第六章第六章线粒体线粒体（mitochondrionmitochondrion）线粒体能将储存在营养物质中的能量转化线粒体能将储存在营养物质中的能量转化储存于储存于ATPATP中，中， 供细胞各种生命活动使用供细胞各种生命活动使用第一节第一节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征 线粒体是细胞中较大的细线粒体是细胞中较大的细线粒体是细胞中较大的细线粒体是细胞中较大的细胞器，达到光镜分辨水平胞器，达到光镜分辨水平胞器，达到光镜分辨水平胞器，达到光镜分辨水平 大小直径大小直径 0.5-1.0um0.5-1.0um肝细胞（红色）肝细胞（红色）形态：形态：线状、粒状线状、粒状故名故名成纤维细胞成纤维细胞成纤维细胞成纤维细胞（线状）（线状）卵巢上皮细胞（红色）卵巢上皮细胞（红色）精子精子数目约数目约数目约数目约1-501-501-501-50万个不等，代谢旺盛细胞中线粒体多万个不等，代谢旺盛细胞中线粒体多万个不等，代谢旺盛细胞中线粒体多万个不等，代谢旺盛细胞中线粒体多结构：由两层单位膜围成的封闭性囊结构：由两层单位膜围成的封闭性囊膜间腔（膜间腔（intermembrane spaceintermembrane spaceintermembrane spaceintermembrane space）基质腔（基质腔（matrix space)matrix space)外膜（外膜（outer membraneouter membrane）内膜（内膜（inner membraneinner membrane）线粒体线粒体具有结构和功能上不同的双层膜具有结构和功能上不同的双层膜1.1. 外膜（外膜（outer membraneouter membrane）一层单位膜，光滑平整，转运蛋白一层单位膜，光滑平整，转运蛋白一层单位膜，光滑平整，转运蛋白一层单位膜，光滑平整，转运蛋白- - - -孔蛋白孔蛋白孔蛋白孔蛋白（p p p porinorinorinorin）形成的形成的形成的形成的通道，允许分子量通道，允许分子量通道，允许分子量通道，允许分子量10000100001000010000以下的小分子自由通过，通透性高以下的小分子自由通过，通透性高以下的小分子自由通过，通透性高以下的小分子自由通过，通透性高2.2. 内膜（内膜（inner membraneinner membrane）一层单位膜，内膜突向内腔形成线粒体嵴（一层单位膜，内膜突向内腔形成线粒体嵴（一层单位膜，内膜突向内腔形成线粒体嵴（一层单位膜，内膜突向内腔形成线粒体嵴（mitochondrial mitochondrial mitochondrial mitochondrial cristaecristaecristaecristae）增加内膜表面积，增加内膜表面积，增加内膜表面积，增加内膜表面积，高度选择通透性高度选择通透性高度选择通透性高度选择通透性，分子量大于，分子量大于，分子量大于，分子量大于150150150150的物质不能通过的物质不能通过的物质不能通过的物质不能通过电子传递链电子传递链基粒基粒内膜上存在内膜上存在两类重要的两类重要的蛋白质颗粒蛋白质颗粒（electron transport chainelectron transport chainelectron transport chainelectron transport chain）（elementary particleelementary particleelementary particleelementary particle） O O2 2H H2 2O O2 2H H2 2e e- -2H2H+ +2 2e e- -电子传递链电子传递链（electron transport chainelectron transport chain）线粒体内膜上能转运线粒体内膜上能转运线粒体内膜上能转运线粒体内膜上能转运H H H H+ + + +及传递及传递及传递及传递e e e e- - - -的一组酶复合体，它们在内膜的一组酶复合体，它们在内膜的一组酶复合体，它们在内膜的一组酶复合体，它们在内膜上排列成相互关联的链状也称为呼吸链（上排列成相互关联的链状也称为呼吸链（上排列成相互关联的链状也称为呼吸链（上排列成相互关联的链状也称为呼吸链（respiratoryrespiratoryrespiratoryrespiratorychainchainchainchain）基粒基粒（elementary particleelementary particle）基粒是线粒体内膜上突出于内腔的颗基粒是线粒体内膜上突出于内腔的颗粒，它将呼吸链电子传递过程中释放粒，它将呼吸链电子传递过程中释放的能量用于的能量用于ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP的装置的装置结构由结构由头头部部、柄部柄部和和基片基片三三部分组成部分组成基粒化学本质是基粒化学本质是ATPATP合成酶（合成酶（F F1 1F F0 0ATPATP酶）酶）基片（基片（F F0 0耦联因子，嵌入内耦联因子，嵌入内膜是膜是H H+ + 流向流向F F1 1 的穿膜通道）的穿膜通道）柄部（对寡霉素敏感蛋白，抑柄部（对寡霉素敏感蛋白，抑制制ATPATP酶活性，调控质子通道）酶活性，调控质子通道）头部（头部（头部（头部（F F F F1 1 1 1耦联因子耦联因子耦联因子耦联因子- - - -是催化是催化是催化是催化ADPADPADPADP和和和和PiPiPiPi合成合成合成合成ATPATPATPATP关键装置）关键装置）关键装置）关键装置）H H+ +1/21/2O O2 2H H2 2O OADP+PiADP+PiATPATP2 2H=2HH=2H+ +2e+2e- -H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +物质氧化中脱下的物质氧化中脱下的物质氧化中脱下的物质氧化中脱下的H H H H离解为离解为离解为离解为H H H H+ + + + 和和和和e e e e- - - -，电子经电子，电子经电子，电子经电子，电子经电子传递链的逐级传递最后传给传递链的逐级传递最后传给传递链的逐级传递最后传给传递链的逐级传递最后传给1/21/21/21/2O O O O2 2 2 2，1/21/21/21/2O O O O2 2 2 22-2-2-2-与线与线与线与线粒体基质中粒体基质中2 2个个H H+ +化合生成化合生成H H2 2O O。电子传递链在逐。电子传递链在逐级传递级传递e e- -同时伴随着同时伴随着H H+ +从基质腔至膜间腔的转运从基质腔至膜间腔的转运 H H+ +1/21/2O O2 2H H2 2O OADP+PiADP+PiATPATP2 2H=2HH=2H+ +2e+2e- -H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ +H H+ + 经基粒经基粒H H质子通道回流时质子通道回流时激活基粒头部的激活基粒头部的ATPATP合成酶合成酶NADH+NADH+NADH+NADH+H H+ +NADNAD+ +2 2 2 2H H H H+ + + +1/2O+1/2O+1/2O+1/2O2 2 2 2H H H H2 2 2 2O O O OADP+PADP+PADP+PADP+Pi i i iATPATPATPATPH H H H+ + + +梯度梯度梯度梯度提出问题：电子传递链与基粒有何关系？提出问题：电子传递链与基粒有何关系？ATPATPATPATP合成酶合成酶合成酶合成酶Pi Pi解决问题：关键是解决问题：关键是H H+ +梯度！梯度！电子传递链造成电子传递链造成电子传递链造成电子传递链造成H H H H+ + + +梯度梯度梯度梯度；H H H H+ + + + 经质子通道回经质子通道回经质子通道回经质子通道回流，激活基粒头部流，激活基粒头部流，激活基粒头部流，激活基粒头部ATPATPATPATP合成酶合成酶合成酶合成酶催化催化催化催化ATPATPATPATP生成生成生成生成NADH+NADH+NADH+NADH+H H+ +NADNAD+ +2 2 2 2H H H H+ + + +1/2O+1/2O+1/2O+1/2O2 2 2 2H H H H2 2 2 2O O O OADP+PADP+PADP+PADP+Pi i i iATPATPATPATPH H H H+ + + +梯度梯度梯度梯度电子传递链电子传递链电子传递链电子传递链造成造成造成造成H H H H+ + + + 梯度梯度梯度梯度H H H H+ + + + 经质子经质子经质子经质子通道回流通道回流通道回流通道回流基粒基粒基粒基粒 ATPATPATPATP合合合合成酶被激活成酶被激活成酶被激活成酶被激活ADP+PiADP+PiADP+PiADP+PiATPATPATPATP放能装置放能装置换能装置换能装置3.3. 膜间腔（膜间腔（intermembrane spaceintermembrane space） 是内外膜之间的间隙，又称外室（是内外膜之间的间隙，又称外室（是内外膜之间的间隙，又称外室（是内外膜之间的间隙，又称外室（out chamberout chamberout chamberout chamber）。）。）。）。 线粒体内外膜接触使膜间腔变得窄小的线粒体内外膜接触使膜间腔变得窄小的线粒体内外膜接触使膜间腔变得窄小的线粒体内外膜接触使膜间腔变得窄小的部位称为转位接触点（部位称为转位接触点（部位称为转位接触点（部位称为转位接触点（translocation contact sitetranslocation contact sitetranslocation contact sitetranslocation contact site），是蛋白质等物质进出线粒体的位点），是蛋白质等物质进出线粒体的位点），是蛋白质等物质进出线粒体的位点），是蛋白质等物质进出线粒体的位点4.4. 基质腔（基质腔（matrix space)matrix space) 核糖体核糖体核糖体核糖体mtDNAmtDNAmtDNAmtDNA（双链环状）双链环状）双链环状）双链环状）物质合成及彻底物质合成及彻底物质合成及彻底物质合成及彻底氧化的各种酶系氧化的各种酶系氧化的各种酶系氧化的各种酶系mRNAmRNAmRNAmRNA、tRNAtRNAtRNAtRNA是内膜包围的腔隙，又称内室（是内膜包围的腔隙，又称内室（是内膜包围的腔隙，又称内室（是内膜包围的腔隙，又称内室（inner chamberinner chamberinner chamberinner chamber）。基质腔是进行）。基质腔是进行）。基质腔是进行）。基质腔是进行三羧酸循环的重要场所，线粒体基质包含三羧酸循环的重要场所，线粒体基质包含三羧酸循环的重要场所，线粒体基质包含三羧酸循环的重要场所，线粒体基质包含 线粒体线粒体线粒体线粒体DNADNADNADNA、线粒体、线粒体、线粒体、线粒体RNARNARNARNA、线粒体核糖体、各种酶类，线粒体核糖体、各种酶类，线粒体核糖体、各种酶类，线粒体核糖体、各种酶类， 可发生转录与翻译，合成线粒体蛋白可发生转录与翻译，合成线粒体蛋白可发生转录与翻译，合成线粒体蛋白可发生转录与翻译，合成线粒体蛋白 蛋白质（蛋白质（65657070），其中内），其中内膜占膜占6060 脂类（脂类（25253030），内膜的心），内膜的心磷脂含量极高，磷脂含量极高， 胆固醇含量极低胆固醇含量极低二、线粒体的化学组成和酶的分布二、线粒体的化学组成和酶的分布 线粒体的标志酶线粒体的标志酶外外 膜：单胺氧化酶膜：单胺氧化酶内内 膜：细胞色素氧化酶膜：细胞色素氧化酶膜间腔：腺苷酸激酶膜间腔：腺苷酸激酶基质腔：苹果酸脱氢酶基质腔：苹果酸脱氢酶三三、线粒体的遗传体系线粒体的遗传体系线粒体有自己的遗传系统和蛋白质翻译系统，能线粒体有自己的遗传系统和蛋白质翻译系统，能够独立地进行复制、转录和翻译。但线粒体遗传够独立地进行复制、转录和翻译。但线粒体遗传系统的表达是受细胞核遗传系统控制的，即线粒系统的表达是受细胞核遗传系统控制的，即线粒体是由两套遗传系统共同控制的。故线粒体是半体是由两套遗传系统共同控制的。故线粒体是半自主性的细胞器（自主性的细胞器（semiautonomous semiautonomous organelleorganelle）动物细胞中唯一含有核外遗传物质的细胞器动物细胞中唯一含有核外遗传物质的细胞器动物细胞中唯一含有核外遗传物质的细胞器动物细胞中唯一含有核外遗传物质的细胞器一、线粒体具有自己的遗传系统一、线粒体具有自己的遗传系统 线粒体基因组结构线粒体基因组结构1 1、mtDNAmtDNA是一条是一条双链封闭环状双链封闭环状分子分子2 2、mtDNAmtDNA裸露不与组蛋白结合裸露不与组蛋白结合3 3、mtDNAmtDNA结构紧密，都是编结构紧密，都是编码序列，极少有非编码序列码序列，极少有非编码序列4 4、mtDNAmtDNA分子小，信息量少分子小，信息量少（16569bp 37gene16569bp 37gene）5 5、遗传密码与通用密码不同、遗传密码与通用密码不同非编码区非编码区约约1000bp1000bp复制起始点复制起始点转录启动子转录启动子4 4个保守序列个保守序列两条链都是两条链都是转录的模板转录的模板H H链编码：链编码：2 2种种rRNArRNA（12s12s、16s16s） 14 14种种tRNAtRNA 10 10种呼吸链蛋白种呼吸链蛋白 2 2种种ATPATP合成酶蛋白合成酶蛋白L L链编码：链编码：8 8种种tRNA tRNA 1 1种呼吸链蛋白种呼吸链蛋白mtDNAmtDNA结构紧密，极少非编码序列结构紧密，极少非编码序列密码子密码子动物线粒动物线粒体的编码体的编码酵母线粒酵母线粒体的编码体的编码通用遗通用遗传密码传密码UGAUGA色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸终止终止AUAAUA蛋氨酸蛋氨酸蛋氨酸蛋氨酸异亮氨酸异亮氨酸CUACUA亮氨酸亮氨酸苏氨酸苏氨酸亮氨酸亮氨酸AGGAGG终止终止精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸线粒体遗传密码与通用遗传密码的差异线粒体遗传密码与通用遗传密码的差异 线粒体基因组可以自我复制和转录线粒体基因组可以自我复制和转录复制：复制：复制：复制：mtDNAmtDNAmtDNAmtDNA具有具有具有具有2 2 2 2个复制起始点，分别启动个复制起始点，分别启动个复制起始点，分别启动个复制起始点，分别启动H H H H链和链和链和链和L L L L链的复制。链的复制。链的复制。链的复制。H H H H链先，链先，链先，链先，L L L L链后。复制贯穿整个细胞周期链后。复制贯穿整个细胞周期链后。复制贯穿整个细胞周期链后。复制贯穿整个细胞周期转录：转录：转录：转录：有有有有H H H H链和链和链和链和L L L L链链链链2 2 2 2个启动子，个启动子，个启动子，个启动子， 转录产物为多顺反转录产物为多顺反转录产物为多顺反转录产物为多顺反子，剪切后为子，剪切后为子，剪切后为子，剪切后为tRNAtRNAtRNAtRNA、mRNAmRNAmRNAmRNA、rRNArRNArRNArRNA，基因中无内含子，基因中无内含子，基因中无内含子，基因中无内含子 线粒体线粒体mRNAmRNA：1313种线粒体蛋白种线粒体蛋白二、线粒体具有自己的蛋白质翻译系统二、线粒体具有自己的蛋白质翻译系统H H链编码链编码1414种种tRNAtRNAL L链编码链编码 8 8种种tRNAtRNA 线粒体线粒体rRNArRNA：2 2种种rRNArRNAH H链编码（链编码（12s/16s12s/16s） 线粒体线粒体tRNAtRNA：2222种种tRNAtRNAH H链编码链编码1010种呼吸链蛋白种呼吸链蛋白 2 2种种ATPATP合成酶蛋白合成酶蛋白 L L链编码链编码 1 1种呼吸链蛋白种呼吸链蛋白线粒体线粒体蛋白质蛋白质10%10%mtDNAmtDNA编码编码90%90%核核DNADNA编码编码1 1、mtDNAmtDNA复制、转录、翻译的酶系复制、转录、翻译的酶系2 2、线粒体核糖体蛋白、线粒体核糖体蛋白3 3、电子传递链和基粒的多种蛋白、电子传递链和基粒的多种蛋白4 4、基质中所有酶系、基质中所有酶系三、线粒体对细胞核遗传系统的依赖性三、线粒体对细胞核遗传系统的依赖性在细胞质的游离核糖体合成后转运至线粒体的在细胞质的游离核糖体合成后转运至线粒体的核核DNADNA编码的蛋白质是如何转运至线粒体的呢？编码的蛋白质是如何转运至线粒体的呢？1 1、导肽的引导、导肽的引导导肽导肽是核编码的线粒体蛋白是核编码的线粒体蛋白上一段特殊的氨基酸序列上一段特殊的氨基酸序列能能引导引导线粒体蛋白线粒体蛋白进入线粒体进入线粒体核核DNADNA编码的蛋白质向线粒体的转运编码的蛋白质向线粒体的转运分子伴侣是一类特殊的蛋白质分子伴侣是一类特殊的蛋白质分子，它们能帮助线粒体蛋白分子，它们能帮助线粒体蛋白去折叠、跨膜和再折叠，但其去折叠、跨膜和再折叠，但其本身并不参与最终产物的组成本身并不参与最终产物的组成2 2、分子伴侣的协助、分子伴侣的协助协助去折叠协助去折叠协助跨膜协助跨膜协助重新折叠协助重新折叠五、线粒体五、线粒体的的发生和起源发生和起源（一）线粒体（一）线粒体的发生的发生分裂增殖、出芽增殖分裂增殖、出芽增殖分裂增殖分裂增殖（二（二）线粒体线粒体的起源的起源内共生学说内共生学说线粒体起源于古老厌氧真线粒体起源于古老厌氧真核细胞中共生的需氧细菌核细胞中共生的需氧细菌线粒体线粒体起源于内共生起源于内共生核被膜和核被膜和ERER起源起源于细胞膜的内陷于细胞膜的内陷线粒体的主要功能是进行线粒体的主要功能是进行能量转换能量转换。能。能量转换是通过有氧代谢过程发生氧化磷量转换是通过有氧代谢过程发生氧化磷酸化，使糖、脂、蛋白质等物质中的化酸化，使糖、脂、蛋白质等物质中的化学能转变成细胞直接可利用的学能转变成细胞直接可利用的 ATPATP分子分子第二节第二节 细胞呼吸与能量转换细胞呼吸与能量转换一、细胞氧化（一、细胞氧化（cellular oxidationcellular oxidation） 细胞呼吸（细胞呼吸（cellular respirationcellular respiration）是细胞消耗是细胞消耗O O2 2 ，将将蛋白质、糖、脂等蛋白质、糖、脂等物质氧物质氧化分解成化分解成COCO2 2和和H H2 2O O， 并将并将物质氧化分解物质氧化分解所释所释放的能量储存于能量转化分子放的能量储存于能量转化分子ATP ATP 中的过程中的过程这一过程是在特定的细胞器这一过程是在特定的细胞器线粒体线粒体中进行中进行的的 概念概念1 1、酶系催化的氧化还原反应、酶系催化的氧化还原反应2 2、反应分步进行，能量逐级释放、反应分步进行，能量逐级释放3 3、能量储存于、能量储存于ATPATP的高能磷酸键中的高能磷酸键中4 4、反应条件是恒温、恒压、水、反应条件是恒温、恒压、水 特点特点二、细胞能量的转换分子二、细胞能量的转换分子- -ATPATP1 1、细胞呼吸时释放的能量通过、细胞呼吸时释放的能量通过 ADPADP的磷酸化的磷酸化储存于储存于ATPATP的高能磷酸键中的高能磷酸键中2 2、细胞活动时、细胞活动时去磷酸化去磷酸化，断裂一个，断裂一个高能磷酸键高能磷酸键 释放能量释放能量满足细胞活动满足细胞活动ATPATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）ATPATP放能、储能反应简式放能、储能反应简式A A-P-PP PP PA A-P-PP+P+PiPi+ +能能能能去磷酸化去磷酸化（放能）（放能）磷酸化磷酸化（储能）（储能）（ATPATP）（ADPADP）三、细胞氧化过程三、细胞氧化过程- -细胞能量转换过程细胞能量转换过程ATP ATP ATP ATP 中携带的能量来源于氨基酸、葡萄糖和脂肪中携带的能量来源于氨基酸、葡萄糖和脂肪中携带的能量来源于氨基酸、葡萄糖和脂肪中携带的能量来源于氨基酸、葡萄糖和脂肪酸等的氧化，这些物质的氧化是能量转换的前提酸等的氧化，这些物质的氧化是能量转换的前提酸等的氧化，这些物质的氧化是能量转换的前提酸等的氧化，这些物质的氧化是能量转换的前提能量能量转化转化葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸脂肪酸脂肪酸脂肪酸脂肪酸物质氧物质氧物质氧物质氧化分解化分解化分解化分解细胞细胞氧化氧化ATP ATP 形形式贮存式贮存释放的释放的释放的释放的能量供能量供能量供能量供细胞生细胞生细胞生细胞生命活动命活动命活动命活动生物合成生物合成生物合成生物合成物质转运物质转运物质转运物质转运肌肉收缩肌肉收缩肌肉收缩肌肉收缩体温维持体温维持体温维持体温维持物质分物质分物质分物质分子中的子中的子中的子中的化学能化学能化学能化学能ATP ATP 的的化学能化学能释放释放能量能量ATPATPATPATP分解分解分解分解生物体内的能源物质很多，糖类、脂类、蛋白质等都可作生物体内的能源物质很多，糖类、脂类、蛋白质等都可作生物体内的能源物质很多，糖类、脂类、蛋白质等都可作生物体内的能源物质很多，糖类、脂类、蛋白质等都可作为能源物质，但最主要最直接的能源物质是葡萄糖。不管为能源物质，但最主要最直接的能源物质是葡萄糖。不管为能源物质，但最主要最直接的能源物质是葡萄糖。不管为能源物质，但最主要最直接的能源物质是葡萄糖。不管是哪种能源物质，通过氧化分解形成乙酰辅酶是哪种能源物质，通过氧化分解形成乙酰辅酶是哪种能源物质，通过氧化分解形成乙酰辅酶是哪种能源物质，通过氧化分解形成乙酰辅酶 A A A A，然后进，然后进，然后进，然后进入三梭酸循环彻底氧化成水和入三梭酸循环彻底氧化成水和入三梭酸循环彻底氧化成水和入三梭酸循环彻底氧化成水和CO2CO2CO2CO2，同时生成大量，同时生成大量，同时生成大量，同时生成大量ATPATPATPATP分子分子分子分子以葡萄糖为例，说明细胞氧以葡萄糖为例，说明细胞氧化（细胞呼吸）的三个阶段化（细胞呼吸）的三个阶段 细胞质细胞质中糖酵解中糖酵解葡萄糖葡萄糖 2 2丙酮酸丙酮酸+4H+4H（2NADH+2H2NADH+2H+ +）糖酵解酶系糖酵解酶系C C6 6H H1212O O6 62C2C3 3H H4 4O O3 3受氢体接受脱下的受氢体接受脱下的受氢体接受脱下的受氢体接受脱下的H H H H 线粒体基质线粒体基质中乙酰辅酶中乙酰辅酶A A生成和三羧酸循环生成和三羧酸循环丙酮酸丙酮酸2C2C3 3H H4 4O O3 3 乙酰辅酶乙酰辅酶A A丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系+2H+2H（NADH+HNADH+H+ +）受氢体接受脱下的受氢体接受脱下的受氢体接受脱下的受氢体接受脱下的H H H H丙酮酸穿过线粒体膜进入线粒体基质生丙酮酸穿过线粒体膜进入线粒体基质生成乙酰辅酶成乙酰辅酶A A，乙酰，乙酰CoACoA进入三梭酸循环进入三梭酸循环三羧酸循环是各种有机物最后的氧化过程，是各类有三羧酸循环是各种有机物最后的氧化过程，是各类有三羧酸循环是各种有机物最后的氧化过程，是各类有三羧酸循环是各种有机物最后的氧化过程，是各类有机物相互转化的枢纽。机物相互转化的枢纽。机物相互转化的枢纽。机物相互转化的枢纽。 乙酰辅酶乙酰辅酶乙酰辅酶乙酰辅酶A A A A进入三羧酸循环后进入三羧酸循环后进入三羧酸循环后进入三羧酸循环后被氧化分解成被氧化分解成被氧化分解成被氧化分解成COCOCOCO2 2 2 2和和和和 脱下脱下脱下脱下4 4 4 4对对对对H H H H，成对的成对的成对的成对的H H H H 传给受氢体传给受氢体传给受氢体传给受氢体丙酮酸丙酮酸（细胞质）（细胞质）（线粒体基质）（线粒体基质）丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系乙酰辅酶乙酰辅酶A A2H+CO2H+CO2 2NADNAD+ +NADH+HNADH+H+ +三羧酸三羧酸循循 环环8 8H+2COH+2CO2 2受氢体受氢体苹苹 果果 酸酸a-a-酮戊二酸酮戊二酸异异 柠檬柠檬 酸酸葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸NADNADH2CO2乙乙 酸酸CoA乙酰乙酰CoA 三羧酸循环三羧酸循环（柠檬酸循环（柠檬酸循环）柠檬酸柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸异柠檬酸异柠檬酸NADNADH2CO2a-酮戊二酸酮戊二酸NADNADH2CO2琥珀酸琥珀酸FADFADH2延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸NADNADH2意义：提供氧化反应所需的意义：提供氧化反应所需的意义：提供氧化反应所需的意义：提供氧化反应所需的氢离子，通过递氢体将其传氢离子，通过递氢体将其传氢离子，通过递氢体将其传氢离子，通过递氢体将其传递到呼吸链递到呼吸链递到呼吸链递到呼吸链氧化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化草酰乙酸草酰乙酸NADNAD（辅酶辅酶I I）: :尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸FADFAD（黄酶）（黄酶）: : 黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 在线粒体内膜上进行电子在线粒体内膜上进行电子传递偶联氧化磷酸化生成传递偶联氧化磷酸化生成ATPATP1 1 1 1、呼吸链是电子传递、呼吸链是电子传递、呼吸链是电子传递、呼吸链是电子传递（electron transportelectron transportelectron transportelectron transport）的结构基础的结构基础的结构基础的结构基础2 2 2 2、氧化磷酸化、氧化磷酸化、氧化磷酸化、氧化磷酸化（oxidative phosphorylationoxidative phosphorylationoxidative phosphorylationoxidative phosphorylation）是线粒体能量转换的主要环节是线粒体能量转换的主要环节是线粒体能量转换的主要环节是线粒体能量转换的主要环节电子传递链偶联电子传递链偶联基粒发生基粒发生ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP的反的反应称氧化磷酸化应称氧化磷酸化（oxidative phosphorylationoxidative phosphorylation）受氢体将物质氧化中脱下的受氢体将物质氧化中脱下的受氢体将物质氧化中脱下的受氢体将物质氧化中脱下的H H H H交给电子传递链，交给电子传递链，交给电子传递链，交给电子传递链，H H H H离解为离解为离解为离解为H H H H+ + + + 和和和和e e e e- - - -电子经电子传递链的逐级传递，最后传给电子经电子传递链的逐级传递，最后传给电子经电子传递链的逐级传递，最后传给电子经电子传递链的逐级传递，最后传给O O O O2 2 2 2，1/2O1/2O1/2O1/2O2 2 2 22-2-2-2-与线粒体与线粒体与线粒体与线粒体基质中的基质中的基质中的基质中的2 2 2 2个个个个H H H H+ + + +化合生成化合生成化合生成化合生成H H H H2 2 2 2O O O O。电子传递链同时起着电子传递链同时起着电子传递链同时起着电子传递链同时起着质子泵质子泵质子泵质子泵的作的作的作的作用，电子传递链在传递电子时，能不断地将基质腔中的用，电子传递链在传递电子时，能不断地将基质腔中的用，电子传递链在传递电子时，能不断地将基质腔中的用，电子传递链在传递电子时，能不断地将基质腔中的H H H H+ + + +转运转运转运转运到膜间腔，造成线粒体内膜两侧的到膜间腔，造成线粒体内膜两侧的到膜间腔，造成线粒体内膜两侧的到膜间腔，造成线粒体内膜两侧的H H H H+ + + +梯度差梯度差梯度差梯度差, , , , 即一定的势能差即一定的势能差即一定的势能差即一定的势能差当膜间腔的当膜间腔的H H+ + 经质子通道回流时，驱经质子通道回流时，驱动基粒动基粒ATPATP合成酶合成酶，ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP1 1 1 1分子葡萄糖完全氧化可形成分子葡萄糖完全氧化可形成分子葡萄糖完全氧化可形成分子葡萄糖完全氧化可形成38383838分子分子分子分子ATPATPATPATP，其中，其中，其中，其中36363636分子是在分子是在分子是在分子是在线粒体内形成的，因此线粒体是物质氧化的主要场所，是线粒体内形成的，因此线粒体是物质氧化的主要场所，是线粒体内形成的，因此线粒体是物质氧化的主要场所，是线粒体内形成的，因此线粒体是物质氧化的主要场所，是生物细胞的动力工厂。动物细胞中生物细胞的动力工厂。动物细胞中生物细胞的动力工厂。动物细胞中生物细胞的动力工厂。动物细胞中80%80%80%80%的的的的ATPATPATPATP来源于线粒体来源于线粒体来源于线粒体来源于线粒体3 3、电子传递和氧化磷酸化偶联机制、电子传递和氧化磷酸化偶联机制- -化学渗透假说化学渗透假说化学渗透假说（化学渗透假说（化学渗透假说（化学渗透假说（chemiosmotic coupling hypothesischemiosmotic coupling hypothesischemiosmotic coupling hypothesischemiosmotic coupling hypothesis） 解释了质解释了质解释了质解释了质子梯度的产生，子梯度的产生，子梯度的产生，子梯度的产生， 解释了质子梯度是电子传递偶联氧化磷酸化形成解释了质子梯度是电子传递偶联氧化磷酸化形成解释了质子梯度是电子传递偶联氧化磷酸化形成解释了质子梯度是电子传递偶联氧化磷酸化形成ATPATPATPATP的关键。化学渗透假说将电子传递链和基粒在功能上联系起来的关键。化学渗透假说将电子传递链和基粒在功能上联系起来的关键。化学渗透假说将电子传递链和基粒在功能上联系起来的关键。化学渗透假说将电子传递链和基粒在功能上联系起来电子传递链在传递电子时起着质子泵作用，电子传递链在传递电子时起着质子泵作用，电子传递链在传递电子时起着质子泵作用，电子传递链在传递电子时起着质子泵作用， 能将能将能将能将H H H H+ + + +逆浓度梯度由基逆浓度梯度由基逆浓度梯度由基逆浓度梯度由基质腔泵至膜间腔，造成内膜两侧的质腔泵至膜间腔，造成内膜两侧的质腔泵至膜间腔，造成内膜两侧的质腔泵至膜间腔，造成内膜两侧的H H H H+ + + +浓度差。浓度差。浓度差。浓度差。 当膜间腔的当膜间腔的当膜间腔的当膜间腔的H H H H+ + + +经基粒经基粒经基粒经基粒中的质子通道回流时，驱动基粒中的质子通道回流时，驱动基粒中的质子通道回流时，驱动基粒中的质子通道回流时，驱动基粒ATPATPATPATP合成酶，催化合成酶，催化合成酶，催化合成酶，催化ADPADPADPADP磷酸化生成磷酸化生成磷酸化生成磷酸化生成ATPATPATPATPNADH+NADH+NADH+NADH+H H+ +NADNAD+ +2 2 2 2H H H H+ + + +1/2O+1/2O+1/2O+1/2O2 2 2 2H H H H2 2 2 2O O O OADP+PADP+PADP+PADP+Pi i i iATPATPATPATPH H H H+ + + +梯度梯度梯度梯度葡萄糖（葡萄糖（C C6 6）丙酮酸（丙酮酸（2 2C C3 3）乙酰辅酶乙酰辅酶A A（C C2 2）三羧酸三羧酸循循 环环糖酵解（细胞质）糖酵解（细胞质）线粒体基质线粒体基质线粒体基质线粒体基质电子传递链电子传递链2CO2CO2 2+8H+8H线粒体内膜线粒体内膜1/2O1/2O2 2H H2 2O O激活激活基粒基粒ATPATP合成酶合成酶ADP+PiADP+PiATPATP受氢体受氢体-2e-2eH H+ +跨膜梯度跨膜梯度H H+ +回流回流第五节第五节 线粒体与疾病线粒体与疾病一、线粒体是细胞病变或损伤的敏感指标一、线粒体是细胞病变或损伤的敏感指标 毒物、药物、缺血、缺氧、射线、微毒物、药物、缺血、缺氧、射线、微 波等有害因素均能引起线粒体的病变波等有害因素均能引起线粒体的病变二、线粒体异常导致机体能量代谢的失调二、线粒体异常导致机体能量代谢的失调三、线粒体结构和功能缺陷可以导致线粒三、线粒体结构和功能缺陷可以导致线粒 体疾病（体疾病（mitochondrial disordersmitochondrial disorders）一、线粒体疾病的特征一、线粒体疾病的特征1 1、高突变率：、高突变率：mtDNAmtDNA裸露，裸露， 无组蛋白无组蛋白包裹保护，包裹保护， 且缺乏且缺乏DNA DNA 损伤的修复系统，损伤的修复系统，故故mtDNAmtDNA突变率高。突变率高。 mtDNAmtDNA高突变高突变率造成个体及群体中率造成个体及群体中mtDNAmtDNA序列差异大序列差异大线粒体线粒体线粒体线粒体DNADNADNADNA突变率是核突变率是核突变率是核突变率是核DNADNADNADNA的的的的10-2010-2010-2010-20倍，倍，倍，倍， 已发已发已发已发现核基因组中有指导线粒体修复突变的基因现核基因组中有指导线粒体修复突变的基因现核基因组中有指导线粒体修复突变的基因现核基因组中有指导线粒体修复突变的基因2 2 2 2、多质性（、多质性（、多质性（、多质性（polyplasmypolyplasmypolyplasmypolyplasmy）：细胞内线粒体有成千上）：细胞内线粒体有成千上）：细胞内线粒体有成千上）：细胞内线粒体有成千上万个万个万个万个mtDNAmtDNAmtDNAmtDNA拷贝，在细胞分裂时被随机分配到子细胞拷贝，在细胞分裂时被随机分配到子细胞拷贝，在细胞分裂时被随机分配到子细胞拷贝，在细胞分裂时被随机分配到子细胞中，中，中，中，mtDNAmtDNAmtDNAmtDNA发生突变，将造成一个细胞中同时存在野发生突变，将造成一个细胞中同时存在野发生突变，将造成一个细胞中同时存在野发生突变，将造成一个细胞中同时存在野生型序列和突变型序列的生型序列和突变型序列的生型序列和突变型序列的生型序列和突变型序列的mtDNAmtDNAmtDNAmtDNA即多质性线粒体共存即多质性线粒体共存即多质性线粒体共存即多质性线粒体共存3 3 3 3、母系遗传（、母系遗传（、母系遗传（、母系遗传（maternal inheritancematernal inheritancematernal inheritancematernal inheritance）：受精卵的）：受精卵的）：受精卵的）：受精卵的mtDNAmtDNAmtDNAmtDNA都是来自卵子，都是来自卵子，都是来自卵子，都是来自卵子， 只有母亲的只有母亲的只有母亲的只有母亲的mtDNAmtDNAmtDNAmtDNA能传递给她能传递给她能传递给她能传递给她的子女，父亲的则不能。突变的的子女，父亲的则不能。突变的的子女，父亲的则不能。突变的的子女，父亲的则不能。突变的mtDNAmtDNAmtDNAmtDNA也由母亲传递也由母亲传递也由母亲传递也由母亲传递4 4 4 4、阈值效应（、阈值效应（、阈值效应（、阈值效应（threshold effectthreshold effectthreshold effectthreshold effect）：突变）：突变）：突变）：突变的的的的mtDNAmtDNAmtDNAmtDNA必须达到阈值时才表现出病理症状必须达到阈值时才表现出病理症状必须达到阈值时才表现出病理症状必须达到阈值时才表现出病理症状mtDNAmtDNA突变突变ATPATP产量减少产量减少影响高需能影响高需能组织、器官组织、器官神经组织、骨骼肌、心脏、肝脏神经组织、骨骼肌、心脏、肝脏二、二、mtDNAmtDNA突变所致的疾病突变所致的疾病 碱基替换突变碱基替换突变 mtDNAmtDNA缺失缺失- -插入突变插入突变三、线粒体与癌症发生三、线粒体与癌症发生四、线粒体与细胞凋亡四、线粒体与细胞凋亡