第十章线粒体与氧化磷酸化ppt课件

1、第十章第十章 线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化 第一节第一节 线粒体的形态、大小和分布线粒体的形态、大小和分布光镜下为线状或粒状，电镜下为光镜下为线状或粒状，电镜下为“香肠状，形态香肠状，形态和大小可变。和大小可变。数量和分布：动物细胞比植物细胞多，代谢旺盛的数量和分布：动物细胞比植物细胞多，代谢旺盛的细胞多；一般随机分布，可自由移动，需能部位细胞多；一般随机分布，可自由移动，需能部位比较集中。比较集中。精子尾巴精子尾巴横纹肌横纹肌线粒体线粒体 脯乳类培养细胞的线粒体光镜照片用活性荧光染料rhodamine 123染色，示线粒体长棒状。上一细胞用荧光素标记的微管结合抗体染色的上一细胞用荧光

2、素标记的微管结合抗体染色的免疫荧光照片免疫荧光照片与上一照片相比，可知线粒体倾向于沿着微管与上一照片相比，可知线粒体倾向于沿着微管排列排列线粒体的线粒体的超微结构超微结构 第二节第二节 线粒体的超微结构线粒体的超微结构电镜下由双层膜围成的一个封闭的长囊式结构。电镜下由双层膜围成的一个封闭的长囊式结构。由四大部分组成：由四大部分组成：1、线粒体外膜：一层单位膜，其上的孔可让、线粒体外膜：一层单位膜，其上的孔可让10KD以下以下的分子通过。的分子通过。2、线粒体内膜：、线粒体内膜：对物质透性低，通过专一性运载系统进行物质对物质透性低，通过专一性运载系统进行物质运输。内膜向内室的伸出部分称为嵴，其形

3、运输。内膜向内室的伸出部分称为嵴，其形状和数量可变，其作用是增大内膜的表面积状和数量可变，其作用是增大内膜的表面积和内膜的代谢率。和内膜的代谢率。嵴上的圆球状颗粒称为基本颗粒或嵴上的圆球状颗粒称为基本颗粒或F1颗粒或颗粒或F1因子，也称因子，也称F1-ATP酶，内膜中与酶，内膜中与F1因子结合因子结合的蛋白称为的蛋白称为F0因子，其复合体称为因子，其复合体称为F0F1-ATP酶或酶或ATP合成酶。其作用：在氧化磷酸合成酶。其作用：在氧化磷酸化中起偶联作用，将化中起偶联作用，将H+梯度势能转化为梯度势能转化为ATP。内膜内膜头部头部3、膜间隙：、膜间隙：内外膜间的空隙。嵴内的空间称为嵴内间隙，内

4、外膜间的空隙。嵴内的空间称为嵴内间隙，两者相通，充满液体，并含有可溶性酶、两者相通，充满液体，并含有可溶性酶、底物和辅助因子。底物和辅助因子。4、 线粒体基质：线粒体基质：内膜包围的空间，充满胶状物质。主要成分：内膜包围的空间，充满胶状物质。主要成分：酶、核糖体、环状酶、核糖体、环状DNA、RNA、离子，线、离子，线粒体也为钙离子储存器，具有控制细胞质粒体也为钙离子储存器，具有控制细胞质中钙离子浓度的作用。中钙离子浓度的作用。 第三节第三节 线粒体化学组成线粒体化学组成外膜，蛋白：脂类外膜，蛋白：脂类=1：1；内膜，蛋白：脂类内膜，蛋白：脂类=4：1。线粒体中约含线粒体中约含120多种酶。主要

5、为氧化还多种酶。主要为氧化还原酶、合成酶、水解酶。各大组成部分原酶、合成酶、水解酶。各大组成部分有标志酶。有标志酶。 外膜外膜 膜间隙膜间隙 内膜内膜 基质基质 单胺氧化酶，腺苷酸激酶，细胞色素氧化单胺氧化酶，腺苷酸激酶，细胞色素氧化酶，苹果酸还原酶酶，苹果酸还原酶 第四节第四节 线粒体的功能线粒体的功能功能：氧化磷酸化，产生功能：氧化磷酸化，产生ATP，储积钙离子。，储积钙离子。 （一氧化磷酸化的过程或分区）（图（一氧化磷酸化的过程或分区）（图10-10），），三大阶段：三大阶段：蛋白、糖、脂蛋白、糖、脂 丙酮酸丙酮酸 三羧酸循环三羧酸循环 NADH 呼吸链呼吸链第一阶段第一阶段(细胞质中细

6、胞质中) 第二阶段第二阶段(mit基质中基质中) 第三阶段第三阶段(内膜内膜) 提供一对电子和一个提供一对电子和一个H+（二电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础（二电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础研究工具研究工具亚线粒体小泡。亚线粒体小泡。 超声波超声波段段 内外膜均破内外膜均破 内膜自然形成内翻内膜自然形成内翻外小泡外小泡 亚 线 粒 体亚 线 粒 体小泡小泡 蛋白酶处理蛋白酶处理 亚线粒体小泡亚线粒体小泡调节条件调节条件基本颗粒基本颗粒(耦耦联因子联因子F）Mt电子传递电子传递+氧化氧化磷酸化磷酸化电子传递电子传递电子传递电子传递+氧化氧化磷酸化磷酸化n实验结论：由实验结论：由NADH脱氢

7、酶至细胞色素氧化脱氢酶至细胞色素氧化酶的整个电子传递链存在于膜本身，而氧化酶的整个电子传递链存在于膜本身，而氧化磷酸化作用却由基本颗粒磷酸化作用却由基本颗粒ATP酶复合物酶复合物来承担。来承担。1、电子传递链呼吸链）、电子传递链呼吸链）电子传递链由结合在内膜上的许多酶和其他分电子传递链由结合在内膜上的许多酶和其他分子所组成，承担着电子传递的作用。组成该子所组成，承担着电子传递的作用。组成该链的分子可分成链的分子可分成4大类：黄素蛋白、铁硫蛋白、大类：黄素蛋白、铁硫蛋白、辅酶辅酶Q和细胞色素。和细胞色素。这些呼吸链的主要成分以复合物的形式包埋在这些呼吸链的主要成分以复合物的形式包埋在内膜中，内膜

8、中，4种复合物种复合物、 。复合。复合物物、 组成一条主呼吸链，催化组成一条主呼吸链，催化NADH的氧化；复合物的氧化；复合物、 组成另一组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的氧化。条呼吸链，催化琥珀酸的氧化。两条主要的呼吸链引自两条主要的呼吸链引自Lodish等等2019） 2、ATP合成酶合成酶在氧化磷酸化过程中起耦联作用的结构是内膜在氧化磷酸化过程中起耦联作用的结构是内膜上的上的ATP合成酶或合成酶或ATP酶复合物，即酶复合物，即F0-F1耦联因子。耦联因子。由由16条肽链组成，分子量条肽链组成，分子量500 kD。结构上分为。结构上分为头部头部F1 ATP酶和膜部酶和膜部F0因子）。因子）。n

9、（1头部：即头部：即F1因子，因子，10条多肽构成，分离下条多肽构成，分离下来后，可以水解来后，可以水解ATP。n（2柄部：连接柄部：连接F1和和F0的脂蛋白柄部也可能的脂蛋白柄部也可能是是F0因子的伸出部分），为寡霉素敏感性传受因子的伸出部分），为寡霉素敏感性传受蛋白，若去掉柄部，寡霉素就不能抑制蛋白，若去掉柄部，寡霉素就不能抑制F1因子因子的活性。的活性。n（3膜部：膜部： F0因子，多条多肽链。因子，多条多肽链。F0因子的因子的功能和传递质子有关，是质子载体，可专一性功能和传递质子有关，是质子载体，可专一性地传递质子。地传递质子。3、氧化磷酸化的耦联机制、氧化磷酸化的耦联机制葡萄糖葡萄糖

10、丙酮酸、丙酮酸、NADH、H 电子传递链传给电子传递链传给O2） ATP电子传递与氧化磷酸化相偶联电子传递与氧化磷酸化相偶联n电子传递链呼吸链）：一对电子电子传递链呼吸链）：一对电子3次跨膜，向次跨膜，向外室排放外室排放3对对H+，结果合成了，结果合成了3个个ATP分子。分子。n偶联假说：电子传递与偶联假说：电子传递与ATP合成的偶联机制目合成的偶联机制目前仍不清楚。三个相关假说：化学偶联假说；前仍不清楚。三个相关假说：化学偶联假说；构象偶联假说；化学渗透假说。证据较多的是构象偶联假说；化学渗透假说。证据较多的是化学渗透假说。化学渗透假说。 nMitchell P.1961提出提出“化学渗透假

11、说化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis)”，70年代关年代关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说，成为一种较为流行的假说，Mitchell本人也本人也因此获得因此获得1978年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。化学渗透学说化学渗透学说 胞质胞质外膜外膜基质基质膜间隙膜间隙内膜内膜n化学渗透假说的要点：化学渗透假说的要点：5个要点个要点P304-305）nNADH提供一对电子，经电子传递链，最提供一对电子，经电子传递链，最后为后为O2所接受。所接受。n电子传递链中载氢体和电子传递体相间排电子传递链中载氢体和电子传递

12、体相间排列。每当电子由载氢体传向电子传递体时，列。每当电子由载氢体传向电子传递体时，载氢体的氢即以载氢体的氢即以H+的形式释放到内膜外，的形式释放到内膜外，1对电子在呼吸链中对电子在呼吸链中3次穿膜运动，向外室排放次穿膜运动，向外室排放了了3对质子。对质子。内膜对内膜对H+H+和和OH-OH-具有不可透性，所以随着电子传具有不可透性，所以随着电子传递过程的进行，递过程的进行，H+H+在外室中积累，造成了膜两在外室中积累，造成了膜两侧的质子浓度差，从而保持了一定的势能差。侧的质子浓度差，从而保持了一定的势能差。外室中的质子有顺浓度差返回基质的倾向，当外室中的质子有顺浓度差返回基质的倾向，当H+H

13、+通过通过F1-F0F1-F0复合物进入基质时，复合物进入基质时，ATPATP酶利用这种酶利用这种势能合成了势能合成了ATPATP。 F1-F0 F1-F0复合物需要复合物需要2 2个质子合成一个个质子合成一个ATPATP分子。分子。外室外室基质基质内膜内膜在高能电子穿过呼吸链过程中，在高能电子穿过呼吸链过程中，3 3个呼吸酶复合物利用电子势能个呼吸酶复合物利用电子势能将质子从基质抽提到外室中。将质子从基质抽提到外室中。质子的电化学梯度驱动质子的电化学梯度驱动H+H+经经ATPATP合成酶返回基质，合成酶返回基质，ATPATP合成酶则利合成酶则利用用H+H+流的能量催化基质中的流的能量催化基质

14、中的ADPADP和和PiPi合成合成ATPATP。n化学渗透假说的证据：化学渗透假说的证据：nA A：随电子传递进行，外室酸性增加。（：随电子传递进行，外室酸性增加。（H+)H+)nB B：消除：消除H+H+差后，不能合成差后，不能合成ATPATP。如何消除。如何消除H+H+差？使用差？使用K+K+离子载体缬氨霉素）。离子载体缬氨霉素）。K+K+离子通过缬氨霉素到基质中，使基质中的离子通过缬氨霉素到基质中，使基质中的K+K+升高，消除了内膜两边的电荷差，结果升高，消除了内膜两边的电荷差，结果不能合成不能合成ATPATP。nC C：盐细菌的视紫质：盐细菌的视紫质H+H+泵和泵和F1-F0F1-F

15、0因子同因子同时组装到脂质体中，能合成时组装到脂质体中，能合成ATPATP。 第五节第五节 线粒体的半自主性线粒体的半自主性线粒体是一种半自主性细胞器，在其基质线粒体是一种半自主性细胞器，在其基质中含有环状中含有环状DNA分子和蛋白质的合成机分子和蛋白质的合成机构。其构。其DNA有为多种多肽以及所需有为多种多肽以及所需rRNA、tRNA编码的基因。线粒体在核编码的基因。线粒体在核DNA和线粒体和线粒体DNA的双重控制下活动。的双重控制下活动。 n线粒体的生长与增殖所需要的大部分蛋白线粒体的生长与增殖所需要的大部分蛋白质是由核基因编码、在细胞质中合成的，质是由核基因编码、在细胞质中合成的，仅有少部分蛋白质是由其自身基因编码、仅有少部分蛋白质是由其自身基因编码、在线粒体内合成的。在线粒体内合成的。 第六节第六节 线粒