線粒體學時課程

線粒體學時課程第1頁/共81頁線粒體的基本特征細胞呼吸與能量轉換線粒體與醫(yī)學線粒體第2頁/共81頁線粒體的基本特征線粒體的形態(tài)、數(shù)量和結構線粒體的化學組成線粒體的遺傳體系線粒體的起源與發(fā)生線粒體第3頁/共81頁線粒體的形態(tài)與數(shù)量與細胞類型、生理狀態(tài)有關形態(tài)呈線狀、粒狀或桿狀，具高度可塑性數(shù)量因細胞種類不同，1個～50萬個細胞代謝旺盛，線粒體數(shù)量較多細胞內線粒體分布具有空間差異性，往往伴隨微管分布第4頁/共81頁線粒體的形態(tài)第5頁/共81頁線粒體的可塑性第6頁/共81頁細胞內線粒體隨微管分布移動第7頁/共81頁線粒體的亞顯微結構電鏡下的線粒體由雙層單位膜套疊而成亞顯微結構包括外膜、外腔、內膜、內腔其中內外膜可融合形成：內外膜轉位接觸點內腔充滿基質：可溶性蛋白、脂肪、雙鏈環(huán)狀DNA、核糖體第8頁/共81頁電鏡下線粒體的結構第9頁/共81頁線粒體結構模型外腔=膜間腔內腔=基質腔嵴內空間-外腔嵴間腔-內腔第10頁/共81頁內外膜轉位接觸點3.第11頁/共81頁內外膜轉位接觸點3.基質導入序列（MTS)第12頁/共81頁1.外膜厚度:6~7nm蛋白質/脂類≈1:1允許相對分子量<10000的分子通過，比如ATP,NAD,CoA,小分子多肽等。InnermembraneoutermembraneporinIntermembranespace第13頁/共81頁2.內膜厚度:5~6nm蛋白質/脂類=80:20內膜通透性很小，分子量大于150的分子不能通過具有高度選擇透過性（膜上轉運蛋白）第14頁/共81頁

內膜上大量向內腔突起的折疊增加內膜表面積，提高線粒體工作效率線粒體活動越旺盛，嵴的數(shù)量越多①嵴基粒第15頁/共81頁心肌細胞②基粒（ATP合酶復合體）：參與ATP合成兔肝細胞F1F0第16頁/共81頁

基粒：是存在于線粒體內膜的ATP酶復合體，由頭部（F1）、柄部(對寡霉素敏感)和基片(F0)構成，包括多個蛋白質亞基，具有催化ADP合成ATP的功能。基粒結構模式圖第17頁/共81頁ATP酶復合體（F0F1ATP合酶）頭部（偶聯(lián)因子F1）柄部基片（偶聯(lián)因子F0）α3β3γδε多亞基復合體純化F1

催化ATP水解天然F1

合成ATP結合F1抑制蛋白抑制ATP的合成連接頭部與基片特異結合寡霉素抑制ATP合成嵌于內膜連接F1與內膜質子流向F1的穿膜通道第18頁/共81頁ATP合酶復合體復合體V第19頁/共81頁Timothy等人提出了一個ATP合酶中能量轉化過程的模型，該模型認為由abα3β3δ組成了“定子（stator）”，cγε則形成“轉子（rotor）”。當H+穿過a和c之間的通道時產(chǎn)生了力矩，從而推動了轉子與定子間的相對轉動，這樣在F1中合成了ATP.F1F0第20頁/共81頁結合變構模型（binding-changemodel）

F1中的γ亞基作為C亞基旋轉中心中固定的轉動桿，旋轉時引起αβ復合物構型的改變。有三種不同的構型，對ATP和ADP具不同的結合力：①O型幾乎不與ATP、ADP和Pi結合；②L型同ADP和Pi的結合較強；③T型與ADP和Pi的結合很緊，并能自動形成ATP，并能與ATP牢牢結合。當γ亞基旋轉并將αβ復合物轉變成O型則會釋放ATP。ATP合成的結合變構機制1997,PaulD.Boyer,NobelPrize第21頁/共81頁③電子傳遞鏈，呼吸鏈一系列能夠可逆的接受和釋放H+和e-的酶體系，在內膜上有序的排列成相互關聯(lián)的鏈狀包括復合體Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及細胞色素C。H2O

HH＋

e-電子傳遞鏈?O第22頁/共81頁線粒體呼吸鏈的組成及性質復合體輔基結構與膜關系催化部位功能復合體I(850Kd)1FMN,16-24FeS(6個FeS中心)二聚體整合NADH部位:M側CoQ部位:中央電子傳遞體、質子泵(NADHCoQ）復合體II(140kd)1FAD,8FeS,1cytb(3個FeS中心)單體整合琥珀酸部位:M側CoQ部位:中央電子傳遞體(琥珀酸CoQ)復合體III(480kd)2cytb,1cytc12FeS二聚體整合CoQ部位:中央cytc1:C側電子傳遞體、質子泵(CoQcytc)復合體IV(160kd)2cyta,2cyta32Cu二聚體整合cyta部位:C側O2部位:M側電子傳遞體，質子泵(cytcO2)細胞色素c(13kd)1cytc-血紅素單體周邊cytc1部位:C側cyta部位:C側電子傳遞體(CoQcyta)第23頁/共81頁分布于線粒體內腔含數(shù)百種氧化酶類含可溶性蛋白、脂肪、可溶性中間產(chǎn)物獨特的遺傳體系：雙鏈環(huán)狀DNA、核糖體基質顆粒：

Ca3(PO4)2沉積（注意與基粒區(qū)別）3.基質（凝膠狀）第24頁/共81頁線粒體的化學組成1、蛋白質、脂類（特色——酶）膜由脂類和蛋白質組成，但有自己的特點，如：線粒體內膜具有高含量的心磷脂，保證了內膜具有離子不透過性蛋白質包括可溶蛋白和不溶性蛋白兩大類，以內膜上蛋白含量最高2、核酸（特色——DNA）3、其他第25頁/共81頁線粒體的酶部位主要代表性酶外膜單胺氧化酶*、NADH-細胞色素c還原酶、磷酸甘油酰基轉移酶、?；鵆oA合成酶、脂肪酸輔酶A連接酶、犬尿酸羥化酶內膜細胞色素氧化酶系*、琥珀酸脫氫酶*、ATP合成酶、丙酮酸氧化酶系、NADH脫氫酶、－羥丙酸脫氫酶、－羥丁酸脫氫酶、肉堿棕櫚?；D移酶、亞鐵螯合酶、對寡霉素敏感的ATP酶膜間腔腺苷酸激酶*、核苷二磷酸激酶、核苷酸激酶、亞硫酸氧化酶基質蘋果酸脫氫酶*、三羧酸循環(huán)酶系*、脂肪酸氧化酶系、檸檬酸循環(huán)酶系、核酸及蛋白質合成酶系注：帶*者為標志酶第26頁/共81頁線粒體的標志酶線粒體各部分都具有特定的功能線粒體是細胞內酶含量最高的細胞器之一線粒體的標志酶*：外膜：單胺氧化酶膜間腔：腺苷酸激酶內膜：細胞色素氧化酶基質：蘋果酸脫氫酶第27頁/共81頁線粒體的標志酶線粒體各部分都具有特定的功能線粒體是細胞內酶含量最高的細胞器之一線粒體的標志酶*：外膜：單胺氧化酶膜間腔：腺苷酸激酶內膜：細胞色素氧化酶基質：蘋果酸脫氫酶第28頁/共81頁含有獨特的DNA分子—mtDNA,除細胞核外唯一含有DNA的細胞器,與mt核糖體構成相對獨立的遺傳信息復制、轉錄和翻譯系統(tǒng)為裸露的雙鏈環(huán)狀DNA一個線粒體內有1至數(shù)個不等主要編碼線粒體tRNA、rRNA、mRNA線粒體的遺傳體系第29頁/共81頁電鏡下的線粒體DNA第30頁/共81頁線粒體的遺傳體系據(jù)轉錄本密度將mtDNA分為重鏈(H鏈)和輕鏈(L鏈)，都具編碼功能人類mtDNA序列(劍橋序列)包括16,569bp，編碼37種產(chǎn)物，其中:rRNA2種：12S，16SrRNA(H鏈)tRNA22種：14種(H鏈)，8種(L鏈)mRNA13種：12種(H鏈)，1種(L鏈)

。第31頁/共81頁rRNA--2：12S，16SrRNA(H)tRNA--22：14(H),8(L)mRNA--13：12(H),1(L)人類mtDNA圖譜第32頁/共81頁半自主性；母系遺傳。線粒體的遺傳特性第33頁/共81頁半自主性自主性：線粒體雖具有自己的遺傳物質，可以合成線粒體所需要的某些組分；非自主性：線粒體內的絕大多數(shù)蛋白質仍然需要依賴細胞核基因；因而這種遺傳上的自主性是不完整的，故為半自主性。第34頁/共81頁母系遺傳第35頁/共81頁線粒體通過分裂方式實現(xiàn)增殖出芽分裂收縮分裂間壁分裂mtDNA隨機、不均等地分配線粒體起源有兩種假說：1、內共生假說：起源于共生的早期細菌2、非共生假說：起源于需氧細菌細胞膜內折線粒體的起源與發(fā)生第36頁/共81頁線粒體起源的內共生學說第37頁/共81頁線粒體起源的內共生學說？非共生假說第38頁/共81頁線粒體的基本特征

細胞呼吸與能量轉換線粒體與醫(yī)學線粒體第39頁/共81頁細胞呼吸與能量轉換

細胞呼吸（cellularrespiration）：

生物體內的糖類、脂肪、蛋白質等有機物在細胞的某些細胞器（線粒體）內借助O2的作用，被氧化分解，產(chǎn)生CO2，同時釋放能量存儲于ATP中的過程，也稱為生物氧化。是細胞內提供生物能源的主要途徑第40頁/共81頁細胞呼吸與能量轉換細胞呼吸的特點：

本質上是線粒體中一系列酶系催化的氧化還原反應產(chǎn)生的能量儲存于ATP的高能磷酸鍵中反應分步進行，能量逐步釋放反應在恒溫恒壓下進行需要O2的參與第41頁/共81頁細胞呼吸與能量轉換能量轉換的特點：細胞能量的轉換分子——ATP

細胞呼吸釋放的能量儲存于ATP的高能磷

酸鍵中斷裂一個高能磷酸鍵釋放能量A-P～P～PA-P～P+Pi+能量去磷酸化磷酸化第42頁/共81頁細胞呼吸包括兩個過程：能量物質的氧化和ADP的磷酸化1、能量物質的氧化生物體內的糖類、脂肪、蛋白質等有機物在細胞的某些細胞器（線粒體）內借助O2的作用，被氧化分解，產(chǎn)生CO2

。2、ADP的磷酸化有兩種方式：

底物水平磷酸化：氧化磷酸化（電子傳遞體系磷酸化）細胞呼吸與能量轉換第43頁/共81頁底物水平磷酸化是由高能底物水解放能，直接將高能磷酸鍵從底物轉移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP的過程。氧化磷酸化是指生物氧化過程中所釋放能量的轉移過程與ADP的磷酸化過程結合起來，從而將生物氧化過程中釋放出來的能量轉移到ATP的高能磷酸鍵中，又稱為氧化磷酸化偶聯(lián)。能量物質的氧化1、脫羧－CO22、脫氫－H2OATPADP+Pi第44頁/共81頁氧化磷酸化的結構基礎呼吸鏈ATP酶復合體HH＋e電子傳遞鏈OH2ONADHFADH2第45頁/共81頁電子傳遞鏈，呼吸鏈一系列能夠可逆的接受和釋放H+和e-的酶體系，在內膜上有序的排列成相互關聯(lián)的鏈狀H2O

HH＋

e-電子傳遞鏈?O第46頁/共81頁線粒體呼吸鏈的組成及性質復合體輔基結構與膜關系催化部位功能復合體I(850Kd)1FMN,16-24FeS(6個FeS中心)二聚體整合NADH部位:M側CoQ部位:中央電子傳遞體、質子泵(NADHCoQ）復合體II(140kd)1FAD,8FeS,1cytb(3個FeS中心)單體整合琥珀酸部位:M側CoQ部位:中央電子傳遞體(琥珀酸CoQ)復合體III(480kd)2cytb,1cytc12FeS二聚體整合CoQ部位:中央cytc1:C側電子傳遞體、質子泵(CoQcytc)復合體IV(160kd)2cyta,2cyta32Cu二聚體整合cyta部位:C側O2部位:M側電子傳遞體，質子泵(cytcO2)細胞色素c(13kd)1cytc-血紅素單體周邊cytc1部位:C側cyta部位:C側電子傳遞體(CoQcyta)第47頁/共81頁

基粒：是存在于線粒體內膜的ATP酶復合體，由頭部（F1）、柄部(對寡霉素敏感)和基片(F0)構成，包括多個蛋白質亞基，具有催化ADP合成ATP的功能?；＝Y構模式圖第48頁/共81頁線粒體是最主要的物質氧化場所生物體內的糖類、脂類、蛋白質等都可作為能源物質，通過氧化分解形成丙酮酸，后者進入線粒體基質后進一步分解成為乙酰CoA，而后經(jīng)三羧酸循環(huán)（TAC）氧化形成水和CO2，同時生成大量ATP分子。第49頁/共81頁能量產(chǎn)生過程經(jīng)典例子：葡萄糖氧化過程大體分成三個步驟：1、糖酵解（細胞質）2、三羧酸循環(huán)（TAC）（基質）3、氧化磷酸化（內膜）。蛋白質和脂肪的徹底氧化只在第一步與糖有所區(qū)別。脂肪脂肪酸蛋白質氨基酸第50頁/共81頁三羧酸循環(huán)（TAC）（線粒體基質中進行）2CH2COSCoA+6NAD++2FAD+2ADP+2Pi+6H2O4CO2+6NADH+6H++2FADH2+2HSCoA+2ATP是各種有機物進行最后氧化的過程1953,HansAdolfKrebs,NobelPrize糖酵解（細胞質中進行）

C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H+

+2ATP丙酮酸第51頁/共81頁葡萄糖→丙酮酸→乳酸或乙醇乙酰CoA→TAC無氧有氧丙酮酸脫氫酶系NADH+H+葡萄糖的無氧酵解與有氧氧化丙酮酸脂溶性通過線粒體內膜NADH+H+經(jīng)特異穿梭機制通過內膜第52頁/共81頁三羧酸循環(huán)（TAC）第53頁/共81頁氧化磷酸化機理化學滲透假說第54頁/共81頁化學滲透假說1、NADH或FADH2提供2e-，經(jīng)電子傳遞鏈傳遞給O2；2、2e-傳遞過程中，向外腔排放2H+；3、線粒體內膜具有離子不通透性，能隔絕H+、OH-等，從而形成跨線粒體內膜的電化學質子梯度；4、2H+順濃度經(jīng)F0F1ATP合酶回流，釋放自由能產(chǎn)生1分子ATP。第55頁/共81頁化學滲透假說1、呼吸鏈中的遞氫遞電子體起質子泵的作用。在電子傳遞過程中可以將H+從線粒體內膜的內側泵至外側。1對電子（2e-）經(jīng)NADH傳遞到O2時,共泵出3對H+

（6H+

）；若經(jīng)FADH2，則共泵出2對H+

（4H+

）。2、H+電化學勢梯度建立。膜外側的H+不能自由通過內膜返回內側,從而在內膜兩側建立起跨膜的H+電化學勢梯度。3、由質子動力推動ATP的合成。

1對H+（2H+

）順濃度經(jīng)F0F1ATP合酶回流，釋放自由能產(chǎn)生1分子ATP。綜上：1分子NADH+H+經(jīng)過電子傳遞，釋放的能量可以形成3分子ATP;1分子FADH2經(jīng)過電子傳遞，釋放的能量可以形成2分子ATP。第56頁/共81頁電子傳遞途徑

ComplexICoQComplexⅢCytochromecComplexⅣNADH+H+?O2+2H+

ComplexⅡ

FADH2H2O2e-2e-質子泵3ATP2ATP第57頁/共81頁電子傳遞途徑ICytc?O2

(ComplexⅣ)Cyta3CytaFMNFe-S(ComplexⅠ)CoQCytbCytc1(ComplexⅢ)NADH+H+2e-NAD+第58頁/共81頁電子傳遞途徑IICytc?O2

(ComplexⅣ)Cyta3CytaFADFe-S(ComplexII)FADH22e-FADCytbCytc1(ComplexⅢ)CoQ第59頁/共81頁基質膜間腔第60頁/共81頁1葡萄糖(C6)2丙酮酸(C3)糖酵解胞基質2對H+2ATP2乙酰輔酶A(C2)CO2底物水平磷酸化線粒體基質丙酮酸脫氫2對H+CO2TAC線粒體基質6對H+2對H+2ATPNAD6ATP2ATPNAD6ATPNAD18ATPFAD4ATP2ATP線粒體內膜電子傳遞和氧化磷酸化H2OFAD4ATP線粒體與能量形成1分子葡萄糖完全氧化可形成36~38分子ATP，其中34~36分子是在線粒體內形成的，糖酵解僅產(chǎn)生2分子ATP，因此線粒體是生物細胞的動力工廠。第61頁/共81頁1葡萄糖(C6)2丙酮酸(C3)糖酵解胞基質2對H+2ATP2乙酰輔酶A(C2)CO2底物水平磷酸化線粒體基質丙酮酸脫氫2對H+CO2TAC線粒體基質6對H+2對H+2ATPNAD6ATP2ATPNAD6ATPNAD18ATPFAD4ATP2ATP線粒體內膜電子傳遞和氧化磷酸化H2OFAD4ATP線粒體與能量形成第62頁/共81頁1葡萄糖(C6)2丙酮酸(C3)糖酵解胞基質2對H+2ATP2乙酰輔酶A(C2)CO2底物水平磷酸化線粒體基質丙酮酸脫氫2對H+CO2TAC線粒體基質6對H+2對H+2ATPNAD6ATP2ATPNAD6ATPNAD18ATPFAD4ATP2ATP線粒體內膜電子傳遞和氧化磷酸化H2OFAD4ATP線粒體與能量形成1分子葡萄糖完全氧化可形成36~38分子ATP，其中34~36分子是在線粒體內形成的，糖酵解僅產(chǎn)生2分子ATP，因此線粒體是生物細胞的動力工廠。第63頁/共81頁線粒體的基本特征細胞呼吸與能量轉換

線粒體與醫(yī)學線粒體第64頁/共81頁細胞的能量轉換與醫(yī)學關系線粒體對環(huán)境變化十分敏感許多疾病狀態(tài)下，線粒體的結構和功能發(fā)生相應改變，并成為疾病病理變化的一部分線粒體的異常也可成為疾病發(fā)生原因這種以線粒體結構或功能異常為主要病因的一大類疾病稱為線粒體病。第65頁/共81頁中毒、感染→→線粒體亦可發(fā)生腫脹甚至破裂。原發(fā)性肝癌細胞癌變→→線粒體嵴的數(shù)目逐漸下降而最終成為液泡狀線粒體；缺血性損傷→→線粒體也會出現(xiàn)結構變異如凝集、腫脹等；壞血病→→組織中有時也可見二到三個線粒體融合成一個大的線粒體的現(xiàn)象，稱為線粒體球；氰化物、CO等→→可阻斷呼吸鏈上的電子傳遞，造成生物氧化中斷、細胞死亡。疾病過程中的線粒體變化第66頁/共81頁DNA突變與線粒體病nDNA改變引起的線粒體功能障礙——線粒體遺傳的半自主性mtDNA突變引起的線粒體功能障礙第67頁/共81頁nDNA改變引起的線粒體功能障礙呈孟德爾遺傳編碼線粒體蛋白的基因缺陷線粒體蛋白質轉運的缺陷基因組間交流的缺損mtDNA突變與疾病第68頁/共81頁線粒體含有獨特環(huán)狀裸露DNA，易發(fā)生突變且難修復野生型mtDNA與突變型mtDNA的比例細胞加速分裂，稀釋突變型mtDNA中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌對能量的依賴性最強，故臨床癥狀以中樞神經(jīng)系統(tǒng)和骨骼肌病變?yōu)樘卣?，統(tǒng)稱腦肌?。╩itochondrialencephalopathy）不同疾病，或同一疾病不同個體的臨床表現(xiàn)不同mtDNA突變與疾病第69頁/共81頁

mtDNA點突變引起的疾病

突變相關基因表型

nt-3243tRNALeu(UUR)MELASPEONIDDM/耳聾

nt-3256tRNALeu(UUR)PEOnt-3271tRNALeu(UUR)MELASnt-3303tRNALeu(UUR)

心肌病

nt-3260tRNALeu(UUR)

心肌病/肌病

nt-4269tRNAIle

心肌病

nt-5730tRNAAsn

肌病(PEO)nt-8344tRNALysMERRFnt-8356tRNALysMERRF/MELASnt-15990tRNAPro

肌病

nt-8993A6NARP/LEIGHnt-11778ND4LHONnt-4160ND1LHONnt-3460ND1LHONnt-7444COX1LHONnt-14484ND6LHONnt-15257Cyt6LHON

第70頁/共81頁

mtDNA缺失、重復導致的疾病

存在于許多神經(jīng)肌肉性疾病及一些退化性疾病、腎病和肝病中，甚至衰老也與之有關。1．Kearns-Sayre綜合征(眼肌病)2．Pearson-骨髓/胰腺綜合征3．線粒體心肌病4．帕金森病5．Alzheimer病6．非胰島素依賴型糖尿病

mtDNA突變與疾病第71頁/共81頁Leber遺傳性視神經(jīng)?。↙eberhereditaryopticneuropathy，LHON）Leber遺傳性視神經(jīng)病是被證實的第一種母系遺傳的疾病，至今尚未發(fā)現(xiàn)一個男性患者將此病傳給后代。LHON是以1871德國