線粒體與過氧化物酶體演示文稿目前一頁\總數六十五頁\編于十九點（優選）線粒體與過氧化物酶體目前二頁\總數六十五頁\編于十九點線粒體(mitochondrion)是1850年發現的一種細胞器，1898年命名。是細胞內氧化磷酸化和形成ATP的主要場所(圖)。過氧化物酶體是細胞內另一個需要氧的細胞器，不過過氧化物酶體需要氧不是用于ATP的合成而是用于有毒物質的氧化，對線粒體具有氧調節作用。線粒體結構及功能示意圖目前三頁\總數六十五頁\編于十九點7.1線粒體的形態結構

7.1.1線粒體的發現與功能研究●1850年，德國生物學家RudolphK?lliker第一個發現線粒體，并推測∶這種顆粒是由半透性的膜包被的。●

1898年對線粒體進行命名。●1900年，LeonorMichaelis用染料Janusgreen對肝細胞進行染色，發現細胞消耗氧之后，線粒體的顏色逐漸消失了，從而提示線粒體具有氧化還原反應的作用。1948

Green證實線粒體含所有三羧酸循環的酶，Kennedy和Lehninger（1949）發現脂肪酸氧化為CO2的過程是在線粒體內完成的。目前四頁\總數六十五頁\編于十九點7.1.2形態、結構線粒體形態分布粒狀或桿狀。蛋白占干重的65-70%，脂類占25-30%。直徑0.5~1μm，長1.5~3.0μm，在胰臟外分泌細胞中可長達10~20μm，稱巨線粒體。肝細胞約1300個線粒體，占細胞體積的20%，許多哺乳動物成熟的紅細胞無線粒體。目前五頁\總數六十五頁\編于十九點管狀嵴線粒體目前六頁\總數六十五頁\編于十九點●數量:在不同類型的細胞中線粒體的數目相差很大，但在同一類型的細胞中數目相對穩定。有些細胞中只有一個線粒體，有些則有幾十、幾百、甚至幾千個線粒體。●分布:在多數細胞中，線粒體均勻分布在整個細胞質中，但在某些些細胞中，線粒體的分布是不均一的。線粒體較多分布在需要ATP的部位(如肌細胞和精細胞);或較為集中分布在有較多氧化反應底物的區域，如脂肪滴

肌細胞和精子的尾部聚集較多的線粒體，以提供能量線粒體包圍著脂肪滴，內有大量要被氧化的脂肪

目前七頁\總數六十五頁\編于十九點●存在方式線粒體在細胞中并非都是單個存在的，有時可形成由幾個線粒體構成的網絡結構，有些線粒體具有分支,可以相互交錯在一起。如通過相差顯微鏡檢查完整的肝細胞,發現線粒體并非是單個存在的,而是以交織的網絡狀態存在細胞中線粒體分支交織連接而成的網狀二維結構目前八頁\總數六十五頁\編于十九點7.2線粒體的結構與化學組成

7.2.1線粒體的結構由彼此平行和高度特化的內、外兩層膜包圍，都是典型的單位膜。外膜起界膜作用，內膜向內皺折形成嵴(cristae)，嵴上有一些顆粒朝向線粒體基質，稱為F1顆粒(F1particle)，似把手狀。外膜和內膜將線粒體分成兩個不同的區室:一個是膜間間隙，是兩個膜之間的空隙;另一個是線粒體基質(matrix)，它是由內膜包裹的空間線粒體結構模式圖目前九頁\總數六十五頁\編于十九點7.2.2線粒體膜通透性線粒體的膜具有半透性■線粒體通透性研究將線粒體放在100mM蔗糖溶液中，蔗糖穿過外膜進入線粒體的膜間間隙；然后測定線粒體內部蔗糖的平均濃度，結果只有50mM，比環境中蔗糖的濃度低。據此推測:線粒體外膜對蔗糖是通透的，而內膜對蔗糖是不通透的。線粒體通透性測定左:將線粒體置于含有100mM的蔗糖溶液中;中:蔗糖穿過線粒體外膜，達到平衡;右:將線粒體從蔗糖溶液中取出，測定線粒體中蔗糖的濃度。目前十頁\總數六十五頁\編于十九點■線粒體各組分的分離由于線粒體外膜的通透性比內膜高，利用這一性質，DonalParsons和他的同事最先建立了分離線粒體內膜、外膜及其他組分的方法線粒體組分的分離首先將線粒體置于低滲溶液中使外膜破裂，此時線粒體內膜和基質(線粒體質)仍結合在一起，通過離心可將線粒體質分離。用去垢劑毛地黃皂苷處理線粒體質，破壞線粒體內膜，釋放線粒體基質，破裂的內膜重新閉合形成小泡，其表面有F1顆粒。目前十一頁\總數六十五頁\編于十九點7.2.3線粒體各部分的化學組成和特性■線粒體的化學組成線粒體的化學組分主要是由蛋白質、脂類、水份等組成。●蛋白質

占線粒體干重的65～70%。分為可溶性和不溶性的。可溶性的蛋白質主要是基質的酶和膜的外周蛋白；不溶性的蛋白質構成膜的本體，其中一部分是鑲嵌蛋白，也有一些是酶蛋白。●脂類

線粒體的脂類只占干重的20～30%。脂類中多數是磷脂，占總脂的3/4以上。含豐富的心磷脂和較少的膽固醇是線粒體在組成上與細胞其他膜結構的明顯差別。內、外膜在化學組成上的主要區別是脂類和蛋白質的比例不同，內膜上的脂類與蛋白質的比值低(0.3:1)，外膜中的比值較高(接近1:1)。目前十二頁\總數六十五頁\編于十九點■線粒體各部分的特性和功能●蛋白分布:

線粒體由四個部分組成，在能量轉換過程中分別起不同的作用。各部分功能的差異主要是化學組成的差異，特別是蛋白和酶分布的差異(見下表)。

目前十三頁\總數六十五頁\編于十九點外膜膜間隙內膜基質細胞色素b5腺苷酸激酶NADH脫氫酶丙酮酸脫氫酶NADH-細胞色素還原酶核苷琥珀酸脫氫酶

細胞色素氧化酶脂肪酸β氧化酶

Krebs循環酶系單胺氧化酶二磷酸激酶細胞色素CDNA聚合酶脂酰輔酶A合酶

磷酸甘油酰基轉移酶

核苷二磷酸激酶單磷酸激酶ATP合成酶

(F0F1復合物)

運輸蛋白RNA聚合酶

核糖體

轉移RNAs孔蛋白

膜脂含量∶

磷脂/蛋白=0.9

心磷脂/磷脂=0.03

膜脂含量∶

磷脂/蛋白=0.3

心磷脂/磷脂=0.22

醌目前十四頁\總數六十五頁\編于十九點●功能由于線粒體各部分結構的化學組成和性質的不同，它們的功能各異部位功能外膜磷脂的合成;脂肪酸鏈去飽和;脂肪酸鏈延伸內膜電子傳遞，氧化磷酸化，代謝物質運輸膜間隙核苷的磷酸化基質丙酮酸氧化，TCA循環，脂肪的β氧化，DNA復制，RNA合成，蛋白質合成目前十五頁\總數六十五頁\編于十九點●標志酶通過細胞化學分析，線粒體各部位有特征性的酶，稱為標志酶:外膜:單胺氧化酶內膜:細胞色素氧化酶膜間隙:腺苷酸激酶基質:蘋果酸脫氫酶目前十六頁\總數六十五頁\編于十九點●外膜線粒體外膜是最外的一層全封閉的單位膜結構，是線粒體的界膜，厚6～7nm,平整光滑。外膜含有孔蛋白,所以外膜的通透性非常高,使得膜間隙中的環境幾乎與胞質溶膠相似。外膜含有一些特殊的酶類，如單胺氧化酶(monoamineoxidase),這種酶能夠終止胺神經遞質,如降腎上腺素和多巴胺的作用。●內膜位于外膜的內側包裹線粒體基質的一層單位膜結構，厚5～6nm。內膜的通透性較低，一般不允許離子和大多數帶電的小分子通過。線粒體內膜通常要向基質折褶形成嵴(cristae)，其上有ATP合酶(ATPsynthase)，又叫F0-F1ATP酶復合體，是一個多組分的復合物。●膜間隙線粒體內膜和外膜之間的間隙稱為膜間隙，寬6～8nm，由于外膜通透性很強，而內膜的通透性又很低，所以膜間隙中的化學成分很多，幾乎接近胞質溶膠。功能是建立和維持氫質子梯度。●線粒體基質內膜和嵴包圍著的線粒體內部空間是線粒體基質，與三羧酸循環、脂肪酸氧化、氨基酸降解等有關的酶都存在于基質之中；此外還含有DNA、tRNAs、rRNA、以及線粒體基因表達的各種酶和核糖體。目前十七頁\總數六十五頁\編于十九點線粒體外膜的通透性差,又沒有電子傳遞裝置,所以沒有什么作用,此說正確嗎?不正確。雖然外膜中外膜含有孔蛋白,最大可允許5,000道爾頓的分子通過,由于ATP、NAD、輔酶A等的相對分子質量都小于1,000道爾頓,因此這些分子都能自由通過外膜。所以外膜的通透性非常高,使得膜間隙中的環境幾乎與胞質溶膠相似。但是它有兩個重要的作用:一是建立了膜間隙,有利于建立電化學梯度；第二是外膜含有一些特殊的酶類，如參與色氨酸降解、脂肪酸鏈延伸的酶,表明外膜不僅參與膜磷脂的合成，同時對那些將在線粒體基質中進行徹底氧化的物質先行初步分解。外膜上含有單胺氧化酶(monoamineoxidase),該酶是外膜的標志酶,這種酶能夠終止胺神經遞質,如降腎上腺素和多巴胺的作用。目前十八頁\總數六十五頁\編于十九點7.2.4線粒體內膜的主動運輸系統由于線粒體對于大多數親水物質的透性極低，所以它須特殊的主動運輸系統，完成下列運輸作用:①糖酵解產生的NADH必須進入電子傳遞鏈參與有氧氧化；②線粒體產生的代謝物質如草酰輔酶A和乙酰輔酶A必須運輸到細胞質中，它們分別是細胞質中葡萄糖和脂肪酸的前體物質;③線粒體產生的ATP必須進入到胞質溶膠，以便供給細胞反應所需的能量，同時，ATP水解形成的ADP和Pi又要被運入線粒體作為氧化磷酸化的底物。目前十九頁\總數六十五頁\編于十九點■丙酮酸、脂肪酸、Pi等的運輸在線粒體內膜上具有完善的運輸系統,主要是運輸蛋白和一些起促進運輸作用的脂類(如心磷脂)。運輸系統也包括參與電子傳遞和氫質子傳遞的復合物,內膜上有運輸丙酮酸、脂肪酸和特殊氨基酸的運輸蛋白,其中某些運輸蛋白(包括同向和逆向)的運輸作用是靠質子梯度驅動的線粒體內膜中的運輸系統目前二十頁\總數六十五頁\編于十九點■線粒體對細胞內Ca2+的調節線粒體、內質網和細胞外基質都是Ca2+的儲藏地，在內質網、肌質網和細胞質膜上都有Ca2+泵的存在。線粒體內膜上有兩種類型的Ca2+運輸系統，能夠將Ca2+輸入到線粒體基質中，或將Ca2+從線粒體基質運輸到膜間隙線粒體的兩種Ca2+離子運輸系統系統1是由膜動力勢引起的Ca2+離子流向線粒體基質;系統2是通過與Na+離子的交換將Ca2+離子輸出到胞質溶膠

目前二十一頁\總數六十五頁\編于十九點7.3導向信號與線粒體蛋白定位線粒體中的蛋白質絕大多數都是核基因編碼，在細胞質的游離核糖體上合成后運輸到線粒體的線粒體定位

蛋白質線粒體基質F1ATPase:α亞基(植物除外)、β，γ亞基、δ亞基(某些真菌)

RNA聚合酶、DNA聚合酶、核糖體蛋白、檸檬酸合成酶、TCA酶系、乙醇脫氫酶(酵母)、鳥氨酸氨基轉移酶(哺乳動物)內膜DP-ATP逆向運輸蛋白、磷酸-OH-逆向運輸蛋白、細胞色素c氧化酶亞基4，5，6，7、F0ATPase的蛋白質、CoQH2-細胞色素c還原酶復合物亞基1，2，5(Fe-S)，6，7，8膜間隙細胞色素c、細胞色素c過氧化物酶、細胞色素b2、CoQH2-細胞色素c還原酶復合物亞基4(細胞色素c1)外膜線粒體孔蛋白目前二十二頁\總數六十五頁\編于十九點7.3.1蛋白質尋靶和蛋白質分選■蛋白質的兩種轉運方式

細胞質中的核糖體在合成蛋白質時有兩種可能的存在狀態，一種是在蛋白質合成的全過程一直保持游離狀態（實際上是與細胞骨架結合在一起的），這種核糖體稱為游離核糖體(freeribosomes)。另一種情況是核糖體在合成蛋白質的初始階段處于自由狀態，但是隨著肽鏈的合成，核糖體被引導到內質網上與內質網結合在一起，這種核糖體稱為膜結合核糖體(membrane-boundribosomes)。這兩種核糖體上合成的蛋白質不僅在細胞內的去向不同，它們的轉運方式也是不同的。目前二十三頁\總數六十五頁\編于十九點●翻譯后轉運(translocation)與蛋白質尋靶游離核糖體上合成的蛋白質釋放到胞質溶膠后被運送到不同的部位，即先合成，后運輸。由于在游離核糖體上合成的蛋白質在合成釋放之后需要自己尋找目的地，因此又稱為蛋白質尋靶蛋白質翻譯后轉運定位在線粒體、葉綠體、細胞核、細胞質、過氧化物酶體的蛋白質在游離核糖體上合成后釋放到胞質溶膠中，進入細胞核的蛋白質通過核孔運輸，與定位到其他翻譯后轉運的細胞器蛋白的運輸機制不同。目前二十四頁\總數六十五頁\編于十九點●共翻譯轉運與蛋白質分選膜結合核糖體上合成的蛋白質通過定位信號，一邊翻譯，一邊進入內質網，由于這種轉運定位是在蛋白質翻譯的同時進行的，故稱為共翻譯轉運。在膜結合核糖體上合成的蛋白質通過信號肽，經過連續的膜系統轉運分選才能到達最終的目的地，這一過程又稱為蛋白質分選。

蛋白質的共翻譯轉運膜結合核糖體合成的蛋白質經內質網、高爾基體進行轉運，運輸的目的地包括內質網、高爾基體、溶酶體、細胞質膜、細胞外基質等。目前二十五頁\總數六十五頁\編于十九點■導向序列(targeting)與信號序列●導向序列將游離核糖體上合成的蛋白質的N-端信號稱為導向信號(targetingsignal)，或導向序列(targetingsequence)，由于這一段序列是氨基酸組成的肽，所以又稱為轉運肽(transitpeptide)，或導肽(leadingpeptide)。●信號序列將膜結合核糖體上合成的蛋白質的N-端的序列稱為信號序列(signalsequence)，將組成該序列的肽稱為信號肽（signalpeptide)。在不需要特別區分時，可將它們統稱為信號序列或信號肽。目前二十六頁\總數六十五頁\編于十九點比較引導序列與信號序列有什么不同?無論是在游離核糖體合成的蛋白質還是在膜結合核糖體合成的蛋白質，它們的轉運都是由信號引導的，這種信號一般存在于蛋白質的N-端，這就是蛋白質的定位信號。由于游離核糖體合成的蛋白質與膜結合核糖體合成的蛋白質的運輸信號不同導致運輸機制的不同，為了便于區別它們，將游離核糖體上合成的蛋白質的N-端信號統稱為導向信號(targetingsignal)，或導向序列(targetingsequence)，由于這一段序列是氨基酸組成的肽，所以又稱為轉運肽(transitpeptide)，或導肽(leadingpeptide)。將膜結合核糖體上合成的蛋白質的N-端的序列稱為信號序列(signalsequence)，將組成該序列的肽稱為信號肽（signalpeptide)。在不需要特別區分時，可將它們統稱為信號序列或信號肽。雖然轉運到細胞核中的蛋白質也是在游離核糖體上合成的，由于此類蛋白的運輸機制特別，所以將這些蛋白中的定位引導序列稱為核定位信號(nuclearlocalizationsignal，NLS)。

目前二十七頁\總數六十五頁\編于十九點7.3.2線粒體蛋白轉運構成線粒體的蛋白主要是核基因編碼的,少量是線粒體基因編碼的,無論是核基因還是線粒體基因編碼的蛋白質都要轉運定位。線粒體有四個組成部分,其中有兩層膜,所以由細胞質核糖體合成的蛋白質轉運到線粒體基質必須穿過兩層膜障礙線粒體蛋白轉運的部位目前二十八頁\總數六十五頁\編于十九點■線粒體基質蛋白(matrixprotein)轉運線粒體基質蛋白，除極少數外，都是游離核糖體合成，并通過轉運肽轉運進來的，轉運過程十分復雜蛋白質輸入線粒體基質目前二十九頁\總數六十五頁\編于十九點■線粒體膜間隙蛋白的轉運線粒體膜間隙蛋白，如細胞色素c的定位需要兩個導向序列，位于N端最前面的為基質導向序列(matrix-targetingsequence)，其后還有第二個導向序列，即膜間隙導向序列(intermembrane-space-targetingsequence)，功能是將蛋白質定位于內膜或膜間隙，這類蛋白有兩種轉運定位方式。●保守性尋靶(conservativetargeting)

前體蛋白在N-端的基質導向序列引導下采用與線粒體基質蛋白同樣的運輸方式，將前體蛋白轉運到線粒體基質，在基質中由轉肽酶切除基質導向序列后，膜間隙導向序列就成了N端的導向序列，它能夠識別內膜的受體和轉運通道蛋白，引導蛋白質穿過內膜，進入線粒體膜間隙，然后由線粒體膜間隙中的轉肽酶將膜間隙導向序列切除目前三十頁\總數六十五頁\編于十九點線粒體內膜蛋白的保守性尋靶目前三十一頁\總數六十五頁\編于十九點●非保守性尋靶(nonconservativetargeting)與保守性尋靶不同,蛋白質的非保守性尋靶首先在線粒體基質導向序列的引導下,通過線粒體的外膜和內膜,但是疏水的膜間隙導向序列作為停止轉運序列(stop-transfersequence)錨定在內膜上,從而阻止了蛋白質的C-末端穿過內膜進入線粒體基質；然后通過蛋白質的擴散作用,錨定在內膜上的蛋白逐漸離開轉運通道,最后在轉肽酶的作用下,將膜間隙導向序列切除,蛋白質釋放到膜間隙,結合血紅素后,蛋白質折疊成正確的構型線粒體膜間隙蛋白的非保守性尋靶目前三十二頁\總數六十五頁\編于十九點■線粒體內膜和外膜蛋白的轉運圖顯示線粒體內膜蛋白的N-端只有一個基質導向序列，內膜蛋白在基質導向序列的引導下，按基質蛋白的轉運方式進入線粒體基質后，由轉肽酶切除導向序列，然后通過構型的變化或與別的蛋白結合形成復合物后再插入到內膜中，詳細機理尚不清楚。P70是線粒體外膜的一個重要的蛋白質。在P70的N-端有一個短的基質導向序列,緊隨其后是一段較長的、強疏水性氨基酸序列。實驗中,如果將疏水性氨基酸序列缺失,P70進入線粒體基質,并且其基質導向序列依然連接在一起。這一結果提示,長的疏水性氨基酸序列可作為停止轉運信號,既防止了外膜蛋白進入線粒體基質,又作為錨定序列將外膜蛋白錨定在外膜上。正常情況下,外膜蛋白N-端的基質導向序列和長的疏水性序列都不會被切除。線粒體內膜、外膜的導向序列目前三十三頁\總數六十五頁\編于十九點7.3.3線粒體蛋白轉運的實驗研究上面所討論的線粒體蛋白的轉運方式已得到許多實驗的支持。■線粒體蛋白轉運的實驗證明通過脈沖示蹤研究發現酵母線粒體蛋白合成之后存在于胞質溶膠中,后來逐漸進入線粒體各部位,通過無細胞系統進一步證明這一結果。目前三十四頁\總數六十五頁\編于十九點■轉運中間體與導向序列的特異性研究在線粒體蛋白轉運中一個很重要的中間過程是基質導向序列穿過內外膜，如果能夠證明線粒體基質蛋白正在穿過內外膜通道形成的中間體的存在則是對上述轉運機制的最有力的證明。另外，線粒體導向序列對所引導的蛋白質是否具特異性也是人們所關心的問題。科學家通過實驗證明了中間體的存在,同時也證明了導肽沒有特異性。目前三十五頁\總數六十五頁\編于十九點7.4線粒體的功能----氧化磷酸化作用線粒體是真核生物氧化代謝的部位，是糖、脂肪和氨基酸最終氧化放能的場所。最終氧化的共同途徑是三羧酸循環和呼吸鏈的氧化磷酸化。目前三十六頁\總數六十五頁\編于十九點7.4.1真核細胞中的氧化作用(oxidation)葡萄糖和脂肪酸是真核細胞能量的主要來源，細胞通過對葡萄糖的代謝獲取能量。葡萄糖進入細胞后先在細胞質中通過酵解作用生成丙酮酸，如果有氧存在時，丙酮酸進入線粒體基質經過三羧酸循環、電子傳遞和氧化磷酸化，最后生成ATP和水。如果沒有氧，丙酮酸經過發酵生成乳酸。真核細胞中碳水化合物代謝俯瞰目前三十七頁\總數六十五頁\編于十九點7.4.2呼吸鏈與電子傳遞■電子載體(electroncarriers)在電子傳遞過程中與釋放的電子結合并將電子傳遞下去的物質稱為電子載體。參與傳遞的電子載體有四種∶黃素蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白和輔酶Q，在這四類電子載體中，除了輔酶Q以外，接受和提供電子的氧化還原中心都是與蛋白相連的輔基。●黃素蛋白(flavoproteins)黃素蛋白是由一條多肽結合1個輔基組成的酶類，每個輔基能夠接受和提供兩個質子和電子。●細胞色素(cytochromes)細胞色素是含有血紅素輔基的一類蛋白質。在氧化還原過程中，血紅素基團的鐵原子可以傳遞單個的電子。血紅素中的鐵通過Fe3+和Fe2+兩種狀態的變化傳遞電子；在還原反應時，鐵原子由Fe3+狀態轉變成Fe2+狀態；在氧化反應中，鐵由Fe2+轉變成Fe3+。目前三十八頁\總數六十五頁\編于十九點●鐵硫蛋白(iron-sulfurproteins，Fe/Sprotein)鐵硫蛋白是含鐵的蛋白質，也是細胞色素類蛋白。在鐵硫蛋白分子的中央結合的不是血紅素而是鐵和硫，稱為鐵-硫中心(iron-sulfurcenters，醌(uniquinoneUQ)或輔酶Q(coenzymeQ)輔酶Q是一種脂溶性的分子，含有長長的疏水鏈，由五碳類戊二醇構成。如同黃素蛋白，每一個醌能夠接受和提供兩個電子和質子，部分還原的稱為半醌，完全還原的稱為全醌(UQH2)。目前三十九頁\總數六十五頁\編于十九點■氧化還原電位與載體排列順序●氧還電位(oxidation-reductionpotentials，redoxpotentials)不同的還原劑具有不同的電子傳遞電位，而氧化與還原又是偶聯的，如NAD+和NADH.它們的差別主要是電子數量不同，所以二者間就有一個電位差，即氧還電位。●呼吸鏈中電子載體的氧還電位氧還電位在標準條件下測定,即得標準氧化還原電位(standardoxidationreductionpotentials,E0‘)。●呼吸鏈中電子載體的排列順序標準氧化還原電位的值越小，提供電子的能力越強。因此只要分別測定電子載體的氧化還原電位，再進行比較，可初步推斷它們在呼吸鏈中的排列順序。根據測得的標準氧化還原電位，按氧還電位的大小可排出電子載體在呼吸鏈中的位置

目前四十頁\總數六十五頁\編于十九點線粒體內膜主次呼吸鏈目前四十一頁\總數六十五頁\編于十九點■遞氫體與電化學梯度的建立●遞氫體組成呼吸鏈的成員中除了電子載體外,有些還具有將氫質子跨膜傳遞到膜間隙的作用,將能夠傳遞氫質子的復合物稱為遞氫體,或稱遞質子體。在呼吸鏈的四個復合物中,復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ既是電子載體,又是遞氫體;復合物Ⅱ只是電子載體,而不是遞氫體。●電化學梯度(electrochemicalgradient)質子跨膜轉運使得膜間隙積累了大量的質子，建立了質子梯度。由于膜間隙質子梯度的建立，使內膜兩側發生兩個顯著的變化∶線粒體膜間隙產生大量的正電荷，而線粒體基質產生大量的負電荷，使內膜兩側形成電位差；第二是兩側氫離子濃度的不同因而產生pH梯度(ΔpH)，這兩種梯度合稱為電化學梯度(electrochemicalgradient)。

目前四十二頁\總數六十五頁\編于十九點7.4.3氧化磷酸化:ATP形成機制氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)是指在活細胞中伴隨著呼吸鏈的氧化作用所發生的能量轉換和ATP的形成過程。目前四十三頁\總數六十五頁\編于十九點■偶聯因子1(couplingfactor1)的發現及功能●發現:在20世紀70年代初，Humberto-FernandezMoran用負染技術檢查分離的線粒體時發現:線粒體內膜的基質一側的表面附著一層球形顆粒，球形顆粒通過柄與內膜相連。幾年后，EfraimRacker分離到內膜上的顆粒，稱為偶聯因子1，簡稱F1。目前四十四頁\總數六十五頁\編于十九點●功能預測Racker發現這種顆粒很像水解ATP的酶，即ATPase，這似乎是一個特別的發現，為什么線粒體內膜需要如此多的水解ATP的酶?如果按照常規的方式思考所發現顆粒的問題,似難理解線粒體內膜上需要ATP水解酶,如果將ATP的水解看成是ATP合成的相反過程,F1球形顆粒的功能就顯而易見了:它含有ATP合成的功能位點,即ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成,到底行使何種功能,視反應條件而定。目前四十五頁\總數六十五頁\編于十九點■ATP合酶(ATPsynthase)的結構和功能●電鏡下的結構從電鏡照片看，線粒體內膜內側的F1顆粒結構可分為兩個基本部分:F1(頭部，headsection)、F0(基部，basesection)，在F1和F0之間有一個細細的柄部(stalksection)。目前四十六頁\總數六十五頁\編于十九點●組成F1顆粒是一個多組分的結構，將它稱為F0F1ATP酶復合物，或ATP合酶，在分離狀態下具有ATP水解酶的活性，在結合狀態下具有ATP合成酶的活性。除了線粒體中有ATP合酶外，植物葉綠體的類囊體和好氧細菌都有ATP合酶的同源物，線粒體ATP合酶有F0和F1兩部分組成，主要功能是進行ATP的合成。也有學者將它看成是線粒體內膜呼吸鏈的第五個復合物(Ⅴ)。

目前四十七頁\總數六十五頁\編于十九點■ATP合酶合成ATP的機理●結合變構模型(binding-changemodel)ATP合酶合成ATP的分子機理的研究一直是研究的熱點，為多數人接受的ATP合酶合成ATP的模型是“結合變構模型”。該模型認為F1中的γ亞基作為C亞基旋轉中心中固定的轉動桿，旋轉時會引起αβ復合物構型的改變。有三種不同的構型，對ATP和ADP具有不同的結合能力:①O型幾乎不與ATP、ADP和Pi結合;②L型同ADP和Pi的結合較強;③T型與ADP和Pi的結合很緊，并能自動形成ATP，并能與ATP牢牢結合。當γ亞基旋轉并將αβ復合物轉變成O型則會釋放ATP。目前四十八頁\總數六十五頁\編于十九點●定子（stator）和轉子（rotor）Timothy等人提出了一個ATP合酶中能量轉化過程的模型，該模型認為由abα3β3δ組成了“定子（stator）”，cγε則形成“轉子（rotor）”。當H+質子穿過a和c之間的通道時產生了力矩，從而推動了轉子與定子間的相對轉動，這樣在F1中合成了ATP。目前四十九頁\總數六十五頁\編于十九點●γ亞基旋轉的離體培養證明目前已經可以在光學顯微鏡下觀察到F1中γ亞基的旋轉運動，但現在還沒有直接的證據顯示在F0中有某些亞基作旋轉運動。F1和γ旋轉的實驗證明實驗中對F1進行人工改造，使之帶上組氨酸(每個亞基一個)，由于組氨酸能夠同覆蓋有金屬還原劑(Ni)的玻片結合，因此可使F1固定到這種玻片上。通過人工的方法將γ結合上一條熒光標記的肌動蛋白纖維，然后在供給ATP的情況下用熒光顯微鏡觀察γ亞基的轉動。目前五十頁\總數六十五頁\編于十九點7.5線粒體的遺傳、增殖和起源7.5.1線粒體遺傳線粒體是一種半自主性的細胞器，它除了有自己的遺傳物質--線粒體DNA外，還有蛋白質合成系統(mRNA、rRNA、tRNA)和線粒體核糖體等。線粒體中的蛋白質只有少數幾種是線粒體基因編碼的，大多數線粒體蛋白質還是由核基因編碼。所以線粒體的生物合成涉及兩個彼此分開的遺傳系統。目前五十一頁\總數六十五頁\編于十九點■線粒體的基因組線粒體DNA(mtDNA)是雙鏈環狀分子，基因組的大小變化很大，動物細胞線粒體基因組較小，約～16.5kb，每個細胞中有幾百個線粒體，每個線粒體有多個DNA拷貝，mtDNA通常與線粒體內膜結合在一起。人的線粒體基因沒有發現內含子，但在酵母線粒體至少兩個基因中發現有內含子，如細胞色素氧化酶復合物亞基Ⅰ蛋白基因中就有9個內含子。目前五十二頁\總數六十五頁\編于十九點■線粒體基因及線粒體DNA的復制和轉錄●線粒體基因在人的線粒體DNA中有兩個線粒體rRNA基因:12SrRNA和16SrRNA基因、22種線粒體合成蛋白質所需的tRNA基因和13種編碼蛋白質的基因。

●mtDNA復制線粒體DNA在核基因編碼的DNA聚合酶的作用下以D-環方式進行復制，這種DNA聚合酶是線粒體特異的。線粒體的復制期主要在細胞周期的S期和G2期，與細胞周期同步。●mtDNA轉錄線粒體DNA是對稱轉錄的，即在線粒體DNA的H鏈(重鏈)和L鏈(輕鏈)上各有一個啟動區，從各自的啟動區開始全長對稱轉錄合成前體RNA，經切割加工后履行生物學功能。目前五十三頁\總數六十五頁\編于十九點■線粒體密碼●特異密碼：線粒體使用核基因的通用密碼，但也有些例外：UGA不是終止信號，而是色氨酸的密碼；多肽內部的甲硫氨酸由AUG和AUA兩個密碼子編碼；起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四個密碼子編碼；AGA,AGG不是精氨酸的密碼子，而是終止密碼子，因而，在線粒體密碼系統中的4個終止密碼子（UAA，UAG，AGA，AGG）。●線粒體的蛋白質合成基本上屬于原核類型,具有原核生物蛋白質合成的特點，如∶mRNA的轉錄和翻譯是在同一時間和地點進行、蛋白質合成的起始tRNA與原核生物的相同、蛋白質合成對藥物的敏感性與細菌一樣。如氯霉素可抑制線粒體的蛋白質合成,而不抑制細胞質的蛋白質合成;放線菌酮可抑制細胞質蛋白質的合成而不抑制線粒體蛋白質的合成。目前五十四頁\總數六十五頁\編于十九點■兩套遺傳體系的協同性離體實驗發現兩套遺傳體系的遺傳機制不同。如放線菌酮是細胞質蛋白質合成抑制劑，但是對細胞器蛋白質的翻譯卻沒有作用。另外，一些抗生素，如氯霉素、四環素、紅霉素等能夠抑制線粒體蛋白質的合成，但對細胞質蛋白質合成沒有多大影響。通過對轉錄的抑制研究，發現線粒體基因轉錄的RNA聚合酶也是特異的。線粒體蛋白的生物合成粗箭頭所指是蛋白質合成抑制劑作用位點，線粒體與細胞核基因轉錄的抑制劑是不同的。目前五十五頁\總數六十五頁\編于十九點7.5.2線粒體的增殖與起源■線粒體增殖的方式●線粒體增殖的幾種假說曾提出過三種解釋:①現有線粒體生長到一定的大小就要開始分裂，形成兩個小的、新的線粒體;②舊的線粒體被吞噬，細胞內利用脂、蛋白、DNA等重新合成線粒體;③利用其他的膜，如質膜、核膜、內質網膜等重新裝配新的線粒體。●顯微鏡觀察的結果在顯微鏡下觀察到生活細胞中線粒體的分裂，支持了第一種觀點:線粒體通過分裂進行增殖。脂肪細胞中正在分裂的線粒體電鏡照片目前五十六頁\總數六十五頁\編于十九點線粒體的分裂方式：間壁分離：分裂時先由內膜向中心皺褶，將線粒體分為兩個，常見于鼠肝和植物分生組織中。收縮后分離：通過中部縊縮分裂為兩個。出芽：見于酵母和蘚類植物，線粒體出現小芽，脫落后長大，發育為線粒體。目前五十七頁\總數六十五頁\編于十九點●實驗證明為了證明顯微鏡下觀察到的線粒體分裂增殖的可靠性，1965年DavidLuck通過放射性標記實驗，進一步支持了線粒體分裂增殖的觀點。1965年DavidLuck通過放射性標記實驗證明線粒體分裂增殖的觀點。首先將脈胞菌(膽堿缺陷突變株)培養在加有3H標記的膽堿(一種磷脂的前體物)培養基中,使線粒體的膜帶上放射性標記。然后收集放射性標記的細胞,轉入非同位素的培養基中繼續培養,分別在不同培養時間收集菌體,再通過放射自顯影檢查經過不同時期培養的細胞中同位素的分布。并預測同位素的分布應是下述三種模式中的一種:①如果新的線粒體是由已有線粒體的生長和分裂而來,那么每分裂一次,線粒體中的放射性就會減少一半；②如果新的線粒體是重新合成的,那么,新線粒體應該沒有放射性,而老的線粒體的放射性應與原初的線粒體相同；③如果新線粒體是由其他的膜重新裝配而來,那么原有的線粒體仍然保持原有的放射性,而新的線粒體在開始階段應具有放射性,隨著時間的延長,放射性會消失。