因，因，编码序列占序列占93%2个个rR
11、NA基因基因22个个tRNA基因基因13个蛋白个蛋白质基因基因2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 121213个蛋白个蛋白质基因：基因：1个个编码细胞色素胞色素C还原原酶b亚单位位 2个个编码ATP酶复合体复合体F0部位的部位的亚单位位3个个编码细胞色素胞色素C氧化氧化酶亚单位位7个个编码呼吸呼吸链NADH脱脱氢酶亚单位位2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 13132.线粒体基因粒体基因组的的结构与功能特征构与功能特征 （1）结构构紧密，无内含子，很少有非翻密，无内含子，很少有非翻译区，区，编码序列占序列占93%；并有重叠基因；并有重
12、叠基因（2）裸露、）裸露、环状状（3）成熟的）成熟的mRNA 5端没有帽，端没有帽，3端有端有55个多聚个多聚A的尾部的尾部（4）有特殊密）有特殊密码（5）复制不受）复制不受细胞周期限制胞周期限制（6）突）突变率高，缺乏修复能力率高，缺乏修复能力（7）呈母系）呈母系遗传2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 1414线粒体粒体遗传系系统的特殊密的特殊密码子子密码子密码子密码子密码子核密码编核密码编核密码编核密码编码氨基酸码氨基酸码氨基酸码氨基酸线粒体密码子编码氨基酸线粒体密码子编码氨基酸线粒体密码子编码氨基酸线粒体密码子编码氨基酸哺乳动物哺乳动物哺乳动物哺乳动物果蝇果
13、蝇果蝇果蝇链孢霉菌链孢霉菌链孢霉菌链孢霉菌 酵母酵母酵母酵母UGAUGA终止终止终止终止色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸AGA,AGGAGA,AGG精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸终止终止终止终止丝氨酸丝氨酸丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸AUAAUA异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸 异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸 异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸AUUAUU异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸 异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫
14、氨酸甲硫氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸CUU,CUC CUU,CUC CUA,CUGCUA,CUG亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸苏氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 1515（二）（二）线粒体基因表达粒体基因表达1.转录及及转录产物的特征物的特征转录分分别起始于重起始于重链启启动子子(HSP)和和轻链启启动子子(LSP)转录产物是包括物是包括mRNA和和tRNA的多的多顺反子反子（类似于原核生物）似于原核生物）mRNA不含内含子，很少有
15、非翻不含内含子，很少有非翻译区区3有多聚有多聚A尾部，尾部，5端无帽端无帽2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 16162.翻翻译翻翻译在在线粒体核糖体中粒体核糖体中进行（核糖体蛋白由核行（核糖体蛋白由核基因基因编码，由，由细胞胞质运往运往线粒体）粒体）所有所有tRNA均由均由mtDNA编码多多肽链起始氨基酸起始氨基酸为甲甲酰甲硫氨酸（同原核生甲硫氨酸（同原核生物）物）2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 1717（三）（三）线粒体粒体DNA的复制的复制1.重重链、轻链各有一个复制起始点各有一个复制起始点2.重重链先复制，先复制，顺时针方
16、向；方向；轻链后复制，逆后复制，逆时针方向；复制需方向；复制需2小小时3.复制不受复制不受细胞周期限制胞周期限制2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 1818四、核基因四、核基因编码蛋白蛋白质向向线粒体的粒体的转运运（一）前体蛋白在（一）前体蛋白在（一）前体蛋白在（一）前体蛋白在线线粒体外去折叠粒体外去折叠粒体外去折叠粒体外去折叠前体蛋白与分子伴前体蛋白与分子伴前体蛋白与分子伴前体蛋白与分子伴侣侣Hsp70Hsp70结结合，保持非折叠状合，保持非折叠状合，保持非折叠状合，保持非折叠状态态；前体蛋白的前体蛋白的前体蛋白的前体蛋白的N-N-端有端有端有端有识别识别和和和
17、和牵牵引作用的引作用的引作用的引作用的导肽导肽。（二）多（二）多（二）多（二）多肽链肽链穿越穿越穿越穿越线线粒体膜粒体膜粒体膜粒体膜非折叠蛋白与非折叠蛋白与非折叠蛋白与非折叠蛋白与线线粒体粒体粒体粒体转转位接触点的受体位接触点的受体位接触点的受体位接触点的受体结结合通合通合通合通过过内、内、内、内、外膜外膜外膜外膜进进入入入入线线粒体。粒体。粒体。粒体。（三）多（三）多（三）多（三）多肽链肽链在在在在线线粒体基粒体基粒体基粒体基质质内重新折叠内重新折叠内重新折叠内重新折叠多多多多肽链肽链与与与与Hsp70Hsp70分离，由分离，由分离，由分离，由Hsp60Hsp60等分子帮助其折叠成等分子帮助
18、其折叠成等分子帮助其折叠成等分子帮助其折叠成自然的空自然的空自然的空自然的空间结间结构，并由蛋白构，并由蛋白构，并由蛋白构，并由蛋白酶酶水解水解水解水解导肽导肽。上述三个上述三个上述三个上述三个过过程均需要分子伴程均需要分子伴程均需要分子伴程均需要分子伴侣侣的的的的协协助，并需水解助，并需水解助，并需水解助，并需水解ATPATP供能。供能。供能。供能。 2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 1919五、五、线粒体的起源与粒体的起源与发生生（一）线粒体的起源（二）线粒体的发生2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 2020第二第二节 细胞呼吸
19、与能量胞呼吸与能量转换一、一、细胞呼吸胞呼吸1. 1.定定定定义义：在特定：在特定：在特定：在特定细细胞器（主要是胞器（主要是胞器（主要是胞器（主要是线线粒体）内，在粒体）内，在粒体）内，在粒体）内，在OO2 2的参的参的参的参与下，分解大分子物与下，分解大分子物与下，分解大分子物与下，分解大分子物质质，释释放出能量并放出能量并放出能量并放出能量并储储存于存于存于存于ATPATP的的的的过过程成程成程成程成为细为细胞呼吸（胞呼吸（胞呼吸（胞呼吸（cellular respirationcellular respiration）, ,也称也称也称也称为为生生生生物氧化（物氧化（物氧化（物氧化（b
20、iological oxidationbiological oxidation）。）。）。）。2. 2.特点特点特点特点 本本本本质质上是在上是在上是在上是在线线粒体中粒体中粒体中粒体中进进行的由一系列行的由一系列行的由一系列行的由一系列酶酶催化的氧化催化的氧化催化的氧化催化的氧化还还原反原反原反原反应应； 所所所所产产生的能量生的能量生的能量生的能量储储存于存于存于存于ATPATP的高能磷酸的高能磷酸的高能磷酸的高能磷酸键键中；中；中；中； 反反反反应应在恒温、恒在恒温、恒在恒温、恒在恒温、恒压压条件下条件下条件下条件下进进行；行；行；行； 反反反反应过应过程中需要程中需要程中需要程中需要O
21、O2 2和和和和HH2 2OO的参与。的参与。的参与。的参与。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 2121二、高能分子二、高能分子ATP通通过ADP与与ATP之之间的相互的相互转化化进行行细胞能量胞能量的的转换与与储存。存。转换过程可表示程可表示为：A-PP + Pi + 1.72 kJA-PPP磷酸化磷酸化去磷酸化去磷酸化2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 2222第三节 细胞的能量转换细胞所需能量来自胞所需能量来自细胞胞对葡萄糖、氨基酸、脂肪葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等能源物酸等能源物质的的细胞氧化。胞氧化。细胞氧化可分胞氧化可分为3
22、个个阶段：段：n糖酵解和乙糖酵解和乙酰CoA 的生成的生成n三三羧酸循酸循环n氧化磷酸化氧化磷酸化营养物养物质2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 2323一、糖酵解和乙一、糖酵解和乙酰CoA 的生成的生成 2NAD+ 2NADH 2NAD+ 2NADH C6H12O6 2CH3COCOOH+2H+ 2ADP+2Pi 2ATP2ADP+2Pi 2ATP 在在在在细细胞胞胞胞质质基基基基质质中中中中进进行，不需氧。行，不需氧。行，不需氧。行，不需氧。丙丙丙丙酮酮酸脱酸脱酸脱酸脱氢酶氢酶2CH2CH3 3COCOOH+2HSCoA 2CHCOCOOH+2HSCoA 2C
23、H3 3CO-SCoA+2COCO-SCoA+2CO2 2+2H+2H+ + 2NAD2NAD+ + 2NADH2NADH 在在在在线线粒体基粒体基粒体基粒体基质质中中中中进进行，不需氧。行，不需氧。行，不需氧。行，不需氧。糖酵解糖酵解酶系系2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 2424二、三二、三羧酸循酸循环 6NAD 6NAD+ +2FAD 6NADH+2FADH+2FAD 6NADH+2FADH2 2 2CH3CO-SCoA+6H2O 4CO2+2HSCoA+6H+ 2GDP+2Pi 2GTP2GDP+2Pi 2GTP 在在在在线线粒体基粒体基粒体基粒体基质质
24、中中中中进进行，不需氧。行，不需氧。行，不需氧。行，不需氧。线粒体内膜粒体内膜天冬氨酸天冬氨酸草草酰乙酸乙酸苹果酸苹果酸天冬氨酸天冬氨酸草草酰乙酸乙酸苹果酸苹果酸-酮戊二酸戊二酸 谷氨谷氨酸酸 -酮戊二酸戊二酸 谷氨谷氨酸酸NADH NAD+NADH NAD+123456苹果酸苹果酸天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭线粒体内膜的穿梭机制粒体内膜的穿梭机制甘油甘油3-磷酸磷酸脱脱氢酶复合体复合体 FADH2 FAD磷酸二磷酸二羟丙丙酮甘油甘油3-磷酸磷酸NADH+H胞胞质甘油甘油3-磷酸磷酸脱脱氢酶NAD膜膜间腔腔基基质2eQ -磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制2009-082009-08细细胞生物学与胞
25、生物学与遗传遗传学学 2727三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化（一）呼吸（一）呼吸（一）呼吸（一）呼吸链链和和和和ATPATP酶酶复合体复合体复合体复合体1. 1.呼吸呼吸呼吸呼吸链链 糖酵解和三糖酵解和三糖酵解和三糖酵解和三羧羧酸循酸循酸循酸循环环中脱下的中脱下的中脱下的中脱下的氢氢，以，以，以，以质质子和子和子和子和电电子的形子的形子的形子的形式通式通式通式通过过多种多种多种多种酶酶和和和和辅酶辅酶构成的构成的构成的构成的传递传递体系逐步体系逐步体系逐步体系逐步传递传递，最后，最后，最后，最后与氧与氧与氧与氧结结合成水。合成水。合成水。合成水。这样这样的的的的递氢递氢和和和和递电递电子体系称子
26、体系称子体系称子体系称为为呼吸呼吸呼吸呼吸链链或或或或电电子子子子传递链传递链。 呼吸呼吸呼吸呼吸链链中的中的中的中的酶酶和和和和辅酶辅酶先构成先构成先构成先构成酶酶复合体，再由复合体，再由复合体，再由复合体，再由酶酶复合体复合体复合体复合体构成呼吸构成呼吸构成呼吸构成呼吸链链。呼吸。呼吸。呼吸。呼吸链链中中中中酶酶复合体按照复合体按照复合体按照复合体按照严严格的格的格的格的顺顺序排列序排列序排列序排列在在在在线线粒体内膜上；粒体内膜上；粒体内膜上；粒体内膜上； 在在在在电电子子子子传递过传递过程中逐步程中逐步程中逐步程中逐步释释放出能量，并放出能量，并放出能量，并放出能量，并储储存于存于存于
27、存于ATPATP中中中中2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 2828&线粒体内有两条主要的呼吸粒体内有两条主要的呼吸链：（1）由复合体）由复合体I、III、IV组成，催化成，催化NADH的脱的脱氢氧化。氧化。（2）由复合体）由复合体II、III、IV组成，催化成，催化FADH2的的脱脱氢氧化。氧化。n任何两个复合物之任何两个复合物之间没有没有稳定的定的连接接结构，而构，而是由是由CoQCoQ，Cyt cCyt c这样的可的可扩散性分子散性分子连接。接。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 2929& 呼吸呼吸链中的脂蛋白复合体及其中的脂
28、蛋白复合体及其辅基成分基成分复合复合复合复合体体体体酶活性酶活性酶活性酶活性分子分子分子分子量量量量(kD)(kD)辅基辅基辅基辅基电子传递环节电子传递环节电子传递环节电子传递环节I INADHNADH脱氢酶脱氢酶脱氢酶脱氢酶 850850FMN, FeSFMN, FeSNADHCoQ*NADHCoQ*IIII琥珀酸琥珀酸琥珀酸琥珀酸脱氢酶脱氢酶脱氢酶脱氢酶 140140FAD, FeS, Cyt bFAD, FeS, Cyt b琥珀酸琥珀酸琥珀酸琥珀酸CoQCoQ# #IIIIIICyt cCyt c还原酶还原酶还原酶还原酶250250Cyt b, Cyt c1, FeSCyt b, Cyt
29、 c1, FeSCoQCyt c*CoQCyt c*IVIVCyt cCyt c氧化酶氧化酶氧化酶氧化酶160160Cyt a, Cyt a3, CuCyt a, Cyt a3, CuCyt cO*Cyt cO*n*伴随伴随H+跨膜跨膜转运，运，#不伴随不伴随H+跨膜跨膜转运。运。n不参与复合体构成的不参与复合体构成的载体成分：体成分：NAD, CoQ, Cyt c2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 30302.ATP合合酶(ATP synthetase)复合体（基粒）复合体（基粒）基粒基粒/ATP合合酶复合体的分布、形复合体的分布、形态与与结构构2009-082
30、009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 31312.ATP合合酶(ATP synthetase)复合体复合体（1）形）形态：状如蘑菇，由：状如蘑菇，由8 8种种种种2222个蛋白个蛋白个蛋白个蛋白亚单亚单位构成，位构成，位构成，位构成，分分子量子量500KD，。分，。分为球形球形的的头部（部（F1）和嵌入膜中）和嵌入膜中的基部（的基部（F0）。每个肝）。每个肝细胞胞线粒体通常含粒体通常含15000个个ATP合合酶，每个，每个酶每秒每秒钟可可产生生100个个ATP。ATP合酶的结构（Lodish等1999）2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 3232（2）
31、头部（部（F1）：）： F1由由5种种多多肽组成成 3 3复合体，复合体，具有三个具有三个ATP合成的催化合成的催化位点（每个位点（每个 亚基具有一基具有一个）。个）。 和和 单位交替排列，位交替排列，状如桔瓣。状如桔瓣。 贯穿穿 复合复合体，并与体，并与F0接触，接触， 帮助帮助 与与F0结合。合。 与与F0的两个的两个b亚基形成固定基形成固定 复合体的复合体的结构。构。ATP合酶的结构（Lodish等1999）2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 3333（3）基片（）基片（F0）：）： F0由三种多由三种多肽组成成ab2c12复合体，嵌入复合体，嵌入内膜，内膜
32、，12个个c亚基基组成一个成一个环形形结构，构，具有具有质子通道，可子通道，可使使质子由膜子由膜间隙流隙流回基回基质。ATP合酶的结构（Lodish等1999）2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 3434（二）氧化磷酸化的作用机理（二）氧化磷酸化的作用机理1.质子子动力力势根据根据“化学渗透假化学渗透假说”，当，当电子沿呼吸子沿呼吸链传递时，所所释放的能量将放的能量将质子从内膜基子从内膜基质侧泵至膜至膜间隙，隙，使膜使膜间隙的隙的质子子浓度高于基度高于基质，在，在内膜的两内膜的两侧形成形成pH梯度及梯度及电位梯位梯度，两者共同构度，两者共同构成成电化学梯度，化学梯
33、度，即即质子子动力力势。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 35352.ATP合合酶作用机理作用机理(1)质子子动力力势的存在使膜的存在使膜间腔中的腔中的质子子顺电化学梯化学梯度度经ATP酶复合体的复合体的质子通道由子通道由F0F1返回基返回基质中，同中，同时释放放能量能量改改变ATP合合酶的构象，的构象，从而改从而改变ATP合合酶与底物的与底物的亲和力，催化和力，催化ADP与与Pi形成形成ATP。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 3636(2)在特定在特定时间，F1的的3个个 亚基的构基的构象不同，象不同，三个催三个催化位点与核苷
34、酸化位点与核苷酸的的亲和力不同。和力不同。1232009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 3737在在L构象，构象，ADP、Pi与与酶疏松疏松结合合在一起；在在一起；在T构象构象ADP、 Pi与与酶紧密密结合在一起，合在一起，在在这种情况下可种情况下可将两者加合在一将两者加合在一起成起成ATP；在；在O构构象象ATP与与酶的的亲和力很低，被和力很低，被释放出去。放出去。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 3838(3)质子通子通过F0时，释放能放能量引起量引起c亚基基环旋旋转，从，从而而带动 亚基旋基旋转， 亚基的旋基的旋转引起引起 亚基催
35、化基催化位点构象的周期性位点构象的周期性变化化(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。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 3939第四第四节 线粒体与粒体与细胞凋亡胞凋亡一、与一、与细胞死亡有关的胞死亡有关的线粒体机制粒体机制线粒体粒体产生大量超氧阴离子形成活性氧生大量超氧阴离子形成活性氧组组分分分分（Reactive oxygen species, ROS）1.ROS水平低水平低时，促，促进细胞增生胞增生2.ROS水平高水平高时，线粒体内膜非特异性通透性粒体内膜非特异性通透性孔道开放，孔道开放，caspase级联活
36、化，活化， caspase-3启启动凋亡。凋亡。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 4040二、二、线粒体控制粒体控制细胞死亡的假胞死亡的假说线粒体前期（粒体前期（premitochondrial phase）：）：也称也称诱导期，期，诱导细胞死亡的因子被激活。胞死亡的因子被激活。线粒体期（粒体期（mitochondrial phase ）：也称效）：也称效应期，期，线粒体膜的通透性粒体膜的通透性发生改生改变，是控制，是控制细胞死亡的关胞死亡的关键时期，一旦期，一旦进入入这一点，一点，细胞将不可避免地胞将不可避免地发生后生后续过程。程。线粒体后期（粒体后期（pos
37、tmitochondrial phase ）：）：也称降解期，也称降解期，线粒体粒体释放蛋白放蛋白质，激活蛋白，激活蛋白酶和核酸和核酸酶，介，介导后后续的死亡机制。的死亡机制。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 4141第五第五节 线粒体育医学粒体育医学一、疾病一、疾病过程中的程中的线粒体粒体变化化线粒体粒体对外界外界环境因境因素的素的变化很敏感，一化很敏感，一些些环境因素的影响可境因素的影响可直接造成直接造成线粒体功能粒体功能异常。异常。随随这年年龄增增长，线粒粒体的氧化磷酸化能力体的氧化磷酸化能力下降。下降。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与
38、遗传遗传学学 4242二、二、线粒体基因突粒体基因突变导致疾病致疾病（一）（一）线粒体病的特征粒体病的特征1. 多系多系统疾病，需能越多、磷酸化疾病，需能越多、磷酸化约活活跃的的组织器官累及越重。器官累及越重。首先是首先是脑组织、肌、肌组织、肝、肝组织，其次，其次为周周围神神经、肾、内分泌腺体、内分泌腺体2.具有多具有多质性（性（polygeneity）或异）或异质性性（heterogeneity）3.母系母系遗传4.阈值效效应2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 4343（二）（二）（二）（二）线线粒体病粒体病粒体病粒体病举举例例例例1.Leber1.Leber遗
39、传遗传性性性性视视神神神神经经病：病：病：病：mtDNAmtDNA点突点突点突点突变变致致致致视视神神神神经经萎萎萎萎缩缩，视视力减退，中央力减退，中央力减退，中央力减退，中央视觉视觉消失，消失，消失，消失，视视神神神神经经炎等。炎等。炎等。炎等。2. 2.肌肌肌肌阵挛阵挛性性性性癫痫癫痫伴碎伴碎伴碎伴碎红红肌肌肌肌纤维纤维病：病：病：病：mtDNAmtDNA点突点突点突点突变变致致致致线线粒粒粒粒体呼吸体呼吸体呼吸体呼吸链酶链酶复合体复合体复合体复合体I I和和和和IVIV蛋白合成受阻；表蛋白合成受阻；表蛋白合成受阻；表蛋白合成受阻；表现现肌肌肌肌阵挛阵挛性性性性癫痫癫痫，全身性抽搐，小，全
40、身性抽搐，小，全身性抽搐，小，全身性抽搐，小脑脑共共共共济济失失失失调调，红红肌肌肌肌纤维纤维破破破破损损。3. 3.母系母系母系母系遗传遗传性肌病和心肌病：性肌病和心肌病：性肌病和心肌病：性肌病和心肌病：mtDNAmtDNA点突点突点突点突变变致致致致线线粒体肌粒体肌粒体肌粒体肌病和肥大性心肌病。病和肥大性心肌病。病和肥大性心肌病。病和肥大性心肌病。4.Kerans-Sayre4.Kerans-Sayre综综合征：合征：合征：合征： mtDNAmtDNA缺失，眼外肌缺失，眼外肌缺失，眼外肌缺失，眼外肌瘫痪瘫痪、视视网膜色素网膜色素网膜色素网膜色素变变性、心性、心性、心性、心脏传导脏传导阻滞三
41、阻滞三阻滞三阻滞三联联症。症。症。症。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 4444（三）（三）线粒体病治粒体病治疗的基本措施的基本措施1.补充充疗法：法：补充呼吸充呼吸链所需的所需的酶与与辅酶，如，如辅酶Q。2.选择疗法：法：药物帮助排除突物帮助排除突变线粒体，粒体，选择性性保留正常保留正常线粒体。粒体。3.基因基因疗法：法：转入正常的入正常的线粒体基因。粒体基因。2009-082009-08细细胞生物学与胞生物学与遗传遗传学学 4545思考思考题1.1.线粒体的形状、数量与分布与何因素有关？是粒体的形状、数量与分布与何因素有关？是何关系？何关系？2.2.线粒体的内外膜各有何特征？粒体的内外膜各有何特征？3.3.简述述线粒体超微粒体超微结构、构、线粒体基粒的粒体基粒的结本本结构构和功能。和功能。 4.4.线粒体基因粒体基因组具有哪些特点？具有哪些特点？5.5.为什么什么说线粒体起源于原核生物？粒体起源于原核生物？6.6.为什么什么说线粒体是半自主性粒体是半自主性细胞器？胞器？7.7.细胞能量胞能量转换（生物氧化）可分（生物氧化）可分为哪几个哪几个阶段段？各？各阶段的反段的反应物与物与终产物是什么？物是什么？
