[VIP專享]線粒體結構與功能

1、線粒體（ mitochondria ）線粒體的研究歷史1890: R.Altman （亞特曼）在動物細胞中首次發(fā)現(xiàn)線粒體, 命名為生命小體 (bioblast)。1897: Von Benda命名為線粒體 (Mitochondrion)1900：L.Michaelis（米凱利斯 ) 用詹姆斯綠 B 對線粒體進行活體染色，發(fā)現(xiàn)線粒體存在大量的細胞色素氧化酶系。1913：Engelhardt （恩格爾哈特）證明細胞內ATP磷酸化與細胞內氧消耗相偶聯(lián)。1943-1950： Kennedy等證明糖最終氧化場所在線粒體。1952-1953： Palade（帕拉登）等用電鏡觀察線粒體的形態(tài)結構。1976：

2、Hatefi等純化呼吸鏈四個獨立的復合體。1961-1980： Mitchell（米切爾）氧化磷酸化的化學滲透假說。1963 年： Nass 首次發(fā)現(xiàn)線粒體存在DNA。Contents線粒體的形態(tài)結構線粒體的化學組成及酶的定位線粒體的功能線粒體的半自主性線粒體的生物發(fā)生（自學）第一節(jié)線粒體的形態(tài)結構一、光鏡下線粒體形態(tài)、大小、數(shù)量及分布（一）形態(tài)、大小光鏡下常見線粒體呈線狀和顆粒狀，也可呈環(huán)形、啞鈴形、分枝狀等，隨細胞生理狀況而變。一般直徑 0.5 1.0 m，長 1.5 3.0 m。 不同細胞線粒體大小變動很大，大鼠肝細胞線粒體長 5m; 胰腺外分泌細胞線粒體長 1020m，人成纖維細胞線粒

3、體長 40m。線粒體形態(tài)、大小因細胞種類和生理狀況不同而異。光鏡下 : 線狀、桿狀、粒狀二）數(shù)量依細胞類型而異，動物細胞一般數(shù)百到數(shù)千個。利什曼原蟲 : 一個巨大的線粒體；海膽卵母細胞： 30 多萬個。隨細胞生理功能及生理狀態(tài)變化需能細胞：線粒體數(shù)目多，如哺乳動物心肌、小腸、肝等內臟細胞；飛翔鳥類胸肌細胞：線粒體數(shù)目比不飛翔鳥多；（三）分布分布 :不均，細胞代謝旺盛的需能部位比較集中。肌細胞 :線粒體沿肌原纖維規(guī)則排列；精子細胞 :線粒體集中在鞭毛中區(qū)；分泌細胞：線粒體聚集在分泌物合成的區(qū)域；腎細胞：線粒體靠近微血管，呈平行或柵狀列。線粒體的分布多集中在細胞的需能部位，有利于細胞需能部位的能量

4、供應。二、線粒體的亞微結構( 一)外膜 Outer membrane包圍在線粒體外表面的一層單位膜，厚6-7nm，平整、光滑，封閉成囊。外膜含運輸?shù)鞍祝ㄍǖ赖鞍祝螒B(tài)上為排列整齊的筒狀小體，中央有孔，孔徑 1-3nm，允許分子量 1KD以內的物質自由通過，構成外膜的親水通道。( 二)內膜 inner membrane結構特征：高度特化的單位膜，厚4.5nm，膜上蛋白質占膜總重量76%；通透性小，具通透屏蔽作用，許多物質不能自由透過；（例如： H+ 、ATP、丙酮酸等）物質透過必須借助膜上的載體或通透酶。向內褶疊形成嵴，嵴的存在增大線粒體內膜的表面積；兩種類型的嵴：板層狀 :高等動物細胞線粒體

5、嵴。管狀 :原生動物和低等動物細胞線粒體嵴。( 三)外室（ outer chamber ）也稱膜間腔，外膜與內膜之間的腔隙, 與嵴內腔相通 , 寬約 20nm，含多種酶、底物及輔助因子。( 四)內室（ inner chamber ）內膜封裹形成的囊腔，或稱嵴間腔，是線粒體細胞氧化中進行三羧酸循環(huán)的場所。基質包括了催化三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、核酸與蛋白質合成的各種酶系及線粒體DNA、線粒體 RNA、線粒體核糖體等。( 五)基粒（質子泵 ATP合成酶）與線粒體內膜內表面及嵴膜基質面垂直排列，形態(tài)上分為頭部：可溶性 ATP酶（ F1），水溶性球蛋白，從內膜突出于基質內，易從膜表面脫落。柄部：對寡酶素

6、敏感的蛋白質（ OSCP），調控質子通道。基片（ F0）：疏水蛋白（ HP)，橫跨內膜，質子通道。一、線粒體的化學組成化學成分 : 蛋白質脂類（一）蛋白 質 : 占線粒體干重的6570（可溶性蛋白、不溶性蛋白）（二）脂90%類 : 占線粒體干重的25%-30%，為磷脂，膽固醇含量極少。二、線粒體中酶的定位分布(140 多種酶 )外膜：合成線粒體脂類的酶內膜：呼吸鏈酶系、 ATP合成酶系基質：三羧酸循環(huán)反應酶系、丙酮酸與脂肪酸氧化酶系、蛋白質與核酸合成酶系（半自主性）線粒體中酶的定位分布線粒體主要酶的分布外 膜: 單胺氧化酶、犬尿氨酸羥化酶、 NADH細-胞色素 C還原酶特征酶：單胺氧化酶膜間隙

7、 腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶內膜: 細胞色素氧化酶、琥珀酸脫氫酶、 NADH脫氫酶、肉毒堿?；D移酶、ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸載體。特征酶：細胞色素氧化酶基質 : 檸檬酸合成酶、烏頭酸酶、蘋果酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶、延胡索酸酶、谷氨酸脫氫酶、丙酮酸脫氫酶復合體、天冬氨酸氨基轉移酶、蛋白質和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系特征酶：蘋果酸脫氫酶第三節(jié)線粒體的功能 線粒體功能 : 氧化磷酸化 ,合成 ATP通過對營養(yǎng)物質 ( 糖、脂肪、氨基酸等 ) 氧化 ( 放能 ) 與 ADP磷酸化 ( 儲能 ) 的偶聯(lián)反應完成能量轉換，合成ATP，直接提供細胞生命活動所需能量的95%

8、以上。包括：細胞氧化（細胞呼吸）ADP磷酸化細胞氧化及基本過程1、細胞氧化2 、基本過程（ 1）糖酵解（生成丙酮酸和脂肪酸）（ 2）乙酰輔酶 A 生成（ 3）三羧酸循環(huán)（產生 H+、e- 、 CO2 ）二、氧化磷酸化的分子基礎( 一) 呼吸鏈呼吸鏈：指一系列能夠可逆地接受及釋放電子或H+的脂蛋白質復合體，存在于線粒體內膜，形成相互關聯(lián)、有序排列的功能結構體系（一組酶系），并以此偶聯(lián)線粒體中的氧化磷酸化過程，稱之為呼吸鏈（respiratorychain ）或電子傳遞鏈（ electron transport chain)。電子傳遞鏈（呼吸鏈）的組成由四種酶復合體及輔酶Q(CoQ)和細胞色素 C

9、(Cytc) 組成。（ 1）復合體： NADH - CoQ還原酶（ 2）復合體：琥珀酸 - CoQ 還原酶（ 3）復合體： CoQ - 細胞色素 C 還原酶（ 4）復合體：細胞色素 C 氧化酶兩條典型的呼吸鏈：NADH呼吸鏈：由復合體、及CoQ、 Cytc 組成FADH2呼吸鏈：由復合體、及CoQ、Cytc 組成( 二)線粒體質子泵 ATP合成酶 (H+ -ATPase)1. 形態(tài)結構位于線粒體內膜和嵴的基質面 , 與膜表面垂直排列，由頭部、柄部、基片構成。2、分子結構F0 質子通道 : 跨線粒體內膜的疏水蛋白質，由4 種多肽鏈組成 .F0 和 Fl 之間的柄 : 包含有兩種蛋白質。一種為寡霉

10、素敏感蛋白 (OSCP) ，一種為偶合因子 6（F6） .Fl 蛋白：是球狀結構，由5 種不同的多肽鏈組成，其組分為33，催化 ATP合成的部位在 亞基上 .(1) F1 因子F1 ：為水溶性球蛋白，從內膜突出于基質內，較易脫落。由 3、3、1、1 和 1 等 9 個亞基組成， 3個 亞基和 3 個 亞基交替排列，形成一個 “ 桔瓣 ”狀結構。各亞基分離時無酶活性，結合時有酶活性。從膜平面看，和 亞基交替排列，形成一個環(huán)狀結構。 亞基在 a 和 亞基之間形成一個支柱 “shaft ” 和 共同形成 “ 轉子 ”(2) F0因子F0：嵌合在內膜上的疏水蛋白復合體，形成一個跨膜質子通道。 F0 的

11、亞基類型和組成在不同物種中差別很大，在細菌中， F0 由 a、 b、 c 3 種亞基組成；藍藻中為 a、 b、b 、 c 亞基；F0 多拷貝的 c 亞基形成一個環(huán)狀結構， a 亞基與 b 亞基二聚體排列在 c 亞基 12 聚體形成的環(huán)的外側， a 亞基、 b 亞基二聚體和 亞基共同組成 “定子 ”。其中 a 亞基有跨膜轉運的質子通道的作用。F1 和 F0 通過 “ 轉子 ” （ 和 共同形成）和 “ 定子 ” 將兩部分連接起來，在合成或水解 ATP的過程中， “轉子 ”在通過 F0 的 H+流推動下旋轉，依次與 3 個 亞基作用，調節(jié) 亞基催化位點的構象變化； “ 定子 ” 在一側將 33與

12、F0 連接來。 F0 的作用之一，就是將跨膜質子動力勢轉換成扭力（ torgue ），推動 “轉子 ”旋轉。三、線粒體質子泵ATP合成酶的工作機制問題 :ATP 合成酶各亞基如何協(xié)同作用利用跨膜質子梯度合成ATP?Paul Boyer提出 “結合變化機制 ” 假說和 “旋轉催化模型 ”(a)ATP 合成酶利用質子動力勢產生構象變化，改變與底物親和力，催化ADP與 Pi 形成 ATP。(b)F1 因子 亞基有三個催化位點，這三個催化位點的構象不同（ L、 T、O），與核苷酸的親和力不同，在ATP合成過程中，這三個催化位點構象發(fā)生周期變化，每個催化位點經過三次構象改變合成1 個 ATP分子。(c)

13、 質子通過 F0 時，引起 c 亞基構成的環(huán)旋轉，帶動 亞基旋轉， 亞基的旋轉引起 亞基 3 個催化位點構象發(fā)生周期性變化（ L、 T、 O），不斷將 ADP和 Pi 結合在一起，形成 ATP。線粒體質子泵 ATP合成酶的工作機制的證據支持證據 11994 年 Walker 等發(fā)表了 0.28nm 分辨率的牛心線粒體 F1-ATP酶的晶體結構。Walker 利用核苷酸底物類似物，觀察 ATP合成酶的 3 個催化亞基結合核苷酸底物類似物后晶體構象的變化，發(fā)現(xiàn) ATP合成酶由于結合不同的底物類似物而呈現(xiàn)不同的構象，有力地支持了Boyer 提出的結合變化機制，證明在催化循環(huán)的任一時刻，3 個催化亞基

14、處于不同的構象狀態(tài)，構象的變化與位于33中央的 亞基的轉動相關。支持證據 1 ：F1 的晶體結構(John Walker ， MRC， Cambridge 1994) 亞基被固定在載玻片上 亞基 (shaft)與熒光標記的肌動蛋白纖維相連供給 ATP時，肌動蛋白發(fā)生旋轉（每消耗1 分子 ATP，旋轉 120° ，消耗 3 分子 ATP旋轉 360° ）因在 “生命能量通貨 三磷酸腺苷 ATP” 方面的研究而獲得 1997 年諾貝爾化學獎。三、電子傳遞偶聯(lián)的氧化磷酸化氧化磷酸化：供能物質的氧化過程伴隨電子傳遞鏈所進行的能量轉換和 ATP的生成稱氧化磷酸化。氧化還原的本質是電子

15、的轉移。氫原子的轉移其本質也是電子轉移，因為 H 原子可分解為 H+與 e- 。當電子從 NADH或 FADH2經呼吸鏈傳遞給氧形成水時，同時伴有ADP磷酸化形成 ATP。四、氧化磷酸化的偶聯(lián)機制氧化磷酸化偶聯(lián)機制一直是研究氧化磷酸化作的關鍵，二十多年來提出了各種假說，主要有：化學偶聯(lián)假說（ chemical coupling hypothesis）、構象偶聯(lián)假說(conformational coupling hypothesis）、化學滲透假說（ chemiosmotic coupling hypothesis)。越來越多的實驗證明：偶聯(lián)機制在生化上來說是向量的，在功能上來說是滲透性的?；?/p>

16、學滲透假說是氧化磷酸化機制研究中最流行的一種假說。該假說是 1961 年英國生物化學家Mitchell他獲得 1978 年諾貝爾化學獎。（一）、化學滲透假說的主要論點：呼吸鏈各組分在線粒體內膜中分布是不對稱的，當高能電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量提出的，將 H+ 從內膜基質側泵至膜間隙，由于膜對 H+ 不通透，從而使膜間隙的 H+ 濃度高于基質，在內膜兩側形成電化學質子梯度（ electro-chemical proton gradient ），也稱為質子動力（ proton motive force ）。在這個梯度驅動下， H+ 穿過內膜上的 ATP合成酶流回到基質，其能量促使 ADP和

17、Pi 合成 ATP。1 、強調線粒體膜結構的完整性。如果線粒體膜不完整， H+ 能自由通過膜，則無法在內膜兩側形成電化學梯度，氧化磷酸化就會解偶聯(lián)。一些解偶聯(lián)劑的作用就在于改變膜對 H+的通透性，使電子傳遞所釋放的能量不能合成 ATP。2 、定向的化學反應。在電化學質子梯度推動下， H+由膜間隙通過內膜上 ATP合成酶進入基質，其質子動力勢驅動 ADP和 Pi 結合形成 ATP。第四節(jié) 線粒體的半自主性線粒體含 DNA， RNA（mRNA、tRNA、rRNA）、核糖體、氨基酸活化酶等，具有獨立進行轉錄和翻譯功能。迄今為止，線粒體僅能獨立轉錄和翻譯約 20 種線粒體膜和線粒體基質蛋白；線粒體絕大

18、多數(shù)蛋白質需由核基因編碼，在細胞質核糖體上合成，然后轉移至線粒體。細胞核與線粒體之間存在著密切的、精確的、嚴格調控的生物學機制在二者協(xié)同作用的關系中，細胞核的功能更重要。一方面它提供了絕大部分遺傳信息；另一方面它具有關鍵的控制功能。也就是說，線粒體的自主程度是有限的，對核遺傳系統(tǒng)有很大的依賴性。線粒體的生長和增殖是受核基因組及其自身的基因組兩套遺傳系統(tǒng)的控制，所以稱為半自主性細胞器（ semiautonomous organelle 一、 mtDNA含有 16,569 個堿基對的閉環(huán)合雙鏈DNA分子。有 37 個結構基因，編碼 13 種與氧化磷酸化呼吸鏈有關的蛋白質、 2 種 rRNA(12SrRNA及 16SrRNA)和 22 種與線粒體蛋白質合成有關的 tRNA。二、 mtDNA的功能1、復制mtDNA 復制是以半保留的形式自主地進行，主要發(fā)生在細胞增殖周期的 S 期到 G2期。但是，它復制時所必需的 DNA 聚合酶是由核 DNA編碼，在細胞質核糖體上合成的。2、編碼（轉錄、翻