课件：第六章线粒体.ppt

医学细胞生物学,MEDICAL CELL BIOLOGY,第六章 线 粒 体,线粒体的形态结构 线粒体的化学组成和酶的分布 线粒体的功能 线粒体的半自主性,第一节 线粒体的形态结构,一. 线粒体的基本性质 1894年，Altmann，生命小体（bioblast） 1897年，Benda命名线粒体（mitochondria） 形态：光镜下多种多样，有线状，短杆状， 粒状，圆形，哑铃形等。与细胞种类 和生理状态有关。 大小：一般直径在0.51.0m，长3m， 最长的810m。与细胞种类、生理 状态及环境条件有关。,Snakelike mitochondria of a snail epithelial cell, as visualized in a high-voltage electron microscope.,第一节 线粒体的形态结构, 数目：正常细胞一般有10002000个 线粒体。与细胞种类和生理状态 有关。 分布：与细胞种类和生理状态有关。线 粒体的分布有一定的规律，通常 分布在功能旺盛，需能较多的部 位。,Localization of mitochondria near sites of high ATP utilization in cardiac muscle and a sperm tail.,Twining round,膜间腔,嵴间腔,DNA,基粒,外膜,内膜,核糖体,嵴,嵴内腔,基质,基质 颗粒,线粒体的超微结构,第一节 线粒体的形态结构,二. 线粒体的超微结构 电镜下，线粒体是两层单 位膜围成的封闭的囊状结构。 外膜（outer membrane） 位于线粒体外表面，一层 单位膜，厚67nm，含有很多 运输蛋白，构成小溶质分子可 以穿过的通道。,第一节 线粒体的形态结构, 内膜（inner membrane） 位于外膜的内侧，一层单位膜，厚56nm，蛋白质与脂类的比例为3.81。 嵴（cristae） 内膜向内折叠形成，有管状，板层状两种类型。 内膜和嵴上有许多重要蛋白质，与其功能密切相关（酶、电子传递链等）。,大鼠肝细胞ATP合成酶的电镜照片,牛心脏细胞基粒的电镜照片,内膜上的特殊结构基粒(elementary particle) 在内膜和嵴上有许多带柄的小体称为基粒， 又称为ATP合酶复合体。,第一节 线粒体的形态结构, 基粒（elementary particle） 位于内膜和嵴的基质面的带柄的圆形颗粒， 其实质是ATP合酶复合体，也称F0 F1 ATP酶，是 偶联磷酸化的关键装置。包括： 头部含可溶性ATP酶（F1），有合成 ATP的功能，其上部有一个抑制多肽。 柄部是对寡霉素敏感的蛋白（OSCP） 基片又称偶联因子F0。嵌入内膜，为疏 水蛋白（HP），其内有质子通道。,在内膜和嵴上有许多带柄的小体称为基粒，又称为ATP合酶复合体。, F1 由5种不同的亚单位组成3 3 1 1 1。 交替环状排列，形成球形头部； 形成柄部， 贯穿于头部并形成柄的一部分。,内膜上的特殊结构基粒(elementary particle), F0 由3个不同的亚单位组成 1a 2b 12c。 c 亚单位形成膜上可移动的环； a 亚单位可作为质子的通道； b 亚单位嵌入脂质双层，并延伸到 F1，形成柄的一部分。,第一节 线粒体的形态结构, 膜间腔（intermembrane space） 内、外膜之间的间隙，宽68nm，其中有 可溶性酶，底物等。 嵴内腔（intracristal space） 由嵴膜包围，与膜间腔相通 嵴间腔（intercristal space） 嵴与嵴之间的腔，也称内腔或内室。其内充 满基质。,膜间腔,嵴间腔,DNA,基粒,外膜,内膜,核糖体,嵴,嵴内腔,基质,基质 颗粒,第一节 线粒体的形态结构, 基质（matrix） 内腔中所充满的较致密的物质。 a. 基质颗粒（matrical granule） 位于基质中的一种较大的颗粒，能调节 线粒体内离子环境。 b. 核糖体 c. DNA 线粒体DNA,膜间腔,嵴间腔,DNA,基粒,外膜,内膜,核糖体,嵴,嵴内腔,基质,基质 颗粒,第二节 线粒体的化学组成和酶的分布,一.化学组成蛋白质，脂类，水等。 蛋白质：占线粒体干重的6570%， 内膜含量最多。 可溶性基质中的酶，外周蛋白 （膜表面） 不溶性膜镶嵌蛋白，结构蛋白， 酶蛋白等,第二节 线粒体的化学组成和酶的分布, 脂类：占线粒体干重的2530%，以磷脂为主。 外膜：脂类52%，磷脂和胆固醇含量比内膜高 内膜：脂类24%，富含心磷脂，胆固醇极少 水：线粒体中数量最多的一种成分。其功能 酶促反应的溶剂 物理介质 其它：辅酶Q，NAD，FMN，FAD等成分,第二节 线粒体的化学组成和酶的分布,二. 酶的分布 线粒体中约有120种酶（参见表8-1） 线粒体各部分的标志酶 外膜单胺氧化酶 膜间腔腺苷酸激酶 内膜琥珀酸脱氢酶 基质苹果酸脱氢酶,第三节 线粒体的功能,细胞氧化（cellular oxidation） 在O2的参与下，依靠各种酶的催化 作用，将细胞内各种供能物质（糖、脂 肪、氨基酸等）彻底氧化，生成 CO2 和 H2O， 同时将氧化反应释放的能量储存 于ATP中。 也称细胞呼吸（cellular respiration）， 或生物氧化（biological oxidation）。,第三节 线粒体的功能,细胞氧化过程包括,糖酵解（胞质中）,乙酰CoA生成（线粒体基质）,三羧酸循环(线粒体基质),电子传递和氧化磷酸化(线粒体内膜),生成ATP,Glucose,细胞氧化产生ATP, 糖酵解：在细胞质基质中进行，脱掉2*2H 酵解酶系 1分子葡萄糖 2分子丙酮酸+2ATP,Without O2, 乙酰CoA生成：在线粒体基质中进行，脱掉2*2H 丙酮酸脱氢酶系 丙酮酸+辅酶A 乙酰CoA+CO2,Pyruvate dehydrogenase complex, 三羧酸循环：在线粒体基质中进行，脱掉 2*4*2H，该过程生成2ATP。,10NAD+ 10NADH + 10H+ 2FAD 2FADH2 Total 12 pairs of H (H+ + e-),1,2,3,第三节 线粒体的功能, 电子传递和氧化磷酸化 电子传递链（呼吸链）它是一组酶的复合体，分布在线粒体内膜上，并按一定顺序排列，可逆地释放和接受电子和质子。在电子沿呼吸链逐级传递过程中，完成氧化还原反应并释放能量。,电子传递链（呼吸链）,Complex: NADH 脱氢酶 （FMN，Fe-S） Complex : 细胞色素还原酶 （细胞色素b，c1 ） Complex : 细胞色素c氧化酶 （细胞色素a，a3） Complex: 琥珀酸脱氢酶 （FAD，Fe-S） CoQ: 泛醌 细胞色素 c,电子传递体 和 质子泵 （递氢体）,电子传递体,H H+e-,电子传递途径,Complex CoQ Complex (cytochromeb,c1) Cytochrome c Complex (cytochromeb,c1),NADH+H+,O2,Complex ,FADH2,途径1. CoQCytochrome c 途径2. CoQCytochrome c,2e-+1/2 O2 +2H+ H2O,第三节 线粒体的功能,氧化磷酸化（oxidative phosphorylation） 在电子传递过程中，氧化所释放出来的能量被磷酸化转换成ATP（ADP+Pi+能量ATP），这种伴随电子传递链的氧化过程所进行的能量转换和ATP的生成就是氧化磷酸化。 该过程产生34ATP。 线粒体内形成ATP，并贮存能量。1分子葡萄糖彻底氧化生成CO2和H2O，净产生 38 ATP。,途径1. CoQCytochrome c 途径2. CoQCytochrome c,2e-+1/2 O2 +2H+ H2O,化学渗透假说,葡萄糖,丙酮酸,乙酰CoA,三羧酸 循环,2*4*2H,电子传递链,2e+2H+1/2O2H2O,2ATP,2ATP,34ATP,2*2H,2*2H,细胞氧化和能量转换示意图,38ATP,CO2,CO2,第四节 线粒体的半自主性,半自主性（ semiautonomy） 自主性 具有mt DNA双链，环状分子，裸露不与组蛋白结合，分散在基质中。每个mt DNA分子约含15，000 bp。能自我复制（在基质中），不复制时与内膜结合。,Mt DNA呈高度扭曲的双股环状，有多个复本,第四节 线粒体的半自主性, 具有蛋白质合成系统 包括mt DNA编码的mt mRNA、mt tRNA和mt rRNA以及核糖体，还有蛋白质合成的相关酶类。,The origins of mitochondrial RNAs and proteins,第四节 线粒体的半自主性, 部分遗传密码与通用的遗传密码不同,“通用”密码与线粒体遗传密码的差异,第四节 线粒体的半自主性, 非自主性 mtDNA所含信息量小，由它编码的蛋白质仅占线粒体中蛋白质的510%，其余的蛋白质由核基因编码。 人mt DNA包含16 569 bp，含有37个基因，分别编码2种rRNA（12S和16S）、22种tRNA和13种蛋白质（电子传递链中复合物的亚基以及ATP合酶的亚基）。,The origins of mitochondrial RNAs and proteins,第四节 线粒体的半自主性, 线粒体遗传系统受控于核遗传系统，离开细胞核，线粒体就无法进行转录和翻译，线粒体核糖体也无法组装。,第四节 线粒体的半自主性,由此可见，线粒体是一个半自主性的细胞器 （semiautonomous organelle），它的生长和繁殖由两套遗传系统（核遗传系统和线粒体遗传系统）控制。,第五节 线粒体的增殖和起源,（一）线粒体的增殖 普遍认为线粒体依靠本身分裂或出芽进行增殖。 增殖分裂方式： 间壁分离（鼠肝细胞的线粒体） 收缩分离（酵母的线粒体） 出芽分裂（酵母的线粒体）,间壁分离,收缩分离,第五节 线粒体的增殖和起源,（二）线粒体的起源 1.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。 2.非内共生假说 线粒体的发生是质膜内陷的结果。,KEY TERMS,Mitochondria Cristae Cellular oxidation Cellul