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1、第十章线粒体与氧化磷酸化本讲稿第一页，共三十九页本讲稿第二页，共三十九页 第一节第一节 线粒体的形态、大小和分布线粒体的形态、大小和分布n光光镜镜下下为为线线状状或或粒粒状状，电电镜镜下下为为“香香肠肠”状状，形形态和大小可变。态和大小可变。n数数量量和和分分布布：动动物物细细胞胞比比植植物物细细胞胞多多，代代谢谢旺旺盛盛的的细细胞胞多多；一一般般随随机机分分布布，可可自自由由移移动动，需需能能部部位位比比较集中。较集中。本讲稿第三页，共三十九页精子尾巴精子尾巴横纹肌横纹肌线粒体线粒体本讲稿第四页，共三十九页脯乳类培养细胞的线粒体脯乳类培养细胞的线粒体光镜光镜照片照片用活性荧光染料用活性荧光染
2、料rhodamine 123染色，示线粒体长棒状。染色，示线粒体长棒状。本讲稿第五页，共三十九页上一细胞用荧光素标记的上一细胞用荧光素标记的微管结合抗体微管结合抗体染色的免疫染色的免疫荧光照片荧光照片与上一照片相比，可知线粒体倾向于沿着微管排列与上一照片相比，可知线粒体倾向于沿着微管排列本讲稿第六页，共三十九页线粒体的超线粒体的超微结构微结构本讲稿第七页，共三十九页 第二节第二节线粒体的超微结构线粒体的超微结构n电镜下由双层膜围成的一个封闭的长囊式结构。电镜下由双层膜围成的一个封闭的长囊式结构。n由四大部分组成：由四大部分组成：1、线线粒粒体体外外膜膜：一一层层单单位位膜膜，其其上上的的孔孔可
3、可让让10KD以以下的分子通过。下的分子通过。本讲稿第八页，共三十九页本讲稿第九页，共三十九页2、线粒体内膜、线粒体内膜：n对对物物质质透透性性低低，通通过过专专一一性性运运载载系系统统进进行行物物质质运运输输。内内膜膜向向内内室室的的伸伸出出部部分分称称为为嵴嵴，其其形形状状和和数数量量可可变变，其其作作用用是是增大内膜的表面积和内膜的代谢率。增大内膜的表面积和内膜的代谢率。n嵴嵴上上的的圆圆球球状状颗颗粒粒称称为为基基本本颗颗粒粒或或F1颗颗粒粒或或F1因因子子，也也称称F1-ATP酶酶，内内膜膜中中与与F1因因子子结结合合的的蛋蛋白白称称为为F0因因子子，其其复复合合体体称称为为F0F1
4、-ATP酶酶或或ATP合合成成酶酶。其其作作用用：在在氧化磷酸化中起偶联作用，将氧化磷酸化中起偶联作用，将H+梯度势能转化为梯度势能转化为ATP。本讲稿第十页，共三十九页内膜内膜头部头部本讲稿第十一页，共三十九页3、膜间隙：、膜间隙：n内内外外膜膜间间的的空空隙隙。嵴嵴内内的的空空间间称称为为嵴嵴内内间间隙隙，两两者者相相通通，充充满满液液体体，并并含含有有可可溶溶性性酶、底物和辅助因子。酶、底物和辅助因子。4、线粒体基质：线粒体基质：n内膜包围的空间，充满胶状物质。主要成内膜包围的空间，充满胶状物质。主要成分：酶、核糖体、环状分：酶、核糖体、环状DNADNA、RNARNA、离子，离子，线粒体
5、也为钙离子储存器，具有控制细胞线粒体也为钙离子储存器，具有控制细胞质中钙离子浓度的作用。质中钙离子浓度的作用。本讲稿第十二页，共三十九页 第三节第三节线粒体化学组成线粒体化学组成n外膜，蛋白：脂类外膜，蛋白：脂类=1：1；n内膜，蛋白：脂类内膜，蛋白：脂类=4：1。n线线粒粒体体中中约约含含120多多种种酶酶。主主要要为为氧氧化化还还原原酶酶、合成酶、水解酶。各大组成部分有标志酶。合成酶、水解酶。各大组成部分有标志酶。外膜外膜 膜间隙膜间隙 内膜内膜 基质基质 单胺氧化酶单胺氧化酶，腺苷酸激酶腺苷酸激酶，细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶，苹果酸还原酶苹果酸还原酶本讲稿第十三页，共三十九页 第四节第
6、四节 线粒体的功能线粒体的功能n功能：氧化磷酸化，产生功能：氧化磷酸化，产生ATP，储积钙离子储积钙离子。（一一）氧氧化化磷磷酸酸化化的的过过程程（或或分分区区）（图图10-10），三大阶段：三大阶段：蛋白、糖、脂蛋白、糖、脂 丙酮酸丙酮酸 三羧酸循环三羧酸循环 NADH 呼吸链呼吸链第一阶段第一阶段(细胞质中细胞质中)第二阶段第二阶段(mit基质中基质中)第三阶段第三阶段(内膜内膜)提供一对电子和一个提供一对电子和一个H+本讲稿第十四页，共三十九页（二）电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础（二）电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础n研究工具研究工具亚线粒体小泡亚线粒体小泡。超声波超声波段内外膜均
7、破内外膜均破 内膜自然形成内翻外小泡内膜自然形成内翻外小泡 亚线粒体小泡亚线粒体小泡 蛋白酶处理蛋白酶处理 亚线粒体小泡亚线粒体小泡调节条件调节条件基本颗粒基本颗粒(耦联耦联因子因子F）Mt电子传递电子传递+氧化磷酸氧化磷酸化化电子传递电子传递电子传递电子传递+氧化氧化磷酸化磷酸化本讲稿第十五页，共三十九页n实验结论：由实验结论：由NADH脱氢酶至细胞色素氧化脱氢酶至细胞色素氧化酶的整个电子传递链存在于膜本身，而氧化酶的整个电子传递链存在于膜本身，而氧化磷酸化作用却由基本颗粒（磷酸化作用却由基本颗粒（ATP酶复合物）酶复合物）来承担。来承担。本讲稿第十六页，共三十九页1、电子传递链（呼吸链）、
8、电子传递链（呼吸链）n电子传递链由结合在内膜上的许多酶和其他分子所组成，电子传递链由结合在内膜上的许多酶和其他分子所组成，承担着电子传递的作用。组成该链的分子可分成承担着电子传递的作用。组成该链的分子可分成4大类大类：黄素蛋白、铁硫蛋白、辅酶黄素蛋白、铁硫蛋白、辅酶Q和细胞色素和细胞色素。n这些呼吸链的主要成分以复合物的形式包埋在内膜中，这些呼吸链的主要成分以复合物的形式包埋在内膜中，4种复合物种复合物、。复合物。复合物、组成一条组成一条主呼吸链，催化主呼吸链，催化NADH的氧化；复合物的氧化；复合物、组成组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的氧化。另一条呼吸链，催化琥珀酸的氧化。本讲稿第十七页，共三
9、十九页两条主要的呼吸链（引自两条主要的呼吸链（引自Lodish等等1999）本讲稿第十八页，共三十九页2、ATP合成酶合成酶n在氧化磷酸化过程中起耦联作用的结构是内在氧化磷酸化过程中起耦联作用的结构是内膜上的膜上的ATP合成酶或合成酶或ATP酶复合物，即酶复合物，即F0-F1耦联因子。耦联因子。n由由16条肽链组成，分子量条肽链组成，分子量500 kD。结构上分结构上分为为头部（头部（F1 ATP酶）酶）和和膜部（膜部（F0因子）因子）。本讲稿第十九页，共三十九页本讲稿第二十页，共三十九页n（1）头头部部：即即F1因因子子，10条条多多肽肽构构成成，分分离离下下来来后后，可以水解可以水解ATP
10、。n（2）柄柄部部：连连接接F1和和F0的的脂脂蛋蛋白白（柄柄部部也也可可能能是是F0因因子子的的伸伸出出部部分分），为为寡寡霉霉素素敏敏感感性性传传受受蛋蛋白白，若若去掉柄部，寡霉素就不能抑制去掉柄部，寡霉素就不能抑制F1因子的活性。因子的活性。n（3）膜膜部部：F0因因子子，多多条条多多肽肽链链。F0因因子子的的功功能能和和传递质子有关，是传递质子有关，是质子载体质子载体，可专一性地传递质子。，可专一性地传递质子。本讲稿第二十一页，共三十九页本讲稿第二十二页，共三十九页3、氧化磷酸化的耦联机制、氧化磷酸化的耦联机制葡萄糖葡萄糖丙酮酸、丙酮酸、NADH、H 电子传递链（传给电子传递链（传给O
11、2）ATP电子传递与氧化磷酸化相偶联电子传递与氧化磷酸化相偶联本讲稿第二十三页，共三十九页n电电子子传传递递链链（呼呼吸吸链链）：一一对对电电子子3次次跨跨膜膜，向向外室排放外室排放3对对H+，结果合成了结果合成了3个个ATP分子。分子。n偶联假说：电子传递与偶联假说：电子传递与ATPATP合成的偶联机制目前合成的偶联机制目前仍不清楚。三个相关假说：仍不清楚。三个相关假说：化学偶联假说化学偶联假说；构；构象偶联假说；化学渗透假说。证据较多的是化象偶联假说；化学渗透假说。证据较多的是化学渗透假说。学渗透假说。本讲稿第二十四页，共三十九页nMitchell P.1961提提 出出“化化 学学 渗渗
12、 透透 假假 说说(Chemiosmotic Hypothesis)”，70年年代代关关于于化化学学渗渗透透假假说说取取得得大大量量实实验验结结果果的的支支持持，成成为为一一种种较较为为流流行行的的假假说说，Mitchell本本人人也也因此获得因此获得1978年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。本讲稿第二十五页，共三十九页化学渗透学说化学渗透学说 胞质胞质外膜外膜基质基质膜间隙膜间隙内膜内膜本讲稿第二十六页，共三十九页n化学渗透假说的要点：化学渗透假说的要点：5个要点个要点（P304-305）NADH提供一对电子，经电子传递链，最后为提供一对电子，经电子传递链，最后为O2所接受。所接受。电子传递链
13、中载氢体和电子传递体相间排列。每当电子电子传递链中载氢体和电子传递体相间排列。每当电子由载氢体传向电子传递体时，载氢体的氢即以由载氢体传向电子传递体时，载氢体的氢即以H+的形式的形式释放到内膜外，释放到内膜外，1对电子在呼吸链中对电子在呼吸链中3次穿膜运动，向次穿膜运动，向外室排放了外室排放了3对质子。对质子。本讲稿第二十七页，共三十九页内膜对内膜对H+和和OH-具有不可透性，所以随着电子传递过程具有不可透性，所以随着电子传递过程的进行，的进行，H+在外室中积累，造成了膜两侧的质子浓在外室中积累，造成了膜两侧的质子浓度差，从而保持了一定的势能差。度差，从而保持了一定的势能差。外室中的质子有顺浓
14、度差返回基质的倾向，当外室中的质子有顺浓度差返回基质的倾向，当H+通通过过F1-F0复合物进入基质时，复合物进入基质时，ATP酶利用这种势能合成酶利用这种势能合成了了ATP。F1-F0复合物需要复合物需要2个质子合成一个个质子合成一个ATP分子。分子。本讲稿第二十八页，共三十九页外室外室基质基质内膜内膜在高能电子穿过呼吸链过程中，在高能电子穿过呼吸链过程中，3 3个呼吸酶复合物利用电子势能将质子从基个呼吸酶复合物利用电子势能将质子从基质抽提到外室中。质抽提到外室中。质子的电化学梯度驱动质子的电化学梯度驱动H H+经经ATPATP合成酶返回基质，合成酶返回基质，ATPATP合成酶则利用合成酶则利
15、用H H+流的流的能量催化基质中的能量催化基质中的ADPADP和和PiPi合成合成ATPATP。本讲稿第二十九页，共三十九页n化学渗透假说的证据：化学渗透假说的证据：A：随电子传递进行，外室酸性增加。（随电子传递进行，外室酸性增加。（H+)B：消除消除H+差后，不能合成差后，不能合成ATP。如何消除如何消除H+差？使用差？使用K+离子载体（缬氨霉素）。离子载体（缬氨霉素）。K+离子通过缬氨霉素到基质中，使基质离子通过缬氨霉素到基质中，使基质中的中的K+升高，消除了内膜两边的电荷差，结果不能合成升高，消除了内膜两边的电荷差，结果不能合成ATP。C：盐细菌的视紫质（盐细菌的视紫质（H+泵）和泵）和
16、F1-F0因子同时组装到脂质因子同时组装到脂质体中，能合成体中，能合成ATP。本讲稿第三十页，共三十九页本讲稿第三十一页，共三十九页本讲稿第三十二页，共三十九页 第五节第五节 线粒体的半自主性线粒体的半自主性n线线粒粒体体是是一一种种半半自自主主性性细细胞胞器器，在在其其基基质质中中含含有有环环状状DNA分分子子和和蛋蛋白白质质的的合合成成机机构构。其其DNA有有为为多多种种多多肽肽以以及及所所需需rRNA、tRNA编编码码的的基基因因。线线粒粒体在核体在核DNA和线粒体和线粒体DNA的双重控制下活动。的双重控制下活动。本讲稿第三十三页，共三十九页n线线粒粒体体的的生生长长与与增增殖殖所所需需
17、要要的的大大部部分分蛋蛋白白质质是是由由核核基基因因编编码码、在在细细胞胞质质中中合合成成的的，仅仅有有少少部部分分蛋蛋白白质质是是由由其其自自身身基基因因编编码码、在线粒体内合成在线粒体内合成的。的。本讲稿第三十四页，共三十九页本讲稿第三十五页，共三十九页 第六节第六节 线粒体的来源线粒体的来源n 线粒体由线粒体分裂而来，与细胞分线粒体由线粒体分裂而来，与细胞分裂不同步，在细胞间期分裂。裂不同步，在细胞间期分裂。本讲稿第三十六页，共三十九页1、间间壁壁分分离离，分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两个，常见于鼠肝和植物产生组织中。本讲稿第三十七页，共三十九页2、收缩后分离收缩后分离，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两个，见于蕨类和酵母线粒体中。本讲稿第三十八页，共三十九页3、出芽出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。本讲稿第三十九页，共三十九页