线粒体与细胞的能量转换
细胞生物习题第五章线粒体及细胞内的能量转换
细胞生物习题第五章线粒体及细胞内的能量转换第六章线粒体及细胞内的能量转换一、选择题1．可在光学显微镜下见到的结构是A、微粒体B、基粒C、溶酶体D、线粒体E、过氧物酶体２．由两层单位膜围成的细胞器是A、高尔基复合体B、溶酶体C、线粒体D、内质网E、过氧物酶体３．真核细胞的核膜外DNA存在于A、核膜B、线粒体C、内质网D、核糖体E、过氧物酶体４．动物细胞中含有DNA分子并能产生ATP的细胞器是A、中心体B、溶酶体C、核糖体Ｄ、线粒体E、过氧物酶体５．线粒体半自主性的一个重要方面体现于下列那一事实A、线粒体ＤＮＡ能独立复制B、线粒体含有核糖体C、在遗传上由线粒体基因组和细胞核基因组共同控制D、线粒体ＤＮＡ与细胞核ＤＮＡ的遗传密码有所不同E、线粒体ＤＮＡ是裸露的６．关于线粒体的结构哪一种说法是不正确的A、是由单层膜包裹而成的细胞器B、是由双层单位膜封闭的细胞器C、线粒体嵴上有许多基粒D、是含ＤＮＡ的细胞器E、是含核糖体的细胞器７．线粒体的功能是A、蛋白质合成场所B、营养和保护作用C、细胞的供能中心D、物质储存与加工E、消化场所8．下列细胞中含线粒体最多的是A、上皮细胞B、心肌细胞C、成熟红细胞D、成纤维细胞E、淋巴细胞9.合成A TP的关键部位是A、线粒体嵴B、线粒体基粒C、线粒体基粒的头部D、线粒体基粒的柄部E、线粒体基粒的基片10.具有“动力站”之称的细胞器是A、中心体B、溶酶体C、核糖体D、线粒体E、高尔基复合体11.真核细胞的核膜外DNA存在于A、核膜B、线粒体C、内质网D、核糖体E、过氧物酶体12.被称为细胞内能量货币的是（）A、ATPB、ADPC、AMPD、GTP13.下列哪种细胞器以分裂方式增殖（）A、线粒体B、高尔基体C、溶酶体D、内质网14.下列哪种配对是错误的( )A、ATP----三磷酸腺苷B、SRP----滑面内质网C、mtDNA----线粒体DNAD、MPF----有丝分裂促进因子15.除了细胞核外，动物细胞中还含有DNA的细胞器是A、线粒体B、高尔基复合体C、内质网D、核糖体16.线粒体具有半自主性，其中，自主性体现于下列哪一事实。
线粒体与细胞的能量转换
有机物氧化时需O2分解成无机物（CO2 H2O）
细胞呼吸(cellular respiration) ：细胞利用氧氧化有机 物成为无机物（CO2 H2O），同时释放能量的过程。与 动物中呼吸现象相似，也称为生物氧化(biological oxidation) 或细胞氧化(cellular oxidation)。 细胞获能与非细胞获能的区别： 本质上无区别
①发现：1894年，德· Altmann发现，基本形状为线状、粒状
的颗粒，变形为哑铃型、分枝型；1897年Benda命名为线粒体， 所有真核细胞都有线粒体。大小? ②数目：数百上千, 数目与功能相关，心肌、肝脏、骨骼肌含 量丰富，淋巴细胞中线粒体少至只有几个 脑部？
③位置：分泌腺细胞中线粒体围绕分泌泡，肌细胞中线粒体围
4CO2 +6NADH+6H+ 2+ 2FADH+2HSCoA+2ATP 1分子的葡萄糖经无氧氧化、 丙酮酸脱氢和TAC循环， 共产生了6分子的CO2和 12对高能H、 4分子ATP
6．三羧酸循环能量储存方式：
① 以高能磷酸键直接生成2ATP ②以高能氢原子（4对H）一般认为是高能电子，由 NAD+和FAD+携带
②转运过程：
蛋白质合成后→分子伴侣去折叠（HSP70、HSP60、HSP10； NAC)→导肽引导,ATP水解→内外膜转位接触点，ATP水解→穿 膜（电荷引力和分子绞力）→导肽切除,分子伴侣帮助折叠。
第三节 细胞呼吸与能量转换
一、引言 ：非细胞细胞获能量：
燃烧有机物
化学能变热能、光能等
本质是物质氧化反应，释放化学能
转运条件：
导肽(1eader sequence)。N端一段20~80个氨基酸序列，富含带正电 荷氨基酸和疏水氨基酸，形成一边正电荷一边是疏水的螺旋 结构。线粒体基质腔带负电多，电荷引力！ ②内外膜转位接触点：成孔膜蛋白形成通道 ③分子伴侣(molecular chaperone)：热休克蛋白(heat shock protein， HSP )类：HSP70、HSP60、HSP10；新生多肽相关复合物 (nascent associated complex，NAC), ATP。
第六章线粒体和细胞的能量转换
·线粒体DNA通常是裸露的，不与组蛋白结合。 ·存在与线粒体基质内或依附于线粒体内膜。 ·每个线粒体内平均含有5-10个线粒体DNA分子。 ·主要编码线粒体tRNA、rRNA及一些线粒体蛋白质。
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线粒体基因组序列（剑桥序列），为一条双链环 状DNA分子，一条为重链，一条为轻链。 人类线粒体基因组 共编码了37个基因： 2种rRNA(12s,16s) 22种tRNA 13种mRNA(多肽)
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线粒体的化学组成
线粒体干重的主要成分是蛋白质和脂类，分别 占65%-70%和25%-30%。 此外线粒体中还含有DNA和完整的遗传系统， 多种辅酶、维生素和各类无机离子。
线粒体的遗传体系
线粒体DNA（mtDNA）构成了线粒体基因组。
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医学细胞生物学
Medical Cell Biology
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第六章 线粒体和细胞的能量转换
第一节 线粒体的基本特征
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·在光镜下，线粒体呈线状、粒状或杆状，直径0.5-1um。 ·不同类型或不同生理状态的细胞，线粒体形态、大小、 数量及排列分布并不相同。 ·代谢活动旺盛的细胞，线粒体数目较多。
线粒体形态的可变性
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线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构。
膜间腔
基质 基粒
外膜
内膜
嵴
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第六章线粒体与细胞能量的转换
第一节 线粒体的基本特征
• 2.核编码蛋白向线粒体其他部位的转移 • 1)向膜间腔转运 • ISTS序列介导，前体全部或部分进入基质
后进入膜间腔 • 直接从胞浆通过外膜扩散进入
• 2)向线粒体外膜或内膜的转运
第一节 线粒体的基本特征
• 五、线粒体的起源与发生 • 1.通过分裂方式实现增殖
• 2.DNA随机不均等被重新分配
质等物质进出线粒体的通道 • 基质：含有独立的DNA遗传物质和整套转录
翻译系统，也是三羧酸循环、脂肪酸氧化、 氨基酸分解和蛋白质合成等反应场所。 • 基粒：ATP酶复合体。
第一节 线粒体的基本特征
• 二、线粒体的化学组成 • 主要成分为蛋白质，分为可溶性蛋白和不
溶性蛋白。 • 标志酶： • 内膜——细胞色素氧化酶 • 外膜——单胺氧化酶 • 基质——苹果酸脱氢酶 • 膜间腔——腺苷酸激酶
第六章 线粒体与细胞能量的转换
第一节 线粒体的基本特征
• 一、线粒体的形态、 数量与结构
• 1.形态、数量与细胞 的类型和生理状态相 关
• 2.由双层单位膜套叠 而成的封闭膜囊结构
第一节 线粒体的基本特征
• 外膜：光滑平整，通透性高。 • 内膜：稍薄，向内突出为嵴。蛋白质含量
高，通透性低。附着有基粒。 • 内外膜转移接触点：转位接触点，是蛋白
成的核糖体基因组不同
第一节 线粒体的基本特征
• 3.线粒体DNA的复制 • 1)重链和轻链各自有复制起始点，轻链的复制
晚于重链，二者合成方向相反（重链合成方向 为顺时针，轻链合成方向为逆时针）。
• 2)速度较慢
• 3)不受细胞周期的影响
细胞质中游离核糖体合成的蛋白质种类
• 3.线粒体可能起源于共生的早期细菌
《医学细胞生物学精品课件》8-线粒体与细胞的能量转换
3
运动中的细胞内呼吸
运动中的细胞通过细胞内呼吸产生能量，支持肌肉的收缩和运动。
3 脂肪代谢
线粒体参与细胞内脂肪分解和合成，调节脂 肪储存与释放过程。
4 氧化还原反应
线粒体是氧化还原反应的重要场所，参与许 多生物化学过程。
细胞的能量转换
1
糖解
糖分子被分解成较小的分子，产生少量ATP和NADH。
2
三羧酸循环
通过氧化糖和脂肪酸，产生大量高能态载体NADH和FADH2。
3
氧化磷酸化
NADH和FADH2被带入线粒体内膜，产生大量ATP。
线粒体与ATP的生成
三磷酸腺苷(ATP)
电子传递链
线粒体通过氧化磷酸化反应合成 ATP，ATP是细胞内的主要能量源。
电子由NADH和FADH2传递给电子 传递链，在内膜嵴上释放能量。
ATP合酶
ATP合酶利用电子传递链释放的 能量，合成ATP分子。
线粒体与呼吸链
内膜嵴
线粒体内膜嵴提供了大量的表面积，用于电子传递链的蛋白质定位。
蛋白质复合物
呼吸链由多个蛋白质复合物组成，实现电子传递和质子泵运输。
质子动力学
质子运输过程中形成的质子梯度，驱动ATP合酶合成ATP。
线粒体与氧化磷酸化
1 ADP磷酸化
ADP与无机磷酸通过线粒体内膜的ATP合酶结合，合成ATP。
双膜结构
线粒体由内外两层膜组成，内膜呈折叠状，形成许多称为嵴的结构。
线粒体DNA
线粒体具有自己的DNA，可独立复制，支持线粒体内部蛋白质的合成。
线粒体的功能
1 能量转换
线粒体参与细胞内的呼吸作用，将有机物质 氧化为能量(ATP)。
2 钙离子调节
医学细胞生物学（中山大学）第六章线粒体与细胞的能量转换
第六章线粒体与细胞的能量转换第一节线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量和结构（一）线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关（细胞类型、生理状态、代谢需求）1.光镜下的线粒体成线状、粒状或杆状。
2.在低渗环境下，线粒体膨胀如泡状，在高渗环境下，线粒体又伸长为线状3.酸性时线粒体膨胀，碱性时线粒体为粒状（二）线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构1.外膜是线粒体外层单位膜在组成上，外模的1/2为脂类，1/2位蛋白质，外膜上镶嵌的蛋白质包括多种转运蛋白，允许通过分子量在10000以下的物质（通透性大）2.内膜的内表面附着许多颗粒①内膜直接包围的空间称内腔，含有基质，也称基质腔；内膜与外膜之间的空间称为外腔，或膜间腔。
②嵴的形成大大扩大了内膜的面积，提高了内膜的代谢效率③内膜的化学组成中20%是脂类（心磷脂占20%），80%是蛋白质④内膜的通透性很小，但内膜有高度的选择通透性⑤基粒分为头部、柄部、基片三部分，由多种蛋白质亚基组成。
机理头部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，因此，基粒又称ATP合成酶或ATP合酶复合体3.内外膜相互接近所形成的转为接触点是物质转运到线粒体的临时性结构线粒体的内外膜上存在着一些内膜与外模相互接触的地方，在这些地方膜间隙变狭窄，称为转位接触点4.基质是氧化代谢的场所线粒体中催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等有关的酶都在基质中，参与物质的代谢5.基粒的化学本质是ATP合成酶二、线粒体的化学组成1.线粒体的主要成分是蛋白质，且多数分布于内膜和基质，分为两类：可溶性蛋白和不可溶性蛋白或膜镶嵌酶蛋白（线粒体是细胞中含酶最多的细胞器）2.线粒体内外膜的标志酶分别是细胞色素氧化酶和单胺氧化酶等；基质和膜间腔的标志酶分别为苹果酸脱氢酶和腺苷酸激酶三．线粒体的遗传体系（一）线粒体DNA构成了线粒体基因组1.线粒体基因组序列（也称剑桥序列）共16569个碱基对，为一条裸露的，不与组蛋白结合的双链环状的DNA分子。
细生名词解释
细生名词解释细生名词解释第六章线粒体与细胞的能量转换1.内外膜转位接触点（translocation contact site）线粒体内外膜上存在的内、外膜相互接触的，膜间隙变狭窄的地方。
其间分布蛋白质等物质进出线粒体的通道蛋白和特异性受体内膜转位子和外膜转位子。
2.基粒（elementary particle）&ATP合酶复合体（ATP synthase complex）附着在线粒体内膜上的圆球形颗粒。
是蘑菇样蛋白质复合体，由球形F1头部和F0基片组成。
F0基部有质子通道，允许氢离子从膜间腔F1头部进入基质。
将电子传递中产生能量用于ADP磷酸化合成ATP。
3.细胞呼吸（cellular respiration）在细胞内特定细胞器（主要线粒体），在氧气参与下分解各种大分子物质，产生二氧化碳；同时分解代谢产生的能量储存于ATP中的过程。
4.基质导入序列（matrix-targeting sequence）输入线粒体的蛋白质在N端具有的一段富含精氨酸，赖氨酸，丝氨酸，苏氨酸的序列。
包含所有介导细胞质中合成的前体蛋白进入线粒体基质的信号。
5.呼吸链（respiratory chain）在内膜上有序地排列成相互关联的链状的可逆的接受和释放氢离子，电子的由多种化学物质组成的酶体系。
6.氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）糖酵解和三羧酸循环产生的还原性电子载体NADH和FADH2经呼吸链将携带电子传递给氧气，释放能量被ATP合酶复合体催化ADP磷酸化形成ATP的过程。
7.底物水平磷酸化（substance-level phosphorylation）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。
第五章细胞的内膜系统与囊泡转运1.内膜系统（endomembrane system）内膜系统：是真核细胞内部某些在结构，功能和形态发生上具有一定联系的膜性细胞器构成的完整系统。
第6章 线粒体与细胞的能量转换
线粒体
线粒体与叶绿体
能量转换：
叶绿体：通过光合作用把光能转换为化学能，储存于大分子有机物中
线粒体：将储存在生物大分子中的化学能转换为细胞可直接利用的能源 线粒体与叶绿体的共性：半自主性细胞器 1. 形态特征主要是封闭的双层单位膜结构，内膜经过折叠演化为表 面极大扩增的内膜特化结构系统，在能量转换过程中起重要作用。 2. 功能都是高效的产生ATP的精密装置。 3. 遗传物质都具有环状DNA及自身转录RNA与翻译蛋白质的体系（第二 遗传信息系统）
氧化磷酸化的耦联机制—化学渗透假说
◆化学渗透假说内容：（获1978诺贝尔化学奖）
由英国Michell提出，认为在电子传递过程中，由于 线粒体内膜的不通透性，形成了跨线粒体内膜的质子梯度驱动
ATP的合成 (实验证据)。
◆支持化学渗透假说的实验证据该实验表明： 质子动力势乃ATP合成的动力
膜应具有完整性
线粒体中的氧化代谢
线粒体中的三羧酸循环，是物质氧化的最终共同途径，氧 化磷酸化是生物体获得能量的主要途径。
Electrons carried via NADH Electrons carried via NADH and FADH2
Glycolsis Pyruvate Glucose
Citric acid cycle
线粒体的化学组成
◆蛋白质(线粒体干重的65～70％) ◆脂类(线粒体干重的25～30％)： 磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂， 内膜缺乏胆固醇，富含主要是心磷脂(20%)。
线粒体内、外膜脂类和蛋白质的比值:
0.3:1（内膜）；1:1（外膜）
线粒体主要酶的分布
部位 酶的名称 单胺氧化酶 NADH-细胞色素 c 还原酶 犬尿酸羟化酶 酰基辅酶 A 合成酶 细胞色素氧化酶 ATP 合成酶 琥珀酸脱氢酶 β－羟丁酸脱氢酶 肉毒碱酰基转移酶 丙酮酸氧化酶 NADH 脱氢酶 部位 酶的名称 腺苷酸激酶 二磷酸激酶 核苷酸激酶 苹果酸脱氢酶 柠檬酸合成酶 延胡索酸酶 异柠檬酸脱氢酶 顺乌头酸酶 谷氨酸脱氢酶 脂肪酸氧化酶系 天冬胺酸转氨酶 蛋白质和核酸合成酶系 丙酮酸脱氢酶复合物
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线粒体中酶的分布
约120种酶
部位 外膜 膜间隙 内膜
基质
酶的名称
单胺氧化酶、犬尿氨酸羟化酶、NADH-细胞色素C还原酶、 脂类代谢有关的酶（酰基辅酶A合成酶、脂肪酸激酶等） 特征酶：单胺氧化酶
腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶、亚硫酸氧化酶
特征酶：腺苷酸激酶
细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、肉碱酰 基转移酶、-羟丁酸和 -羟丙酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、 ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸载体。 特征酶：细胞色素（c）氧化酶、琥珀酸脱氢酶
内外膜转位接触点 （translocation contact site）
内外膜相互接触的地方，膜间隙变 狭窄，称为转位接触点，外膜受体 和输入装置位于接触点附近，是蛋 白质等物质进出线粒体的通道。
二. 线粒体的化学组成
蛋白质：占线粒体干重的65% -70%，内膜和基质含量较多。
线粒体的蛋白质可分为两类：
五、线粒体的生物发生
（一）线粒体的增殖：是通过分裂的方式进行的。 其增殖方式有以下几种假设： 1、间壁分裂：分裂时先由内膜向中心皱褶形成分隔线粒 体结构的间壁，随后再一分为二形成两个线粒体。 2、收缩分裂：分裂时通过线粒体在其中央处收缩形成 “颈”，最后断裂形成两个线粒体。 3、出芽分裂：先从线粒体上长出膜性突起，称为“小 芽”，随后小芽不断长大，并与原线粒体分离，再经 过不断“发育”，最后形成新的线粒体。
柠檬酸合成酶、乌头酸酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢 酶、延胡索酸酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体、 天冬氨酸氨基转移酶、蛋白质和核酸合成酶系、脂肪酸氧 化酶系 特征酶：苹果酸脱氢酶
三.线粒体基因组
mtDNA: 环状双链DNA分子、不与
组蛋白结合、分散在线粒体基质中， 长约5um、分子量小；双链中一条为 重链（H），另一条为轻链（L）；主 要编码线粒体的tRNA、rRNA及一些 线粒体蛋白质。
膜间腔 （外腔）
嵴 内膜
内膜
平均厚度6~8nm，蛋白质含量高， 通透性很小，但有高度的选择通 透性，借助膜上的转运蛋白控制 内外物质的交换；有与Ca2+吸收 与释放相关的蛋白质。
嵴内空间 基质腔 （内腔）
嵴 cristae
嵴间腔
内膜上向内腔突起的折叠，嵴的存在大 大扩大了内膜的表面积，增加了内膜 的代谢效率。
可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白；
线
不溶性蛋白：一般是膜结构蛋白和膜镶嵌酶蛋白。
粒
体 的 脂 类：占线粒体干重的25% -30%，大部分为磷脂 。
化
学
外膜：脂类占52%、蛋白质占48%，胆固醇和磷脂含量比
组
内膜高。
成
内膜：脂类占24%、蛋白质占76%，胆固醇含量极少，心磷
脂含量比任何膜都高。
其 它：DNA和完整的遗传系统、辅酶、维生素、无机离子等。
★ 线粒体的半自主性
① 线粒体有自己的 DNA分子和蛋白质 合成系统，即有独立的遗传系统， 故有一定的自主性。
② mtDNA 分子量小、基因数目少，只 编码线粒体蛋白质的10%，而绝大多 数线粒体蛋白质（90%）是由核基因 编码，在细胞质中合成后转运到线 粒体中的。
③ 线粒体遗传系统受控于细胞核遗传系统。
最多的可达50万个。正常细胞中：1000~2000个。
分布：通常较多聚集在细胞生理功能旺盛或需要能量较多的区域。如精细胞
总之：线粒体的形状、大小、数目和分布在不同类型细胞 中或同类细胞不同生理状态下差别较大。
★线粒体的超微结构
电镜下观察线粒体是由两层 单位膜套叠而成的封闭膜囊结构。
外膜
外膜
外膜：厚度5～7nm，光滑平整，含有多种转运蛋白(孔蛋 白)，它们形成较大的水相通道，使外膜出现直径 2~3nm的小孔，允许分子量5000以下的物质通过。
因此，线粒体为半自主性细胞器(semiautonomous organelle)。
四、核编码蛋白质的线粒体转运
基质导入序列 分子伴侣1 跨外、内膜转位酶复合体 分子伴侣2 加工肽酶 分子伴侣3
核编码蛋白质的线粒体转运
多肽链穿越线粒体膜
前体蛋白一旦和受体结合后，就要和外膜和内膜上膜 通道发生作用才可进入线粒体。 一种叫线粒体基质hsp70（mthsp70）的分子伴侣参与 了蛋白质的转运。Simon等提出一种作用机制——布朗 棘轮模型。
★★基粒(elementary particle)
内膜的内表面附着许多带柄的小颗粒， 与膜面垂直而有规律地排列。其本质 为ATP酶复合体。
ATP酶复合体抑制多肽 （调节酶活性）
可溶性ATP酶（F1)
99nnmm
头部
对寡酶素敏感的蛋白 （OSCP)
疏水蛋白 (HP；F0)
3-4nm 长
4.5-6nm
6-11.5nm 高5-6nm
柄部 基片
膜间腔 嵴 内膜 外膜 嵴内腔 基粒
基 质 (matrix)
嵴间腔
基质 位于嵴间腔中，是电子密 度较低的物质。
膜间腔 嵴 内膜 外膜
蛋白质
脂类
线
酶类
粒 ★线粒体 DNA
体
线粒体 mRNA
基核糖体 基质颗粒
线粒体核糖体 线粒体DNA嵴内腔 基粒 基质颗粒
Ca2+存储器
1981年—Anderson—人胎盘—mtDNA全部核苷酸序列— 16569个碱基对
mtDNA 16569 bp
37个基因
2种编码rRNA(12S和16S） 22种编码tRNA 13种编码蛋白质
mtDNA排列紧凑、高效利用、可自我复制，但其遗传密码与“通用” 遗传密码子表不完全相同 ，如：UGA色氨酸而不是终止密码。
间壁分裂
收缩分裂
出芽分裂
（二）线粒体的起源
内共生学说 认为线粒体来源于与古老真核细胞共生的早期细菌，即细菌被真 核生物吞噬后，在之后的长期进化过程中，共生物的大部分遗传 信息转移到细胞核上，这样留在线粒体上的遗传信息大大减少。
非共生假说 认为原始真核细胞是一种进化程度较高的需氧细菌，参与能量代 谢的电子传递系统、氧化磷酸化系统位于细胞膜上。在进化过程 中，质细胞需要增加其呼吸功能，不断增加其细胞膜的表面积， 增加的膜不断内陷、折叠、融合的结果。
第七章 线粒体
（mitochondrion）
线粒体是在1850年发现的,1897年命名。
人体内大约95%的ATP是由线粒体合成的。
线粒体有细胞“动力工厂”之称。
第一节 线粒体的生物学特征
一.线粒体的形态结构
形状：光镜下呈线状、粒状或杆状等
大小：细胞内较大的细胞器。一般直径：0.5~1.0um；长度：3um 数目：不同类型或不同生理状态的细胞差异较大。 最少的只含1个，