細(xì)胞生物學(xué)線粒體課件

1、9/25/202219/24/20221線粒體(mitochondrion)：線粒體是細(xì)胞進(jìn)行氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要場所，被稱為能量轉(zhuǎn)換器，線粒體為細(xì)胞提供生命活動所需同能量的80%，所以線粒體被比喻為細(xì)胞的“動力工廠”。1894年，Alman首先在動物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)線粒體。9/25/20222線粒體(mitochondrion)：線粒體是細(xì)胞進(jìn)行氧化和第六章 線粒體線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)線粒體的化學(xué)組成線粒體的功能線粒體的半自主性線粒體的生物發(fā)生線粒體與醫(yī)學(xué)復(fù)習(xí)題9/25/20223第六章 線粒體線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)9/24/20223光鏡下的結(jié)構(gòu)：光鏡下線粒體呈線狀、粒狀或桿狀。線粒體的數(shù)量：不同類型的細(xì)

2、胞中差異較大，細(xì)胞代謝旺盛數(shù)目多，代謝不旺盛數(shù)目少。線粒體的分布：因細(xì)胞形態(tài)和類型的不同而存在差異， 一般集中在功能旺盛、需要能量的部位。如精細(xì)胞中線粒體沿鞭毛緊密排列。9/25/20224光鏡下的結(jié)構(gòu)：光鏡下線粒體呈線狀、粒狀或桿狀。9/24/20電鏡下：線粒體是由雙層單位膜 套疊而成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu)。外 膜內(nèi) 膜膜間腔（外腔）嵴基質(zhì)腔（內(nèi)腔 ）線粒體的超微結(jié)構(gòu)9/25/20225電鏡下：線粒體是由雙層單位膜外 膜內(nèi) 膜膜間腔（外膜(outer membrane)外膜是線粒體與細(xì)胞質(zhì)臨界的單位膜，厚57nm，光滑平整。含有多種轉(zhuǎn)運蛋白，圍成筒狀園柱體，中央有小孔，形成23nm的跨膜水相通道，

3、可以通過10kd以下的小分子及多肽物質(zhì)，因此通透性良好。 外膜9/25/20226外膜(outer membrane)外膜是線粒體與細(xì)胞質(zhì)臨界內(nèi)膜(inner membrane)內(nèi)膜：位于外膜內(nèi)側(cè)，功能膜，是電子傳遞和氧化磷酸化的部位，通透性差，表面不光滑。內(nèi)膜的結(jié)構(gòu)特點：向內(nèi)突起形成嵴(cristae)？內(nèi)表面附著有基粒(elementary particle)外膜內(nèi)膜嵴嵴間腔嵴內(nèi)腔膜間腔（外腔）基質(zhì)腔（內(nèi)腔）基粒9/25/20227內(nèi)膜(inner membrane)內(nèi)膜：位于外膜內(nèi)側(cè)，功能基粒：又稱ATP合酶復(fù)合體(ATP synthase complex) ，是產(chǎn)生ATP的部位。形態(tài)上

4、分三部分：頭部：突出于內(nèi)腔中，具有ATP酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP。 柄部：連接頭部與基片。 基部：嵌入內(nèi)膜中。基 粒9/25/20228基粒：又稱ATP合酶復(fù)合體(ATP synthase com線粒體的空間結(jié)構(gòu)膜及嵴將線粒體空間分成幾部分：基質(zhì)腔(matrix space) ：又叫內(nèi)腔，是內(nèi)膜圍成的空間，含基質(zhì)。膜間腔(intermembrane space) ：又叫外腔，是線粒體內(nèi)、外膜之間腔。嵴間腔(intercristae space)：嵴和嵴之間的空間內(nèi)腔。嵴內(nèi)腔(intracristae space)：每個嵴內(nèi)的空間外腔。 9/25/20229線粒體的空間結(jié)構(gòu)膜及嵴將線

5、粒體空間分成幾部分：9/24/20基 質(zhì)基質(zhì)(matrix)：線粒體內(nèi)腔充滿了電子密度較低的可溶性蛋白質(zhì)和脂肪等成分，稱基質(zhì)。基質(zhì)是物質(zhì)進(jìn)行氧化分解的場所，與三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白質(zhì)合成等有關(guān)的酶都在基質(zhì)中。含有雙鏈環(huán)狀DNA、核糖體。9/25/202210基 質(zhì)基質(zhì)(matrix)：線粒體內(nèi)腔充滿了電子密度較低的蛋白質(zhì)：種類多。脂類：主要是磷脂，構(gòu)成膜。DNA：一個分子，多個拷貝。其它成分：水、酶、無機(jī)離子及維生素等?；瘜W(xué)組成成分9/25/202211蛋白質(zhì)：種類多?；瘜W(xué)組成成分9/24/202211蛋白質(zhì)含量多：達(dá)1000多種，占干重的6570%，多分布在內(nèi)膜和基質(zhì)。分為

6、兩類：一類是可溶性蛋白，另一類是不溶性蛋白。線粒體酶含量多：是含酶最多的細(xì)胞器，參與物質(zhì)分解和氧化磷酸化。含有DNA：是細(xì)胞內(nèi)除核外唯一含DNA的細(xì)胞器?；瘜W(xué)組成特點9/25/202212蛋白質(zhì)含量多：達(dá)1000多種，占干重的6570%，多分布在線粒體是細(xì)胞核以外惟一含DNA的細(xì)胞器，具有獨立合成蛋白質(zhì)的能力，但一定程度上受細(xì)胞核的控制，因此線粒體是具有半自主性的細(xì)胞器。9/25/202213線粒體是細(xì)胞核以外惟一含DNA的細(xì)胞器，具有獨立合成蛋白質(zhì)的線粒體DNA的形態(tài)結(jié)構(gòu)mtDNA為雙鏈結(jié)構(gòu)。兩條鏈編碼不同的基因。根據(jù)兩條鏈轉(zhuǎn)錄RNA在CsCl中密度不同，分為重鏈(heavy strand,

7、 H)和輕鏈(light strand, L)。mtDNA環(huán)狀形態(tài)，核DNA鏈狀。mtDNA裸露，不與組蛋白結(jié)合。9/25/202214線粒體DNA的形態(tài)結(jié)構(gòu)mtDNA為雙鏈結(jié)構(gòu)。9/24/202前體蛋白在線粒體外去折疊。多肽鏈穿越線粒體膜。多肽鏈在線粒體內(nèi)重新折疊。（圖）核編碼蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運過程圖9/25/202215前體蛋白在線粒體外去折疊。核編碼蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運過程圖9/緊密折疊的蛋白不可能穿越線粒體膜，因此在運輸前必須去折疊。 線粒體前體蛋白：蛋白質(zhì)“成熟”形式基質(zhì)導(dǎo)入序列(MTS)。基質(zhì)導(dǎo)入序列又稱導(dǎo)肽，是輸入線粒體的蛋白質(zhì)在其N端具有的一段氨基酸序列，能夠被線粒體膜上的受體識

8、別并結(jié)合，從而定向蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運。 少數(shù)線粒體前體蛋白與稱為NAC的分子伴侶結(jié)合，可增加蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運的準(zhǔn)確性。9/25/202216緊密折疊的蛋白不可能穿越線粒體膜，因此在運輸前必須去折疊。9多數(shù)線粒體前體蛋白與稱為hsp70的分子伴侶結(jié)合，可防止前體蛋白形成不可解開的構(gòu)象，也可防止已松弛的前體蛋白聚集。細(xì)胞質(zhì)中的PBF與線粒體前體蛋白結(jié)合后可增強(qiáng)hsp70對蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運。細(xì)胞質(zhì)中的MSF能夠發(fā)揮ATP酶的作用，為蛋白質(zhì)去折疊供能。（圖）9/25/202217多數(shù)線粒體前體蛋白與稱為hsp70的分子伴侶結(jié)合，可防止前體前體蛋白在其N端具有導(dǎo)肽，能夠被線粒體膜上受體識別并結(jié)合，從而定向蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運。

9、前體蛋白與胞質(zhì)Hsp70分離，與線粒體外膜上的受體結(jié)合，與線粒體膜接觸，前體蛋白進(jìn)入線粒體膜的輸入通道，最終穿越線粒體膜。（圖）9/25/202218前體蛋白在其N端具有導(dǎo)肽，能夠被線粒體膜上受體識別并結(jié)合，從蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運至線粒體基質(zhì)后，必須恢復(fù)其天然構(gòu)象以行使功能。分子伴侶mt hsp70、mt hsp60、mt hsp10等參與蛋白質(zhì)的重新折疊與組裝。（圖）9/25/202219蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運至線粒體基質(zhì)后，必須恢復(fù)其天然構(gòu)象以行使功能。線粒體轉(zhuǎn)運信號及其受體消耗能量分子伴侶的協(xié)助有蛋白質(zhì)的去折疊和再折疊核編碼的蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運特點9/25/202220線粒體轉(zhuǎn)運信號及其受體核編碼的蛋

10、白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運特點9/24線粒體以分裂方式增殖。分兩個階段：生長階段：線粒體膜的生長，mtDNA復(fù)制，然后分裂。分化過程：線粒體內(nèi)部酶的合成，建立能夠行使氧化磷酸化功能的機(jī)構(gòu)。9/25/202221線粒體以分裂方式增殖。分兩個階段：9/24/202221細(xì)胞氧化（cellular oxidation）：在O2的參與下分解各種大分子物質(zhì)，最終產(chǎn)生CO2和H2O，釋放的能量生成ATP，又稱為細(xì)胞呼吸。是細(xì)胞內(nèi)提供生物能源的主要途徑。9/25/202222細(xì)胞氧化（cellular oxidation）：在O2的參大分子物質(zhì)脂肪、多糖和蛋白質(zhì)，分解產(chǎn)生能量，大體上可分為四個階段。糖酵解 胞質(zhì)乙酰輔

11、酶A形成三羧酸循環(huán)氧化磷酸化線粒體9/25/202223大分子物質(zhì)脂肪、多糖和蛋白質(zhì)，分解產(chǎn)生能量，大體上可分為四個(一)線粒體形態(tài)改變在細(xì)胞處于不正常狀態(tài)下，線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)可發(fā)生改變。如正常心肌、骨骼肌細(xì)胞在功能亢進(jìn)時，線粒體增生；腫瘤細(xì)胞可見大量線粒體密集于細(xì)胞質(zhì)中，使細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的體積減少。9/25/202224(一)線粒體形態(tài)改變在細(xì)胞處于不正常狀態(tài)下，線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)有害物質(zhì)和病毒可導(dǎo)致線粒體發(fā)生腫脹至破裂；缺血性損傷可致線粒體結(jié)構(gòu)變異，如凝集、腫脹等；在病變組織中有時有23個線粒體融合成大線粒體的現(xiàn)象。線粒體結(jié)構(gòu)改變將導(dǎo)致功能發(fā)生變化。9/25/202225有害物質(zhì)和病毒可導(dǎo)致線粒

12、體發(fā)生腫脹至破裂；缺血性損傷可致線粒(二)線粒體功能異常如甲狀腺功能亢進(jìn)，即患者甲狀腺產(chǎn)生甲狀腺素增多，造成患者代謝率升高。甲狀腺功能亢進(jìn)的發(fā)生機(jī)制：甲狀腺素 Na+-K+-ATP酶 ATP分解ADPPi ADP進(jìn)入線粒體數(shù)量增加氧化磷酸化偶聯(lián)作用加強(qiáng)底物氧化耗氧量及產(chǎn)熱量皆提高。活化加快9/25/202226(二)線粒體功能異常如甲狀腺功能亢進(jìn)，即患者甲狀腺產(chǎn)生甲狀腺(三) mtDNA異常致線粒體病線粒體DNA是裸露的，在復(fù)制過程中易發(fā)生突變并很少修復(fù)，錯誤的mtDNA可通過線粒體分裂及細(xì)胞分裂傳給子代線粒體或子細(xì)胞，表現(xiàn)線粒體遺傳現(xiàn)象。9/25/202227(三) mtDNA異常致線粒體病

13、線粒體DNA是裸露的，在復(fù)制如肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維病(MERRF綜合征)：線粒體腦肌病，包括線粒體缺陷和大腦與肌肉的功能變化。主要癥狀：肌陣攣性癲癇的短暫發(fā)作(周期性抽搐)，共濟(jì)失調(diào)，感覺神經(jīng)性聽力喪失，輕度癡呆，擴(kuò)張性心肌病和腎功能異常等癥狀。9/25/202228如肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維病(MERRF綜合征)：線粒體腦肌發(fā)病機(jī)理：mtDNA8344G突變線粒體蛋白質(zhì)合成的整體水平除復(fù)合物以外的氧化磷酸化成分含量降低(尤其是呼吸鏈酶復(fù)合物和的含量降低)。9/25/202229發(fā)病機(jī)理：mtDNA8344G突變線粒體蛋白質(zhì)合成的整體水9/25/2022309/24/202230線粒體核肌

14、動蛋白單體頂體9/25/202231線粒體核肌動蛋白單體頂體9/24/2022319/25/2022329/24/202232嵴間腔內(nèi)腔(基質(zhì)腔)外腔(膜間腔)嵴內(nèi)腔(嵴內(nèi)空間)9/25/202233嵴間腔內(nèi)腔外腔嵴內(nèi)腔9/24/202233在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。有機(jī)物(如葡萄糖)在酶作用下生成丙酮酸，生成2分子ATP。C6H12O6 + 2NAD + 2ADP + 2Pi 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP糖酵解酶9/25/202234在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。糖酵解酶9/24/202234在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行。丙酮酸線粒體基質(zhì) 乙酰CoA草酰乙酸 (4C) 檸檬酸(6C，含三個羧

15、基) 三羧酸循環(huán)(TAC循環(huán))。 分解結(jié)合9/25/202235在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行。分解結(jié)合9/24/202235mt基質(zhì)中有參與三羧酸循環(huán)的所有酶類。一次循環(huán)反應(yīng)，總共消耗3個H2O，生成1分子GTP(ATP)，2分子CO2，脫下4對H，重新生成草酰乙酸，再和另一個乙酰CoA結(jié)合，開始下一個循環(huán)。9/25/202236mt基質(zhì)中有參與三羧酸循環(huán)的所有酶類。9/24/202236分別在線粒體內(nèi)膜及基粒上進(jìn)行。線粒體能量轉(zhuǎn)換策略 三羧酸循環(huán)中的能量轉(zhuǎn)換。NAD+ NADH，F(xiàn)AD+ FADH2。NADH和FADH2必須被氧化才能維持三羧酸循環(huán)。NADH + 1/2 O2 NAD+ + 能量 FA

16、DH2 + 1/2 O2 FAD+ + 能量 NADH和FADH2被氧化時釋放的H+、電子和能量如何安置?9/25/202237分別在線粒體內(nèi)膜及基粒上進(jìn)行。9/24/202237氧化還原：脫下的H H2O。 H不直接與O2結(jié)合，H H+e。e 經(jīng)呼吸鏈逐級傳遞給1/2O2O2。解離氧化9/25/202238解離氧化9/24/202238呼吸鏈(respiratory chain)：又稱電子傳遞鏈(electron transport respiratory chain)，是由四種復(fù)合物組成的復(fù)合體，主要功能是H+和電子的傳遞。9/25/202239呼吸鏈(respiratory chain)

17、：又稱電子傳遞鏈遞氫體：既傳遞電子又傳遞質(zhì)子，獨立作用，復(fù)合物、 。遞電子體：只傳遞電子，協(xié)作作用，復(fù)合物、。NADH-CoQ氧化還原酶琥珀酸CoQ氧化還原酶CoQH2細(xì)胞色素C氧化還原酶細(xì)胞色素C氧化酶9/25/202240遞氫體：既傳遞電子又傳遞質(zhì)子，獨立作用，復(fù)合物、 。NADH呼吸鏈：由復(fù)合物、組成，催化NADH氧化，是主呼吸鏈。FADH2呼吸鏈：由復(fù)合物、組成，催化FADH2氧化，是次呼吸鏈。 9/25/202241NADH呼吸鏈：由復(fù)合物、組成，催化NADH氧化，是9/25/2022429/24/202242H+的傳遞：通過遞氫體由線粒體基質(zhì)釋放至膜間腔。電子的傳遞：經(jīng)呼吸鏈逐級傳

18、遞，最終使 O2成為O2， 與基質(zhì)中2個H+化合生成H2O。1212O2 9/25/202243H+的傳遞：通過遞氫體由線粒體基質(zhì)釋放至膜間腔。11O2 9/25/2022449/24/2022449/25/2022459/24/2022459/25/2022469/24/202246氧化磷酸化：電子在傳遞過程中由高能變?yōu)榈湍埽尫懦龅哪芰勘晃挥诰€粒體內(nèi)膜上的F0F1ATP合酶復(fù)合體催化ADP+PiATP。9/25/202247氧化磷酸化：電子在傳遞過程中由高能變?yōu)榈湍?，釋放出的能量被?/25/2022489/24/202248ATP合酶(ATP synthase complex) 基粒位于

19、線粒體的內(nèi)膜上，有頭部、柄部和基片組成，是生成ATP的關(guān)鍵部位，又稱為ATP合酶復(fù)合體。酶活性：兩種酶活性。ATP水解酶的活性：獨立。ATP合成酶的活性：內(nèi)膜。9/25/202249ATP合酶(ATP synthase complex) 基粒頭部:由33亞基組成，是合成ATP的部位。柄部：由亞基構(gòu)成,亞基穿過頭部作為頭部旋轉(zhuǎn)的軸。基片：由3種不同的亞基組成的十五聚體(1a2b12c)。嵌于線粒體內(nèi)膜，是質(zhì)子流經(jīng)的通道。9/25/202250頭部:由33亞基組成，是合成ATP的部位。9/24/2化學(xué)滲透假說：英國生物化學(xué)家P.Mitchell 1961年提出了化學(xué)滲透假說(chemiosomotic compling hypothesis)