大二4.線粒體2013-1st for學(xué)生

線粒體Mitochondria首都醫(yī)科大學(xué)細胞生物學(xué)系常娜changna@839501001894年，Altmann首先發(fā)現(xiàn)線粒體的存在1897年，Benda將之命名為線粒體1900年，Michaelis證明線粒體是細胞氧化還原的場所

1948年，Hogeboom成功分離出線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)半自主性功能起源與增殖化學(xué)組成和酶的分布線粒體與醫(yī)學(xué)形態(tài)結(jié)構(gòu)（P171）一、線粒體的形狀、大小、數(shù)目和分布形狀多樣，多為卵圓形或棒狀大小直徑0.5-1.0μm，長1.5-3.0μm數(shù)目不同細胞內(nèi)差異大，通常含1000-2000個，新陳代謝旺盛的細胞內(nèi)含量較多分布多分布于生理功能旺盛的區(qū)域和需要能量較多的部位。二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)在電鏡下，線粒體是由兩層單位膜套疊而成的封閉性囊狀結(jié)構(gòu)，主要由外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)腔組成。外膜Outermembrane外膜膜厚約5-7nm。磷酸鎢復(fù)染，外膜有排列整齊的筒狀圓柱體。中間有孔徑為2nm的孔，稱為孔蛋白(porin)分子量5000以內(nèi)的物質(zhì)可以自由通過。內(nèi)膜外膜孔蛋白內(nèi)膜Innermembrane平均厚度約4.5nm，通透性很小，分子量大于150的物質(zhì)無法通過，具有高度選擇性。內(nèi)膜向線粒體內(nèi)室突出形成嵴(Cristae)嵴Cristae線粒體中形態(tài)學(xué)變化最大的結(jié)構(gòu)

特征性主要有兩種類型：

板層狀（大多數(shù)高等動物細胞中線粒體的嵴）;

小管狀（原生動物和其它一些較低等的動物細胞中線粒體的嵴）。垂直排列的板層狀嵴平行排列的板層狀嵴管泡狀嵴基粒Elementaryparticle內(nèi)膜和嵴的基質(zhì)面有許多帶柄的小體稱為基粒，也稱為ATP酶復(fù)合體。每個線粒體含有104-105個基粒形似棒糖，分頭、柄和基部三個部分基粒Elementaryparticle基部疏水蛋白，又稱偶聯(lián)因子F0；質(zhì)子通道頭部可溶性ATP酶，與基粒柄部合稱偶聯(lián)因子F1；含有ATP酶復(fù)合體抑制多肽柄對寡霉素敏感的蛋白，控制離子通道基粒Elementaryparticle大鼠肝細胞的基粒牛心臟細胞的基粒基質(zhì)Matrix在內(nèi)膜和嵴圍成的腔隙中充滿的較致密的低電子密度物質(zhì)內(nèi)含大量蛋白質(zhì)和脂類，包括大量重要酶系

三羧酸循環(huán)酶系、脂肪酸氧化酶系、蛋白質(zhì)和核酸合成的酶系等DNA、核糖核蛋白體等基質(zhì)顆粒外膜內(nèi)膜膜間隙(外室)嵴嵴間腔(內(nèi)室)嵴內(nèi)腔化學(xué)組成和酶的分布（P171)一、線粒體的化學(xué)組成主要由蛋白質(zhì)、脂類和水組成。蛋白質(zhì)65-70%，內(nèi)膜中含量較多；-可溶性蛋白：基質(zhì)中的酶和膜的外周蛋白-不溶性蛋白：鑲嵌蛋白、結(jié)構(gòu)蛋白和酶蛋白脂類25-30%，磷脂為主，內(nèi)外膜組成不完全相同與其他膜性結(jié)構(gòu)區(qū)別—豐富心磷脂和較少的膽固醇二、酶的分布約120種，包括氧化還原酶37%連接酶10%水解酶<9%部位酶的名稱外膜單胺氧化酶、犬尿氨酸羥化酶、NADH-細胞色素C還原酶；脂類代謝有關(guān)的酶（酰基輔酶A合成酶、脂肪酸激酶等）特征酶：單胺氧化酶膜間隙腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶、亞硫酸氧化酶特征酶：腺苷酸激酶內(nèi)膜細胞色素氧化酶、琥珀酸脫氫酶、NADH脫氫酶、肉堿酰基轉(zhuǎn)移酶、-羥丁酸和-羥丙酸脫氫酶、丙酮酸氧化酶、ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸載體。特征酶：細胞色素氧化酶、琥珀酸脫氫酶基質(zhì)檸檬酸合成酶、烏頭酸酶、蘋果酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶、延胡索酸酶、谷氨酸脫氫酶、丙酮酸脫氫酶復(fù)合體、天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、蛋白質(zhì)和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系特征酶：蘋果酸脫氫酶

線粒體含有DNA，可以自行編碼表達部分蛋白質(zhì)；同時實現(xiàn)其基因組復(fù)制與表達的許多酶又是由核基因組編碼的半自主性(P173)一、線粒體DNA（mtDNA）雙鏈環(huán)狀DNA，一個線粒體內(nèi)平均含有5-10個mtDNA分子；裸露，不與組蛋白結(jié)合；不同種屬mtDNA的大小不同，所含遺傳信息量少；

主要編碼：線粒體的tRNA、rRNA和部分線粒體蛋白轉(zhuǎn)錄后的mRNA不含內(nèi)含子，少有非翻譯區(qū)線粒體DNA（mtDNA）

人線粒體DNA由16569bp組成，含有37個基因：2個rRNA基因、22個tRNA基因和13個編碼蛋白質(zhì)的基因。線粒體DNA的復(fù)制半保留復(fù)制，復(fù)制不受限于細胞周期二、線粒體蛋白質(zhì)線粒體蛋白質(zhì)合成有自身合成蛋白質(zhì)的系統(tǒng)（線粒體核糖體）與原核細胞相似，與真核細胞有三點不同-轉(zhuǎn)錄翻譯在同一時空進行；-起始氨基酸為甲酰甲硫氨酸；-對藥物敏感性與原核細胞相同：放線菌酮不敏感氯霉素、紅霉素和四環(huán)素敏感遺傳密碼子不同線粒體與核密碼子編碼氨基酸比較線粒體蛋白質(zhì)的輸入(P177)線粒體內(nèi)絕大部分蛋白由細胞核DNA編碼；

蛋白質(zhì)分別輸入至：線粒體外膜、內(nèi)膜、膜間隙以及基質(zhì)；需要解除高級結(jié)構(gòu)，并在分子伴侶的幫助下重新折疊；均具有線粒體靶序列：基質(zhì)導(dǎo)入序列（Matrix-targetingsequence,MTS）需要外膜中的特異受體以及輸入通道蛋白質(zhì)的輸入需要能量轉(zhuǎn)位接觸點——核編碼蛋白質(zhì)進入線粒體的通道線粒體蛋白質(zhì)的輸入線粒體蛋白質(zhì)進入線粒體布朗棘輪模型(BrownianRachetmodel)線粒體蛋白質(zhì)的輸入核編碼蛋白向線粒體膜間腔的轉(zhuǎn)運核編碼蛋白向線粒體膜間腔的轉(zhuǎn)運◆糖酵解◆乙酰輔酶A生成◆三羧酸循環(huán)◆電子傳遞偶聯(lián)氧化磷酸化貯能和供能細胞氧化cellularoxidation

又稱細胞呼吸(cellularrespiration)，依靠酶的催化，將細胞內(nèi)各種供能物質(zhì)氧化釋放能量的過程。一、糖酵解(glycolysis)細胞質(zhì)基質(zhì)中進行為無氧氧化過程，不需耗氧葡萄糖（C6H12O6）糖酵解酶系+2NADH+2H++2ATP2丙酮酸（C3H4O3)底物水平磷酸化Substrate-levelphosphorylation丙酮酸：機制不明，可能依靠自身的脂溶性NADH+H+：特異性穿梭系統(tǒng)糖酵解產(chǎn)物進入線粒體二、乙酰輔酶A生成線粒體基質(zhì)中進行氧化（脫氫）脫羧反應(yīng)C3H4O3+輔酶A(CoA)+2NAD乙酰-CoA+2NADH+2H++CO2丙酮酸脫氫酶系+Mg2+三、三羧酸循環(huán)(TCA)線粒體基質(zhì)中進行供能物質(zhì)經(jīng)過以上各步脫下的氫原子，通過內(nèi)膜上的一系列呼吸鏈酶系的電子傳遞，最后與氧結(jié)合生成水，電子傳遞過程中釋放的能量被用于ADP磷酸化形成ATP。四、電子傳遞偶聯(lián)氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)線粒體內(nèi)膜上進行電子載體

在電子傳遞過程中與釋放的電子結(jié)合并將電子傳遞下去的物質(zhì)。

包括有黃素蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白、輔酶Q電子傳遞電子傳遞電子傳遞呼吸鏈electrontransportrespiratorychain（呼吸鏈respiratorychain）

四種電子載體與其他蛋白質(zhì)形成復(fù)合物后，有序的鑲嵌在內(nèi)膜上，組成的傳遞電子和質(zhì)子的酶體系。

有四個含電子載體的復(fù)合體及另外兩個獨立存在的電子載體組成，包括復(fù)合體I、復(fù)合體II、復(fù)合體III、復(fù)合體IV和細胞色素c以及輔酶Q各組分高度有序排列，復(fù)合體I、III、IV組成主要傳遞途經(jīng)；復(fù)合體II、III、IV組成另一條傳遞途經(jīng)電子傳遞兩條電子傳遞途經(jīng)：復(fù)合體1UQ復(fù)合體3Cytc復(fù)合體4復(fù)合體2Question：電子傳遞的目的是什么？這些H+對于ATP的合成有何意義？ATP又是如何合成的？氧化磷酸化伴隨電子傳遞鏈的氧化過程所進行的能量轉(zhuǎn)換和ATP的生成稱氧化磷酸化或稱氧化磷酸化偶聯(lián)。偶聯(lián)磷酸化的關(guān)鍵裝置————基粒（ATP酶復(fù)合體）轉(zhuǎn)子定子基粒P186化學(xué)滲透假說chemiosmoticcouplinghypothesis1.線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈同時起質(zhì)子（H+）泵的作用，可以在電子傳遞的同時將質(zhì)子（H+）從線粒體基質(zhì)腔（內(nèi)室）轉(zhuǎn)移到膜間腔（外室）。化學(xué)滲透假說2.線粒體內(nèi)膜上的基粒（ATP酶復(fù)合體）也能可逆地跨線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運質(zhì)子（H+）一方面：它可以水解ATP產(chǎn)生能量將質(zhì)子從內(nèi)室轉(zhuǎn)移到外室；另一方面：當(dāng)外室存在大量質(zhì)子時，使線粒體內(nèi)膜內(nèi)外存在足夠的質(zhì)子電化學(xué)梯度，質(zhì)子則從外室通過基粒（ATP酶復(fù)合體）F0上的質(zhì)子通道進入內(nèi)室，同時驅(qū)動F1因子中ATP酶利用這種勢能合成ATP。化學(xué)滲透假說3.線粒體內(nèi)膜本身具有離子不通透性，能隔絕包括H+、OH-在內(nèi)的各種正負離子。4.線粒體內(nèi)膜上有一系列介導(dǎo)基本代謝物質(zhì)和選擇性轉(zhuǎn)運無機離子進出內(nèi)膜的載體蛋白。小結(jié)電子傳遞過程中所釋放的能量并非直接用于合成ATP，而是用來將質(zhì)子從內(nèi)室泵到外室。由于線粒體內(nèi)膜是質(zhì)子屏障，造成膜兩側(cè)質(zhì)子濃度失衡，產(chǎn)生跨膜的電化學(xué)質(zhì)子梯度（PH差和電位差，含很高的能量），外室中高濃度的質(zhì)子有返回內(nèi)室的趨勢。當(dāng)質(zhì)子從外室通過基粒（ATP酶復(fù)合體）F0上的質(zhì)子通道進入內(nèi)室，同時驅(qū)動F1因子中ATP酶，利用這種勢能使ADP磷酸化合成ATP。PeterD.Mitchell(1920-1992)Nobelprizeinchemistry1978Question：

基粒是如何形成ATP的？基粒合成ATP基粒合成ATP結(jié)合變構(gòu)機制（binding-changemechanism）質(zhì)子運動所釋放的能量不直接用于ADP磷酸化，主要用于改變活性位點與ATP產(chǎn)物的結(jié)合親和力。在任何時刻，ATP合酶上的3個β亞基以3種不同的構(gòu)象存在。從而使它們對核苷酸有不同的親和性。ATP通過旋轉(zhuǎn)催化而合成，在此過程中，通過F0“通道”的質(zhì)子流引起c亞基環(huán)和附著與其上的γ亞基縱軸在α3β3的中央進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)是由F0質(zhì)子通道所進行的質(zhì)子跨膜運動來驅(qū)動的。PaulD.Boyer(1918-)PaulD.Boyer(1918-)JohnE.Walker(1941-)Nobelprizeinchemistry199738個ATP酵解：2個線粒體：36個三羧酸循環(huán)：2個呼吸氧化過程：34個一分子的葡萄糖徹底氧化生成38個ATP起源與增殖一、線粒體的起源(P182)◆內(nèi)共生假說◆非內(nèi)共生假說內(nèi)共生假說認為線粒體來源于細菌。-細胞的祖先是一種體積巨大的，具有吞噬能力的細胞；-Mi的祖先是一種革蘭氏陰性菌，不僅能進行糖酵解，而且能利用氧氣，把糖酵解產(chǎn)物丙酮酸進一步氧化分解產(chǎn)生更多的能量；-當(dāng)真核細胞吞噬這種細菌后，兩者形成“互利”的共生關(guān)系，真核細胞利用細菌供給充分的能量，而細菌也依賴于宿主細胞獲得更多的原料，在長期共生過程中，細菌逐漸演變?yōu)檎婧思毎腗i。內(nèi)共生假說內(nèi)共生假說證據(jù)：-線粒體DNA呈環(huán)狀、裸露與細菌相似-線粒體的核糖體為70S與細菌相同，而真核細胞為80S-線粒體蛋白質(zhì)的合成更接近細菌-線粒體內(nèi)、外膜結(jié)構(gòu)和功能差別很大，外膜與真核細胞的sER相似；內(nèi)膜與細菌質(zhì)膜相似-線粒體的增殖與細菌一樣——直接分裂非內(nèi)共生假說認為線粒體來源于質(zhì)膜內(nèi)陷，又稱分化假說-細胞的祖先是一種進化程度很高的需氧細菌，呼吸鏈和磷酸化系統(tǒng)位于細胞膜和細胞膜內(nèi)陷的結(jié)構(gòu)上；-進化過程中內(nèi)膜不斷內(nèi)陷，融合成小泡，脫離質(zhì)膜，進化成完整的呼吸單位；-融合過程中，包裹進一個質(zhì)粒，形成線粒體。非內(nèi)共生假說證據(jù)：-細菌的中膜體與線粒體非常相似均為凹陷的細胞膜-質(zhì)粒DNA與線粒體DNA比較有許多相似之處二、線粒體的增殖(P181)◆間壁分離◆收縮分離◆出芽分裂間壁分離收縮分離出芽分裂線粒體的內(nèi)膜向中心內(nèi)褶形成間壁，或某一個嵴的延伸。當(dāng)延伸到對側(cè)內(nèi)膜時，線粒體一分為二，成為只有外膜相連的兩個獨立細胞器，接著線粒體就完全分離。線粒體中央部分收縮并向兩端拉長，中央形成很細的頸，整個線粒體成啞鈴形，最后斷裂為二形成兩個新線粒體。先從線粒體上長出小芽，然后小芽與母線粒體分離，經(jīng)過不斷長大，形成新的線粒體。MitochondriaByHarvardUniversity線粒體與醫(yī)學(xué)一、線粒體與細胞死亡(P180)線粒體與細胞死亡應(yīng)用熒光染料檢測凋亡細胞中線粒體跨膜電位的紊亂線粒體與細胞死亡應(yīng)用熒光標(biāo)記的抗體檢測細胞色素C釋放1.應(yīng)用于人種起源和遷徙的研究她被認為大約生活在17萬年前的非洲2.法醫(yī)學(xué)上的運用二、線粒體用于鑒定(P190)線粒體夏娃三、線粒體與疾病(P189)線粒體與疾病

線粒體肌病

克山病

線粒體與衰老

線粒體DNA突變造成的遺傳病一、線粒體肌病1962年首次報道癥狀：多汗，體重減輕，基礎(chǔ)代謝異?？哼M病因：肌細胞線粒體中缺少某種酶，引起氧化磷酸化或呼吸鏈障礙。常累及腦或全身臟器。二、克山病1935年，在我國黑龍江省克山縣首次發(fā)現(xiàn)癥狀：心臟增大、急性或慢性心功能不全和各種類型的心律失常，急重患者可發(fā)生猝死。病因：心肌線粒體病，與硒、鉬、鎂等元素缺乏引起三、線粒體與衰老數(shù)量隨細胞衰老過程減少，而體積增大；膨大的線粒體中有時可見到清晰的嵴；有人認為線粒體是細胞衰老的源泉四、線粒體DNA突變：Leber遺傳性視神經(jīng)?。↙HON）：mtDNA突變導(dǎo)致MERRF綜合征KSS病老年性退行性疾?。貉踝杂苫鶎tDNA損傷導(dǎo)致（一）Leber遺傳性視神經(jīng)病

(Leberhereditaryopticneuropathy,LHON)

于1871年由Leber醫(yī)生首次報道，因主要癥狀為視神經(jīng)退行性變，故又稱Leber視神經(jīng)萎縮?；颊叨嘣?8～20歲發(fā)病，男性較多見，個體細胞中突變mtDNA超過96％時發(fā)病，少于80％時男性病人癥狀不明顯。多數(shù)雙側(cè)視力同時減退，少數(shù)一眼先發(fā)病，數(shù)周或數(shù)月后另眼也發(fā)生視力喪失，其后病情相對穩(wěn)定。中央視力喪失，周邊視力保存，全盲者少見，瞳孔對光反射保存，伴色覺障礙。雙側(cè)視神經(jīng)嚴重萎縮引起的急性或亞急性雙側(cè)中央視力喪失，可伴有神經(jīng)、心血管、骨骼肌等系統(tǒng)異常，如頭痛、癲癇及心律失常等。11778G→A導(dǎo)致編碼NADH脫氫酶亞單位4(ND4)中第340位的Arg→His，從而影響線粒體能量的產(chǎn)生。11778G→A（二）MERRF(Myoclonusepilepsywithragged-red-fiber,RRF)肌陣攣性癲癇伴碎紅纖維病多見于兒童,有家族史,肌陣攣性癲癇,智能減退,小腦共濟失調(diào)，痙攣發(fā)作,部分病人出現(xiàn)多發(fā)性神經(jīng)病、肌肉病、聽力喪失、癡呆和遠端感覺喪失。其他癥狀還有視神經(jīng)萎縮、身材矮小和脂肪瘤病。部分病人出現(xiàn)乳酸血征。MRI主要表現(xiàn)為大腦和小腦萎縮。MERRF患者MERRF原因：堿基突變：tRNALysA8344G.母系遺傳。閾值水平：90%（三)MELAS(Mitochondrialencephalomyopathywithlacticacidemiaandstroke-likeepisodes)線粒體腦肌病伴乳酸血癥和中風(fēng)樣發(fā)作發(fā)作性頭痛、嘔吐、偏癱、偏盲、偏身感覺障礙，身材矮小，智能減退，可有痙攣發(fā)作，CT: