細(xì)胞生物學(xué)第6章線粒體-2013全部

線粒體(mitochondrion)Chapter6每人每天約需消耗45kgATP，但每一時(shí)刻貯存在人體中的ATP不到1g,即每個(gè)細(xì)胞每秒鐘大約可形成1000萬個(gè)ATP，同時(shí)有同樣量的ATP被水解，產(chǎn)生出能量供給生命活動(dòng)所需。一部分食物分子用來產(chǎn)生ATP一部分食物分子分解后可成為細(xì)胞成分合成的原料光合作用葉綠體CO2+H2O葡萄糖能量線粒體呼吸作用細(xì)胞必須利用能量來維持它的正常生活線粒體與葉綠體：均是細(xì)胞內(nèi)重要的產(chǎn)能細(xì)胞器均是封閉的雙層單位膜結(jié)構(gòu)都是高效的產(chǎn)生ATP的精密裝置都是半自主性的細(xì)胞器其他能量則被轉(zhuǎn)化成熱能糖徹底氧化所放出能量有40%被儲(chǔ)存在ATP中，這樣的效率大大超出了一般的熱機(jī)細(xì)胞的呼吸作用（GCO2+H2O)具有驚人的效率一、線粒體的形態(tài)線狀或粒狀線粒體的外形多種多樣，有橢圓形、啞鈴形、環(huán)形、圓柱形、棒狀，有的呈蛇形，如在高壓電鏡下看到的蝸牛上皮細(xì)胞的線粒體，呈“蛇形”細(xì)長(zhǎng)彎曲，這種變化與細(xì)胞類型及所處生理?xiàng)l件密切相關(guān)。

活細(xì)胞中線粒體的形態(tài)在不斷發(fā)生變化二、線粒體的數(shù)目線粒體的數(shù)目與細(xì)胞的生理狀態(tài)有關(guān)。比如哺乳動(dòng)物的心肌、肝臟細(xì)胞，飛翔鳥類的胸肌細(xì)胞中需能較多，線粒體的數(shù)目也就較多。

一個(gè)細(xì)胞中線粒體幾百個(gè)。哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞中無線粒體。鞭毛藻細(xì)胞中只有一個(gè)線粒體。巨大變形蟲細(xì)胞中有50萬個(gè)線粒體。精子線粒體分布在需能部位的附近，以便運(yùn)送ATP。三、線粒體的分布

說明線粒體在細(xì)胞中多沿微管分布線粒體的運(yùn)動(dòng)A：Mi的熒光特異染色B：與A同一細(xì)胞的微管熒光特異染色內(nèi)膜innermembrane嵴cristae線粒體基粒elementaryparticles外膜outermembrane四、線粒體的超微結(jié)構(gòu)

外膜（outermembrane）內(nèi)膜（innermembrane）膜間隙（intermembranespace）基質(zhì)(matrix)嵴(crista)脂類和蛋白質(zhì)具有孔蛋白(porin)構(gòu)成的親水通道，允許分子量為5kD以下的分子通過，1kD以下的分子可自由通過選擇透性差，通透性強(qiáng)4.1外膜(outermembrane)4.2內(nèi)膜

內(nèi)突為嵴，膜的內(nèi)表面有大量基?；?，即ATP合成酶,朝向線粒體的基質(zhì)。有三類蛋白：呼吸鏈蛋白，

ATP酶，特異運(yùn)輸?shù)鞍祝ㄈ纾篊a2+運(yùn)輸?shù)鞍祝┩ㄍ感院懿?，需特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)才能進(jìn)入內(nèi)膜

內(nèi)膜：呼吸鏈氧化磷酸化特點(diǎn)：（1）通透性小，含酶Pr較多，大量的心磷脂造成了內(nèi)膜的通透屏障，使H＋、ATP、丙酮酸不能透過內(nèi)膜。（2）內(nèi)膜內(nèi)陷褶疊成嵴，擴(kuò)大了線粒體能量傳換的表面積。（3）內(nèi)膜上有許多基粒（ATP合成酶），基粒由F1頭部和F0膜部組成，球形頭部直徑9nm。嵴層狀，管狀不同物種中的形態(tài)變化豐富小鼠腎細(xì)胞肌肉細(xì)胞羽冠型與長(zhǎng)軸垂直網(wǎng)膜型視網(wǎng)膜的視桿細(xì)胞原生動(dòng)物一些植物絨毛型

Y型與長(zhǎng)軸平行同心圓形精巢大鼠軟上顎肌4.3膜間腔（intermembranespace）內(nèi)外膜之間的空隙為膜間隙，寬度6~8nm，間隙中含有許多可溶性酶和底物。4.4基質(zhì)(matrix)120多種酶類-氧化、三羧酸循環(huán)，mi基因組DNA的表達(dá)及蛋白質(zhì)的合成，這些活動(dòng)所需的酶類都存在于線粒體的基質(zhì)中DNA，核糖體在肝細(xì)胞的線粒體總蛋白67%的蛋白位于基質(zhì)21%位于內(nèi)膜6%位于外膜6%位于膜間腔五、線粒體的特征酶外膜：?jiǎn)伟费趸改らg腔：腺苷酸激酶內(nèi)膜：細(xì)胞色素(C)氧化酶（細(xì)胞色素aa3）基質(zhì)：蘋果酸脫氫酶最易提純的是哪個(gè)部位的酶？最不易提純的是哪個(gè)部位的酶？如何分離線粒體的各組分？線粒體各部分的分離

組織勻漿——差速離心，分離線粒體超聲處理線粒體——內(nèi)膜的嵴被打碎——“外翻小泡”亞線粒體顆?！夥男∨莸闹苽溥^程超聲處理六、線粒體的功能線粒體是真核細(xì)胞有氧呼吸和能量供應(yīng)的基地。其根本功能是通過氧化磷酸化的偶聯(lián)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換作用。6.1-氧化6.2三羧酸循環(huán)6.3ATP的合成6.4線粒體蛋白的合成

6.3ATP的合成氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）：經(jīng)糖酵解和三羧酸循環(huán)產(chǎn)生的還原性電子載體（NADH、FADH2）所攜帶的電子在呼吸鏈電子傳遞過程中釋放能量，在FoF1ATP合酶催化下使ADP磷酸化生成ATP，這種伴隨電子傳遞鏈的氧化過程所發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換和ATP的形成稱為氧化磷酸化。生物氧化的過程（或分區(qū)）

蛋白、糖、脂丙酮酸，脂肪酸三羧酸循環(huán)NADH呼吸鏈第一階段（細(xì)胞質(zhì)中）第二階段（基質(zhì)中）第三階段（內(nèi)膜：提供一對(duì)電子和一個(gè)H+）糖類、脂肪、氨基酸等經(jīng)糖酵解產(chǎn)生丙酮酸和脂肪酸進(jìn)入線粒體后形成乙酰CoA進(jìn)入TCA。TCA脫下的氫經(jīng)內(nèi)膜上的電子傳遞鏈，最后傳至氧生成水。釋放的能量通過ADP的磷酸化生成ATP。

ATP產(chǎn)生的方式：底物水平的磷酸化氧化磷酸化在細(xì)胞質(zhì)中酵解的總反應(yīng)式:

葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+→2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O在線粒體中丙酮酸氧化脫羧及三羧酸循環(huán)的總反應(yīng)式：

丙酮酸+3H2O+4NAD++FAD++ADP+Pi→3CO2+4NADH+4H++FADH2+ATP

1mol葡萄糖徹底氧化分解生成30-32mol的ATP

線粒體的功能

——氧化磷酸化

1.呼吸鏈(respiratorychain)電子傳遞鏈（electrontransportchain）

：

按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜上的遞氫和遞電子的酶體系,在線粒體內(nèi)膜上相互關(guān)聯(lián)地有序排列，稱電子傳遞鏈。由于電子傳遞鏈以氧作電子接受體，與細(xì)胞攝取氧有關(guān)，又稱呼吸鏈。6.3.1內(nèi)膜上的電子傳遞

從NADH一次傳遞2個(gè)e，從基質(zhì)中把6個(gè)H+釋放到膜間腔中，電子從能量較高的水平降到能量較低的水平，即電子的流動(dòng)（電流）在NADH和O2之間的電位差大約1.2V.電子傳遞認(rèn)為是分子隨機(jī)碰撞的結(jié)果，CoQ可在膜內(nèi)自由擴(kuò)散，作為復(fù)合物I和III之間的媒介，Cyt-C分子量不大，運(yùn)動(dòng)快，作為復(fù)合物III和IV之間的媒介

在三個(gè)大的復(fù)合物處都有一個(gè)大的電位變化，釋放的能量可以用于將質(zhì)子泵出。這能量不是一步釋放的，而是一步步釋放的，以被利用。氧化磷酸化與電子傳遞的偶聯(lián)ATP合成酶——復(fù)合物Ⅴ在氧化磷酸化過程中將氧化磷酸化與電子傳遞耦聯(lián)的結(jié)構(gòu)是內(nèi)膜上的ATP合成酶或ATP酶復(fù)合物，即F0-F1耦聯(lián)因子。作用：合成ATP能量來源：電子傳遞中釋放的能量ATP合成酶分子結(jié)構(gòu)

6.3.2能量轉(zhuǎn)換――在內(nèi)膜上進(jìn)行的ATP酶偶聯(lián)氧化磷酸化作用

(1).氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制----化學(xué)滲透假說

1961年提出（英國(guó)的Mitchell），以后被不斷完善基本思想：線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈起質(zhì)子泵的作用，利用高能電子傳遞過程中釋放的能量將H+泵出內(nèi)膜外，由于內(nèi)膜對(duì)H+不能自由通透，造成膜內(nèi)外的一個(gè)H+的電化學(xué)梯度，ATP合成酶再利用這個(gè)電化學(xué)梯度來合成ATP?；瘜W(xué)滲透假說紅箭頭顯示質(zhì)子運(yùn)動(dòng)的方向質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)(protonmotiveforce)推動(dòng)質(zhì)子作功的能量分為兩部分

I)（電動(dòng)勢(shì)）膜電位大

II)質(zhì)子濃度差小牛心F1偶聯(lián)因子(3α，3β，γ，εδ)1.3α和3β亞基交替排成橘瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)。結(jié)合時(shí)有活性，分離時(shí)無活性2.β亞基的結(jié)合位點(diǎn)具有催化合成或水解ATP的活性3.γ和ε結(jié)合在一起形成

轉(zhuǎn)子，共同旋轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)3個(gè)β亞基催化位點(diǎn)的開放和關(guān)閉。4.ε亞基具有抑制酶水解ATP的活性。

堵塞H+的通道，減少氫離子的泄漏(2)ATP合成酶的結(jié)構(gòu)細(xì)菌Fo偶聯(lián)因子：細(xì)菌:a1b2c10-12多拷貝的c亞基形成一個(gè)環(huán)狀的結(jié)構(gòu)。

a亞基，b亞基二聚體，δ亞基共同構(gòu)成定子，它可以推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。ATP合成酶，由多個(gè)亞基組成，它與膜相連處有一質(zhì)子通道（F0）(3)質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)如何推動(dòng)ATP合成酶合成ATP？結(jié)合變化機(jī)制（bindingchangemechanism）——旋轉(zhuǎn)催化模型質(zhì)子通過F0時(shí)，引起c亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)γ亞基旋轉(zhuǎn)在特定的時(shí)間，三個(gè)催化位點(diǎn)的構(gòu)象不同由于γ亞基的端部是高度不對(duì)稱的，它的旋轉(zhuǎn)引起β亞基3個(gè)催化位點(diǎn)構(gòu)象的周期性變化（L、T、O）F1中的有3個(gè)亞基，每一個(gè)亞基都有三種構(gòu)象，亞基的旋轉(zhuǎn)（由質(zhì)子推動(dòng)F0的旋轉(zhuǎn)而帶動(dòng)）使亞基在這三種構(gòu)象中不斷變化，而催化ATP的合成。（亞基旋轉(zhuǎn)，亞基位置不變，但構(gòu)象發(fā)生改變）在L構(gòu)象（loose），ADP、

Pi與ATP酶疏松結(jié)合在一起；在T構(gòu)象（tight）底物（ADP、

Pi）與酶緊密結(jié)合在一起，在這種情況下可將兩者加合在一起；在O構(gòu)象（open）ATP與酶的親和力很低，被釋放出去。ATP合成酶三種構(gòu)象的交替改變

七、線粒體的半自主性線粒體的自我繁殖及一系列功能活動(dòng)，受其自身基因組(mtDNA)和細(xì)胞核基因組(nDNA)兩套遺傳系統(tǒng)共同控制，也稱為半自主性細(xì)胞器(semiautomousorganelle)。第二遺傳因子：線粒體DNA（線粒體內(nèi)裸露，雙鏈DNA，環(huán)形）

線粒體遺傳體系的特征：①DNA為環(huán)形分子，無非編碼序列；②在細(xì)胞周期的各個(gè)階段都能復(fù)制。③核糖體為70S型④線粒體內(nèi)mRNA轉(zhuǎn)錄與蛋白質(zhì)的合成同步進(jìn)行⑤線粒體合成的蛋白質(zhì)很少，占線粒體蛋白質(zhì)的10%，大量線粒體蛋白由核基因編碼、在細(xì)胞質(zhì)中合成后定向轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體。7.1mtDNA的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)存在于mi基質(zhì)中，有時(shí)與mi的內(nèi)膜結(jié)合。mtDNA是裸露的雙鏈環(huán)狀閉合分子，一個(gè)mi中有1個(gè)或多個(gè)DNA分子。mtDNA的含量比細(xì)胞核DNA含量少得多，按一個(gè)細(xì)胞有500-1000個(gè)mi計(jì)算，全部的mtDNA的含量也不過相當(dāng)于核中DNA的1-2%左右。第一個(gè)在分子水平初步搞清mtDNA基因結(jié)構(gòu)的是

人的mtDNA.（1）線粒體DNA的結(jié)構(gòu)

人的線粒體DNA：16569bp,37個(gè)基因(編碼12S,16SrRNA；22種tRNA；13種多肽：NADH脫氫酶7個(gè)亞基，cytb-c1復(fù)合物中1個(gè)cytb，細(xì)胞色素C氧化酶3個(gè)亞基，ATP合成酶2個(gè)Fo亞基)鼠，牛，蛙的線粒體DNA序列已知酵母線粒體DNA78000bp，比人類的長(zhǎng)5倍,但它的基因產(chǎn)物并不比人的多很多。原因：人類線粒體DNA序列中全為外顯子，無內(nèi)含子，基因間幾乎沒有非編碼區(qū)。而yeast中有大量的內(nèi)含子和非編碼區(qū)。（2）mtDNA復(fù)制的特點(diǎn)mtDNA復(fù)制也以半保留復(fù)制方式進(jìn)行。復(fù)制時(shí)間不同于細(xì)胞核DNA的復(fù)制。不僅在S期，線粒體DNA的復(fù)制貫穿于整個(gè)細(xì)胞周期

mtDNA表現(xiàn)為母系遺傳。

其突變率高于核DNA，并且缺乏修復(fù)能力。

線粒體中的DNA是不與細(xì)胞其它部分的DNA發(fā)生交換，所以如果線粒體中的DNA發(fā)生病變后，細(xì)胞其他部位的DNA不能代替它行使作用，說明線粒體有一定的自主作用7.2蛋白質(zhì)的合成Mi中120多種蛋白，只有13種左右由mtDNA編碼，并且已經(jīng)知道m(xù)i中合成的蛋白都是和內(nèi)膜結(jié)合在一起的。問題：用什么辦法可以判明mi中的蛋白質(zhì)是靠mtDNA編碼還是靠核基因編碼通過跨膜運(yùn)輸而進(jìn)入mi的？（1）

放線菌酮：抑制由核基因編碼蛋白的合成（2）

紅霉素或氯霉素：抑制由線粒體基因編碼的蛋白質(zhì)的合成。（3）問題：

a如果在放線菌酮存在下，使細(xì)胞用標(biāo)記的氨基酸合成蛋白質(zhì)，則在mi中看到的帶有放射性標(biāo)記的蛋白，應(yīng)該是在哪兒合成的。

b如果在氯霉素存在的情況下，在mi中看到的標(biāo)記蛋白，應(yīng)該是在哪兒合成的。發(fā)現(xiàn)線粒體DNA（mtDNA）后,人們又在線粒體中發(fā)現(xiàn)了RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖體、氨基酸活化酶等進(jìn)行DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯的全套裝備，說明線粒體具有獨(dú)立的遺傳體系。ComplexSubunitsNuclearmtDNAⅠ41347Ⅱ440Ⅲ11101Ⅳ13103Ⅴ14122合計(jì)837013線粒體的生物合成可分為兩個(gè)階段：第一階段由核基因編碼復(fù)制因子、RNA聚合酶等蛋白輸送到線粒體中接著進(jìn)行第二階段，即線粒體中DNA開始轉(zhuǎn)錄和翻譯，產(chǎn)生組成線粒體的內(nèi)膜蛋白，同時(shí)產(chǎn)生了控制核DNA有關(guān)線粒體蛋白合成的阻截物，這樣就終止了核DNA的這部分轉(zhuǎn)錄過程。當(dāng)核基因編碼的酶在線粒體中用完后，線粒體DNA的作用立即停止，阻截物不再形成，于是核基因又重新開始轉(zhuǎn)錄。線粒體的半自主性線粒體基因在轉(zhuǎn)錄和翻譯過程中對(duì)核基因有很大的依賴性，受到核基因的控制。另外，線粒體中的DNA和RNA是不與細(xì)胞其它部分的DNA和RNA發(fā)生交換，所以如果線粒體中的DNA發(fā)生病變后，細(xì)胞其他部位的DNA不能代替它行使作用，說明線粒體有一定的自主作用問題：a解釋當(dāng)放線菌酮存在30min到1h的條件下，mi的合成活性顯著下降的原因。b解釋當(dāng)氯霉素存在的條件下，細(xì)胞質(zhì)中有關(guān)mi基因復(fù)制和翻譯的酶的合成反而受到促進(jìn)的原因。八、線粒體蛋白質(zhì)的運(yùn)輸后轉(zhuǎn)移形式的單向跨膜運(yùn)輸前導(dǎo)肽(leaderpeptide)的特點(diǎn)

位于蛋白質(zhì)NH2－基端羥基氨基酸的含量較高（Ser,Thr）帶正電荷堿性氨基酸豐富，尤其是Arg極少有帶負(fù)電荷的酸性氨基酸

具有形成兩性螺旋的傾向。1.蛋白質(zhì)進(jìn)入線粒體基質(zhì)1.轉(zhuǎn)運(yùn)肽前肽（游離核糖體）2.信號(hào)肽（附著核糖體)不需特別區(qū)分時(shí)，統(tǒng)稱為信號(hào)肽。線粒體內(nèi)外膜的接觸點(diǎn)

鼠肝直徑1um線粒體上約115個(gè)接觸點(diǎn)

2.運(yùn)入膜間隙（1)保守分選模型（2)非保守分選模型蛋白質(zhì)進(jìn)入線粒體的膜間腔---保守分選模型蛋白質(zhì)進(jìn)入線粒體的膜間腔----非保守分選模型3.蛋白質(zhì)運(yùn)入內(nèi)膜進(jìn)入內(nèi)膜的前體蛋白，引導(dǎo)肽序列后具有停止轉(zhuǎn)移序列，使蛋白安插在內(nèi)膜上。4.運(yùn)入外膜由導(dǎo)向基質(zhì)的信息序列插入內(nèi)外膜接觸點(diǎn)，后面的停止轉(zhuǎn)運(yùn)序列使蛋白前體滯留在外膜中。進(jìn)入外膜的蛋白具有不被切除的N端導(dǎo)肽序列和停止轉(zhuǎn)運(yùn)序列的特點(diǎn)。線粒體的異常會(huì)影響整個(gè)細(xì)胞的正常功能，從而導(dǎo)致病變

——線粒體病(mitochondrialdiseases,MD)九、線粒體與疾病1：克山病，一種地方性心肌線粒體病，于1935年在黑龍江省克山縣首先發(fā)現(xiàn)。病因至今尚不清楚，但調(diào)查病區(qū)與非病區(qū)的水源和植物發(fā)現(xiàn)，硒缺乏與克山病發(fā)病的關(guān)系較密切

缺硒影響線粒體膜穩(wěn)定性，導(dǎo)致心肌線粒體膨脹、嵴稀少和不完整等，對(duì)電子傳遞和氧化磷酸化偶聯(lián)造成損傷。臨床表現(xiàn)主要有心臟增大、急性或慢性心功能不全和各種類型的心律失常，急重病人可發(fā)生猝死。2：線粒體與細(xì)胞衰老線粒體是細(xì)胞內(nèi)自由基的源泉，正常情況下氧自由基可被線粒體中的Mn2+

－SOD所清除，機(jī)體衰老使SOD活性降低，氧自由基積累在線粒體中，導(dǎo)致線粒體內(nèi)膜參與能量轉(zhuǎn)換的酶系功能異常，引起細(xì)胞的衰老與死亡

3：線粒體與細(xì)胞凋亡凋亡：細(xì)胞程序性死亡死亡：受損傷而死亡當(dāng)線粒體接受凋亡刺激的早期cytc從線粒體向細(xì)胞質(zhì)移位，cytc能活化與凋亡相關(guān)的酶類，引起凋亡。在正常情況下定位在線粒體外膜等處的Bcl－2則可阻止cytc從線粒體釋放，從而抑制細(xì)胞的凋亡

線粒體由線粒體分裂而來，與細(xì)胞分裂不同步，在細(xì)胞間期分裂。

十、線粒體的生物發(fā)生（一）線粒體的增殖——分裂增殖1.出芽分裂增殖——蘚類植物和酵母細(xì)胞2.收縮后分離增殖

——蕨類植物和酵母細(xì)胞3.間壁分離(隔膜分離)——哺乳動(dòng)物和植物分生組織間壁分離收縮后分離出芽分裂間壁分離

收縮后分離

1.內(nèi)共生起源學(xué)說（二）線粒體的起源線粒體的祖先原線粒體（一種可進(jìn)行