hzh-第六章线粒体与细胞的能量转换

1、第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换Mitochondria and Energy Conversion 学习目的与要求学习目的与要求1. 掌握线粒体的基本结构、功能和化学渗透假说掌握线粒体的基本结构、功能和化学渗透假说的机制的机制 2. 熟悉线粒体相关的临床意义熟悉线粒体相关的临床意义 3. 了解线粒体的发生及其研究方法了解线粒体的发生及其研究方法 第一节第一节第二节第二节第三节第三节中英文中英文退退 出出Mitochondria and Energy Conversion第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换 第一节第一节 线粒体的基本特征线粒体的

2、基本特征 一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 二、线粒体的化学组成二、线粒体的化学组成三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 四、线粒体核编码蛋白质的转运四、线粒体核编码蛋白质的转运五、线粒体的起源五、线粒体的起源六、线粒体的分裂与融合六、线粒体的分裂与融合 七、线粒体的功能七、线粒体的功能 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换 一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 (一一)线粒体的形态、数量线粒体的形态、数量不同类型或不同生理状态的细胞，线

3、粒体的形态、大不同类型或不同生理状态的细胞，线粒体的形态、大小、数目及排列分布并不相同。小、数目及排列分布并不相同。 形态：形态：光镜下呈光镜下呈线状线状、粒状粒状或或杆状杆状等。等。数量：数量：因细胞种类而不同，最少的细胞只含因细胞种类而不同，最少的细胞只含1个线粒体，最多个线粒体，最多 的达的达50万个。代谢旺盛时，线粒体数量较多，反之线万个。代谢旺盛时，线粒体数量较多，反之线 粒体的数量则较少。粒体的数量则较少。线粒体形态线粒体形态Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(二二)线粒

4、体的超微结构线粒体的超微结构电镜下，线粒体是由电镜下，线粒体是由双层单位膜双层单位膜套叠而成的套叠而成的封闭性膜封闭性膜囊结构。囊结构。左为线粒体在细胞内的分布；右为线粒体超微结构模式图左为线粒体在细胞内的分布；右为线粒体超微结构模式图 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换1.外膜外膜（outer membrane） 线粒体线粒体最外层最外层所包绕的一层单位膜，厚约所包绕的一层单位膜，厚约57nm。 组成：组成：1/2为脂类，为

5、脂类，1/2为蛋白质。为蛋白质。 特点：特点： 外膜的蛋白质包括外膜的蛋白质包括多种转运蛋白多种转运蛋白，它们形成较大的，它们形成较大的水相通道跨越脂质双层，使外膜出现直径水相通道跨越脂质双层，使外膜出现直径23nm的的小孔，允许通过小孔，允许通过分子量在分子量在10 000以下的物质以下的物质，包括一，包括一些小分子多肽。些小分子多肽。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 (二二)线粒体的超微结构线粒体的超微结构第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换2.内膜（内膜（

6、inner membrane）比外膜稍薄，平均厚比外膜稍薄，平均厚4.5nm，是一层单位膜。，是一层单位膜。 结构结构 基质腔（基质腔（matrix space）：）：也称内腔，由内膜直接也称内腔，由内膜直接包围的空间，含有基质。包围的空间，含有基质。 膜间腔（膜间腔（intermembrane space）：）：也称外腔，内膜也称外腔，内膜与外膜之间的空间。与外膜之间的空间。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 (二二)线粒体的超微结构线粒体的超微结构第六章第六章 线粒体与细胞的能量转

7、换线粒体与细胞的能量转换2.内膜（内膜（inner membrane） 结构结构嵴（嵴（cristae）：）：内膜上有大量向内腔突起的折叠。内膜上有大量向内腔突起的折叠。嵴间腔（嵴间腔（intercristae space ）：）：嵴与嵴之间的内腔嵴与嵴之间的内腔部分。部分。 嵴内空间（嵴内空间（intracristae space）：）：由于嵴向内腔突进由于嵴向内腔突进造成的外腔向内伸入的部分。造成的外腔向内伸入的部分。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 (二二)线粒体的超微结构线粒

8、体的超微结构第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换 组成：组成：20%是脂类，是脂类，80%是蛋白质。是蛋白质。 特点：特点： 通透性小通透性小，分子量大于，分子量大于150的物质不能通过。的物质不能通过。 选择通透性高选择通透性高，膜上的转运蛋白控制内、外腔的，膜上的转运蛋白控制内、外腔的物质交换，以保证活性物质的代谢。物质交换，以保证活性物质的代谢。 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页2.内膜（内膜（inner membrane）一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 (二二)线粒体的超微结构线粒体

9、的超微结构第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换3.转位接触点（转位接触点（translocation contact site）在线粒体的内、外膜上存在的一些内膜与外膜相互接在线粒体的内、外膜上存在的一些内膜与外膜相互接触的地方，此处膜间隙变狭窄，称为触的地方，此处膜间隙变狭窄，称为转位接触点转位接触点。 内膜转位子（内膜转位子（Tim）通道蛋白通道蛋白 外膜转位子（外膜转位子（Tom ）受体蛋白受体蛋白功能：功能：蛋白质等物质进出线粒体的通道。蛋白质等物质进出线粒体的通道。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、线粒体

10、的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 (二二)线粒体的超微结构线粒体的超微结构第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换3.转位接触点转位接触点黑色箭头所指为转位接触点；红色箭黑色箭头所指为转位接触点；红色箭头所指为通过转位接触点转运的物质头所指为通过转位接触点转运的物质 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 (二二)线粒体的超微结构线粒体的超微结构第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换tom和和tim受体系统受体系统 tom和和tim受体系

11、统参与核基因组编码多肽链通过膜进入线粒体的过程受体系统参与核基因组编码多肽链通过膜进入线粒体的过程 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换4.基质（基质（matrix）成分：成分： 酶类：酶类：催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成。解、蛋白质合成。 双链环状双链环状DNA：线粒体特有线粒体特有 核糖体核糖体 独立的遗传体系独立的遗传体系Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、线粒体的形态

12、、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 (二二)线粒体的超微结构线粒体的超微结构第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换5.基粒（基粒（elementary particle）内膜（包括嵴）的内表面附着许多突出于内腔的颗内膜（包括嵴）的内表面附着许多突出于内腔的颗粒，每个线粒体大约有粒，每个线粒体大约有104105个。个。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 (二二)线粒体的超微结构线粒体的超微结构第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换5.基粒（基

13、粒（elementary particle）基粒由多种蛋白质亚基组成，分为三部分：基粒由多种蛋白质亚基组成，分为三部分： 头部：头部：圆球形，突入内腔中，圆球形，突入内腔中， 基片：基片：嵌于内膜中，嵌于内膜中， 柄部：柄部：将头部与基片相连。将头部与基片相连。基粒头部具有酶活性，能催化基粒头部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP，因此，基粒又称因此，基粒又称ATP合酶复合体（合酶复合体（ATP synthase complex）。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 (二

14、二)线粒体的超微结构线粒体的超微结构第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换 二、线粒体的化学组成二、线粒体的化学组成 蛋白质：蛋白质：是线粒体的主要成分，约占是线粒体的主要成分，约占65%70%，多，多分布于内膜分布于内膜和基质和基质。线粒体含有众多酶系，目前已确认有线粒体含有众多酶系，目前已确认有120余种，是细胞中含酶最余种，是细胞中含酶最多的细胞器。这些酶分别位于线粒体的不同部位，在线粒体行使多的细胞器。这些酶分别位于线粒体的不同部位，在线粒体行使细胞氧化功能时起重要的作用。细胞氧化功能时起重要的作用。内膜标志酶内膜标志酶细胞色素氧化酶；细胞色素氧化酶； 外膜标志酶外

15、膜标志酶单胺氧化酶；单胺氧化酶；基质标志酶基质标志酶苹果酸脱氢酶；苹果酸脱氢酶；膜间腔的标志酶膜间腔的标志酶腺苷酸激酶。腺苷酸激酶。 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换 二、线粒体的化学组成二、线粒体的化学组成 脂类：脂类：占线粒体干重的占线粒体干重的25%30%，大部分是磷脂。，大部分是磷脂。此外，还含有此外，还含有DNA和完整的遗传系统，多种辅酶和完整的遗传系统，多种辅酶（如（如CoQ、FMN、FAD和和NAD等）、维生素和等）、维生素和各类无机离子。各类无机离子。Mitocho

16、ndria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 ( (一一) )线粒体线粒体DNA 特点：特点：通常是通常是裸露裸露的，不与组蛋白结合。的，不与组蛋白结合。存在部位：存在部位：线粒体的线粒体的基质基质内或依附于线粒体内或依附于线粒体内膜内膜。数量：数量：一个线粒体内往往有一个线粒体内往往有1至数个至数个mtDNA分子，分子， 平均为平均为510个。个。编码产物：编码产物：线粒体的线粒体的tRNA、rRNA及一些线粒体及一些线粒体 蛋白质。蛋白质。Mitochondria

17、 and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 ( (一一) )线粒体线粒体DNA 基因组结构：基因组结构：为一条双链环状的为一条双链环状的DNA分子，双链中一分子，双链中一为为重链（重链（H），），一为一为轻链（轻链（L），），重链和轻链上的编码重链和轻链上的编码产物各不相同。与核基因组相比，线粒体基因组有很产物各不相同。与核基因组相比，线粒体基因组有很少非编码的序列。少非编码的序列。 人类线粒体基因组共编码人类线粒体基因组共编码37个基因。个基因。 Mitochondria

18、and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换人线粒体环状人线粒体环状DNA分子及其转录产物分子及其转录产物 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换 呼吸链蛋白质的组成呼吸链蛋白质的组成 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(二二)线粒体基因的转录线粒体基因的转录1.转录转录 启动子：启动子：线粒体基因组的

19、转录是从两个主要的启动线粒体基因组的转录是从两个主要的启动子处开始的，分别为子处开始的，分别为重链启动子（重链启动子（HSP）和和轻链启轻链启动子（动子（LSP)。转录因子与其结合，在。转录因子与其结合，在mtRNA聚合聚合酶的作用下启动转录。酶的作用下启动转录。 转录过程：转录过程：线粒体基因的转录类似原核生物的转录，线粒体基因的转录类似原核生物的转录，即即产生一个多顺反子产生一个多顺反子，包括，包括mRNA和和tRNA。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体

20、与细胞的能量转换(二二)线粒体基因的转录线粒体基因的转录1.转录转录 重链形成两个初级转录物：重链形成两个初级转录物： 初级转录物初级转录物tRNAphe、tRNAval、12S rRNA和和 16S rRNA 初级转录物初级转录物mRNA和和tRNA Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换2.mRNA合成合成 不含内含子，也很少有非翻译区。不含内含子，也很少有非翻译区。 起始密码为起始密码为AUG（或（或AUA），终止密码为），终止密码为UAA

21、。 3端有多聚端有多聚A的尾部，的尾部，5端没有细胞核端没有细胞核mRNA加工加工时的帽结构时的帽结构 。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 (二二)线粒体基因的转录线粒体基因的转录第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换3.蛋白质翻译蛋白质翻译 在线粒体内并在线粒体的核糖体上进行翻译。在线粒体内并在线粒体的核糖体上进行翻译。 构成线粒体核糖体的蛋白质由细胞质运入线粒体内。构成线粒体核糖体的蛋白质由细胞质运入线粒体内。 用于蛋白质合成的所有用于蛋白质合成的所有tRNA都是由都是由mt

22、DNA编码。编码。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 (二二)线粒体基因的转录线粒体基因的转录第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换ATPase8和和ATPase6亚基翻译重叠框架亚基翻译重叠框架 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 (二二)线粒体基因的转录线粒体基因的转录第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换线粒体的遗传密码也与核基因不完全相同线粒体的遗传密码也与核基

23、因不完全相同 密码子密码子核密码子编核密码子编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哺乳动物哺乳动物果果 蝇蝇链孢酶菌链孢酶菌酵酵 母母植植 物物 UGA终止密码子终止密码子色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸终止密码子终止密码子 AGA AGG精氨酸精氨酸终止密码子终止密码子丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸 AUA异亮氨酸异亮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 AUU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异亮氨酸异亮氨酸CUUCUCCUACUG亮氨酸

24、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 亮氨酸亮氨酸Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(三三)线粒体线粒体DNA的复制的复制 类似于原核细胞的类似于原核细胞的DNA复制。复制。 一个一个重链复制起始点重链复制起始点：控制重链自我复制：控制重链自我复制 一个一个轻链复制起始点轻链复制起始点：控制轻链自我复制：控制轻链自我复制复制起始复制起始Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 第

25、六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(三三)线粒体线粒体DNA的复制的复制 复制特点：复制特点：D环复制环复制(D-loop replication) 轻链的复制要晚于重链；轻链的复制要晚于重链； 重链的合成方向是顺时针的；轻链的合成方向是重链的合成方向是顺时针的；轻链的合成方向是逆时针的；逆时针的； 复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期的复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期的静止期或间期，甚至可分布在整个细胞周期。静止期或间期，甚至可分布在整个细胞周期。 复制时间：复制时间：整个复制过程约持续整个复制过程约持续2个小时。个小时。Mitochondria and E

26、nergy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换线粒体线粒体DNA的复制的复制Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换四、线粒体核编码蛋白质的转运四、线粒体核编码蛋白质的转运 线粒体中有大约有线粒体中有大约有1000个基因产物，其中仅个基因产物，其中仅37个基个基因产物由线粒体基因组编码，其他均由核编码。因产物由线粒体基因组编码，其他均由核编码。 Mitochondria and Ene

27、rgy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换四、线粒体核编码蛋白质的转运四、线粒体核编码蛋白质的转运 (一一)核编码蛋白向线粒体基质中的转运核编码蛋白向线粒体基质中的转运 1.需要条件需要条件 基质导入序列基质导入序列（matrix-targeting sequence，MTS）。）。 分子伴侣：分子伴侣：保持前体蛋白在线粒体外的非折叠状态保持前体蛋白在线粒体外的非折叠状态NAC：与少数前体蛋白相互作用，增加蛋白转运的准确性。与少数前体蛋白相互作用，增加蛋白转运的准确性。hsp70：和绝大多数的前体蛋白结合，使前体蛋白打开折叠，和绝

28、大多数的前体蛋白结合，使前体蛋白打开折叠， 防止已松弛的前体蛋白聚集。防止已松弛的前体蛋白聚集。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换 前体蛋白前体蛋白与受体结合。与受体结合。 mthsp70可与进入线粒体腔的前导肽链交联，防可与进入线粒体腔的前导肽链交联，防止了前导肽链退回细胞质。止了前导肽链退回细胞质。 基质作用蛋白酶基质作用蛋白酶MPP：定位于线粒体内膜上：定位于线粒体内膜上 ，切，切除大多数蛋白的基质导入序列。除大多数蛋白的基质导入序列。2.转运过程转运过程Mitochondri

29、a and Energy Conversion退退 出出首首 页页四、线粒体核编码蛋白质的转运四、线粒体核编码蛋白质的转运 (一一)核编码蛋白向线粒体基质中的转运核编码蛋白向线粒体基质中的转运 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换2.转运过程转运过程线粒体蛋白穿膜转运的布朗棘轮模型示意图线粒体蛋白穿膜转运的布朗棘轮模型示意图 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页四、线粒体核编码蛋白质的转运四、线粒体核编码蛋白质的转运 (一一)核编码蛋白向线粒体基质中的转运核编码蛋白向线粒体基质中的转运 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转

30、换线粒体与细胞的能量转换蛋白质向线粒体基质转运示意图蛋白质向线粒体基质转运示意图Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(二二)核编码蛋白向线粒体其他部位的转运核编码蛋白向线粒体其他部位的转运 1.蛋白质向线粒体膜间腔的转运蛋白质向线粒体膜间腔的转运 信号序列信号序列基质导入序列基质导入序列MTS：引导前体蛋白进入基质。引导前体蛋白进入基质。膜间腔导入序列膜间腔导入序列ISTS：引导前体蛋白进入膜间腔。引导前体蛋白进入膜间腔。 Mitochondria and Energy Convers

31、ion退退 出出首首 页页四、线粒体核编码蛋白质的转运四、线粒体核编码蛋白质的转运 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(二二)核编码蛋白向线粒体其他部位的转运核编码蛋白向线粒体其他部位的转运 1.蛋白质向线粒体膜间腔的转运蛋白质向线粒体膜间腔的转运 转运方式转运方式 整个蛋白进入基质，第整个蛋白进入基质，第2个信号序列个信号序列ISTS引导多肽引导多肽链链通过内膜上的通道通过内膜上的通道进入膜间腔进入膜间腔。 第第2个信号序列个信号序列ISTS起起转移终止转移终止序列的作用，阻止序列的作用，阻止前体蛋白向基质转运，并前体蛋白向基质转运，并固定于内膜固定于内膜上，切去位上

32、，切去位于内膜上的于内膜上的ISTS部分后，进入膜间腔。部分后，进入膜间腔。 通过通过直接扩散直接扩散从胞浆通过外膜而进入膜间腔。从胞浆通过外膜而进入膜间腔。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页四、线粒体核编码蛋白质的转运四、线粒体核编码蛋白质的转运 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换蛋白质向线粒体膜间腔转运示意图蛋白质向线粒体膜间腔转运示意图Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换2.蛋白质向线粒体外膜和内膜的转

33、运蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运 在外膜蛋白的转运中，在外膜蛋白的转运中，类孔蛋白类孔蛋白P70的研究最的研究最多。事实上在多。事实上在P70的的MTS后有一段长的疏水序后有一段长的疏水序列，也起着转移终止序列的作用，而使之固定列，也起着转移终止序列的作用，而使之固定于外膜上。于外膜上。 内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚。内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚。 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页四、线粒体核编码蛋白质的转运四、线粒体核编码蛋白质的转运 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换目前普遍接受的线粒体起源假说

34、为目前普遍接受的线粒体起源假说为内共生学说内共生学说，该学说认为，该学说认为线粒体可能起源于与古老厌氧真核细胞共生的早期细菌。线粒体可能起源于与古老厌氧真核细胞共生的早期细菌。 五、线粒体的起源五、线粒体的起源 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换六、线粒体的分裂与融合六、线粒体的分裂与融合（一）线粒体是通过分裂方式实现增殖的（一）线粒体是通过分裂方式实现增殖的目前普遍接受的观点认为：线粒体的生物发生是通目前普遍接受的观点认为：线粒体的生物发生是通过原有线粒体分裂完成的。过原有线粒体分

35、裂完成的。线粒体的生物发生过程：线粒体的生物发生过程： 第一阶段第一阶段线粒体进行线粒体进行分裂增殖分裂增殖； 第二阶段第二阶段线粒体本身的分化过程，建成能够线粒体本身的分化过程，建成能够行使行使氧化磷酸化氧化磷酸化功能的机构。功能的机构。 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换线粒体三种分裂方式：线粒体三种分裂方式：出芽分裂出芽分裂收缩分裂收缩分裂间壁分裂间壁分裂线粒体的分裂都不是绝对均等的。在同一线粒体中，线粒体的分裂都不是绝对均等的。在同一线粒体中，可能存在有不同类型的可能存在有不

36、同类型的mtDNA，随机地分配随机地分配到新的到新的线粒体中。线粒体中。另一方面线粒体分裂还另一方面线粒体分裂还受到细胞分裂的影响受到细胞分裂的影响。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页六、线粒体的分裂与融合六、线粒体的分裂与融合（一）线粒体是通过分裂方式实现增殖的（一）线粒体是通过分裂方式实现增殖的第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换线粒体分裂线粒体分裂哺乳动物线粒体的分裂过程哺乳动物线粒体的分裂过程由由Drp1、Fis1、Mff等蛋白介等蛋白介导。导。线粒体的分裂过程：线粒体的分裂过程：Mitochondria an

37、d Energy Conversion退退 出出首首 页页六、线粒体的分裂与融合六、线粒体的分裂与融合（一）线粒体是通过分裂方式实现增殖的（一）线粒体是通过分裂方式实现增殖的第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换（二）（二）mtDNA随机地、不均等地被分配到新的线粒随机地、不均等地被分配到新的线粒 体中体中 在同一线粒体中，可能存在有不同类型的在同一线粒体中，可能存在有不同类型的mtDNA，即野生型和突变型即野生型和突变型mtDNA。分裂时，野生型和突变。分裂时，野生型和突变型型mtDNA发生分离，发生分离，随机随机地分配到新的线粒体中。地分配到新的线粒体中。 Mitoch

38、ondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页六、线粒体的分裂与融合六、线粒体的分裂与融合第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换（三）线粒体融合是由一系列相关蛋白介导的过程（三）线粒体融合是由一系列相关蛋白介导的过程 线粒体的融合线粒体的融合有利于促进线粒体的相互协作，可以有利于促进线粒体的相互协作，可以使不同线粒体之间的信息和物质得到相互交换。使不同线粒体之间的信息和物质得到相互交换。 线粒体的融合线粒体的融合是由一系列蛋白分子精确调控和介导是由一系列蛋白分子精确调控和介导的。的。 FZO1p/Mfns介导线粒体外膜的融合。介导线粒体外膜的融

39、合。 Mgm1p/OPA1介导线粒体内膜的融合介导线粒体内膜的融合 。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页六、线粒体的分裂与融合六、线粒体的分裂与融合第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换七、线粒体的功能七、线粒体的功能1. 氧化磷酸化氧化磷酸化营养物质在线粒体内氧化并与磷酸化耦联营养物质在线粒体内氧化并与磷酸化耦联生成生成ATP是线粒体的主要功能。是线粒体的主要功能。2. 摄取和释放摄取和释放Ca2+线粒体还在线粒体还在摄取摄取Ca2+和释放和释放Ca2+中起着重要的作用，中起着重要的作用，线粒体和内质网一起共同调节胞质

40、中的线粒体和内质网一起共同调节胞质中的Ca2+浓度，浓度，从而调节细胞的生理活动。从而调节细胞的生理活动。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换七、线粒体的功能七、线粒体的功能3. 参与细胞死亡参与细胞死亡在某些情况下，线粒体是在某些情况下，线粒体是细胞死亡细胞死亡的启动环节；而的启动环节；而在另一些情况下，线粒体则仅仅是细胞死亡的一条在另一些情况下，线粒体则仅仅是细胞死亡的一条“通路通路”。 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章

41、第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换第二节第二节 细胞呼吸与能量转换细胞呼吸与能量转换一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解二、二、乙酰乙酰CoA在线粒体基质中进行三羧酸循环在线粒体基质中进行三羧酸循环三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换细胞呼吸的概念细胞呼吸的概念在特定细胞器（主要是线粒体）内，在在特定细胞器（主要是线粒体）内，在O2的参与的参与下，分解各种大分子物质，产生下，分

42、解各种大分子物质，产生CO2；与此同时，；与此同时，分解代谢所释放出的能量储存于分解代谢所释放出的能量储存于ATP中的过程，中的过程，称为称为细胞呼吸（细胞呼吸（cellular respiration），），也称也称生物生物氧化（氧化（biological oxidation）或细胞氧化）或细胞氧化（cellular oxidation）。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换细胞呼吸的特点细胞呼吸的特点 本质上是在线粒体中进行的一系列由酶系所催化本质上是在线粒体中进行的一系列由酶系所

43、催化的的氧化还原反应氧化还原反应； 所产生的所产生的能量储存于能量储存于ATP的高能磷酸键中；的高能磷酸键中； 整个反应过程是整个反应过程是分步进行分步进行的，能量也是逐步释放的，能量也是逐步释放的；的； 反应是在反应是在恒温恒温(37)和恒压和恒压条件下进行的；条件下进行的； 反应过程中需要反应过程中需要H2O的参与。的参与。 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换ATP是一种高能磷酸化合物是一种高能磷酸化合物 细胞呼吸时，释放的能量可通过细胞呼吸时，释放的能量可通过ADP的的磷酸化磷

44、酸化而及时储存于而及时储存于ATP的高能磷酸键中作为备用；的高能磷酸键中作为备用； 当细胞进行各种活动需要能量时，又可当细胞进行各种活动需要能量时，又可去磷酸去磷酸化化，断裂一个高能磷酸键以释放能量来满足机，断裂一个高能磷酸键以释放能量来满足机体需要。体需要。ATP的放能、储能反应简式的放能、储能反应简式A-PPP A-PP + Pi + 能量能量去磷酸化磷酸化细胞呼吸所产生的能量储存于细胞能量转换分子细胞呼吸所产生的能量储存于细胞能量转换分子ATP中中 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能

45、量转换ATP中所携带的能量来源于中所携带的能量来源于糖、氨糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化基酸和脂肪酸等的氧化，这些物质，这些物质的氧化是能量转换的前提。的氧化是能量转换的前提。从糖酵解到从糖酵解到ATP的形成是一个极其的形成是一个极其复杂的过程，复杂的过程，分为三个步骤：分为三个步骤： 糖酵解（糖酵解（glycolysis） 三羧酸循环（三羧酸循环（TAC） 氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换一、葡萄糖在细胞质中进

46、行糖酵解一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解 1.葡萄糖在细胞质中经糖酵解途径分解成丙酮酸葡萄糖在细胞质中经糖酵解途径分解成丙酮酸Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换底物水平磷酸化（底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation）：由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到移到ADP上，使上，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的作用。的作用。 经糖酵解过程，通过底物水平磷酸化，净生成经糖酵解过程，通过底物水平磷

47、酸化，净生成2分分子子ATP。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解 1.葡萄糖在细胞质中经糖酵解途径分解成丙酮酸葡萄糖在细胞质中经糖酵解途径分解成丙酮酸第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解 1.葡萄糖在细胞质中经糖酵解途径分解成丙酮酸葡萄糖在细胞质中经糖酵解途径分解成丙酮酸第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与

48、细胞的能量转换2. NADH+H+通过穿梭机制进入线粒体通过穿梭机制进入线粒体糖酵解过程产生的还原当量（糖酵解过程产生的还原当量（NADH+H+）本身不能本身不能透过线粒体内膜，必须借助线粒体内膜上透过线粒体内膜，必须借助线粒体内膜上特异性穿梭特异性穿梭系统系统进入线粒体。进入线粒体。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换2. NADH+H+通过穿梭机制进入线粒体通过穿梭机制进入线粒体苹果酸苹果酸天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭-磷酸

49、甘油穿梭磷酸甘油穿梭Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换在线粒体基质中在线粒体基质中丙酮酸脱氢酶体系丙酮酸脱氢酶体系作用下，丙酮酸作用下，丙酮酸进一步分解为乙酰进一步分解为乙酰CoA，NAD+作为受氢体被还原，作为受氢体被还原，具体反应式为：具体反应式为：2CH3COCOOH + 2HSCoA + 2NAD+ 2CH3CO-ScoA + 2CO2 + 2NADH + 2H+ 3. 丙酮酸在线粒体基质中氧化脱羧生成乙酰丙酮酸在

50、线粒体基质中氧化脱羧生成乙酰CoAMitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换二、二、乙酰乙酰CoA在线粒体基质中进行三羧酸循环在线粒体基质中进行三羧酸循环在线粒体基质中，乙酰在线粒体基质中，乙酰CoA与草酰乙酸结合成柠檬与草酰乙酸结合成柠檬酸而进入酸而进入三羧酸循环（三羧酸循环（ tricarboxylic acid cycle， TAC），），经过一系列的代谢反应，乙酰基被氧化经过一系列的代谢反应，乙酰基被氧化分解，草酰乙酸再生

51、。分解，草酰乙酸再生。三羧酸循环是三大营养素的最终代谢通路三羧酸循环是三大营养素的最终代谢通路。糖、脂。糖、脂肪、氨基酸在体内进行生物氧化都将产生乙酰肪、氨基酸在体内进行生物氧化都将产生乙酰CoA，然后进入三羧酸循环进入降解。然后进入三羧酸循环进入降解。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换三羧酸循环三羧酸循环Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键

52、三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键(一一)呼吸链和呼吸链和ATP合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础 1.呼吸链呼吸链代谢物脱下的代谢物脱下的成对氢原子成对氢原子通过多种酶和辅酶所催化的通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应连锁反应逐步传递，最后逐步传递，最后与氧结合生成水与氧结合生成水，此传递过，此传递过程称为程称为呼吸链呼吸链。参加呼吸链的酶及辅酶按一定顺序在。参加呼吸链的酶及辅酶按一定顺序在线粒体内膜上排列，线粒体内膜上排列，进行氢和电子的传递进行氢和电子的传递，故又称为，故又称为电子传递链电子传递链。Mitochondria and Energy Conversi

53、on退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换复合体复合体酶活性酶活性分子量分子量辅基辅基 NADH-CoQ氧化还原酶氧化还原酶85 000FMN 、FeS 琥珀酸琥珀酸-CoQ氧化还原酶氧化还原酶97 000FAD、FeS CoQH2-细胞色素细胞色素c氧化还氧化还原酶原酶280 000血红素血红素b、 FeS血红素血红素c1 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶200 000血红素血红素a Cu血红素血红素a3呼吸链传递氢和电子的功能由四种酶复合体完成呼吸链传递氢和电子的功能由四种酶复合体完成Mitochondria and Energy Conversion

54、退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换呼吸链蛋白质组成呼吸链蛋白质组成每个复合体都由多条多肽链（大部分由核基因组编码，少部分由线粒体基因组编码）组成每个复合体都由多条多肽链（大部分由核基因组编码，少部分由线粒体基因组编码）组成Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换 线粒体内膜（包括嵴）的内表面附着的线粒体内膜（包括嵴）的内表面附着的圆球形基粒。圆球形基粒。 将呼吸链电子传递过程中释放的能量用于使将呼吸链电子传递过程中释放的能量用于使ADP磷磷酸化生

55、成酸化生成ATP的关键装置。的关键装置。 化学本质是化学本质是ATP合酶复合体合酶复合体，也称，也称F0F1ATP合酶合酶。2.ATP合酶复合体合酶复合体Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键(一一)呼吸链和呼吸链和ATP合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换2.ATP合酶复合体合酶复合体Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、氧化磷酸化耦联

56、是能量转换的关键三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键(一一)呼吸链和呼吸链和ATP合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换电子传递过程中释放出的能量被电子传递过程中释放出的能量被F0F1ATP合酶用来催合酶用来催化化ADP磷酸化而合成磷酸化而合成ATP，ATP生成部位生成部位即是氧化磷即是氧化磷酸化偶联部位。酸化偶联部位。(二二)氧化磷酸化耦联氧化磷酸化耦联Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键第

57、六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(三三)耦联机制耦联机制化学渗透假说化学渗透假说 化学渗透假说（化学渗透假说（chemiosmotic coupling hypothesis）认认为氧化磷酸化偶联的基本原理是：为氧化磷酸化偶联的基本原理是：电子传递中的自由能差造成电子传递中的自由能差造成H+穿膜传递，转变为横跨穿膜传递，转变为横跨线粒体内膜的电化学质子梯度。线粒体内膜的电化学质子梯度。质子顺梯度回流并释放出能量，驱动结合在内膜上的质子顺梯度回流并释放出能量，驱动结合在内膜上的ATP合酶，催化合酶，催化ADP磷酸化合成磷酸化合成ATP。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换电子传递与氧化磷酸化过程电子传递与氧化磷酸化过程 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换质子流引起质子流