细胞生物学笔记线粒体.doc

线 粒 体(mt)
在电镜下线粒体是由二层单位膜组成细胞器,是细胞内氧化磷酸化、 产能、 贮能关键场所。
一、 光镜结构
二、 mt电镜结构
①外膜: 脂类和蛋白质各占1/2,蛋白质为转运蛋白,形成含水通道。
②内膜: 高度特化, 是胞质与mt基质之间关键通道屏障。其中蛋白质占76%, 关键是合成ATPF0F1复合体和电子传输链。脂类关键是心磷脂, 使内膜对质子及离子通透性减小, 从而产生了内膜两侧质子动力势和电位差。
③mt嵴:
④基粒:
头部: 又称偶联因子F1, 由五种亚基(αβγδε)组成, αβ亚基各有3个, 形成一个球状小体, 是催化ADP和磷酸化合成ATP关键装置。
柄部: 是F1和F0连接部位, 由F1和F0各有一部分组成, 其作用调控质子通道。
基部: 称F0偶联因子。
⑤膜间腔（嵴内腔或mt外室）
⑥转位接触点:
⑦基质腔（嵴间腔或内室）: 是三羧酸循环关键部位。
⑧基质: 关键是催化三羧酸循环、 脂肪酸氧化、 核酸、 蛋白质酶类。
三、 mt化学成份
关键蛋白质、 脂类以及DNA、 多个辅酶, 如NAD、 FMN、 FAD、 COQ等。
①蛋白质: 干重65~70%。
可溶性蛋白: 基质中酶和膜外周蛋白
不可溶性蛋白: 膜镶嵌蛋白、 结构蛋白以及部分酶类
②脂类: 干重25%~30%, 关键是磷脂（占90%）。
即卵磷脂、 脑磷脂以及少许心磷脂和胆固醇。其中外膜所含磷脂和胆固醇比内膜多3倍, 内膜含心磷脂多,胆固醇少; 心磷脂能减小内膜对质脂和离子通透性
四、 线粒体遗传体系（半自主性）
线粒体是由两个遗传体系所控制,即线粒体基因组和细胞核基因组两个相互分开遗传系统, 线粒体这种特征称为线粒体半自主性; 线粒体DNA组成了线粒体基因组
（一）mt遗传体系
1、 mt DNA结构特点
1）封闭、 环状、 双链, 无组蛋白; 2）不含内含子, 非编码区和调整序列极少;
3）不严格密码子配对; 4）部分遗传密码与通用密码意义不一样;
5）起始密码为AUA而非AUG; 6）编码产物只自用;
7）依靠nDNA发挥功效;
2、 线粒体基因组及其所编码13种蛋白质
①基因组: 人类mtDNA含有16569个碱基对, 呈小分子双链环状DNA,双链中一条为重链(H), 另一条为轻链(L),两条链共组成37个基因, 其中H链28个基因, L链9个基因。
②13个编码蛋白质基因负责编码
3、 线粒体DNA复制
①mtDNA含有两个单向复制叉, H链和L链各含1个复制叉。
②H链与L链合成方向相反。
③mtDNA复制不受细胞周期影响。
4、 线粒体DNA转录
①需要核基因编码mtRNA聚合酶和mt转录因子ACTFA。
②重链和轻链各有一个开启子HSP和LSP, 转录三种RNA, 转录出来mtRNA在mt内合成蛋白。

（二）线粒体内蛋白质合成:
mt蛋白质有两个起源: 一是外源性, 即在细胞质中合成蛋白质运输进入mt; 二是内源性, 即由mt本身合成, 只占全部蛋白10%左右。
mt内蛋白质合成特点:
①mt蛋白质合成与mtmRNA转录几乎是同时进行, 与原核生物相同。
②mt蛋白质合成起始密码是AUA, 而胞质合成蛋白质是由AUG起始。
③部分药品如氯霉素、 红霉素、 链霉素等可抑制mt蛋白质合成, 而胞质蛋白质合成对以上生物不敏感。
④mt合成蛋白质占总量10%, 但几乎都是mt活动关键酶, 如电子传输系统中四种复合体酶和ATP合成酶系关键成份。

（三）mt对核编码蛋白转运
1、 前体蛋白和导肽及其作用
mt蛋白大多数是由nDNA编码并由胞质核糖体合成转运入mt, 这些将被转运蛋白质称为“前体蛋白”, 其N-末端20-80个氨基酸序列称导肽。
1）导肽与分子伴侣:
①导肽含有识别、 牵引作用。
②导肽含有带正电荷碱性精氨酸, 有利于导肽结合于mt表面受体, 进入带负电荷基质中。
③前体蛋白由胞质中分子伴侣(热休克蛋白HSc70、 60、 10)去折叠, 穿过mt膜后又重新恢复折叠天然构象。
④胞质中分子伴侣与前体蛋白结合能预防前体蛋白形成不可解开构象。
⑤前体蛋白抵达mt表面时, ATP水解提供能量使HSc70以前体蛋白分子上解离下来, 前体蛋白在导肽作用下与输入受体结合。
⑥导肽将前体蛋白导入mt后, 被mt内水解酶水解下来。
2）多肽链穿越mt过程
解折叠前体蛋白多肽链在导肽作用下→与转位接触点接触→mt外、 内膜上成孔膜蛋白形成输入通道→ATP水解供能→胞质HSc70离开多肽→多肽穿越mt外、 内膜进入到基质腔→基质腔基质“分子伴侣”（mtHSP70）与进入mt前导肽链交连, mtHSP70含有维持解折叠状态作用, 并能将多肽链完全拉进入基质, mtHSP70分子变构产生拖力, 使解折叠前体蛋白多肽链快速进入mt内。最终, 前体蛋白在mtHSP70作用下重新折叠。
（四）核编码蛋白向线粒体其她部位转运
1、 向线粒体膜间腔转运
2、 向线粒体外膜和内膜转运

（五）mt遗传体系与核遗传体系相互关系
线粒体DNA10%、 核DNA90%

五、 线粒体起源与发生
1、 线粒体是经过分裂方法实现增殖
2、 mtDNA地、 不均等地被分配到新线粒体中
3、 线粒体可能起源于共生早期细菌

第二节、 细胞呼吸与能量转换
一、 mt与氧化磷酸化
概念: 细胞呼吸、 生物氧化、 细胞氧化、 糖酵解
细胞内在氧和水参与下分解多种大分物质, 产生CO2; 同时将分解释放能量, 储存于ATP中, 这一过程称为细胞呼吸或生物氧化或细胞氧化。糖酵解经消化分解糖、 脂肪、 Pr等物质在细胞内深入降解, 其反应过程不需要氧参与, 称糖酵解。如: G经无氧氧化产生乙醇和乳酸过程。
1、 细胞呼吸特点:
1）、 细胞呼吸是线粒体中由酶催化氧化还原反应 2）、 细胞呼吸产生能量储存于ATP中
3）、 反应分步骤进行能量逐步释放 4）、 反应是恒温恒压 5）、 反应需要H2O参与
2、 细胞氧化（生物氧化）过程:
糖、 Pr、 脂类被消化成G、 aa、 脂肪酸和甘油小分子被C吸收深入降解生成丙酮酸进入mt基质进行TAC和mt内膜上电子传输, 最终生成ATP、 CO2和水。
3、 细胞氧化条件:
外膜上: 促进底物进入mt膜多种转移酶, 即多个转运Pr形成含水通道, 又称“孔蛋白”。
内膜上: 整套与呼吸链相关酶系即电子传输链, 如合成 ATPF0F1—ATP复合体, 辅酶Ⅰ（NADH）、 FADH2（黄素酶）等。
嵴膜上: 进行Pi化所需用ATP合成酶系。
基质中: 三羟酸循环（TAC）所需全套酶系
4、 生物氧化路径: 分四个阶段（糖酵解、 乙酰COA生成、 TAC、 氧化磷酸化）
1）、 糖酵解→丙酮酸生成（底物水平磷酸化）氧化过程中产生能量直接将ADP磷酸化生成ATP, 没经过电子传输过程, 所以称“底物水平磷酸化”。
1分子G无氧酵解生成2分子丙酮酸, 脱下2对氢, 以NAD作为受H体, 形成2NADH+H+, 同时产生2ATP。
底物水平磷酸化

葡萄糖
2丙酮酸
2H
NAD+
NADH+H+
高能磷酸键
ADP
ATP
线粒体
线粒体

丙酮酸等
CoA
H
NADH+H+

乙酰CoA
CO2
+
NAD+

进入有氧
氧化
2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP
丙酮酸
C6H12O6+2NAD+
+2ADP+2Pi
糖酵解
酶系
完成无氧氧化
2CH3CHOHCOOH+2NAD++2ATP
乙醇
2CH3CH2OH+2CO2+2NAD++2ATP
乳酸

2）、 从丙酮酸到乙酰COA生成COA
糖酵解产生丙酮酸从胞质中穿过mt膜到mt基质中, 在丙酮酸脱氢酶作用下经脱氢、 脱羧与COA结合合成乙酰COA。NAD+作为受H体。

2丙酮酸+2HSCOA+2NAD 2乙酰COA +2CO2+2NAD+2H+
（2CH3CO-SCOA）
细胞内脂肪酸、 氨基酸、 甘油氧化过程都是经过生成乙酰乙酸后再形成乙酰COA而进入有氧化过程, 所以乙酰COA起着代谢枢纽作用。
丙酮酸脱氢酶
脱氢、 脱羧

3）、 三羧酸循环（TAC）
在氧充足条件下, 乙酰COA根本氧化分解为CO2, 脱下4对氢分别结合于递H体和递电子体。

葡萄糖 丙酮酸
乙酰COA
氨基酸、 脂肪酸、 甘油 乙酰乙酸

柠檬酸

丙酮酸脱氢酶
脱氢、 脱羧

4）、 氧化磷酸化
mt基质中发生TAC产生高能电子, 由NADH+H+和FADH2携带, 经过mt内膜上递电子过程转移到氧分子上, 形成H2O。
①电子传输链(即: 呼吸链, 指mt内膜上按一定次序递H和递电子酶体系）。
总标准: NADH+H+、 FADH2将H传输到O, 形成H2O。
还原型: NADH+H++1/202→NAD+（氧化型）+H2O
还原型: FADH2+1/202→FAD +（氧化型）+ H2O
这里H不能直接与O2结合, 必需解离为H+和e-, 电子经mt内膜上酶体系（电子传输链）逐层传输, 最终使1/2O2解离成O2-, O2-再与基质中2个H+化合成H2O, mt内膜上这种递氢、 递电子酶体系称为“电子传输链”。

②呼吸链组员及次序
NAD(FAD)→辅酶Q(CoQ) →Cytb →Cytc1 →Cytc →Cyta →Cyta3 →O2
以上呼吸链中各组员都与蛋白质结合, 形成酶复合体, 嵌入mt内膜, 共同发挥传输电子作用, 被结合这类蛋白质称辅基。
呼吸链组员复合体:
复合体Ⅰ : 是最大酶复合体, 由30多条肽链、 1个FMN和6个铁硫蛋白(Fe-s)组成, 又称为NADH-CoQ还原酶。复合体Ⅰ是使NADH脱氢氧化, 将一对电子从NADH传给CoQ, 在电子传输过程中伴伴随质子从基质转移到膜间腔, 故称复合体Ⅰ为质子移位体。
复合体Ⅱ : 由4条多肽链组成, 含FAD、 Fe硫中心和Cytb。催化电子从琥珀酸经过FAD和铁硫中心
传输至CoQ, 不移位质子。
复合体Ⅲ : 由11条多肽链组成, 含2个Cytb、 1个Cytc1和1个铁硫中心。可将CoQ接收电子传输给
Cytc, 同时伴有质子跨膜, 故也是质子移位体。
复合体Ⅳ : 由13条多肽链组成, 含有Cyta、 Cyta3 和2个铜原子, 又称为Cyt氧化酶, 因为Cyt传输H-和电子要在此全部脱掉交给O2, 还原成H2O。复合体Ⅳ也是质子移位体。

5、 氧化磷酸化与ATP形成
吸吸链电子传输过程中偶联ADP磷酸化生成ATP, 称“氧化磷酸化”, 因为氧化即为脱H、 脱电
子, 还原即为加H、 加电子。电子传输过程中释放能量被F0F1ATP酶复合体用来催化ADP磷酸化生
成ATP。
1）、 氧化磷酸化释放能量部位:
NADH→FMN之间 Cytb →Cytc之间 Cyta →O2之间
2）、 氧化磷酸化能量产生:
1分子NADH+H+经过电子传输, 释放能量可形成3分子ATP。
1分子FADH2经过电子传输, 释放能量可形成2分子ATP。
1分子G经糖酵解、 丙酮酸脱氢和TAC循环共产生12对H, 其中10对以NAD+为载体, 产生30个ATP, 2对以FAD为载体, 产生4个ATP, 计34个ATP, 加上底物水平磷酸化生成4分子ATP, 共生成38分子ATP。

6、 氧化磷酸化偶联机制（电子传输时能量贮存于横跨mt内膜电化学质子梯度中）:
化学渗透假说:
①总标准: 电子传输中自由能造成H+穿膜运动, 形成横跨mt内膜电化学质子梯度。质子顺梯度回流释放能量, 驱动内膜上ATP酶, 使ADP磷酸化合成ATP。
电子传输及氧化磷酸化过程图

②机制: 电子传输链同时起质子泵作用, 三次把H+从基质泵出膜, H+在膜间腔积累, 造成内膜两侧质子浓度差（即外高、 内低）。
③中间结果: 质子浓度差, 形成了横跨mt内膜PH梯度, 即基质内PH高于内膜外(因H+浓度↓, PH值↑, 酸性减弱)。质子浓度差, 造成模跨mt内膜电压梯度, 即内负外正(H+外流结果)。
④终止果: 内膜酸度差和电压(位)差合称电化学质子梯度, 膜间腔中质子顺梯度从F0F1ATP酶复合体上质子通道返回基质中, 所释放自由能用于合成ATP。
7、 细胞能量转换
1）、 ATP合酶催化ADP磷酸化合成ATP
头部F1因子利用H+电化学梯度势能使ADP和磷酸形成ATP。
原理: 结合变构机制: 指质子穿过头部F1因子活性部位时可引发F1颗粒构象改变,造成ADP及磷酸与活性部位紧密结合, 产生ATP。
2）、 ATP为细胞活动提供能源
物质根本氧化所产能量40%-50%以自由能储存于ATP, 供生命活动所需, 其它关键以热能形式消散, 以维持体温恒定。
生命活动所需能量: 机械能(肌肉收缩)、 化学能(物质合成与分解)、 电能(神经传导)、 渗透能(物质吸收与分泌)、 光能(生物发光)、 热能(维持体温)。