第七章线粒体的结构与功能.ppt

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线粒体(mitochondrion)是存在于真核细胞中的一种较大细胞器，在光学显微镜下观察呈“短线状”或“颗粒状”的形态学特征而命名为线粒体，是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所,细胞生命活动所需的能量有95％来自线粒体，因此有细胞“动力工厂”之称。线粒体的形态、数量与分布返回目录第7章线粒体的结构与功能mitochondra 1894年——Altmann——光镜——生命小体(bioblast)1897年——Benda——线粒体(mitochondria)第一节线粒体的形态结构一.线粒体的形态、大小和分布形态：光镜：线状、粒状、短杆状；有的圆形、哑铃形、星形；还有分枝状、环状等 线粒体的形态光学显微镜下线粒体的形态线粒体的形态多种多样，一般呈线状，也有粒状或短线状。细胞的生理状况发生变化时线粒体的形态亦将随之而改变。 线粒体的数量同一类型细胞中，线粒体的数目是相对稳定的。在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大。生理活动旺盛的细胞（心肌细胞）线粒体多。数百~数千个3105万个(有些卵母细胞)1个50万个(巨大变形虫) 肌细胞和精子的线粒体分布线粒体包围着脂肪滴线粒体的分布线粒体较多分布在需要ATP的部位！！返回目录 数目：不同类型的细胞中差异较大。正常细胞中：1000—2000个。分布：因细胞形态和类型的不同而存在差异。通常分布于细胞生理功能旺盛的区域和需要能量较多的部位。总之：线粒体的形态、大小、数目和分布在不同形态和类型的细胞可朔性较大。大小：细胞内较大的细胞器。一般直径：0.5—1.0um;长度：3um。 光镜下绿色颗粒显示线粒体,红色颗粒显示溶酶体 线粒体的形态 线粒体的形态 线粒体结构 二.线粒体的亚微结构电镜：线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构。外膜内膜膜间隙（膜间腔、外室）嵴嵴间隙（嵴间腔、内室）内含基质 8.2电镜下，线粒体是由两层高度特化的单位膜套叠而成的囊状结构，主要由外膜、内膜、膜间腔和基质腔四部分组成线粒体的结构与化学组成 电子显微镜下线粒体的形态结构A、B扫描电镜图；C透射电镜图线粒体的超微结构 电镜：线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构。外膜内膜膜间腔（外腔）嵴嵴间腔（内腔）内含基质，有DNA线粒体的超微结构 外膜内膜膜间隙嵴间腔嵴嵴：基粒（ATP酶复合体）：基质面上许多带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。基粒（ATP酶复合体）3-4nm长4.5-6nm6-11.5nm高5-6nm9nm9nm头部柄部基片:合成ATP:调控质子通道：质子的通道（内腔）（外腔）内膜向内腔折叠形成，可增加内膜的表面积。嵴和基粒 基粒的结构基粒结构模式图返回目录 包围在线粒体外表面的一层单位膜。厚6—7nm，平整、光滑。外膜含有多套运输蛋白（通道蛋白），围成筒状园柱体，中央有小孔，孔径：2-3nm，允许分子量为10000以内的物质可以自由通过。外膜外膜 位于外膜内侧，由一层单位膜构成。厚5-6nm，其通透性很差，但有高度的选择通透性，借助载体蛋白控制内外物质的交换。内膜向内突起形成—嵴内外膜之间有6-8nm宽间隙—膜间隙嵴与嵴之间的腔—嵴间腔嵴内的空隙——嵴内腔外膜内膜膜间隙（外室）嵴嵴间腔（内室）嵴内腔内膜 外膜内膜膜间隙嵴间腔嵴内腔嵴嵴的形态和排列方式差别很大，主要有两种类型：板层状（大多数高等动物细胞中线粒体的嵴）;小管状（原生动物和其它一些较低等的动物细胞中线粒体的嵴）。（内室）（外室）嵴：内膜向内室折叠形成，可增加内膜的表面积。嵴与基粒 可溶性的ATP酶（F1)360000疏水蛋白（HPF0)70000外膜内膜膜间隙嵴间腔嵴内腔嵴基粒（ATP酶复合体）：内膜和嵴膜基质面上许多带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。基粒（ATP酶复合体）3-4nm长4.5-6nm6-11.5nm高5-6nm9nm9nm头部柄部基片对寡酶素敏感蛋白（OSCP)18000ATP酶复合体抑制多肽10000（调节酶活性）:合成ATP:调节质子通道：质子的通道（内室）（外室）嵴与基粒 cδεabH+βββαααγF1F0转子定子 外膜内膜膜间隙嵴间腔（内室）嵴内腔嵴基粒（ATP酶）基质：内膜和嵴围成的腔隙，腔内充满较致密的物质——线粒体基质。线粒体基质脂类蛋白质酶类线粒体DNA线粒体DNA线粒体mRNA线粒体tRNA线粒体核糖体线粒体核糖体基质颗粒基质颗粒（外室）基质 线粒体结构与化学组成外膜(outermembrane)内膜(innermembrane)膜间隙(intermembranespace)线粒体基质(matrix)1 ◆标志酶:单胺氧化酶◆外膜含有较大的通道蛋白:孔蛋白最大允许5000D的分子自由通过外膜(outermembrane) 细菌外膜中的孔蛋白 OrganizationandFunctionofMitochondria ◆线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的部位，通透性差；◆含有大量的心磷脂(cardiolipin)，心磷脂与离子的不可渗透性有关；◆3类酶：运输酶类、合成酶类、电子传递和ATP合成的酶类；◆内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。内膜(innermembrane)2 线粒体膜的运输系统 ◆标志酶:腺苷酸激酶◆功能:建立电化学梯度膜间间隙(intermembranespace) ◆标志酶:苹果酸脱氢酶线粒体基质(matrix)◆功能:●TCA循环●脂肪酸氧化●氨基酸降解●合成部分线粒体蛋白 线粒体中酶的分布线粒体中约有120种酶--------部位酶的名称外膜单胺氧化酶、犬尿氨酸羟化酶、NADH-细胞色素C还原酶、脂类代谢有关的酶（酰基辅酶A合成酶、脂肪酸激酶等）特征酶：单胺氧化酶膜间隙腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶、亚硫酸氧化酶特征酶：腺苷酸激酶内膜细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、肉碱酰基转移酶、-羟丁酸和-羟丙酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸载体。特征酶：细胞色素（c）氧化酶、琥珀酸脱氢酶基质柠檬酸合成酶、乌头酸酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、延胡索酸酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体、天冬氨酸氨基转移酶、蛋白质和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系特征酶：苹果酸脱氢酶氧化还原酶37% 外膜膜间隙内膜基质细胞色素b5NADH-细胞色素c还原酶单胺氧化酶脂酰辅酶A合成酶磷酸甘油酰基转移酶孔蛋白腺苷酸激酶核苷酸激酶二磷酸激酶单磷酸激酶NADH脱氢酶琥珀酸脱氢酶细胞色素氧化酶细胞色素CATP合成酶(F0F1复合物)运输蛋白丙酮酸脱氢酶脂肪酸β氧化酶三羧酸循环酶系苹果酸脱氢酶DNA聚合酶RNA聚合酶核糖体转移RNAs线粒体各部分蛋白及酶的分布线粒体的化学组成线粒体的化学组分主要是由蛋白质、脂类和水份等组成红色标注各部分的标志酶 第二节线粒体的氧化供能作用线粒体：提供细胞95%以上的能量---细胞内的动力工厂糖酵解：提供细胞少量的能量细胞内的供能物质：主要糖类 知识回顾：真核细胞中的氧化作用糖的氧化:葡萄糖→细胞→胞质中分解为丙酮酸(不需要氧，糖酵解)◆糖氧化成丙酮酸◆丙酮酸脱羧生成乙酰CoA◆乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化无氧：乳酸 糖的酵解与氧化能量:高能分子6C3C2C1C 线粒体 线粒体基质中乙酰辅酶A的生成◆丙酮酸跨膜进入线粒体基质；◆在丙酮酸脱氢酶(pyruvatedehydrogenase)作用下氧化成乙酰辅酶A。 ●生物需要能量时首先利用多糖▲多糖→葡萄糖→丙酮酸▲脂肪脂肪酸▲蛋白质氨基酸→乙酰辅酶A（乙酰CoA）三羧酸循环↓ 三羧酸循环(tricarboxylicacidcycle,TCAcycle)又叫Krebs循环、柠檬酸循环。 TCA循环葡萄糖酵解生成丙酮酸乙酰CoA的生成三羧酸循环返回目录2分子CO21分子GTP4分子NADH1分子FADH25对电子 线粒体在能量转换中的作用电子传递偶联氧化磷酸化化学渗透偶联假说(chemiosmoticcouplinghypothesis)解释氧化磷酸化的偶联机理。该学说认为:在电子传递过程中,伴随着质子从线粒体内膜的里层向膜间腔转移，形成跨膜的氢离子梯度，这种势能驱动了氧化磷酸化反应(提供了动力)，合成了ATP。返回目录 化学渗透学说示意图 细胞氧化：在酶的催化下，氧将细胞内各种供能物质氧化而释放能量的过程。由于细胞氧化过程中，要消耗O2释放CO2和H2O所以又称细胞呼吸。 细胞氧化的基本过程1、酵解：在细胞质基质内进行，反应过程不需要氧——无氧酵解2、乙酰辅酶A生成:线粒体基质内进行3、三羧酸循环:在线粒体基质内进行4、电子传递和氧化磷酸化:在线粒体内膜上进行葡萄糖（C6H12O6）糖酵解酶系2丙酮酸（C3H4O3)+2H+2ATPC3H4O3+辅酶A(CoA)+2NAD乙酰-CoA+2NADH+2H+CO2丙酮酸脱氢酶系+Mg2+ 葡萄糖丙酮酸NADNADH2CO2乙酸CoA乙酰CoA草酰乙酸三羧酸循环（柠檬酸循环）柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸NADNADH2CO2-酮戊二酸NADNADH2CO2琥珀酸FADFADH2延胡索酸苹果酸NADNADH21231注：NAD（辅酶I）:尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸FAD（黄酶）:黄素腺嘌呤二核苷酸三羧酸循环 电子传递和氧化磷酸化：供能物质经过酵解乙酰辅酶A呼吸链（电子传递链）:复合体1复合体2复合体3复合体4复合体5O2伴随电子传递链的氧化过程所进行的能量转换和ATP的生成称氧化磷酸化或称氧化磷酸化偶联。生成、三羧酸循环脱下的氢原子，通过内膜上的一系列呼吸链酶系的电子传递，最后与氧结合生成水，电子传递过程中释放的能量被用于ADP磷酸化形成ATP.电子传递和氧化磷酸化氧化磷酸化： n①由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。n②由复合物II、III、IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。 呼吸链(resqiratorychain)呼吸链即电子(包括H+)的传递链，起自NADH(NicotineAdenylateDinucleotide，尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸)，终端为02，NADH02共产生3个ATP。其间任何环节缺陷将导致电子传递障碍。NADHCoQCytCO2ComplexI:NADH-CoQ还原酶ComplexII:琥珀酸-CoQ还原酶ComplexIII:细胞色素c还原酶ComplexIV:细胞色素c氧化酶ComplexV:ATP合成酶I琥珀酸IIIIIIVV生成3个ATP 1、复合物I：NADH（烟酰胺嘌呤二核苷酸）-CoQ还原酶最大、最复杂的脂蛋白复合体。由42条肽链组成，呈L型，含一个FMN（黄素单核苷酸）和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。2、复合物II：琥珀酸-CoQ还原酶/琥珀酸脱氢酶至少由4条肽链，含有一个FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸），1个细胞色素b和2个铁硫蛋白。催化琥珀酸的低能量电子转至辅酶Q，但不转移质子。 3、复合物III：CoQ-细胞色素c还原酶。至少11条不同肽链，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个铁硫蛋白和一个细胞色素c1。催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。4、复合物IV：细胞色素c氧化酶为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚单位：细胞色素a、a3和2个铜原子将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。 呼吸链呼吸链（respiratorychain）又称为电子传递链（electrontransportchain），是一系列具有递氢、递电子作用的氢载体和电子载体蛋白，该体系最终以氧作为电子接受体，与细胞摄氧有关，故称为呼吸链。由四种复合物组成返回目录 TheElectronTransportChain三个参与H+传递，四个都参与传递电子 复合物电子传递序号名称多肽数辅基接收自传递给传递质子ⅠNADH还原酶22～261个FMN6-9个Fe/S中心NADH辅酶Q是Ⅱ琥珀酸还原酶4～51个FAD3个Fe/S中心琥珀酸(经由酶结合的FAD)辅酶Q否Ⅲ细胞色素b-c1还原酶8～10细胞色素b细胞色素c1个细胞色素c11个Fe/S中心辅酶Q细胞色素c是Ⅳ细胞色素c氧化酶9细胞色素a细胞色素c氧(O2)细胞色素a3Cu中心(其中细胞色素a3是Fe/Cu中心)细胞色素cO2是线粒体呼吸链中四种复合物的性质 38个ATP酵解：2个线粒体内：36个三羧酸循环：2个内膜上呼吸氧化过程：34个偶联磷酸化的关键装置————基粒（ATP酶复合体）一分子的葡萄糖彻底氧化生成38个ATPn①由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。n②由复合物II、III、IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。 TheMechanismofOxidativePhosphorylation英国生物化学家P.Mitchell1961年提出了化学渗透假说(chemiosomoticcomplinghypothesis)解释氧化磷酸化的偶联机理。荣获1978年诺贝尔化学奖! 化学渗透假说在电子传递过程中,伴随着质子从线粒体内膜的里层向外层转移,形成跨膜的氢离子梯度,这种势能驱动了氧化磷酸化反应(提供了动力),合成了ATP。 化学渗透学说示意图 化学渗透学说1961年——英国——P.Mitchell——1978年——诺贝尔奖认为：2线粒体内膜上的基粒（ATP酶复合体）也能可逆地跨线粒体内膜转运质子（H+），一方面：它可以水解ATP产生能量将质子从内室转移到外室；另一方面：当外室存在大量质子时使线粒体内膜内外存在足够的质子电化学梯度，质子则从外室通过基粒（ATP酶复合体）F0上的质子通道进入内室同时驱动F1因子中ATP酶利用这种势能合成ATP。线粒体内膜上的电子传递链同时起质子（H+）泵的作用，可以在电子传递的同时将质子（H+）从线粒体基质腔（内室）转移到膜间腔（外室）。1 提出：电子传递过程中所释放的能量并非直接用于合成ATP，而是用来将质子从内室泵到外室。由于线粒体内膜是质子屏障，造成膜两侧质子浓度失衡，产生跨膜的电化学质子梯度（PH差和电位差，含很高的能量），外室中高浓度的质子有返回内室的趋势，当质子从外室通过基粒（ATP酶复合体）F0上的质子通道进入内室,同时驱动F1因子中ATP酶,利用这种势能使ADP磷酸化合成ATP。4线粒体内膜上有一系列介导基本代谢物质和选择性转运无机离子进出内膜的载体蛋白。3线粒体内膜本身具有离子不通透性，能隔绝包括H+、OH-在内的各种正负离子。 第三节线粒体的半自主性一.线粒体DNA(mtDNA)mtDNA:是双链环状的DNA分子、裸露不与组蛋白结合,分散在线粒体基质中，长约5um、分子量小,含15000碱基对。1981年—人胎盘—Anderson—mtDNA全部核苷酸序列—全长16569个碱基对mtDNA16569bp37个基因2种编码rRNA(12S和16S）基因22种编码tRNA基因13种编码蛋白质基因 HumanmtDNA,acircularmoleculethathasbeencompletelysequenced,isamongthesmallestknownmtDNAs,containing16,569basepairs.ItencodesthetworRNAsfoundinmitochondrialribosomesandthe22tRNAsusedtotranslatemitochondrialmRNAs. 人类线粒体基因组示意图线粒体DNA人类线粒体基因组是一个环状双链DNA包括37个基因可以编码2种rRNA、22种tRNA和13种蛋白 线粒体的半自主性线粒体具有独立的遗传体系，能够合成蛋白质，但是合成能力有限。大多数线粒体蛋白都是由核基因编码，在细胞质中合成后，定向转运到线粒体的，因此线粒体被称为半自主性细胞器（semiautonomousorganelle）。返回目录 MtDNA的结构特点除成熟的红细胞外每一个细胞内均有数量不等的线粒体。每一个线粒体内有2~10个拷贝的mtDNA，mtDNA是独立于细胞核染色体外的又一基因组。人mtDNA由16569bp的双链环状DNA组成1个轻链和重链。其中包括37个基因：22个tRNA基因、2个rRNA基因(12S和16SrRNA)和13个mRNA基因。所有的13种蛋白质产物均参与组成呼吸链。Tobecontinued... MtDNA的结构特点人类线粒体的基因组排列非常紧凑，除与mtDNA复制及转录有关的一小段区域外，无内含子序列。37个基因间隔区总共只有87bp，因此，几乎mtDNA的任何突变均会累及到基因组中一个重要区域。线粒体拥有相对独立的DNA复制、转录和翻译系统，是半自主性细胞器。重链主要编码2个rRNA，12个多肽及14个rRNA；轻链仅编码一个NADH脱氢酶亚单位4及8个tRNA。 线粒体基因组的特点1.几乎全部基因组都是编码序列2.密码子的特殊性3.裸露的DNA，不与组蛋白结合 二.线粒体蛋白质合成线粒体：有自身的蛋白质合成体系，如：氨基酸活化酶、线粒体核糖体等。线粒体的蛋白质合成与原核细胞相似，而与真核细胞不同。mtDNA排列紧凑、高效利用、可自我复制,但其遗传密码与“通用”的遗传密码表也不完全相同如:UGA色氨酸而不是终止密码。总之： 线粒体有自己的DNA和蛋白质合成系统——独立的遗传系统,表明有一定的自主性。mtDNA分子量小、基因数量少、编码的蛋白质有限，只占线粒体蛋白质的10%，而大多数线粒体蛋白质（90%）由核基因编码的，并在细胞质中合成后转运到线粒体中去。同时线粒体遗传系统受控于细胞核遗传系统。因此，线粒体为半自主性细胞器。由此可见： 密码子“通用”遗传密码线粒体遗传密码UGA终止色氨酸AUA异亮氨酸甲硫氨酸AGA精氨酸终止AGG精氨酸终止“通用”遗传密码与线粒体遗传密码的差异返回目录 线粒体从细胞质中转运蛋白质蛋白质输入线粒体基质的过程返回目录 蛋白质到线粒体的运输途径返回目录 一、线粒体的增殖线粒体的增殖间壁分离收缩分离出芽分裂：线粒体的内膜向中心内褶形成间壁，或某一个嵴的延伸。当延伸到对侧内膜时，线粒体一分为二，成为只有外膜相连的两个独立细胞器，接着线粒体就完全分离。：线粒体中央部分收缩并向两端拉长，中央形成很细的颈，整个线粒体成哑铃形，最后断裂为二形成两个新线粒体。：先从线粒体上长出小芽，然后小芽与母线粒体分离，经过不断长大，形成新的线粒体。第四节线粒体的生物发生 间壁分离收缩分离出芽分裂线粒体的增殖 线粒体的增殖方式（A）间壁分离；(B)收缩分离；(C)出芽分离线粒体的增殖返回目录 二、线粒体的起源假说关于线粒体的起源，目前有两种不同的假说，即内共生假说和分化假说。内共生假说：线粒体体来源于被原始的前真核生物吞噬的好氧性细菌；这种细菌和前真核生物共生，在长期的共生过程中演化成了线粒体。分化假说：线粒体在进化过程中的发生是由于质膜的内陷，再分化后形成的。 线粒体的进化途径线粒体的起源内共生学说非内共生学说返回目录 内共生假说：线粒体是由共生于原始真核细胞内的细菌演变而来。内共生假说的依据：1.线粒体DNA呈环状、裸露与细菌相似。2.线粒体的核糖体为70S与细菌相同，而真核细胞为80S。3.线粒体蛋白质的合成更接近细菌。4.线粒体内、外膜结构和功能差别很大，外膜与真核细胞的sER相似；内膜与细菌质膜相似。5.线粒体的增殖与细菌一样——直接分裂。非共生假说：线粒体的发生是质膜内陷的结果。非共生假说的依据：1.细菌的中膜体与线粒体非常相似均为凹陷的细胞膜。2.质粒DNA与线粒体DNA比较有许多相似之处。 线粒体与疾病一.线粒体肌病和心肌线粒体病二.线粒体与肿瘤三.线粒体对缺血性损伤的反应四.药物和毒物对线粒体的影响 基粒