細胞生物學線粒體與細胞的能量轉換第一頁，共二十八頁，2022年，8月28日

第一節線粒體的基本特征一．線粒體的形態結構和數量光鏡下：

線狀、粒狀或桿狀

不同生理條件下形狀、大小、數目及分布不一

第二頁，共二十八頁，2022年，8月28日

電鏡下（超微結構）：

外膜內膜膜間腔基質腔第三頁，共二十八頁，2022年，8月28日（一）外膜(outmembrane)：

一層單位膜7nm，脂類和蛋白各1/2,含直徑1-3nm通道的孔蛋白,可通過10000以下分子量的物質

第四頁，共二十八頁，2022年，8月28日

（二）內膜和內部空間

內膜

(innermembrane)：

一層單位膜4.5nm，

蛋白占80%,

高度的選擇通透性,

大于150分子量的物質不能自由通過

嵴(cristae)：內膜上向內腔突起的折疊，增加內膜面積

第五頁，共二十八頁，2022年，8月28日基粒(elemetaryparticle)

（ATP合酶/F0F1ATP酶）

頭部(偶聯因子F1)：圓球形，突入內腔，

具有酶活性，催化ADP→ATP

柄部：連接頭部和基部，調控質子通道

基部(F0偶聯因子)：嵌于內膜中，有物種差異，連接

F1和內膜，質子流向F1的穿膜通道第六頁，共二十八頁，2022年，8月28日（三）膜間腔（外室）(intermembranespace/outchamber)：

內外膜之間包括嵴內腔含多種可溶性酶，含底物和輔助因子轉位接觸點：內外膜相互接觸部位，蛋白進出通道第七頁，共二十八頁，2022年，8月28日（四）基質腔（內室/嵴間腔）

(matrixspace/innerchamber)：內膜包圍的空間，三羧酸循環的重要場所

基質(matrix)：含多種酶，雙鏈環狀DNA、RNA,核糖體第八頁，共二十八頁，2022年，8月28日

二．線粒體的化學組成

蛋白質

脂類

DNA/RNA/核糖體輔酶：如CoQ,FMN,FAD,NAD+

維生素無機離子：Na+,K+,Mg2+,Zn2+

第九頁，共二十八頁，2022年，8月28日(一)蛋白質：

占65%-70%，分布在內膜和基質中

可溶性蛋白：基質中的酶和膜外周蛋白

不溶性蛋白：膜結構蛋白和部分酶

120多種酶：是細胞中含酶最多的細胞器

內膜——細胞色素氧化酶，琥珀酸脫氫酶標志酶：外膜——單胺氧化酶基質——蘋果酸脫氫酶膜間腔——腺苷酸激酶

第十頁，共二十八頁，2022年，8月28日

（二）脂類：

占25%-30%，主要是磷脂(卵/腦/心磷脂),少量膽固醇外膜所含磷脂比內膜多（卵磷脂、腦磷脂）膽固醇含量比內膜多內膜主要是心磷脂，膽固醇含量較少

第十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日三、線粒體的半自主性

（一）線粒體具有自身的遺傳系統

1.線粒體DNA（mtDNA）:

2.

線粒體蛋白質合成:（二）核編碼蛋白質向線粒體轉運（三）線粒體遺傳系統與細胞核遺傳系統的相互關系:第十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日1.線粒體DNA（mtDNA）基因組的結構:

是動物細胞除核以外唯一含有DNA的細胞器線粒體基因組：一條雙鏈環狀DNA分子

16569bp,重鏈，輕鏈編碼線粒體22種tRNA2種rRNA13種蛋白質

第十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日人類線粒體基因組特點：（1）mtDNA結構緊密無內含子，無或少量非編碼序列（2）mtDNA沒有蛋白包繞，兩條鏈編碼不對稱

L鏈9個，H鏈28個（3）不嚴格的密碼子配對

tRNA識別密碼子的前兩個堿基（4）密碼子的意義有所不同

4個密碼子不同與通用密碼子第十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日2.mtDNA能進行半保留復制含兩個單向復制叉（H、L合成方向相反）復制可分布整個細胞周期所需酶由核基因組提供3.mtDNA的轉錄核基因組提供mtRNA聚合酶、轉錄因子第十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日2.線粒體蛋白質合成:有自己的蛋白質翻譯系統:(1)蛋白質的合成與mRNA的轉錄幾乎同時完成（2）起始密碼子（AUA）與胞質不同（AUG）（3）與胞質蛋白合成對藥物的敏感性不同（4）線粒體合成蛋白數量有限，但是線粒體功能活動的關鍵酶（5）所需的tRNA、mRNA和核糖體是自身專用的。所編碼的RNA和蛋白質并不運出線粒體外第十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日二.核編碼蛋白質的線粒體轉運

1.前體蛋白在分子伴侶的作用下在線粒體外去折疊:

與線粒體膜上受體結合

2.在導肽的幫助下穿越線粒體膜：

膜上通道（轉位接觸點）

導肽(leadersequence):

3.在線粒體基質內重新折疊:

水解導肽，分子伴侶協助

第十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日核編碼蛋白質的線粒體轉運

第十八頁，共二十八頁，2022年，8月28日三線粒體遺傳系統與細胞核遺傳系統的相互關系:

線粒體中由自身合成的蛋白質僅占10%,其余均為細胞核基因組編碼.

因此,線粒體有自己的DNA和蛋白質合成體系,即獨立的遺傳系統,但又受核基因組遺傳系統的控制,故為半自主性細胞器.

第十九頁，共二十八頁，2022年，8月28日

第二節細胞呼吸與能量轉換一．細胞呼吸（cellularrespiration）概念：線粒體內，在氧的參與下分解大分子物質，產生

CO2、釋放能量并儲存于ATP中的過程，又稱細胞氧化（cellularoxidation）第二十頁，共二十八頁，2022年，8月28日二．細胞能量轉換分子釋放能量：ADP+Pi→ATP（儲存）需要能量：ATP-Pi→ADP（釋放）

ATP既是細胞內能量轉換的中間攜帶者——“能量貨幣”又是細胞生命活動的直接供能者第二十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日

三、細胞的氧化過程

包括四個階段:

糖酵解：細胞質中進行，無需氧

乙酰輔酶A生成：線粒體內膜和

基質中

三羧酸循環：基質中

電子傳遞的氧化磷酸化偶聯：

線粒體內膜呼吸鏈和基粒

第二十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日

電子傳遞鏈/呼吸鏈：按一定順序組成排列在線粒體內

膜上的遞氫和遞電子酶體系稱為電子傳遞鏈，由于該

體系最終以氧作為電子受體，與細胞攝取氧有關，所

以又稱呼吸鏈第二十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日mtDNA裸露，無組蛋白包被，在整個細胞周期都可復制，故易受各種理化因素的影響，易突變，線粒體內膜缺損，mtDNA片段游離于細胞質，整合至核基因組中，引起細胞癌變。嵴減少或消失腫瘤細胞內線粒體結構異常：腫脹內膜缺損基質密度降低線粒體與癌癥第二十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日

第五節線粒體與醫學一線粒體疾病的特征是細胞病變、損傷時最敏感的指標之一

1.高突變率

mtDNA缺少組蛋白的保護,且無DNA損傷修復系統

2.多質性

mtDNA突變→異質性線粒體

3.母系遺傳

受精卵的mtDNA都來自卵子

4.閾值效應

突變的mtDNA達到一定的比例時,才有受損表型出現第二十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日線粒體的生物發生

目前普遍接受的觀點：以分裂的方式增殖

分兩個階段：線粒體膜生長、復制

線粒體本身分化

分化和生長分別接受細胞核與線粒體兩個獨立的遺傳系統控制第二十