1、细胞生物学线粒体l 线粒体线粒体(mitochondrion)(mitochondrion)：线粒体是细胞进行氧化和能线粒体是细胞进行氧化和能量转换的主要场所，被称为量转换的主要场所，被称为能量转换器能量转换器，线粒体为细，线粒体为细胞提供生命活动所需同能量的胞提供生命活动所需同能量的80%80%，所以线粒体被比喻，所以线粒体被比喻为细胞的为细胞的“动力工厂动力工厂”。l 18941894年，年，AlmanAlman首先在动物细胞中发现线粒体。首先在动物细胞中发现线粒体。第六章第六章 线粒体线粒体n线粒体的形态结构线粒体的形态结构n线粒体的化学组成线粒体的化学组成n线粒体的功能线粒体的功能n线
2、粒体的半自主性线粒体的半自主性n线粒体的生物发生线粒体的生物发生n线粒体与医学线粒体与医学n复习题复习题 光镜下的结构光镜下的结构：光镜下线粒体呈：光镜下线粒体呈线状、粒状线状、粒状或或杆状杆状。线粒体的数量线粒体的数量：不同类型的细胞中差异较大，细胞：不同类型的细胞中差异较大，细胞代谢旺盛代谢旺盛数目多，代谢不旺盛数目多，代谢不旺盛数目少。数目少。线粒体的分布线粒体的分布：因细胞形态和类型的不同而存在差：因细胞形态和类型的不同而存在差异，异，一般集中在功能旺盛、需要能量的部位。如精一般集中在功能旺盛、需要能量的部位。如精细胞中线粒体沿鞭毛紧密排列。细胞中线粒体沿鞭毛紧密排列。电镜下：线粒体是
3、由双层单位膜电镜下：线粒体是由双层单位膜 套叠而成的封闭性膜囊结构。套叠而成的封闭性膜囊结构。外外 膜膜内内 膜膜膜间腔膜间腔（外腔）（外腔）嵴嵴基质腔基质腔（内腔（内腔 ）线粒体的超微结构线粒体的超微结构外膜外膜(outer membrane)(outer membrane)外膜是线粒体与细胞质临界的外膜是线粒体与细胞质临界的单位膜，厚单位膜，厚57nm57nm，光滑平整。，光滑平整。含有多种转运蛋白，围成筒状含有多种转运蛋白，围成筒状园柱体，中央有小孔，形成园柱体，中央有小孔，形成23nm23nm的跨膜水相通道，可的跨膜水相通道，可以通过以通过10kd10kd以下的小分子及多以下的小分子及
4、多肽物质，因此通透性良好。肽物质，因此通透性良好。外膜外膜内膜内膜(inner membrane)(inner membrane)内膜：位于外膜内侧，功内膜：位于外膜内侧，功能膜，是电子传递和氧化能膜，是电子传递和氧化磷酸化的部位，通透性差，磷酸化的部位，通透性差，表面不光滑。表面不光滑。内膜的结构特点：内膜的结构特点：向内突起形成嵴向内突起形成嵴(cristae)(cristae)？内表面附着有基粒内表面附着有基粒(elementary particle)(elementary particle)外膜外膜内膜内膜嵴嵴嵴间腔嵴间腔 嵴内腔嵴内腔 膜间腔膜间腔（外腔）（外腔）基质腔基质腔（内腔）
5、（内腔）基粒基粒 基粒基粒：又称：又称ATP合酶复合体合酶复合体(ATP synthase complex)，是产生，是产生ATP的部位。形态上分三部分：的部位。形态上分三部分：头部：突出于内腔中，具有头部：突出于内腔中，具有ATP酶活性，能催化酶活性，能催化ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP。柄部：连接头部与基片。柄部：连接头部与基片。基部：嵌入内膜中。基部：嵌入内膜中。基基 粒粒线粒体的空间结构线粒体的空间结构 膜及嵴将线粒体空间分成几部分：膜及嵴将线粒体空间分成几部分：基质腔基质腔(matrix space)(matrix space)：又叫内腔，是内膜围成的空：又叫内腔，是内膜围成的空间
6、，含基质。间，含基质。膜间腔膜间腔(intermembrane spaceintermembrane space)：又叫外腔：又叫外腔，是线粒是线粒体内、外膜之间腔。体内、外膜之间腔。嵴间腔嵴间腔(intercristae space)(intercristae space)：嵴和嵴之间的空间：嵴和嵴之间的空间内腔。内腔。嵴内腔嵴内腔(intracristae space)(intracristae space)：每个嵴内的空间：每个嵴内的空间外外腔。腔。基基 质质 基质基质(matrix)(matrix)：线粒体内腔充满了电子密度较低的：线粒体内腔充满了电子密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等成分
7、，称基质。可溶性蛋白质和脂肪等成分，称基质。基质是物质进行氧化分解的场所，与三羧酸循环、基质是物质进行氧化分解的场所，与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等有关的酶脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等有关的酶都在基质中。都在基质中。含有双链环状含有双链环状DNADNA、核糖体。、核糖体。蛋白质：种类多。蛋白质：种类多。脂类：主要是磷脂，构成膜。脂类：主要是磷脂，构成膜。DNA：一个分子，多个拷贝。：一个分子，多个拷贝。其它成分：水、酶、无机离子及维生素等。其它成分：水、酶、无机离子及维生素等。化学组成成分化学组成成分 蛋白质含量多：达蛋白质含量多：达1000多种，占干重的多种，占干
8、重的6570%，多分，多分布在内膜和基质。分为两类：一类是可溶性蛋白，另布在内膜和基质。分为两类：一类是可溶性蛋白，另一类是不溶性蛋白。一类是不溶性蛋白。线粒体酶含量多：是含酶最多的细胞器，参与物质分线粒体酶含量多：是含酶最多的细胞器，参与物质分解和氧化磷酸化。解和氧化磷酸化。含有含有DNA：是细胞内除核外唯一含是细胞内除核外唯一含DNA的细胞器。的细胞器。化学组成特点化学组成特点u线粒体是线粒体是细胞核以外惟一含细胞核以外惟一含DNA的细胞的细胞器器，具有独立合成蛋白质的能力，但一，具有独立合成蛋白质的能力，但一定程度上受细胞核的控制，因此线粒体定程度上受细胞核的控制，因此线粒体是具有半自主
9、性的细胞器。是具有半自主性的细胞器。线粒体线粒体DNA的的形态结构形态结构 mtDNAmtDNA为双链结构。为双链结构。两条链编码不同的基因。两条链编码不同的基因。根据两条链转录根据两条链转录RNARNA在在CsClCsCl中密度不同，分为重链中密度不同，分为重链(heavy strand,H)(heavy strand,H)和轻链和轻链(light strand,L)(light strand,L)。mtDNAmtDNA环状形态，核环状形态，核DNADNA链状。链状。mtDNAmtDNA裸露，不与组蛋白结合。裸露，不与组蛋白结合。u前体蛋白在线粒体外去折叠前体蛋白在线粒体外去折叠。u多肽链穿
10、越线粒体膜多肽链穿越线粒体膜。u多肽链在线粒体内重新折叠多肽链在线粒体内重新折叠。（。（图图）核编码蛋白质的线粒体转运过程核编码蛋白质的线粒体转运过程图图 紧密折叠的蛋白不可能穿越线粒体膜，因此在运输前紧密折叠的蛋白不可能穿越线粒体膜，因此在运输前必须去折叠。必须去折叠。线粒体前体蛋白：蛋白质线粒体前体蛋白：蛋白质“成熟成熟”形式基质导入形式基质导入序列序列(MTS)(MTS)。基质导入序列又称导肽，是输入线粒体。基质导入序列又称导肽，是输入线粒体的蛋白质在其的蛋白质在其N N端具有的一段氨基酸序列，能够被线端具有的一段氨基酸序列，能够被线粒体膜上的受体识别并结合，从而定向蛋白质的转运。粒体膜
11、上的受体识别并结合，从而定向蛋白质的转运。少数线粒体前体蛋白与称为少数线粒体前体蛋白与称为NACNAC的分子伴侣结合，可的分子伴侣结合，可增加蛋白质转运的准确性。增加蛋白质转运的准确性。多数线粒体前体蛋白与称为多数线粒体前体蛋白与称为hsp70hsp70的分子伴侣结合，的分子伴侣结合，可防止前体蛋白形成不可解开的构象，也可防止已松可防止前体蛋白形成不可解开的构象，也可防止已松弛的前体蛋白聚集。弛的前体蛋白聚集。细胞质中的细胞质中的PBFPBF与线粒体前体蛋白结合后可增强与线粒体前体蛋白结合后可增强hsp70hsp70对蛋白质的转运。对蛋白质的转运。细胞质中的细胞质中的MSFMSF能够发挥能够发
12、挥ATPATP酶的作用，为蛋白质去折酶的作用，为蛋白质去折叠供能。（叠供能。（图图）前体蛋白在其前体蛋白在其N N端具有导肽，能够被线粒体膜上受体端具有导肽，能够被线粒体膜上受体识别并结合，从而定向蛋白质的转运。识别并结合，从而定向蛋白质的转运。前体蛋白与胞质前体蛋白与胞质Hsp70Hsp70分离，与线粒体外膜上的受体分离，与线粒体外膜上的受体结合，与线粒体膜接触，前体蛋白进入线粒体膜的输结合，与线粒体膜接触，前体蛋白进入线粒体膜的输入通道，最终穿越线粒体膜。（入通道，最终穿越线粒体膜。（图图）蛋白质跨膜转运至线粒体基质后，必须恢复蛋白质跨膜转运至线粒体基质后，必须恢复其天然构象以行使功能。其
13、天然构象以行使功能。分子伴侣分子伴侣mt hsp70mt hsp70、mt hsp60mt hsp60、mt hsp10mt hsp10等等参与蛋白质的重新折叠与组装。（参与蛋白质的重新折叠与组装。（图图）线粒体转运信号及其受体线粒体转运信号及其受体消耗能量消耗能量分子伴侣的协助分子伴侣的协助有蛋白质的去折叠和再折叠有蛋白质的去折叠和再折叠核编码的蛋白质的线粒体转运特点核编码的蛋白质的线粒体转运特点线粒体以线粒体以分裂方式增殖分裂方式增殖。分两个阶段：。分两个阶段：生长阶段：线粒体膜的生长，生长阶段：线粒体膜的生长，mtDNA复制，然复制，然后分裂。后分裂。分化过程：线粒体内部酶的合成，建立能
14、够分化过程：线粒体内部酶的合成，建立能够行使氧化磷酸化功能的机构。行使氧化磷酸化功能的机构。u细胞氧化（细胞氧化（cellular oxidationcellular oxidation）：在）：在O O2 2的的参与下分解各种大分子物质，最终产生参与下分解各种大分子物质，最终产生COCO2 2和和H H2 2O O，释放的能量生成，释放的能量生成ATPATP，又称为细胞呼吸。，又称为细胞呼吸。是细胞内提供生物能源的主要途径。是细胞内提供生物能源的主要途径。u大分子物质脂肪、多糖和蛋白质，分解产生大分子物质脂肪、多糖和蛋白质，分解产生能量，大体上可分为四个阶段。能量，大体上可分为四个阶段。u糖
15、酵解糖酵解 胞质胞质u乙酰辅酶乙酰辅酶A A形成形成u三羧酸循环三羧酸循环u氧化磷酸化氧化磷酸化线粒体线粒体(一)线粒体形态改变线粒体形态改变p在细胞处于不正常状态下，线粒体的形态在细胞处于不正常状态下，线粒体的形态结构可发生改变。结构可发生改变。p如正常心肌、骨骼肌细胞在功能亢进时，如正常心肌、骨骼肌细胞在功能亢进时，线粒体增生；肿瘤细胞可见大量线粒体密线粒体增生；肿瘤细胞可见大量线粒体密集于细胞质中，使细胞质基质的体积减少。集于细胞质中，使细胞质基质的体积减少。p有害物质和病毒可导致线粒体发生肿胀至破裂；有害物质和病毒可导致线粒体发生肿胀至破裂；缺血性损伤可致线粒体结构变异，如凝集、肿缺血
16、性损伤可致线粒体结构变异，如凝集、肿胀等；在病变组织中有时有胀等；在病变组织中有时有23个线粒体融合个线粒体融合成大线粒体的现象。线粒体结构改变将导致功成大线粒体的现象。线粒体结构改变将导致功能发生变化。能发生变化。(二)线粒体功能异常线粒体功能异常p如甲状腺功能亢进，即患者甲状腺产生甲状腺如甲状腺功能亢进，即患者甲状腺产生甲状腺素增多，造成患者代谢率升高。素增多，造成患者代谢率升高。p甲状腺功能亢进的发生机制：甲状腺功能亢进的发生机制：p甲状腺素甲状腺素 Na+-K+-ATP酶酶 ATP分解分解ADPPi ADP进入线粒体数量增加进入线粒体数量增加氧化磷酸化偶联作用加强氧化磷酸化偶联作用加强
17、底物氧化底物氧化耗耗氧量及产热量皆提高。氧量及产热量皆提高。活化活化加快加快(三)mtDNA异常致线粒体病异常致线粒体病p线粒体线粒体DNA是裸露的，在复制过程中易发是裸露的，在复制过程中易发生突变并很少修复，错误的生突变并很少修复，错误的mtDNA可通过可通过线粒体分裂及细胞分裂传给子代线粒体或线粒体分裂及细胞分裂传给子代线粒体或子细胞，表现线粒体遗传现象。子细胞，表现线粒体遗传现象。p如肌阵挛性癫痫和破碎红纤维病如肌阵挛性癫痫和破碎红纤维病(MERRF综合综合征征)：线粒体脑肌病，包括线粒体缺陷和大脑：线粒体脑肌病，包括线粒体缺陷和大脑与肌肉的功能变化。与肌肉的功能变化。p主要症状：肌阵挛
18、性癫痫的短暂发作主要症状：肌阵挛性癫痫的短暂发作(周期性周期性抽搐抽搐)，共济失调，感觉神经性听力丧失，轻，共济失调，感觉神经性听力丧失，轻度痴呆，扩张性心肌病和肾功能异常等症状。度痴呆，扩张性心肌病和肾功能异常等症状。p发病机理：发病机理：mtDNA8344G突变突变线粒体蛋白质线粒体蛋白质合成的整体水平合成的整体水平除复合物除复合物以外的氧化以外的氧化磷酸化成分含量降低磷酸化成分含量降低(尤其是呼吸链酶复合尤其是呼吸链酶复合物物和和的含量降低的含量降低)。线线粒粒体体核核肌动蛋白单体肌动蛋白单体顶顶体体嵴间腔嵴间腔内腔内腔(基质腔基质腔)外腔外腔(膜间腔膜间腔)嵴内腔嵴内腔(嵴内空间嵴内空
19、间)p在细胞质中进行。在细胞质中进行。p有机物有机物(如葡萄糖如葡萄糖)在酶作用下生成丙酮在酶作用下生成丙酮酸，生成酸，生成2分子分子ATP。pC6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP糖酵解酶p在线粒体基质中进行。在线粒体基质中进行。p丙酮酸丙酮酸线粒体基质线粒体基质 乙乙酰酰CoA草酰乙酸草酰乙酸 (4C)柠檬酸柠檬酸(6C，含三个羧基，含三个羧基)三羧酸三羧酸循环循环(TAC循环循环)。分解分解结合结合pmt基质中有参与三羧酸循环的所有酶类。基质中有参与三羧酸循环的所有酶类。p一次循环反应，总共消耗一次循环反应，总共消耗3个个H2O，生成
20、，生成1分分子子GTP(ATP)，2分子分子CO2，脱下，脱下4对对H，重新重新生成草酰乙酸，再和另一个乙酰生成草酰乙酸，再和另一个乙酰CoACoA结合，结合，开始下一个循环。开始下一个循环。p分别在线粒体内膜及基粒上进行。分别在线粒体内膜及基粒上进行。p线粒体能量转换策略线粒体能量转换策略 三羧酸循环中的能量转换。三羧酸循环中的能量转换。NAD+NADHNAD+NADH，FAD+FADH2FAD+FADH2。NADHNADH和和FADH2FADH2必须被氧化才能维持三羧酸循环。必须被氧化才能维持三羧酸循环。NADH +1/2 O2 NAD+NADH +1/2 O2 NAD+能量能量 FADH
21、2+1/2 O2 FAD+FADH2+1/2 O2 FAD+能量能量 NADHNADH和和FADH2FADH2被氧化时释放的被氧化时释放的H+H+、电子和能量如何安、电子和能量如何安置置?1.1.氧化还原：脱下的氧化还原：脱下的H H2O。H不直接与不直接与O2结合，结合，H H+e。e 经呼吸链逐级传递给经呼吸链逐级传递给1/2O2O2。解离解离氧化氧化2.2.呼吸链呼吸链(respiratory chain)(respiratory chain)：又称电：又称电子传递链子传递链(electron transport(electron transport respiratory chain)
22、respiratory chain)，是由四种复合物，是由四种复合物组成的复合体，主要功能是组成的复合体，主要功能是H H+和电子的和电子的传递。传递。递氢体：既传递电子又传递质子，递氢体：既传递电子又传递质子，独立作用，复合物独立作用，复合物、。递电子体：只传递电子，协作作用，递电子体：只传递电子，协作作用，复合物复合物、。I.I.NADH-CoQNADH-CoQ氧化还原酶氧化还原酶II.II.琥珀酸琥珀酸CoQCoQ氧化还原酶氧化还原酶III.III.CoQHCoQH2 2细胞色素细胞色素C C氧化还氧化还原酶原酶IV.IV.细胞色素细胞色素C C氧化酶氧化酶NADHNADH呼吸链：由复合
23、物呼吸链：由复合物、组成，催组成，催化化NADHNADH氧化，是主呼吸链。氧化，是主呼吸链。FADHFADH2 2呼吸链：由复合物呼吸链：由复合物、组成，催组成，催化化FADH2FADH2氧化，是次呼吸链。氧化，是次呼吸链。H+的传递：通过递氢体由线粒体基质的传递：通过递氢体由线粒体基质释放至膜间腔。释放至膜间腔。电子的传递：经呼吸链逐级传递，最电子的传递：经呼吸链逐级传递，最终使终使 O2成为成为O2，与基与基质中质中2个个H+化合生成化合生成H2O。1212O2 3.3.氧化磷酸化：电子在传递过程中由高能变为氧化磷酸化：电子在传递过程中由高能变为低能，释放出的能量被位于线粒体内膜上的低能，
24、释放出的能量被位于线粒体内膜上的F F0 0F F1 1ATPATP合酶复合体催化合酶复合体催化ADP+PiATPADP+PiATP。ATP合酶(ATP synthase complex)基粒位于线粒体的内膜上，有头部、柄部和基片组成，基粒位于线粒体的内膜上，有头部、柄部和基片组成，是生成是生成ATPATP的关键部位，又称为的关键部位，又称为ATPATP合酶复合体。合酶复合体。酶活性：两种酶活性。酶活性：两种酶活性。ATPATP水解酶的活性：独立。水解酶的活性：独立。ATPATP合成酶的活性：内膜。合成酶的活性：内膜。头部头部:由由3 33 3亚基组成，亚基组成，是合成是合成ATPATP的部位
25、。的部位。柄部：由柄部：由亚基构成亚基构成,亚基穿过头部作为头部旋转亚基穿过头部作为头部旋转的轴。的轴。基片：由基片：由3 3种不同的亚基组种不同的亚基组成的十五聚体成的十五聚体(1a2b12c)(1a2b12c)。嵌于线粒。嵌于线粒体内膜，是质子流经的通道。体内膜，是质子流经的通道。化学渗透假说：英国生物化学家化学渗透假说：英国生物化学家P.Mitchell 1961P.Mitchell 1961年提出了化学渗透假年提出了化学渗透假说说(chemiosomotic compling(chemiosomotic compling hypothesis)hypothesis)解释氧化磷酸化的偶联
26、机解释氧化磷酸化的偶联机理。理。化学渗透假说的主要内容：化学渗透假说的主要内容：e e传递过程中释放能量将传递过程中释放能量将H H+从内腔从内腔外腔。外腔。mtmt内膜对内膜对H H+的不通透性造成内膜两侧产生质子的不通透性造成内膜两侧产生质子动势动势(质子浓度梯度和电化学梯度，高能质子浓度梯度和电化学梯度，高能)。H H+顺浓度梯度返回内腔，释放的能量驱动顺浓度梯度返回内腔，释放的能量驱动ATPATP合酶复合体催化合酶复合体催化ADPADP磷酸化合成磷酸化合成ATPATP。化学渗透假说两个特点：化学渗透假说两个特点：强调线粒体膜结构的完整性：强调线粒体膜结构的完整性：H+不能自由不能自由通
27、过膜，内膜两侧形成质子动力势，氧通过膜，内膜两侧形成质子动力势，氧化偶联磷酸化。化偶联磷酸化。定向化学反应定向化学反应电子传递定向电子传递定向H+移动定向移动定向ATP合成的反应也是定向合成的反应也是定向新生多肽相新生多肽相关复合物关复合物线粒体输入刺激因子线粒体输入刺激因子前体蛋白结合因子前体蛋白结合因子复习题复习题 线粒体的结构特点线粒体的结构特点线粒体的化学组成特点线粒体的化学组成特点线粒体线粒体DNADNA结构特点结构特点蛋白质穿膜进入线粒体的过程及特点蛋白质穿膜进入线粒体的过程及特点三羧酸循环、电子传递及氧化磷酸化各是在三羧酸循环、电子传递及氧化磷酸化各是在什么部位进行的？什么部位进行的？
