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1、一、线粒体的形态结构 线粒体一般呈粒状或杆状，环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状，一般直径0.51m，长1.53.0m。蛋白质占线粒体干重的65-70%，脂类占25-30%。数目一般数百到数千个，肝细胞约1300个线粒体；单细胞鞭毛藻仅1个，酵母细胞具有一个大型分支的线粒体，许多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。（一）线粒体的形态分布第1页/共44页通常结合在微管上，分布在细胞功能旺盛的区域。通常结合在微管上，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管，呈平行或栅状排列；肠表皮细胞中
2、呈两极性分布，集中在顶端和基部；在精子中分布在鞭毛分布，集中在顶端和基部；在精子中分布在鞭毛中区。中区。线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨，由马达蛋白提供动力。移，微管是其导轨，由马达蛋白提供动力。第2页/共44页（二）线粒体的结构线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区域。1、外膜：含40%的脂类和60%的蛋白质，具有孔蛋白（porin）构成的亲水通道。标志酶为单胺氧化酶。第3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
3、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（elementary 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内膜，内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。第4页/共44页3、膜间隙：是内外膜之间的腔隙，延伸至嵴的轴心部，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。催化三羧酸循环
4、，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页基质具有一套完整的转录和翻译体系。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页线粒体的电镜照片管状脊线粒体第7页/共44页线粒体结构（扫描电镜）线粒体结构模型第8页/共44页心肌细胞和精子尾部的线粒体肌原纤维、鞭毛核心第9页/共44页（三）线粒体化学组成及酶的定位化学组成蛋白质占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
5、:1；基质中含有DNA、RNA、核糖体、致密颗粒和上百种酶。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页四、线粒体的功能主要功能：进行三羧酸循环和氧化磷酸化，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页真核细胞线粒体中代谢反应图解第12页/共44页（一）线粒体中的氧化代谢线粒体是氧化代谢的中心，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能量的主要途径。氧化 放能磷酸化贮
6、能偶联在一起，有不同的结构系统实现第13页/共44页1968年E.Racher等人超声破碎线粒体，发现内膜碎片可自然卷曲成颗粒朝外的小膜泡。（亚线粒体小泡）具有电子传递和磷酸化的功能亚线粒体小泡的分离与重组第14页/共44页两条典型的呼吸链：NADH呼吸链FADH2呼吸链供体：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（二）电子传递链（呼吸链）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1.
7、电子载体（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、铁硫蛋白、辅酶Q等。NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide），是体内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链，其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。第17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，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细
8、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页辅酶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+的变化传递电子。传递1个电子。第19页/共44页2.电子载体的排列顺序电子传递方向：NADHFMNCoQbc1caa3O2氧化还原电位由低
9、到高-0.32-0.30.10.070.220.250.290.82第20页/共44页3.电子转运复合物利用脱氧胆酸（deoxycholate）处理线粒体内膜、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（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1MD，以二聚体形式存在。作用是催化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
10、传递的方向为：NADHFMNFe-SQ。第22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（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侧泵至膜间隙侧第24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
11、。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2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。第25页/共44页（三）质子转移与质子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页两条主要的呼吸链
12、NADH呼吸链和FADH2呼吸链第27页/共44页第28页/共44页线粒体膜上电子传递和氧化磷酸化第29页/共44页（四）ATP形成机制氧化磷酸化ADP磷酸化两种途径：底物水平磷酸化氧化磷酸化当电子从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ATP合成酶（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合成酶的结构与组成
13、第31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亚基形成固定复合体的结构（相当于发电机的定子）。第32页/共44页F0由三种多肽组成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 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ATP。2F1具有
14、三个催化位点，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ATP。第34页/共44页ATP酶结构和结构模型第35页/共44页ATP酶的结构模型亚基的结合位点具有催化ATP合成或水解的作用，
15、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ATP酶催化ADP和Pi合成ATP的旋转模型第37页/共44页ATP合成和水解示意图第38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在另外一个实验中，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页氧化磷酸化的作用机理 Mitchell P.1961提出“化学渗透假说
16、(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页化学渗透学说第41页/共44页线粒体中能量生成的机制第42页/共44页三、线粒体与疾病克山病：心肌线粒体病，由缺硒引起，是以心肌损伤为主要病变的地方性心肌病。第43页/共44页感谢您的观看！第44页/共44页