線粒體學(xué)習(xí)課件

第十五章線粒體

(mitochondria)細(xì)胞的動(dòng)力站合成生命活動(dòng)所需的直接能源物質(zhì)——ATP細(xì)胞內(nèi)線粒體（綠色）熒光顯示線粒體的認(rèn)識(shí)歷程1894年Altmann首次在動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn);1948年Hogeboom用分步離心法分離得到線粒體，建立線粒體是細(xì)胞的能量代謝中心概念;1963～1964年發(fā)現(xiàn)線粒體中存在DNA和DNA轉(zhuǎn)錄、翻譯系統(tǒng).數(shù)量:與細(xì)胞新陳代謝有關(guān)分布：均勻分布在細(xì)胞質(zhì)中，有些分布的位置與供能部位有關(guān)心肌細(xì)胞精子尾部鞭毛髓部線粒體一、線粒體的形態(tài)

可塑性細(xì)胞器，多為粒狀、桿狀或線狀直徑為0.5～1.0m，長(zhǎng)1.5～3.0m第一節(jié)線粒體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)蝙蝠胰腺細(xì)胞線粒體的電鏡圖

二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)分為4個(gè)部分：外膜(outermembrane)

內(nèi)膜（innermembrane）

膜間腔（intermembranespace）

內(nèi)室（innerchamber）電鏡下是由兩層單位膜圍成的封閉的囊狀結(jié)構(gòu)（一）外膜包圍在線粒體最外面的一層單位膜厚約6nm脂類組成與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相似含大量孔蛋白(Porin)，允許<10KDa分子通過(guò)，具高通透性，使得膜間腔環(huán)境幾乎與胞質(zhì)相似。外膜（二）內(nèi)膜外膜內(nèi)側(cè)的一層單位膜向內(nèi)折疊形成嵴（cristae）基本微粒通透性較低（1500）線粒體嵴：

線粒體內(nèi)膜向基質(zhì)側(cè)折疊形成向內(nèi)的突起；

增大內(nèi)膜呼吸面積；

形態(tài)、數(shù)量因細(xì)胞類型而異與長(zhǎng)軸垂直板層狀嵴管狀嵴心肌細(xì)胞排列緊密的板層狀嵴縱行排列板層狀嵴基本微粒(elementaryparticle)內(nèi)膜和嵴的基質(zhì)面上帶柄的顆粒多個(gè)亞基構(gòu)成的蛋白復(fù)合體--ATP酶復(fù)合體(ATPasecomplex)能量轉(zhuǎn)換單位基本微粒的結(jié)構(gòu)示意圖及電鏡圖

（三）膜間腔線粒體外膜與內(nèi)膜之間，又稱外室（outerchamber）含有許多可溶性酶類、底物和輔助因子

（四）內(nèi)室（innerchamber）又稱基質(zhì)（matrix)含各種蛋白質(zhì)酶：三羧酸循環(huán)、丙酮酸氧化以及DNA、RNA和蛋白質(zhì)合成所需要的酶等基質(zhì)顆粒：內(nèi)含Ca2+、Mg2+、Zn2+等離子線粒體DNA、RNA及核糖體線粒體組分的分離技術(shù)低滲處理一定轉(zhuǎn)速下離心，上清液為膜間腔組分膜間腔組分轉(zhuǎn)入高滲溶液使其回縮密度梯度離心，分離外膜去垢劑（Lubrol）裂解內(nèi)膜并離心內(nèi)膜基質(zhì)外膜第二節(jié)線粒體的化學(xué)組成蛋白質(zhì)占線粒體干重的65%-75%

結(jié)構(gòu)蛋白、載體蛋白、多種酶內(nèi)膜和基質(zhì)含量最豐富脂類占25%-30%,主要為磷脂，膽固醇少內(nèi)、外膜脂質(zhì)成分差異其它：少量核酸、無(wú)機(jī)鹽、輔助因子及水（一）蛋白質(zhì)在線粒體各結(jié)構(gòu)組成分布差異較大大鼠肝細(xì)胞線粒體中蛋白質(zhì)分布外膜6%

膜間腔6%

內(nèi)膜21%

內(nèi)室67%（二）脂類主要是磷脂，內(nèi)外膜上的組成不同外膜：主要是卵磷脂內(nèi)膜：主要是心磷脂，含量高達(dá)20%

內(nèi)、外膜脂類與蛋白質(zhì)的比值內(nèi)膜0.3:1

外膜1:1第三節(jié)線粒體的功能提供細(xì)胞生命活動(dòng)80%以上的能量有機(jī)物氧化分解H2O+CO2+能量細(xì)胞氧化ADP+PiATP

細(xì)胞氧化細(xì)胞內(nèi)氨基酸、脂肪酸、單糖等供能物質(zhì)被徹底氧化而釋放能量的過(guò)程，此過(guò)程要攝取氧，產(chǎn)生的CO2最終排出體外，又稱細(xì)胞呼吸。

（一）、糖酵解（細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)）1分子葡萄糖2分子丙酮酸+2ATP+4H

線粒體受氫體NAD+此過(guò)程不需要氧（二）、乙酰輔酶A的形成

2丙酮酸丙酮酸脫氫酶

4H+2乙?；o酶ANAD+2乙酰輔酶A線粒體基質(zhì)中發(fā)生

(三)、三羧酸循環(huán)（線粒體基質(zhì)）

乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合形成檸檬酸,檸檬酸經(jīng)一系列反應(yīng)氧化脫羧，生成草酰乙酸；草酰乙酸又可與另一分子的乙酰輔酶A結(jié)合重新形成檸檬酸。如此反復(fù)循環(huán)，故稱三羧酸循環(huán)凈生成2分子GTP，8對(duì)H原子，6對(duì)由NAD+攜帶，2對(duì)由FAD攜帶三羧酸循環(huán)示意圖4ATPCO212對(duì)H

2對(duì)H2ATP，8對(duì)H2ATP，2對(duì)H

二、電子傳遞和氧化磷酸化的偶聯(lián)電子傳遞鏈（electrontransferchain）

位于線粒體內(nèi)膜上，由一系列能夠可逆接受和釋放H+或e-的酶和輔酶有序地排列成相互關(guān)聯(lián)的鏈狀結(jié)構(gòu)。電子傳遞過(guò)程中釋放能量.

電子傳遞鏈主要組分復(fù)合體Ⅰ（NADH脫氫酶）復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸脫氫酶）復(fù)合體Ⅲ（細(xì)胞色素b-c1）復(fù)合體Ⅳ（細(xì)胞色素c氧化酶）電子傳遞過(guò)程中，伴隨質(zhì)子轉(zhuǎn)移1953年由SlaterE.C.提出“化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說(shuō)”。1961年MitchellP.提出“化學(xué)滲透假說(shuō)”。1964年BoyerP.D.提出“構(gòu)象假說(shuō)”。至20世紀(jì)70年代，化學(xué)滲透假說(shuō)在取得大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)的基礎(chǔ)上，已成為氧化磷酸化作用中較為流行的一種假說(shuō)。電子傳遞和氧化磷酸化的偶聯(lián)（電子傳遞與ATP產(chǎn)生的關(guān)系）

化學(xué)滲透假說(shuō)

在電子傳遞過(guò)程中，質(zhì)子氫與電子的交替?zhèn)鬟f，使H+從內(nèi)膜內(nèi)側(cè)向外側(cè)定向轉(zhuǎn)移。由于線粒體內(nèi)膜對(duì)H+高度不通透，造成內(nèi)膜兩側(cè)跨膜質(zhì)子梯度，形成質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)。其中蘊(yùn)藏的能量驅(qū)使H+

穿過(guò)ATP合成酶，驅(qū)動(dòng)ADP與Pi形成ATP。

電子傳遞鏈可作為質(zhì)子泵，將線粒體基質(zhì)中的H+泵至膜間腔ATP合成酶復(fù)合體ATP合成酶的分子結(jié)構(gòu)

F1：3α、3β、1γ、1ε、1δ

FO:a、b、c

定轉(zhuǎn)子模型轉(zhuǎn)子:γε定子:abδ在嗜熱菌的ATPase的β亞基的N端添加10個(gè)His，以使其固定在Ni-NTA膜上；將γN端的一個(gè)Ser換為Cys，以連上肌動(dòng)蛋白絲(熒光標(biāo)記)；加ATP后可觀察到肌動(dòng)蛋白絲旋轉(zhuǎn).NojiHetal.1997,Nature轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的試驗(yàn)學(xué)證據(jù)：結(jié)合變化機(jī)制：β三種狀態(tài):O空置狀態(tài)T緊密結(jié)合態(tài)L松散結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致β構(gòu)象的變化，催化ATP生成ATPADP＋Pi質(zhì)子流推動(dòng)c亞單位轉(zhuǎn)動(dòng)自然界最小的分子”水輪發(fā)電機(jī)”1分子葡萄糖產(chǎn)生ATP分子數(shù)目的計(jì)算

細(xì)胞呼吸前三步共產(chǎn)生12對(duì)H原子:10對(duì)H以NAD+為受氫體，產(chǎn)生10×3=30ATP;2對(duì)H以FAD為受氫體，產(chǎn)生2×2=4ATP糖酵解2ATP三羧酸循環(huán)2GTP1分子葡萄糖經(jīng)細(xì)胞呼吸可產(chǎn)38ATP,36ATP在線粒體中產(chǎn)生第四節(jié)線粒體的半自主性研究歷程：1963年，M.Nass和S.Nass在雞胚肝細(xì)胞線粒體中發(fā)現(xiàn)DNA;1964年，Luck等從紅色面包霉的線粒體中分離出DNA;線粒體自主性是有限的，故稱為半自主性一、線粒體的DNA（mtDNA）雙線環(huán)狀，分子量很小，一個(gè)線粒體中可有一個(gè)或幾個(gè)DNA分子線粒體DNA電鏡圖.DNA編碼序列為單一序列，無(wú)內(nèi)含子，基因之間無(wú)非編碼序列

編碼13種蛋白質(zhì)（復(fù)合物Ⅰ7個(gè)亞基，復(fù)合物Ⅲ1個(gè)亞基，復(fù)合物Ⅳ3個(gè)亞基及ATP酶復(fù)合體2個(gè)亞基）人線粒體基因組圖（黑白）二、線粒體的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)

獨(dú)特的遺傳密碼，與通用遺傳密碼不同線粒體的核糖體比細(xì)胞質(zhì)核糖體小對(duì)氯霉素敏感，異于細(xì)胞質(zhì)核糖體（放線菌酮）通用遺傳密碼與兩種線粒體遺傳密碼的差異三、線粒體蛋白質(zhì)的定向運(yùn)輸線粒體雖有蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，但因mtDNA信息有限，其總蛋白的90%以上是由核基因編碼線粒體蛋白質(zhì)跨膜線粒體蛋白質(zhì)在導(dǎo)肽作用下跨膜轉(zhuǎn)移折疊狀態(tài)松散狀態(tài)，便于轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)至基質(zhì)后松散狀態(tài)折疊狀態(tài)，成為成熟的蛋白質(zhì)線粒體內(nèi)外膜的接觸點(diǎn)

線粒體蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移中構(gòu)象發(fā)生變化線粒體與細(xì)胞質(zhì)之間蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)是單向的，二者之間也無(wú)DNA和RNA的交換。第五節(jié)線粒體的增殖1965年D.Luck用含3H-膽堿（膜磷脂的前身物）標(biāo)記紅色面包霉，追蹤去向。發(fā)現(xiàn)線粒體是從原有的線粒體經(jīng)過(guò)生長(zhǎng)與分裂而來(lái).8h15h20h32h肝細(xì)胞中處于分裂狀態(tài)的線粒體電鏡圖線粒體增殖彩圖第六節(jié)線粒體與人類疾病一.線粒體病由于線粒體基因突變而引起的疾病。線粒體疾病多由MtDNA突變導(dǎo)致功能缺陷；其突變率比核DNA大10～20倍。自1997年以來(lái)，已知由人類線粒體疾病引起的遺傳疾病已達(dá)百種以上。線粒體疾病常包含在一些高能量需求的組織中，如心臟、肌肉和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等。遺傳性視神經(jīng)病（LHON）：由線粒體DNA的一個(gè)錯(cuò)義突變引起，患者突然失明，同時(shí)還引起神經(jīng)肌肉疾病，全身肌張力障礙。非胰島依賴性糖尿?。∟IDDM）。肌陣攣羊癲風(fēng)；地方性心肌病(克山病)。線粒體與衰老也密切有關(guān)（體內(nèi)約95％氧自由基由Mt產(chǎn)生）?？松讲∈且环N地方性心肌病。1935年首先流行于黑龍江省克山縣。主要流行于我國(guó)東北、西北、華北及西南一帶交通不便的山區(qū)或丘陵地帶。臨床上常有急性或慢性心功能不全表現(xiàn)。傳播途徑是病區(qū)產(chǎn)的糧食，糧食在濕冷環(huán)境