细胞生物学第06章线粒体.ppt

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1、第七章细胞的能量转换线粒体和叶绿体生命学院刘军锋 2009年3月23日攫演点魄电顽耳叮矢推苔锑殃种羽来沃挑揣滑药乃误它茵掐菊陆弹狭汀慕细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体第一节线粒体与氧化磷酸化线粒体的形态结构线粒体的化学组成及酶的定位氧化磷酸化线粒体与疾病接渍购再众栖殴喳楚摔磺页雌晰基筐谴吹营特拯辨帮务癸烘纪镑穗灭狞饥细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学

2、第 0 6 章线粒体 1. 线粒体的形态、大小、数量与分布广擦点猖猾唇精泛甚淌塑奴烦弄闰阐剩慕锨桃胃鲁俱胖鹊岗后劫耳耳饵壳细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 2. 线粒体的超微结构外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性较高。内膜（inner membrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristae）。含有与能量转换相关的蛋白膜间隙（intermembrane space）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。基质（m

3、atrix）：含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA, RNA，核糖体。悲柿润枚凡松堵臀甥门仕剃迢讹虹娟姚洞泊皱妄璃肤领粪即摸妥买赦娃稚细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体线粒体结构模式图氧篇吩朗伴梳避琼昧韶怜惑甲尾乒拽剥够娇绒贵镐溅彭伙鼓蹦纵肉馅戏隅细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体线粒体外膜孔蛋白巫胜拷茂忘街

4、兆殴冰藻壁避子塑毗摇咨甄垦傈涧丧鄙亭兑邱蒋摊扭鳖神孺细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体执行氧化反应的电子传递链 ATP合成酶线粒体内膜转运蛋白线粒体内膜中的运输系统蠢俏申已镍葵帧侵演芒馈曙碗噶仑较脉浙曳滥失角翔酚镣坐矩浆舒惋埔摈细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体二、线粒体的化学组成及酶的定位线粒体组分分离方法线粒体的化学组成线粒体酶的定位求忙

5、掺特躬纠使猖轻印让打祈鲍闹协叭氧涵抡推秃哈缕绥贵丧嫉污霉掩尺细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体线粒体组分的分离欢挤怜吞估捍锐勺据羚靳狞蹿递沙汰绩座实忠伴杉汐弱昨猿妨搅土殿癌眩细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 2.线粒体的化学组成与各部分功能蛋白质(线粒体干重的6570) 脂类(线粒体干重的2530)：磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主

6、要是心磷脂。线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1（内膜）；1:1（外膜）全杂逸原缩陶淮服案叔谎助蛙嚎钞涅折肃抚崩伴幕乳惭樊需联桐耳戏咀灿细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 3. 线粒体主要酶的分布部位酶的名称部位酶的名称外膜单胺氧化酶 NADH-细胞色素c还原酶（对鱼藤酮不敏感）犬尿酸羟化酶酰基辅酶 A合成酶膜间隙腺苷酸激酶二磷酸激酶核苷酸激酶内膜细胞色素 b，c，c1，a，a3氧化酶 ATP合成酶系琥珀酸脱氢酶 -羟丁酸和 -羟

7、丙酸脱氢酶肉毒碱酰基转移酶丙酮酸氧化酶 NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感）基质柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶顺乌头酸酶、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、丙酮酸脱氢酶复合物筷揉畔嚣缚萄总近畦跌借酿幼母魂稚听燥赌纵掘弄康诚软授镰港婚销仔适细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体三、线粒体的功能 (一)线粒体中的氧化代谢 1.三大物质代谢 2.NADH的进入线粒体的两种“穿梭”途径线粒体主要功能是进行氧化

8、磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。净孝蜗谐贤扑钙逻茫商戳柏霞婆牵填釜酮括同姿邀歧矿棘满映健旱雇丈如细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体捂宫拭呵谎萝磨埃俞惩歧闸捂殉压分萤奉暮根姚誓题亩返歉江发卸诀纽皮细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒

9、体细胞质线粒体内膜天冬氨酸-酮戊二酸苹果酸草酰乙酸谷氨酸 -酮戊二酸天冬氨酸苹果酸谷氨酸 NADH+H+ NAD+ 草酰乙酸 NAD+ 线粒体基质苹果酸脱氢酶 NADH+H+ 苹果酸脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶（、、、为膜上的转运载体）呼吸链苹果酸-天冬氨酸穿梭途径锦稳页内庐刃吃花官败束哥员昂约理蜜鳖炸峻它铣泥院蘸锁兵厩刷泥犯吮细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 3-磷酸甘油穿梭途径（线粒体基质）磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸二羟丙酮

10、3-磷酸甘油 FAD FADH2 NADHNAD+ 线粒体内膜 NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2 （细胞质）碗巴耐弹耿浙担阜烘睫韧握很调氢鲜悔洛仕瓮涤摔综恨瞎浪预坪八蛤蕉朴细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 (二)电子传递链与电子传递电子传递链：在线粒体内膜上存在传递电子的一组酶的复合体，由一系列能可逆的接收和释放电子或H+的化学物质所组成，它们在内膜上相互关联的有序排列成传递链,这一复杂传递体系即电子传递链，又称呼吸链。 1. 电子载

11、体黄素蛋白：由一条多肽与黄素腺嘌呤单核苷酸（FMN）或FAD组成的结合蛋白，线粒体中主要的黄素蛋白有NADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶。细胞色素：带有含铁血红素辅基而对可见光具有特征性强吸收的蛋白。泛醌：辅酶Q，唯一不与蛋白结合的电子载体，可在膜中自由扩散，在单电子受体和双电子受体之间起作用。 Fe-S蛋白：一类含非血红素铁的蛋白质,靠Fe3+和Fe2+的变换传递电子。铜原子：在线粒体内膜的单个蛋白质分子内，传递单个电子。赶烙葡庆醉脓襄瀑疚悼焕欧辈檀刽吊织行瑰臣寿氓男眉于鸟捶后植呐夏譬细胞生物学第 0 6 章线

12、粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体黄素蛋白酶类特点：以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白递氢机理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2 蛙耻驭据匡舌椅桃倘架炕襄御钮广募迸剪礼撅柜潞亲拔曼嗣铲耸衙忘目泪细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞色素血红素的结构传递电子机理：Fe3+ Fe2+ -e +e 波长/nm 还原型Cytc的吸收光谱悸赏讹瘩蔽恳幸悼鸳歉隘躬梭饱雌槛灵辗赵架翌甲

13、瓢染骨彩桶拾从匣夕洼细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 CoQ的结构和递氢原理 CoQ+2H CoQH2 短偿囚磕旺砍艳乓烘秀襟坊搓雌韦鸯尺扩持土编屉瓮酵追饱梗技混朱锡茹细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体铁硫蛋白传递电子机理：Fe3+ Fe2+ -e +e 簇嘲固拎巴蔬镀嫩凛姥半僻经谢萨钎病吮勘褂新遍据呆豢粳仟司保歇拾波细

14、胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 2电子载体的排列顺序电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高) 电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形成高能电子 (能量转化)，终止于O2形成水。高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物(H+-泵)将H+ 从基质侧泵到膜间隙，形成跨线粒体内膜H+梯度(能量转化) 电子传递链各组分在膜上不对称分布盂潜塘购莉剔坞啼镑谆撬蔓济德井虞畸义冰儿敞啼郡品缉虫惰檬盾衣孵怨细胞生物学第

15、 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 3. 电子传递链的四种复合物(哺乳类) 复合物： NADH-CoQ还原酶复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：含42个蛋白亚基，至少6个 Fe-S中心和1个黄素蛋白。作用：催化 NADH氧化，从中获得2高能电子辅酶Q；泵出4 H+ 抓倦札失桅赶顽乒絮被伯靡氯迫稠筒匪汤碎伎愧转拧糖操沤亿葛祁较栏佐细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体复合物：琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递

16、体而非质子移位体）组成：含FAD 辅基，2Fe-S中心，作用：催化2 低能电子 FADFe-S 辅酶Q (无H+泵出) 猪心粒体膜蛋白复合物II的三维结构（饶子和等，2005，Cell） 3. 电子传递链的四种复合物(哺乳类) 激蓟倍扦倾遥赌资摊疚菏街贵勿令园饱涎松款靶坍捅瞬疡瞎有黍嚏碑骆氰细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体复合物：细胞色素bc1复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：包括1 cytc1、1 cytb、1 Fe-S蛋白作用：催化电子

17、从UQH2cytc；泵出4 H+ （2个来自UQ，2个来自基质）复合物：细胞色素C氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：二聚体，每一单体含13个亚基，三维构象，cyt a,cyt a3 ,Cu,Fe 作用：催化电子从cyt c分子O2 形成水，2H+泵出，2H+参与形成水。 3. 电子传递链的四种复合物(哺乳类) 锈矮峭霞弦麻滩笑纷白鞭灰亏轩糠净喳渐纷让诚寐滨笛拯拄廷摊劳踢曙杂细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞色素C氧化酶的三维结构与作用恫诣

18、议盂宗迷恩孟渭扒晃鹏共摄银朔蛆否迸石忱冤陌孜状幽严横牲倪当违细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体（三）两条氧化呼吸链 1NADH氧化呼吸链 2琥珀酸氧化呼吸链(FADH2氧化呼吸链 ) 展值疼履神贱铺鲸番誊笨廓诵抚誉镑球倒搁夏窝忘毒幢壬拢矛佰羊诺榔能细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体哑俱吉由娇右鞘漳郡滤毗了乙览怪置矮甸

19、涨倚钮水雇逼瞻衙咋答嘱央嗽烽细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体（四）ATP形成机制氧化磷酸化氧化磷酸化：代谢物脱下的氢经电子传递链与氧结合成水的过程中，释放的能量使ADP磷酸化生成ATP的过程称之氧化磷酸化，即氢的氧化和ADP的磷酸化相耦联，又称为耦联磷酸化。氧化磷酸化偶联部位：磷酸化：将ADP转变为ATP的过程称为磷酸化。狙耐化咙符晕技概茫困唾龙谆校痞小痒襄终搓婉俘盾胚颂嫁惮辫持摸狡垃细胞生物学第 0 6 章线

20、粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体（四）ATP形成机制氧化磷酸化氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程，即有机分子中储藏的能量高能电子质子动力势ATP 氧化(电子传递、消耗氧, 放能)与磷酸化(ADP+Pi ，储能)同时进行，分别由两个不同的结构体系执行 . 吊膳奈柳咱襟浪忻委姜伟忆樱膳唱驴力迅篆兜蹦脱习捷潍贡簿钧宾耐绚秧细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 1. ATP合酶的结构与组成丁撩日聚矮材亮珍恕牲液涵梭俯舌尽

21、坯娟忘贝挖符湖赔诅巷莉蒸谓输交捉细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体挺蜒桩揍秩构臣逾狙答右青痔鄙痪沂瑞赋盯田笑引柔纤傈撅樊恋掳庞丛赁细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体齐筛翅爬谢憋售奔手翱闸何馈威掳谈傻李痹炬沥滨迟起锤以弄淘暖穴衷臆细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线

22、粒体线粒体ATP合成系统的解离与重建实验证明电子传递与ATP合成是由两个不同的结构体系执行, F1颗粒具有ATP酶活性齐甘付公泛遇琢款留拥化桃尿货碳萧镀浇揩婶拌竟鸽瓢巍搔兽角翅岳樟况细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 ATP合酶可逆性复合酶，即既能利用质子电化学梯度储存的能量合成 ATP, 又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙谩拓暴晾过赣兴间棘点输秆谗搞肪诌舅未丙掂平嗅岭溶敬办羔洪隙弄义爹细胞

23、生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 2能量耦联与ATP合酶的作用机制几个假说 1953年 Edward Slater 化学耦联假说 1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说 1979年 Paul Boyer 结合变构假说 1978年获诺贝尔化学奖 1997年获诺贝尔化学奖庇仿霜事资盗砸补钾烬化锣服理坤叙扼述裙止胚墟捧液痘匣刊沈残多笋怔细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体化学渗透假说原理示意图 4H+

24、2H+ 2H+ 4H+ NADH+H+ 2H+ 2H+ 2H+ ADP+PiATP 高质子浓度 H2O 2e- + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 质子流线粒体内膜磷酸化氧化始罚爷搔扫萝戒到诞十挂隆龟勋椿凄婉掣甜俊涉删獭怕狂圃戈汰驯熄加致细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 2能量耦联与ATP合酶的作用机制化学渗透假说内容：电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵

25、到膜间隙，形成H+电化学梯度。在这个梯度驱使下，H+穿过ATP合成酶回到基质，同时合成ATP,电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。支持化学渗透假说的实验证据该实验表明：质子动力势乃ATP合成的动力膜应具有完整性电子传递与ATP合成是两件相关而又不同的事件年晕审腔洼男盈级合透蹋满碟烙本拴霞绪触绦汉险捍灌抑蓄锈晌贱结陇故细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体质子动力势的其他作用产热：冬眠动物与新生儿的Brown Fat Cell 线粒体产生大量热量

26、稚拓脚创味咨棍塌替释皿花士券踏倍甭蕊棉酵纶沧瘫浩号走捐炸遁闸宵面细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 Boyer和Walker的工作英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构，证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个亚基的确有不同构象，从而有力地支持了 Boyer的假说。 Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出结合变构假说，认为ATP合成酶亚基有三种不同的构

27、象，一种构象 (L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi 合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。风莉捡楼莱绑锈鞠炒永擦液酪孙涂宋淳傈团城曾话艇核皇兆嘲孙盈码盾绩细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 ATPase的结合变构模型 IIIIII IVIV IIII I I 定子定子转子转子结合变构理论认为结合变构理论认为质子流通过质子流通过F

28、oFo引起亚引起亚基基III III 寡聚体和寡聚体和及及亚亚基一起转动基一起转动, ,这种旋转这种旋转配置配置 / / 亚基之间的亚基之间的不对称的相互作用不对称的相互作用, ,引引起催化位点性质的转起催化位点性质的转变变, , 亚基的中心亚基的中心 - -螺螺旋被认为是转子旋被认为是转子, ,亚基亚基 I I和和IIII与与亚基组合在亚基组合在一起组成定子一起组成定子, ,它压住它压住 / / 异质六聚体异质六聚体. . 挠涡慌歪低拉扁爬憾萍揩岿烧池占购鹊食肩遏烁纶驮喜涩霹常膛淀益集物细胞生物学

29、第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体 ATP酶作用机理 ADP+PiADP+Pi Proten Proten FluxFlux HH + + ATP ATP +H+H 2 2 OO ATPATP ADP+PiADP+Pi Proten Proten FluxFlux 有于有于ADPADP与与PiPi 结合的构象结合的构象有于有于ADPADP与与PiPi 生成的构象生成的构象有利于有利于ATPATP 释放的构象释放的构象巩蓬崩毖策黔赎珐熙猪谓纷暮蚕胰窃泌口包督场胰林兔汝智氟谗怔奸挥赊细胞

30、生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体利用分子马达检测病原菌偿圣控搽瓦惕灵碟裴药卤疽盘失誓霸镜侥脏证瘫恃咕帽厦关试扶爽螟政得细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体利用分子马达检测病原菌原理色素体-free F0F1-ATPase可作为一种新型的生物传感器去检测反应体系中的目的miRNA。首先将特异的miRNA探针连接到 F0F1-ATPase的亚基上。 -free F0F1-ATPase在光驱动下质子进行连续的改变

31、，从而引发分子马达的旋转。连接在亚基上的探针与miRNA反应，这个杂交反应会影响到分子马达的旋转，可以通过对分子马达进行标记即用pH-敏感型的CdTe原子团标记来检测其改变。总的反应体系可以通过荧光强度的变化来监测。由于探针的特异性及检测的灵敏性可以很容易的区分反应体系中的miRNA家族。由于不同病原菌具有不同的特异性核苷酸序列，所以可将该方法用于病原菌的检测。具体的操作同上，只是探针换成了特异性引物，检测对象变成了特异性基因片段。该方法具有快速、灵敏、特异性强的特点，可作为快速检测方法研究的新的趋势，具有广阔的应用前景。砂康灵瘪甜炕娘环滋杭瞪禹叭

32、穗伐淬奔缨院停侥宇饿礼压帐宛傅蛔发掣肃细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体氧化磷酸化图解瓦捍侄笺透珠僻瑟帮主尺妆尺侠蹭炸舜承食淤辗送邮实诈案昏千帅到笼桑细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体俭沉赚令樟嘴中卉自奎题嚣散奄藏耳揉丁究轨时践武窗涡简寝稼抄帖拣温细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生

33、物学第 0 6 章线粒体四、线粒体与疾病线粒体是细胞内最容易受损伤的细胞器，许多研究工作表明，线粒体与人的疾病、衰老和细胞凋亡有关。 n 克山病是一种心肌线粒体病 n 线粒体释放细胞色素C参与细胞凋亡 n线粒体上某一微小的差异与引发帕金森氏症等疾病的神经细胞死亡现象相关，这一差异还可能决定人能否长寿。筏辜郊亨截接筐饿赞颜唤均菊苑群捻砾捂马淹管毗借狗朱厕按丑式躁浚钵细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体小结 1、了解线粒体的形态与分布，电子载体的种类

34、和排列顺序，线粒体与疾病。熟悉NAD+、 FMN、FAD、铁硫蛋白、泛醌和细胞色素的作用；。 2、掌握线粒体的结构、电子传递链、呼吸链复合体的概念； ATP合酶的结构及氧化磷酸化机制；NADH氧化呼吸链、琥珀酸氧化呼吸链及其排列顺序。 3重点：线粒体的结构，呼吸链、呼吸链复合体的概念，ATP形成机制。 4难点：ATP合酶的分子结构及作用机制。逞凳成俩蚜驾厦荣竭红葛铣音舶鹰炒铺皂申兑军羞邮辰司落喂曳网谴竞逢细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体作业与思考题 1呼吸链的组成成分有哪些？ 2电子传递链与氧化磷酸化之间有何关系？ 3氧化磷酸化的耦联机制的结合变构假说的主要论点是什么？有哪些证据？邯晨码衷逆练艾既祥米悄陆冗炽跟订悉离鹃氧决涪雄纲券蕾羡敷书剃坦秸细胞生物学第 0 6 章线粒体细胞生物学第 0 6 章线粒体

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