第十章線粒體與氧化磷酸化ppt課件

1、第十章第十章 線粒體與氧化磷酸化線粒體與氧化磷酸化 第一節(jié)第一節(jié) 線粒體的形態(tài)、大小和分布線粒體的形態(tài)、大小和分布光鏡下為線狀或粒狀，電鏡下為光鏡下為線狀或粒狀，電鏡下為“香腸狀，形態(tài)香腸狀，形態(tài)和大小可變。和大小可變。數(shù)量和分布：動物細(xì)胞比植物細(xì)胞多，代謝旺盛的數(shù)量和分布：動物細(xì)胞比植物細(xì)胞多，代謝旺盛的細(xì)胞多；一般隨機(jī)分布，可自由移動，需能部位細(xì)胞多；一般隨機(jī)分布，可自由移動，需能部位比較集中。比較集中。精子尾巴精子尾巴橫紋肌橫紋肌線粒體線粒體 脯乳類培養(yǎng)細(xì)胞的線粒體光鏡照片用活性熒光染料rhodamine 123染色，示線粒體長棒狀。上一細(xì)胞用熒光素標(biāo)記的微管結(jié)合抗體染色的上一細(xì)胞用熒光

2、素標(biāo)記的微管結(jié)合抗體染色的免疫熒光照片免疫熒光照片與上一照片相比，可知線粒體傾向于沿著微管與上一照片相比，可知線粒體傾向于沿著微管排列排列線粒體的線粒體的超微結(jié)構(gòu)超微結(jié)構(gòu) 第二節(jié)第二節(jié) 線粒體的超微結(jié)構(gòu)線粒體的超微結(jié)構(gòu)電鏡下由雙層膜圍成的一個封閉的長囊式結(jié)構(gòu)。電鏡下由雙層膜圍成的一個封閉的長囊式結(jié)構(gòu)。由四大部分組成：由四大部分組成：1、線粒體外膜：一層單位膜，其上的孔可讓、線粒體外膜：一層單位膜，其上的孔可讓10KD以下以下的分子通過。的分子通過。2、線粒體內(nèi)膜：、線粒體內(nèi)膜：對物質(zhì)透性低，通過專一性運(yùn)載系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)對物質(zhì)透性低，通過專一性運(yùn)載系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸。內(nèi)膜向內(nèi)室的伸出部分稱為嵴，其形

3、運(yùn)輸。內(nèi)膜向內(nèi)室的伸出部分稱為嵴，其形狀和數(shù)量可變，其作用是增大內(nèi)膜的表面積狀和數(shù)量可變，其作用是增大內(nèi)膜的表面積和內(nèi)膜的代謝率。和內(nèi)膜的代謝率。嵴上的圓球狀顆粒稱為基本顆?；蜥丈系膱A球狀顆粒稱為基本顆?；騀1顆?；蝾w粒或F1因子，也稱因子，也稱F1-ATP酶，內(nèi)膜中與酶，內(nèi)膜中與F1因子結(jié)合因子結(jié)合的蛋白稱為的蛋白稱為F0因子，其復(fù)合體稱為因子，其復(fù)合體稱為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聯(lián)作用，將化中起偶聯(lián)作用，將H+梯度勢能轉(zhuǎn)化為梯度勢能轉(zhuǎn)化為ATP。內(nèi)膜內(nèi)膜頭部頭部3、膜間隙：、膜間隙：內(nèi)外膜間的空隙。嵴內(nèi)的空間稱為嵴內(nèi)間隙，內(nèi)

4、外膜間的空隙。嵴內(nèi)的空間稱為嵴內(nèi)間隙，兩者相通，充滿液體，并含有可溶性酶、兩者相通，充滿液體，并含有可溶性酶、底物和輔助因子。底物和輔助因子。4、 線粒體基質(zhì)：線粒體基質(zhì)：內(nèi)膜包圍的空間，充滿膠狀物質(zhì)。主要成分：內(nèi)膜包圍的空間，充滿膠狀物質(zhì)。主要成分：酶、核糖體、環(huán)狀酶、核糖體、環(huán)狀DNA、RNA、離子，線、離子，線粒體也為鈣離子儲存器，具有控制細(xì)胞質(zhì)粒體也為鈣離子儲存器，具有控制細(xì)胞質(zhì)中鈣離子濃度的作用。中鈣離子濃度的作用。 第三節(jié)第三節(jié) 線粒體化學(xué)組成線粒體化學(xué)組成外膜，蛋白：脂類外膜，蛋白：脂類=1：1；內(nèi)膜，蛋白：脂類內(nèi)膜，蛋白：脂類=4：1。線粒體中約含線粒體中約含120多種酶。主要

5、為氧化還多種酶。主要為氧化還原酶、合成酶、水解酶。各大組成部分原酶、合成酶、水解酶。各大組成部分有標(biāo)志酶。有標(biāo)志酶。 外膜外膜 膜間隙膜間隙 內(nèi)膜內(nèi)膜 基質(zhì)基質(zhì) 單胺氧化酶，腺苷酸激酶，細(xì)胞色素氧化單胺氧化酶，腺苷酸激酶，細(xì)胞色素氧化酶，蘋果酸還原酶酶，蘋果酸還原酶 第四節(jié)第四節(jié) 線粒體的功能線粒體的功能功能：氧化磷酸化，產(chǎn)生功能：氧化磷酸化，產(chǎn)生ATP，儲積鈣離子。，儲積鈣離子。 （一氧化磷酸化的過程或分區(qū)）（圖（一氧化磷酸化的過程或分區(qū)）（圖10-10），），三大階段：三大階段：蛋白、糖、脂蛋白、糖、脂 丙酮酸丙酮酸 三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán) NADH 呼吸鏈呼吸鏈第一階段第一階段(細(xì)胞質(zhì)中細(xì)

6、胞質(zhì)中) 第二階段第二階段(mit基質(zhì)中基質(zhì)中) 第三階段第三階段(內(nèi)膜內(nèi)膜) 提供一對電子和一個提供一對電子和一個H+（二電子傳遞和氧化磷酸化的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（二電子傳遞和氧化磷酸化的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究工具研究工具亞線粒體小泡。亞線粒體小泡。 超聲波超聲波段段 內(nèi)外膜均破內(nèi)外膜均破 內(nèi)膜自然形成內(nèi)翻內(nèi)膜自然形成內(nèi)翻外小泡外小泡 亞 線 粒 體亞 線 粒 體小泡小泡 蛋白酶處理蛋白酶處理 亞線粒體小泡亞線粒體小泡調(diào)節(jié)條件調(diào)節(jié)條件基本顆?；绢w粒(耦耦聯(lián)因子聯(lián)因子F）Mt電子傳遞電子傳遞+氧化氧化磷酸化磷酸化電子傳遞電子傳遞電子傳遞電子傳遞+氧化氧化磷酸化磷酸化n實(shí)驗結(jié)論：由實(shí)驗結(jié)論：由NADH脫氫

7、酶至細(xì)胞色素氧化脫氫酶至細(xì)胞色素氧化酶的整個電子傳遞鏈存在于膜本身，而氧化酶的整個電子傳遞鏈存在于膜本身，而氧化磷酸化作用卻由基本顆粒磷酸化作用卻由基本顆粒ATP酶復(fù)合物酶復(fù)合物來承擔(dān)。來承擔(dān)。1、電子傳遞鏈呼吸鏈）、電子傳遞鏈呼吸鏈）電子傳遞鏈由結(jié)合在內(nèi)膜上的許多酶和其他分電子傳遞鏈由結(jié)合在內(nèi)膜上的許多酶和其他分子所組成，承擔(dān)著電子傳遞的作用。組成該子所組成，承擔(dān)著電子傳遞的作用。組成該鏈的分子可分成鏈的分子可分成4大類：黃素蛋白、鐵硫蛋白、大類：黃素蛋白、鐵硫蛋白、輔酶輔酶Q和細(xì)胞色素。和細(xì)胞色素。這些呼吸鏈的主要成分以復(fù)合物的形式包埋在這些呼吸鏈的主要成分以復(fù)合物的形式包埋在內(nèi)膜中，內(nèi)膜

8、中，4種復(fù)合物種復(fù)合物、 。復(fù)合。復(fù)合物物、 組成一條主呼吸鏈，催化組成一條主呼吸鏈，催化NADH的氧化；復(fù)合物的氧化；復(fù)合物、 組成另一組成另一條呼吸鏈，催化琥珀酸的氧化。條呼吸鏈，催化琥珀酸的氧化。兩條主要的呼吸鏈引自兩條主要的呼吸鏈引自Lodish等等2019） 2、ATP合成酶合成酶在氧化磷酸化過程中起耦聯(lián)作用的結(jié)構(gòu)是內(nèi)膜在氧化磷酸化過程中起耦聯(lián)作用的結(jié)構(gòu)是內(nèi)膜上的上的ATP合成酶或合成酶或ATP酶復(fù)合物，即酶復(fù)合物，即F0-F1耦聯(lián)因子。耦聯(lián)因子。由由16條肽鏈組成，分子量條肽鏈組成，分子量500 kD。結(jié)構(gòu)上分為。結(jié)構(gòu)上分為頭部頭部F1 ATP酶和膜部酶和膜部F0因子）。因子）。n

9、（1頭部：即頭部：即F1因子，因子，10條多肽構(gòu)成，分離下條多肽構(gòu)成，分離下來后，可以水解來后，可以水解ATP。n（2柄部：連接柄部：連接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），為寡霉素敏感性傳受因子的伸出部分），為寡霉素敏感性傳受蛋白，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，多條多肽鏈。因子，多條多肽鏈。F0因子的因子的功能和傳遞質(zhì)子有關(guān)，是質(zhì)子載體，可專一性功能和傳遞質(zhì)子有關(guān)，是質(zhì)子載體，可專一性地傳遞質(zhì)子。地傳遞質(zhì)子。3、氧化磷酸化的耦聯(lián)機(jī)制、氧化磷酸化的耦聯(lián)機(jī)制葡萄糖葡萄糖

10、丙酮酸、丙酮酸、NADH、H 電子傳遞鏈傳給電子傳遞鏈傳給O2） ATP電子傳遞與氧化磷酸化相偶聯(lián)電子傳遞與氧化磷酸化相偶聯(lián)n電子傳遞鏈呼吸鏈）：一對電子電子傳遞鏈呼吸鏈）：一對電子3次跨膜，向次跨膜，向外室排放外室排放3對對H+，結(jié)果合成了，結(jié)果合成了3個個ATP分子。分子。n偶聯(lián)假說：電子傳遞與偶聯(lián)假說：電子傳遞與ATP合成的偶聯(lián)機(jī)制目合成的偶聯(lián)機(jī)制目前仍不清楚。三個相關(guān)假說：化學(xué)偶聯(lián)假說；前仍不清楚。三個相關(guān)假說：化學(xué)偶聯(lián)假說；構(gòu)象偶聯(lián)假說；化學(xué)滲透假說。證據(jù)較多的是構(gòu)象偶聯(lián)假說；化學(xué)滲透假說。證據(jù)較多的是化學(xué)滲透假說?；瘜W(xué)滲透假說。 nMitchell P.1961提出提出“化學(xué)滲透假

11、說化學(xué)滲透假說(Chemiosmotic Hypothesis)”，70年代關(guān)年代關(guān)于化學(xué)滲透假說取得大量實(shí)驗結(jié)果的支持，于化學(xué)滲透假說取得大量實(shí)驗結(jié)果的支持，成為一種較為流行的假說，成為一種較為流行的假說，Mitchell本人也本人也因此獲得因此獲得1978年諾貝爾化學(xué)獎。年諾貝爾化學(xué)獎。化學(xué)滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說 胞質(zhì)胞質(zhì)外膜外膜基質(zhì)基質(zhì)膜間隙膜間隙內(nèi)膜內(nèi)膜n化學(xué)滲透假說的要點(diǎn)：化學(xué)滲透假說的要點(diǎn)：5個要點(diǎn)個要點(diǎn)P304-305）nNADH提供一對電子，經(jīng)電子傳遞鏈，最提供一對電子，經(jīng)電子傳遞鏈，最后為后為O2所接受。所接受。n電子傳遞鏈中載氫體和電子傳遞體相間排電子傳遞鏈中載氫體和電子傳遞

12、體相間排列。每當(dāng)電子由載氫體傳向電子傳遞體時，列。每當(dāng)電子由載氫體傳向電子傳遞體時，載氫體的氫即以載氫體的氫即以H+的形式釋放到內(nèi)膜外，的形式釋放到內(nèi)膜外，1對電子在呼吸鏈中對電子在呼吸鏈中3次穿膜運(yùn)動，向外室排放次穿膜運(yùn)動，向外室排放了了3對質(zhì)子。對質(zhì)子。內(nèi)膜對內(nèi)膜對H+H+和和OH-OH-具有不可透性，所以隨著電子傳具有不可透性，所以隨著電子傳遞過程的進(jìn)行，遞過程的進(jìn)行，H+H+在外室中積累，造成了膜兩在外室中積累，造成了膜兩側(cè)的質(zhì)子濃度差，從而保持了一定的勢能差。側(cè)的質(zhì)子濃度差，從而保持了一定的勢能差。外室中的質(zhì)子有順濃度差返回基質(zhì)的傾向，當(dāng)外室中的質(zhì)子有順濃度差返回基質(zhì)的傾向，當(dāng)H+H

13、+通過通過F1-F0F1-F0復(fù)合物進(jìn)入基質(zhì)時，復(fù)合物進(jìn)入基質(zhì)時，ATPATP酶利用這種酶利用這種勢能合成了勢能合成了ATPATP。 F1-F0 F1-F0復(fù)合物需要復(fù)合物需要2 2個質(zhì)子合成一個個質(zhì)子合成一個ATPATP分子。分子。外室外室基質(zhì)基質(zhì)內(nèi)膜內(nèi)膜在高能電子穿過呼吸鏈過程中，在高能電子穿過呼吸鏈過程中，3 3個呼吸酶復(fù)合物利用電子勢能個呼吸酶復(fù)合物利用電子勢能將質(zhì)子從基質(zhì)抽提到外室中。將質(zhì)子從基質(zhì)抽提到外室中。質(zhì)子的電化學(xué)梯度驅(qū)動質(zhì)子的電化學(xué)梯度驅(qū)動H+H+經(jīng)經(jīng)ATPATP合成酶返回基質(zhì)，合成酶返回基質(zhì)，ATPATP合成酶則利合成酶則利用用H+H+流的能量催化基質(zhì)中的流的能量催化基質(zhì)

14、中的ADPADP和和PiPi合成合成ATPATP。n化學(xué)滲透假說的證據(jù)：化學(xué)滲透假說的證據(jù)：nA A：隨電子傳遞進(jìn)行，外室酸性增加。（：隨電子傳遞進(jìn)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+離子載體纈氨霉素）。離子載體纈氨霉素）。K+K+離子通過纈氨霉素到基質(zhì)中，使基質(zhì)中的離子通過纈氨霉素到基質(zhì)中，使基質(zhì)中的K+K+升高，消除了內(nèi)膜兩邊的電荷差，結(jié)果升高，消除了內(nèi)膜兩邊的電荷差，結(jié)果不能合成不能合成ATPATP。nC C：鹽細(xì)菌的視紫質(zhì)：鹽細(xì)菌的視紫質(zhì)H+H+泵和泵和F1-F0F1-F

15、0因子同因子同時組裝到脂質(zhì)體中，能合成時組裝到脂質(zhì)體中，能合成ATPATP。 第五節(jié)第五節(jié) 線粒體的半自主性線粒體的半自主性線粒體是一種半自主性細(xì)胞器，在其基質(zhì)線粒體是一種半自主性細(xì)胞器，在其基質(zhì)中含有環(huán)狀中含有環(huán)狀DNA分子和蛋白質(zhì)的合成機(jī)分子和蛋白質(zhì)的合成機(jī)構(gòu)。其構(gòu)。其DNA有為多種多肽以及所需有為多種多肽以及所需rRNA、tRNA編碼的基因。線粒體在核編碼的基因。線粒體在核DNA和線粒體和線粒體DNA的雙重控制下活動。的雙重控制下活動。 n線粒體的生長與增殖所需要的大部分蛋白線粒體的生長與增殖所需要的大部分蛋白質(zhì)是由核基因編碼、在細(xì)胞質(zhì)中合成的，質(zhì)是由核基因編碼、在細(xì)胞質(zhì)中合成的，僅有少部分蛋白質(zhì)是由其自身基因編碼、僅有少部分蛋白質(zhì)是由其自身基因編碼、在線粒體內(nèi)合成的。在線粒體內(nèi)合成的。 第六節(jié)第六節(jié) 線粒