線粒體結(jié)構(gòu)與功能

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 線粒體（mitochondria） 線粒體的研究歷史1890: R.Altman（亞特曼）在動(dòng)物細(xì)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(duì)線粒體進(jìn) 行活體染色，發(fā)現(xiàn)線粒體存在大量的細(xì)胞色素氧 化酶系。1913：Engelhardt（恩格爾哈特）證明細(xì)胞內(nèi)ATP磷酸化與 細(xì)胞內(nèi)氧消耗相偶聯(lián)。 1943-1950：Kennedy等證明糖最終氧化場(chǎng)所在線粒體。1952-1953：Palade（帕拉登）等用電鏡觀察線粒體的形

2、 態(tài)結(jié)構(gòu)。1976： Hatefi等純化呼吸鏈四個(gè)獨(dú)立的復(fù)合體。1961-1980：Mitchell（米切爾）氧化磷酸化的化學(xué)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(jié)構(gòu) 線粒體的化學(xué)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(xué)）第一節(jié) 線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu) 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(xì)胞生理狀況而變。 一般直徑0.51.0m，長(zhǎng)1.53.0m。 不同細(xì)胞線粒體大小變動(dòng)很大，大鼠肝細(xì)胞線粒體長(zhǎng)5m; 胰腺外分泌細(xì)胞線粒體長(zhǎng)1020

3、m，人成纖維細(xì)胞線粒體長(zhǎng)40m。 線粒體形態(tài)、大小因細(xì)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(xì)胞類型而異，動(dòng)物細(xì)胞一般數(shù)百到數(shù)千個(gè)。 利什曼原蟲:一個(gè)巨大的線粒體； 海膽卵母細(xì)胞：30多萬(wàn)個(gè)。 隨細(xì)胞生理功能及生理狀態(tài)變化 需能細(xì)胞：線粒體數(shù)目多，如哺乳動(dòng)物心肌、小 腸、肝等內(nèi)臟細(xì)胞； 飛翔鳥類胸肌細(xì)胞：線粒體數(shù)目比不飛翔鳥多； 運(yùn)動(dòng)員肌細(xì)胞：線粒體數(shù)目比不常運(yùn)動(dòng)人的多。 （三）分布分布: 不均，細(xì)胞代謝旺盛的需能部位比較集中。 肌細(xì)胞: 線粒體沿肌原纖維規(guī)則排列； 精子細(xì)胞: 線粒體集中在鞭毛中區(qū)； 分泌細(xì)胞：線粒體聚集在分泌物合成的區(qū)域； 腎細(xì)胞：線粒體靠近微血管，

4、呈平行或柵狀列。 線粒體的分布多集中在細(xì)胞的需能部位，有利于細(xì)胞需能部位的能量供應(yīng)。 二、線粒體的亞微結(jié)構(gòu)(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(yùn)輸?shù)鞍祝ㄍǖ赖鞍祝?，形態(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(nèi)的物質(zhì)自由通過，構(gòu)成外膜的親水通道。(二) 內(nèi)膜 inner membrane結(jié)構(gòu)特征：高度特化的單位膜，厚4.5nm，膜上蛋白質(zhì)占膜總重量 76%；通透性小，具通透屏蔽作用，許多物質(zhì)不能自由透過； （例如：H+ 、ATP、丙酮酸等）物質(zhì)透過必須借助膜上 的載體或通透酶。向內(nèi)

5、褶疊形成嵴，嵴的存在增大線粒體內(nèi)膜的表面積；兩種類型的嵴： 板層狀: 高等動(dòng)物細(xì)胞線粒體嵴。 管 狀: 原生動(dòng)物和低等動(dòng)物細(xì)胞線粒體嵴。(三) 外室（outer chamber） 也稱膜間腔，外膜與內(nèi)膜之間的腔隙,與嵴內(nèi)腔相通,寬約20nm，含多種酶、底物及輔助因子。 (四) 內(nèi)室（inner chamber） 內(nèi)膜封裹形成的囊腔，或稱嵴間腔，是線粒體細(xì)胞氧化中進(jìn)行三羧酸循環(huán)的場(chǎng)所。 基質(zhì)包括了催化三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、核酸與蛋白質(zhì)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(zhì)子泵ATP合成酶） 與線粒體內(nèi)膜內(nèi)表面及嵴膜基質(zhì)面垂直排列，形態(tài)上分為頭部：可溶性A

6、TP酶（F1），水溶性球蛋白，從內(nèi) 膜突出于基質(zhì)內(nèi)，易從膜表面脫落。柄部：對(duì)寡酶素敏感的蛋白質(zhì)（OSCP），調(diào)控質(zhì)子 通道。基片（F0）：疏水蛋白（HP)，橫跨內(nèi)膜，質(zhì)子通道。一、線粒體的化學(xué)組成化學(xué)成分:蛋白質(zhì) 脂類（一）蛋 白 質(zhì):占線粒體干重的6570 （可溶性蛋白、不溶性蛋白）（二）脂 類:占線粒體干重的25%-30%， 90%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(nèi)膜：呼吸鏈酶系、ATP合成酶系基質(zhì)：三羧酸循環(huán)反應(yīng)酶系、丙酮酸與脂肪酸氧 化酶系、蛋白質(zhì)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

7、布外 膜:單胺氧化酶、犬尿氨酸羥化酶、NADH-細(xì)胞色素C還原酶特征酶：?jiǎn)伟费趸改?間 隙 腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶 特征酶：腺苷酸激酶內(nèi) 膜:細(xì)胞色素氧化酶、琥珀酸脫氫酶、NADH脫氫酶、肉毒堿?；D(zhuǎn)移酶、b-羥丁酸和 b-羥丙酸脫氫酶、丙酮酸氧化酶、ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸載體。特征酶：細(xì)胞色素氧化酶基 質(zhì):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(fù)合體、天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、蛋白質(zhì)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(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(糖、脂肪、氨基酸等

8、)氧化(放能)與ADP磷 酸化(儲(chǔ)能)的偶聯(lián)反應(yīng)完成能量轉(zhuǎn)換，合成ATP，直接提供細(xì) 胞生命活動(dòng)所需能量的95%以上。 包括： 細(xì)胞氧化（細(xì)胞呼吸） ADP磷酸化 細(xì)胞氧化及基本過程1、細(xì)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(chǎn)生H+、e-、CO2 ）二、氧化磷酸化的分子基礎(chǔ) (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(zhì)復(fù)合體，存在于線粒體內(nèi)膜，形成相互關(guān)聯(lián)、有序排列的功能結(jié)構(gòu)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（respiratory chain）或電子傳遞鏈（electr

9、on transport chain)。 電子傳遞鏈（呼吸鏈）的組成由四種酶復(fù)合體及輔酶Q(CoQ)和細(xì)胞色素C(Cytc)組成。 （1）復(fù)合體：NADH - CoQ還原酶 （2）復(fù)合體：琥珀酸 - CoQ還原酶 （3）復(fù)合體： CoQ - 細(xì)胞色素C還原酶 （4）復(fù)合體：細(xì)胞色素C氧化酶兩條典型的呼吸鏈： NADH呼吸鏈：由復(fù)合體、及CoQ、Cytc組成 FADH2呼吸鏈：由復(fù)合體、及CoQ、Cytc組成(二) 線粒體質(zhì)子泵ATP合成酶(H+ -ATPase)1. 形態(tài)結(jié)構(gòu) 位于線粒體內(nèi)膜和嵴的基質(zhì)面,與膜表面垂直排列，由頭部、柄部、基片構(gòu)成。2、分子結(jié)構(gòu)F0質(zhì)子通道:跨線粒體內(nèi)膜的疏水蛋白

10、質(zhì)，由4種多肽鏈組成. F0和Fl之間的柄:包含有兩種蛋白質(zhì)。一種為寡霉素敏感蛋白(OSCP) ，一種為偶合因子6（F6）.Fl蛋白：是球狀結(jié)構(gòu)，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(nèi)膜突出于基質(zhì)內(nèi)，較易脫落。由3、3、1、1和1等9個(gè)亞基組成，3個(gè)亞基和3個(gè)亞基交替排列，形成一個(gè) “桔瓣”狀結(jié)構(gòu)。各亞基分離時(shí)無(wú)酶活性，結(jié)合時(shí)有酶活性。 從膜平面看，和亞基交替排列，形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)。亞基在a 和亞基之間形成一個(gè)支柱“shaft” 和 共同形成“轉(zhuǎn)子”(2) F0 因子F0：嵌合在內(nèi)膜上的疏水蛋白復(fù)合體，形成一個(gè)跨膜質(zhì)子

11、通道。 F0的亞基類型和組成在不同物種中差別很大，在細(xì)菌中，F(xiàn)0由a、b、c 3種亞基組成；藍(lán)藻中為a、b、b、c亞基； F0多拷貝的c亞基形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，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(cè)，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(zhuǎn)運(yùn)的質(zhì)子通道的作用。 F1和F0通過 “轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子”在通過F0的H+流推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，依次與3個(gè)亞基作用，調(diào)節(jié)亞基催化位點(diǎn)的構(gòu)象變化；“定子”在一側(cè)將33與F0連接來。F0的作用之一，就是將跨膜質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)轉(zhuǎn)換成扭力（torgue），推動(dòng)“轉(zhuǎn)子”旋轉(zhuǎn)。

12、三、線粒體質(zhì)子泵ATP合成酶的工作機(jī)制問題:ATP合成酶各亞基如何協(xié)同作用利用跨膜質(zhì)子梯度合成 ATP? Paul Boyer提出“結(jié)合變化機(jī)制”假說和“旋轉(zhuǎn)催化模型” (a)ATP合成酶利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)產(chǎn)生構(gòu)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(gè)催化位點(diǎn)，這三個(gè)催化位點(diǎn)的構(gòu)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(gè)催化位點(diǎn)構(gòu)象發(fā)生周期變化，每個(gè)催化位點(diǎn)經(jīng)過三次構(gòu)象改變合成1個(gè)ATP分子。 (c)質(zhì)子通過F0時(shí)，引起c亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)亞基旋 轉(zhuǎn)，亞基的旋轉(zhuǎn)引起亞基3個(gè)催化位點(diǎn)構(gòu)象發(fā)生周期性變化（L、T、O），不斷將AD

13、P和Pi結(jié)合在一起，形成ATP。線粒體質(zhì)子泵ATP合成酶的工作機(jī)制的證據(jù)支持證據(jù)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(jié)構(gòu)。 Walker利用核苷酸底物類似物，觀察ATP合成酶的3個(gè)催化亞基結(jié)合核苷酸底物類似物后晶體構(gòu)象的變化，發(fā)現(xiàn)ATP合成酶由于結(jié)合不同的底物類似物而呈現(xiàn)不同的構(gòu)象，有力地支持了Boyer提出的結(jié)合變化機(jī)制，證明在催化循環(huán)的任一時(shí)刻，3個(gè)催化亞基處于不同的構(gòu)象狀態(tài)，構(gòu)象的變化與位于33中央的亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)。 支持證據(jù) 1： F1的晶體結(jié)構(gòu) (John Walker，MRC， Cambridge 1994)亞基被固定在載玻片上 亞基(

14、shaft)與熒光標(biāo)記的肌動(dòng)蛋白纖維相連 供給ATP時(shí)，肌動(dòng)蛋白發(fā)生旋轉(zhuǎn)（每消耗1分子ATP，旋轉(zhuǎn)120°，消耗3分子ATP旋轉(zhuǎn)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(xué)獎(jiǎng)。 三、電子傳遞偶聯(lián)的氧化磷酸化氧化磷酸化：供能物質(zhì)的氧化過程伴隨電子傳遞鏈所進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換和ATP的生成稱氧化磷酸化。 氧化還原的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。氫原子的轉(zhuǎn)移其本質(zhì)也是電子轉(zhuǎn)移，因?yàn)镠原子可分解為H+與e-。 當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧形成水時(shí)，同時(shí)伴有ADP磷酸化形成ATP。四、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制 氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制一直是研究氧化磷酸化作

15、的關(guān)鍵，二十多年來提出了各種假說，主要有：化學(xué)偶聯(lián)假說（chemical coupling hypothesis）、構(gòu)象偶聯(lián)假說(conformational coupling hypothesis）、化學(xué)滲透假說（chemiosmotic coupling hypothesis)。 越來越多的實(shí)驗(yàn)證明：偶聯(lián)機(jī)制在生化上來說是向量的，在功能上來說是滲透性的?；瘜W(xué)滲透假說是氧化磷酸化機(jī)制研究中最流行的一種假說。 該假說是1961年英國(guó)生物化學(xué)家Mitchell提出的，他獲得1978年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。（一）、化學(xué)滲透假說的主要論點(diǎn)： 呼吸鏈各組分在線粒體內(nèi)膜中分布是不對(duì)稱的，當(dāng)高能電子沿呼吸鏈傳遞時(shí)

16、，所釋放的能量將H+ 從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵至膜間隙，由于膜對(duì) H+ 不通透，從而使膜間隙的 H+ 濃度高于基質(zhì)，在內(nèi)膜兩側(cè)形成電化學(xué)質(zhì)子梯度（electro-chemical proton gradient），也稱為質(zhì)子動(dòng)力（proton motive force）。在這個(gè)梯度驅(qū)動(dòng)下，H+ 穿過內(nèi)膜上的ATP合成酶流回到基質(zhì)，其能量促使ADP和Pi合成ATP。 1、強(qiáng)調(diào)線粒體膜結(jié)構(gòu)的完整性。 如果線粒體膜不完整，H+ 能自由通過膜，則無(wú)法在內(nèi)膜兩側(cè)形成電化學(xué)梯度，氧化磷酸化就會(huì)解偶聯(lián)。一些解偶聯(lián)劑的作用就在于改變膜對(duì)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(xué)反應(yīng)。 在電化學(xué)

17、質(zhì)子梯度推動(dòng)下，H+由膜間隙通過內(nèi)膜上ATP合成酶進(jìn)入基質(zhì)，其質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)驅(qū)動(dòng)ADP和Pi結(jié)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(dú)立進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯功能。 迄今為止，線粒體僅能獨(dú)立轉(zhuǎn)錄和翻譯約20種線粒體膜和線 粒體基質(zhì)蛋白；線粒體絕大多數(shù)蛋白質(zhì)需由核基因編碼，在 細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成，然后轉(zhuǎn)移至線粒體。細(xì)胞核與線粒體 之間存在著密切的、精確的、嚴(yán)格調(diào)控的生物學(xué)機(jī)制在二者協(xié)同作用的關(guān)系中，細(xì)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(guān)鍵的控制功能。 也就是說，線粒體的自主程度是有限的

18、，對(duì)核遺傳系統(tǒng)有很大的依賴性。線粒體的生長(zhǎng)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(xì)胞器（semiautonomous organelle）。 一、mtDNA 含有16,569個(gè)堿基對(duì)的閉環(huán)合雙鏈DNA分子。 有37個(gè)結(jié)構(gòu)基因，編碼13種與氧化磷酸化呼吸鏈有關(guān)的蛋 白質(zhì)、2種rRNA(12SrRNA及16SrRNA)和22種與線粒體蛋白質(zhì)合成 有關(guān)的tRNA。二、mtDNA的功能1、復(fù)制 mtDNA復(fù)制是以半保留的形式自主地進(jìn)行，主要發(fā)生在細(xì)胞增殖周期的S期到G2期。但是，它復(fù)制時(shí)所必需的DNA聚合酶是由核DNA編碼，在細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成的。2、編碼（轉(zhuǎn)錄、翻譯） 線粒體中mtDNA編