細胞生物學線粒體課件

1、9/25/202219/24/20221線粒體(mitochondrion)：線粒體是細胞進行氧化和能量轉換的主要場所，被稱為能量轉換器，線粒體為細胞提供生命活動所需同能量的80%，所以線粒體被比喻為細胞的“動力工廠”。1894年，Alman首先在動物細胞中發(fā)現(xiàn)線粒體。9/25/20222線粒體(mitochondrion)：線粒體是細胞進行氧化和第六章 線粒體線粒體的形態(tài)結構線粒體的化學組成線粒體的功能線粒體的半自主性線粒體的生物發(fā)生線粒體與醫(yī)學復習題9/25/20223第六章 線粒體線粒體的形態(tài)結構9/24/20223光鏡下的結構：光鏡下線粒體呈線狀、粒狀或桿狀。線粒體的數(shù)量：不同類型的細

2、胞中差異較大，細胞代謝旺盛數(shù)目多，代謝不旺盛數(shù)目少。線粒體的分布：因細胞形態(tài)和類型的不同而存在差異， 一般集中在功能旺盛、需要能量的部位。如精細胞中線粒體沿鞭毛緊密排列。9/25/20224光鏡下的結構：光鏡下線粒體呈線狀、粒狀或桿狀。9/24/20電鏡下：線粒體是由雙層單位膜 套疊而成的封閉性膜囊結構。外 膜內 膜膜間腔（外腔）嵴基質腔（內腔 ）線粒體的超微結構9/25/20225電鏡下：線粒體是由雙層單位膜外 膜內 膜膜間腔（外膜(outer membrane)外膜是線粒體與細胞質臨界的單位膜，厚57nm，光滑平整。含有多種轉運蛋白，圍成筒狀園柱體，中央有小孔，形成23nm的跨膜水相通道，

3、可以通過10kd以下的小分子及多肽物質，因此通透性良好。 外膜9/25/20226外膜(outer membrane)外膜是線粒體與細胞質臨界內膜(inner membrane)內膜：位于外膜內側，功能膜，是電子傳遞和氧化磷酸化的部位，通透性差，表面不光滑。內膜的結構特點：向內突起形成嵴(cristae)？內表面附著有基粒(elementary particle)外膜內膜嵴嵴間腔嵴內腔膜間腔（外腔）基質腔（內腔）基粒9/25/20227內膜(inner membrane)內膜：位于外膜內側，功能基粒：又稱ATP合酶復合體(ATP synthase complex) ，是產(chǎn)生ATP的部位。形態(tài)上

4、分三部分：頭部：突出于內腔中，具有ATP酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP。 柄部：連接頭部與基片。 基部：嵌入內膜中?；?粒9/25/20228基粒：又稱ATP合酶復合體(ATP synthase com線粒體的空間結構膜及嵴將線粒體空間分成幾部分：基質腔(matrix space) ：又叫內腔，是內膜圍成的空間，含基質。膜間腔(intermembrane space) ：又叫外腔，是線粒體內、外膜之間腔。嵴間腔(intercristae space)：嵴和嵴之間的空間內腔。嵴內腔(intracristae space)：每個嵴內的空間外腔。 9/25/20229線粒體的空間結構膜及嵴將線

5、粒體空間分成幾部分：9/24/20基 質基質(matrix)：線粒體內腔充滿了電子密度較低的可溶性蛋白質和脂肪等成分，稱基質?；|是物質進行氧化分解的場所，與三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白質合成等有關的酶都在基質中。含有雙鏈環(huán)狀DNA、核糖體。9/25/202210基 質基質(matrix)：線粒體內腔充滿了電子密度較低的蛋白質：種類多。脂類：主要是磷脂，構成膜。DNA：一個分子，多個拷貝。其它成分：水、酶、無機離子及維生素等。化學組成成分9/25/202211蛋白質：種類多?；瘜W組成成分9/24/202211蛋白質含量多：達1000多種，占干重的6570%，多分布在內膜和基質。分為

6、兩類：一類是可溶性蛋白，另一類是不溶性蛋白。線粒體酶含量多：是含酶最多的細胞器，參與物質分解和氧化磷酸化。含有DNA：是細胞內除核外唯一含DNA的細胞器?；瘜W組成特點9/25/202212蛋白質含量多：達1000多種，占干重的6570%，多分布在線粒體是細胞核以外惟一含DNA的細胞器，具有獨立合成蛋白質的能力，但一定程度上受細胞核的控制，因此線粒體是具有半自主性的細胞器。9/25/202213線粒體是細胞核以外惟一含DNA的細胞器，具有獨立合成蛋白質的線粒體DNA的形態(tài)結構mtDNA為雙鏈結構。兩條鏈編碼不同的基因。根據(jù)兩條鏈轉錄RNA在CsCl中密度不同，分為重鏈(heavy strand,

7、 H)和輕鏈(light strand, L)。mtDNA環(huán)狀形態(tài)，核DNA鏈狀。mtDNA裸露，不與組蛋白結合。9/25/202214線粒體DNA的形態(tài)結構mtDNA為雙鏈結構。9/24/202前體蛋白在線粒體外去折疊。多肽鏈穿越線粒體膜。多肽鏈在線粒體內重新折疊。（圖）核編碼蛋白質的線粒體轉運過程圖9/25/202215前體蛋白在線粒體外去折疊。核編碼蛋白質的線粒體轉運過程圖9/緊密折疊的蛋白不可能穿越線粒體膜，因此在運輸前必須去折疊。 線粒體前體蛋白：蛋白質“成熟”形式基質導入序列(MTS)?；|導入序列又稱導肽，是輸入線粒體的蛋白質在其N端具有的一段氨基酸序列，能夠被線粒體膜上的受體識

8、別并結合，從而定向蛋白質的轉運。 少數(shù)線粒體前體蛋白與稱為NAC的分子伴侶結合，可增加蛋白質轉運的準確性。9/25/202216緊密折疊的蛋白不可能穿越線粒體膜，因此在運輸前必須去折疊。9多數(shù)線粒體前體蛋白與稱為hsp70的分子伴侶結合，可防止前體蛋白形成不可解開的構象，也可防止已松弛的前體蛋白聚集。細胞質中的PBF與線粒體前體蛋白結合后可增強hsp70對蛋白質的轉運。細胞質中的MSF能夠發(fā)揮ATP酶的作用，為蛋白質去折疊供能。（圖）9/25/202217多數(shù)線粒體前體蛋白與稱為hsp70的分子伴侶結合，可防止前體前體蛋白在其N端具有導肽，能夠被線粒體膜上受體識別并結合，從而定向蛋白質的轉運。

9、前體蛋白與胞質Hsp70分離，與線粒體外膜上的受體結合，與線粒體膜接觸，前體蛋白進入線粒體膜的輸入通道，最終穿越線粒體膜。（圖）9/25/202218前體蛋白在其N端具有導肽，能夠被線粒體膜上受體識別并結合，從蛋白質跨膜轉運至線粒體基質后，必須恢復其天然構象以行使功能。分子伴侶mt hsp70、mt hsp60、mt hsp10等參與蛋白質的重新折疊與組裝。（圖）9/25/202219蛋白質跨膜轉運至線粒體基質后，必須恢復其天然構象以行使功能。線粒體轉運信號及其受體消耗能量分子伴侶的協(xié)助有蛋白質的去折疊和再折疊核編碼的蛋白質的線粒體轉運特點9/25/202220線粒體轉運信號及其受體核編碼的蛋

10、白質的線粒體轉運特點9/24線粒體以分裂方式增殖。分兩個階段：生長階段：線粒體膜的生長，mtDNA復制，然后分裂。分化過程：線粒體內部酶的合成，建立能夠行使氧化磷酸化功能的機構。9/25/202221線粒體以分裂方式增殖。分兩個階段：9/24/202221細胞氧化（cellular oxidation）：在O2的參與下分解各種大分子物質，最終產(chǎn)生CO2和H2O，釋放的能量生成ATP，又稱為細胞呼吸。是細胞內提供生物能源的主要途徑。9/25/202222細胞氧化（cellular oxidation）：在O2的參大分子物質脂肪、多糖和蛋白質，分解產(chǎn)生能量，大體上可分為四個階段。糖酵解 胞質乙酰輔

11、酶A形成三羧酸循環(huán)氧化磷酸化線粒體9/25/202223大分子物質脂肪、多糖和蛋白質，分解產(chǎn)生能量，大體上可分為四個(一)線粒體形態(tài)改變在細胞處于不正常狀態(tài)下，線粒體的形態(tài)結構可發(fā)生改變。如正常心肌、骨骼肌細胞在功能亢進時，線粒體增生；腫瘤細胞可見大量線粒體密集于細胞質中，使細胞質基質的體積減少。9/25/202224(一)線粒體形態(tài)改變在細胞處于不正常狀態(tài)下，線粒體的形態(tài)結構有害物質和病毒可導致線粒體發(fā)生腫脹至破裂；缺血性損傷可致線粒體結構變異，如凝集、腫脹等；在病變組織中有時有23個線粒體融合成大線粒體的現(xiàn)象。線粒體結構改變將導致功能發(fā)生變化。9/25/202225有害物質和病毒可導致線粒

12、體發(fā)生腫脹至破裂；缺血性損傷可致線粒(二)線粒體功能異常如甲狀腺功能亢進，即患者甲狀腺產(chǎn)生甲狀腺素增多，造成患者代謝率升高。甲狀腺功能亢進的發(fā)生機制：甲狀腺素 Na+-K+-ATP酶 ATP分解ADPPi ADP進入線粒體數(shù)量增加氧化磷酸化偶聯(lián)作用加強底物氧化耗氧量及產(chǎn)熱量皆提高?；罨涌?/25/202226(二)線粒體功能異常如甲狀腺功能亢進，即患者甲狀腺產(chǎn)生甲狀腺(三) mtDNA異常致線粒體病線粒體DNA是裸露的，在復制過程中易發(fā)生突變并很少修復，錯誤的mtDNA可通過線粒體分裂及細胞分裂傳給子代線粒體或子細胞，表現(xiàn)線粒體遺傳現(xiàn)象。9/25/202227(三) mtDNA異常致線粒體病

13、線粒體DNA是裸露的，在復制如肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維病(MERRF綜合征)：線粒體腦肌病，包括線粒體缺陷和大腦與肌肉的功能變化。主要癥狀：肌陣攣性癲癇的短暫發(fā)作(周期性抽搐)，共濟失調，感覺神經(jīng)性聽力喪失，輕度癡呆，擴張性心肌病和腎功能異常等癥狀。9/25/202228如肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維病(MERRF綜合征)：線粒體腦肌發(fā)病機理：mtDNA8344G突變線粒體蛋白質合成的整體水平除復合物以外的氧化磷酸化成分含量降低(尤其是呼吸鏈酶復合物和的含量降低)。9/25/202229發(fā)病機理：mtDNA8344G突變線粒體蛋白質合成的整體水9/25/2022309/24/202230線粒體核肌

14、動蛋白單體頂體9/25/202231線粒體核肌動蛋白單體頂體9/24/2022319/25/2022329/24/202232嵴間腔內腔(基質腔)外腔(膜間腔)嵴內腔(嵴內空間)9/25/202233嵴間腔內腔外腔嵴內腔9/24/202233在細胞質中進行。有機物(如葡萄糖)在酶作用下生成丙酮酸，生成2分子ATP。C6H12O6 + 2NAD + 2ADP + 2Pi 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP糖酵解酶9/25/202234在細胞質中進行。糖酵解酶9/24/202234在線粒體基質中進行。丙酮酸線粒體基質 乙酰CoA草酰乙酸 (4C) 檸檬酸(6C，含三個羧

15、基) 三羧酸循環(huán)(TAC循環(huán))。 分解結合9/25/202235在線粒體基質中進行。分解結合9/24/202235mt基質中有參與三羧酸循環(huán)的所有酶類。一次循環(huán)反應，總共消耗3個H2O，生成1分子GTP(ATP)，2分子CO2，脫下4對H，重新生成草酰乙酸，再和另一個乙酰CoA結合，開始下一個循環(huán)。9/25/202236mt基質中有參與三羧酸循環(huán)的所有酶類。9/24/202236分別在線粒體內膜及基粒上進行。線粒體能量轉換策略 三羧酸循環(huán)中的能量轉換。NAD+ NADH，F(xiàn)AD+ FADH2。NADH和FADH2必須被氧化才能維持三羧酸循環(huán)。NADH + 1/2 O2 NAD+ + 能量 FA

16、DH2 + 1/2 O2 FAD+ + 能量 NADH和FADH2被氧化時釋放的H+、電子和能量如何安置?9/25/202237分別在線粒體內膜及基粒上進行。9/24/202237氧化還原：脫下的H H2O。 H不直接與O2結合，H H+e。e 經(jīng)呼吸鏈逐級傳遞給1/2O2O2。解離氧化9/25/202238解離氧化9/24/202238呼吸鏈(respiratory chain)：又稱電子傳遞鏈(electron transport respiratory chain)，是由四種復合物組成的復合體，主要功能是H+和電子的傳遞。9/25/202239呼吸鏈(respiratory chain)

17、：又稱電子傳遞鏈遞氫體：既傳遞電子又傳遞質子，獨立作用，復合物、 。遞電子體：只傳遞電子，協(xié)作作用，復合物、。NADH-CoQ氧化還原酶琥珀酸CoQ氧化還原酶CoQH2細胞色素C氧化還原酶細胞色素C氧化酶9/25/202240遞氫體：既傳遞電子又傳遞質子，獨立作用，復合物、 。NADH呼吸鏈：由復合物、組成，催化NADH氧化，是主呼吸鏈。FADH2呼吸鏈：由復合物、組成，催化FADH2氧化，是次呼吸鏈。 9/25/202241NADH呼吸鏈：由復合物、組成，催化NADH氧化，是9/25/2022429/24/202242H+的傳遞：通過遞氫體由線粒體基質釋放至膜間腔。電子的傳遞：經(jīng)呼吸鏈逐級傳

18、遞，最終使 O2成為O2， 與基質中2個H+化合生成H2O。1212O2 9/25/202243H+的傳遞：通過遞氫體由線粒體基質釋放至膜間腔。11O2 9/25/2022449/24/2022449/25/2022459/24/2022459/25/2022469/24/202246氧化磷酸化：電子在傳遞過程中由高能變?yōu)榈湍?，釋放出的能量被位于線粒體內膜上的F0F1ATP合酶復合體催化ADP+PiATP。9/25/202247氧化磷酸化：電子在傳遞過程中由高能變?yōu)榈湍埽尫懦龅哪芰勘晃?/25/2022489/24/202248ATP合酶(ATP synthase complex) 基粒位于

19、線粒體的內膜上，有頭部、柄部和基片組成，是生成ATP的關鍵部位，又稱為ATP合酶復合體。酶活性：兩種酶活性。ATP水解酶的活性：獨立。ATP合成酶的活性：內膜。9/25/202249ATP合酶(ATP synthase complex) 基粒頭部:由33亞基組成，是合成ATP的部位。柄部：由亞基構成,亞基穿過頭部作為頭部旋轉的軸。基片：由3種不同的亞基組成的十五聚體(1a2b12c)。嵌于線粒體內膜，是質子流經(jīng)的通道。9/25/202250頭部:由33亞基組成，是合成ATP的部位。9/24/2化學滲透假說：英國生物化學家P.Mitchell 1961年提出了化學滲透假說(chemiosomotic compling hypothesis)