秋季细胞生物学课件7章王晓娟.docx

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秋季细胞生物学课件7章王晓娟

第七章线粒体和叶绿体

主要内容

Ø线粒体概述

Ø线粒体的功能－氧化磷酸化

Ø线粒体的遗传、增殖和起源（了解）

一、线粒体概述

氧化磷酸化:

生物体通过呼吸作用将摄取的糖、蛋白质、脂肪等营养物质氧化分解；在此过程中经氧化磷酸化方式，将食物中储藏的能量转化为化学能，不断供给生理活动的需要。

这些过程主要是在线粒体中进行和完成的。

1.1线粒体的概述

Ø由两层膜包被，外膜平滑，内膜向内折叠形成嵴，两层膜之间有腔，线粒体中央是基质；

Ø基质内含有与三羧酸循环所需的全部酶类；

Ø内膜上具有呼吸链酶系及ATP酶复合体；

Ø线粒体是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所，有细胞“动力工厂”（powerplant）之称;

Ø线粒体有自身的DNA和遗传体系，但线粒体基因组的基因数量有限，因此，线粒体只是一种半自主性的细胞器。

1.2线粒体发现和功能鉴定

ØMitochondria（mitochondrion）

Ø线粒体的发现历史

Ø1890年Altaman首次发现，命名为bioblast

Ø1897年vonBenda提出mitochondria的名称

Ø1900年Michaelis用JanusGreenB染色，发现线粒体具有氧化作用

ØGreen（1948）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶

ØKennedy和Lehninger（1949）发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的

ØKölliker（1850）第一个发现在肌细胞的细胞质中存在着一种规则排列的颗粒，并从肌细胞中分离到这些颗粒。

Ø将分离的颗粒放置在水中能够膨胀，为此推测∶这种颗粒是由半透性的膜包被的。

ØBenda（1897）首次将这种颗粒命名为线粒体，意思是“类似线状的颗粒。

⏹mitos（线）

⏹chondros（颗粒）

Ø线粒体功能的确定

ØMichaelis（1900）用染料Janusgreen对肝细胞进行染色，染料将线粒体染成绿色，而当细胞消耗氧之后，线粒体的颜色逐渐消失了（这种颜色的变化是颜料的氧化还原状态改变的结果），从而提示线粒体具有氧化还原反应的功能。

ØClaude（1940）将线粒体与其它细胞组分分开

Ø所用盐法分离方法会破坏线粒体的功能，该方法分离的线粒体看不到有关Krebs循环以及呼吸链的成份.

ØHogeboom等（1948）分离到具有生物活性的线粒体

Ø采用的分离介质是蔗糖而不是盐，因此不会破坏线粒体的功能.

ØKened和Lehninger证明了线粒体具有Krebs循环、电子传递、氧化磷酸化的作用，从而证明了线粒体是真核生物进行能量转换的细胞器。

将线粒体放在低渗溶液或者去垢剂毛地黄皂苷（digitonin）中直到线粒体外膜裂开，随着外膜的破裂，膜间隙中的物质释放到溶液中，此时线粒体内膜和基质仍结合在一起（称为线粒体质），通过离心可将线粒体质分离。

用去垢剂Lubrol进一步处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有F1颗粒。

实验中要通过离心分离各组分,并要借助电子显微镜观察将内膜和外膜区分开来∶分离的外膜看起来象空的囊而内膜会形成小泡，内膜自我封闭形成内膜小泡的外表面含有F1颗粒。

1.3线粒体的形态

Ø线粒体的形态

⏹呈线状，也有粒状或短线状

⏹直径一般在0.5-1.0μm

⏹长度一般为1.5-3μm

⏹人成纤维细胞线粒体可达40μm

⏹巨型线粒体

⏹体积异常膨大的线粒体

1.4线粒体的数目

Ø线粒体的数目

⏹一般动物细胞中平均有数百个

⏹哺乳动物成熟的红细胞中没有线粒体

⏹植物细胞中线粒体含量比动物细胞少

⏹需要能量多的细胞，线粒体数目也较多

1.5线粒体的分布

Ø线粒体的分布

⏹一般均匀分布在整个细胞质中

⏹在某些细胞中，线粒体的分布是不均一的

⏹常集中在代谢活跃的区域，因为这些区域需要较多的ATP，如肌细胞的肌纤维中有很多线粒体；

⏹在精细胞、鞭毛、纤毛和肾小管细胞的基部都是线粒体分布较多的地方；

⏹分布在有较多氧化反应底物的区域，如脂肪滴，因为脂肪滴中有许多要被氧化的脂肪。

1.6线粒体的结构

Ø内外两层单位膜构成的封闭的囊状结构

⏹外膜outermembrane

⏹内膜innermembrane

⏹膜间隙intermembranespace

⏹基质matrixspace

外膜

⏹厚约6nm、光滑、平整

⏹含有孔蛋白（porin），由其构成的亲水通道，允许分子量5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。

内膜

⏹通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过

⏹内膜向线粒体内室褶入形成嵴，扩大内膜表面积（5-10倍）

◆嵴上覆有基粒（elementarypartical）

◆基粒又称偶联因子1（couplingfactor1），简称F1，实际是ATP合成酶

◆基粒由头部（F1）和基部（F0）构成，又叫F0F1ATP酶复合体

◆嵴有两种

◆板层状（lamellar）

◆管状（tubular）

膜间隙

⏹是内外膜之间的腔隙，腔隙约6-8nm

⏹含有许多可溶性酶类、底物和辅助因子

基质

⏹内膜和嵴包围的空间，含有

⏹催化三羧酸循环，脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶类

⏹线粒体DNA（mtDNA）

⏹线粒体特有的核糖体，tRNAs、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等

⏹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

1.7线粒体的化学组成

⏹蛋白质

⏹占线粒体干重的65-70%

⏹分为可溶性和不溶性两种类型

⏹可溶性蛋白质主要是基质的酶和膜的外周蛋白

⏹不溶性蛋白质构成膜的主体，一部分是镶嵌蛋白，一些是酶蛋白

⏹脂质

⏹只占干重的20-30%

⏹多数是磷脂，占总脂的3/4以上

⏹含丰富的心磷脂和较少的胆固醇是线粒体在组成上与细胞其他膜结构的明显差别

⏹水份

1.8线粒体酶的定位

外膜

膜间隙

内膜

基质

单胺氧化酶

NADH-细胞色素c氧化

还原酶

酰基辅酶A合酶

细胞色素b5

犬尿酸羟化酶

腺苷酸激酶

核苷酸激酶

二磷酸激酶

细胞色素b,c,c1,a,a3

琥珀酸脱氢酶

NADH脱氢酶

（对鱼藤酮敏感）

丙酮酸氧化酶

肉毒碱酰基转移酶

β-羟丁酸和β-羟丙酸脱氢酶

ATP合成酶

（F0F1复合物）

运输蛋白

柠檬酸合成酶

苹果酸脱氢酶

延胡索酸酶

异柠檬酸脱氢酶

丙酮酸脱氢酶复合物

顺乌头酸酶

谷氨酸脱氢酶

脂肪酸氧化酶系

天冬氨酸转氨酶

蛋白质和核酸合成酶系

二、线粒体的功能

2.1线粒体的功能概述

⏹线粒体的主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量

⏹线粒体是真核生物氧化代谢的部位，是糖、脂肪和氨基酸最终氧化放能的场所，最终氧化的共同途径是三羧酸循环和呼吸链的氧化磷酸化

2.2氧化磷酸化过程

Ø氧化（oxidation）

⏹葡萄糖（或糖原）在正常有氧的条件下氧化，产生CO2和水，这个总过程称作糖的有氧氧化，又称细胞氧化或生物氧化

⏹整个过程分为三个阶段

Ø氧化过程的三个阶段

⏹糖氧化成丙酮酸

⏹葡萄糖进入细胞后经过一系列酶的催化反应，最后生成丙酮酸的过程，此过程在细胞质中进行，是不耗能的过程

⏹丙酮酸进入线粒体，在基质中脱羧生成乙酰CoA

⏹乙酰CoA进入三羧酸循环，彻底氧化

葡萄糖的氧化途径

Ø葡萄糖进入细胞后先在细胞质中通过酵解作用生成丙酮酸：

Ø有氧存在时，丙酮酸进入线粒体基质经过三羧酸循环、电子传递和氧化磷酸化，最后生成CO2和水

Ø没有氧，丙酮酸经过发酵生成乳酸

2.3氧化磷酸化的分子结构基础

⏹动物细胞中80%的ATP来源于线粒体。

糖、脂肪和氨基酸被彻底氧化，电子经过一系列的传递，传至氧分子，逐级释放能量，合成ATP。

电子传递链

在三羧酸循环中，乙酰CoA氧化释放的大部分能量都储存在辅酶（NADH和FADH2）分子中。

细胞利用线粒体内膜中一系列的电子载体（呼吸链），伴随着逐步电子传递，将NADH或FADH2进行氧化，逐步收集释放的自由能最后用于ATP的合成，将能量储存在ATP的高能磷酸键的过程体系。

递氢体和递电子体

⏹辅酶

⏹尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）【辅酶I（CoI）】

⏹尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）【辅酶Ⅱ（CoⅡ）】

⏹黄素蛋白

⏹黄素单核苷酸（FMN）

⏹黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）

⏹铁硫蛋白

⏹单个铁与半胱氨酸残基上的巯基硫相连相连

⏹2Fe-2S

⏹4Fe-4S

⏹泛琨（辅酶Q）

⏹细胞色素体系

NAD+

⏹NAD+接受从代谢物上脱下的2H（2H++2e），然后传给另一传递体黄素蛋白

⏹在生理pH条件下，尼克酰胺中的氮（吡啶氮）为五价的氮，它能可逆地接受电子而成为三价氮，与氮对位的碳也较活泼，能可逆地加氢还原，故可将NAD+视为递氢体。

反应时，NAD+的尼克酰胺部分可接受一个氢原子及一个电子，尚有一个质子（H+）留在介质中。

黄素蛋白

⏹在FAD、FMN分子中的异咯嗪部分可以进行可逆的脱氢加氢反应

⏹FAD或FMN与酶蛋白部分之间是通过非共价键相连，但结合牢固，因此氧化与还原（即电子的失与得）都在同一个酶蛋白上进行，故黄素核苷酸的氧化还原电位取决于和它们结合的蛋白质。

⏹多数黄素蛋白参与呼吸链组成，与电子转移有关

⏹NADH脱氢酶以FMN为辅基（呼吸链组分之一，介于NADH与其它电子传递体之间）

⏹琥珀酸脱氢酶/甘油磷酸脱氢酶以FAD为辅基

⏹脂肪酰CoA脱氢酶以FAD为辅基

铁硫蛋白

⏹单个铁与半胱氨酸残基上的巯基硫相连相连

⏹2Fe-2S

⏹两个铁原子、两个无机硫原子组成（2Fe-2S），其中每个铁原子还各与两个半胱氨酸残基的巯基硫相结合

⏹4Fe-4S

⏹由4个铁原子与4个无机硫原子相连（4Fe-4S），铁与硫相间排列在一个正六面体的8个顶角端；此外4个铁原子还各与一个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。

⏹铁硫蛋白中的铁可以呈两价（还原型），也可呈三价（氧化型），由于铁的氧化、还原而达到传递电子作用

⏹呼吸链中多与黄素蛋白或细胞色素b结合存在

泛琨（辅酶Q）

⏹脂溶性苯醌，带有一很长的侧链，是由多个异戊二烯（isoprene）单位构成的

⏹不同来源的泛醌其异戊二烯单位的数目不同，在哺乳类动物组织中最多见的泛醌其侧链由10个

⏹泛醌接受一个电子和一个质子还原成半醌，再接受一个电子和质子则还原成二氢泛醌，后者又可脱去电子和质子而被氧化恢复为泛醌。

☐3种不同氧化还原形式

⏹氧化型醌Q

⏹还原型氢醌（QH2）

⏹自由基半醌（QH）

细胞色素体系

⏹含有铁卟啉辅基的色蛋白，属于递电子体

⏹线粒体内膜中有细胞色素b、c1、c、aa3

⏹肝、肾等组织的微粒体中有细胞色素P450

⏹细胞色素b、c1、c为红色细胞素

⏹细胞色素aa3为绿色细胞素

⏹不同的细胞色素具有不同的吸收光谱，不但其酶蛋白结构不同，辅基的结构也有一些差异

⏹细胞色素c

⏹外周蛋白，位于线粒体内膜的外侧

⏹哺乳动物的Cytc由104个氨基酸残基组成

⏹Cytc的辅基血红素（亚铁原卟啉）通过共价键（硫醚键