1、教学基本要求教学基本要求第一节第一节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构（一）线粒体的形态、数量与分布（一）线粒体的形态、数量与分布1.1.形态：一般呈粒状或杆状。形态：一般呈粒状或杆状。&可呈线状，哑铃形、分杈状或其它形状，因可呈线状，哑铃形、分杈状或其它形状，因生物或细胞种类和生理状态而异。如肝细胞生物或细胞种类和生理状态而异。如肝细胞的呈椭球形和棒状，口腔粘膜上皮细胞的是的呈椭球形和棒状，口腔粘膜上皮细胞的是球形颗粒，酵母菌的是分支形的。低渗状态球形颗粒，酵母菌的是分支形的。低渗状态下呈泡状，高渗状态下成线状；人胚肝细胞下呈泡状，高渗
2、状态下成线状；人胚肝细胞线粒体在发育早期是短棒状，晚期长棒状。线粒体在发育早期是短棒状，晚期长棒状。2.大小：一般直径大小：一般直径0.51.0m,长长1.53.0 m。&在胰脏外分泌细胞中可长达在胰脏外分泌细胞中可长达1020 m，称，称巨巨线粒体线粒体3.3.数量：因细胞的种类而不同，一个细胞中的数量：因细胞的种类而不同，一个细胞中的线粒体数一般为几百到几千个。线粒体数一般为几百到几千个。&哺乳动物成熟红细胞中无线粒体。哺乳动物成熟红细胞中无线粒体。&单细胞鞭毛藻单细胞鞭毛藻1 1个个&酵母细胞酵母细胞1 1个大型分支的线粒体个大型分支的线粒体&肝细胞约肝细胞约13001300个个&巨大变
3、形虫巨大变形虫5050万个万个4.4.分布：与细胞能量需求相适应。分布：与细胞能量需求相适应。&代谢旺盛的细胞中较多代谢旺盛的细胞中较多&功能活动旺盛的区域中较多：如在肝细胞中功能活动旺盛的区域中较多：如在肝细胞中呈均匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行呈均匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行或栅状排列，肠表皮细胞中呈两极性分布，集或栅状排列，肠表皮细胞中呈两极性分布，集中在顶端和基部，在精子中分布在鞭毛中段。中在顶端和基部，在精子中分布在鞭毛中段。&线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移移（二）线粒体的结构（二）线粒体的结构1.外膜外膜(outer m
4、embrane)（1）形态：光滑平整，厚）形态：光滑平整，厚57nm（2）组成：脂类与蛋白质各约）组成：脂类与蛋白质各约1/2，标志性酶，标志性酶是单氨氧化酶是单氨氧化酶（3）功能特性：通透性较高。含多种转运蛋白）功能特性：通透性较高。含多种转运蛋白（孔蛋白，有直径（孔蛋白，有直径23nm的含水孔道），允的含水孔道），允许分子量在许分子量在10000以下的物质自由通过。以下的物质自由通过。2.内膜内膜(inner membrane)（1）形态：向内腔折叠形成嵴，表面积大；嵴上）形态：向内腔折叠形成嵴，表面积大；嵴上有特化的基粒，膜厚有特化的基粒，膜厚4.5nm；（2）结构区域：）结构区域：基质
5、腔基质腔(matrix space)：内膜围成，含基质，：内膜围成，含基质，膜间腔膜间腔(intermembrane space)：内外膜之间的腔：内外膜之间的腔嵴嵴(cristae):嵴是内膜向嵴是内膜向内腔突起形成的内腔突起形成的板状或板状或管状折叠管状折叠。嵴间腔嵴间腔(intercristae space)嵴内腔嵴内腔(intracristae space)（3）组成：脂类）组成：脂类20%，蛋白，蛋白80%，内膜的标志，内膜的标志性酶是细胞色素氧化酶和琥珀酸脱氢酶。性酶是细胞色素氧化酶和琥珀酸脱氢酶。（4）功能特性：通透性较低，分子量大于）功能特性：通透性较低，分子量大于150的的物
6、质不能通过；有多种转运蛋白，选择通透性物质不能通过；有多种转运蛋白，选择通透性强。强。（1 1）定义：线粒体内、外膜相互接触的位置，）定义：线粒体内、外膜相互接触的位置，此处膜间腔的狭，称为转位接触点，此处膜间腔的狭，称为转位接触点，是物质进是物质进出线粒体的通道。出线粒体的通道。（2 2）功能性成分）功能性成分n外膜转位子（外膜转位子（TomTom）受体蛋白受体蛋白n内膜转位子（内膜转位子（TimTim）通道蛋白通道蛋白4.基质（基质（matrix）基质腔和嵴间腔中的胶状物质，成分有：基质腔和嵴间腔中的胶状物质，成分有：（1）酶类：三羧酸循环，脂肪酸氧化，氨基酸）酶类：三羧酸循环，脂肪酸氧化
7、，氨基酸分解，蛋白质合成等；标志酶是苹果酸脱氢酶。分解，蛋白质合成等；标志酶是苹果酸脱氢酶。（2）DNA：双链环状：双链环状（3）核糖体：）核糖体：70S5.基粒基粒(elementary particle)基粒是基粒是内膜基质腔面的内膜基质腔面的ATP酶复合体，可催化酶复合体，可催化ADP磷磷酸化生成酸化生成ATP。二、线粒体的化学组成二、线粒体的化学组成线粒体的化学组成线粒体的化学组成（一）蛋白质（一）蛋白质（占干重的（占干重的6570%）（三）（三）DNA及遗传系统（及遗传系统（有遗传半自主性）有遗传半自主性）（二）脂类（二）脂类(占占干重的干重的25-30%25-30%)1.1.成分：
8、卵磷脂、脑磷脂、成分：卵磷脂、脑磷脂、心磷脂及磷脂酰肌醇；心磷脂及磷脂酰肌醇；2.2.特征：卵磷脂含量最高，特征：卵磷脂含量最高，含心磷脂，胆固醇含量低含心磷脂，胆固醇含量低1.1.可溶性蛋白：基质中的酶可溶性蛋白：基质中的酶蛋白和膜外在蛋白蛋白和膜外在蛋白2.2.不溶性蛋白：嵌入膜内的不溶性蛋白：嵌入膜内的结构蛋白和酶蛋白结构蛋白和酶蛋白三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系线粒体有自己的基因表达系统，但只编码线粒体有自己的基因表达系统，但只编码10多多种蛋白质，线粒体中已确定的酶有种蛋白质，线粒体中已确定的酶有120多种，多种，是半自主性细胞器。是半自主性细胞器。（一）线粒体基因组特征（
9、一）线粒体基因组特征1.线粒体基因组的结构线粒体基因组的结构（1）DNA 分子特征：环状，分子特征：环状，16 596 bp，1个分个分子，多个拷贝。子，多个拷贝。（2）基因数量与类别：重）基因数量与类别：重链链28个基因，轻链个基因，轻链9个基个基因，编码序列占因，编码序列占93%2个个rRNA基因基因22个个tRNA基因基因13个蛋白质基因个蛋白质基因2.线粒体基因组的结构与功能特征线粒体基因组的结构与功能特征（1）结构紧密，无内含子，很少有非翻译）结构紧密，无内含子，很少有非翻译区，编码序列占区，编码序列占93%；并有；并有重叠基因重叠基因（2）裸露、环状）裸露、环状（3）成熟的）成熟的
10、mRNA 5端没有帽，端没有帽，3端有端有55个多聚个多聚A的尾部的尾部（4）有特殊密码有特殊密码（5）复制不受细胞周期限制）复制不受细胞周期限制（6）突变率高，缺乏修复能力）突变率高，缺乏修复能力（7）呈母系遗传）呈母系遗传线粒体遗传系统的特殊密码子线粒体遗传系统的特殊密码子Return to Page 19密码子密码子核密码编核密码编码氨基酸码氨基酸线粒体密码子编码氨基酸线粒体密码子编码氨基酸哺乳动物哺乳动物果蝇果蝇链孢霉菌链孢霉菌 酵母酵母UGA终止终止色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸AGA,AGG 精氨酸精氨酸终止终止丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸AUA异亮氨酸异
11、亮氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 异亮氨酸异亮氨酸 异亮氨酸异亮氨酸AUU异亮氨酸异亮氨酸 异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸CUU,CUC CUA,CUG亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸苏氨酸苏氨酸亮氨酸亮氨酸（二）线粒体基因表达（二）线粒体基因表达1.转录及转录产物的特征转录及转录产物的特征转录分别起始于重链启动子转录分别起始于重链启动子(HSP)和轻链启动和轻链启动子子(LSP)转录产物是包括转录产物是包括mRNA和和tRNA的多顺反子的多顺反子（类似于原核生物）（类似于原核生物）mRNA不含内含子，很少有非翻译区不含内含子，很少有非翻译区
12、3有多聚有多聚A尾部，尾部，5端无帽端无帽2.翻译翻译翻译在线粒体核糖体中进行（核糖体蛋白由核翻译在线粒体核糖体中进行（核糖体蛋白由核基因编码，由细胞质运往线粒体）基因编码，由细胞质运往线粒体）所有所有tRNA均由均由mtDNA编码编码多肽链起始氨基酸为甲酰甲硫氨酸（同原核生多肽链起始氨基酸为甲酰甲硫氨酸（同原核生物）物）（三）线粒体（三）线粒体DNA的复制的复制1.重链、轻链各有一个复制起始点重链、轻链各有一个复制起始点2.重链先复制，顺时针方向；轻链后复制，逆时重链先复制，顺时针方向；轻链后复制，逆时针方向；复制需针方向；复制需2小时小时四、核基因编码蛋白质向线粒体的转运四、核基因编码蛋白
13、质向线粒体的转运（一）前体蛋白在线粒体外去折叠（一）前体蛋白在线粒体外去折叠前体蛋白与分子伴侣前体蛋白与分子伴侣Hsp70结合，保持非折叠状态；结合，保持非折叠状态；前体蛋白的前体蛋白的N-端有识别和牵引作用的导肽。端有识别和牵引作用的导肽。（二）多肽链穿越线粒体膜（二）多肽链穿越线粒体膜非折叠蛋白与线粒体转位接触点的受体结合通过内、非折叠蛋白与线粒体转位接触点的受体结合通过内、外膜进入线粒体。外膜进入线粒体。（三）多肽链在线粒体基质内重新折叠（三）多肽链在线粒体基质内重新折叠多肽链与多肽链与Hsp70分离，由分离，由Hsp60等分子帮助其折叠成等分子帮助其折叠成自然的空间结构，并由蛋白酶水解
14、导肽。自然的空间结构，并由蛋白酶水解导肽。上述三个过程均需要分子伴侣的协助，并需水解上述三个过程均需要分子伴侣的协助，并需水解ATP供能。供能。五、线粒体的起源与发生五、线粒体的起源与发生第二节第二节 细胞呼吸与能量转换细胞呼吸与能量转换一、细胞呼吸一、细胞呼吸1.定义：在特定细胞器（主要是线粒体）内，在定义：在特定细胞器（主要是线粒体）内，在O2的参的参与下，分解大分子物质，释放出能量并储存于与下，分解大分子物质，释放出能量并储存于ATP的过程成为细胞呼吸（的过程成为细胞呼吸（cellular respiration）,也称为也称为生物氧化（生物氧化（biological oxidation
15、）。）。2.特点特点本质上是在线本质上是在线粒体中进行的由一系列酶催化的氧化粒体中进行的由一系列酶催化的氧化还原反应；还原反应；所产生的能量储存于所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中；的高能磷酸键中；反应在恒温、恒压条件下进行；反应在恒温、恒压条件下进行；反应过程中需要反应过程中需要O2和和H2O的参与。的参与。二、高能分子二、高能分子ATP通过通过ADP与与ATP之间的相互转化进行细胞能量之间的相互转化进行细胞能量的转换与储存。转换过程可表示为：的转换与储存。转换过程可表示为：A-PP+Pi+1.72 kJA-PPP磷酸化磷酸化去磷酸化去磷酸化第三节 细胞的能量转换营养物质营养物质一、糖酵
16、解和乙酰一、糖酵解和乙酰CoA 的生成的生成 C6H12O6 2CH3COCOOH+2H+在细胞质基质中进行，不需氧。在细胞质基质中进行，不需氧。丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶2CH3COCOOH+2HSCoA 2CH3CO-SCoA+2CO2+2H+2NAD+2NADH 在线粒体基质中进行，不需氧。在线粒体基质中进行，不需氧。糖酵解糖酵解酶系酶系二、三羧酸循环二、三羧酸循环 6NAD+2FAD 6NADH+2FADH2 2CH3CO-SCoA+6H2O 4CO2+2HSCoA+6H+2GDP+2Pi 2GTP 在线粒体基质中进行，不需氧。在线粒体基质中进行，不需氧。线粒体内膜线粒体内膜天冬氨酸天冬
17、氨酸草酰乙酸草酰乙酸苹果酸苹果酸天冬氨酸天冬氨酸草酰乙酸草酰乙酸苹果酸苹果酸-酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸-酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸NADH NAD+NADH NAD+123456苹果酸苹果酸天冬氨酸穿梭天冬氨酸穿梭线粒体内膜的穿梭机制线粒体内膜的穿梭机制甘油甘油3-磷酸磷酸脱氢酶复合体脱氢酶复合体 FADH2 FAD磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮甘油甘油3-磷酸磷酸NADH+H胞质胞质甘油甘油3-磷酸磷酸脱氢酶脱氢酶NAD膜间腔膜间腔基质基质2eQ-磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化（一）呼吸链和（一）呼吸链和ATP酶复合体酶复合体1.呼吸链呼吸链糖酵解和三羧酸循
18、环中脱下的氢，以质子和电子的形糖酵解和三羧酸循环中脱下的氢，以质子和电子的形式通过多种酶和辅酶构成的传递体系逐步传递，最后式通过多种酶和辅酶构成的传递体系逐步传递，最后与氧结合成水。这样的递氢和递电子体系称为呼吸链与氧结合成水。这样的递氢和递电子体系称为呼吸链或电子传递链。或电子传递链。呼吸链中的酶和辅酶先构成呼吸链中的酶和辅酶先构成酶复合体酶复合体，再由酶复合体，再由酶复合体构成呼吸链。呼吸链中酶复合体按照严格的顺序排列构成呼吸链。呼吸链中酶复合体按照严格的顺序排列在线粒体内膜上；在线粒体内膜上；在电子传递过程中逐步释放出能量，并储存于在电子传递过程中逐步释放出能量，并储存于ATP中中&线粒
19、体内有两条主要的呼吸链：线粒体内有两条主要的呼吸链：（1）由复合体）由复合体I、III、IV组成，催化组成，催化NADH的的脱氢氧化。脱氢氧化。（2）由复合体）由复合体II、III、IV组成，催化组成，催化FADH2的的脱氢氧化。脱氢氧化。n任何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而任何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而是由是由这样的可扩散性分子连接。这样的可扩散性分子连接。Turn to page 42FMN,FeSFAD,FeS,Cyt bCyt b,Cyt c1,FeSCyt a,Cyt a3,Cun*伴随伴随H+跨膜转运，跨膜转运，#不伴随不伴随H+跨膜转运。跨膜转运。n不参与复合体构
20、成的载体成分：不参与复合体构成的载体成分：NAD,CoQ,Cyt cReturn to Page 372.ATP合酶合酶(ATP synthetase)复合体（基粒）复合体（基粒）基粒基粒/ATP合酶复合体的分布、形态与结构合酶复合体的分布、形态与结构2.ATP合酶合酶(ATP synthetase)复合体复合体（1）形态：状如蘑菇，由）形态：状如蘑菇，由8种种22个蛋白亚单位构成，个蛋白亚单位构成，分分子量子量500KD，。分为球形，。分为球形的头部（的头部（F1）和嵌入膜中）和嵌入膜中的基部（的基部（F0）。每个肝细）。每个肝细胞线粒体通常含胞线粒体通常含15000个个ATP合酶，每个酶每
21、秒钟合酶，每个酶每秒钟可产生可产生100个个ATP。ATP合酶的结构（Lodish等1999）（2）头部（）头部（F1）：）：F1由由5种种多肽组成多肽组成 3 3复合体，复合体，具有三个具有三个ATP合成的催化合成的催化位点（每个位点（每个 亚基具有一亚基具有一个）。个）。和和 单位交替排单位交替排列，状如桔瓣。列，状如桔瓣。贯穿贯穿 复合体，并与复合体，并与F0接触，接触，帮帮助助 与与F0结合。结合。与与F0的两的两个个b亚基形成固定亚基形成固定 复合复合体的结构。体的结构。ATP合酶的结构（Lodish等1999）（3）基片（）基片（F0）：）：F0由三种多肽组成由三种多肽组成ab2c
22、12复合体，嵌复合体，嵌入内膜，入内膜，12个个c亚亚基组成一个环形结基组成一个环形结构，具有质子通道，构，具有质子通道，可使质子由膜间隙可使质子由膜间隙流回基质。流回基质。ATP合酶的结构（Lodish等1999）（二）氧化磷酸化的作用机理（二）氧化磷酸化的作用机理1.质子动力势质子动力势根据根据“化学渗透假说化学渗透假说”，当电子沿呼吸链传递时，当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，使膜间隙的质子浓使膜间隙的质子浓度高于基质，在度高于基质，在内膜的两侧形成内膜的两侧形成pH梯度及电位梯梯度及电位梯度，两者共同构度，两者共同
23、构成电化学梯度，成电化学梯度，即即质子动力势质子动力势。2.ATP合酶作用机理合酶作用机理(1)质子动力势质子动力势的存在使膜间腔中的质子顺的存在使膜间腔中的质子顺电化学梯电化学梯度度经经ATP酶复合体的质子通道由酶复合体的质子通道由F0F1返回基质返回基质中，同时释中，同时释放放能量能量改变改变ATP合酶的构象合酶的构象，从而改变从而改变ATP合酶与底物的合酶与底物的亲和力，催化亲和力，催化ADP与与Pi形成形成ATP。123在在L构象，构象，ADP、Pi与酶疏松结合与酶疏松结合在一起；在在一起；在T构象构象ADP、Pi与酶紧与酶紧密结合在一起，密结合在一起，在这种情况下可在这种情况下可将两
24、者加合在一将两者加合在一起成起成ATP；在；在O构构象象ATP与酶的亲与酶的亲和力很低，被释和力很低，被释放出去。放出去。(3)质子通过质子通过F0时，释放能时，释放能量引起量引起c亚基环旋转，从亚基环旋转，从而带动而带动 亚基旋转，亚基旋转，亚亚基的旋转引起基的旋转引起 亚基催化亚基催化位点构象的周期性变化位点构象的周期性变化(L,T,O)，不断将，不断将ADP和和Pi加合在一起，形成加合在一起，形成ATP。第四节第四节 线粒体与细胞凋亡线粒体与细胞凋亡一、与细胞死亡有关的线粒体机制一、与细胞死亡有关的线粒体机制线粒体产生大量超氧阴离子形成活性氧线粒体产生大量超氧阴离子形成活性氧组分组分（R
25、eactive oxygen species,ROS）1.ROS水平低时，促进细胞增生水平低时，促进细胞增生2.ROS水平高时，线粒体内膜非特异性通透性水平高时，线粒体内膜非特异性通透性孔道开放，孔道开放，caspase级联活化，级联活化，caspase-3启动启动凋亡。凋亡。二、线粒体控制细胞死亡的假说二、线粒体控制细胞死亡的假说第五节第五节 线粒体育医学线粒体育医学一、疾病过程中的线粒体变化一、疾病过程中的线粒体变化线粒体对外界环境因线粒体对外界环境因素的变化很敏感，一素的变化很敏感，一些些环境因素的影响环境因素的影响可可直接造成线粒体功能直接造成线粒体功能异常。异常。随这年龄增长，线粒随
26、这年龄增长，线粒体的氧化磷酸化能力体的氧化磷酸化能力下降。下降。二、线粒体基因突变导致疾病二、线粒体基因突变导致疾病（一）线粒体病的特征（一）线粒体病的特征1.多系统疾病，需能越多、磷酸化约活跃的组多系统疾病，需能越多、磷酸化约活跃的组织器官累及越重。织器官累及越重。首先是脑组织、肌组织、肝组织，其次为周围首先是脑组织、肌组织、肝组织，其次为周围神经、肾、内分泌腺体神经、肾、内分泌腺体2.具有多质性（具有多质性（polygeneity）或异质性）或异质性（heterogeneity）3.母系遗传母系遗传4.阈值效应阈值效应（二）线粒体病举例（二）线粒体病举例1.Leber遗传性视神经病：遗传性
27、视神经病：mtDNA点突变致视神经萎缩，点突变致视神经萎缩，视力减退，中央视觉消失，视神经炎等。视力减退，中央视觉消失，视神经炎等。2.肌阵挛性癫痫伴碎红肌纤维病：肌阵挛性癫痫伴碎红肌纤维病：mtDNA点突变致线粒点突变致线粒体呼吸链酶复合体体呼吸链酶复合体I和和IV蛋白合成受阻；表现肌阵挛蛋白合成受阻；表现肌阵挛性癫痫，全身性抽搐，小脑共济失调，红肌纤维破损。性癫痫，全身性抽搐，小脑共济失调，红肌纤维破损。3.母系遗传性肌病和心肌病：母系遗传性肌病和心肌病：mtDNA点突变致线粒体肌点突变致线粒体肌病和肥大性心肌病。病和肥大性心肌病。4.Kerans-Sayre综合征：综合征：mtDNA缺失
28、，眼外肌瘫痪、视缺失，眼外肌瘫痪、视网膜色素变性、心脏传导阻滞三联症。网膜色素变性、心脏传导阻滞三联症。（三）线粒体病治疗的基本措施（三）线粒体病治疗的基本措施1.补充疗法：补充呼吸链所需的酶与辅酶，如辅补充疗法：补充呼吸链所需的酶与辅酶，如辅酶酶Q。2.选择疗法：药物帮助排除突变线粒体，选择性选择疗法：药物帮助排除突变线粒体，选择性保留正常线粒体。保留正常线粒体。3.基因疗法：转入正常的线粒体基因。基因疗法：转入正常的线粒体基因。思考题思考题1.1.线粒体的形状、数量与分布与何因素有关？是线粒体的形状、数量与分布与何因素有关？是何关系？何关系？2.2.线粒体的内外膜各有何特征？线粒体的内外膜各有何特征？3.3.简述线粒体超微结构、简述线粒体超微结构、线粒体基粒的结本结构线粒体基粒的结本结构和功能。和功能。4.4.线粒体基因组具有哪些特点？线粒体基因组具有哪些特点？5.5.为什么说线粒体起源于原核生物？为什么说线粒体起源于原核生物？6.6.为什么说线粒体是半自主性细胞器？为什么说线粒体是半自主性细胞器？7.7.细胞能量转换（生物氧化）可分为哪几个阶段？细胞能量转换（生物氧化）可分为哪几个阶段？各阶段的反应物与终产物是什么？各阶段的反应物与终产物是什么？
