1、LOGO第七章第七章 線粒體與細胞的線粒體與細胞的 能量轉換能量轉換盧盧 晅晅 線粒體與細胞的能量轉換線粒體與細胞的能量轉換線粒體與細胞的能量轉換 細胞的細胞的“動力工廠動力工廠”線粒體與細胞的能量轉換一、線粒體的結構一、線粒體的結構 數目、分布、大小數目、分布、大小* * 隨不同細胞或同一細胞不同生理狀態而隨不同細胞或同一細胞不同生理狀態而 不同。多為線狀、粒狀、桿狀；形態可改變。不同。多為線狀、粒狀、桿狀；形態可改變。* * 生理活動旺盛的細胞含線粒體多，生理活動旺盛的細胞含線粒體多， 如肝細胞、腎細胞、心肌細胞如肝細胞、腎細胞、心肌細胞 etc etc 。* * 每個肝細胞有每個肝細胞有

2、10001000多個，多個， 均勻分布。均勻分布。 小腸上皮細胞集中于頂部；小腸上皮細胞集中于頂部； 精子沿鞭毛分布。精子沿鞭毛分布。 第一節第一節 線粒體的生物學特征線粒體的生物學特征線粒體與細胞的能量轉換Rapid changes of shape are Rapid changes of shape are observed when a mitochondrion is observed when a mitochondrion is visualized in a living cell.visualized in a living cell.Localization of mito

3、chondria near Localization of mitochondria near sites of high ATP utilization in sites of high ATP utilization in cardiac muscle and a sperm tail.cardiac muscle and a sperm tail.線粒體與細胞的能量轉換 線粒體由外膜、內膜、膜間腔和基質四部分組成線粒體由外膜、內膜、膜間腔和基質四部分組成。線粒體與細胞的能量轉換( (一一) )外膜外膜( (二二) )內膜內膜 嵴（嵴（cristacrista）。）。 基本顆粒基本顆粒（e

4、lementary elementary particleparticle），簡稱），簡稱基粒。基粒由頭部、基粒。基粒由頭部、柄部和基片三部分柄部和基片三部分組成。組成。( (三三) )膜間腔膜間腔( (四四) )基質基質線粒體與細胞的能量轉換二、線粒體的化學組二、線粒體的化學組成成一、蛋白質一、蛋白質占占65-7565-75，在線粒體內分布有較大差異。，在線粒體內分布有較大差異。線粒體是細胞中含酶最多的細胞器。線粒體是細胞中含酶最多的細胞器。標志酶標志酶內膜：細胞色素氧化酶內膜：細胞色素氧化酶外膜：單胺氧化酶外膜：單胺氧化酶膜間腔：腺苷酸激酶膜間腔：腺苷酸激酶基質：蘋果酸脫氫酶基質：蘋果酸脫

5、氫酶二、脂類二、脂類 占占25-3025-30，主要是磷脂，主要是磷脂(3/4)(3/4)。外膜主要是。外膜主要是卵磷脂，膽固醇含量較少；內膜膽固醇含量極低，卵磷脂，膽固醇含量較少；內膜膽固醇含量極低，心磷脂含量達心磷脂含量達20%20%（與內膜高度疏水性有關）（與內膜高度疏水性有關） 線粒體主要酶的分布線粒體主要酶的分布 線粒體與細胞的能量轉換三、線粒體基因組三、線粒體基因組一、一、mtDNAmtDNA的結構的結構線粒體與細胞的能量轉換二、二、mtDNAmtDNA的遺傳學特性的遺傳學特性自主性自主性 有自身的有自身的DNA,DNA,能轉錄并合成自身的蛋白能轉錄并合成自身的蛋白質。質。 半自主

6、性半自主性 轉錄合成中所需的酶以及構成線粒體的轉錄合成中所需的酶以及構成線粒體的大部分蛋白質都是由細胞核基因編碼、在大部分蛋白質都是由細胞核基因編碼、在細胞質中合成后轉運到線粒體的。細胞質中合成后轉運到線粒體的。 線粒體與細胞的能量轉換（一）、線粒體具有（一）、線粒體具有DNA(mtDNA)DNA(mtDNA)mtDNAmtDNA為環狀，不與組蛋白結合，分子量小，可有為環狀，不與組蛋白結合，分子量小，可有1 1幾個。幾個。能進行復制（能進行復制（D D環復制、半保留復制）、轉錄。環復制、半保留復制）、轉錄。線粒體線粒體mRNAmRNA轉錄和翻譯同時進行轉錄和翻譯同時進行（二）、線粒體具有蛋白質

7、合成系統（二）、線粒體具有蛋白質合成系統（1 1）核糖體）核糖體 比細胞質的小，近比細胞質的小，近70s70s。（2 2）mtDNAmtDNA能編碼各種能編碼各種rRNArRNA、tRNAtRNA和少量和少量mRNAmRNA。（3 3）具獨特的遺傳密碼）具獨特的遺傳密碼 (4(4）蛋白質合成的起始氨酰基）蛋白質合成的起始氨酰基tRNAtRNA是是N-N-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰tRNAtRNA，對細菌蛋白質合成抑制劑氯霉素敏感對細胞質蛋白合成抑對細菌蛋白質合成抑制劑氯霉素敏感對細胞質蛋白合成抑制劑放線菌酮不敏感。制劑放線菌酮不敏感。線粒體與細胞的能量轉換線粒體與細胞的能量轉換（三）、線粒體總蛋

8、白的（三）、線粒體總蛋白的90%90%以上都是由核以上都是由核DNADNA編碼，編碼，在細胞質中合成后運送到線粒體的在細胞質中合成后運送到線粒體的 線粒體線粒體DNADNA復制、轉錄和翻譯過程中所需的復制、轉錄和翻譯過程中所需的酶、組成核糖體的蛋白質也是由核酶、組成核糖體的蛋白質也是由核DNADNA編碼，在細編碼，在細胞質中合成后運送到線粒體的。胞質中合成后運送到線粒體的。（四）、線粒體的復制可以分布在整個細胞周期。（四）、線粒體的復制可以分布在整個細胞周期。線粒體與細胞的能量轉換ComplexSubunitsNuclearmtDNA41347440111011310314122837013線

9、粒體與細胞的能量轉換四、核編碼蛋白質的線粒體轉運四、核編碼蛋白質的線粒體轉運線粒體與細胞的能量轉換1 1、導肽（、導肽（leader sequenceleader sequence） 指導核糖體上合成的蛋白質運送到線粒體的指導核糖體上合成的蛋白質運送到線粒體的一段信號序列。位于蛋白質前體的一段信號序列。位于蛋白質前體的N N端，約含端，約含20-20-8080個氨基酸，富含帶正電荷的堿性氨基酸（特別個氨基酸，富含帶正電荷的堿性氨基酸（特別是精氨酸），羥基氨基酸如絲氨酸含量也較高，是精氨酸），羥基氨基酸如絲氨酸含量也較高，幾乎不含帶負電荷的酸性氨基酸，既有親水又有幾乎不含帶負電荷的酸性氨基酸，既

10、有親水又有疏水部分。疏水部分。 水解。水解。2 2、受體、受體 外膜上有專一性不很強的受體參與作用，目外膜上有專一性不很強的受體參與作用，目前還沒有實驗證明在內膜上有受體。前還沒有實驗證明在內膜上有受體。線粒體與細胞的能量轉換 3 3、需要能量、需要能量 ATPATP供能。供能。 4 4、分子伴侶、分子伴侶 在蛋白質多肽鏈轉運、解折疊、重折疊和裝配在蛋白質多肽鏈轉運、解折疊、重折疊和裝配的過程中有分子伴侶的參與。的過程中有分子伴侶的參與。 分子伴侶（分子伴侶（molecular chaperonmolecular chaperon（e e）：細胞）：細胞中幫助其他蛋白質多肽鏈轉運、折疊或裝配，

11、但并中幫助其他蛋白質多肽鏈轉運、折疊或裝配，但并不參與最終產物組成的蛋白質分子。不參與最終產物組成的蛋白質分子。線粒體與細胞的能量轉換線粒體與細胞的能量轉換五、線粒體的生物發生五、線粒體的生物發生 分裂方式：分裂方式： 分裂或出芽。分裂或出芽。線粒體與細胞的能量轉換 線粒體起源線粒體起源內共生假說：線粒體可能起源于古老厭氧真核細胞共生內共生假說：線粒體可能起源于古老厭氧真核細胞共生的早期細菌。在所后的長期分化過程中，二者共生關系的早期細菌。在所后的長期分化過程中，二者共生關系聯系更加緊密，共生物的大部分遺傳信息轉移到細胞核聯系更加緊密，共生物的大部分遺傳信息轉移到細胞核上，留在線粒體上的遺傳信

12、息大大減少。上，留在線粒體上的遺傳信息大大減少。非共生假說：認為原始的真核細胞是一種進化程度較高非共生假說：認為原始的真核細胞是一種進化程度較高的需養細菌，參與能量代謝的電子傳遞系統、氧化磷酸的需養細菌，參與能量代謝的電子傳遞系統、氧化磷酸化系統位于細胞膜上。隨著不斷的進化，細胞需要增加化系統位于細胞膜上。隨著不斷的進化，細胞需要增加其呼吸功能，因此不斷增加其細胞膜的表面積，增加的其呼吸功能，因此不斷增加其細胞膜的表面積，增加的膜不斷的內陷、折疊、融合，并被其他膜結構包裹，形膜不斷的內陷、折疊、融合，并被其他膜結構包裹，形成功能上特殊（呼吸）的雙層膜性囊泡，最后演變成線成功能上特殊（呼吸）的雙

13、層膜性囊泡，最后演變成線粒體。粒體。線粒體與細胞的能量轉換內共生起源學說的主要論據內共生起源學說的主要論據基因組在大小、形態和結構方面與細菌相似。基因組在大小、形態和結構方面與細菌相似。 有自己完整的蛋白質合成系統，能獨立合成蛋白質，有自己完整的蛋白質合成系統，能獨立合成蛋白質，蛋白質合成機制有很多類似細菌而不同于真核生物。蛋白質合成機制有很多類似細菌而不同于真核生物。 兩層被膜有不同的進化來源，外膜與細胞的內膜系兩層被膜有不同的進化來源，外膜與細胞的內膜系統相似，內膜與細菌質膜相似。統相似，內膜與細菌質膜相似。以分裂的方式進行繁殖，與細菌的繁殖方式相同。以分裂的方式進行繁殖，與細菌的繁殖方式

14、相同。能在異源細胞內長期生存，說明線粒體具有的自主能在異源細胞內長期生存，說明線粒體具有的自主性與共生性的特征。性與共生性的特征。 線粒體的祖先很可能來自反硝化副球菌或紫色非硫線粒體的祖先很可能來自反硝化副球菌或紫色非硫光合細菌。光合細菌。 線粒體與細胞的能量轉換非共生假說依據：非共生假說依據：線粒體與細胞的能量轉換一、細胞呼吸一、細胞呼吸 將單糖、將單糖、AAAA、脂肪酸分解成、脂肪酸分解成COCO2 2 和和H H2 2O O并釋放能量的過程，也稱細胞氧化并釋放能量的過程，也稱細胞氧化 。二、細胞能量轉換分子二、細胞能量轉換分子 ATPATP。 第二節第二節 細胞呼吸與能量分子細胞呼吸與能

15、量分子線粒體與細胞的能量轉換細胞中的供能物質細胞中的供能物質* * 糖類糖類 G G 線粒體線粒體 淀粉淀粉 G G （直接供能）（直接供能） 糖原（能量糖原（能量 貯存）貯存）* * 脂肪脂肪 脂肪酸脂肪酸 線粒體線粒體* * 蛋白蛋白 AA AA 有機酸有機酸 線粒體線粒體 線粒體是細胞能量轉換器，對三大類物質進行線粒體是細胞能量轉換器，對三大類物質進行有氧氧化，提供有氧氧化，提供8080 的代謝能，的代謝能，9595的的ATPATP。第三節第三節 細胞的能量轉換細胞的能量轉換線粒體與細胞的能量轉換一、糖酵解一、糖酵解反應地點：細胞質基質。反應地點：細胞質基質。* * 1 1分子葡萄糖（分

16、子葡萄糖（6C6C） 2 2分子丙酮酸（分子丙酮酸（3C3C）。）。* * 葡萄糖分解代謝的第一步，可產生少量葡萄糖分解代謝的第一步，可產生少量ATPATP。* * 無需氧氣，存在于所有細胞。無需氧氣，存在于所有細胞。* * 是細胞氧化（細胞呼吸）過程的第一步。是細胞氧化（細胞呼吸）過程的第一步。線粒體與細胞的能量轉換C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP 2CH3CHOHCOOH+2NAD+2ATP 2CH3CH2OH+2CO2+2NAD+2ATP糖酵解酶系糖酵解酶系有氧氧化有氧氧化無氧氧化無氧氧化線粒體與細胞的能量轉換二、三羧酸循環二、

17、三羧酸循環線粒體與細胞的能量轉換2CH3COCOOH+2HSC0A+2NAD+2CH3COSC0A+2CO2+2NADH+2H+2CH3COSC0A+6NAD+2FAD+2ADP+2Pi+6H2O4CO2+6NADH+6H+2FADH2+2HSC0A+ 2ATP丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系TAC線粒體與細胞的能量轉換 經糖酵解和三羧酸循環產生的經糖酵解和三羧酸循環產生的NADHNADH和和FADHFADH2 2是兩是兩種還原性的電子載體，它們所攜帶的電子經線粒體種還原性的電子載體，它們所攜帶的電子經線粒體內膜上的呼吸鏈逐級定向傳遞給內膜上的呼吸鏈逐級定向傳遞給O O2 2，本身則被氧化。，本身

18、則被氧化。電子傳遞過程中釋放出的能量被電子傳遞過程中釋放出的能量被ATPATP合酶復合體用來合酶復合體用來催化催化ADPADP磷酸化而合成磷酸化而合成ATPATP，這就是氧化磷酸化。，這就是氧化磷酸化。三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化線粒體與細胞的能量轉換1 1、呼吸鏈、呼吸鏈-電子傳遞鏈。電子傳遞鏈。(1)(1)、復合物、復合物NADH-CoQNADH-CoQ還原酶還原酶 e e 傳遞體、質子泵。含傳遞體、質子泵。含2525個亞基，使個亞基，使NADHNADH氧化，脫氧化，脫下下 e e輔酶輔酶Q Q； 泵出泵出 H H+ + 膜間腔。膜間腔。(2)(2)、復合物、復合物琥珀酸琥珀酸-CoQ-C

19、oQ還原酶還原酶 e e 傳遞體，含傳遞體，含4 4亞基。使琥珀酸脫亞基。使琥珀酸脫H H、FADFAD結合結合H H ，再，再使使CoQ CoQ CoQH2 CoQH2 。 (3)(3)、復合物、復合物 CoQH2-CytC CoQH2-CytC還原酶還原酶 e e傳遞體、質子泵。傳遞體、質子泵。8 8個亞基。將個亞基。將CoQH2CoQH2中的中的e e傳遞給傳遞給 細胞色素細胞色素C C 。(4)(4)、復合物、復合物細胞色素細胞色素C C氧化酶氧化酶 e e傳遞體、質子泵，含傳遞體、質子泵，含1313個亞基。催化電子從個亞基。催化電子從cytC cytC O O2 2 結合結合2H2H

20、+ +成水。同時將成水。同時將H H+ +泵出。泵出。 （一）電子傳遞和氧化磷酸化的結構基礎（一）電子傳遞和氧化磷酸化的結構基礎線粒體與細胞的能量轉換線粒體與細胞的能量轉換2 2、ATPATP合酶復合體合酶復合體F1 particle is the catalytic subunit;The F0 particle attaches to F1 and is embedded in the inner membrane.F1: 5 subunits in the ratio 3 :3 :1 :1 :1 F F0: 0: 1a1a：2b2b：12c12c 線粒體與細胞的能量轉換質子回流驅動質子回流驅動ATPATP合成合成線粒體與細胞的能量轉換（二）氧化磷酸化偶聯二）氧化磷酸化偶聯（三）氧化磷酸化偶聯機制（三）氧化磷酸化偶聯機制 化學滲透假說化學滲透假說: : 電子傳遞鏈各組分在線粒體內膜中不對稱分布，電子傳遞鏈各組分在線粒體內膜中不對稱分布，當高能電子沿其傳遞時，所釋放的能量將當高能電子沿其傳遞時，所釋放的能量將H+H+從基質從基質泵到膜間隙，形成泵到膜間隙，形成H+H+電化學梯度。在這個梯度驅使電化學梯度。在這個梯度驅使下，下，H+H+穿過穿過ATPATP合成酶回到基質