线粒体与氧化磷酸化细胞生物学.pptx

第十章第十章 线粒体与氧化磷线粒体与氧化磷酸化酸化 l*能量转换细胞器能量转换细胞器ATPl*半自主性细胞器半自主性细胞器DNA对线粒体认识过程：对线粒体认识过程：l1857年年 Kollicker 首次观察：昆虫横纹肌首次观察：昆虫横纹肌l1888年年 Kollicker 首次分离首次分离l1890年年 Petzius 命名：肌粒命名：肌粒(sarcosome(sarcosome）l1890年年 Altman 命名：细胞质活粒命名：细胞质活粒（bioblast）l1897年年 Benda 命名：线粒体命名：线粒体（mitochondrion）n1900年L.Michaelis用JanusGreenB对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用。n1943-1950年发现三羧酸循环，脂肪酸氧化为CO2，氧化磷酸化发生在线粒体内。n50年代，G.Palade,K.Porter用电镜观察并定义了线粒体的内部结构，至此便有可能将线粒体的生理活动和生化变化同线粒体的结构联系起来。G.Palade对线粒体功能认识过程：对线粒体功能认识过程：目录目录第一节第一节 线粒体的形态、大小与分布线粒体的形态、大小与分布第二节第二节 线粒体的超微结构线粒体的超微结构第三节第三节 线粒体的化学组成与酶的定位线粒体的化学组成与酶的定位第四节第四节 线粒体的功能与氧化磷酸化线粒体的功能与氧化磷酸化第五节第五节 线粒体的半自主性线粒体的半自主性第六节第六节 线粒体的发生线粒体的发生l重点:l线粒体的超微结构l线粒体的能量转换功能l线粒体的半自主性第一节线粒体的形态、大小和分布形态：一般呈粒状、线状或杆状，因生物种类和生理状态而异。大小：直径0.5 1m，长2 8m。数目：一般数百到数千个。分布：常集中在细胞功能旺盛区域，可向功能旺盛的区域迁移。分布于迁移往往与微管有关，常与微管的分布相对应精子尾巴精子尾巴横纹肌横纹肌线粒体线粒体 哺乳类培养细胞的线粒体哺乳类培养细胞的线粒体光镜光镜照片照片用活性荧光染料用活性荧光染料rhodamine 123染色，示线粒体长棒状。染色，示线粒体长棒状。上一细胞用荧光素标记的上一细胞用荧光素标记的微管结合抗体微管结合抗体染色的染色的免疫荧光照片免疫荧光照片与上一照片相比，可知线粒体倾向于沿着微管排列与上一照片相比，可知线粒体倾向于沿着微管排列 第二节第二节 线粒体的超微结构线粒体的超微结构基本结构基本结构：两层单位膜围成的封闭囊包括：包括：u线粒体外膜、线粒体外膜、u线粒体内膜、线粒体内膜、u膜间隙、膜间隙、u线粒体基质线粒体基质 一、线粒体外膜一、线粒体外膜l厚约厚约6nml膜上有小孔膜上有小孔l孔蛋白（孔蛋白（porin）l通透性高通透性高l通过分子通过分子允许分子量5000以下的小分子通过，ATP、NAD（分子量小于1000）均可通过 二二 线粒体的内膜线粒体的内膜比外膜略厚，6-8nmu内膜通透性低（内膜缺胆固醇，富含心磷脂）内膜通透性低（内膜缺胆固醇，富含心磷脂）分子量大于150的物质不能通过u内膜向内腔折叠形成嵴内膜向内腔折叠形成嵴 嵴大大增加了内膜表面积，代谢越活越嵴越多u嵴上有球状颗粒嵴上有球状颗粒ATP合成酶合成酶 线粒体内膜上有球状颗粒ATP合成酶右图：牛心脏线粒体的负染电镜照片ATP合成酶的结构F1:5 种亚基比例种亚基比例3:3:1:1:1 F F0 0 :1a1a：2b2b：12c12c 头部（头部（F1或或F1因子）因子）l基粒基粒 柄部柄部 基部（基部（F0因子）因子）lF1F1柄柄F0F0 总称呼吸集合体呼吸集合体 ATP合成酶合成酶 ATP酶复合物酶复合物（1）头部（头部（F1）l*具有具有ATP酶活性酶活性l分子组成：分子组成：3、3、九条肽链九条肽链lATP酶活性酶活性可被寡酶素寡酶素抑制抑制lF1抑制蛋白，抑制抑制蛋白，抑制ATP酶水解酶水解ATP（2）柄部）柄部：连接作用，无酶活性连接作用，无酶活性 使使F1对寡酶素敏感对寡酶素敏感寡酶素敏感授予蛋白寡酶素敏感授予蛋白 （简称（简称OSCP）（3）膜部）膜部（膜部、（膜部、F0）：F0因子，多条多肽因子，多条多肽链。链。F0因子的因子的功能和传递质子有关功能和传递质子有关，是质子载体，是质子载体，可专一性地传递质子。可专一性地传递质子。ATP合成酶具有双向功能：合成酶具有双向功能：有质子流时合成有质子流时合成ATP，无质子流时分解无质子流时分解ATP，将质子泵到膜间腔中，将质子泵到膜间腔中 ATP合成酶（合成酶（ATP synthetase）也称也称FoF1-ATP酶：酶：线粒体内膜内表面上的结构,由头部(F1)、膜部(Fo)组成。是将电子传递链传递电子过程释放的能量用于使ADP磷酸化生成ATP的重要部位。三、外室（膜间隙）三、外室（膜间隙）l内外膜之间内外膜之间6-8nml膜间隙膜间隙与与嵴内隙嵴内隙相通相通l内外膜接触处无膜间隙内外膜接触处无膜间隙蛋白质运输通道蛋白质运输通道l含大量与氧化磷酸化有关的酶、底物含大量与氧化磷酸化有关的酶、底物四、内室（线粒体基质）四、内室（线粒体基质）l蛋白质蛋白质酶：三羧酸循环、脂肪酸氧化、丙酮酸氧化酶：三羧酸循环、脂肪酸氧化、丙酮酸氧化l有形成分有形成分丝状物质：环状丝状物质：环状DNADNA、RNARNA核糖体：酵母核糖体：酵母70S70S；哺乳动物；哺乳动物55S55S致密颗粒状物质：致密颗粒状物质：Ca2+Ca2+磷酸钙沉淀磷酸钙沉淀储存储存Ca2+Ca2+l脂类脂类内膜内膜头部头部第三节第三节 线粒体的化学组成线粒体的化学组成 与酶的定位与酶的定位l线粒体各部分的分离线粒体各部分的分离l线粒体的化学组成线粒体的化学组成l线粒体中各种酶的定位线粒体中各种酶的定位一、线粒体各部分的分离一、线粒体各部分的分离:l差速离心差速离心完整线粒体完整线粒体l密度梯度离心密度梯度离心线粒体亚组分线粒体亚组分低渗处理低渗处理吸水膨胀吸水膨胀分离外膜分离外膜去垢剂去垢剂 外膜外膜 *毛地黄苷毛地黄苷 内膜和基质内膜和基质 （线粒体质体）（线粒体质体）*Lubrol内膜与基质分开内膜与基质分开二、线粒体的化学组成二、线粒体的化学组成l蛋白质蛋白质（各种酶）：含量：（各种酶）：含量：65%-70%包括可溶性蛋白、不可溶性蛋白包括可溶性蛋白、不可溶性蛋白l脂类脂类（磷脂等）：含量：（磷脂等）：含量：25%30%l核酸核酸：DNA、RNA内膜内膜 蛋白质：脂类蛋白质：脂类=4：1外膜外膜 蛋白质：脂类蛋白质：脂类=1：1三、线粒体中各种酶的定位三、线粒体中各种酶的定位 线粒体中约含线粒体中约含120120多种酶。主要为多种酶。主要为:氧化还原酶：氧化还原酶：37%37%合成酶：合成酶：10%10%水解酶：水解酶：9%9%内膜：内膜：l呼吸链呼吸链l氧化磷酸化氧化磷酸化基质基质:l柠檬酸循环酶类柠檬酸循环酶类l脂肪酸氧化酶类脂肪酸氧化酶类l蛋白质合成酶类蛋白质合成酶类线粒体主要酶的分布线粒体主要酶的分布各大组成部分有标志酶各大组成部分有标志酶:外膜外膜:单胺氧化酶单胺氧化酶膜间隙膜间隙:腺苷酸激酶腺苷酸激酶内膜内膜:细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶基质基质:苹果酸还原酶苹果酸还原酶第四节第四节 线粒体的功能与氧化磷酸化线粒体的功能与氧化磷酸化u能量转换：将食物的化学能转变成细胞直接利用能量转换：将食物的化学能转变成细胞直接利用的的ATP形式形式uCa+储存u参与细胞凋亡的调控起始凋亡的主开关起始凋亡的主开关l内膜：线粒体通透性转变孔（内膜：线粒体通透性转变孔（mtPTPmtPTP）l膜间隙：死亡促进因子膜间隙：死亡促进因子l细胞色素细胞色素c cl凋亡诱导因子（凋亡诱导因子（AIFAIF）l切冬酶（切冬酶（caspasecaspase）本节主要内容：本节主要内容：l生物氧化的分区与定位生物氧化的分区与定位l电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础l氧化磷酸化的偶联机制氧化磷酸化的偶联机制lATPATP的合成与穿膜机制的合成与穿膜机制l线粒体与疾病线粒体与疾病（一）氧化磷酸化的过程（或分区）（一）氧化磷酸化的过程（或分区）蛋白、糖、脂蛋白、糖、脂 丙酮酸丙酮酸 三羧酸循环三羧酸循环 NADH 呼吸链呼吸链第一阶段（细胞质中）第一阶段（细胞质中）第二阶段（基质中）第二阶段（基质中）第三阶段（内膜第三阶段（内膜：提供一对电子和一个：提供一对电子和一个H+）二、电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础二、电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础l氧化磷酸化氧化磷酸化与与电子传递电子传递分别进行分别进行2，4-二硝基苯酚二硝基苯酚解偶联剂解偶联剂l实验证据：线粒体内膜重组实验实验证据：线粒体内膜重组实验“亚线粒体小泡亚线粒体小泡”完整：具氧化磷酸化与电子传递作用完整：具氧化磷酸化与电子传递作用去掉基粒：只能电子传递，不能合成去掉基粒：只能电子传递，不能合成ATPATPl结论：电子传递链结论：电子传递链内膜上；氧化磷酸化内膜上；氧化磷酸化基本颗粒基本颗粒l研究工具研究工具亚线粒体小泡亚线粒体小泡。超声波超声波段内外膜均破内外膜均破 内膜自然形成内翻外小泡内膜自然形成内翻外小泡 亚线粒体小泡亚线粒体小泡 蛋白酶处理蛋白酶处理 亚线粒体小泡亚线粒体小泡调节条件调节条件基本颗粒基本颗粒(耦联因耦联因子子F）Mt电子传递电子传递+氧化磷酸化氧化磷酸化电子传递电子传递电子传递电子传递+氧化磷酸化氧化磷酸化实验结论：实验结论：由由NADH脱氢酶至细胞色素氧化酶的整脱氢酶至细胞色素氧化酶的整个个电子传递链电子传递链存在于膜本身，而氧化磷酸存在于膜本身，而氧化磷酸化作用却由化作用却由基本颗粒（基本颗粒（ATPATP酶复合物）酶复合物）来来承担。承担。电子传递链（电子传递链（electron transport chain）：按一定顺序排列在线粒体内膜上的递氢和递电子的酶体系称电子传递链。由于电子传递链以氧作电子接受体，与细胞摄取氧有关，又称呼吸链。（一）电子传递链（呼吸链）（一）电子传递链（呼吸链）电子传递链电子传递链又称又称呼吸链，呼吸链，其组成为：其组成为：lNADH脱氢酶或琥珀酸脱氢酶脱氢酶或琥珀酸脱氢酶l铁硫蛋白（铁硫蛋白（FeS）l辅酶辅酶Q（CoQ）l细胞色素细胞色素b、c1、c、a、a3（NADH:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,NAD+）总的分为四类：总的分为四类：l黄素蛋白黄素蛋白 电子传递链中电子传递链中NADH脱氢酶脱氢酶 TCA循环中的循环中的琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶 一条多肽一条多肽+1个辅基（个辅基（FAD or FMN）FAD黄素腺苷二核苷酸、黄素腺苷二核苷酸、FMN黄素单核苷酸黄素单核苷酸l铁硫蛋白铁硫蛋白l辅酶辅酶Q Ql细胞色素细胞色素l四类均为四类均为电子载体电子载体l黄素蛋白和辅酶黄素蛋白和辅酶Q为为氢载体氢载体 FMNFMNHFMNH2 CoQ 泛醌、氧化型醌泛醌、氧化型醌 QH 半醌半醌 醌循环醌循环 QH2 全醌、还原型醌全醌、还原型醌 u复合物复合物即NADH脱氢酶，含FMN和6个铁硫蛋白，传递电子：NADH辅酶Q，同时将4个质子转移至膜间隙。u复合物复合物即琥珀酸脱氢酶，含FAD和2个铁硫蛋白，传递电子从琥珀酸至辅酶Q。u复合物复合物 即细胞色素c还原酶，以二聚体形式存在，每个单体包含细胞色素b、细胞色素c1和铁硫蛋白。催化电子从辅酶Q细胞色素c，同时将4个质子转移至膜间隙。u复合物复合物 即细胞色素c氧化酶，以二聚体形式存在，将电子从细胞色素c氧，并转移2个质子至膜间隙。两条主要的呼吸链两条主要的呼吸链l、组成主要的呼吸链，催化NADH的脱氢氧化l、组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化NADH和FADH2是还原性的电子载体，它们携带的电子经呼吸链传递给O2，在电子传递过程中，电子携带的能量被ATP合成酶用来催化ADP磷酸化，合成ATP l氧化磷酸化（氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）：经糖酵解和三羧酸循环产生的还原性电子载体（NADH、FADH2）所携带的电子在呼吸链电子传递过程中释放能量，在FoF1ATP合酶催化下使ADP磷酸化生成ATP，这种伴随电子传递链的氧化过程所发生的能量转换和ATP的形成称为氧化磷酸化。电子传递链（呼吸链）电子传递链（呼吸链）三、氧化磷酸化与电子传递的偶联三、氧化磷酸化与电子传递的偶联l*NADH 释放能量释放能量 O2l *ADP+磷酸磷酸(Pi)利用能量利用能量 ATP偶联的三个部位：偶联的三个部位：l (1)NADH CoQl (2)Cytb Cytc 形成形成3个个ATP分子分子l (3)Cytaa3 O2NADHFMNCoQbc1 caa3 O2l氧化磷酸化耦联机制：氧化磷酸化耦联机制：（1）化学耦联假说）化学耦联假说（2）构象耦联假说）构象耦联假说（3）化学渗透假说）化学渗透假说l 电子传递释放的能量电子传递释放的能量跨膜的氢离子浓度跨膜的氢离子浓度l 梯度势能梯度势能 氧化磷酸化反应，合成氧化磷酸化反应，合成ATP*电子传递过程电子传递过程*电子传递结果：电子传递结果：内膜内膜 外外 H+高高内膜内膜 内内 H+低低+PH（质子动力（质子动力P）*外室外室 H+ATP酶复合物酶复合物 基质基质2H+：ADP ATPl化学渗透假说的要点：化学渗透假说的要点：5个要点个要点（P304-305）NADH提供一对电子，经电子传递链，最后为提供一对电子，经电子传递链，最后为O2所接受。所接受。电子传递链中载氢体和电子传递体相间排列。每当电子电子传递链中载氢体和电子传递体相间排列。每当电子由载氢体传向电子传递体时，载氢体的氢即以由载氢体传向电子传递体时，载氢体的氢即以H H+的形式的形式释放到内膜外，释放到内膜外，1 1对电子在呼吸链中对电子在呼吸链中3 3次穿膜运动，向外次穿膜运动，向外室排放了室排放了3 3对质子。对质子。内膜对内膜对H H+和和OHOH-具有不可透性，所以随着电子传递过具有不可透性，所以随着电子传递过程的进行，程的进行，H H+在外室中积累，造成了膜两侧的质子浓在外室中积累，造成了膜两侧的质子浓度差，从而保持了一定的势能差。度差，从而保持了一定的势能差。外室中的质子有顺浓度差返回基质的倾向，当外室中的质子有顺浓度差返回基质的倾向，当H H+通过通过F1-F0F1-F0复合物进入基质时，复合物进入基质时，ATPATP酶利用这种势能合成酶利用这种势能合成了了ATPATP。F1-F0F1-F0复合物需要复合物需要2 2个质子合成一个个质子合成一个ATPATP分子。分子。l化学渗透假说的证据：化学渗透假说的证据：A A：随电子传递进行，外室酸性增加。（随电子传递进行，外室酸性增加。（H H+)B B：消除消除 H H+差后，不能合成差后，不能合成ATPATP。如何消除如何消除 H H+差？使用差？使用K K+离子载体（缬氨霉素）。离子载体（缬氨霉素）。K K+离子通过缬氨霉素到基质离子通过缬氨霉素到基质中，使基质中的中，使基质中的 K K+升高，消除了内膜两边的电荷差，升高，消除了内膜两边的电荷差，结果不能合成结果不能合成ATPATP。C C：盐细菌的视紫质（盐细菌的视紫质（H H+泵）和泵）和F1-F0F1-F0因子同时组装到脂质因子同时组装到脂质体中，能合成体中，能合成ATPATP。四、四、ATPATP的合成和穿膜机制的合成和穿膜机制lP.Boyer构象变化假说构象变化假说lF1因子因子两个催化部位两个催化部位l两催化部位交替结合和释放两催化部位交替结合和释放l ADP+Pi和和ATPl*ADP+Pi由线粒体内膜转一性运输蛋白从细胞由线粒体内膜转一性运输蛋白从细胞质运到线粒体质运到线粒体lr轴旋转引起F1的亚基发生构象变化(120度）lO(open)lL(loose)lT(tight)第五节第五节 线粒体的半自主性线粒体的半自主性l线线粒粒体体是是一一种种半半自自主主性性细细胞胞器器，在在其其基基质质中中含含有有环环状状DNA分分子子和和蛋蛋白白质质的的合合成成机机构构。其其DNA有有为为多多种种多多肽肽以以及及所所需需rRNA、tRNA编编码码的的基基因因。线线粒体在核粒体在核DNA和线粒体和线粒体DNA的双重控制下活动。的双重控制下活动。l线线粒粒体体的的生生长长与与增增殖殖所所需需要要的的大大部部分分蛋蛋白白质质是是由由核核基基因因编编码码、在在细细胞胞质质中中合合成成的的，仅仅有有少少部部分分蛋蛋白白质质是是由由其其自自身身基基因因编编码码、在在线线粒粒体内合成体内合成的。的。第六节第六节 线粒体的来源线粒体的来源l 线粒体由线粒体分裂而来，与细胞分裂不线粒体由线粒体分裂而来，与细胞分裂不同步，在细胞间期分裂。同步，在细胞间期分裂。l1、间壁分离间壁分离，分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分成两个，常见于鼠肝和植物组织中。l2、收缩后分离收缩后分离，分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。l3、出芽出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。l细菌的氧化磷酸化（图10-28）抽出2对H+合成2个ATP分子。l名词名词：ATP合成酶（ATPsynthetase）、FoF1-ATP酶电子传递链（electrontransportchain）氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）1、简述线粒体的超微结构和各部分标志酶2、简述ATP合成酶的基本结构和功能3、为什么说线粒体是半自主性细胞器？4、简述线粒体的主要功能