细胞生物学笔记线粒体

1、线 粒 体(mt)在电镜下线粒体是由二层单位膜组成的细胞器,是细胞内氧化磷酸化、产能、贮能的重要场所。一、光镜结构二、mt电镜结构 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。 内膜：高度特化，是胞质与mt基质之间的主要通道屏障。其中蛋白质占76%，主要是合成ATP的F0F1复合体和电子传递链。脂类主要是心磷脂，使内膜对质子及离子的通透性减小，从而产生了内膜两侧质子的动力势和电位差。 mt嵴： 基粒： 头部：又称偶联因子F1，由五种亚基()组成，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的关键装置。 柄部：是F1和F0连接部位，由F1和F0各有一部分组成，

2、其作用调控质子通道。 基部：称F0偶联因子。 膜间腔（嵴内腔或mt外室） 转位接触点： 基质腔（嵴间腔或内室）：是三羧酸循环的重要部位。 基质：主要是催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、核酸、蛋白质酶类。三、mt的化学成份 主要蛋白质、脂类以及DNA、多种辅酶，如NAD、FMN、FAD、COQ等。 蛋白质：干重6570%。 可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白 不可溶性蛋白：膜镶嵌蛋白、结构蛋白以及部分酶类 脂类：干重25%30%，主要是磷脂（占90%）。 即卵磷脂、脑磷脂以及少量的心磷脂和胆固醇。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的通透性四、线

3、粒体的遗传体系（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彼此分开的遗传系统，线粒体的这种特性称为线粒体的半自主性；线粒体DNA构成了线粒体基因组（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，非编码区和调节序列很少；3）不严格的密码子配对； 4）部分遗传密码与通用密码的意义不同；5）起始密码为AUA而非AUG； 6）编码产物只自用；7）依赖nDNA发挥功能；2、线粒体基因组及其所编码的13种蛋白质 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

4、共组成37个基因，其中H链28个基因，L链9个基因。13个编码蛋白质的基因负责编码3、线粒体DNA复制mtDNA含有两个单向复制叉，H链和L链各含1个复制叉。H链与L链合成的方向相反。mtDNA复制不受细胞周期影响。 4、线粒体DNA转录需要核基因编码的mtRNA聚合酶和mt转录因子ACTFA。重链和轻链各有一个启动子HSP和LSP，转录三种RNA，转录出来的mtRNA在mt内合成蛋白。（二）线粒体内蛋白质合成： mt蛋白质有两个来源：一是外源性的，即在细胞质中合成的蛋白质运输进入mt；二是内源性的，即由mt自身合成，只占全部蛋白的10%左右。mt内蛋白质合成的特点： mt蛋白质合成与mtmR

5、NA的转录几乎是同步进行的，与原核生物相似。 mt蛋白质合成的起始密码是AUA，而胞质合成蛋白质是由AUG起始的。 一些药物如氯霉素、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。 mt合成蛋白质占总量10%，但几乎都是mt活动的关键酶，如电子传递系统中的四种复合体酶和ATP合成酶系的主要成分。（三）mt对核编码蛋白的转运 1、前体蛋白和导肽及其作用mt蛋白大多数是由nDNA编码的并由胞质核糖体合成转运入mt，这些将被转运的蛋白质称为“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： 导肽具有识别、牵引作用。 导肽含有带正电荷的碱性精氨酸，有利

6、于导肽结合于mt表面受体，进入带负电荷的基质中。 前体蛋白由胞质中的分子伴侣(热休克蛋白HSc70、60、10)去折叠，穿过mt膜后又重新恢复折叠的天然构象。 胞质中的分子伴侣与前体蛋白的结合能防止前体蛋白形成不可解开的构象。 前体蛋白到达mt表面时，ATP水解提供能量使HSc70从前体蛋白分子上解离下来，前体蛋白在导肽的作用下与输入受体结合。 导肽将前体蛋白导入mt后，被mt内的水解酶水解下来。2）多肽链穿越mt的过程 解折叠的前体蛋白多肽链在导肽的作用下与转位接触点接触mt外、内膜上的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的基质“分

7、子伴侣”（mtHSP70）与进入mt的前导肽链交连，mtHSP70具有维持解折叠状态的作用，并能将多肽链完全拉进入基质，mtHSP70分子变构产生的拖力，使解折叠的前体蛋白多肽链快速进入mt内。最后，前体蛋白在mtHSP70的作用下重新折叠。（四）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运1、向线粒体膜间腔的转运2、向线粒体外膜和内膜的转运（五）mt遗传体系与核遗传体系的互相关系线粒体DNA10%、核DNA90%五、线粒体的起源与发生 1、线粒体是通过分裂方式实现增殖的 2、mtDNA随机地、不均等地被分配到新的线粒体中 3、线粒体可能起源于共生的早期细菌第二节、细胞呼吸与能量转换 一、mt与氧化磷酸化

8、概念：细胞呼吸、生物氧化、细胞氧化、糖酵解 细胞内在氧和水的参与下分解各种大分物质，产生CO2； 同时将分解释放的能量，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。糖酵解经消化分解的糖、脂肪、Pr等物质在细胞内进一步降解，其反应过程不需要氧的参与，称糖酵解。如：G经无氧氧化产生乙醇和乳酸的过程。1、细胞呼吸的特点：1）、细胞呼吸是线粒体中由酶催化的氧化还原反应 2）、细胞呼吸产生的能量储存于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的参与2、细胞氧化（生物氧化）的过程：糖、Pr、脂类被消化成G、aa、脂肪酸和甘油小分子被C吸收进一步降解生

9、成丙酮酸进入mt基质进行TAC和mt内膜上的电子传递，最终生成ATP、CO2和水。3、细胞氧化的条件：外膜上：促进底物进入mt膜的各种转移酶，即多种转运Pr形成的含水通道，又称“孔蛋白”。内膜上：整套与呼吸链有关的酶系即电子传递链， 如合成 ATP的F0F1ATP复合体，辅酶（NADH）、 FADH2（黄素酶）等。嵴膜上：进行Pi化所需用的ATP合成酶系。基质中：三羟酸循环（TAC）所需的全套酶系4、生物氧化的途径：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）氧化过程中产生的能量直接将ADP磷酸化生成ATP，没经过电子传递过程，所以称“底物水

10、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2HNAD+NADH+H+高能磷酸键ADPATP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的生成COA 糖酵解产生的丙酮酸从胞质中穿过mt膜到mt基质中，在

11、丙酮酸脱氢酶的作用下经脱氢、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） 细胞内的脂肪酸、氨基酸、甘油的氧化过程都是通过生成乙酰乙酸后再形成乙酰COA而进入有氧化过程的，因此乙酰COA起着代谢枢纽的作用。丙酮酸脱氢酶 脱氢、脱羧3）、三羧酸循环（TAC） 在氧充足的条件下，乙酰COA彻底氧化分解为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基质中发生的TAC产生的高能电子，由

12、NADH+H+和FADH2携带，通过mt内膜上的递电子过程转移到氧分子上，形成H2O。电子传递链(即：呼吸链，指mt内膜上按一定顺序递H和递电子的酶体系）。 总原则：NADH+H+、FADH2将H传递到O，形成H2O。 还原型：NADH+H+1/202NAD+（氧化型）+H2O 还原型：FADH2+1/202FAD +（氧化型）+ H2O 这里H不能直接与O2结合，必须解离为H+和e-，电子经mt内膜上酶体系（电子传递链）逐级传递，最终使1/2O2解离成O2-，O2-再与基质中的2个H+化合成H2O，mt内膜上这种递氢、递电子酶体系称为“电子传递链”。呼吸链的成员及顺序 NAD(FAD)辅酶Q

13、(CoQ) Cytb Cytc1 Cytc Cyta Cyta3 O2 以上呼吸链中各成员都与蛋白质结合，形成酶复合体，嵌入mt内膜，共同发挥传递电子的作用，被结合的这类蛋白质称辅基。呼吸链成员复合体： 复合体 ：是最大的酶复合体，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。复合体是使NADH脱氢氧化，将一对电子从NADH传给CoQ，在电子传递过程中伴随着质子从基质转移到膜间腔，故称复合体为质子移位体。复合体 ：由4条多肽链组成，含FAD、Fe硫中心和Cytb。催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫中心传递至CoQ，不移位质子。 复合体 ：由11条多肽链组

14、成，含2个Cytb、1个Cytc1和1个铁硫中心。可将CoQ接受的电子传递给Cytc，同时伴有质子跨膜，故也是质子移位体。 复合体 ：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传递的H-和电子要在此全部脱掉交给O2，还原成H2O。复合体也是质子移位体。5、氧化磷酸化与ATP的形成 吸吸链电子传递过程中偶联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。电子传递过程中释放的能量被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的部位： NADHFMN之间 Cytb Cytc之

15、间 Cyta O2之间2）、氧化磷酸化能量的产生： 1分子NADH+H+经过电子传递，释放的能量可形成3分子ATP。 1分子FADH2经过电子传递，释放的能量可形成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（电子传递时能量贮存于横跨mt内膜的电化学质子梯度中）：化学渗透假说： 总原则：电子传递中自由能造成H+穿膜运动，形成横跨mt内膜的电化学质子梯度。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。电子传递及氧化磷酸化过程图 机制：电子传递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）。中间结果：质子浓度差，形成了横跨mt内膜PH梯度，即基质内的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+外流的结果)。终结果：内膜的酸度差和电压(位)差合称电化学质子梯度，膜间腔中的质子顺梯度从F0F1ATP酶复合体上的质子通道返回基质中，所释放的自由能用于合成ATP。7、细胞的能量转换1）、ATP合酶催化ADP