导图社区 线粒体与细胞能量转换
医学细胞生物学第六章、在细胞质基质中进行，1分子葡萄糖分解生成2分子丙酮酸，释放部分自由能，生成2分子ATP(水平磷酸化)、2分子NADH和H+。
本图是对细胞生物学之细胞内遗传信息的传递及调控的知识梳理，内容涵盖人类对基因的认识和探索过程、基因及其结构、基因转录和转录后加工三部分，本专业和有兴趣的朋友们不要错过。
细胞核(nucleus)是真核细胞内最大、最重要的细胞结构，是细胞遗传与代谢的调控中心，是真核细胞区别于原核细胞最显著的标志之一（极少数真核细胞无细胞核，如哺乳动物的成熟的红细胞，高等植物成熟的筛管细胞等）
医学细胞生物学，详细的总结了细胞骨架。微管，中间纤维，微丝的内容点。帮助小伙伴快速掌握医学细胞生物学的内容要点！
社区模板帮助中心，点此进入>>
论语孔子简单思维导图
《傅雷家书》思维导图
《童年》读书笔记
《茶馆》思维导图
《朝花夕拾》篇目思维导图
《昆虫记》思维导图
《安徒生童话》思维导图
《鲁滨逊漂流记》读书笔记
《这样读书就够了》读书笔记
妈妈必读：一张0-1岁孩子认知发展的精确时间表
线粒体与细胞能量转换
线粒体的基本特征
发现与研究
1890年 Altmann 动物细胞 颗粒体结构
1897年 Benda 正式命名 线粒体
1912年 Engelhardt ATP氧化磷酸化相偶联及电子传递
1961年 Mitchell氧化磷酸化的化学渗透假说
1963年 Nass线粒体DNA 线粒体遗传
线粒体的形态、数量和结构
不同类型或不同生理状态的细胞，线粒体的形态、大小、数目及排列分布并不相同，是一个敏感多变的细胞器，对细胞环境的变化非常敏感，随细胞内外环境变化而变化
形态特征
低渗情况下，膨胀如泡状，高渗情况下，伸长为线状
胚胎肝细胞的线粒体：发育早期短棒状，发育晚期长棒状（杆状）
酸性环境下膨胀，碱性环境下粒状
直径：0.5~1.0μm
数量范围
最少的细胞只含1个线粒体，最多的达50万个
代谢旺盛时，线粒体数量较多，反之线粒体的数量则较少
分布特点
分布于细胞生理功能旺盛的区域和需要能量较多的部位
线粒体在细胞质中的迁移运动以微管为轨道、由马达蛋白提供动力完成
电镜下的超微结构
电镜下线粒体是由两层单位膜套叠形成的封闭性膜囊结构，外膜较光滑，起界膜的作用，内膜向线粒体基质内折叠、延伸形成线粒体嵴
外膜是线粒体外层单位膜
外膜
单位膜，厚度≈5~7nm
蛋白质与脂质的比例为1:1
平整、光滑、封闭成囊
孔蛋白
转运分子量低于10KDa的蛋白及 ATP等小分子自由通过
蛋白分子量>10KDa，依靠内外膜蛋白质转运体协助
标志酶
单胺氧化酶
内膜的内表面附着许多颗粒
内膜
单位膜，比外膜稍薄，平均厚4.5nm
20%是脂类，80%是蛋白质
嵴
内膜上有大量向内腔突起的折叠
嵴间腔
嵴与嵴之间的内腔部分
嵴内空间
由于嵴向内腔突进造成的外腔向内伸入的部分
内膜的通透性极差
分子量大于150的物质不能通过
内膜的选择透过性高
膜上的转运蛋白控制内、外腔的物质交换，以保证活性物质的代谢
细胞色素氧化酶
膜间隙是线粒体外膜与内膜之间形成的腔隙
膜间隙
线粒体外膜与内膜之间形成的腔隙，宽6~8nm
由于线粒体外膜通透性高，内膜通透性低，膜间隙中所含物质种类和数量介于细胞质与线粒体基质之间
含有多种反应底物、可溶性蛋白质(酶)和辅助因子等
腺苷酸激酶
转位接触点是物质运输到线粒体的临时性结构
转位接触点
在线粒体的内、外膜上存在的一些内膜与外膜相互接触的地方，此处膜间隙变狭窄，称为转位接触点
组成分子
外膜转位子（Tom）---受体蛋白
内膜转位子（Tim）---通道蛋白
主要功能
蛋白质等物质进出线粒体的通道
基质是氧化代谢的场所
基质
由内膜封裹形成的囊腔
富含可溶性蛋白的无定形胶质溶液，具有特定PH和渗透压
化学组极其复杂，含TAC循环及脂肪酸氧化、氨基酸分解等化学反应的酶、蛋白质；线粒体DNA、RNA、核糖体等
苹果酸脱氢酶
基粒的化学本质是ATP合酶
基粒
内膜（包括嵴）的内表面附着许多突出于内腔的颗粒，每个线粒体大约有10⁴~10⁵个
结构
由多种蛋白质亚基组成
头部
圆球形，突入内腔中
基片
嵌于内膜中
柄部
将头部与基片相连
功能
基粒头部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，又称ATP合酶复合体
化学组成
蛋白质
占65%-70%，分布在膜和基质中
主要类型
可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白
不溶性蛋白：膜结构蛋白和部分酶
脂类
占25%-30%，主要是磷脂
外膜磷脂含量为内膜3倍
内膜胆固醇含量不足外膜的1/6
其他
含有DNA和完整的遗传系统
多种辅酶（如CoQ、FMN、FAD和NAD+等）、维生素和各类无机离子
线粒体的主要功能
基本功能
氧化磷酸化
营养物质在线粒体内氧化并与磷酸化耦联生成ATP是线粒体的主要功能
摄取和释放Ca2+
线粒体还在摄取Ca2+和释放Ca2+中起着重要的作用，线粒体和内质网一起共同调节胞质中的Ca2+浓度，从而调节细胞的生理活动
参与细胞死亡
在某些情况下，线粒体是细胞死亡的启动环节；而在另一些情况下，线粒体则仅仅是细胞死亡的一条“通路”
细胞呼吸与能量转换
细胞呼吸
在特定细胞器(主要是线粒体)内，在O2的参与下，分解各种大分子物质，细胞质 产生CO2
与此同时，分解代谢所释放出的能量储存于ATP中的过程，称为细胞呼吸， 线粒体 也称生物氧化或细胞氧化
细胞呼吸的特点
本质上是在线粒体中进行的一系列由酶系所催化的氧化还原反应
所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中
整个反应过程是分步进行的，能量也是逐步释放的
反应是在恒温（37℃）和恒压条件下进行的
反应过程中需要H2O的参与
葡萄糖在细胞中氧化释放能量的步骤
①⑥⑦⑧⑨葡萄糖在细胞质中进行糖酵解分解成丙酮酸
在细胞质基质中进行，1分子葡萄糖分解生成2分子丙酮酸，释放部分自由能， 生成2分子ATP(水平磷酸化)、2分子NADH和H+
底物水平磷酸化：由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP的作用
②NADH和H+通过穿梭机制进入线粒体
糖酵解过程产生的NADH和H+，，不能透过线粒体内膜，必须借助线粒体内膜上特异性穿梭机制进入线粒体
③丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA
有氧呼吸时，丙酮酸进入线粒体基质中，经一系列分解代谢生成1分子乙酰CoA 产生1分子的NADH和H+以及1分子CO2
④乙酰CoA在线粒体基质中进行三羧酸循环
乙酰CoA+草酰乙酸→柠檬酸→草酰乙酸
最终产物
2分子GTP→ATP
6分子NADH和H+
2分子FADH2
4分子CO2
⑤氧化磷酸化耦联与ATP形成
呼吸链
代谢物脱下的成对H+通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最后与氧结合 生成水，此传递过程称为呼吸链。参加呼吸链的酶及辅酶按一定顺序在线粒体内膜上排列，进行氢和电子的传递，故又称为电子传递链
电子传递链Ⅰ
电子传递链Ⅱ
电子载体
黄素蛋白
铁硫蛋白
泛醌
细胞色素
铜原子
电子传递复合物
复合物Ⅰ
NADH-CoQ还原酶复合体（电子传递体、质子泵）
是呼吸链中最大、最复杂的脂蛋白复合体
组成：含42条多肽链，二聚体，每个单体可包括6个Fe-S中心，1分子黄素单核苷酸（FMN）
作用：催化NADH氧化，获得2个电子传递给CoQ，同时将4个H+由线粒体基质转移至膜间隙
复合物Ⅱ
琥珀酸-CoQ还原酶复合体（电子传递体）
组成：含4条多肽链，含1个FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）辅基，3个Fe-S中心，1个cytb
作用：催化FADH2（还原型黄素二核苷酸）氧化；获得2个电子从琥珀酸转至CoQ，但不转移质子
复合物Ⅲ
CoQ-细胞色素c还原酶复合体（电子传递体、质子泵）
组成：含10条多肽链，二聚体；每个单体包括1个Fe-S中心，2个 cytb，1个cytc1
作用：催化电子从CoQ传给cytc；每转移2个电子，同时将4个H+由线粒体基质泵至膜间隙
复合物Ⅳ
细胞色素C氧化酶复合体（电子传递体、质子泵）
组成：含13条多肽链，二聚体，每个单体包含1个cyta，cyta3，2个Cu原子
作用：将从细胞色素C接受的电子传给O2形成H₂O；每转移2个电子，在基质侧消耗2个H+，同时转移2个H+至膜间隙
连接因子
CoQ（辅酶Q）
cytc（细胞色素c）
ATP合酶
基本结构
具有催化活性的外周蛋白，称F1因子或F1-ATPase
呈杆状，是连接F0与F1的结构，属于F1，具有质子转运活性，与寡霉素结合后可阻 断质子通道，抑制ATP合成
基部
嵌入内膜的疏水蛋白，称F0因子或F0-ATPase
分子结构
F1因子
由5种类型（ɑβγδε）的9个亚基组成
ɑ和β是表现酶活性的主要部分，呈交替排列，每个β有1个ATP合成的催化位点
γ和ε亚基相连，γ、ε、c亚基结合形成“转子”，ε亚基有抑制酶水解ATP及堵塞H+通道，减少H+泄漏的功能
F0因子
由9种亚基（ab2c10-12）组成
a亚基中有H+通道，c亚基被a亚基提供的质子流驱动而旋转
F0（a、b亚基）和F1（δ）组成ATP合酶的“定子”结构
各亚基分离时F1无活性，结合时F1有活性
氧化磷酸化耦联
电子传递过程中释放出的能量被F0F1ATP合酶用来催化ADP磷酸化而合成 ATP，ATP生成部位即是氧化磷酸化偶联部位
化学渗透假说主要论点
三羧酸循环中底物脱下氢以NAD+或FAD为受氢体，还原生成NADH、FADH2和H+
H+不能自由通过线粒体内膜
当NADH和FADH2携带具有高能电子的原子沿内膜呼吸链传递时，能级逐渐下降 过程中释放能量，并将H+由线粒体内膜基质侧跨膜泵向线粒体膜间隙
线粒体膜间隙的H+浓度高于内膜，形成内膜内、外两侧的电化学质子梯度
线粒体膜间隙H+穿过内膜上的ATP合酶回流到线粒体基质，促使ATP合酶催化ADP与Pi合成ATP，完成氧化磷酸化过程，实现能量的转换
ATP合酶的工作机制
“结合变构机制”——Boyer 1979
松散构象（L态）
紧密构象（T态）
开放构象（O态）
线粒体与疾病
由线粒体功能障碍所引起的疾病称为线粒体病
线粒体的起源
线粒体的起源假说
目前普遍接受的线粒体起源假说为内共生学说，认为线粒体可能起源于与古老厌氧真核细胞共生的早期细菌
线粒体的遗传体系
线粒体DNA
特点
通常是裸露的，不与组蛋白结合。人类线粒体基因组共编码37个基因
存在部位
线粒体基质内或依附于线粒体内膜
数量
一个线粒体内往往有1至数个tDNA分子，平均为5~10个
编码产物
线粒体的tRNA、rRNA及一些线粒体蛋白质
基因组结构
为一条双链环状的DNA分子，双链中一为重链(H)，一为轻链(L)，重链和轻链上的编码产物各不相同。与核基因组相比，线粒体基因组有很少非编码的序列
线粒体DNA的复制
类似于原核细胞
复制起点
轻链的复制要晚于重链
1个重链复制起始点：控制重链自我复制
1个轻链复制起始点：控制轻链自我复制
合成方向
轻链顺时针
重链逆时针
复制的调控
复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期的静止期或间期，甚至可分布在整个细胞周期
线粒体的半自主性
线粒体的自主性体现
线粒体内含有DNA分子和完整的遗传信息传递和表达体系
线粒体内能够进行遗传信息的复制、转录和翻译，体现了线粒体蛋白质前体 的自主性
线粒体的非自主性体现
线粒体的融合与分裂
线粒体分裂的分子基础
dynamin（dnm）发动蛋白家族
动、植物细胞中均可见到频繁的线粒体融合与分裂的现象，被认为是线粒体数目调控的基础
生物学意义
细胞应对生命活动的需求对线粒体进行“排兵布阵”
线粒体间共享遗传信息的重要途径
线粒体增殖的主要方式
分裂方式
出芽分裂
收缩分裂
间壁分裂
线粒体的分裂都不是绝对均等的
在同一线粒体中，可能存在有不同类型的mtDNA，随机地分配到新的线粒体中
另一方面线粒体分裂还受到细胞分裂的影响
线粒体融合的分子基础
模糊的葱头
野生型果蝇精细胞发育过程中，细胞内的线粒体发生聚集并融合形成一个大体积的球形线粒体。线粒体膜系统呈同心圆排列
线粒体融合素 哺乳动物
