医学细胞生物学：06-线粒体的结构功能与遗传

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1、 线线 粒粒 体体（mitochondria） P1381894: R.Altman（亚特曼亚特曼）在动物细胞中首次发现线粒体）在动物细胞中首次发现线粒体, ,命名命名 为生命小体为生命小体( (bioblast) )。1897: Von Benda 命名为线粒体命名为线粒体( (Mitochondrion) )1900：L.Michaelis（米凯利斯（米凯利斯) ) 用詹姆斯绿用詹姆斯绿B B对线粒体进对线粒体进 行活体染色，发现线粒体存在大量的细胞色素氧行活体染色，发现线粒体存在大量的细胞色素氧 化酶系。化酶系。1913：Engelhardt（恩格尔哈特）恩格尔哈特）证明细胞内证明细胞内

2、ATP磷酸化与磷酸化与 细胞内氧消耗相偶联。细胞内氧消耗相偶联。 1943-1950：Kennedy等证明糖最终氧化场所在线粒体。等证明糖最终氧化场所在线粒体。 线粒体研究历史线粒体研究历史1952-1953：Palade（帕拉登）等用电镜观察线粒体的（帕拉登）等用电镜观察线粒体的 形态结构。形态结构。1976年年：Hatefi等纯化呼吸链四个独立的复合体等纯化呼吸链四个独立的复合体。1963年年：Nass首次发现线粒体存在首次发现线粒体存在DNA（mtDNA）。）。1961-1980:Mitchell（米切尔）氧化磷酸化的化学渗透米切尔）氧化磷酸化的化学渗透 假说。假说。1989年年：Boy

3、er提出提出“结合变化机制结合变化机制”和和“旋转催化模旋转催化模型型” 阐述阐述ATP合成酶的工作机制合成酶的工作机制 线粒体的形态结构线粒体的形态结构 线粒体的化学组成及酶的定位线粒体的化学组成及酶的定位 线粒体的功能线粒体的功能 线粒体的半自主性线粒体的半自主性 线粒体的生物发生线粒体的生物发生 线粒体与医学线粒体与医学ContentsContents学习要点学习要点掌握：线粒体的结构与功能掌握：线粒体的结构与功能熟悉：线粒体的半自主性及线粒体基因熟悉：线粒体的半自主性及线粒体基因 组特点组特点了解：线粒体的发生与起源了解：线粒体的发生与起源第一节第一节 线粒体的形态结构线粒体的形态结构

4、 一、线粒体的显微结构一、线粒体的显微结构 形态：形态： 光镜下，线状和颗粒状，也可呈环形、哑铃形、分枝状等，光镜下，线状和颗粒状，也可呈环形、哑铃形、分枝状等，随细胞生理状况而变。随细胞生理状况而变。 光光镜镜下下: :线线状、状、杆杆状、状、粒粒状状大小：大小： 一般直径一般直径0.5-1.0m0.5-1.0m，长，长1.5-3.0m1.5-3.0m。不同细胞。不同细胞线粒体大小变动很大，大鼠肝细胞线粒体长线粒体大小变动很大，大鼠肝细胞线粒体长5m; 5m; 胰腺外胰腺外分泌细胞线粒体长分泌细胞线粒体长101020m20m，人成纤维细胞线粒体长，人成纤维细胞线粒体长40m40m。 线粒体形

5、态、大小因细胞种类和生理状况不同而异线粒体形态、大小因细胞种类和生理状况不同而异数量：数量：u 依依细胞类型细胞类型细胞类型细胞类型而异，动物细胞一般数百到数千个。而异，动物细胞一般数百到数千个。 利什曼原虫：利什曼原虫： 一个巨大的线粒体；一个巨大的线粒体； 海胆卵母细胞：海胆卵母细胞：3030多万个。多万个。u 随细胞随细胞生理功能生理功能生理功能生理功能及及生理状态生理状态生理状态生理状态变化变化 需能细胞：需能细胞：线粒体数目多，如哺乳动物心肌、小线粒体数目多，如哺乳动物心肌、小 肠、肝等内脏细胞；肠、肝等内脏细胞； 飞翔鸟类胸肌细胞：飞翔鸟类胸肌细胞：线粒体数目比不飞翔鸟多；线粒体数

6、目比不飞翔鸟多； 运动员肌细胞：运动员肌细胞：线粒体数目比不常运动人的多线粒体数目比不常运动人的多。 分布：分布： 分布不均，细胞代谢旺盛的需能部位比较集中。分布不均，细胞代谢旺盛的需能部位比较集中。 肌细胞肌细胞: : 线粒体沿肌原纤维规则排列；线粒体沿肌原纤维规则排列； 精子细胞精子细胞: : 线粒体集中在鞭毛中区；线粒体集中在鞭毛中区； 线粒体的分布多集中在细胞的需能部位，有利于细胞需线粒体的分布多集中在细胞的需能部位，有利于细胞需 能部位的能量供应。能部位的能量供应。 二、线粒体的超微结构二、线粒体的超微结构核糖体核糖体外膜外膜内膜内膜嵴膜嵴膜膜间腔膜间腔ATP合成酶（基本微粒）合成酶

7、（基本微粒）基质腔基质腔(a)(a)扫描电镜照片：扫描电镜照片：示线粒体立体结构；示线粒体立体结构；(b) (b) 透射电镜照片：透射电镜照片：示线粒体内部结构示线粒体内部结构 包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚6-7nm，平，平整、光滑，封闭成囊。整、光滑，封闭成囊。 外膜含运输蛋白（通道蛋白），形态上为排列整齐外膜含运输蛋白（通道蛋白），形态上为排列整齐的筒状小体，中央有孔，孔径的筒状小体，中央有孔，孔径1-3nm，允许分子量，允许分子量1KD以内的物质以内的物质自由通过自由通过，5KD以下的分子以下的分子选择通过选择通过；构成外膜的亲水通道。因此，外膜通

8、透性高。构成外膜的亲水通道。因此，外膜通透性高。( (一一) ) 外膜外膜 （Outer membrane）( (二二) ) 内膜内膜 （inner membrane）结构特征：结构特征：高度特化的单位膜，厚高度特化的单位膜，厚6-8nm，膜上蛋白质占膜总重量，膜上蛋白质占膜总重量 76%；u通透性小，具通透屏蔽作用，许多物质不能自由透过；通透性小，具通透屏蔽作用，许多物质不能自由透过； （例如：（例如：H + 、ATP、丙酮酸等）物质透过必须借助膜上、丙酮酸等）物质透过必须借助膜上 的的载体或通透酶载体或通透酶。u向内褶叠形成嵴，嵴的存在增大线粒体内膜的表面积；向内褶叠形成嵴，嵴的存在增大线

9、粒体内膜的表面积；u两种类型的嵴：两种类型的嵴： 板层状板层状: : 高等动物细胞线粒体嵴。高等动物细胞线粒体嵴。 管管 状状: : 原生动物和低等动物细胞线粒体嵴。原生动物和低等动物细胞线粒体嵴。 也称膜间腔，外膜与内膜之间的腔隙也称膜间腔，外膜与内膜之间的腔隙, , 宽约宽约6- -8nm，含多种酶、底物及辅助因子。，含多种酶、底物及辅助因子。 ( (三三) ) 外室（外室（outer chamber） ( (四四) ) 内室（内室（inner chamber） 内膜封裹形成的囊腔，或称嵴间腔，是线粒体细胞内膜封裹形成的囊腔，或称嵴间腔，是线粒体细胞氧化中进行三羧酸循环的场所。氧化中进行三

10、羧酸循环的场所。 基质包括了催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、核酸与基质包括了催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、核酸与蛋白质合成的各种酶系及线粒体蛋白质合成的各种酶系及线粒体DNADNA、线粒体、线粒体RNARNA、线、线粒体核糖体等。粒体核糖体等。 1.1.供膜上的小泡芽生；供膜上的小泡芽生；2.2.运输成运输成分（膜和可溶性蛋白）的装入分（膜和可溶性蛋白）的装入;3.;3.小泡的运输和靶位的识别；小泡的运输和靶位的识别；4.4.小泡的停靠和膜融合小泡的停靠和膜融合, ,完成运完成运输。输。( (五五) ) 基粒（质子泵基粒（质子泵ATP合成酶）合成酶） 与线粒体内膜内表面及嵴膜基质面垂直排列，由以下三

11、与线粒体内膜内表面及嵴膜基质面垂直排列，由以下三部分构成：部分构成：头部：可溶性头部：可溶性ATP酶（酶（F1），水溶性球蛋白，从内膜突），水溶性球蛋白，从内膜突 出于基质内，易从膜表面脱落。出于基质内，易从膜表面脱落。柄部：对寡酶素敏感的蛋白质（柄部：对寡酶素敏感的蛋白质（OSCP），调控质子通），调控质子通 道。道。基片（基片（F0）：疏水蛋白（）：疏水蛋白（HP) )，横跨内膜，质子通道。，横跨内膜，质子通道。基片基片（横跨内膜）（横跨内膜） 头部头部 4nm 柄柄 基片基片9nm7.5nmATP合成酶形态结构示意图合成酶形态结构示意图内外膜特征比较内外膜特征比较2 3 第二节第二节 线

12、粒体的化学组成及酶的定位线粒体的化学组成及酶的定位一、线粒体的化学组成一、线粒体的化学组成（一）蛋（一）蛋 白白 质质: :占线粒体干重的占线粒体干重的65-70 1 1、可溶性蛋白可溶性蛋白 线粒体基质的酶；线粒体膜的外周蛋白线粒体基质的酶；线粒体膜的外周蛋白 2 2、不溶性蛋白、不溶性蛋白 线粒体膜的镶嵌蛋白、内在蛋白和部分酶。线粒体膜的镶嵌蛋白、内在蛋白和部分酶。 线粒体内外膜的蛋白分布是不同的：线粒体内外膜的蛋白分布是不同的： 外膜：外膜：14种不溶蛋白种不溶蛋白 内膜：内膜：21种不溶蛋白种不溶蛋白（二）脂类（二）脂类: :占线粒体干重的占线粒体干重的30%-35%。 90%为磷脂，

13、胆固醇含量极少。为磷脂，胆固醇含量极少。外膜主要含：磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇外膜主要含：磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇内膜主要含：心磷脂（双磷脂酰甘油）内膜主要含：心磷脂（双磷脂酰甘油） 占脂质总量的占脂质总量的20%，与内膜较低的通透性有关。，与内膜较低的通透性有关。心磷脂分子式心磷脂分子式（三）水、无机盐离子及其他（三）水、无机盐离子及其他 1 1、 水：结合水水：结合水 游离水游离水 2 2、无机盐离子：主要为二价阳离子、无机盐离子：主要为二价阳离子 3 3、其他：、其他：CoQ、FMN（黄素单核苷酸黄素单核苷酸）、）、 FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸）、

14、）、 NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）；）； DNA、RNA、核糖体颗粒等核糖体颗粒等 部位部位项目项目内膜内膜外膜外膜胆固醇胆固醇少（少（1/6外膜）外膜） 多多脂类总量脂类总量少（少（1/3外膜）外膜） 多多不溶性蛋白不溶性蛋白21种种14种种蛋白质蛋白质/ /脂类脂类4:11:1 内外膜组分比较内外膜组分比较结论：各组成成分的差别是内膜区别于外膜的重要标记，结论：各组成成分的差别是内膜区别于外膜的重要标记， 赋予二者功能上的差异。赋予二者功能上的差异。二、线粒体中酶的定位分布二、线粒体中酶的定位分布 ( (140多种酶多种酶) )外膜：合成线粒体脂类的酶外膜：合成线粒体

15、脂类的酶内膜：呼吸链酶系、内膜：呼吸链酶系、ATP合成酶系合成酶系基质：三羧酸循环反应酶系、丙酮酸与脂肪酸氧基质：三羧酸循环反应酶系、丙酮酸与脂肪酸氧 化酶系、蛋白质与核酸合成酶系（半自主性）化酶系、蛋白质与核酸合成酶系（半自主性）线粒体中酶的定位分布线粒体中酶的定位分布线粒体主要酶的分布线粒体主要酶的分布部部 位位酶酶 的的 名名 称称外外 膜膜单胺氧化酶、犬尿氨酸羟化酶、单胺氧化酶、犬尿氨酸羟化酶、NADH-细胞色素细胞色素C还原还原酶酶特征酶：特征酶：单胺氧化酶单胺氧化酶膜膜 间间 隙隙腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶特征酶：特征酶：腺苷酸激酶腺苷酸激

16、酶内内 膜膜细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、肉毒碱脱氢酶、肉毒碱酰基转移酶、酰基转移酶、 - -羟丁酸和羟丁酸和 - -羟丙酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、羟丙酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸载体。合成酶系、腺嘌呤核苷酸载体。特征酶：细胞色素氧化酶特征酶：细胞色素氧化酶基基 质质柠檬酸合成酶、乌头酸酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢柠檬酸合成酶、乌头酸酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、延胡索酸酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体、酶、延胡索酸酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体、天冬氨酸氨基转移酶、蛋白质和核酸合成酶系、脂肪酸氧天冬氨酸氨基转

17、移酶、蛋白质和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系化酶系特征酶：特征酶：苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶 第第 三三 节节 线线 粒粒 体体 的的 功功 能能 线粒体功能线粒体功能: : 氧化磷酸化氧化磷酸化, , 合成合成ATP 通过对营养物质通过对营养物质( (糖、脂肪、氨基酸等糖、脂肪、氨基酸等) )氧化氧化( (放能放能) )与与ADP磷酸化磷酸化( (储能储能) )的的偶联偶联反应完成能量转换，合成反应完成能量转换，合成ATP，直，直接提供细胞生命活动所需能量的接提供细胞生命活动所需能量的95%以上。以上。 包括：包括： 细胞氧化（细胞呼吸）细胞氧化（细胞呼吸） ADP磷酸化磷酸化 一、一、 线粒体

18、与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化（一）氧化磷酸化的概念（一）氧化磷酸化的概念P141 1 1、细胞氧化（细胞呼吸）、细胞氧化（细胞呼吸） 2 2、氧化磷酸化的概念、氧化磷酸化的概念 供供能能物物质质的的氧氧化化过过程程中中，伴伴随随着着电电子子传传递递的的进进行行，同同时时也也进进行行能能量量转转换换和和ATP的的生生成成，此此作作用用被被称为氧化磷酸化。称为氧化磷酸化。（二）氧化磷酸化的结构基础（二）氧化磷酸化的结构基础1.1.呼吸链：呼吸链： 指一系列能够可逆地接受及释放指一系列能够可逆地接受及释放电子或电子或 H+的脂蛋的脂蛋白质复合体，存在于线粒体内膜，形成相互关联、有序白质复合体，存在

19、于线粒体内膜，形成相互关联、有序排列的功能结构体系（一组酶系），并以此偶联线粒体排列的功能结构体系（一组酶系），并以此偶联线粒体中的氧化磷酸化过程，称之为呼吸链（中的氧化磷酸化过程，称之为呼吸链（respiratory chain）或电子传递链（或电子传递链（electron transport chain) )。 电子传递链（呼吸链）的组成电子传递链（呼吸链）的组成 由由四种酶复合体四种酶复合体及及辅酶辅酶Q(CoQ) )和和细胞色素细胞色素C(Cytc) )组成。组成。 （1 1）复合体）复合体：NADH - CoQ还原酶还原酶 （2 2）复合体）复合体：琥珀酸：琥珀酸 - CoQ还原酶还

20、原酶 （3 3）复合体）复合体： CoQ - 细胞色素细胞色素C还原酶还原酶 （4 4）复合体）复合体：细胞色素：细胞色素C氧化酶氧化酶复合体复合体主要成分主要成分结构结构酶活性酶活性电子传递电子传递 （25条多肽条多肽链组成）链组成）非血红素非血红素铁硫蛋白铁硫蛋白结构蛋白结构蛋白FMN二聚体二聚体NADH-CoQ还原酶还原酶 NADHCoQ（递氢、递电子）（递氢、递电子） 2e、4H+ （4条多肽条多肽链组成）链组成）非血红素非血红素铁硫蛋白铁硫蛋白细胞色素细胞色素bFAD单体单体琥珀酸琥珀酸- -CoQ还原还原酶酶琥珀酸琥珀酸 CoQ （递电子）（递电子） e （10条多肽条多肽链组成）

21、链组成）非血红素非血红素铁硫蛋白铁硫蛋白细胞色素细胞色素b细胞色素细胞色素c1 核心蛋白核心蛋白二聚体二聚体CoQ细胞色素细胞色素c还还原酶原酶CoQ细胞色素细胞色素c（递氢、递电子）（递氢、递电子） 2e、4H+（6-13条多肽链组条多肽链组成）成）细胞色素细胞色素a、a3二聚体二聚体细胞色素细胞色素c还原酶还原酶细胞色素细胞色素cO2（递氢、递电子）（递氢、递电子） 2e、2H+呼吸链复合体呼吸链复合体-的主要特性的主要特性两条典型的呼吸链：两条典型的呼吸链： NADH呼吸链：由复合体呼吸链：由复合体、及及CoQ、Cytc组成组成 FADH2呼吸链：由复合体呼吸链：由复合体、及及CoQ、C

22、ytc组成组成两条典型的呼吸链示意图两条典型的呼吸链示意图 复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体2. 线粒体质子泵线粒体质子泵ATP合成酶合成酶( (H+ -ATPase) ) 形态结构形态结构 位于线粒体内膜和嵴的基质面位于线粒体内膜和嵴的基质面, ,与膜表面垂直排列，由与膜表面垂直排列，由头部、柄部、基片构成。头部、柄部、基片构成。嵴嵴与与上上面面的的基基粒粒 基粒电镜照片基粒电镜照片（基粒）（基粒）ATP合成酶的电镜照片合成酶的电镜照片 分子结构分子结构Fl蛋白：蛋白：是球状结构，由是球状结构，由5种种不同的多肽链组成，其组分不同的多肽链组成，其组分为为33，催化，催化

23、ATP合成的合成的部位在部位在亚基上亚基上. . F0质子通道质子通道: :跨线粒体内膜跨线粒体内膜的疏水蛋白质，由多种多肽的疏水蛋白质，由多种多肽链组成链组成. . F0和和Fl之间的柄之间的柄: :包含有两包含有两种蛋白质。一种为寡霉素敏种蛋白质。一种为寡霉素敏感蛋白感蛋白( (OSCP) ) ，一种为偶，一种为偶合因子合因子6（F6）. .(1) F1因子因子 F1：为水溶性球蛋白，从内膜突出于基质内，较为水溶性球蛋白，从内膜突出于基质内，较 易脱落。由易脱落。由3、3、1、1和和1等等9个亚个亚 基组成，基组成，3个个亚基和亚基和3个个亚基交替排列，形亚基交替排列，形 成一个成一个 “

24、桔瓣桔瓣”状结构。各亚基分离时无酶活状结构。各亚基分离时无酶活 性，结合时有酶活性。性，结合时有酶活性。 从膜平面看，从膜平面看，和和亚基交替排列，亚基交替排列，形成一个环状结构。形成一个环状结构。亚基在亚基在a a 和和亚基之间形成一个支柱亚基之间形成一个支柱“shaft”； 和和 共同形成共同形成“转子转子”(2) F0 因子因子F0：嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨 膜质子通道。膜质子通道。 F0的亚基类型和组成在不同物种的亚基类型和组成在不同物种 中差别很大，在细菌中，中差别很大，在细菌中，F0由由a、b、c 3种亚基种亚基 组成；蓝藻中

25、为组成；蓝藻中为a、b、b、c亚基；亚基； F0多拷贝的多拷贝的c亚基形成一个环状结构，亚基形成一个环状结构，a亚基与亚基与b亚基二聚亚基二聚体排列在体排列在c亚基亚基12聚体形成的环的外侧聚体形成的环的外侧，a亚基、亚基、b亚基二聚体和亚基二聚体和亚基共同组成亚基共同组成“定子定子”。其中。其中a亚基有跨膜转运的质子通道亚基有跨膜转运的质子通道的的作用。作用。 F1和和F0通过通过 “转子转子” （和和 共同形成）共同形成）和和 “定子定子”将两部分连接起来，在合成或水解将两部分连接起来，在合成或水解ATP的过程中，的过程中，“转子转子”在在通过通过F0的的 H+ 流推动下旋转，依次与流推动

26、下旋转，依次与3个个亚基作用，调节亚基作用，调节亚亚基催化位点的构象变化；基催化位点的构象变化；“定子定子”在一侧将在一侧将33与与F0连接来。连接来。F0的作用之一，就是将跨膜质子动力势转换成扭力（的作用之一，就是将跨膜质子动力势转换成扭力（torgue），），推动推动“转子转子”旋转。旋转。（三）氧化磷酸化的基本过程（三）氧化磷酸化的基本过程1.糖酵解（生成丙酮酸和脂肪酸）糖酵解（生成丙酮酸和脂肪酸）2.乙酰辅酶乙酰辅酶A生成生成3.三羧酸循环（产生三羧酸循环（产生H +、e -、CO2 ）4.电子传递和偶联的氧化磷酸化（传递电子传递和偶联的氧化磷酸化（传递H+、e-，形成形成H2O；合成

27、；合成ATP）（四）氧化和磷酸化的偶联机制（四）氧化和磷酸化的偶联机制 氧化磷酸化偶联机制一直是研究氧化磷酸化作用的氧化磷酸化偶联机制一直是研究氧化磷酸化作用的关键，二十多年来提出了各种假说，主要有：化学偶联关键，二十多年来提出了各种假说，主要有：化学偶联假说（假说（chemical coupling hypothesis）、构象偶联假说）、构象偶联假说(conformational coupling hypothesis）、化学渗透假说）、化学渗透假说（chemiosmotic coupling hypothesis) )。 越来越多的实验证明：偶联机制在生化上来说是向越来越多的实验证明：偶

28、联机制在生化上来说是向量量（既有大小又有方向的量）（既有大小又有方向的量）的，在功能上来说是渗透性的。的，在功能上来说是渗透性的。化学渗透假说是氧化磷酸化机制研究中最流行的一种假说。化学渗透假说是氧化磷酸化机制研究中最流行的一种假说。 该假说是该假说是1961年英国生物化学家年英国生物化学家Mitchell提出的，提出的，他获得他获得1978年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。1.1.化学渗透假说的主要论点化学渗透假说的主要论点 呼吸链各组分在线粒体内膜中分布是不对称呼吸链各组分在线粒体内膜中分布是不对称的，当高能电子沿呼吸链传递时，所释放的能量的，当高能电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将将H+

29、从从内膜基质侧泵至膜间隙，由于膜对内膜基质侧泵至膜间隙，由于膜对 H+ 不通透，从而使膜间隙的不通透，从而使膜间隙的 H+ 浓度高于基质，在浓度高于基质，在内膜两侧形成电化学质子梯度内膜两侧形成电化学质子梯度（electro-chemical proton gradient），也称为质子动力（），也称为质子动力（proton motive force）。在这个梯度驱动下，）。在这个梯度驱动下，H+ 穿过内穿过内膜上的膜上的ATP合成酶流回到基质，其能量促使合成酶流回到基质，其能量促使ADP和和Pi合成合成ATP。2.2.化学渗透假说的主要步骤化学渗透假说的主要步骤H+H+H+H+H+H+H+H

30、+H+H+ADP+PiATPH+H+膜间腔膜间腔H+基粒基粒内膜内膜H+的电化学梯度是推动力的电化学梯度是推动力质子动力势质子动力势线粒体外膜线粒体外膜线粒体内膜线粒体内膜膜间腔膜间腔3.化学渗透假说的特点：化学渗透假说的特点： 1）、）、强调线粒体膜结构的完整性。强调线粒体膜结构的完整性。 如果线粒体膜不完整，如果线粒体膜不完整，H+ 能自由通过膜，则无法在内能自由通过膜，则无法在内膜两侧形成电化学梯度，氧化磷酸化就会解偶联。一些解膜两侧形成电化学梯度，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偶联剂的作用就在于改变膜对H+的通透性，使电子传递所的通透性，使电子传递所释放的能量不

31、能合成释放的能量不能合成ATP。 2）、定向的化学反应。）、定向的化学反应。 在电化学质子梯度推动下，在电化学质子梯度推动下，H+由膜间隙通过内膜上由膜间隙通过内膜上ATP合成酶进入基质，其质子动力势驱动合成酶进入基质，其质子动力势驱动ADP和和Pi结合形成结合形成ATP。 （五）线粒体（五）线粒体ATP合成酶的工作机制合成酶的工作机制 问题问题:ATP合成酶各亚基如何协同作用利用跨膜质子梯度合成合成酶各亚基如何协同作用利用跨膜质子梯度合成 ATP? Paul Boyer提出提出“结合变化机制结合变化机制”假说和假说和“旋转催化模型旋转催化模型” (a)ATP合合成成酶酶利利用用质质子子动动力

32、力势势产产生生构构象象变变化化，改改变变与与底底物物亲和力，催化亲和力，催化ADP与与Pi形成形成ATP。 (b) F1因子因子亚基有三个催化位点，这三个催化位点的构象亚基有三个催化位点，这三个催化位点的构象不同（不同（L、T、O），与核苷酸的亲和力不同，在），与核苷酸的亲和力不同，在ATP合成过合成过程中，这三个催化位点构象发生周期变化，每个催化位点经程中，这三个催化位点构象发生周期变化，每个催化位点经过三次构象改变合成过三次构象改变合成1个个ATP分子。分子。 (c)质子通过质子通过F0时，引起时，引起c亚基构成的环旋转，带动亚基构成的环旋转，带动亚基旋亚基旋 转，转，亚基的旋转引起亚基的

33、旋转引起亚基亚基3个催化位点构象发生周期性变个催化位点构象发生周期性变化（化（L、T、O），不断将），不断将ADP和和Pi结合在一起，形成结合在一起，形成ATP。绿色亚单位按顺序在下列三种状态变化绿色亚单位按顺序在下列三种状态变化:松散松散 ( loose) 构象，活性部位松散的结合构象，活性部位松散的结合ADP和和Pi紧密紧密 (tight）构象，）构象， 活性部位紧密结合底物并形成活性部位紧密结合底物并形成ATP开放开放 (open） 构象，构象， 形成的形成的ATP从活性部位释放从活性部位释放（六）线粒体（六）线粒体ATP合成酶工作机制的证据合成酶工作机制的证据支持证据支持证据1 199

34、4年年Walker等发表了等发表了0.28nm分辨率的牛心线粒分辨率的牛心线粒体体F1-ATP酶的晶体结构。酶的晶体结构。 Walker利用核苷酸底物类似物，观察利用核苷酸底物类似物，观察ATP合成酶的合成酶的3个催化亚基结合核苷酸底物类似物后晶体构象的变化，个催化亚基结合核苷酸底物类似物后晶体构象的变化，发现发现ATP合成酶由于结合不同的底物类似物而呈现不同合成酶由于结合不同的底物类似物而呈现不同的构象，有力地支持了的构象，有力地支持了Boyer提出的结合变化机制，证提出的结合变化机制，证明在催化循环的任一时刻，明在催化循环的任一时刻，3个催化亚基处于不同的构个催化亚基处于不同的构象状态，构

35、象的变化与位于象状态，构象的变化与位于33中央的中央的亚基的转动亚基的转动相关。相关。 支持证据支持证据 1： F1的晶体结构的晶体结构 (John Walker，MRC， Cambridge 1994)w第一个第一个 亚基（亚基（ TP)结合结合 ATP 类似物类似物 (tight).第二个第二个亚基（亚基（DP）结合）结合ADP (loose). 第三个第三个 亚基亚基(E)处于空的状态处于空的状态 (open).支持证据支持证据 2： 亚基的旋转亚基的旋转 （Noji,Yasuda,Yoshida & Kinoshita.Japan 1997）亚基被固定在载玻片上亚基被固定在载玻片上 亚

36、基亚基(shaft)与荧光标记与荧光标记的肌动蛋白纤维相连的肌动蛋白纤维相连 供给供给ATP时，肌动蛋白发时，肌动蛋白发生旋转（每消耗生旋转（每消耗1分子分子ATP，旋转，旋转120，消耗，消耗3分子分子ATP旋转旋转360） 保罗保罗博耶博耶 约翰约翰沃克沃克 詹斯詹斯斯科斯科 因在因在“生命能量通货生命能量通货三磷酸腺苷三磷酸腺苷ATP”方面的研究而获得方面的研究而获得1997年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 ATP的产生过程示意图（放动画）的产生过程示意图（放动画）总结：总结： 第四节第四节 线粒体的半自主性线粒体的半自主性 (P148)u 线粒体含线粒体含DNA，RNA（mRNA、tR

37、NA、rRNA）、核糖体、氨基酸活化酶等，具有独立进行）、核糖体、氨基酸活化酶等，具有独立进行转录和翻译功能。转录和翻译功能。 但部分密码与通用密码不相同但部分密码与通用密码不相同u mt DNA信息量小信息量小 迄今为止，线粒体仅能独立转录和翻译约迄今为止，线粒体仅能独立转录和翻译约20种线粒体膜和线粒体基质蛋白；线粒体绝大多数蛋种线粒体膜和线粒体基质蛋白；线粒体绝大多数蛋白质需由核基因编码，在细胞质核糖体上合成，然白质需由核基因编码，在细胞质核糖体上合成，然后转移至线粒体。细胞核与线粒体之间存在着密切后转移至线粒体。细胞核与线粒体之间存在着密切的、精确的、严格调控的的、精确的、严格调控的

38、生物学机制。生物学机制。 u在二者协同作用的关系中，细胞核的功能更重要。在二者协同作用的关系中，细胞核的功能更重要。 一方面它提供了绝大部分遗传信息；另一方面它具有关键的一方面它提供了绝大部分遗传信息；另一方面它具有关键的控制功能。也就是说，线粒体的自主程度是有限的，对核控制功能。也就是说，线粒体的自主程度是有限的，对核遗传系统有很大的依赖性。遗传系统有很大的依赖性。 结论：结论： 线粒体的生长和增殖是受核基因组及其自身的基因线粒体的生长和增殖是受核基因组及其自身的基因 两套两套遗传系统的控制，所以称为遗传系统的控制，所以称为半自主性细胞器半自主性细胞器（semiautonomous orga

39、nelle）。）。 一、一、mtDNA的遗传特性的遗传特性 （一）（一） mtDNA的结构的结构 人的人的mtDNA为含有为含有16,569个碱基对的闭合环状双链个碱基对的闭合环状双链 DNA分子。其又被称为分子。其又被称为剑桥序列剑桥序列。（。（19811981年，剑桥大学的年，剑桥大学的年，剑桥大学的年，剑桥大学的AndersonAnderson小组测定了人小组测定了人小组测定了人小组测定了人mtDNAmtDNA的完整的完整的完整的完整DNADNA序列，称为序列，称为序列，称为序列，称为“ “剑桥序列剑桥序列剑桥序列剑桥序列” ”。） 人的人的mtDNA含有含有37个结构基因，编码个结构基

40、因，编码13种与氧化磷酸化种与氧化磷酸化呼吸链有关的蛋白质、呼吸链有关的蛋白质、2种种rRNA(12SrRNA及及 16SrRNA)和和22种与线粒体蛋白质合成有关的种与线粒体蛋白质合成有关的tRNA。线粒体线粒体DNA的电镜照片的电镜照片重链：重链：12种多肽、种多肽、2种种rRNA、14种种tRNA轻链：轻链：1种多肽、种多肽、8种种tRNA线粒体DNA与核DNA的比较 （ 二）线粒体的遗传特点二）线粒体的遗传特点 线粒体的方式不同于孟德尔遗传，而是表现为母系遗线粒体的方式不同于孟德尔遗传，而是表现为母系遗传（传（ maternal inheritance ）。）。 1.母系遗传母系遗传：

41、母亲将：母亲将mtDNA传递给她的儿女，传递给她的儿女，但只有女儿能将其但只有女儿能将其mtDNA传递给下一代。传递给下一代。 一个线粒体母系遗传系谱一个线粒体母系遗传系谱 红色：患者红色：患者 蓝色：正常蓝色：正常2.异质性 当细胞mtDNA发生突变时，细胞内同时存在野生型和突变型的两种mtDNA。3.阈值效应 突变mtDNA分子数量只有在达到某种程度时才足以引起人体器官或组织的功能异常。4.遗传的瓶颈效应遗传的瓶颈效应：线粒体的：线粒体的数量数量在卵的发育过程在卵的发育过程中从中从10万个万个锐减锐减到少于到少于100个的过程，称为遗传瓶个的过程，称为遗传瓶颈。颈。5.广谱性 mtDNA的

42、突变可影响多种细胞功能6.高突变率 mtDNA的突变率比核DNA的突变率高10倍。二、二、mtDNA的功能的功能 1、复制、复制 mtDNA复制是以半保留的形式自主地进行，主要发复制是以半保留的形式自主地进行，主要发生在细胞增殖周期的生在细胞增殖周期的S期到期到G2期。但是，它复制时所必需期。但是，它复制时所必需的的DNA聚合酶是由核聚合酶是由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成编码，在细胞质核糖体上合成的。的。 2、编码（转录、翻译）、编码（转录、翻译） 线粒体中线粒体中mtDNA编码编码2种种rRNA、13种多肽的种多肽的mRNA和和22种种tRNA。然而，这些。然而，这些RNA转录时，亦需

43、要来自于由转录时，亦需要来自于由核核DNA编码、并在细胞质中合成的编码、并在细胞质中合成的RNA聚合酶的催化。聚合酶的催化。三、线粒体对核编码蛋白的转运三、线粒体对核编码蛋白的转运 （略）（略） 蛋白质分选已介绍蛋白质分选已介绍 第五节第五节 线粒体的生物发生线粒体的生物发生一、线粒体的增殖一、线粒体的增殖 线粒体增殖：通过已有线粒体分裂或出芽线粒体增殖：通过已有线粒体分裂或出芽 几种增殖形式：间壁分离、收缩后分离、出芽几种增殖形式：间壁分离、收缩后分离、出芽1.1.间壁分离：间壁分离：分裂时线粒体内膜向中心分裂时线粒体内膜向中心内褶，或线粒体某一个嵴内褶，或线粒体某一个嵴延伸到对缘内膜形成贯

44、通延伸到对缘内膜形成贯通嵴，将线粒体一分为二，嵴，将线粒体一分为二，这种方式见于鼠肝和植物这种方式见于鼠肝和植物组织。组织。 3.出芽：出芽：线粒体出现球形小芽，脱落后长大，发育线粒体出现球形小芽，脱落后长大，发育为线粒体。这种分裂方式见于酵母和藓类植物。为线粒体。这种分裂方式见于酵母和藓类植物。 2.收缩分离：收缩分离：分裂时线粒体中部缢缩分裂时线粒体中部缢缩并向两端拉长分裂，这并向两端拉长分裂，这种分裂方式见于蕨类和种分裂方式见于蕨类和酵母线粒体酵母线粒体无论哪种形式，其基本机制相似：无论哪种形式，其基本机制相似：线粒体膜生长线粒体膜生长mtDNA复制复制线粒体分裂线粒体分裂线粒体分离线粒

45、体分离功能结构重建功能结构重建线粒体分化线粒体分化二、线粒体的起源二、线粒体的起源（一）内共生学说（一）内共生学说 线粒体起源于古老的真核细胞共生的需氧细菌。线粒体起源于古老的真核细胞共生的需氧细菌。主要论据：主要论据： 基因组与细菌类似基因组与细菌类似 完整的蛋白质合成系统完整的蛋白质合成系统 内外膜有不同的进化来源内外膜有不同的进化来源 分裂方式与细菌繁殖方式相同分裂方式与细菌繁殖方式相同 能在异源细胞内长期生存能在异源细胞内长期生存 与紫色非硫光合细菌类似与紫色非硫光合细菌类似（二）分化假说（二）分化假说 需氧型原始真核细胞在进化过程中膜内陷逐渐分需氧型原始真核细胞在进化过程中膜内陷逐渐

46、分化而形成。化而形成。第六节第六节 线粒体异常与疾病线粒体异常与疾病一、一、mtDNA突变与疾病突变与疾病 1987年年Wallace通过对通过对mtDNA突变和突变和Leber遗传性视神经病遗传性视神经病（Lebers hereditary optic neuropathy,LHON）关系的研究，第一次）关系的研究，第一次明确地提出，明确地提出，mtDNA突变可引起人类疾病。突变可引起人类疾病。 近二十年来，随着对线粒体基因组研究的发展，人们对近二十年来，随着对线粒体基因组研究的发展，人们对mtDNA在疾在疾病发生中的作用，有了更深入、更明确的认识。目前已发现，与病发生中的作用，有了更深入、

47、更明确的认识。目前已发现，与mtDNA突变有关的人类疾病多达突变有关的人类疾病多达300余种以上。余种以上。Wallace突变：突变： 1987年年Wallace首先发现首先发现mtDNA11778bp由由G变为变为A，使得编码，使得编码NADH脱氢酶亚单位脱氢酶亚单位4中（复合中（复合物物的的ND4亚单位基因）第亚单位基因）第340位高度保守的精氨酸位高度保守的精氨酸变成组氨酸，从而影响线粒体能量的产生。变成组氨酸，从而影响线粒体能量的产生。 Wallace突变突变mtDNA突变类型及线粒体病突变类型及线粒体病 1、碱基替换：、碱基替换： 与脑、脊髓性及神经性疾病有关与脑、脊髓性及神经性疾病

48、有关 。如。如Leber遗遗传性视神经病。传性视神经病。 2、mtDNA缺失、插入突变：缺失、插入突变： 如：如：帕金森病（帕金森病（Parkinson disease，PD） 帕金森病（帕金森病（Parkinson disease，PD）又称震颤性麻）又称震颤性麻痹，是一种晚年发病的运动失调症，有震颤，动作迟缓痹，是一种晚年发病的运动失调症，有震颤，动作迟缓等症状，少数有痴呆症状，患者脑组织，特别是黑质中等症状，少数有痴呆症状，患者脑组织，特别是黑质中存在存在mtDNA缺失。缺失。 PD患者患者mtDNA中可以检测到中可以检测到4977bp长的一段长的一段DNA缺失缺失 3、蛋白质生物合成基

49、因突变：、蛋白质生物合成基因突变： 均为均为tRNA突变，突变， 常引发癫伴碎红纤维病常引发癫伴碎红纤维病 （MERRF:myoclonic epilepsy associated with ragged-red fibers）。患者肌细胞中常）。患者肌细胞中常见大量团块状的的异常线粒体，常被描述为破见大量团块状的的异常线粒体，常被描述为破碎红纤维（碎红纤维（RRF）。）。 MEERF发病在童年，病情可持续若干年。发病在童年，病情可持续若干年。 MERRF综合征又称伴有破碎红综合征又称伴有破碎红纤维的肌肉阵挛性癫痫，是一种线纤维的肌肉阵挛性癫痫，是一种线粒体脑肌病，有明显的母系遗传特粒体脑肌病

50、，有明显的母系遗传特性性 。临床上以肌阵挛性或强直性阵。临床上以肌阵挛性或强直性阵挛性癫痫及进行性疾病为主要症状，挛性癫痫及进行性疾病为主要症状，伴有进行性神经系统障碍，以痴呆伴有进行性神经系统障碍，以痴呆和共济失调为主。和共济失调为主。 大部分大部分MERRF病例是病例是线粒体基因组的转运线粒体基因组的转运RNA lys 基因点突变的结果。如基因点突变的结果。如果在神经和肌肉细胞中果在神经和肌肉细胞中90的线粒体存在的线粒体存在MTTK*MERRF A8344G突变，那么便会出现典型突变，那么便会出现典型的的MERRF症状，症状， 4、拷贝数目突变：、拷贝数目突变：少见少见 仅见于一些致死性

51、婴儿呼吸障碍、乳酸性酸仅见于一些致死性婴儿呼吸障碍、乳酸性酸中毒或肝、肾功能衰竭的病例。中毒或肝、肾功能衰竭的病例。 思考题一、名词解释一、名词解释 细胞氧化细胞氧化 呼吸链呼吸链 氧化磷酸化氧化磷酸化 导肽导肽 剑桥序列剑桥序列 Wallace突变突变 母系遗传母系遗传 遗传瓶颈遗传瓶颈二、思考二、思考1.真核细胞中常见的呼吸链有几条？分别是什么？其分别真核细胞中常见的呼吸链有几条？分别是什么？其分别 由哪几个复合物组成由哪几个复合物组成 ？2.呼吸链中呼吸链中4种复合物行使功能时有何异同？种复合物行使功能时有何异同？3.细胞氧化包括哪几个基本过程？细胞氧化包括哪几个基本过程？4.ATP的生成与线粒体的哪个结构密切相关？具体为哪个亚单的生成与线粒体的哪个结构密切相关？具体为哪个亚单 位？位？5.怎样理解线粒体的半自主性？怎样理解线粒体的半自主性？