大二上學期課件-細胞線粒體發(fā)現與起源

線粒體mitochondria細胞生物學系

孫

嬌joutline線粒體的生物學特征線粒體的假說線粒體與細胞及線粒體與醫(yī)學線粒體的發(fā)現與形態(tài)、結構、數量、分布?mtDNA的結構半自主性一、線粒體的發(fā)現與德國生物學家Rudolph

K?lliker

第一個發(fā)現線粒體，并推測這種顆粒是由半透性的膜包被的。1856至1857年，K?lliker

描述了肌肉的“肌?！保J為肌粒是一種獨立的實體，與細胞質的其他部分沒有直接聯系。1880年，

K?lliker

從昆蟲橫紋肌中分離出來線粒體，并線粒體具有自身的界面膜，以此與細胞其他結構分隔開來。1897至1898，vonBenda首先提出mitochondrion一詞，由希臘詞根mitos（線）和chondrion（顆粒）構成。一、

線粒體的發(fā)現與1900年，Leonor Michaelis用

Janus green對肝細胞進行 染色。線粒體含有細胞色素氧化酶系，致使Janus

green

Ｂ處于氧化狀態(tài)，因而把線粒體染成藍綠色，粒體四周細胞質內的處于還原狀態(tài)，于是形成無色的背景，從而把染成藍綠色的線粒體襯托出來。發(fā)現細胞消耗氧之后，線粒體的顏色逐漸了，從而提示線粒體具有氧化還原反應的作用。一、

線粒體的發(fā)現與1934年細胞學家Bensley和Hoerr使用離心法試圖從肝臟勻漿中把線粒體分離出來，但不是非常成功。1946年，Claude使用0.88mol/L蔗糖作為離心基液，成功分離出線粒體，并保持原有的正常形態(tài)和活性。1948 Green證實線粒體含所有三

的酶，

1949Kennedy和Lehninger發(fā)現脂肪酸氧化為CO2的過程是粒體內完成的，1976Hatefi等純化了呼吸鏈四個獨立的復合體，Mitc

（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化學偶聯學說，從而證明了線粒體是真核生物進行能量轉換的主要部位。An

TEM

image

of

mitochondrion二、

線粒體的生物學特征形態(tài)多樣性成纖蝙蝠肝臟細胞棒狀線粒體（一）形態(tài)線狀粒狀短粒狀（低滲膨脹）線狀（高滲伸長）長（生長）形態(tài)多變性（一）形態(tài)線粒體超微結構：外膜內膜膜間腔（外腔）基質（內腔）（二）結構外膜基質（內腔）嵴膜間腔（外腔）內腔（與基質相通）（內腔）內膜基粒（二）結構基粒的結構基片頭部（ATP酶復合體）基粒

柄部基片（

膜中）基粒是氧化磷酸化的結構部位，其化學本質是F0F1ATP酶ADP+Pi頭部（ATP酶復合體）ATP柄部（二）結構首先將線粒體置于低滲溶液中使外膜破裂，此時線粒體內膜和基質(線粒體質)仍結合在一起，通過離心可將線粒體質分離。用去垢劑毛地黃皂苷處理線粒體質，破壞線粒體內膜，

線粒體基質，破裂的內膜重新閉合形成小泡，其表面有F1顆粒。嵴的作用是擴大內膜的面積；使基質區(qū)域化。（二）結構嵴的形態(tài)多樣羽冠型

網膜型

絨毛型

平行型

同心園型新陳代謝旺盛、需要能量較多的細胞,線粒體的數目就較多，如心肌細胞、肝細胞、骨骼肌細胞、腎小管上皮細胞等。新陳代謝較低,需要能量較少的細胞，線粒體的數目就較少，如淋巴細胞、細胞。當細胞處于病變、體溫過高或細胞基質酸性過高的環(huán)境下，線粒體易溶解或因過度膨裂而使其數目減少。（三）分布（三）分布多分布在細胞功能旺盛的區(qū)域，可向這些區(qū)域遷移，微管是其導軌、馬達蛋白提供動力。Mitochondria

distributed

in

skeletal

muscle鼠動脈平滑肌細胞細胞核染成藍色，綠色為線粒體，紅色為肌動蛋白纖維。尾線粒體圍繞著部鞭毛的中軸（四）數量數目多變性：不同細胞中數目不同，約1--50萬個不等。一般代謝旺盛細胞中線粒體多，反之則少。心肌細胞線粒體的分布(五）線粒體

增殖（分兩個階段）1.線粒體的膜生長和，然后分mtDNA裂增殖；2.包括線粒體本身的分化過程，建立行使氧化磷酸化功能的機構。生長受細胞核控制分化受線粒體控制線粒體的(電鏡結構）（六）線粒體DNA的結構特點1、線粒體

組線粒體內含有DNA分子，被稱為人類第25號染色體，是細胞核以外含有遺傳信息和表達系統(tǒng)的細胞器，其遺傳特點表現為非

遺傳方式，又稱核外遺傳。1981年Anderson等人完成了人類線粒體組的全部核苷酸序列的測定。線粒體組特點:線粒體組全長16569bp22個tRNA2個rRNA7個NADH脫氫酶亞單位的1個細胞色素b2個ATP酶復合體成分3個細胞色素c氧化酶亞單位16569bp編碼37個13個mRNA線粒體氧化磷酸有關的蛋白質Mitochondrial

DNA不與組蛋白結合，呈露閉環(huán)雙鏈狀，因此突變率高,且無DNA修復系統(tǒng)。mtDNA突變率比nDNA高10～20倍。外環(huán)為重鏈（H)，內環(huán)為輕鏈（L)。H鏈含有28個

，L鏈含有9個

。編碼區(qū)各

之間排列極為緊湊，部分區(qū)域出現，無啟動子和內含子。2、mtDNA為母系遺傳卵中的線粒體DNA幾乎全都來自于

，來源于精子的mtDNA對表型無明顯作用，

這種雙

息的不等量表現決定了線粒體遺傳病的傳遞方式不符合

遺傳，而

是

表

現

為

母

系

遺

傳（maternal

inheritance），即母親將mtDNA傳遞給兒子和女兒，但只有女兒能將其mtDNA傳遞給下一代。（七）線粒體的半自主性線粒體有獨立的遺傳系統(tǒng)mtDNA是環(huán)狀，露，信息量較小，有獨立的編碼系統(tǒng),和細菌DNA相似。mtDNA可進行自我，轉錄自己的mRNA、tRNA、rRNA有自己的核糖體，能獨立合成線粒體蛋白質（電子傳遞鏈酶復合體中的亞基：細胞色素

C氧化酶、ATP酶復合體F0的亞基等）mtDNA所用遺傳和“通用”的遺傳不完全相同（七）線粒體的半自主性線粒體遺傳系統(tǒng)受核遺傳系統(tǒng)的制約1.mtDNA

所需的

DNA聚合酶是由核DNA編碼的，線粒體的遺傳系統(tǒng)受控于細胞核遺傳系統(tǒng)2.90%的線粒體蛋白質由核DNA編碼3.線粒體的生長和增殖受兩套系統(tǒng)控制線粒體通透性研究將線粒體放在100mM蔗糖溶液中，蔗糖穿過外膜進入線粒體的膜間間隙；然后將線粒體取出測定線粒體內部蔗糖的平均濃度，結果只有50

mM，比環(huán)境中蔗糖的濃度低。據此推測:線粒體外膜對蔗糖是通透的，而內膜對蔗糖是不通透的線粒體內膜的主動 系統(tǒng)內膜含100種以上的多肽，蛋白質和脂類的比例高于

3:1。心磷脂含量高（達20%）、缺乏膽固醇，類似于細菌。通透性很低，僅允許不帶電荷的小分子物質通過，大分子和離子通過內膜時需要特殊的轉運系統(tǒng)。①糖酵解產生的NADH必須進入電子傳遞鏈參與有氧氧化；②線粒體產生的代謝物質如草酰輔酶A和乙酰輔酶A必須 到細胞質中，它們分別是細胞質中葡萄糖和脂肪酸的前體物質;③線粒體產生的ATP必須進入到胞質溶膠，以便供給細胞反應所需的能量，同時，ATP水解形成的ADP和Pi又要被運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。編后線粒體中的蛋白質絕大多數都是核碼，在細胞質的游離核糖體上到線粒體的。線粒體定位蛋白質線粒體基質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

酶、TCA酶系、乙醇脫氫酶(酵母)、鳥氨酸氨基轉移酶(哺乳動物)內膜DP-ATP逆向

蛋白、磷酸-OH-逆向

蛋白、細胞色素c氧化酶亞基4，5，6，7、F0

ATPase的蛋白質、CoQH2-細胞色素c

還原酶復合物亞基1，2，5(Fe-S)，6，7，8膜間隙細胞色素c、細胞色素c過氧化物酶、細胞色素b2、CoQH2-細胞色素c還原酶復合物亞基4(細胞色素c1)外膜線粒體孔蛋白線粒體基質蛋白輸入線粒體三、線粒體的內共生線粒體

于原始真核細胞內共生的細菌和藍藻，它們與宿主細胞間形成互利的共生關系，在長期的進化過程中演化為線粒體非共生原始的真核細胞是一種進化程度較高的需氧細菌，參與磷酸化系統(tǒng)位于細胞膜上。隨著不斷進化，細胞需要增加呼吸功能，因此需要不斷增加細胞膜的表面積，增加的膜不斷的內陷、折疊、融合，最終演變?yōu)榫€粒體四、線粒體與細胞

及線粒體與醫(yī)學線粒體與細胞線粒體的主要功能體現在氧化磷酸化系統(tǒng)：產生能量，生成氧

基，調節(jié)程序化細胞 ,即細胞凋亡

(apoptosis)。機制：線粒體在能量代謝過程中形成的活性氧水平較高時，線粒體內膜孔道開放，導致跨膜電位，膜間腔蛋白外泄，細胞凋亡程序啟動。四、線粒體與細胞

及線粒體與醫(yī)學線粒體病和發(fā)病機制