醫(yī)學(xué)生物學(xué)基礎(chǔ)第五章線粒體(共27張PPT)精選

醫(yī)學(xué)(yīxué)生物學(xué)基礎(chǔ)第五章線粒體第一頁，共27頁。1850年，德國生物學(xué)家RudolphK?lliker第一個(gè)發(fā)現(xiàn)線粒體，并推測--這種顆粒是由半透性的膜包被的。1898年對線粒體進(jìn)行命名。1900年，LeonorMichaelis用染料Janusgreen對肝細(xì)胞進(jìn)行染色，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞消耗氧之后，線粒體的顏色逐漸消失了，從而提示線粒體具有氧化還原反應(yīng)的作用。1948Green證實(shí)線粒體含所有三羧酸循環(huán)的酶，1949Kennedy和Lehninger發(fā)現(xiàn)脂肪酸氧化為CO2的過程是在線粒體內(nèi)完成的，1976Hatefi等純化(chúnhuà)了呼吸鏈四個(gè)獨(dú)立的復(fù)合體，Mitchell（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說，從而證明了線粒體是真核生物進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的主要部位。第二頁，共27頁。一、線粒體的形態(tài)(xíngtài)線粒體的形狀(xíngzhuàn)多種多樣。有的呈線狀、粒狀或短桿狀；有的呈圓形、啞鈴形、星形；還有的呈分枝狀、環(huán)狀等。但以圓柱狀與橢圓球形為最多。第三頁，共27頁。新陳代謝旺盛、需要能量較多的細(xì)胞,線粒體的數(shù)目就較多,如心肌細(xì)胞、肝細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞、腎小管上皮細(xì)胞等。新陳代謝較低,需要能量較少的細(xì)胞,線粒體的數(shù)目就較少,如淋巴細(xì)胞、精子細(xì)胞。當(dāng)細(xì)胞處于病變、體溫過高或細(xì)胞基質(zhì)酸性過高的環(huán)境(huánjìng)下,線粒體易溶解或因過度膨脹破裂而使其數(shù)目減少。第四頁，共27頁。二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)在電鏡下觀察(guānchá),線粒體是由兩層單位膜圍成的封閉的囊狀結(jié)構(gòu)。主要由外膜、內(nèi)膜、膜間腔和基質(zhì)組成。第五頁，共27頁。1、外膜

包圍在線粒體外表面的一層單位膜，厚6～7nm，平整光滑,與內(nèi)膜不連接。含有多套運(yùn)輸?shù)鞍?-孔蛋白，它們構(gòu)成脂類雙分子層上水溶性物質(zhì)可以穿過(chuānɡuò)的通道，所以外膜的通透性非常高,使得膜間隙中的環(huán)境幾乎與胞質(zhì)溶膠相似。外膜含有一些特殊的酶類，如單胺氧化酶，這種酶能夠終止胺神經(jīng)遞質(zhì),如降腎上腺素和多巴胺的作用。第六頁，共27頁。2、內(nèi)膜位于外膜的內(nèi)側(cè)包裹線粒體基質(zhì)的一層單位膜，厚5～6nm。內(nèi)膜的通透性較低，一般不允許離子和大多數(shù)帶電的小分子通過(tōngguò)。線粒體內(nèi)膜通常要向基質(zhì)折褶形成嵴，從而增加了內(nèi)膜的表面積。嵴上有ATP合酶，又叫基粒。內(nèi)膜的酶類可以粗略地分為三類∶運(yùn)輸酶類、合成酶類、電子傳遞和ATP合成酶類。內(nèi)膜是線粒體進(jìn)行電子傳遞和氧化磷酸化的主要部位。標(biāo)志酶為細(xì)胞色素C氧化酶第七頁，共27頁。線粒體通透性研究(yánjiū)將線粒體放在100mM蔗糖溶液中，蔗糖穿過外膜進(jìn)入線粒體的膜間間隙；然后將線粒體取出測定線粒體內(nèi)部蔗糖的平均濃度，結(jié)果只有50mM，比環(huán)境中蔗糖的濃度低。據(jù)此推測(tuīcè):線粒體外膜對蔗糖是通透的，而內(nèi)膜對蔗糖是不通透的第八頁，共27頁。首先將線粒體置于低滲溶液中使外膜破裂(pòl(fā)iè)，此時(shí)線粒體內(nèi)膜和基質(zhì)(線粒體質(zhì))仍結(jié)合在一起，通過離心可將線粒體質(zhì)分離。用去垢劑毛地黃皂苷處理線粒體質(zhì)，破壞線粒體內(nèi)膜，釋放線粒體基質(zhì)，破裂(pòl(fā)iè)的內(nèi)膜重新閉合形成小泡，其表面有F1顆粒。第九頁，共27頁。線粒體內(nèi)膜的主動(dòng)(zhǔdòng)運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)膜含100種以上的多肽，蛋白質(zhì)和脂類的比例高于3:1。心磷脂含量高（達(dá)20%）、缺乏膽固醇，類似于細(xì)菌。通透性很低，僅允許不帶電荷的小分子物質(zhì)通過，大分子和離子通過內(nèi)膜時(shí)需要特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。①糖酵解產(chǎn)生的NADH必須進(jìn)入電子傳遞鏈參與有氧氧化；②線粒體產(chǎn)生的代謝物質(zhì)如草酰輔酶A和乙酰輔酶A必須運(yùn)輸(yùnshū)到細(xì)胞質(zhì)中，它們分別是細(xì)胞質(zhì)中葡萄糖和脂肪酸的前體物質(zhì);③線粒體產(chǎn)生的ATP必須進(jìn)入到胞質(zhì)溶膠，以便供給細(xì)胞反應(yīng)所需的能量，同時(shí)，ATP水解形成的ADP和Pi又要被運(yùn)入線粒體作為氧化磷酸化的底物。利用膜間隙形成的H+梯度協(xié)同運(yùn)輸(yùnshū)。第十頁，共27頁。線粒體中的蛋白質(zhì)絕大多數(shù)都是核基因(jīyīn)編碼，在細(xì)胞質(zhì)的游離核糖體上合成后運(yùn)輸?shù)骄€粒體的。線粒體定位蛋白質(zhì)線粒體基質(zhì)F1ATPase:α亞基(植物除外)、β，γ亞基、δ亞基(某些真菌)

RNA聚合酶、DNA聚合酶、核糖體蛋白、檸檬酸合成酶、TCA酶系、乙醇脫氫酶(酵母)、鳥氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(哺乳動(dòng)物)內(nèi)膜DP-ATP逆向運(yùn)輸?shù)鞍住⒘姿?OH-逆向運(yùn)輸?shù)鞍?、?xì)胞色素c氧化酶亞基4，5，6，7、F0ATPase的蛋白質(zhì)、CoQH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合物亞基1，2，5(Fe-S)，6，7，8膜間隙細(xì)胞色素c、細(xì)胞色素c過氧化物酶、細(xì)胞色素b2、CoQH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合物亞基4(細(xì)胞色素c1)外膜線粒體孔蛋白第十一頁，共27頁。翻譯(fānyì)后轉(zhuǎn)運(yùn)與蛋白質(zhì)尋靶共翻譯(fānyì)轉(zhuǎn)運(yùn)與蛋白質(zhì)分選第十二頁，共27頁。線粒體基質(zhì)蛋白輸入(shūrù)線粒體第十三頁，共27頁。3、基?；Ｅc膜面垂直而規(guī)則(guīzé)排列,粒間相距10nm。基粒由頭部--F1、柄部和基片--F0三部分組成。第十四頁，共27頁。頭部含有可溶性ATP酶，功能是合成ATP。在頭部還有一個(gè)多肽(duōtài),稱為ATP酶復(fù)合體抑制多肽(duōtài),可能具有調(diào)節(jié)酶活性的作用。柄部是對寡霉素敏感的蛋白(dànbái)，作用是調(diào)控質(zhì)子通道。基片為疏水蛋白(dànbái)，是調(diào)控磷酸化作用的部位第十五頁，共27頁?；５陌l(fā)現(xiàn)(fāxiàn)及功能預(yù)測在二十世紀(jì)七十年代初，Humberto-FernandezMoran用負(fù)染技術(shù)檢查分離的線粒體時(shí)發(fā)現(xiàn):線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)一側(cè)的表面附著一層球形顆粒，球形顆粒通過柄與內(nèi)膜相連(xiānɡlián)。幾年后，EfraimRacker分離到內(nèi)膜上的顆粒，稱為偶聯(lián)因子1，簡稱F1。第十六頁，共27頁。牛心臟線粒體的負(fù)染電鏡照片可見(kějiàn)球形顆粒通過小柄附著在線粒體內(nèi)膜嵴上第十七頁，共27頁。Racker發(fā)現(xiàn)這種顆粒很像水解ATP的酶，即ATPase，這似乎是一個(gè)特別的發(fā)現(xiàn)，為什么線粒體內(nèi)膜需要如此多的水解ATP的酶?如果按照(ànzhào)常規(guī)的方式思考所發(fā)現(xiàn)顆粒的問題,似難理解線粒體內(nèi)膜上需要ATP水解酶,如果將ATP的水解看成是ATP合成的相反過程,F1球形顆粒的功能就顯而易見了:它含有ATP合成的功能位點(diǎn),即ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成,到底行使何種功能,視反應(yīng)條件而定。在分離狀態(tài)下具有ATP水解酶的活性，在結(jié)合狀態(tài)下具有ATP合成酶的活性。第十八頁，共27頁。第二十四頁，共27頁。線粒體中的蛋白質(zhì)絕大多數(shù)都是核基因(jīyīn)編碼，在細(xì)胞質(zhì)的游離核糖體上合成后運(yùn)輸?shù)骄€粒體的。還有的呈分枝狀、環(huán)狀等。能量(néngliàng)產(chǎn)生過程還有的呈分枝狀、環(huán)狀等。三羧酸(suōsuān)循環(huán)翻譯(fānyì)后轉(zhuǎn)運(yùn)與蛋白質(zhì)尋靶在二十世紀(jì)七十年代初，Humberto-FernandezMoran用負(fù)染技術(shù)檢查分離的線粒體時(shí)發(fā)現(xiàn):線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)一側(cè)的表面附著一層球形顆粒，球形顆粒通過柄與內(nèi)膜相連(xiānɡlián)。線粒體內(nèi)膜和外膜之間的間隙稱為膜間隙，寬6～8nm，由于外膜通透性很強(qiáng)，而內(nèi)膜的通透性又很低，所以(suǒyǐ)膜間隙中的化學(xué)成分很多，幾乎接近胞質(zhì)溶膠。據(jù)此推測(tuīcè):線粒體外膜對蔗糖是通透的，而內(nèi)膜對蔗糖是不通透的3

心磷脂/磷脂=0.3

心磷脂/磷脂=0.位于外膜的內(nèi)側(cè)包裹線粒體基質(zhì)的一層單位膜，厚5～6nm。線粒體基質(zhì)蛋白輸入(shūrù)線粒體細(xì)胞色素c、細(xì)胞色素c過氧化物酶、細(xì)胞色素b2、CoQH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合物亞基4(細(xì)胞色素c1)1898年對線粒體進(jìn)行命名。線粒體中的蛋白質(zhì)絕大多數(shù)都是核基因(jīyīn)編碼，在細(xì)胞質(zhì)的游離核糖體上合成后運(yùn)輸?shù)骄€粒體的。ATP合酶合成ATP的機(jī)理？結(jié)合(jiéhé)變構(gòu)模型第十九頁，共27頁。4、膜間隙

線粒體內(nèi)膜和外膜之間的間隙稱為膜間隙，寬6～8nm，由于外膜通透性很強(qiáng)，而內(nèi)膜的通透性又很低，所以(suǒyǐ)膜間隙中的化學(xué)成分很多，幾乎接近胞質(zhì)溶膠。功能是建立和維持氫質(zhì)子梯度。標(biāo)志酶為腺苷酸激酶第二十頁，共27頁。5、基質(zhì)(jīzhì)內(nèi)膜和嵴包圍著的線粒體內(nèi)部空間是線粒體基質(zhì)，與三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸降解(jiànɡjiě)等有關(guān)的酶都存在于基質(zhì)之中；此外還含有DNA、tRNAs、rRNA、以及線粒體基因表達(dá)的各種酶和核糖體。標(biāo)志酶為蘋果酸脫氫酶第二十一頁，共27頁。線粒體各部分蛋白(dànbái)的分布外膜膜間隙內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞色素b5腺苷酸激酶NADH脫氫酶丙酮酸脫氫酶NADH-細(xì)胞色素還原酶核苷琥珀酸脫氫酶

細(xì)胞色素氧化酶

脂肪酸β氧化酶

Krebs循環(huán)酶系

單胺氧化酶二磷酸激酶細(xì)胞色素CDNA聚合酶脂酰輔酶A合酶

磷酸甘油?；D(zhuǎn)移酶

核苷二磷酸激酶

單磷酸激酶ATP合成酶

(F0F1

復(fù)合物)

運(yùn)輸?shù)鞍?/p>

RNA聚合酶

核糖體

轉(zhuǎn)移RNAs孔蛋白

膜脂含量∶

磷脂/蛋白=0.9

心磷脂/磷脂=0.03

膜脂含量∶

磷脂/蛋白=0.3

心磷脂/磷脂=0.22

醌

第二十二頁，共27頁。通透性很低，僅允許不帶電荷的小分子物質(zhì)通過，大分子和離子通過內(nèi)膜時(shí)需要特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。當(dāng)細(xì)胞處于病變、體溫過高或細(xì)胞基質(zhì)酸性過高的環(huán)境(huánjìng)下,線粒體易溶解或因過度膨脹破裂而使其數(shù)目減少。線粒體內(nèi)膜和外膜之間的間隙稱為膜間隙，寬6～8nm，由于外膜通透性很強(qiáng)，而內(nèi)膜的通透性又很低，所以(suǒyǐ)膜間隙中的化學(xué)成分很多，幾乎接近胞質(zhì)溶膠。如果按照(ànzhào)常規(guī)的方式思考所發(fā)現(xiàn)顆粒的問題,似難理解線粒體內(nèi)膜上需要ATP水解酶,如果將ATP的水解看成是ATP合成的相反過程,F1球形顆粒的功能就顯而易見了:它含有ATP合成的功能位點(diǎn),即ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成,到底行使何種功能,視反應(yīng)條件而定。線粒體內(nèi)膜的主動(dòng)(zhǔdòng)運(yùn)輸系統(tǒng)牛心臟線粒體的負(fù)染電鏡照片位于外膜的內(nèi)側(cè)包裹線粒體基質(zhì)的一層單位膜，厚5～6nm。將線粒體放在100mM蔗糖溶液中，蔗糖穿過外膜進(jìn)入線粒體的膜間間隙；首先將線粒體置于低滲溶液中使外膜破裂(pòl(fā)iè)，此時(shí)線粒體內(nèi)膜和基質(zhì)(線粒體質(zhì))仍結(jié)合在一起，通過離心可將線粒體質(zhì)分離。DP-ATP逆向運(yùn)輸?shù)鞍住⒘姿?OH-逆向運(yùn)輸?shù)鞍?、?xì)胞色素c氧化酶亞基4，5，6，7、F0ATPase的蛋白質(zhì)、CoQH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合物亞基1，2，5(Fe-S)，6，7，8外膜含有一些特殊的酶類，如單胺氧化酶，這種酶能夠終止胺神經(jīng)遞質(zhì),如降腎上腺素和多巴胺的作用。線粒體的主要功能(gōngnéng)是對糖、脂肪、氨基酸等能源物質(zhì)的氧化,進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。但以圓柱狀與橢圓球形為最多。如果按照(ànzhào)常規(guī)的方式思考所發(fā)現(xiàn)顆粒的問題,似難理解線粒體內(nèi)膜上需要ATP水解酶,如果將ATP的水解看成是ATP合成的相反過程,F1球形顆粒的功能就顯而易見了:它含有ATP合成的功能位點(diǎn),即ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成,到底行使何種功能,視反應(yīng)條件而定。三羧酸(suōsuān)循環(huán)三、線粒體的功能(gōngnéng)線粒體的主要功能(gōngnéng)是對糖、脂肪、氨基酸等能源物質(zhì)的氧化,進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。細(xì)胞氧化是指依靠酶的催化,氧將細(xì)胞內(nèi)各種供能物質(zhì)氧化而釋放能量的過程。由于細(xì)胞氧化過程中,要消耗O2并放出CO2和H20,所以又稱為細(xì)胞呼吸。在細(xì)胞生命活動(dòng)中,95%的能量來自線粒體,因此人們又將線粒體喻為細(xì)胞的動(dòng)力工廠。第二十三頁，共27頁。糖蛋白質(zhì)