细胞的能量转换器.pptx

第一节第一节 线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化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氧化磷酸化氧化磷酸化一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构1.1 1.1 线粒体的发现与功能研究线粒体的发现与功能研究 1890年年R.Altaman首次动物细胞内发现线粒体，命名为首次动物细胞内发现线粒体，命名为bioblast。1897年年Benda首次将这种颗粒命名为首次将这种颗粒命名为mitochondrion。1900年年L.Michaelis用用JanusGreenB对对线线粒粒体体进进行行活活体体染染色色，发发现现线线粒体中可进行氧化粒体中可进行氧化-还原反应。还原反应。1948年，年，Green证实线粒体含所有三羧酸循环的酶证实线粒体含所有三羧酸循环的酶1943-19501943-1950年年，Kennedy和和Lehninger发发现现线线粒粒体体内内完完成成的的，脂脂肪肪酸酸氧氧化化、氧化磷酸化。氧化磷酸化。在在Hatefi等（等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体。）纯化了呼吸链四个独立的复合体。Mitchell（19611980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。1994年年，Boyer因因提提出出ATP合合成成酶酶的的结结合合变变化化和和旋旋转转催催化化机机制制获获得得诺诺贝贝尔化学奖尔化学奖1.2 1.2 线粒体的形态结构线粒体的形态结构 线粒体的形态、大小、数量与分布线粒体的形态、大小、数量与分布l粒状或杆状最常见，也可呈环形、哑铃形、枝状。粒状或杆状最常见，也可呈环形、哑铃形、枝状。l直径直径0.51m，长，长1.53.0m，在胰脏外分泌细胞中可长，在胰脏外分泌细胞中可长达达1020m，称巨线粒体。，称巨线粒体。l在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大，在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大，但在同一但在同一类型的细胞中数目相对稳定。有些细胞中只有一个线粒体，类型的细胞中数目相对稳定。有些细胞中只有一个线粒体，有些则有几十、几百、甚至几千个线粒体。有些则有几十、几百、甚至几千个线粒体。l肝细胞约肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的个线粒体，占细胞体积的20%，许多哺乳动，许多哺乳动物成熟的红细胞无线粒体。物成熟的红细胞无线粒体。一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构1.2 1.2 线粒体的形态结构线粒体的形态结构 线粒体的超微结构线粒体的超微结构l 外膜外膜(outer membrane(outer membrane）：含孔蛋白）：含孔蛋白(porin)(porin)，通透性较高。，通透性较高。l 内膜（内膜（inner membraneinner membrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristaecristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达），嵴能显著扩大内膜表面积（达510倍）。含有与能量转倍）。含有与能量转换相关的蛋白换相关的蛋白 （执行氧化反应的电子传递链酶系、（执行氧化反应的电子传递链酶系、ATPATP合成酶、合成酶、线粒线粒体内膜转运蛋白）。体内膜转运蛋白）。l 膜间隙（膜间隙（intermembrane spaceintermembrane space）：含许多可溶性酶、底物及辅助因）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。子。l基质（基质（matrix）：含三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、线粒）：含三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体体基因表达酶系等以及线粒体DNA,RNA，核糖体。，核糖体。肌细胞和精子的尾部聚集较多肌细胞和精子的尾部聚集较多的线粒体，的线粒体，以提供能量以提供能量线粒体包围着脂肪滴，内线粒体包围着脂肪滴，内有大量要被氧化的脂肪有大量要被氧化的脂肪线粒体的线粒体的TEM照片照片内膜向线粒体基质褶入形成嵴（内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴能显著扩大内膜表面积），嵴能显著扩大内膜表面积（达（达510倍），倍），嵴有两种类型：嵴有两种类型：板层状（图板层状（图7-1）、）、管状，管状，但多但多呈板层状。呈板层状。嵴上覆有基粒（嵴上覆有基粒（elementaryparticle），基粒由头部（），基粒由头部（F1偶联因子）偶联因子）和基部（和基部（F0偶联因子）构成，偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。嵌入线粒体内膜。一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构线粒体的化学组成线粒体的化学组成：l蛋白质蛋白质(线粒体干重的线粒体干重的65657070)。线粒体的蛋白质分为线粒体的蛋白质分为可溶性和不溶性的。可溶性和不溶性的。可溶性可溶性的蛋白质主要是的蛋白质主要是基质的酶基质的酶和和膜的外周蛋白；膜的外周蛋白；不溶性的不溶性的蛋白质构成膜的本体，其中一部分是蛋白质构成膜的本体，其中一部分是镶嵌蛋白镶嵌蛋白，也有一也有一些是些是酶蛋白。酶蛋白。l脂类脂类(线粒体干重的线粒体干重的25253030)：磷脂占磷脂占3/43/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。线粒体脂类和蛋白质的比值线粒体脂类和蛋白质的比值:0.3:1（内膜）；（内膜）；1:1（外膜）（外膜）一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构线粒体主要酶的分布线粒体主要酶的分布部位部位 酶的名称酶的名称部部 位位酶酶 的的 名名 称称外膜外膜单胺氧化酶单胺氧化酶NADH-细胞色素细胞色素c还原酶（对鱼还原酶（对鱼藤酮不敏感）藤酮不敏感）犬尿酸羟化酶犬尿酸羟化酶酰基辅酶酰基辅酶A合成酶合成酶膜间隙膜间隙腺苷酸激酶腺苷酸激酶二磷酸激酶二磷酸激酶核苷酸激酶核苷酸激酶内膜内膜细胞色素细胞色素b，c，c1，a，a3氧化酶氧化酶ATP合成酶系合成酶系琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶-羟丁酸和羟丁酸和-羟丙酸脱氢酶羟丙酸脱氢酶肉毒碱酰基转移酶肉毒碱酰基转移酶丙酮酸氧化酶丙酮酸氧化酶NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感）脱氢酶（对鱼藤酮敏感）基质基质柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶、苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶延胡索酸酶延胡索酸酶、异柠檬酸异柠檬酸脱氢酶脱氢酶顺乌头酸酶顺乌头酸酶、谷氨酸谷氨酸脱氢酶脱氢酶脂肪酸氧化酶系、脂肪酸氧化酶系、天冬氨酸转氨酶、天冬氨酸转氨酶、蛋白质和核酸合成酶系、蛋白质和核酸合成酶系、丙酮酸脱氢酶复合物丙酮酸脱氢酶复合物线粒体膜通透性线粒体膜通透性*线粒体通透性研究线粒体通透性研究 将线粒体放在将线粒体放在100 mM100 mM蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线粒体的膜间间隙；蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线粒体的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线粒体内部蔗糖的平均浓度，结果只有然后将线粒体取出测定线粒体内部蔗糖的平均浓度，结果只有50 mM50 mM，比比环境中蔗糖的浓度低。环境中蔗糖的浓度低。线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内膜对蔗糖是不通线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内膜对蔗糖是不通透的透的(图图7-7)7-7)。线粒体各组分的分离线粒体各组分的分离 首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒线粒体质体质)仍结合在一起，通过离心可将仍结合在一起，通过离心可将线粒体质分离。用去垢剂处理线粒体线粒体质分离。用去垢剂处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有其表面有F1颗粒。颗粒。由于线粒体外膜的通透性比内膜高，由于线粒体外膜的通透性比内膜高，利用这一性质，利用这一性质，DonalParsons和他和他的同事最先建立了分离线粒体内膜、的同事最先建立了分离线粒体内膜、外膜及其他组分的方法。外膜及其他组分的方法。线粒体的功能：线粒体的功能：氧化磷酸化氧化磷酸化氧自由基的形成氧自由基的形成细胞凋亡细胞凋亡基因表达基因表达细胞的信号转导细胞的信号转导电解质稳态平衡调控电解质稳态平衡调控钙的稳态调控钙的稳态调控 进行进行三羧酸循环三羧酸循环及及氧化磷酸化氧化磷酸化，合成，合成ATPATP，为细胞生，为细胞生命活动提供直接能量是线粒体的主要功能。命活动提供直接能量是线粒体的主要功能。二、线粒体的功能二、线粒体的功能什么是氧化磷酸化：什么是氧化磷酸化：当电子从当电子从NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）或（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）或FADH2（黄素腺嘌（黄素腺嘌呤）经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有呤）经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化。这一过程称为氧化磷酸化。什么是呼吸链（电子传递链）：什么是呼吸链（电子传递链）：在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物脂蛋白复合物，它们是传递，它们是传递电子的电子的酶酶体系，由一系列可逆地接受和释放电子或体系，由一系列可逆地接受和释放电子或H+的化学物质的化学物质组成，在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链组成，在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链（electron-transportchain）或呼吸链（）或呼吸链（respiratorychain）。）。二、线粒体的功能二、线粒体的功能二、线粒体的功能二、线粒体的功能（一）线粒体中的氧化代谢（一）线粒体中的氧化代谢糖、脂肪糖、脂肪细胞质细胞质丙酮酸和脂肪酸丙酮酸和脂肪酸线粒体线粒体乙酰乙酰coA（三羧酸循环）（三羧酸循环）氢通过电子传递链到达氧生成水，同时氢通过电子传递链到达氧生成水，同时ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP（二）电子传递链与电子传递（二）电子传递链与电子传递1.1.电子载体电子载体主要有：黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶主要有：黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶Q Q等。等。NADNAD即即烟酰胺嘌呤二核苷酸烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide），是体内很多脱），是体内很多脱氢酶的辅酶，氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和连接三羧酸循环和呼吸链呼吸链，其功能是将代谢过程中，其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。脱下来的氢交给黄素蛋白。NAD的结构和功能（的结构和功能（NAD：RH，NADP：RPO3H2）黄素蛋白黄素蛋白含含FMN或或FAD的的蛋白质蛋白质，每个，每个FMN或或FAD可接受可接受2个电子和个电子和2个质子。呼吸个质子。呼吸链上具有链上具有FMN为辅基的为辅基的NADH脱氢酶脱氢酶，以，以FAD为辅基的为辅基的琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶。FMN(flavinadeninemononucleotide)的分子结构的分子结构FAD(flavinadeninedinucleotide)的分子结构的分子结构细胞色素细胞色素 分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化形式变化传递电子，传递电子，呼吸链中有呼吸链中有5类，即：细胞色素类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中，其中a、a3含有铜原子。含有铜原子。血红素血红素c的结构的结构辅酶辅酶Q辅酶辅酶Q Q（泛醌）（泛醌）脂溶性小分子量的脂溶性小分子量的醌类化合物醌类化合物，通过，通过氧化和还原氧化和还原传递电子。传递电子。有有3种氧化还原形式即氧化型醌种氧化还原形式即氧化型醌Q，还原型氢醌（，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者）和介于两者之者的自由基半醌（的自由基半醌（QH）。）。铁硫蛋白：铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变互变进行电子传递，有进行电子传递，有2Fe-2S和和4Fe-4S两种类型。两种类型。铁硫蛋白的结构（引自铁硫蛋白的结构（引自Lodish等等1999）铜原子铜原子:通过通过Cu2+和和Cu+的变换传递电子的变换传递电子l呼吸链中的电子载体严格按氧化还原电位从低向高排列呼吸链中的电子载体严格按氧化还原电位从低向高排列.lNAD+/NADH最低最低,O2/H2O最高最高.2.电子载体排列顺序电子载体排列顺序3.电子转运复合物电子转运复合物利用脱氧胆酸（利用脱氧胆酸（deoxycholatedeoxycholate，一种离子型去污剂）处理线粒体，一种离子型去污剂）处理线粒体内膜内膜,分离出分离出呼吸链的呼吸链的4 4种复合物种复合物，即复合物，即复合物、和和，辅，辅酶酶Q Q和细胞色素和细胞色素C C不属于任何一种复合物。辅酶不属于任何一种复合物。辅酶Q Q溶于内膜、细胞色溶于内膜、细胞色素素C C位于线粒体内膜的位于线粒体内膜的C C侧，属于膜的外周蛋白。侧，属于膜的外周蛋白。复合物复合物 即即NADH脱氢酶脱氢酶，哺乳动物的复合物，哺乳动物的复合物由由42条肽链组成，呈条肽链组成，呈L型，含有一型，含有一个个FMN和至少和至少6个铁硫蛋白，分子量个铁硫蛋白，分子量接近接近1MD，以二聚体形式存在，以二聚体形式存在。作用：作用：是催化是催化NADH的的2个电子个电子传递传递至辅酶至辅酶Q，同时将，同时将4个质子个质子由线粒体基由线粒体基质（质（M侧）转移至膜间隙（侧）转移至膜间隙（C侧）。侧）。电子传递的方向为：电子传递的方向为：总的反应结果为：总的反应结果为：NADH+5H+（M）+QNAD+QH2+4H+（C）NADHFMNFe-SQ复合物复合物 即即琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶，至少由，至少由4条肽链组条肽链组成，含有一个成，含有一个FAD，2个铁硫蛋白个铁硫蛋白作用：作用：是催化是催化电子从琥珀酸转至辅电子从琥珀酸转至辅酶酶Q，但，但不转移质子不转移质子。电子传递的方向电子传递的方向为：为：琥珀酸琥珀酸FADFe-SQ。反应结果反应结果为：为：琥珀酸琥珀酸+Q延胡索酸延胡索酸+QH2复合物复合物 即细胞色素即细胞色素c还原酶还原酶，由至少，由至少11条不同肽链组条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。和一个铁硫蛋白。作用作用是催化是催化电子从辅酶电子从辅酶Q传给细胞色素传给细胞色素c，每，每转移一对电子，同时将转移一对电子，同时将4个质子个质子由线粒体基质由线粒体基质泵至膜间隙（泵至膜间隙（2个来自个来自UQ，2个来自基质跨膜）个来自基质跨膜）。总的反应结果总的反应结果为：为：2还原态还原态cytc1+QH2+2H+（M）2氧化态氧化态cytc1+Q+4H+（C）Q cycle复合物复合物的电子传递比较复杂，的电子传递比较复杂，和和“Q Q循环循环”有关有关。辅酶辅酶Q Q能在膜中自由扩散，在能在膜中自由扩散，在内膜内膜C C侧侧，还原型辅酶还原型辅酶Q Q（氢醌）（氢醌）将一个电子交给将一个电子交给Fe-Fe-SS细胞色素细胞色素c1c1细胞色素细胞色素c c，被氧化为半醌，并将一个质子释放到膜间隙，半醌，被氧化为半醌，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素将电子交给细胞色素b566b562b566b562，释放另外一个质子到膜间隙。，释放另外一个质子到膜间隙。细胞色素细胞色素b566b566得得到的电子为循环电子，传递路线为：半醌到的电子为循环电子，传递路线为：半醌b566b562b566b562辅酶辅酶Q Q。在内膜。在内膜M M侧，辅侧，辅酶酶Q Q可被复合体可被复合体（复合体（复合体）或细胞色素）或细胞色素b562b562还原为氢醌。一对电子由辅酶还原为氢醌。一对电子由辅酶Q Q到到复合物复合物的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶酶Q Q转移的。转移的。组成：即细胞色素组成：即细胞色素c氧化酶氧化酶,二聚体，每个二聚体，每个单体至少单体至少13条肽链。条肽链。作用：将从细胞色素作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧，接受的电子传给氧，每转移一对电子，在每转移一对电子，在M侧消耗侧消耗2个质子，个质子，同时转移同时转移2个质子至个质子至C侧。侧。电子传递的路线为电子传递的路线为:复合物复合物IVIV：细胞色素：细胞色素c c氧化酶氧化酶cytcCuAhemeaa3-CuBO24还原态还原态cytc+8H+M+O24氧化态氧化态cytc+4H+C+2H2O两条主要的呼吸链两条主要的呼吸链 l根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，分为根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，分为NADH呼吸链和呼吸链和FADH2呼吸链。呼吸链。复合物复合物I-III-IV组成组成复合物复合物II-III-IV组成组成呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从低向高呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从低向高传递，呼吸链中有传递，呼吸链中有三个三个部位有较大的自由能变化，足以使部位有较大的自由能变化，足以使ADP与无机与无机磷结合形成磷结合形成ATP。部位。部位在在NADH至至CoQ之间。部位之间。部位在细胞色素在细胞色素b和和细胞色素细胞色素c之间。部位之间。部位在细胞色素在细胞色素a和氧之间。和氧之间。（二）电子传递链与电子传递（二）电子传递链与电子传递NADHFMN Fe-SFADFe-S琥珀酸Cytb Fe-S Cytc1Cytaa3CoQCytcADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP（二）电子传递链与电子传递（二）电子传递链与电子传递对于氧化磷酸化的偶联机制提出的假说有对于氧化磷酸化的偶联机制提出的假说有化学偶联假说、构象偶联化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说假说、化学渗透假说等。等。“化学渗透假说化学渗透假说”，取得大量实验结果的支持，取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说。成为一种较为流行的假说。内容是当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧内容是当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的泵至膜间隙，由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（梯度（pH）及及电位梯度电位梯度（），两者共同构成电化学梯度，即，两者共同构成电化学梯度，即质子动力势质子动力势（proton-motiveforce,P）。）。P=-(2.3RT/F)pH 其中其中T为绝对温度为绝对温度，R为气体常数为气体常数，F为法拉弟常数为法拉弟常数。质子沿电化学梯度穿过内膜上的质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使酶复合物流回基质，使ATP酶的酶的构象发生改变，将构象发生改变，将ADP和和Pi合成合成ATP。（三）质子转移与质子驱动力的形成（三）质子转移与质子驱动力的形成ATP合成酶合成酶是一种是一种可逆性可逆性复复合酶，既能利用质子动力势合酶，既能利用质子动力势合成合成ATP,又能水解又能水解ATP将将质子从基质泵到膜间隙。质子从基质泵到膜间隙。ATP合成酶（合成酶（ATPsynthetase）或或F1F0-ATP酶，成蘑菇状。酶，成蘑菇状。分布分布于于线线粒体和叶绿体粒体和叶绿体中，在跨膜质子动力势的推动下，中，在跨膜质子动力势的推动下，ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP，参与氧化磷酸化和光合磷酸化。参与氧化磷酸化和光合磷酸化。（四）四）ATP形成机制形成机制氧化磷酸化氧化磷酸化ATPATP合成酶合成酶分子结构分子结构F1由由5种多肽组成种多肽组成33复合体，复合体，具有三个具有三个ATP合成的催化位点（每个合成的催化位点（每个亚基具有一个）。亚基具有一个）。和和单位交替排单位交替排列，状如桔瓣。列，状如桔瓣。贯穿贯穿复合体（相复合体（相当于发电机的转子），并与当于发电机的转子），并与F0接触，接触，帮助帮助与与F0结合。结合。与与F0的两个的两个b亚亚基形成固定基形成固定复合体的结构（相当于复合体的结构（相当于发电机的定子）。发电机的定子）。F0由三种多肽组成由三种多肽组成ab2c12复合体，复合体，嵌入内膜，嵌入内膜，12个个c亚基组成一个环形亚基组成一个环形结构，具有质子通道结构，具有质子通道,可使质子由膜间可使质子由膜间隙流回基质。隙流回基质。1979年年BoyerP提出构象偶联假说：提出构象偶联假说：1ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化和力，催化ADP与与Pi形成形成ATP。2F1具有三个催化位点，同一时间，三个催化位点的构象不具有三个催化位点，同一时间，三个催化位点的构象不同，与核苷酸的亲和力也不同。同，与核苷酸的亲和力也不同。在在L构象构象（loose），），ADP、Pi与酶疏松结合；与酶疏松结合；在在T构象构象（tight）ADP、Pi与酶紧密结合在一起，并形成与酶紧密结合在一起，并形成ATP；在在O构象构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。与酶的亲和力很低，被释放出去。3质子通过质子通过F0时，引起时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋亚基旋转，由于转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚亚基基3个催化位点构象的周期性变化（个催化位点构象的周期性变化（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。能量耦联与能量耦联与ATP合酶的作用机制合酶的作用机制对构象耦联假说的证明：对构象耦联假说的证明：1994年，年，Walker发表了牛心线粒体发表了牛心线粒体F1-ATP酶的晶体结构酶的晶体结构日本的吉田（日本的吉田（MassasukeYoshida）等人将）等人将33固定在固定在玻片上，在玻片上，在亚基的顶端连接荧光亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜的溶液中温育时，在显微镜下可观察到下可观察到亚基带动肌动蛋白纤亚基带动肌动蛋白纤维旋转。维旋转。三、线粒体疾病三、线粒体疾病（一）线粒体肌病（一）线粒体肌病（二）线粒体脑肌病（二）线粒体脑肌病（三）（三）Leber 遗传性视神经病遗传性视神经病（四）亚急性坏死性脑脊髓病（四）亚急性坏死性脑脊髓病(Leigh disease)常见线粒体遗传病常见线粒体遗传病线线粒粒体体脑脑肌肌病病是是一一组组由由于于线线粒粒体体功功能能缺缺陷陷造造成成的的以以神神经经肌肌肉系统病变为主的多系统疾病。肉系统病变为主的多系统疾病。线粒体脑肌病线粒体脑肌病(mitochondrial encephalomyopathies,ME)根据临床表现，将线粒体脑肌病分为：伴有破碎红纤维的根据临床表现，将线粒体脑肌病分为：伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫（肌阵挛癫痫（MERRF)MERRF)、线粒体脑疾病合并乳酸血症及卒中线粒体脑疾病合并乳酸血症及卒中样发作样发作(MELAS)MELAS)、Kearns-SayerKearns-Sayer综合征（综合征（KSS)KSS)、慢性进慢性进行性眼外肌瘫痪（行性眼外肌瘫痪（CEPO)CEPO)、神经源性肌软弱神经源性肌软弱、共济失调并共济失调并发色素性视网膜炎（发色素性视网膜炎（NARP)NARP)和和LeighLeigh综合征（综合征（LS)LS)等几种。等几种。线粒体心肌病线粒体心肌病4977 4977 位点缺失位点缺失 缺血性心脏病缺血性心脏病 冠状动脉粥样硬化性心脏病冠状动脉粥样硬化性心脏病 7436 7436 位点缺失位点缺失 扩张性心肌病扩张性心肌病 肥厚性心肌病肥厚性心肌病线粒体心肌病累及心脏和骨骼肌，病人常有严重的心力衰线粒体心肌病累及心脏和骨骼肌，病人常有严重的心力衰竭，常见临床表现为劳动性呼吸困难，心动过速，全身肌竭，常见临床表现为劳动性呼吸困难，心动过速，全身肌无力伴全身严重水肿，心脏和肝肿大等症状。无力伴全身严重水肿，心脏和肝肿大等症状。第三节第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器线粒体和叶绿体是半自主性细胞器半自主性细胞器的概念：半自主性细胞器的概念：自自身身含含有有遗遗传传表表达达系系统统(自自主主性性)；但但编编码码的的遗遗传传信信息息十十分分有有限限，其其RNARNA转转录录、蛋蛋白白质质翻翻译译、自自身身构构建建和和功功能能发发挥挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息等必须依赖核基因组编码的遗传信息(自主性有限自主性有限)。线粒体和叶绿体的线粒体和叶绿体的DNA线粒体和叶绿体的蛋白质合成线粒体和叶绿体的蛋白质合成线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装为什么说线粒体和叶绿体是半自主性细胞器为什么说线粒体和叶绿体是半自主性细胞器？1）两种细胞器含有）两种细胞器含有DNA自我复制、转录、翻译所必需的基本组分。自我复制、转录、翻译所必需的基本组分。2）两种细胞器中的蛋白）两种细胞器中的蛋白绝大多数是由核基因编码绝大多数是由核基因编码的。这些的。这些蛋白在细胞质基质中合成，然后被转运至细胞器中。蛋白在细胞质基质中合成，然后被转运至细胞器中。3）细胞核与细胞器之间存在着）细胞核与细胞器之间存在着密切的、精确的、严格调控密切的、精确的、严格调控的关系。的关系。线粒体和叶绿体的自主性是有限的，对核遗传线粒体和叶绿体的自主性是有限的，对核遗传系统有很大的依赖性。系统有很大的依赖性。因此，线粒体和叶绿体的增殖和生长受核基因、自身基因两因此，线粒体和叶绿体的增殖和生长受核基因、自身基因两套遗传信息的控制，所以称半自主性细胞器。套遗传信息的控制，所以称半自主性细胞器。一、线粒体和叶绿体的一、线粒体和叶绿体的DNA均为环状双链均为环状双链DNA，与细菌相似。，与细菌相似。不同物种细胞中的不同物种细胞中的mtDNA、ctDNA大小不一。大小不一。例如：例如：mtDNA：动物细胞中周长多为动物细胞中周长多为5um；酵母菌；酵母菌26um。人类最短人类最短;ctDNA：赤松藻最小，衣藻最大。赤松藻最小，衣藻最大。核中核中DNA远远大于远远大于mtDNA、ctDNA半保留自我复制方式，受核基因调控。半保留自我复制方式，受核基因调控。如：如：DNA聚合酶由核基因编码，在细胞质基质中合成。聚合酶由核基因编码，在细胞质基质中合成。线粒体和叶绿体的核糖体线粒体和叶绿体的核糖体70S，与细菌相似。，与细菌相似。线粒体内含有线粒体内含有DNADNA分子，是细胞核以外含有遗传信息和分子，是细胞核以外含有遗传信息和表达系统的细胞器，其遗传特点表现为表达系统的细胞器，其遗传特点表现为非孟德尔遗传方式非孟德尔遗传方式，又称核外遗传。又称核外遗传。1981年年Anderson等人完成了人类线粒体基因组的全部等人完成了人类线粒体基因组的全部核苷酸序列的测定。核苷酸序列的测定。线粒体基因组线粒体基因组线粒体基因组全长线粒体基因组全长16569bp1.1.封闭性双链分子，外为封闭性双链分子，外为H H链，内为链，内为L L链。链。5.5.不与组蛋白结合，裸露存在。不与组蛋白结合，裸露存在。3.3.双链均有编码能力，双链均有编码能力，D-D-环为唯一的非编码区。环为唯一的非编码区。6.6.突变率高，且无突变率高，且无DNADNA修复系统。修复系统。2.2.结构紧凑，无内含子，部分区域有重叠现象。结构紧凑，无内含子，部分区域有重叠现象。4.H4.H链含有链含有2828个基因，个基因，L L链含有链含有9 9个基因个基因mtDNA突变率比突变率比nDNA高高1020倍倍线粒体基因组线粒体基因组2222个个tRNAtRNA基因基因2 2个个rRNArRNA基因基因7 7个个NADHNADH脱氢酶亚单位的脱氢酶亚单位的基因基因3 3个细胞色素个细胞色素c c氧化酶亚单氧化酶亚单位基因位基因 2 2个个ATPATP酶复合体酶复合体 成分基因成分基因1 1个细胞色素个细胞色素b b基因基因1656916569bpbp编码编码37 37 个基因个基因1313个个mRNAmRNA基因基因线粒体氧化磷线粒体氧化磷酸有关的蛋白酸有关的蛋白质质 Mitochondrial DNA Mitochondrial DNA（一）（一）mtDNAmtDNA的复制具半自主性的复制具半自主性（二）线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不同（二）线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不同 密码子密码子 核编码的核编码的AA AA 线粒体编码的线粒体编码的AAAA UGA UGA 终终 止止 色氨酸色氨酸 AGA,AGG AGA,AGG 精氨酸精氨酸 终止终止 AUA AUA 异亮氨酸异亮氨酸 起始甲硫氨酸起始甲硫氨酸 AUU AUU 异亮氨酸异亮氨酸 起始甲硫氨酸起始甲硫氨酸tRNAtRNA兼用性较强，仅用兼用性较强，仅用2222个个tRNAtRNA就可识别多达就可识别多达4848个密码子。个密码子。线粒体线粒体DNA的遗传特征的遗传特征（三）（三）mtDNAmtDNA为母系遗传为母系遗传受精卵中的线粒体受精卵中的线粒体DNADNA几乎几乎全都来自于卵子，来源于全都来自于卵子，来源于精子的精子的mtDNAmtDNA对表型无明显对表型无明显作用，这种双亲信息的不作用，这种双亲信息的不等量表现决定了线粒体遗等量表现决定了线粒体遗传病的传递方式不符合孟传病的传递方式不符合孟德尔遗传，而是表现为德尔遗传，而是表现为母母系遗传系遗传（maternal maternal inheritanceinheritance）。）。线粒体疾病典型系谱线粒体疾病典型系谱卵细胞形成过程中线粒体数目从卵细胞形成过程中线粒体数目从100 000100 000个锐减到少于个锐减到少于100100个的过程称为个的过程称为遗传瓶颈（遗传瓶颈（genetic bottleneckgenetic bottleneck）。这使得只。这使得只有少数线粒体真正传给后代，也是造成子代差异的原因。有少数线粒体真正传给后代，也是造成子代差异的原因。（四）（四）mtDNA在细胞分裂复制分离过程中存在遗传瓶颈在细胞分裂复制分离过程中存在遗传瓶颈 纯质纯质(homoplasmy)homoplasmy)：是指一个细胞或组织中所有的线粒体是指一个细胞或组织中所有的线粒体具有相同的基因组，都是野生型序列或者都是突变性序具有相同的基因组，都是野生型序列或者都是突变性序列。列。异质异质(heteroplasmy)heteroplasmy)：是指一个细胞或组织中所含的线粒是指一个细胞或组织中所含的线粒体既具有野生型又具有突变性。体既具有野生型又具有突变性。阈值效应：阈值效应：当突变的当突变的mtDNAmtDNA达到一定的比例时，才有受损达到一定的比例时，才有受损的表型出现，这就是的表型出现，这就是阈值效应阈值效应(threshold effect(threshold effect)。（五）（五）mtDNA的异质性与阈值效应的异质性与阈值效应 l任何两个人的任何两个人的mtDNAmtDNA，平均每，平均每10001000个碱基对中就有个碱基对中就有4 4个不同。个不同。l有害的突变会由于选择而被消除，故突变的有害的突变会由于选择而被消除，故突变的mtDNAmtDNA基因虽很基因虽很普遍，但线粒体遗传病却不常见。普遍，但线粒体遗传病却不常见。l最近的研究显示，在核基因组中有指导线粒体突变修复的最近的研究显示，在核基因组中有指导线粒体突变修复的基因存在，但其遗传学意义还有待深入研究。基因存在，但其遗传学意义还有待深入研究。（六）（六）mtDNA的突变率极高的突变率极高l线粒体线粒体基因常见的突变类型基因常见的突变类型p 碱基突变碱基突变p 缺失、插入突变缺失、插入突变p mtDNA mtDNA拷贝数目突变拷贝数目突变线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异参加叶绿体组成的蛋白质来源有种情况：参加叶绿体组成的蛋白质来源有种情况：由由ctDNActDNA编码，在叶绿体核糖体上合成；编码，在叶绿体核糖体上合成；由核由核DNADNA编码，在细胞质核糖体上合成；编码，在细胞质核糖体上合成；由核由核DNADNA编码，在叶绿体核糖体上合成。编码，在叶绿体核糖体上合成。二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成三、线粒体蛋白质的运送与组装三、线粒体蛋白质的运送与组装蛋白质合成定位的特点：后转移方式蛋白质合成定位的特点：后转移方式转运前的状态：转运前的状态：伸展的前体蛋白伸展的前体蛋白N端的蛋白质信号序列称前导肽端的蛋白质信号序列称前导肽前体蛋白前体蛋白=成熟蛋白成熟蛋白+前导肽前导肽前前导肽的特点：导肽的特点：1）多位于）多位于N端，约由端，约由2080个氨基酸，富含精氨酸、带羟基的个氨基酸，富含精氨酸、带羟基的 氨基酸。氨基酸。2）形成一个两性的）形成一个两性的螺旋，带正电荷的亲水氨基螺旋，带正电荷的亲水氨基 酸和不带酸和不带 电荷的疏水氨基酸分别位于电荷的疏水氨基酸分别位于的两侧。的两侧。3）对转运的蛋白质无特异性的要求。）对转运的蛋白质无特异性的要求。转运后的状态转运后的状态:信号序列在导肽酶的作用下，被切除。信号序列在导肽酶的作用下，被切除。形成的成熟蛋白重折叠。形成的成熟蛋白重折叠。被转运蛋白所到达的特定部位：被转运蛋白所到达的特定部位：外膜、内膜、膜间隙、基质。外膜、内膜、膜间隙、基质。线粒体蛋白的运送过程线粒体蛋白的运送过程蛋白质解折叠、转运、重折叠。蛋白质解折叠、转运、重折叠。三、线粒体蛋白质的运送与组装三、线粒体蛋白质的运送与组装Simon布朗棘轮模型主要观点：布朗棘轮模型主要观点：蛋白在转运孔道内，多肽链做布朗运动摇摆不定，一旦前体蛋白进入蛋白在转运孔道内，多肽链做布朗运动摇摆不定，一旦前体蛋白进入线粒体腔，立即有线粒体腔，立即有mHsp70结合上去，防止肽链退回细胞基质中。随结合上去，防止肽链退回细胞基质中。随着肽链的进一步延伸，有更多的着肽链的进一步延伸，有更多的mHsp结合。结合。线粒体蛋白的运送过程是耗能的过程线粒体蛋白的运送过程是耗能的过程 解折叠解折叠 重折叠重折叠 转运过程：转运过程：Hsp60Hsp70mHsp70ATPADP+ATP三、线粒体蛋白质的运送与组装三、线粒体蛋白质的运送与组装第四节第四节线粒体的增殖与起源线粒体的增殖与起源线粒体的增殖线粒体的增殖线粒体的起源线粒体的起源内共生学说内共生学说非共生学说非共生学说线粒体的增殖线粒体的增殖线粒体的增殖是通过已有的线粒体的分裂，有以下几种形式：线粒体的增殖是通过已有的线粒体的分裂，有以下几种形式：1、间壁分离、间壁分离，分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两个，常见于，分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两个，常见于鼠肝鼠肝和和植物分生组织植物分生组织中。中。线粒体的间壁分裂线粒体的间壁分裂2、收缩分离，、收缩分离，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，见于两个，见于蕨类蕨类和和酵母酵母线粒体中。线粒体中。线粒体的收缩分裂线粒体的收缩分裂3、出芽，、出芽，见于见于酵母酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。线粒体。线粒体的增殖线粒体的增殖内共生起源学说内共生起源学说MargulisMargulis，19701970年：线粒体的祖先年：线粒体的祖先-原线粒体原线粒体 是一种革兰氏阴性细菌；叶绿体的祖先是原核是一种革兰氏阴性细菌；叶绿体的祖先是原核 生物的蓝细菌（生物的蓝细菌（CyanobacteriaCyanobacteria），），即蓝藻。即蓝藻。内共生起源学说的主要论据内