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1、会计学1细胞细胞(xbo)生物学生物学61第一页，共44页。通常结合在微管通常结合在微管(wi un)(wi un)上，分布在细胞功能旺盛的上，分布在细胞功能旺盛的区域。如在肝细胞中呈均匀分布；在肾细胞中靠近微血区域。如在肝细胞中呈均匀分布；在肾细胞中靠近微血管，呈平行或栅状排列；肠表皮细胞中呈两极性分布，管，呈平行或栅状排列；肠表皮细胞中呈两极性分布，集中在顶端和基部；在精子中分布在鞭毛中区。集中在顶端和基部；在精子中分布在鞭毛中区。线粒体在细胞质中可以线粒体在细胞质中可以(ky)(ky)向功能旺盛的向功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨，由马达蛋白提供区域迁移，微管是其导轨，由马达蛋白提供动力
2、。动力。第2页/共44页第二页，共44页。（二）线粒体的结构(jigu)线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙(jin x)和基质四个功能区域。1、外膜：含40%的脂类和60%的蛋白(dnbi)质，具有孔蛋白(dnbi)（porin）构成的亲水通道。标志酶为单胺氧化酶。第3页/共44页第三页，共44页。2、内膜：含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达510倍），嵴有两种类型：板层状，管状。嵴上覆有基粒（element
3、ary particle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子）构成。线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于(wiy)内膜，内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。第4页/共44页第四页，共44页。3、膜间隙：是内外膜之间的腔隙，延伸至嵴的轴心(zhu xn)部，腔隙宽约6-8nm。由于外膜具有大量亲水孔道与细胞质相通，因此膜间隙的pH值与细胞质的相似。标志酶为腺苷酸激酶。4、基质：为内膜和嵴包围的空间。除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。催化(cu hu)三羧酸循环，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中。标志酶为苹果酸脱氢酶。第5页/共44页第五页，共44页。基质具有
4、一套完整的转录和翻译(fny)体系。包括线粒体DNA（mtDNA），70S型核糖体，tRNAs、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。基质中还含有纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。第6页/共44页第六页，共44页。线粒体的电镜照片(zhopin)管状脊线粒体第7页/共44页第七页，共44页。线粒体结构(jigu)（扫描电镜）线粒体结构(jigu)模型第8页/共44页第八页，共44页。心肌细胞和精子(jngz)尾部的线粒体肌原纤维、鞭毛(binmo)核心第9页/共44页第九页，共44页。（三）线粒体化学(huxu)组成及酶的定位化学(huxu)组成蛋
5、白质占65-70，脂质25-30（磷脂）；与脂蛋白质的比值，内膜为0.3:1，外膜为1:1；基质中含有DNA、RNA、核糖体、致密(zhm)颗粒和上百种酶。线粒体酶的定位140余种，37氧化还原酶，10合成酶，9水解酶，标志酶30余种，主要在内膜和基质中。第10页/共44页第十页，共44页。四、线粒体的功能(gngnng)主要(zhyo)功能：进行三羧酸循环(xnhun)和氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量。次要功能：与细胞中氧自由基的生成，调节细胞氧化还原点位和信号转导调控细胞凋亡、基因表达、离子跨膜运输调控电解质平衡等有关第11页/共44页第十一页，共44页。真核细胞线粒体
6、中代谢(dixi)反应图解第12页/共44页第十二页，共44页。（一）线粒体中的氧化(ynghu)代谢线粒体是氧化代谢(dixi)的中心，是糖类、脂质和蛋白质最终氧化释能的场所。氧化磷酸化是生物体获得(hud)能量的主要途径。氧化放能磷酸化贮能偶联在一起，有不同的结构系统实现第13页/共44页第十三页，共44页。1968 年E.Racher等人超声破碎线粒体，发现内膜碎片(su pin)可自然卷曲成颗粒朝外的小膜泡。（亚线粒体小泡）具有(jyu)电子传递和磷酸化的功能亚线粒体小泡的分离(fnl)与重组第14页/共44页第十四页，共44页。两条典型(dinxng)的呼吸链：NADH呼吸(hx)链
7、FADH2呼吸(hx)链供体：糖酵解产生的NADH，其电子穿梭进入线粒体苹果酸-天冬氨酸穿梭途径甘油-3-磷酸穿梭途径第15页/共44页第十五页，共44页。（二）电子传递链（呼吸(hx)链）与电子传递在线粒体内膜上存在传递电子的一组酶的复合体，由一系列能可逆接受(jishu)和释放电子或H+的化学物质所组成，它们再内膜上相互关联有序地排列成传递链，称为电子传递链或呼吸链第16页/共44页第十六页，共44页。1.电子(dinz)载体（在内膜上有序排列的酶系）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、铜原子(yunz)、铁硫蛋白、辅酶Q等。NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nico
8、tinamide adenine dinucleotide），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(dixi)过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。第17页/共44页第十七页，共44页。黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子，2个质子。呼吸(hx)链上具有以FMN为辅基的NADH脱氢酶和以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白(dnbi)结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，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。传递1个电子。第18页/共44页第十八页，共44页。辅酶
9、Q（CoQ）（泛醌UQ）：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。存在三种(sn zhn)状态：氧化态Q，还原态QH2，中间态QH。传递1个或2个电子。铁硫蛋白：含非血红素铁的蛋白，在其分子结构中2Fe-2S或4Fe-4S形成(xngchng)铁硫中心，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递。传递1个电子。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Cu2+、Cu+的变化(binhu)传递电子。传递1个电子。第19页/共44页第十九页，共44页。2.电子(dinz)载体的排列顺序电子传递方向(fngxing)：NADHFMNCoQbc1caa3O2氧化(y
10、nghu)还原电位由低到高-0.32-0.30.10.070.220.250.290.82第20页/共44页第二十页，共44页。3.电子(dinz)转运复合物利用脱氧胆酸（deoxycholate）处理(chl)线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物、和，辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜、细胞色素C位于线粒体内膜的膜间隙侧（C侧），属于膜的外周蛋白。第21页/共44页第二十一页，共44页。（1）复合物 即NADH脱氢酶，又称NADH-CoQ还原酶哺乳动物的复合物由42条肽链组成，含有一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近(jijn)1MD，以二聚体形式存在。作用
11、是催化NADH的2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）。电子传递的方向为：NADHFMNFe-SQ。第22页/共44页第二十二页，共44页。（2）复合物 即琥珀酸脱氢酶，又称琥珀酸-CoQ还原酶至少由4条肽链组成，含有一个(y)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。电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ。第23页/共44页第二十三页，共44页。（3）复合物 即细胞色素c还原酶，又称bc1由至少11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b（b562、b566）、一个(y)细胞色素c1和一个(y)铁硫蛋白。
12、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侧泵至膜间隙侧第24页/共44页第二十四页，共44页。（4）复合物 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接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗(xioho)2 个质子，同时转移2个质子至膜间隙。第25页/共44页第二十五页，共44页。（三）质子(zhz)转移与质子(zhz)驱动力的形成复合物、组成主要的呼吸链，催化NADH的脱氢氧化。复合物：的比例为1：3：7。复合物、组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化。任何两个(lin)复合物之间没有稳定的连接结构，而是由辅酶Q和细胞色素c这样的可
13、扩散性分子连接。呼吸链各组分有序，使电子按氧化还原电位从低向高传递，能量逐级释放，呼吸链中的复合物、都是质子泵，可将质子有机质转移到膜间隙，形成质子动力势（proton-motive force），驱动ATP的合成。第26页/共44页第二十六页，共44页。两条主要(zhyo)的呼吸链NADH呼吸(hx)链和FADH2呼吸(hx)链第27页/共44页第二十七页，共44页。第28页/共44页第二十八页，共44页。线粒体膜上电子传递和氧化(ynghu)磷酸化第29页/共44页第二十九页，共44页。（四）ATP形成机制(jzh)氧化磷酸化ADP磷酸化两种途径(tjng)：底物(d w)水平磷酸化氧化磷
14、酸化当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给O2形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP，这一过程称为第30页/共44页第三十页，共44页。ATP合成(hchng)酶（ATP synthetase），分子量500KD，状如蘑菇。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用质子动力势合成(hchng)ATP，也可以水解ATP，转运质子。每个肝细胞线粒体通常含15000 个ATP合酶、每个酶每秒钟可产生100个ATP。1.ATP合成酶的结构(jigu)与组成第31页/共44页第三十一页，共44页。F1由5种多肽组成33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个亚基具有一个）。和单位
15、交替排列，状如桔瓣。贯穿复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，帮助与F0结合。与F0的两个b亚基形成(xngchng)固定复合体的结构（相当于发电机的定子）。第32页/共44页第三十二页，共44页。F0由三种多肽(du ti)组成ab2c12 复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道，可使质子由膜间隙流回基质。第33页/共44页第三十三页，共44页。1979年代Boyer P提出构象耦联假说，一些有力的实验证据使这一学说得到广泛的认可。其要点如下：1ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP形成(xngchng)ATP。2F1具有三个催化位
16、点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象（loose），ADP、Pi与酶疏松结合在一起；在T构象（tight）底物（ADP、Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。3质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成(xngchng)ATP。第34页/共44页第三十四页，共44页。ATP酶结构(jigu)和结构(jigu)模型第35页/共44页第三十五页
17、，共44页。ATP酶的结构(jigu)模型亚基的结合位点具有催化(cu hu)ATP合成或水解的作用，和结合形成转子，有抑制酶水解ATP的活性，同时有减少H+泄漏的功能第36页/共44页第三十六页，共44页。ATP酶催化(cu hu)ADP和Pi合成ATP的旋转模型第37页/共44页第三十七页，共44页。ATP合成(hchng)和水解示意图第38页/共44页第三十八页，共44页。支持构象耦联假说的实验有：1日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人将33固定在玻片上，在亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到亚基带动肌动蛋白纤维旋转。2在另
18、外(ln wi)一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白连接到ATP合酶的F0亚基上，在ATP存在时同样可以观察到肌动蛋白的旋转。第39页/共44页第三十九页，共44页。氧化磷酸化的作用机理 Mitchell P.1961提出“化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis)”，70年代关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，成为(chngwi)一种较为流行的假说，Mitchell本人也因此获得1978年诺贝尔化学奖。根据“化学渗透假说”，当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧（M侧）泵至膜间隙（胞质侧或C侧），由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度及电位梯度，两者共同构成电化学梯度，即质子动力势。质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。第40页/共44页第四十页，共44页。化学(huxu)渗透学说第41页/共44页第四十一页，共44页。线粒体中能量生成(shn chn)的机制第42页/共44页第四十二页，共44页。三、线粒体与疾病(jbng)克山病：心肌线粒体病，由缺硒引起(ynq)，是以心肌损伤为主要病变的地方性心肌病。第43页/共44页第四十三页，共44页。感谢您的观看(gunkn)！第44页/共44页第四十四页，共44页。