医学精品课件：第7章 线粒体与细胞的能量转换.ppt

1、第七章第七章 线粒体线粒体（mitochondrion）线粒体是在1850年发现的,1897年命名。人体内大约95%的ATP是由线粒体合成的。线粒体有细胞“动力工厂”之称。一一.线粒体的形态结构线粒体的形态结构形状：形状：光镜下呈线状、粒状或杆状等光镜下呈线状、粒状或杆状等大小大小：细胞内较大的细胞器。一般直径：细胞内较大的细胞器。一般直径：0.51.0um；长度：；长度：3um数目数目：不同类型或不同生理状态的细胞差异较大。不同类型或不同生理状态的细胞差异较大。最少的只含最少的只含1个，个，最多的可达最多的可达50万个。正常细胞中：万个。正常细胞中：10002000个。个。分布分布：通常较多

2、聚集在细胞生理功能旺盛或需要能量较多的区域。如通常较多聚集在细胞生理功能旺盛或需要能量较多的区域。如精细胞精细胞总之：总之：线粒体的形状、大小、数目和分布在不同类型细胞线粒体的形状、大小、数目和分布在不同类型细胞 中或同类细胞不同生理状态下差别较大。中或同类细胞不同生理状态下差别较大。第一节第一节 线粒体的生物学特征线粒体的生物学特征电镜电镜下观察线粒体是由下观察线粒体是由单位膜套叠而成的封闭膜囊结构。单位膜套叠而成的封闭膜囊结构。外膜：外膜：厚度厚度57nm，光滑平整，含有多种转运蛋白，光滑平整，含有多种转运蛋白(孔蛋孔蛋白白)，它们形成较大的水相通道，使外膜出现直径，它们形成较大的水相通道

3、，使外膜出现直径23nm的小孔，允许分子量的小孔，允许分子量5000以下的物质通过。以下的物质通过。外膜外膜内膜内膜平均厚度平均厚度68nm，蛋白质含量高，蛋白质含量高，通透性很小通透性很小，但有高度的选择通，但有高度的选择通透性，借助膜上的转运蛋白控制透性，借助膜上的转运蛋白控制内外物质的交换；有与内外物质的交换；有与Ca2+吸收吸收与释放相关的蛋白质。与释放相关的蛋白质。膜间腔膜间腔（外腔）（外腔）嵴嵴基质腔基质腔（内腔）（内腔）嵴内空间嵴内空间可溶性可溶性ATPATP酶（酶（F F1 1)疏水蛋白疏水蛋白 (HP(HP；F F0 0)外膜外膜内膜内膜膜间腔膜间腔嵴间腔嵴间腔嵴内腔嵴内腔嵴

4、嵴cristae基粒基粒(elementary particle)内膜的内表面附着许多带柄的小颗粒，内膜的内表面附着许多带柄的小颗粒，与膜面垂直而有规律地排列。与膜面垂直而有规律地排列。基粒基粒 3-4nm长长4.5-6nm 6-11.5nm 高高5-6nm 9nm 9nm头部头部柄部柄部基片基片对寡酶素敏感的蛋白对寡酶素敏感的蛋白（OSCP)OSCP)ATPATP酶复合体抑制多肽酶复合体抑制多肽 （调节酶活性）（调节酶活性）内膜上向内腔突起的折叠，内膜上向内腔突起的折叠，嵴的存在大嵴的存在大大扩大了内膜的表面积，增加了内膜大扩大了内膜的表面积，增加了内膜的代谢效率。的代谢效率。外膜外膜内膜内

5、膜膜间腔膜间腔嵴间腔嵴间腔嵴内腔嵴内腔嵴嵴 基粒基粒基基 质质(matrix)基质基质位于嵴间腔中，是电子密位于嵴间腔中，是电子密度较低的物质。度较低的物质。线线 粒粒 体体 基基 质质脂脂 类类蛋白质蛋白质酶酶 类类线粒体线粒体DNA线粒体线粒体 mRNA线粒体线粒体 tRNA线粒体核糖体线粒体核糖体基质颗粒基质颗粒基质颗粒基质颗粒Ca2+存储器存储器内外膜相互接触的地方，膜间隙变内外膜相互接触的地方，膜间隙变狭窄，称为转位接触点，狭窄，称为转位接触点，外膜受体外膜受体和输入装置位于接触点附近，和输入装置位于接触点附近，是蛋是蛋白质等物质进出线粒体的通道白质等物质进出线粒体的通道。内外膜转位

6、接触点内外膜转位接触点（translocation contact sitetranslocation contact site）线线 粒粒 体体 的的 化化 学学 组组 成成蛋白质蛋白质：占线粒体干重的：占线粒体干重的65%-70%，内膜和基质含量较多。，内膜和基质含量较多。线粒体的蛋白质可分为两类：线粒体的蛋白质可分为两类：可溶性蛋白可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白；：基质中的酶和膜外周蛋白；不溶性蛋白不溶性蛋白：一般是膜结构蛋白和膜镶嵌酶蛋白。：一般是膜结构蛋白和膜镶嵌酶蛋白。脂脂 类类：占线粒体干重的：占线粒体干重的25%-30%，大部分为磷脂，大部分为磷脂。外膜外膜：脂类占：脂类占

7、52%、蛋白质占、蛋白质占48%，胆固醇和磷脂含量比，胆固醇和磷脂含量比内膜高。内膜高。内膜内膜：脂类占：脂类占24%、蛋白质占、蛋白质占76%，胆固醇含量极少，心磷，胆固醇含量极少，心磷脂含量比任何膜都高。脂含量比任何膜都高。其其 它它：DNA和完整的遗传系统、辅酶、维生素、无机离子等。和完整的遗传系统、辅酶、维生素、无机离子等。线线 粒粒 体体 中中 酶酶 的的 分分 布布约约120种酶种酶部部 位位酶酶 的的 名名 称称外外 膜膜单胺氧化酶、犬尿氨酸羟化酶、单胺氧化酶、犬尿氨酸羟化酶、NADH-细胞色素细胞色素C还原酶、还原酶、脂类代谢有关的酶（酰基辅酶脂类代谢有关的酶（酰基辅酶A合成酶

8、、脂肪酸激酶等）合成酶、脂肪酸激酶等）特征酶：单胺氧化酶特征酶：单胺氧化酶膜膜 间间 隙隙腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶、亚硫酸氧化酶腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶、亚硫酸氧化酶特征酶：腺苷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶内内 膜膜细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、肉碱酰脱氢酶、肉碱酰基转移酶、基转移酶、-羟丁酸和羟丁酸和 -羟丙酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、羟丙酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸载体。合成酶系、腺嘌呤核苷酸载体。特征酶：细胞色素（特征酶：细胞色素（c）氧化酶、琥珀酸脱氢酶）氧化酶、琥珀酸脱氢酶基基 质质柠檬酸合成酶、乌头酸

9、酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢柠檬酸合成酶、乌头酸酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、延胡索酸酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体、酶、延胡索酸酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体、天冬氨酸氨基转移酶、蛋白质和核酸合成酶系、脂肪酸氧天冬氨酸氨基转移酶、蛋白质和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系化酶系特征酶：苹果酸脱氢酶特征酶：苹果酸脱氢酶mtDNA:环状双链环状双链DNA分子、不与分子、不与组蛋白结合、分散在线粒体基质中，组蛋白结合、分散在线粒体基质中，长约长约5um、分子量小；双链中一条为、分子量小；双链中一条为重链（重链（H），另一条为轻链（），另一条为轻链（L）；主）；主要编码线粒体的要编码线粒

10、体的tRNA、rRNA及一些及一些线粒体蛋白质。线粒体蛋白质。2 2种编码种编码rRNA(12SrRNA(12S和和1616S S）2222种编码种编码tRNAtRNA1313种编码蛋白质种编码蛋白质mtDNA排列紧凑、高效利用、可自我复制，但其遗传密码与排列紧凑、高效利用、可自我复制，但其遗传密码与“通用通用”遗传密码子表不完全相同遗传密码子表不完全相同，如：，如：UGA色氨酸色氨酸而不是而不是终止密码终止密码。1981年年Anderson人胎盘人胎盘mtDNA全部核苷酸序列全部核苷酸序列16569个碱基对个碱基对 线粒体的半自主性线粒体的半自主性 线粒体有自己的线粒体有自己的 DNADNA

11、分子和蛋白质分子和蛋白质 合成系统，即有独立的遗传系统，合成系统，即有独立的遗传系统，故有一定的自主性。故有一定的自主性。mtDNAmtDNA 分子量小、基因数目少，只分子量小、基因数目少，只 编码线粒体蛋白质的编码线粒体蛋白质的10%10%，而绝大多，而绝大多 数线粒体蛋白质（数线粒体蛋白质（90%90%）是由核基因）是由核基因 编码，在细胞质中合成后转运到线编码，在细胞质中合成后转运到线 粒体中的。粒体中的。线粒体遗传系统受控于细胞核遗传系统。线粒体遗传系统受控于细胞核遗传系统。因此，线粒体为因此，线粒体为半自主性细胞器半自主性细胞器(semiautonomous organelle)(s

12、emiautonomous organelle)。四、核编码蛋白质的线粒体转运四、核编码蛋白质的线粒体转运基质导入序列分子伴侣1跨外、内膜转位酶复合体分子伴侣2加工肽酶分子伴侣3核编码蛋白质的线粒体转运核编码蛋白质的线粒体转运多肽链穿越线粒体膜多肽链穿越线粒体膜前体蛋白一旦和受体结合后，就要和外膜和内膜上膜前体蛋白一旦和受体结合后，就要和外膜和内膜上膜通道发生作用才可进入线粒体。通道发生作用才可进入线粒体。一种叫一种叫线粒体基质线粒体基质hsp70hsp70（mthsp70mthsp70）的分子伴侣参与的分子伴侣参与了蛋白质的转运。了蛋白质的转运。SimonSimon等提出一种作用机制等提出一

13、种作用机制布朗布朗棘轮模型。棘轮模型。五、线粒体的生物发生五、线粒体的生物发生（一）线粒体的增殖（一）线粒体的增殖：是通过分裂的方式进行的。：是通过分裂的方式进行的。其增殖方式有以下几种假设：其增殖方式有以下几种假设：1、间壁分裂间壁分裂：分裂时先由内膜向中心皱褶形成分隔线粒：分裂时先由内膜向中心皱褶形成分隔线粒体结构的间壁，随后再一分为二形成两个线粒体。体结构的间壁，随后再一分为二形成两个线粒体。2、收缩分裂收缩分裂：分裂时通过线粒体在其中央处收缩形成：分裂时通过线粒体在其中央处收缩形成“颈颈”，最后断裂形成两个线粒体。，最后断裂形成两个线粒体。3、出芽分裂出芽分裂：先从线粒体上长出膜性突起

14、，称为：先从线粒体上长出膜性突起，称为“小小芽芽”，随后小芽不断长大，并与原线粒体分离，再经，随后小芽不断长大，并与原线粒体分离，再经过不断过不断“发育发育”，最后形成新的线粒体。，最后形成新的线粒体。间壁分裂收缩分裂出芽分裂内共生学说内共生学说认为线粒体来源于与古老真核细胞共生的早期细菌，即细菌被真认为线粒体来源于与古老真核细胞共生的早期细菌，即细菌被真核生物吞噬后，在之后的长期进化过程中，共生物的大部分遗传核生物吞噬后，在之后的长期进化过程中，共生物的大部分遗传信息转移到细胞核上，这样留在线粒体上的遗传信息大大减少。信息转移到细胞核上，这样留在线粒体上的遗传信息大大减少。非共生假说非共生假

15、说 认为原始真核细胞是一种进化程度较高的需氧细菌，参与能量代认为原始真核细胞是一种进化程度较高的需氧细菌，参与能量代 谢的电子传递系统、氧化磷酸化系统位于细胞膜上。在进化过程谢的电子传递系统、氧化磷酸化系统位于细胞膜上。在进化过程 中，质细胞需要增加其呼吸功能，不断增加其细胞膜的表面积，中，质细胞需要增加其呼吸功能，不断增加其细胞膜的表面积，增加的膜不断内陷、折叠、融合的结果。增加的膜不断内陷、折叠、融合的结果。线粒体的功能线粒体的功能线粒体的主要功能是线粒体的主要功能是氧化磷酸化，合成氧化磷酸化，合成ATPATP，为细胞的生命活动提供能量，为细胞的生命活动提供能量参与细胞死亡的控制作用参与细

16、胞死亡的控制作用1 1、细胞呼吸：、细胞呼吸：细胞呼吸的特点：细胞呼吸的特点：是在线粒体中进行的由一系列酶系所催化的氧化还原反应是在线粒体中进行的由一系列酶系所催化的氧化还原反应 所产生的能量贮存于所产生的能量贮存于ATPATP的高能磷酸键中的高能磷酸键中 整个反应过程是分步进行的，能量也是逐步释放的整个反应过程是分步进行的，能量也是逐步释放的 反应在恒温和恒压条件下进行的，需要水的参与反应在恒温和恒压条件下进行的，需要水的参与在细胞特定的细胞器内，在氧气的参与下，分解各种大分子物质，产生二在细胞特定的细胞器内，在氧气的参与下，分解各种大分子物质，产生二氧化碳同时分解代谢所释放的能量贮存于氧化

17、碳同时分解代谢所释放的能量贮存于ATPATP中。这一过程成为中。这一过程成为细胞呼吸细胞呼吸，也称为也称为生物氧化生物氧化或或细胞氧化细胞氧化。（一）参与细胞能量代谢（一）参与细胞能量代谢2.2.细胞能量转换分子：细胞能量转换分子：ATPATP高能磷酸化合物，通过高能磷酸键放能、贮能，反应简式：高能磷酸化合物，通过高能磷酸键放能、贮能，反应简式：A-PPP去磷酸化去磷酸化磷酸化磷酸化A-PP+Pi+1.72KJ3 3细胞氧化的基本过程：细胞氧化的基本过程：糖酵解糖酵解 三羧酸循环三羧酸循环 氧化磷酸化氧化磷酸化4 4ATPATP的合成的合成糖、脂肪糖、脂肪细胞质细胞质丙酮酸和脂肪酸丙酮酸和脂肪

18、酸线粒体线粒体乙酰乙酰coA（三羧酸循环）（三羧酸循环）氢通过电子传递链到达氧生成水，同时氢通过电子传递链到达氧生成水，同时ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP（二）参与细胞死亡（二）参与细胞死亡细胞死亡的研究已经从细胞死亡的研究已经从细胞核控制死亡细胞核控制死亡过程的研究过程的研究部分地转移到线粒体部分地转移到线粒体控制死亡控制死亡过程的研究上来。过程的研究上来。线粒体是决定细胞死亡的又一线粒体是决定细胞死亡的又一“战场战场”。线粒体在能量代谢和自由基代谢中占据十分重要的地位，代谢过线粒体在能量代谢和自由基代谢中占据十分重要的地位，代谢过程中产生大量超氧阴离子，形成程中产生大量超氧阴离子，形成活性氧活性氧（reactive oxygen reactive oxygen species,ROS)species,ROS)，当，当ROSROS水平较高时，损伤线粒体膜，启动一系列水平较高时，损伤线粒体膜，启动一系列促使细胞死亡的级联反应发生，最终导致细胞死亡。促使细胞死亡的级联反应发生，最终导致细胞死亡。与线粒体有关的细胞死亡的与线粒体有关的细胞死亡的3个时限个时限