1、第六章第六章 線粒體與細胞的線粒體與細胞的 能量轉換能量轉換 自養生物與異養生物是一種氧化反響 有機化合物+O2CO2+能量“燃料：糖類、脂肪、蛋白質C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量ATP+熱量主要在線粒體中進展，溫暖條件、酶參與調控細胞呼吸產生能量概述 18501850年，年，AltmannAltmann發現發現 存在于一切真核細胞中哺乳動物紅細胞除外存在于一切真核細胞中哺乳動物紅細胞除外 提供細胞生命活動提供細胞生命活動8080能量能量 數量因細胞種類而不同，少的數量因細胞種類而不同，少的1 1個，多的達數十萬個個，多的達數十萬個第一節第一節 線粒體的根本特征線粒體的根本特征

2、一、線粒體的形狀、數量和構造一、線粒體的形狀、數量和構造光鏡下，呈線狀、粒狀或桿狀，直徑光鏡下，呈線狀、粒狀或桿狀，直徑0.50.51.01.0m m ( (一一) )線粒體的形狀、數量與細胞的類型和生理形線粒體的形狀、數量與細胞的類型和生理形狀有關狀有關線粒體形狀構造蘇木精線粒體形狀構造蘇木精HE染色染色 腎小管腎小管細胞細胞 圖中箭圖中箭頭所示頭所示顆粒狀顆粒狀線粒體線粒體線粒體形狀構造熒光線粒體形狀構造熒光線粒體線粒體形狀構造(電鏡)蝙蝠胰腺細胞蝙蝠胰腺細胞線粒體線粒體管狀線粒體管狀線粒體線粒體包線粒體包圍著要被圍著要被氧化的脂氧化的脂肪滴肪滴線粒體的可塑性線粒體的可塑性 一個活細胞的線

3、粒體快速變化外形一個活細胞的線粒體快速變化外形 線粒體在心肌細胞和精子尾部的分布及形狀線粒體內膜向內突起構成嵴線粒體內膜向內突起構成嵴Cristae)Cristae)線粒體的超微構造線粒體的超微構造1.1.外膜外膜脂類：蛋白質脂類：蛋白質1 1：1 1，厚約，厚約5 57nm7nm允許經過分子量小于允許經過分子量小于10000D10000D的物質的物質2.2.內膜內膜脂類：蛋白質脂類：蛋白質1 1：4 4，厚約，厚約4.5nm4.5nm部分內突，構成嵴部分內突，構成嵴允許經過分子量小于允許經過分子量小于150D150D的物質的物質選擇通透性高，經過膜上轉運蛋白控制選擇通透性高，經過膜上轉運蛋白

4、控制3.3.膜間腔膜間腔少量蛋白酶系少量蛋白酶系3 3 轉位接觸點轉位接觸點內外膜接觸點內外膜接觸點肉毒堿缺乏癥肉毒堿缺乏癥運輸脂肪酸運輸脂肪酸內膜轉位子：通道蛋白內膜轉位子：通道蛋白外膜轉位子：受體蛋白外膜轉位子：受體蛋白功能：蛋白質等進出線粒體的通道功能：蛋白質等進出線粒體的通道 4基質基質 含多種代謝酶系，含多種代謝酶系，DNA、mRNA、tRNA、核糖體、基質顆粒、核糖體、基質顆粒基粒基粒ATPATP酶復合體酶復合體頭部可溶性頭部可溶性ATPATP酶偶聯因子酶偶聯因子F1F1合成合成ATPATP柄寡霉素敏感蛋白柄寡霉素敏感蛋白OSCPOSCP，調控質子，調控質子通道通道基片偶聯因子基片

5、偶聯因子F0F0，質子的通道。，質子的通道。ATP酶復合體：合成ATP線粒體中的代謝功能定位線粒體中的代謝功能定位外膜外膜磷脂合成磷脂合成脂肪酸去飽和作用脂肪酸去飽和作用脂肪酸延伸脂肪酸延伸內膜內膜電子傳送電子傳送氧化磷酸化氧化磷酸化代謝產物轉運代謝產物轉運膜間腔膜間腔核苷酸磷酸化核苷酸磷酸化基質基質丙酮酸酯氧化丙酮酸酯氧化TCA 循環循環脂肪的脂肪的 氧化氧化DNA 復制復制, RNA 轉錄，蛋白質翻譯轉錄，蛋白質翻譯1.1.蛋白質蛋白質占總含量的占總含量的2/32/3，主要分布于內膜和基質，主要分布于內膜和基質 氧化復原酶銜接酶水解酶氧化復原酶銜接酶水解酶 37 37 10 109 92.

6、2.脂類脂類約占總含量的約占總含量的1/31/3，大部分是磷脂，大部分是磷脂此外還有此外還有DNADNA、多種輔酶、維生素及無機離子等、多種輔酶、維生素及無機離子等二、線粒體的化學組成二、線粒體的化學組成三、線粒體的遺傳體系三、線粒體的遺傳體系 線粒體有一套相對獨立的線粒體有一套相對獨立的DNADNA復制和蛋白質合成體復制和蛋白質合成體系，是一個半自主細胞器。系，是一個半自主細胞器。 1.1.線粒體線粒體DNADNAmtDNAmtDNA：雙鏈閉環構造，獨立復制。：雙鏈閉環構造，獨立復制。 全長全長16,569bp16,569bp，共有，共有3737個基因，包括個基因，包括2 2個個rRNArR

7、NA12S12S、16S16S，2222個個tRNAtRNA，1313個與氧化磷酸化有關的多肽。個與氧化磷酸化有關的多肽。 2.2.線粒體蛋白合成線粒體蛋白合成 線粒體有本人的線粒體有本人的DNADNA、mRNAmRNA、tRNAtRNA、rRNArRNA及蛋白質及蛋白質合成相應的酶，核糖體合成相應的酶，核糖體線粒體線粒體DNADNA雙鏈閉環，裸雙鏈閉環，裸DNADNA。人人mtDNA mtDNA 長長16,569bp,16,569bp,編碼一編碼一些線粒體蛋白：些線粒體蛋白：1 1細胞色素氧細胞色素氧化酶化酶1 1、2 2、3 3亞基亞基2 2ATPase 6ATPase 6、8 8亞基亞基

8、 3 3CytB CytB 亞基亞基4 4NADH-CoQNADH-CoQ復復原酶的七個亞基原酶的七個亞基 線粒體DNA尼安德特人線粒體基因組問世Cell，2019 線粒體：細胞質中含有遺傳物質線粒體：細胞質中含有遺傳物質DNADNA有三個有三個“生理父母的猴寶寶生理父母的猴寶寶(Nature, 2021)(Nature, 2021)有線粒體疾病的母猴卵細胞核、安康母猴去核有線粒體疾病的母猴卵細胞核、安康母猴去核的卵細胞、公猴精子的卵細胞、公猴精子20192019諾貝爾生理醫學獎諾貝爾生理醫學獎英國科學家羅伯特愛德華茲(Robert G. Edwards)因開展體外授精療法(IVF)獲獎 有本

9、身的核糖體和有本身的核糖體和tRNAtRNA22 tRNAs 22 tRNAs 和和 rRNAs rRNAs 16S 16S，12S12S，5S5S線粒體蛋白質的來源線粒體蛋白質的來源圖中藥物圖中藥物用于阻止用于阻止蛋白質合蛋白質合成成及線粒體及線粒體內蛋白的內蛋白的來源來源 線粒體密碼子與通用的密碼子略有不同線粒體密碼子與通用的密碼子略有不同 表：通用密碼與線粒體遺傳密碼的異同。表：通用密碼與線粒體遺傳密碼的異同。 但線粒體但線粒體 CUA CUA蘇氨酸亮蘇氨酸亮 AUA AUA甲硫氨酸異亮甲硫氨酸異亮 UGA UGA色氨酸終止色氨酸終止3.3.線粒體線粒體DNADNA的復制的復制類似于原核

10、細胞類似于原核細胞輕鏈晚于重鏈復制，且方向相反輕鏈晚于重鏈復制，且方向相反不受細胞周期約束不受細胞周期約束整個過程約整個過程約2 2小時小時線粒體具半自主性線粒體的分裂線粒體肌病線粒體肌病藍色藍色: :琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶棕色棕色: :細胞色素氧化酶細胞色素氧化酶慢性進展性外眼肌麻木慢性進展性外眼肌麻木細胞能量產生的過程細胞能量產生的過程能量產生過程：能量產生過程： 糖酵解胞質糖酵解胞質 丙酮酸胞質丙酮酸胞質乙酰輔酶乙酰輔酶A A內膜內膜KrebKrebs s 循環基質循環基質電子傳送和氧化磷電子傳送和氧化磷酸化內膜酸化內膜三、氧化磷酸化耦聯與三、氧化磷酸化耦聯與ATPATP構成構成1.1

11、.呼吸鏈呼吸鏈respiratory chain): respiratory chain): 線粒體內膜上傳送線粒體內膜上傳送電子的系列酶復合體。電子的系列酶復合體。復合體復合體：NADHNADH脫氫酶脫氫酶復合體復合體：琥珀酸脫氫酶：琥珀酸脫氫酶復合體復合體：細胞色素：細胞色素C C復原酶復原酶復合體復合體：細胞色素：細胞色素C C氧化酶氧化酶2. ATP2. ATP合成酶復合體合成酶復合體基粒基粒一構造根底一構造根底ATPATP合酶合酶ATPase)ATPase)復合體的組成復合體的組成 頭部：頭部： 偶聯因子偶聯因子F1 F1 ，合成，合成ATPATP 柄部：柄部： 寡霉素敏寡霉素敏感蛋

12、白感蛋白OSCPOSCP 基片：基片： 偶聯因子偶聯因子F0F0F1: 5 個亞單位的比個亞單位的比例：例：3:3:1:1:1F0: 1aF0: 1a：2b2b：12c 12c 二氧化過程伴隨磷酸化耦聯二氧化過程伴隨磷酸化耦聯呼吸鏈上電子傳送和氧化復原過程呼吸鏈上電子傳送和氧化復原過程u英國科學家米切爾英國科學家米切爾P. MitchellP. Mitchell19611961年提出年提出化學浸透假說四四ATPATP合成的分子機制：構象偶聯學說合成的分子機制：構象偶聯學說Boyer p 1979Boyer p 1979年提出，年提出，F1 F1 亞基在電化學勢能驅動下依次產生亞基在電化學勢能驅

13、動下依次產生L L、T T、O O三種構象三種構象生物氧化產生生物氧化產生ATPATP的統計的統計 一個葡萄糖分子經過細胞呼吸全過程產生多少一個葡萄糖分子經過細胞呼吸全過程產生多少ATPATP？ 糖酵解：底物程度磷酸化產生糖酵解：底物程度磷酸化產生 4 ATP 4 ATP細胞質細胞質 己糖分子活化耗費己糖分子活化耗費 2 ATP 2 ATP細胞質細胞質 產生產生 2NADH 2NADH，經電子傳送產生，經電子傳送產生 4 4或或 6 ATP6 ATP 線粒體凈積累線粒體凈積累 6 6或或8 ATP8 ATP 丙酮酸氧化脫羧：產生丙酮酸氧化脫羧：產生 2NADH 2NADH線粒體，生成線粒體，生

14、成 6ATP 6ATP 三羧酸循環：底物程度的磷酸化產生線粒體三羧酸循環：底物程度的磷酸化產生線粒體2ATP2ATP； 產生產生 6NADH 6NADH線粒體，生成線粒體，生成 18ATP18ATP； 產生產生 2FADH2 2FADH2線粒體，生成線粒體，生成 4 4 ATPATP 總計生成總計生成 36 36或或38 ATP 38 ATP 第四節第四節 線粒體與醫學線粒體與醫學 腫瘤等病理疾病抑制線粒體功能腫瘤等病理疾病抑制線粒體功能 缺血、缺氧抑制缺血、缺氧抑制ATPATP合成酶活性、引起線粒合成酶活性、引起線粒體變性體變性 藥物、毒物抑制細胞氧化藥物、毒物抑制細胞氧化 紅霉素、氯霉素紅霉素、氯霉素 一氧化碳、氰化物阻斷電子傳送一氧化碳、氰