线粒体作用机理专家讲座

线粒体作用机理专家讲座第1页为何线粒体能提供能量？线粒体如何提供能量？Howcanitbe?线粒体作用机理专家讲座第2页内容介绍线粒体生物学特征线粒体与能量转换线粒体与疾病小结线粒体作用机理专家讲座第3页线粒体概述：

1、有机物→分解代谢→能量;2、存在于除红细胞以外一切真核细胞中;3、能量80%由线粒体提供。线粒体作用机理专家讲座第4页

第一节线粒体生物学特征一．线粒体结构：光镜下呈线状、粒状或杆状，不一样生理条件下形状、大小、数目及分布不一。线粒体作用机理专家讲座第5页AnTEMimageofmitochondrion

线粒体作用机理专家讲座第6页线粒体作用机理专家讲座第7页（二）分布多分布在细胞功效旺盛区域，可向这些区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。Mitochondriadistributedinskeletalmuscle线粒体作用机理专家讲座第8页（三）功效区隔分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。Schematicviewofmitochondrion线粒体作用机理专家讲座第9页线粒体作用机理专家讲座第10页线粒体作用机理专家讲座第11页(一)大小:为较大细胞器,直径约0.5-1.0um(二)数目:数百至数千不等,普通为1000-

个,不一样细胞差异很大:

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:双层膜套叠而成封闭性膜囊结构,内外膜不相连,与细胞质隔离线粒体作用机理专家讲座第12页1.外膜（outermembrane):最外面,一层单位膜7nm，脂类和蛋白各1/2,含直径1-3nm通道孔蛋白,可经过5000以下分子量物质。标志酶——单胺氧化酶线粒体作用机理专家讲座第13页2.内膜和内部空间

内膜(innermembrane)：

一层单位膜5nm，蛋白占76%,高度选择通透性,分子量大于150物质不能自由经过。

内膜含有嵴cristae，内膜上向内腔突起折叠，能扩大表面积（5~10倍），分两种：①板层状、②管状；嵴上有基粒。标志酶——细胞色素C氧化酶线粒体作用机理专家讲座第14页Lamellarcristae线粒体作用机理专家讲座第15页Tubularcristae线粒体作用机理专家讲座第16页线粒体作用机理专家讲座第17页基粒(elemetaryparticle)

（ATP合酶/F0F1ATP酶）

头部(偶联因子F1)：圆球形，突入内腔，

含有酶活性，催化ADP→ATP

柄部：

连接头部和基部，调控质子通道

基部(F0偶联因子)：嵌于内膜中，有物种差异，连接

F1和内膜，质子流向F1穿膜通

道线粒体作用机理专家讲座第18页嵴膜上垂直分布着许多基本颗粒（基粒，F1颗粒）抑制剂可溶性ATP酶（F1）对寡酶素敏感蛋白（OSCP）疏水蛋白（HP）基粒线粒体作用机理专家讲座第19页外膜内膜基质基粒嵴线粒体模式图酶形态结构线粒体作用机理专家讲座第20页

膜间腔（外室）(intermembranespace/outchamber)：

内外膜之间包含嵴内腔含各种可溶性酶含底物和辅助因子。标志酶——腺苷酸激酶

线粒体作用机理专家讲座第21页

基质腔（内室/嵴间腔）

(matrixspace/innerchamber)：三羧酸循环主要场所。标志酶——苹果酸脱氢酶

基质(matrix)：

含各种酶，双链环状DNA、RNA、核糖体线粒体作用机理专家讲座第22页

二．线粒体化学组成

1.水：是线粒体中含量最多成份

2.蛋白质：占65%-70%，分布在内膜和基质中

分为：

可溶性蛋白：基质中酶和膜外周蛋白

不溶性蛋白：膜结构蛋白

3.脂类：

占25%-30%，主要是磷脂

4.另外还含有：DNA、辅酶、维生素、无机离子

5.

含有120各种酶，是细胞中含酶最多细胞器

线粒体作用机理专家讲座第23页酶蛋白分布

外膜内膜基质膜间隙

单胺氧化酶

腺苷酸激酶

细胞色素c氧化酶苹果酸脱氢酶

提取

线粒体作用机理专家讲座第24页2、内膜位于外膜内侧包裹线粒体基质一层单位膜，厚5～6nm。内膜通透性较低，普通不允许离子和大多数带电小分子经过。线粒体内膜通常要向基质折褶形成嵴，从而增加了内膜表面积。嵴上有ATP合酶，又叫基粒。内膜酶类能够粗略地分为三类∶运输酶类、合成酶类、电子传递和ATP合成酶类。内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化主要部位。标志酶为细胞色素C氧化酶

线粒体作用机理专家讲座第25页几个不一样部位标志酶：

内膜——

细胞色素C氧化酶外膜——

单胺氧化酶基质——

苹果酸脱氢酶膜间腔——

腺苷酸激酶线粒体作用机理专家讲座第26页线粒体内膜主动运输系统

内膜含100种以上多肽，蛋白质和脂类百分比高于3:1。心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，仅允许不带电荷小分子物质经过，大分子和离子经过内膜时需要特殊转运系统。①糖酵解产生NADH必须进入电子传递链参加有氧氧化；②线粒体产生代谢物质如草酰辅酶A和乙酰辅酶A必须运输到细胞质中，它们分别是细胞质中葡萄糖和脂肪酸前体物质;③线粒体产生ATP必须进入到胞质溶胶，方便供给细胞反应所需能量，同时，ATP水解形成ADP和Pi又要被运入线粒体作为氧化磷酸化底物。利用膜间隙形成H+梯度协同运输。线粒体作用机理专家讲座第27页

三．线粒体基因组

1.线粒体DNA:

1)有自己遗传系统

2)是除核以外唯一含有DNA细胞器

3)只有一条DNA——线粒体DNA(mtDNA)，编码线粒体

tRNA、rRNA和蛋白质

4)人全序列基因测序已经完成——剑桥序列，含有

37个基因、定位于22种tRNA，2种rRNA，编码13种蛋白质

线粒体作用机理专家讲座第28页

5)双链环状DNA分子:重链/轻链

6)只有极少有非编码序列,mRNA不含内含子

7)DNA为母系遗传线粒体作用机理专家讲座第29页2.线粒体蛋白质合成:

1）有自己蛋白质翻译系统

2）所编码蛋白质是在线粒体内核糖体上进行

3）所编码RNA和蛋白质并不运出线粒体外

4）用于蛋白质合成全部tRNA都是由mtDNA编码

5）mtDNA为裸露，不与组蛋白结合

6）mtDNA位于基质内或依附于内膜

7）mtDNA含有自我复制能力,以本身为模板半保留复制，可分布整个细胞周期线粒体作用机理专家讲座第30页3.线粒体是半自主性细胞器:

线粒体中由本身合成蛋白质仅占10%,其余均为细胞核基因组编码。所以，线粒体有自己DNA和蛋白质合成体系，即独立遗传系统，但又受核基因组遗传系统控制，其生长和增殖受核基因组和本身基因组两套遗传系统控制，故为半自主性细胞器。线粒体作用机理专家讲座第31页线粒体作用机理专家讲座第32页四.线粒体生物发生

当前普遍接收观点：线粒体以分裂方式增殖，线粒体生物发生分为两个阶段：线粒体膜生长、复制：分离增殖线粒体本身分化：建立氧化磷酸化机构线粒体分化和生长分别接收细胞核与线粒体两个独立遗传系统控制。线粒体作用机理专家讲座第33页线粒体间壁分裂

线粒体作用机理专家讲座第34页线粒体收缩分裂

线粒体作用机理专家讲座第35页线粒体作用机理专家讲座第36页无氧呼吸

概念：活细胞在无氧或缺氧条件下，经过酶催化作用，把葡萄糖等有机物不彻底地氧化分解成为乙醇或乳酸等，同时释放较少能量过程。C6H12O62C3H6O3（乳酸）

+能量(少许)酶C6H12O62C2H5OH(酒精)+2CO2+能量(少许）酶酒精发酵：酵母菌乳酸发酵：乳酸菌线粒体作用机理专家讲座第37页

类型项目

有氧呼吸

无氧呼吸区别

场所

条件

产物

释能

联系细胞质基质、线粒体（主要）细胞质基质需氧、酶等不需氧、需酶较多较少①二者第一阶段相同即都将葡萄糖分解成丙酮酸（糖酵解）②都分解有机物、释放能量有氧呼吸与无氧呼吸比较二氧化碳和水氧化彻底酒精、二氧化碳或乳酸氧化不彻底线粒体作用机理专家讲座第38页第二节细胞能量转换一．细胞呼吸（cellularrespiration）概念：线粒体内，在氧参加下分解大分子物质，产生CO2、释放能量并储存于ATP中过程，又称生物氧化（biologicaloxidation）线粒体作用机理专家讲座第39页线粒体作用机理专家讲座第40页特点：1.线粒体中一系列由酶催化氧化还原反应

2.产生能量储存于ATP高能磷酸键中

3.反应过程分步进行、能量逐层释放

4.反应恒温、恒压条件下进行

5.反应过程需要水参加二．细胞能量转换分子

释放能量：ADP+Pi→ATP（储存）需要能量：ATP-Pi→ADP（释放）

线粒体作用机理专家讲座第41页CO2+H2O+能量细胞呼吸氧化分解ADP+PiATP释放能量用于各项生命活动主要能源物质葡萄糖直接能源物质ADP和ATP相互转变保正了生物所需能量及时供给。生物体内能量代谢线粒体作用机理专家讲座第42页氧化磷酸化分子基础动物细胞80%ATP起源于线粒体。线粒体作用机理专家讲座第43页线粒体作用机理专家讲座第44页有氧呼吸全过程场所发生反应产物第一阶段第二阶段第三阶段细胞质基质葡萄糖酶2丙酮酸少许能量4〔H〕++丙酮酸、〔H〕、释放少许能量，形成少许ATP线粒体6CO26H2O酶2丙酮酸少许能量20〔H〕+++CO2、〔H〕、释放少许能量，形成少许ATP线粒体6O212H2O酶大量能量24〔H〕++H2O、释放大量能量，形成大量ATP线粒体作用机理专家讲座第45页线粒体[H]2分子丙酮酸CO2葡萄糖释放少许能量，形成少许ATPO2[H]释放少许能量，形成少许ATPH2O释放大量能量，形成大量ATP细胞质基质H2O线粒体作用机理专家讲座第46页

细胞氧化过程分三个阶段:

线粒体作用机理专家讲座第47页糖蛋白质脂肪酵解

乙酰辅酶A生成

三羧酸循环

电子传递和氧化磷酸化

线粒体作用机理专家讲座第48页一.糖酵解:C6H12O6→2CH3COCOOH+2(2H)+2ATP线粒体作用机理专家讲座第49页二.三羧酸循环线粒体作用机理专家讲座第50页物质氧化所释放可利用能量都以高能电子形式由电子载体NAD+和FAD+从底物中移出，并经线粒体内膜上电子传递链深入氧化。线粒体作用机理专家讲座第51页呼吸链又称电子传递链（electrontransferchain），指排列在线粒体内膜上，由一系列递氢体和电子传递体按一定次序排列组成连续酶促反应体系。代谢物脱下成对氢原子（2H）经过各种酶和辅酶所催化连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。线粒体作用机理专家讲座第52页三.电子传递偶联氧化磷酸化:

将三个阶段所脱下氢原子经过线粒体内膜上一系列酶进行逐层传递,生成水,传递过程中所释放能量使ADP磷酸化形成ATP。

线粒体作用机理专家讲座第53页1、电子传递链（呼吸链）（在内膜有序排列酶系）呼吸链上进行电子传递载体主要有：NAD、黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶Q等。（1）

NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide），是体内很多脱氢酶辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链，其功效是将代谢过程中脱下来氢交给黄素蛋白。（2）黄素蛋白：含FMN或FAD蛋白质，每个FMN或FAD可接收2个电子，2个质子。呼吸链上含有以FMN为辅基NADH脱氢酶和以FAD为辅基琥珀酸脱氢酶。线粒体作用机理专家讲座第54页（3）细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式改变传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。（4）三个铜原子：位于线粒体内膜一个蛋白质上，形成类似于铁硫蛋白结构，经过Cu2+、Cu1+改变传递电子。（5）铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，经过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递。（6）泛醌Q或辅酶Q(CoQ)：是脂溶性小分子量醌类化合物，经过氧化和还原传递电子。也是电子传递链中唯一非蛋白电子载体。线粒体作用机理专家讲座第55页能量产生过程线粒体作用机理专家讲座第56页2、呼吸链复合物

利用脱氧胆酸（deoxycholate）处理线粒体内膜、分离出呼吸链4种复合物，即复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，辅酶Q和细胞色素C不属于任何一个复合物。辅酶Q溶于内膜、细胞色素C位于线粒体内膜C侧，属于膜外周蛋白。（1）复合物Ⅰ

即NADH脱氢酶，哺乳动物复合物Ⅰ由42条肽链组成，含有一个FMN和最少6个铁硫蛋白，分子量靠近1MD，以二聚体形式存在。作用是催化NADH2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。电子传递方向为：NADH－FMN－Fe-S－Q。线粒体作用机理专家讲座第57页（2）复合物Ⅱ

即琥珀酸脱氢酶，最少由4条肽链组成，含有一个FAD，2个铁硫蛋白。作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。电子传递方向为：琥珀酸－FAD－Fe-S－Q。－（3）复合物

Ⅲ

即细胞色素c还原酶，由最少11条不一样肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。（4）复合物

Ⅳ

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c接收电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。线粒体作用机理专家讲座第58页NADH呼吸链，每传递一对电子释放自由能可形成2.5分子ATP。FADH2呼吸链，每传递一对电子释放自由能可形成1.5分子ATP。线粒体作用机理专家讲座第59页NADH产能过程线粒体作用机理专家讲座第60页FADH2生能过程线粒体作用机理专家讲座第61页电子传递链线粒体作用机理专家讲座第62页

呼吸链复合物

复合物Ⅰ

（NADH-CoQ

还原酶）复合物Ⅱ

（琥珀酸-泛醌还原酶）复合物Ⅲ

（泛醌-细胞色素C还原酶）复合物Ⅳ（细胞色素C氧化酶）ADPATPADPATPADPATP琥珀酸FeSCoQH+

，eFADNADHFMNFeSCoQ

H+

，eCoQFeScytbcytCH+

，eCyta，a3cytC1/2O2H+

，eQ循环线粒体作用机理专家讲座第63页线粒体作用机理专家讲座第64页１分子葡萄糖完全氧化生成：糖酵解：底物水平磷酸化产生4个ATP，己糖活化消耗2个ATP，脱氢反应产生2个

NADH，经电子传递链生成4或6个ATPKrebs循环：底物水平磷酸化产生2个ATP，脱氢反应产生8个NADH和2个FADH2，8

个NADH经电子传递链生成24个ATP，

2个FADH2经电子传递链生成4个ATP。线粒体作用机理专家讲座第65页线粒体作用机理专家讲座第66页生物氧化产生ATP统计

一个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4ATP（细胞质）

己糖分子活化消耗2ATP（细胞质）

产生2NADH，经电子传递产生4或6ATP

（线粒体）净积累6或8ATP

丙酮酸氧化脱羧：产生2NADH（线粒体），生成

6ATP

三羧酸循环：底物水平磷酸化产生（线粒体）2ATP；

产生6NADH（线粒体），生成

18ATP；

产生2FADH2（线粒体），生成4ATP

总计生成36或38ATP

线粒体作用机理专家讲座第67页氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）物质氧化高能电子氧氧化过程ADP+PiATP质子动力势energyenergy磷酸化过程线粒体作用机理专家讲座第68页将生物氧化所释放能量转移过程与ADP磷酸化过程结合起来，而将生物氧化释放能量转移到ATP高能磷酸键中，又称氧化磷酸化偶联。线粒体作用机理专家讲座第69页ATP合成：ADP+Pi（由细胞质输入到线粒体基质中）在ATP合酶催化下合成ATP。合成ATP由线粒体内膜上腺苷酸转移酶输出线粒体。ATP和ADP分子相互转换线粒体作用机理专家讲座第70页基粒发觉及功效预测

在二十世纪七十年代初，Humberto-FernandezMoran用负染技术检验分离线粒体时发觉:线粒体内膜基质一侧表面附着一层球形颗粒，球形颗粒经过柄与内膜相连。几年后，EfraimRacker分离到内膜上颗粒，称为偶联因子1，简称F1。

牛心脏线粒体（负染电镜）可见球形颗粒经过小柄附着在线粒体内膜嵴上

线粒体作用机理专家讲座第71页Racker发觉这种颗粒很像水解ATP酶，即ATPase，这似乎是一个尤其发觉，为何线粒体内膜需要如此多水解ATP酶?假如按照常规方式思索所发觉颗粒问题,似难了解线粒体内膜上需要ATP水解酶,假如将ATP水解看成是ATP合成相反过程,F1球形颗粒功效就显而易见了:它含有ATP合成功效位点,即ATPase既能催化ATP水解,又能催化ATP合成,到底行使何种功效,视反应条件而定。在分离状态下含有ATP水解酶活性，在结合状态下含有ATP合成酶活性。

线粒体作用机理专家讲座第72页ATP合酶合成ATP机理？结合变构模型线粒体作用机理专家讲座第73页ATP合成线粒体作用机理专家讲座第74页氧化磷酸化抑制剂呼吸链抑制剂能与呼吸链中一些部位电子传递体结合，从而阻断电子传递，如鱼藤酮、粉蝶霉