线粒体作用机理学习教案

1、会计学1第一页，共85页。第1页/共84页第二页，共85页。为为何何线线粒粒体体能能提提供供能能量量？线线粒粒体体如如何何提提供供能能量量？How can it be?第2页/共84页第三页，共85页。第3页/共84页第四页，共85页。线粒体概述：线粒体概述： 1、有机物、有机物分解代谢分解代谢能量能量; 2、存在、存在(cnzi)于除红细胞以于除红细胞以外的一切真核外的一切真核 细胞中细胞中; 3、能量的、能量的80%由线粒体提供。由线粒体提供。第4页/共84页第五页，共85页。一线粒体的结构：一线粒体的结构： 光镜下呈线状、粒状或杆状，不同光镜下呈线状、粒状或杆状，不同(b tn) 生理条

2、件下形状、大小、数目及分生理条件下形状、大小、数目及分 布不一。布不一。第5页/共84页第六页，共85页。An TEM image of mitochondrion 第6页/共84页第七页，共85页。第7页/共84页第八页，共85页。Mitochondria distributed in skeletal muscle第8页/共84页第九页，共85页。（三）功能区隔（三）功能区隔分为外膜、内膜、膜间隙(jin x)和基质四部分。Schematic view of mitochondrion第9页/共84页第十页，共85页。第10页/共84页第十一页，共85页。第11页/共84页第十二页，共85

3、页。(一)大小:为较大的细胞器,直径约0.5-1.0um(二)数目:数百至数千不等,一般为1000-2000 个,不同细胞差异(chy)很大: 哺乳动物成熟红细胞: 无 精子细胞: 25个 肝细胞: 1300个 卵母细胞: 30万个(三)电镜下结构:双层膜套叠而成的封闭性 膜囊结构,内外膜不相连,与细胞质隔离第12页/共84页第十三页，共85页。1.外膜（外膜（outer membrane):最外面最外面,一层单位膜一层单位膜7nm， 脂类脂类 和蛋白各和蛋白各1/2, 含直径含直径1-3nm通道通道 的的孔孔 蛋白蛋白, 可通过可通过5000以下分子量的物质以下分子量的物质(wzh)。标志酶

4、标志酶单胺氧化酶单胺氧化酶第13页/共84页第十四页，共85页。标志酶细胞(xbo)色素C氧化酶第14页/共84页第十五页，共85页。Lamellar cristae第15页/共84页第十六页，共85页。Tubular cristae第16页/共84页第十七页，共85页。第17页/共84页第十八页，共85页。第18页/共84页第十九页，共85页。抑制剂抑制剂可溶性的可溶性的 ATP 酶（酶（F1）对寡酶素敏感对寡酶素敏感的蛋白（的蛋白（OSCP）疏水蛋白（疏水蛋白（HP）第19页/共84页第二十页，共85页。外膜外膜内膜内膜基质基质(j zh)基粒基粒嵴嵴线粒体的模式图线粒体的模式图酶酶形态形

5、态(xngti)结构结构第20页/共84页第二十一页，共85页。 膜间腔（外室）膜间腔（外室）(intermembrane space / out chamber)： 内外内外(niwi)膜之间膜之间 包括嵴内腔包括嵴内腔 含多种可溶性酶含多种可溶性酶 含底物和含底物和 辅助因子。辅助因子。 标志酶标志酶腺苷酸激酶腺苷酸激酶 第21页/共84页第二十二页，共85页。 基质腔（内室基质腔（内室 / 嵴间腔）嵴间腔） (matrix space / inner chamber) ：三羧酸三羧酸(su sun)循环的重要场所。循环的重要场所。标志酶标志酶苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶 基质基质(matri

6、x)： 含多种酶含多种酶 ，双链环状，双链环状DNA、RNA、核糖体、核糖体第22页/共84页第二十三页，共85页。 二线粒体的化学组成二线粒体的化学组成 1. 1. 水：是线粒体中含量最多的成分水：是线粒体中含量最多的成分 2. 2. 蛋白质：占蛋白质：占65%-70%65%-70%，分布在内膜和基质中，分布在内膜和基质中 分为：分为： 可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白 不溶性蛋白：膜结构蛋白不溶性蛋白：膜结构蛋白 3. 3. 脂类脂类 ： 占占25%-30%25%-30%，主要，主要(zhyo)(zhyo)是磷脂是磷脂 4. 4. 另外还含有：另外还含有

7、：DNADNA、辅酶、维生素、无机离子、辅酶、维生素、无机离子 5. 5. 含有含有120120多种酶，是细胞中含酶最多的细胞器多种酶，是细胞中含酶最多的细胞器 第23页/共84页第二十四页，共85页。基质基质(j zh)膜间隙膜间隙(jin (jin x) x) 提取 第24页/共84页第二十五页，共85页。第25页/共84页第二十六页，共85页。几种不同部位几种不同部位(bwi)的标志酶：的标志酶： 内内 膜膜 细胞色素细胞色素C氧化氧化酶酶 外外 膜膜 单胺氧化酶单胺氧化酶 基基 质质 苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶 膜间腔膜间腔 腺苷酸激酶腺苷酸激酶第26页/共84页第二十七页，共85页。第

8、27页/共84页第二十八页，共85页。 三线粒体基因三线粒体基因(jyn)组组 1. 线粒体线粒体DNA: 1) 有自己的遗传系统有自己的遗传系统 2) 是除核以外唯一含有是除核以外唯一含有DNA的细胞器的细胞器 3) 只有一条只有一条DNA线粒体线粒体DNA(mtDNA)，编码线粒，编码线粒体体 的的tRNA 、rRNA和蛋白质和蛋白质 4) 人全序列基因人全序列基因(jyn)测序已经完成测序已经完成剑桥序列，剑桥序列，含有含有 37个基因个基因(jyn)、定位于、定位于22种种tRNA，2种种rRNA，编，编码码13种种 蛋白质蛋白质 第28页/共84页第二十九页，共85页。 5) 双链环

9、状双链环状DNA分子分子: 重链重链/轻链轻链 6) 只有很少有非编码的序列只有很少有非编码的序列, mRNA不含内含子不含内含子 7) DNA为母系为母系(mx)遗传遗传第29页/共84页第三十页，共85页。2. 线粒体蛋白质合成线粒体蛋白质合成: 1）有自己的蛋白质翻译系统）有自己的蛋白质翻译系统 2）所编码的蛋白质是在线粒体内的核糖体上进行）所编码的蛋白质是在线粒体内的核糖体上进行(jnxng)的的 3）所编码的）所编码的RNA和蛋白质并不运出线粒体外和蛋白质并不运出线粒体外 4）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mtDNA编码的编码的 5）mtDNA为裸露的

10、，不与组蛋白结合为裸露的，不与组蛋白结合 6）mtDNA 位于基质内或依附于内膜位于基质内或依附于内膜 7）mtDNA具有自我复制的能力具有自我复制的能力,以自身为模板半保留以自身为模板半保留复复 制，可分布整个细胞周期制，可分布整个细胞周期第30页/共84页第三十一页，共85页。3.线粒体是半自主性的细胞器线粒体是半自主性的细胞器: 线粒体中由自身线粒体中由自身(zshn)合成的蛋白质仅占合成的蛋白质仅占10%,其余均为细胞核基因组编码。因此，线其余均为细胞核基因组编码。因此，线粒体有自己的粒体有自己的DNA和蛋白质合成体系，即独和蛋白质合成体系，即独立的遗传系统，但又受核基因组遗传系统的立

11、的遗传系统，但又受核基因组遗传系统的控制，其生长和增殖受核基因组和自身控制，其生长和增殖受核基因组和自身(zshn)基因组两套遗传系统的控制，故为半基因组两套遗传系统的控制，故为半自主性细胞器。自主性细胞器。第31页/共84页第三十二页，共85页。第32页/共84页第三十三页，共85页。化的机构化的机构线粒体的分化和生长分别接受细胞线粒体的分化和生长分别接受细胞核与线粒体两个独立的遗传系统核与线粒体两个独立的遗传系统控制。控制。第33页/共84页第三十四页，共85页。线粒体的间壁线粒体的间壁(jinb)分裂分裂 第34页/共84页第三十五页，共85页。线粒体的收缩线粒体的收缩(shu su)分

12、裂分裂 第35页/共84页第三十六页，共85页。第36页/共84页第三十七页，共85页。无氧呼吸无氧呼吸(hx) 概念概念(ginin)：活细胞在无氧或缺氧条件下，通过活细胞在无氧或缺氧条件下，通过(tnggu)酶酶的催化作用，把葡萄糖等有机物不彻底地氧化的催化作用，把葡萄糖等有机物不彻底地氧化分解成为乙醇或乳酸等，同时释放较少能量的分解成为乙醇或乳酸等，同时释放较少能量的过程。过程。C6H12O6 2C3H6O3（乳酸）乳酸） + 能量能量(少量少量)C6H12O6 2C2H5OH(酒精酒精)+2CO2 + 能量能量(少量）少量）酶酶酒精发酵：酵母菌酵母菌乳酸发酵：乳酸菌乳酸菌第37页/共8

13、4页第三十八页，共85页。 类型项目 有氧呼吸有氧呼吸 无氧呼吸无氧呼吸区区 别别 场场 所所 条条 件件 产产 物物 释释 能能 联联 系系细胞质基质细胞质基质(j (j zh)zh)、线粒体（主、线粒体（主要）要）细胞质基质细胞质基质(j zh)(j zh)需氧、酶等需氧、酶等不需氧、需酶不需氧、需酶较较 多多较较 少少两者第一阶段相同两者第一阶段相同(xin tn)(xin tn)即都将葡萄糖分解成丙酮酸（糖酵解）即都将葡萄糖分解成丙酮酸（糖酵解）都分解有机物、释放能量都分解有机物、释放能量有氧呼吸与无氧呼吸的比较有氧呼吸与无氧呼吸的比较二氧化碳和二氧化碳和水水氧化彻底氧化彻底酒精、二氧

14、酒精、二氧化碳或乳酸化碳或乳酸氧化不彻氧化不彻底底第38页/共84页第三十九页，共85页。存存(chcn)于于ATP中的中的过程，又称生物氧化（过程，又称生物氧化（biological oxidation）第39页/共84页第四十页，共85页。第40页/共84页第四十一页，共85页。二细胞能量转换二细胞能量转换(zhunhun)分子分子释放能量：释放能量：ADP+PiATP（储存）（储存）需要能量：需要能量：ATP-PiADP（释（释放）放）第41页/共84页第四十二页，共85页。CO2 +H2O + 能量能量细胞呼吸细胞呼吸氧化分解氧化分解ADP+PiATP释放能量释放能量用于各项生命活动用

15、于各项生命活动主要能源主要能源(nngyun)物质物质葡萄糖葡萄糖直接能源物质直接能源物质 ADP和和ATP的相互转变保正的相互转变保正了生物所需能量了生物所需能量的及时供应。的及时供应。第42页/共84页第四十三页，共85页。第43页/共84页第四十四页，共85页。第44页/共84页第四十五页，共85页。场所场所 发生反应发生反应 产物产物 第一第一阶段阶段第二第二阶段阶段第三第三阶段阶段细胞质基质细胞质基质(j zh)葡萄糖葡萄糖酶酶2丙酮酸丙酮酸少量能量少量能量4H+丙酮酸、丙酮酸、H、释放少量释放少量(sholing)能量，能量，形成少量形成少量(sholing)ATP线粒体线粒体6C

16、O26H2O酶酶2丙酮酸丙酮酸少量少量能量能量20H+CO2、H、释、释放少量能量，形放少量能量，形成少量成少量ATP线粒体线粒体6O212H2O酶酶大量能量大量能量24H +H2O、释放大量能、释放大量能量，形成大量量，形成大量ATP第45页/共84页第四十六页，共85页。线粒体线粒体H2 分 子分 子(fnz)丙酮酸丙酮酸CO2葡萄糖葡萄糖释放少量释放少量(sholing)能量能量， 形 成 少 量， 形 成 少 量(sholing)ATPO2H释放少量能量，释放少量能量，形成少量形成少量ATPH2O释放大量能量，释放大量能量，形成大量形成大量ATP细胞质基质细胞质基质H2O第46页/共8

17、4页第四十七页，共85页。第47页/共84页第四十八页，共85页。糖糖 蛋白质蛋白质 脂脂肪肪(zhfng)酵酵解解 乙酰乙酰辅酶辅酶(f mi)A生生成成 三三羧羧酸酸(su sun)循循环环 电子电子传递传递和氧和氧化磷化磷酸化酸化 第48页/共84页第四十九页，共85页。第49页/共84页第五十页，共85页。第50页/共84页第五十一页，共85页。第51页/共84页第五十二页，共85页。代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递(chund)，最终与氧结合生成水。第52页/共84页第五十三页，共85页。三三. . 电子传递偶联氧化电子传递偶联氧化(ynghu)

18、(ynghu)磷酸化磷酸化: : 将三个阶段所脱下的氢原子通过线粒体将三个阶段所脱下的氢原子通过线粒体内膜内膜 上的一系列酶进行逐级传递上的一系列酶进行逐级传递, ,生成水生成水, ,传递过传递过程中所释放的能量使程中所释放的能量使ADPADP磷酸化形成磷酸化形成ATPATP。 第53页/共84页第五十四页，共85页。1、电子传递链（呼吸链）（在内膜有序排列、电子传递链（呼吸链）（在内膜有序排列(pili)的酶系）的酶系）呼吸链上进行电子传递的载体主要有：呼吸链上进行电子传递的载体主要有：NAD、黄素蛋白、细胞色素、铜、黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶原子、铁硫蛋白、辅酶Q等。等。（

19、1） NAD： 即烟酰胺嘌呤二核苷酸（即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide），是体内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链，），是体内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链，其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。（2）黄素蛋白：含）黄素蛋白：含FMN或或FAD的蛋白质，每个的蛋白质，每个FMN或或FAD可接受可接受2个电个电子，子，2个质子。呼吸链上具有以个质子。呼吸链上具有以FMN为辅基的为辅基的NADH脱氢酶和以脱氢酶和以FAD为为辅基的琥珀酸脱氢酶。辅基的琥珀酸脱氢酶。第54页/共8

20、4页第五十五页，共85页。（3） 细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递形式变化传递(chund)电子，呼吸链电子，呼吸链中有中有5类，即：细胞色素类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中，其中a、a3含有含有铜原子。铜原子。（4）三个铜原子：位于线粒体内膜的一个蛋白质上，形成）三个铜原子：位于线粒体内膜的一个蛋白质上，形成类似于铁硫蛋白的结构，通过类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu1+的变化传递的变化传递(chund)电子。电子。（5）铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和）铁硫蛋白：

21、在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结个硫原子结合，通过合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递互变进行电子传递(chund)。（6）泛醌）泛醌Q或辅酶或辅酶Q(CoQ)：是脂溶性小分子量的醌类化合：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递物，通过氧化和还原传递(chund)电子。也是电子传递电子。也是电子传递(chund)链中唯一的非蛋白电子载体。链中唯一的非蛋白电子载体。第55页/共84页第五十六页，共85页。能量产生(chnshng)过程第56页/共84页第五十七页，共85页。2 2、呼吸链的复合物、呼吸链的复合物 利用脱氧胆酸（利用脱氧胆酸（deoxycholatedeoxy

22、cholate）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4 4种复合物，即复合物种复合物，即复合物、和和，辅酶，辅酶Q Q和细胞色素和细胞色素(s s)C(s s)C不属不属于任何一种复合物。辅酶于任何一种复合物。辅酶Q Q溶于内膜、细胞色素溶于内膜、细胞色素(s s)C(s s)C位于线粒体内位于线粒体内膜的膜的C C侧，属于膜的外周蛋白。侧，属于膜的外周蛋白。（1 1）复合物）复合物 即即NADHNADH脱氢酶，哺乳动物的复合物脱氢酶，哺乳动物的复合物由由4242条肽链组成，含有一个条肽链组成，含有一个FMNFMN和至少和至少6 6个铁硫蛋白，分子量接近个铁硫蛋白，分

23、子量接近1MD1MD，以二聚体形式存在。作用是催化，以二聚体形式存在。作用是催化NADHNADH的的2 2个电子传递至辅酶个电子传递至辅酶Q Q，同时将，同时将4 4个质子由线粒体基质（个质子由线粒体基质（M M侧）转移侧）转移至膜间隙（至膜间隙（C C侧）。电子传递的方向为：侧）。电子传递的方向为：NADHNADHFMNFMNFe-SFe-SQ Q。第57页/共84页第五十八页，共85页。（2）复合物）复合物 即琥珀酸脱氢酶，至少由即琥珀酸脱氢酶，至少由4条肽链组成，含有一个条肽链组成，含有一个FAD，2个铁硫蛋白。个铁硫蛋白。作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，

24、但不转移质子。电子传递的方向为：，但不转移质子。电子传递的方向为：琥珀酸琥珀酸FADFe-SQ。（3）复合物）复合物 即细胞色素即细胞色素c还原酶，由至少还原酶，由至少11条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素）、一个细胞色素c1和一个铁硫和一个铁硫蛋白。作用是催化电子从辅酶蛋白。作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素传给细胞色素c，每转移一对电子，同时，每转移一对电子，同时(tngsh)将将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。个质子由线粒体基质泵至膜间隙。（4）复合物）复合物 即细胞色

25、素即细胞色素c氧化酶，以二聚体形式存在。作用是将从细胞色素氧化酶，以二聚体形式存在。作用是将从细胞色素c接受的接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时个质子，同时(tngsh)转移转移2个质子至膜间隙。个质子至膜间隙。第58页/共84页第五十九页，共85页。NADH呼吸链，每传递一对呼吸链，每传递一对(y du)电子释放的自由能电子释放的自由能 可形成可形成2.5分子分子ATP。FADH2呼吸链，每传递一对电子呼吸链，每传递一对电子(dinz)释放的自由能释放的自由能 可形成可形成1.5分子分子ATP。第59页/共84页第六十页，共8

26、5页。第60页/共84页第六十一页，共85页。第61页/共84页第六十二页，共85页。第62页/共84页第六十三页，共85页。复合物复合物 （NADH-CoQ 还原酶）还原酶）复合物复合物 （琥珀酸琥珀酸-泛醌泛醌 还原酶还原酶 ）复合物复合物 （泛醌泛醌-细胞色细胞色 素素C还原酶还原酶 ）复合物复合物 （细胞色素（细胞色素C 氧化酶）氧化酶）ADPATPADPATPADPATP琥珀酸琥珀酸FeSCoQH+ ，eFADNADHFMNFeSCoQ H+ ，eCoQFeScytbcytCH+ ，eCyta，a3cytC1/2O2H+ ，eQ循循环环(xnhun)第63页/共84页第六十四页，共8

27、5页。第64页/共84页第六十五页，共85页。糖酵解：糖酵解： 底物水平的磷酸化产生底物水平的磷酸化产生4 4个个ATPATP，己，己 糖活化消耗糖活化消耗2 2个个ATPATP，脱氢反应，脱氢反应(fnyng)(fnyng)产产生生2 2个个 NADH NADH，经电子传递链生成，经电子传递链生成4 4或或6 6个个ATPATPKrebsKrebs循环：底物水平的磷酸化产生循环：底物水平的磷酸化产生2 2个个ATPATP，脱，脱 氢反应氢反应(fnyng)(fnyng)产生产生8 8个个NADHNADH和和2 2个个FADH2FADH2，8 8 个个NADHNADH经电子传递链生成经电子传递

28、链生成2424个个ATPATP， 2 2个个FADH2FADH2经电子传递链生成经电子传递链生成4 4个个ATPATP。第65页/共84页第六十六页，共85页。第66页/共84页第六十七页，共85页。生物氧化产生ATP的统计 一个(y )葡萄糖分子经过细胞呼吸全过程产生多少ATP？ 糖酵解：底物水平磷酸化产生 4 ATP（细胞质） 己糖分子活化消耗 2 ATP（细胞质） 产生 2NADH，经电子传递产生 4或 6 ATP （线粒体）净积累 6或8 ATP 丙酮酸氧化脱羧：产生 2NADH（线粒体），生成 6ATP 三羧酸循环：底物水平的磷酸化产生（线粒体）2ATP； 产生 6NADH（线粒体）

29、，生成 18ATP； 产生 2FADH2（线粒体），生成 4 ATP 总计生成 36或38 ATP 第67页/共84页第六十八页，共85页。氧化氧化(ynghu)磷酸化（磷酸化（oxidative phosphorylation） 物质氧化物质氧化高能电子高能电子氧氧氧化过程氧化过程ADP+Pi ATP质子动力势质子动力势energyenergy磷酸化过程磷酸化过程第68页/共84页第六十九页，共85页。将生物氧化所释放能量将生物氧化所释放能量(nngling)(nngling)的转移过程与的转移过程与ADPADP的磷酸化过程结合的磷酸化过程结合起来，而将生物氧化释放的能量起来，而将生物氧化释

30、放的能量(nngling)(nngling)转移到转移到ATPATP的高能磷酸键的高能磷酸键中，又称氧化磷酸化偶联。中，又称氧化磷酸化偶联。第69页/共84页第七十页，共85页。ATP的合成：的合成：ADP+Pi（由细胞质输入到线粒体的基质中）（由细胞质输入到线粒体的基质中） 在在 ATP合酶的催化合酶的催化(cu hu)下合成下合成ATP。合成的合成的ATP由线粒体内膜上的腺苷酸转移酶输出线粒体。由线粒体内膜上的腺苷酸转移酶输出线粒体。ATPATP和和ADPADP分子的相互转换分子的相互转换第70页/共84页第七十一页，共85页。牛心脏线粒体（负染电镜）牛心脏线粒体（负染电镜）可见球形颗粒通

31、过可见球形颗粒通过(tnggu)小柄附着在线粒体内膜嵴上小柄附着在线粒体内膜嵴上 第71页/共84页第七十二页，共85页。uRacker发现这种颗粒很像水解发现这种颗粒很像水解ATP的酶，即的酶，即ATPase，这似乎是一个特别的发现，为什么线粒体内，这似乎是一个特别的发现，为什么线粒体内膜需要如此多的水解膜需要如此多的水解ATP的酶的酶?u如果按照常规的方式思考所发现颗粒的问题如果按照常规的方式思考所发现颗粒的问题,似难理似难理解线粒体内膜上需要解线粒体内膜上需要ATP水解酶水解酶,如果将如果将ATP的水解看的水解看成是成是ATP合成的相反过程合成的相反过程,F1球形颗粒的功能就显而易球形颗粒的功能就显而易见了见了:它含有它含有ATP合成的功能位点合成的功能位点,即即ATPase既能催化既能催化ATP的水解的水解,又能催化又能催化ATP的合成的合成,到底到底(do d)行使何行使何种功能种功能,视反应条件而定。视反应条件而定。u在分离状态下具有在分离状态下具有ATP水解酶的活性，在结合状态水解酶的活性，在结合状态下具有下具有ATP合成酶的活性。合成酶的活性。 第72页/共84页第七十三页，共85页。ATP合酶合成合酶合成