医学生物学基础第五章 线粒体

第 五章,线 粒 体,是1850年发现的一种细胞器，1898年命名。是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所。,1850年，德国生物学家Rudolph Klliker第一个发现线粒体， 并推测-这种颗粒是由半透性的膜包被的。1898年对线粒体进行命名。1900年，Leonor Michaelis用染料Janus green对肝细胞进行染色，发现细胞消耗氧之后，线粒体的颜色逐渐消失了，从而提示线粒体具有氧化还原反应的作用。1948 Green证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，1949 Kennedy和Lehninger发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的，1976 Hatefi等纯化了呼吸链四个独立的复合体，Mitchell（19611980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说，从而证明了线粒体是真核生物进行能量转换的主要部位。,一、线粒体的形态,线粒体的形状多种多样。有的呈线状、粒状或短杆状；有的呈圆形、哑铃形、星形；还有的呈分枝状、环状等。但以圆柱状与椭圆球形为最多。,新陈代谢旺盛、需要能量较多的细胞,线粒体的数目就较多,如心肌细胞、肝细胞、骨骼肌细胞、肾小管上皮细胞等。 新陈代谢较低,需要能量较少的细胞,线粒体的数目就较少,如淋巴细胞、精子细胞。 当细胞处于病变、体温过高或细胞基质酸性过高的环境下,线粒体易溶解或因过度膨胀破裂而使其数目减少。,二、线粒体的超微结构,在电镜下观察,线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构。主要由外膜、内膜、膜间腔和基质组成 。,1、外膜,包围在线粒体外表面的一层单位膜 ，厚67nm， 平整光滑,与内膜不连接。含有多套运输蛋白-孔蛋白，它们构成脂类双分子层上水溶性物质可以穿过的通道，所以外膜的通透性非常高,使得膜间隙中的环境几乎与胞质溶胶相似。外膜含有一些特殊的酶类，如单胺氧化酶，这种酶能够终止胺神经递质,如降肾上腺素和多巴胺的作用。,2、内膜,位于外膜的内侧包裹线粒体基质的一层单位膜， 厚56nm。内膜的通透性较低，一般不允许离子和大多数带电的小分子通过。线粒体内膜通常要向基质折褶形成嵴，从而增加了内膜的表面积。嵴上有ATP合酶，又叫基粒。内膜的酶类可以粗略地分为三类运输酶类、合成酶类、电子传递和ATP合成酶类。内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的主要部位。标志酶为细胞色素C氧化酶,线粒体通透性研究,将线粒体放在100 mM蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线粒体的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线粒体内部蔗糖的平均浓度，结果只有50 mM， 比环境中蔗糖的浓度低。据此推测:线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内膜对蔗糖是不通透的,首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒体质)仍结合在一起，通过离心可将线粒体质分离。用去垢剂毛地黄皂苷处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有F1颗粒。,线粒体内膜的主动运输系统,内膜含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。糖酵解产生的NADH必须进入电子传递链参与有氧氧化；线粒体产生的代谢物质如草酰辅酶A和乙酰辅酶A必须运输到细胞质中，它们分别是细胞质中葡萄糖和脂肪酸的前体物质;线粒体产生的ATP必须进入到胞质溶胶，以便供给细胞反应所需的能量，同时，ATP水解形成的ADP和Pi又要被运入线粒体作为氧化磷酸化的底物。利用膜间隙形成的H+梯度协同运输。,线粒体中的蛋白质绝大多数都是核基因编码，在细胞质的游离核糖体上合成后运输到线粒体的。,翻译后转运与蛋白质寻靶,共翻译转运与蛋白质分选,线粒体基质蛋白输入线粒体,3、基粒,基粒与膜面垂直而规则排列,粒间相距10nm。 基粒由头部- -F1 、柄部和基片- -F0三部分组成 。,头部含有可溶性ATP酶，功能是合成ATP。在头部还有一个多肽,称为ATP酶复合体抑制多肽,可能具有调节酶活性的作用。,柄部是对寡霉素敏感的蛋白，作用是调控质子通道。基片为疏水蛋白，是调控磷酸化作用的部位,基粒的发现及功能预测,在二十世纪七十年代初，Humberto-Fernandez Moran 用负染技术检查分离的线粒体时发现:线粒体内膜的基质一侧的表面附着一层球形颗粒，球形颗粒通过柄与内膜相连。几年后，Efraim Racker分离到内膜上的颗粒，称为偶联因子1，简称F1。,牛心脏线粒体的负染电镜照片可见球形颗粒通过小柄附着在线粒体内膜嵴上,Racker发现这种颗粒很像水解ATP的酶，即ATPase，这似乎是一个特别的发现，为什么线粒体内膜需要如此多的水解ATP的酶?如果按照常规的方式思考所发现颗粒的问题,似难理解线粒体内膜上需要ATP水解酶,如果将ATP的水解看成是ATP合成的相反过程,F1球形颗粒的功能就显而易见了:它含有ATP合成的功能位点,即ATPase既能催化ATP的水解,又能催化ATP的合成,到底行使何种功能,视反应条件而定。在分离状态下具有ATP水解酶的活性，在结合状态下具有ATP合成酶的活性。,ATP合酶合成ATP的机理？ 结合变构模型,4、膜 间 隙,线粒体内膜和外膜之间的间隙称为膜间隙， 宽68 nm，由于外膜通透性很强，而内膜的通透性又很低，所以膜间隙中的化学成分很多，几乎接近胞质溶胶。功能是建立和维持氢质子梯度。标志酶为腺苷酸激酶,5、基质,内膜和嵴包围着的线粒体内部空间是线粒体基质，与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解等有关的酶都存在于基质之中；此外还含有DNA、tRNAs、rRNA、以及线粒体基因表达的各种酶和核糖体。标志酶为苹果酸脱氢酶,线粒体各部分蛋白的分布,三、线粒体的功能,线粒体的主要功能是对糖、脂肪、氨基酸等能源物质的氧化,进行能量的转换。细胞氧化是指依靠酶的催化,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并放出CO2和H20,所以又称为细胞呼吸 。 在细胞生命活动中,95%的能量来自线粒体,因此人们又将线粒体喻为细胞的动力工厂。,糖 蛋白质 脂肪,酵解,乙酰辅酶A生成,三羧酸循环,电子传递和氧化磷酸化,能量产生过程,呼吸链是一组酶的复合体,分布并嵌在线粒体内膜上，细胞吸入的氧，在这条链上被利用与氢结合，由于呼吸链在递氢时也同时传递电子，也称为电子传递呼吸链。,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,称为氧化磷酸化。,四、线粒体的半自主性,（一）线粒体的自主性1、线粒体中含有DNA（mtDNA） 2、线粒体含有自身特有的蛋白质合成体系(mRNA、rRNA、tRNA、核蛋白体和氨基酸活化酶等）。（二）线粒体的依赖性但由于mtDNA的基因数量不多,因此由它编码合成的蛋白质有限,只占线粒体全部蛋白质的10%,约10种左右,并多为疏水蛋白,其余90%的蛋白质是由核基因