细胞生物学-第六章-线粒体.ppt

第七章线粒体 mitochondria 第一节线粒体的形态结构 掌握 第二节线粒体的化学组成 了解 第三节线粒体的功能 掌握 第四节线粒体的半自主性 掌握 第五节线粒体的生物发生 了解 第六节线粒体与医学 了解 1 1894年 德国生物学家Altman首先在动物细胞中发现 描述为生物芽体 bioblast 2 1897年 Benda将它命名为线粒体 mitochondrion 3 20世纪50年代 通过电镜发现普遍存在于真核细胞 除哺乳动物成熟红细胞 是有机体进行生物氧化和能量转换的主要场所 细胞生命活动所需能量的95 是由线粒体提供的 因此被称为细胞的 供能中心 动力工厂 和 能量转换器 概述 形态 线状 粒状 杆状 哑铃形 星形 分支形 环形 大小 直径0 5 1 0 m 长度2 3 m 骨胳肌细胞直径2 3 m 长度8 10 m 称为巨大线粒体 giantmitochondria 数目 如肝细胞1000 2000 肾细胞400 精子细胞25个 分布 多集中于细胞生理功能旺盛和需能高的部位 如精子中紧紧包绕着鞭毛 包围在粗面内质网表面 伴随着微管进行分布的 第一节线粒体的形态结构 一 光镜下线粒体的形态结构 了解 二 电镜下线粒体的形态结构 掌握 由两层单位膜围成的封闭的囊状结构 主要由外膜 内膜 膜间隙和基粒组成 一 外膜 outermembrane 是包围在线粒体外表面的一层单位膜 厚6nm 与内质网膜组成相似 含多套转运蛋白 这些转运蛋白形成大的跨越脂质双层的通道 筒状体 使外膜出现许多筛网状孔洞 1 3nm 可以通过分子量10kDa以下的分子 包括一些小分子蛋白质和多肽 二 内膜 innermembrane 约5 6nm 内膜将线粒体的内部空间分成两部分 内腔 innerspace 或称基质腔 内膜直接包围外腔 outerspace 或称膜间腔 内膜与外膜之间通透性差 仅允许小的不带电荷的分子 H2O CO2 尿素 甘油等 进入 其它膜内外物质交换需要特殊的运输蛋白选择性地进行膜内外之间的转移 1 嵴 cristae 内膜上有大量向内腔突起的折叠 嵴间腔 intercristaespace 嵴与嵴之间的间隙 嵴内腔 intracristaespace 嵴内的空隙 三 嵴与基粒 Lamellarcristae Tubularcristae Modelsofmitochondrialmembranestructures 2 基粒 elementaryparticle 又称ATP酶复合体在内膜和嵴膜的基质面上有许多带柄的小颗粒 氧化磷酸化关键装置 头部 球形 含有可溶性ATP酶 偶联因子F1 功能是合成ATP 另有ATP酶复合体抑制多肽 调节酶活性 柄部 对寡霉素敏感的蛋白 OSCP 调控质子通道基片 嵌入内膜 疏水蛋白 HP 偶联因子F0 质子通道 四 内腔及基质 内腔 基质腔 是内膜和嵴所包围成的腔隙 其内含物为基质 matrix 基质是比较致密的胶状物质 脂类 蛋白质 酶系 核酸 环状DNA分子 mRNA tRNA 核糖体 基质颗粒 调节线粒体内的离子环境 三羧酸循环 脂肪酸氧化 氨基酸分解 基质颗粒 30 50nm的电子致密颗粒 含Ca2 Mg2 等二价阳离子和磷等无机物 多见于转运大量水和无机离子的细胞中 如肠上皮细胞 肾小管上皮细胞 成骨细胞等 当组织钙化时 基质颗粒显著增大 造成线粒体破裂 在成骨细胞和软骨细胞线粒体中含有细胞总钙量的90 以上 线粒体破裂导致钙释放形成钙化中心 一 水二 蛋白质是线粒体的主要组分 其含量占线粒体干重的65 70 可溶性蛋白 基质中的酶和膜外周蛋白不溶性蛋白 膜结构蛋白或膜镶嵌酶蛋白 三 酶 掌握 外膜 合成脂类的酶类 特征酶为单胺氧化酶 内膜 执行呼吸链氧化反应的酶系和ATP合成酶系 特征酶为细胞色素c氧化酶 基质 高浓度的多种混合物 特征酶为苹果酸脱氧酶 第二节线粒体的化学组成 四 脂类脂类含量占线粒体干重的25 30 以磷脂为主 其中以磷脂酰胆碱 卵磷脂 和磷脂酰乙醇胺 脑磷脂 为主 还含有一定量的心磷脂 内膜 和较少的胆固醇 外膜 五 其它如辅酶Q 黄素单核苷酸 FMN 黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 以及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD 等 这些物质均参与电子传递的氧化还原过程 它们与内膜密切关联 主要功能 是对各种能源物质的氧化和能量转换 为细胞氧化作用提供场所 物质氧化 细胞内氨基酸 脂肪酸 单糖等供能物质在一系列酶的作用下 消耗O2 产生CO2和水 放出能量的过程称为细胞氧化作用 此过程中细胞要摄取O2排出CO2 故又称为细胞呼吸 cellularrespiration 作用 能量转换 物质的化学能高能磷酸键 ATP 酶 第三节线粒体的功能 动物细胞80 的ATP来源于线粒体 细胞有氧呼吸可分为四个主要步骤 糖酵解细胞质 乙酰辅酶A的形成基质 三羧酸循环内膜线粒体 电子传递偶联氧化磷酸化内膜线粒体是细胞氧化的主要基地 产生ATP的主要场所 细胞生命活动所需的能量由95 来自线粒体 Mitochondrialfunction 以葡萄糖为例来说明1 无氧酵解 细胞质中 l分子葡萄糖2分子丙酮酸 2分子ATP 2 乙酰辅酶A的形成 丙酮酸 辅酶A乙酰辅酶A CO2 3 三羧酸循环 4 电子传递偶联氧化磷酸化 就是将三羧酸循环脱下的氢原子 通过内膜上一系列呼吸链酶系的逐级传递 最后与氧结合成水 电子传递过程中释放的能量被用于ADP磷酸化形成ATP 将生物氧化释放的能量转移到ATP的高能磷酸键中 呼吸链 respiratorychain 传递电子 故又称为电子传递链 electrontransportchain 它是一组酶复合体 由许多递氢体和传电子体按照一定排列顺序组成的传递体系 分布并嵌在线粒体的内膜上 包括辅酶 NAD 黄酶 FAD FMN 辅酶Q和细胞色素b c1 c a a3 电子传递与ATP的合成是如何偶联的问题 化学渗透假说 当高能电子沿呼吸链从一个复合物传递至另一个复合物时 释放的能量 使质子 H 通过质子泵从线粒体内膜的基质侧泵至膜间腔 因为线粒体内膜对H 不能自由通透 因此在内膜两侧形成电化学质子梯度 膜内侧 膜外侧 在电化学质子梯度中蕴藏了能量 泵出的H 有顺浓度差返回基质的趋向 当它们通过ATP合成酶的质子通道进入基质时 ATP合成酶利用电化学质子梯度的能量催化ADP与Pi合成ATP 使释放的能量以高能磷酸键的形式储存于ATP中ADP Pi 能量 ATP ChemiosmoticTheory 第四节线粒体的半自主性 1963年 纳斯 Nass 等在鸡胚肝细胞线粒体中发现有环状DNA分子 称线粒体DNA mtDNA 进一步研究发现 线粒体有自己的遗传系统和蛋白质合成体系 但它只编码少量线粒体蛋白质 大多数蛋白质还是由核DNA编码 线粒体基因的复制与表达所需的许多酶 也是由核DNA所提供的 所以 线粒体具有半自主性 semiautonomousorganelle 线粒体是动物细胞质中唯一含有核外遗传物质的细胞器 一 线粒体DNA mtDNA 一般呈环状 不与组蛋白结合 是裸露的 一个线粒体中可有1个或几个DNA分子 人mtDNA基因组的结构 碱基组成 人为16571个碱基对 双链环状分子 DNA的结构 由两条链组成一条是重链 H链 分子量大 G多一条是轻链 L链 分子量小 C多 mtDNA的复制 mtDNA具有自我复制的能力 而且也是半保留复制 mtDNA复制在间期进行 甚至整个细胞周期都可复制 编码的基因 两条链共编码37个基因 编码22种tRNA 2种rRNA 13种蛋白质 线粒体基因所编码的蛋白质都参与线粒体的组成或与线粒体的功能有关 二 线粒体的蛋白质合成系统 线粒体内进行蛋白质生物合成所必须的各种RNA rRNA tRNA mRNA 都是线粒体所特有的 在转录过程中所需的RNA聚合酶是由核DNA编码并在细胞质中合成的 核糖体的蛋白质是由核DNA所编码的 在细胞质游离核糖体上合成后再转运到线粒体内装配成线粒体核糖体的 线粒体RNA聚合酶可被菲啶溴红 E B 等原核细胞RNA聚合酶抑制剂所抑制 但真核细胞RNA聚合酶抑制剂如 鹅膏覃碱 对它却没有抑制作用 蛋白质合成过程中对药物的敏感性不同 如放线菌酮可抑制细胞质核糖体蛋白质合成 但不能抑制线粒体核糖体蛋白质合成 而氯霉素和红霉素可抑制线粒体蛋白质合成 但对细胞质蛋白质合成却无影响 mRNA的转录和翻译两个过程几乎在同一时间和地点进行 线粒体蛋白质合成的起始tRNA为N 甲酰甲硫氨酰tRNA 与原核细胞一样 而在真核细胞中 起始tRNA为甲硫氨酰tRNA 线粒体蛋白质的合成与真核细胞不同 蛋白质合成抑制剂结合位点 二者是相互协作的关系 线粒体需要的百余种蛋白质都是由细胞核DNA编码 虽然线粒体rRNA是从mtDNA转录而来的 但是组成线粒体核糖体的蛋白质也是由核基因编码 线粒体有自己的DNA和蛋白质合成体系 遗传系统能独立地进行蛋白质合成 但线粒体基因组的复制 转录与翻译受核遗传系统的指导和控制 所以线粒体的遗传系统是半自主性的 三 线粒体遗传系统与细胞遗传系统的相互关系 第五节线粒体的生物发生 线粒体的起源 内共生学说 线粒体起源于需养细菌 寄生于古老厌氧真核细胞 在长期的进化中 遗传信息逐步转移到细胞核上 这样留在线粒体上的遗传信息就大大减少 mtDNA和蛋白质合成系统是长期进化的痕迹 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 以分裂的方式 线粒体结构和功能很复杂 细胞内 外环境因素的改变可以引起它的数量 分布 结构 功能以及代谢反应等的异常 进而影响细胞乃至机体的生命活动甚至导致疾病 一 线粒体病由于mtDNA异常而导致呼吸链电子传递或氧化磷酸化功能缺陷等引起的疾病称线粒体基因病 简称线粒体病 已发现的有100多种线粒体病 例如线粒体心肌病 线粒体肌病 线粒体脑肌病等 这类病的共同特点都是mtDNA异常 导致肌细胞内线粒体缺少某些酶 引起线粒体基质的转运 氧化磷酸化障碍 使肌细胞功能改变 发生疾病 第五节线粒体与医学 人心肌细胞的线粒体 线粒体肿胀 线粒体空泡化 心肌缺氧 线粒体增生显著 一 异质性 细胞中mtDNA存在突变型与野生型两种类型 即异质性 只有当突变的mtDNA逐渐积累 其比例达到一定程度才能引起疾病 二 特异性 主要侵犯代谢旺盛 需能高的组织 如神经细胞 肌肉等 三 家族性 人类mtDNA为母性遗传 不遵循孟德尔定律 其发病具有家族性 线粒体病有以下共同特性 典型的Leber遗传性视神经病 LHON 就是mtDNA的多处点突变所引起的视神经病变 患者出现视力减退 两眼中央视觉丧失 球后视神经炎 甚至可伴有心脏传导阻滞和脑肌病 mtDNA的大片段缺失可出现多个基因的缺陷 如Kerans Sayre综合征 KSS 就是由于不同范围的mtDNA缺失引发的疾病 表现为眼外肌瘫痪 视网膜色素变性和心脏传导阻滞三联症 mtDNA异常的原因 点突变和大片段缺失 试验发现 一些致癌物质与mtDNA的结合率高于核DNA 认为致癌物质使mtDNA发生突变是细胞癌变原因之一 肿瘤组织代谢的一个显著特点是细胞呼吸能力减弱 酵解增加 细胞内线粒体数目较相应组织少 电子传递链酶系和ATP含量均减少 二 线粒体与肿瘤的关系 细胞中线粒体的数量随年龄而减少 而体积却随年龄而增大 研究发现 几种退化性疾病 如帕金森 Parkinson 病 以及衰老现象均与mtDNA有关 线粒体是细胞内自由基的重要来源 自由基对mtDNA的损伤造成mtDNA突变 数量减少以及转录产物减少等 从而影响线粒体蛋白质的合成 导致甚至氧化磷酸化功能降低 因此 mtDNA突变的积累是人类衰老的重要因素 三 线粒体与衰老 不同患者年龄与氧化磷酸化的关系 不同患者年龄与mtDNA损伤的关系 细胞凋亡过程中虽然线粒体仍能维持其结构的基本正常 但功能已发生显著改变 如线粒体内膜通透性增大 内膜跨膜电位下降等 各种凋亡诱导信号使线粒体膜通透性增加 引起细胞凋亡启动因子 细胞色素