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1、第六章细胞的能量转换线粒体和叶绿体第一页，本课件共有87页第一节第一节 线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化线粒体被称为细胞内的能量工厂线粒体被称为细胞内的能量工厂。人体内。人体内的细胞每天要合成几千克的的细胞每天要合成几千克的ATPATP，95%95%是由是由线粒体中的呼吸链所产生线粒体中的呼吸链所产生。第二页，本课件共有87页一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构 （一）形态和分布（一）形态和分布1.1.形态：因种类和生理状态而异，一形态：因种类和生理状态而异，一般呈粒状或杆状，也有环形，哑铃形、般呈粒状或杆状，也有环形，哑铃形、线状、分杈状。线状、分杈状。第三页，本课件共有87页活细胞
2、中线粒体形态高度可变活细胞中线粒体形态高度可变第四页，本课件共有87页2.2.大小：直径大小：直径0.5-1m0.5-1m，长，长1.5-3.0m1.5-3.0m。胰脏分泌细胞中的线粒体可长达胰脏分泌细胞中的线粒体可长达10-20m10-20m，称巨线粒体，人成纤维细胞线粒体则更，称巨线粒体，人成纤维细胞线粒体则更长，达长，达40m40m。第五页，本课件共有87页3.3.数量：同类型细胞中数目稳定。不同类型细数量：同类型细胞中数目稳定。不同类型细胞中从胞中从1 1个到数千个。代谢活跃细胞数量多；个到数千个。代谢活跃细胞数量多；动物细胞较植物细胞多；红细胞无线粒体。动物细胞较植物细胞多；红细胞无
3、线粒体。4.4.分布：一般均匀分布。常结合在微管上，可分布：一般均匀分布。常结合在微管上，可向功能旺盛区域迁移。故代谢活跃区域较多。向功能旺盛区域迁移。故代谢活跃区域较多。第六页，本课件共有87页线粒体大小和数量反映了细胞能量需求线粒体大小和数量反映了细胞能量需求线粒体位于心肌细胞和精子尾部需能多的部位第七页，本课件共有87页（二）线粒体的结构（二）线粒体的结构 线粒体由内外两层单位膜封闭形成，包括外膜、线粒体由内外两层单位膜封闭形成，包括外膜、内膜、膜间隙和基质内膜、膜间隙和基质4 4个部分。个部分。第八页，本课件共有87页线粒体结构模型第九页，本课件共有87页1 1、外膜、外膜(outer
4、 membrane)(outer membrane)全封闭的单位膜，脂和蛋白含量近相等全封闭的单位膜，脂和蛋白含量近相等;具孔蛋白具孔蛋白(porin)(porin)构成的构成的亲水通道亲水通道，通透性较，通透性较高，分子量高，分子量5KD3:13:1，心磷脂含，心磷脂含量量20%20%，无胆固醇。，无胆固醇。通透性低，仅让不带电荷小分子通过，大通透性低，仅让不带电荷小分子通过，大分子和离子通过内膜需特殊转运系统。分子和离子通过内膜需特殊转运系统。第十二页，本课件共有87页内膜向基质褶入形成内膜向基质褶入形成嵴嵴(cristae)(cristae)，嵴常，嵴常呈板层状，也有管状。呈板层状，也有
5、管状。嵴上有基粒，基粒由头部嵴上有基粒，基粒由头部(F(F1 1)和嵌入内膜和嵌入内膜的基部的基部(F(F0 0)构成。构成。第十三页，本课件共有87页板层状结构第十四页，本课件共有87页管状嵴线粒体第十五页，本课件共有87页内膜具丰富的蛋白质和酶类，主要有参与内膜具丰富的蛋白质和酶类，主要有参与氧化磷酸化电子传递的蛋白质复合体及氧化磷酸化电子传递的蛋白质复合体及ATPATP合成的酶类，以及其它一些参与物质运输合成的酶类，以及其它一些参与物质运输与合成的酶类。与合成的酶类。标志酶为标志酶为细胞色素细胞色素C C氧化酶氧化酶。第十六页，本课件共有87页3 3、膜间隙、膜间隙(intermembr
6、ane space)(intermembrane space)宽宽6-8nm6-8nm，含大量可溶性酶、底物和，含大量可溶性酶、底物和辅助因子辅助因子标志酶为标志酶为腺苷酸激酶腺苷酸激酶，催化，催化ATPATP分子分子的末端磷酸基团转移到的末端磷酸基团转移到AMPAMP第十七页，本课件共有87页4 4、基质（、基质（matrixmatrix）除糖酵解外，其它参与生物氧化的酶均在线除糖酵解外，其它参与生物氧化的酶均在线粒体基质中：粒体基质中：TCATCA循环、脂肪酸和丙酮酸氧循环、脂肪酸和丙酮酸氧化的酶。标志酶为化的酶。标志酶为苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶。含一套完整的转录和翻译体系：含一套完整的转
7、录和翻译体系：mtDNAmtDNA，70S70S核糖体，核糖体，tRNA tRNA、rRNArRNA、DNADNA聚合酶、氨基酸聚合酶、氨基酸活化酶等。活化酶等。第十八页，本课件共有87页二、线粒体的功能二、线粒体的功能是细胞进行生物氧化的主要场所，糖是细胞进行生物氧化的主要场所，糖类、脂肪和氨基酸最终的氧化均发生类、脂肪和氨基酸最终的氧化均发生在线粒体。并将氧化与磷酸化偶联，在线粒体。并将氧化与磷酸化偶联，合成合成ATPATP。第十九页，本课件共有87页(一一)真核细胞中的氧化作用真核细胞中的氧化作用(oxidation)(oxidation)葡萄糖和脂肪酸是真核细胞能量的主要来源。葡萄糖和
8、脂肪酸是真核细胞能量的主要来源。1.1.糖的氧化糖的氧化1)1)在胞质中，糖经糖酵解氧化生成丙酮酸；在胞质中，糖经糖酵解氧化生成丙酮酸；2)2)丙酮酸进入线粒体，脱羧生成乙酰丙酮酸进入线粒体，脱羧生成乙酰CoACoA3)3)乙酰乙酰CoACoA进入进入TCATCA循环，彻底氧化成循环，彻底氧化成CO2CO2第二十页，本课件共有87页第二十一页，本课件共有87页第二十二页，本课件共有87页2.2.脂肪的氧化：脂肪的氧化：脂肪先在胞质中水解成脂肪酸，脂肪酸进脂肪先在胞质中水解成脂肪酸，脂肪酸进入线粒体基质，通过入线粒体基质，通过氧化途径生成乙酰氧化途径生成乙酰CoACoA，及，及1 1分子分子NA
9、DHNADH和和FADHFADH2 2。第二十三页，本课件共有87页3 3、氨基酸的氧化、氨基酸的氧化乙酰辅酶乙酰辅酶A A是线粒体能量代谢的核心分子。是线粒体能量代谢的核心分子。第二十四页，本课件共有87页4 4、TCATCA循环：循环：乙酰乙酰CoACoA和草酰乙酸结合生成柠檬酸，柠和草酰乙酸结合生成柠檬酸，柠檬酸经氧化脱羧，经酮戊二酸、琥珀酸，降檬酸经氧化脱羧，经酮戊二酸、琥珀酸，降解成草酰乙酸。解成草酰乙酸。每循环一次生成每循环一次生成2 2分子分子COCO2 2、一分子、一分子GTPGTP、4 4分子分子NADHNADH和一分子和一分子FADHFADH2 2。第二十五页，本课件共有8
10、7页5 5、辅酶在能量传递中的作用、辅酶在能量传递中的作用:TCATCA循环的净产物是循环的净产物是FADHFADH2 2和和NADHNADH，FADH FADH2 2和和NADHNADH中含有底物氧化释放的高能电子，共中含有底物氧化释放的高能电子，共5 5对，可用于对，可用于ATPATP合成。合成。第二十六页，本课件共有87页第二十七页，本课件共有87页糖酵解也产生糖酵解也产生NADHNADH，可通过苹果酸，可通过苹果酸-天门冬天门冬氨酸穿梭和甘油氨酸穿梭和甘油-磷酸穿梭，将电子传递给磷酸穿梭，将电子传递给FADFAD，形成，形成FADHFADH2 2，参与参与ATPATP合成。合成。第二十
11、八页，本课件共有87页磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭第二十九页，本课件共有87页苹果酸天门冬氨酸穿梭胞液中的NADH，首先由苹果酸脱氢酶催化将草酰乙酸还原成苹果酸，苹果酸再通过内膜上的二羧酸载体系统与线粒体内的酮戊二酸交换而进入线粒体。然后，苹果酸在苹果酸脱氢酶催化下，又氧化生成草酰乙酸并释出NADH，再经历与在线粒体内产生的NADH氧化相同的过程。第三十页，本课件共有87页(二二)呼吸链与电子传递呼吸链与电子传递TCATCA循环后，能量储在循环后，能量储在NADHNADH和和FADHFADH2 2中，需中，需将其氧化才能将能量释放出，该过程涉及将其氧化才能将能量释放出，该过程涉及电子从电子从NAD
12、HNADH或或FADHFADH2 2传递到氧。传递到氧。呼吸链是内膜上的一组酶复合体，负责将呼吸链是内膜上的一组酶复合体，负责将电子传递到氧气，产生电子传递到氧气，产生ATPATP。第三十一页，本课件共有87页电子在经呼吸链进行传递时，高能电子中所电子在经呼吸链进行传递时，高能电子中所含能量逐步释放，最后储存在含能量逐步释放，最后储存在ATPATP的高能磷酸的高能磷酸键中，即将键中，即将ADPADP转变成转变成ATPATP，该过程称为磷酸，该过程称为磷酸化。而电子传递链将生物氧化和磷酸化串联化。而电子传递链将生物氧化和磷酸化串联在一起的过程并称为氧化磷酸化。在一起的过程并称为氧化磷酸化。第三十
13、二页，本课件共有87页1 1、电子载体、电子载体 电子载体电子载体:与电子结合并将其传递下去的与电子结合并将其传递下去的物质。物质。(1)NAD(1)NAD：烟酰胺嘌呤二核苷酸，脱氢：烟酰胺嘌呤二核苷酸，脱氢酶的辅酶，连接酶的辅酶，连接TCATCA循环和呼吸链，将氢循环和呼吸链，将氢交给黄素蛋白。交给黄素蛋白。第三十三页，本课件共有87页(2)(2)黄素蛋白黄素蛋白(flavoprotein)(flavoprotein)：由一条多肽链结合一个辅基组成的酶类由一条多肽链结合一个辅基组成的酶类,辅基为辅基为FMNFMN或或FAD.FAD.每个每个FMNFMN或或FADFAD可接受可接受2 2个电子
14、和个电子和2 2个质子。个质子。呼吸链上既有以呼吸链上既有以FMNFMN为辅基的为辅基的NADHNADH脱氢酶，脱氢酶，也有以也有以FADFAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。为辅基的琥珀酸脱氢酶。第三十四页，本课件共有87页(3)(3)细胞色素细胞色素(cytochrome)(cytochrome)：呼吸链中有呼吸链中有5 5类细胞色素：类细胞色素：a a、a a3 3、b b、c c、c c1 1，均含有血红素铁，以，均含有血红素铁，以FeFe3+3+和和FeFe2+2+互变传递互变传递电子。电子。而细胞色素而细胞色素a a、a a3 3还与铜原子相连，铜原子还与铜原子相连，铜原子也依靠自身化合价的
15、变化进行电子传递。也依靠自身化合价的变化进行电子传递。第三十五页，本课件共有87页血红素的结构第三十六页，本课件共有87页(4)(4)铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe/S protein)(Fe/S protein)：属细胞色素类，分子中央结合的是铁和属细胞色素类，分子中央结合的是铁和硫，称铁硫中心。一般含硫，称铁硫中心。一般含4 4个原子，个原子，2 2个铁个铁和和2 2个个S S，称，称2Fe-2S2Fe-2S，也有，也有4Fe-4S4Fe-4S。也是通过也是通过FeFe2+2+、FeFe3+3+互变进行电子传递，互变进行电子传递，且一次只能传递且一次只能传递1 1个电子个电子 第三十七页，本课件共
16、有87页第三十八页，本课件共有87页(5)(5)辅酶辅酶Q(coenzyme Q)Q(coenzyme Q)：脂溶性小分子醌类化合物，通过氧化和还原传脂溶性小分子醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。递电子。有有3 3种氧化还原形式：氧化型醌种氧化还原形式：氧化型醌Q Q，还原型氢醌，还原型氢醌(QH(QH2 2)和介于两者间的半醌和介于两者间的半醌(QH)(QH)。每个醌能接受和传递每个醌能接受和传递2 2个电子和质子个电子和质子第三十九页，本课件共有87页2 2、氧化还原电位与载体排列顺序、氧化还原电位与载体排列顺序同种物质得失电子的两种状态称氧还对。如同种物质得失电子的两种状态称氧还对。如
17、NAD+NAD+和和NADHNADH，两者间有电位差，即氧还电位，两者间有电位差，即氧还电位可在标准条件下测定标准氧还电位。标准氧还可在标准条件下测定标准氧还电位。标准氧还电位越小，提供电子的能力越强电位越小，提供电子的能力越强通过测定电子载体的氧化还原电位，可推断其通过测定电子载体的氧化还原电位，可推断其在呼吸链中的排列顺序在呼吸链中的排列顺序第四十页，本课件共有87页3 3、电子传递复合物、电子传递复合物 用脱氧胆酸用脱氧胆酸(离子型去污剂离子型去污剂)处理内膜、分处理内膜、分离出呼吸链的离出呼吸链的4 4种复合物，即复合物种复合物，即复合物、和和。而参与电子传递的辅酶而参与电子传递的辅酶
18、Q Q和细胞色素和细胞色素C 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，细胞溶于内膜，细胞色素色素C C位于内膜的膜间隙侧位于内膜的膜间隙侧(C(C侧侧)，属膜外，属膜外周蛋白。周蛋白。第四十一页，本课件共有87页（1 1）复合物）复合物 NADHNADHCoQCoQ还原酶，哺乳动物中由还原酶，哺乳动物中由4242条肽链组成。条肽链组成。含含1 1个个FMNFMN和和6 6个个Fe/SFe/S，以二聚体存在。，以二聚体存在。作用：催化作用：催化NADHNADH的的2 2个电子传至辅酶个电子传至辅酶Q Q，并将，并将4 4个个H H+由基质由基质(M(M侧侧)膜间隙膜
19、间隙(C(C侧侧)。电子传递方向：。电子传递方向：NADHFMNFe-SQNADHFMNFe-SQ结果：结果：NADH+5HNADH+5H+(M)+QNAD(M)+QNAD+QH+QH2 2+4H+4H+(C)(C)第四十二页，本课件共有87页（2 2）复合物）复合物琥珀酸脱氢酶，琥珀酸脱氢酶，4 4条肽链，含条肽链，含1 1个个FADFAD，2 2个个Fe/SFe/S催化电子从琥珀酸催化电子从琥珀酸CoQCoQ，传递过程：琥珀酸，传递过程：琥珀酸FADFe-SQFADFe-SQ。不转移质子。不转移质子。反应结果为：琥珀酸反应结果为：琥珀酸+Q+Q延胡索酸延胡索酸+QH+QH2 2第四十三页，
20、本课件共有87页（3 3）复合物）复合物 CoQ-cytcCoQ-cytc还原酶，由还原酶，由1111条不同肽链组成，以二条不同肽链组成，以二聚体存在，单体含聚体存在，单体含2 2个个cyt b(b562cyt b(b562，b566)b566)、一、一个个cyt c1cyt c1和一个和一个Fe/SFe/S。作用：催化电子从辅酶作用：催化电子从辅酶Q cyt cQ cyt c，每转移一，每转移一对电子，同时将对电子，同时将4 4个个H H+转移至膜间隙。转移至膜间隙。结果：结果：2 2氧化态氧化态cyt c+QHcyt c+QH2 2+2 H+2 H+(M)2(M)2还原还原态态cyt c+
21、Q+4Hcyt c+Q+4H+(C)(C)第四十四页，本课件共有87页复合物复合物的电子传递较复杂，与的电子传递较复杂，与“Q“Q循环循环”有有关关辅酶辅酶Q Q是脂溶性小分子，能在膜中自由扩散，是脂溶性小分子，能在膜中自由扩散，在内膜在内膜C C侧，侧，QH2QH2将一个电子交给将一个电子交给Fe-SFe-S细胞细胞色素色素c1c1细胞色素细胞色素c c，被氧化为半醌，被氧化为半醌(QH)(QH)，并，并将一个质子释放到膜间隙；将一个质子释放到膜间隙；半醌将电子交给细胞色素半醌将电子交给细胞色素b566b562b566b562，释放，释放另外一个质子到膜间隙。另外一个质子到膜间隙。第四十五页
22、，本课件共有87页cyt b566cyt b566得到的电子为循环电子，传递路得到的电子为循环电子，传递路线为：半醌线为：半醌b566b562b566b562辅酶辅酶Q Q。因此，辅酶因此，辅酶Q Q的还原有的还原有3 3种途径，均发生在种途径，均发生在内膜内膜M M侧。一是被复合体侧。一是被复合体还原，二是被复还原，二是被复合体合体还原，三是被还原，三是被cyt b562cyt b562还原。还原。第四十六页，本课件共有87页Q循环示意图第四十七页，本课件共有87页（4 4）复合物）复合物 cyt ccyt c氧化酶，以二聚体存在，单体含氧化酶，以二聚体存在，单体含1 1个个cyt acyt
23、 a、a a3 3和和2 2个个CuCu原子。作用：电子从原子。作用：电子从cyt c cyt c 氧氧传递路线：传递路线：cyt cCucyt cCuA A cytaa cytaa3 3-Cu-CuB B OO2 2每转移一对电子，从基质中摄取每转移一对电子，从基质中摄取4 4个个H H+，其中，其中2 2个个用于水形成，另用于水形成，另2 2个被转至膜间隙。个被转至膜间隙。结果：结果：44还原态还原态cyt c+8 Hcyt c+8 H+(M)+O(M)+O2 2 44氧化氧化态态cyt c+4Hcyt c+4H+(C)+2H(C)+2H2 2O O第四十八页，本课件共有87页4 4、两条
24、主要的呼吸链、两条主要的呼吸链 呼吸链传递的主要是呼吸链传递的主要是NADHNADH，而，而FADHFADH2 2较少，较少，可将呼吸链分为主、次两条：可将呼吸链分为主、次两条：主链由复合物主链由复合物、组成，催化组成，催化NADHNADH氧化氧化次链由复合物次链由复合物、组成，催化琥珀组成，催化琥珀酸氧化酸氧化第四十九页，本课件共有87页两条主要的呼吸链第五十页，本课件共有87页Molecular basis of oxidation:Electron-transport chain第五十一页，本课件共有87页（三）（三）ATPATP合酶合酶(ATP synthetase)(ATP synt
25、hetase)的的结构和作用机理结构和作用机理 是生物能量转化的核心酶。参与氧化磷酸化和是生物能量转化的核心酶。参与氧化磷酸化和光合磷酸化，催化合成光合磷酸化，催化合成ATPATP。存在于线粒体内膜、叶绿体类囊体膜、异氧菌存在于线粒体内膜、叶绿体类囊体膜、异氧菌和光合菌质膜上。和光合菌质膜上。膜结合状态下具有膜结合状态下具有ATPATP合成活性，分离状态下合成活性，分离状态下具水解具水解ATPATP的活性。的活性。第五十二页，本课件共有87页The ATP synthase is a reversible coupling device第五十三页，本课件共有87页1.ATP1.ATP合酶合酶(
26、F(F0 0F F1 1-ATP-ATP酶酶)的结构的结构1)F1)F1 1:5:5种多肽组成的九聚体种多肽组成的九聚体(33)(33)，和和交替排列，如桔瓣。交替排列，如桔瓣。贯穿贯穿复合体，复合体，并与并与F F0 0接触，接触，帮助帮助与与F F0 0结合。结合。与与F F0 0的两个的两个b b亚基形成固定亚基形成固定复合体的结构。具复合体的结构。具3 3个个ATPATP合合成催化位点成催化位点,每个每个亚基亚基1 1个。个。2)F2)F0 0:由由3 3个亚基组成的个亚基组成的1515聚体聚体(1a:2b:12c)(1a:2b:12c)。c c亚基在膜中形成物质运动的环，亚基在膜中形
27、成物质运动的环，b b亚基与亚基与固定固定F1F1；a a亚基是质子通道。亚基是质子通道。第五十四页，本课件共有87页ATP 合酶的结构合酶的结构F1:5 subunits in the ratio 3:3:1:1:1 F0:1a：2b：12c第五十五页，本课件共有87页在合成在合成ATPATP时，在流过时，在流过F F0 0的的a a亚基的亚基的H H+推动下推动下,由由1212个个c c亚基组成的转子发生亚基组成的转子发生旋转，带动旋转，带动 转动，转动，依次与依次与3 3个个亚基亚基作用，使作用，使亚基催化位点构象发生变亚基催化位点构象发生变化，催化化，催化ATPATP合成合成第五十六页
28、，本课件共有87页第五十七页，本课件共有87页氧化磷酸化与电子传递的偶联氧化磷酸化与电子传递的偶联呼吸链中有呼吸链中有3 3个部位自由能变化较大，是呼吸个部位自由能变化较大，是呼吸链氧化还原放能与链氧化还原放能与ATPATP合成偶联部位，可被特合成偶联部位，可被特异性抑制剂阻断。异性抑制剂阻断。这这3 3个部位分别是复合物个部位分别是复合物、，它们每，它们每传递传递1 1对电子，释放的自由能足够合成对电子，释放的自由能足够合成1 1分子分子ATPATP。而而复合物复合物释放的自由能不足以合成释放的自由能不足以合成1 1个分子个分子ATP,ATP,不是不是ATPATP合成的偶联位点。合成的偶联位
29、点。第五十八页，本课件共有87页Summary of the major activities during aerobic respiration in a mitochondrionNADHO2:3ATP/2e;FADH2 O2:2ATP/2e第五十九页，本课件共有87页（四）氧化磷酸化的偶联机理（四）氧化磷酸化的偶联机理 氧化与磷酸化的偶联机制一直是研究氧化磷酸化氧化与磷酸化的偶联机制一直是研究氧化磷酸化作用的关键作用的关键主要的假说有：主要的假说有：1 1、化学渗透学说、化学渗透学说(chemiosmotic coupling(chemiosmotic coupling hypothe
30、sis)hypothesis)2 2、构象偶联假说、构象偶联假说(conformational coupling(conformational coupling hypothesis)hypothesis)第六十页，本课件共有87页1 1、化学渗透假说：质子动力势、化学渗透假说：质子动力势 Mitchell P.1961Mitchell P.1961提出提出“化学渗透假说化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis)”(Chemiosmotic Hypothesis)”，7070年代化年代化学渗透假说得到大量实验的支持，成为一学渗透假说得到大量实验的支持，成为一种较为流行的假说
31、，种较为流行的假说，MitchellMitchell也因此获得也因此获得19781978年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。第六十一页，本课件共有87页化学渗透学说化学渗透学说电子沿呼吸链传递时，释放的能量将质子从内膜电子沿呼吸链传递时，释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，线粒体内膜对离子高度不通基质侧泵至膜间隙，线粒体内膜对离子高度不通透，使膜间隙的透，使膜间隙的H+H+浓度高于基质，在内膜两侧形浓度高于基质，在内膜两侧形成成pHpH梯度梯度(pH)(pH)及电位梯度及电位梯度()()，共同构成电化，共同构成电化学梯度，即质子动力势学梯度，即质子动力势(P)(P)。质子沿电化学梯度穿过内膜上
32、的质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATPATP合酶流回基合酶流回基质，使质，使ATPATP合酶构象改变，将合酶构象改变，将ADPADP和和PiPi合成合成ATPATP第六十二页，本课件共有87页化学渗透学说第六十三页，本课件共有87页第六十四页，本课件共有87页Mithchells Chemiosmotic theory (1961)More than 21026 molecules(160kg)of ATP per day in our bodies.第六十五页，本课件共有87页Other roles for the proton-motive force in addition to ATP
33、synthase第六十六页，本课件共有87页2 2、构象耦联假说、构象耦联假说19791979年年BoyerBoyer提出构象耦联假说，主要观点是：提出构象耦联假说，主要观点是：H+H+通过通过F0F0时，引起时，引起c c亚基构成的环旋转，亚基构成的环旋转，带动带动转动，转动，端部不对称，引起端部不对称，引起F1F1上上3 3个个亚基的催化位点的构象周期性变化亚基的催化位点的构象周期性变化(L(L、T T、O)O)。在在L L构象，构象，ADPADP、Pi Pi与酶疏松结合；在与酶疏松结合；在T T构象构象与酶紧密结合，合成与酶紧密结合，合成ATPATP；在；在O O构象构象ATPATP与酶
34、的与酶的亲和力低，被释放。每个亚基要经过亲和力低，被释放。每个亚基要经过3 3次构象次构象改变才能催化合成改变才能催化合成1 1个个ATPATP。第六十七页，本课件共有87页第六十八页，本课件共有87页第六十九页，本课件共有87页支持构象耦联假说的实验有：支持构象耦联假说的实验有：1 1日本的吉田（日本的吉田（Massasuke YoshidaMassasuke Yoshida）等人将）等人将3333固定在玻片上，在固定在玻片上，在亚基的顶端连接亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATPATP的溶液中的溶液中温育时，在显微镜下可观察到温育时，在显微镜下可观
35、察到亚基带动肌动亚基带动肌动蛋白纤维旋转。蛋白纤维旋转。2 2在另外一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白在另外一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白连接到连接到ATPATP合酶的合酶的F F0 0亚基上，在亚基上，在ATPATP存在时同样存在时同样可以观察到肌动蛋白的旋转。可以观察到肌动蛋白的旋转。第七十页，本课件共有87页第七十一页，本课件共有87页（四）氧化磷酸化抑制剂（四）氧化磷酸化抑制剂 1.1.电子传递抑制剂电子传递抑制剂:抑制抑制NADHCoQNADHCoQ电子传递电子传递:阿米妥、鱼阿米妥、鱼藤酮、杀粉蝶素藤酮、杀粉蝶素A A。抑制抑制Cyt bCyt c1Cyt bCyt c1电子传递电
36、子传递:抗霉素抗霉素A A 抑制细胞色素氧化酶抑制细胞色素氧化酶OO2 2:CO:CO，CNCN，NaNNaN3 3，H H2 2S S第七十二页，本课件共有87页2 2磷酸化抑制剂磷酸化抑制剂:与与F F0 0结合，阻断结合，阻断H H+通道，从而抑制通道，从而抑制ATPATP合成：寡霉素、二环己基碳化二亚胺合成：寡霉素、二环己基碳化二亚胺(DCC)(DCC)3 3解偶联剂解偶联剂(uncoupler):(uncoupler):使氧化和磷酸化脱偶联，氧化使氧化和磷酸化脱偶联，氧化仍可进行，而磷酸化不能进行。解偶联剂为离子载体或通仍可进行，而磷酸化不能进行。解偶联剂为离子载体或通道，能增大内膜
37、对道，能增大内膜对H H+通透性，消除通透性，消除H H+梯度，无梯度，无ATPATP生成，使生成，使氧化释放出的能量全部以热的形式散发氧化释放出的能量全部以热的形式散发动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体中有独特的解偶联蛋动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体中有独特的解偶联蛋白，与维持体温有关。白，与维持体温有关。第七十三页，本课件共有87页常用解偶联剂主要有：常用解偶联剂主要有：质子载体：质子载体：2 2，4-4-二硝基酚二硝基酚(DNP)(DNP)，羰基，羰基-氰氰-对对-三氟甲氧基苯肼三氟甲氧基苯肼(FCCP)(FCCP)。质子通道质子通道:增温素。增温素。其它离子载体：缬氨霉素。其它离子载体：缬氨霉
38、素。某些药物：如过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化某些药物：如过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。部分解偶联，从而使体温升高。第七十四页，本课件共有87页三、线粒体的半自主性三、线粒体的半自主性 19631963年发现线粒体年发现线粒体DNA(mtDNA)DNA(mtDNA)后，又在线后，又在线粒体发现粒体发现RNARNA、DNADNA聚合酶、聚合酶、RNARNA聚合酶、聚合酶、tRNAtRNA、核糖体等进行、核糖体等进行DNADNA复制、转录和蛋白复制、转录和蛋白质翻译的全套装备，说明质翻译的全套装备，说明线粒体具独立遗线粒体具独立遗传体系传体系。第七十五页，本课件共有87页线
39、粒体能合成蛋白质，但合成能力有限。线粒体能合成蛋白质，但合成能力有限。线粒体线粒体10001000多种蛋白质中，自身合成的仅多种蛋白质中，自身合成的仅十余种。十余种。线粒体核糖体蛋白、氨酰线粒体核糖体蛋白、氨酰tRNA tRNA 合成酶、许合成酶、许多结构蛋白，多结构蛋白，都是核基因编码，在胞质中都是核基因编码，在胞质中合成，定向转运到线粒体合成，定向转运到线粒体.故称故称线粒体为半自主细胞器线粒体为半自主细胞器。第七十六页，本课件共有87页利用标记氨基酸培养细胞，用氯霉素和放线菌利用标记氨基酸培养细胞，用氯霉素和放线菌酮分别抑制线粒体和胞质蛋白质合成，发现人酮分别抑制线粒体和胞质蛋白质合成，
40、发现人的的mtDNAmtDNA编码的多肽为细胞色素编码的多肽为细胞色素c c氧化酶的氧化酶的3 3个个亚基，亚基，F0F0的的2 2个亚基，个亚基，NADHNADH脱氢酶的脱氢酶的7 7个亚基和个亚基和细胞色素细胞色素b b等等1313条多肽。条多肽。mtDNAmtDNA还合成还合成12S12S和和16SrRNA16SrRNA及及2222种种tRNAtRNA。第七十七页，本课件共有87页vGenes in mtDNA encode rRNAs,tRNAs,and some mitochondrial proteinsHuman mt DNA:16,569bp 2 rRNAs,22 tRNAs,
41、13 polypeptides:NADH reductase.7 sub.Cty b-c1 complex.1 cytb Cyt oxidase.3 subunits ATP synthase:2 F0 sub 第七十八页，本课件共有87页mtDNAmtDNA分子为环状双链分子为环状双链DNADNA，外环为重链，外环为重链(H)(H)，内，内环为轻链（环为轻链（L L）。）。基因排列非常紧凑，大多数基因基因排列非常紧凑，大多数基因无无内含子序列。内含子序列。基因组变化较大，动物细胞基因组变化较大，动物细胞mtDNAmtDNA较小，约较小，约16.5kb16.5kb，酵母达，酵母达80kb80k
42、b。每个细胞含几百个线粒体，每个线粒体又含多个每个细胞含几百个线粒体，每个线粒体又含多个mtDNAmtDNA，但，但mtDNAmtDNA的总量不到核基因组的的总量不到核基因组的1%.1%.第七十九页，本课件共有87页多数基因由多数基因由H H链转录，包括链转录，包括2 2个个rRNArRNA，1414个个tRNA tRNA 和和1212个编码多肽的个编码多肽的mRNAmRNA。L L链编码另外链编码另外8 8个个tRNAtRNA和一条多肽链。和一条多肽链。mtDNAmtDNA上的基因相互连接，上的基因相互连接，一些多肽基因相互一些多肽基因相互重叠，几乎所有阅读框都缺少非翻译区域。重叠，几乎所有
43、阅读框都缺少非翻译区域。很多基因没有完整的终止密码，很多基因没有完整的终止密码，仅以仅以T T或或TA TA 结尾，结尾，mRNAmRNA终止信号是在转录后加工加上去终止信号是在转录后加工加上去第八十页，本课件共有87页线粒体在形态、染色反应、化学组成、物线粒体在形态、染色反应、化学组成、物理性质、遗传体系等方面，都很像细菌，理性质、遗传体系等方面，都很像细菌，所以推测其起源于内共生。在进化过程中所以推测其起源于内共生。在进化过程中好氧细菌逐步丧失了独立性，并将大量遗好氧细菌逐步丧失了独立性，并将大量遗传信息转移到了宿主细胞中，形成了半自传信息转移到了宿主细胞中，形成了半自主性细胞器。主性细胞
44、器。第八十一页，本课件共有87页线粒体遗传体系和细菌相似的特征：线粒体遗传体系和细菌相似的特征：DNADNA为环形分子，无内含子；为环形分子，无内含子；核糖体为核糖体为70S70S型；型；RNARNA聚合酶被溴化乙锭抑制不被放线菌素聚合酶被溴化乙锭抑制不被放线菌素D D所抑制所抑制tRNAtRNA、氨酰基、氨酰基-tRNA-tRNA合成酶不同于胞质中的；合成酶不同于胞质中的；蛋白合成起始氨酰基蛋白合成起始氨酰基tRNAtRNA是是N-N-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰tRNAtRNA对细菌蛋白合成抑制剂氯霉素敏感，对胞质蛋白合对细菌蛋白合成抑制剂氯霉素敏感，对胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。成抑制
45、剂放线菌酮不敏感。第八十二页，本课件共有87页五、线粒体的增殖五、线粒体的增殖 线粒体主要是通过已有的线粒体的分裂进线粒体主要是通过已有的线粒体的分裂进行增殖的，有以下几种形式：行增殖的，有以下几种形式：1 1、间壁分离间壁分离，分裂时先由内膜向中心，分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分成两个，常见于鼠肝和皱褶，将线粒体分成两个，常见于鼠肝和植物产生组织中。植物产生组织中。第八十三页，本课件共有87页a dividing Mit in a liver cell第八十四页，本课件共有87页线粒体的间壁分裂第八十五页，本课件共有87页 2 2、收缩后分离收缩后分离，分裂时通过线粒体中部缢缩，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。酵母线粒体中。第八十六页，本课件共有87页3 3、出芽出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出，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。现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。第八十七页，本课件共有87页