医学细胞生物学-第07章-线粒体

广东医学院基础学院生物教研室张华华,第七章线粒体,Mitochondria,生命活动,生命活动需要的能量：直接来自ATP，主要来自ATP,Mitochondria,“Powerplants”ofthecell,细胞的“动力工厂”,主要能源物质,生物体内的能量代谢,Teachingcontents,Part1线粒体的形态、大小、数量和分布,Part2线粒体的结构和化学组成,Part4线粒体的半自主性,Part3线粒体的功能,Part5线粒体与疾病,Part1线粒体的形态、大小、数量和分布,线粒体的形态和大小,较大的细胞器，光镜下呈线状、颗粒状、杆状等形状。,电镜下呈长圆柱状，类似细菌，非静态结构。,直径0.21.0m、长14m。,成纤维细胞线状线粒体,家兔肝脏细胞颗粒状线粒体,蝙蝠肝脏细胞棒状线粒体,线粒体的数目,数目在不同细胞差别很大。,最少（单细胞鞭毛藻）含1个线粒体，最多（巨大变形虫）的达50万个。正常细胞（哺乳动物肝细胞）中：10002000个。,线粒体的分布（Distributionofmitochondria）,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,在同一个细胞内，能量需求大的区域线粒体分布数量相对多。,线粒体的分布（Distributionofmitochondria）,精细胞中，沿鞭毛紧密排列；肌细胞中，包装在邻近肌原纤维中间,Part2线粒体的结构和化学组成,线粒体结构（Mitochondrialstructure）,由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构,线粒体结构（Mitochondrialstructure）,外膜(outermembrane),内膜(innermembrane),膜间腔(intermembranespace),嵴(crista),基质腔(matrixspace),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）,板层状（大多数高等动物细胞中线粒体的嵴）,嵴：内膜向内腔折叠形成，可增加内膜的表面积。形态和排列方式差别很大。,Outermembrane,脂类与蛋白质比例：1:1,富含转运蛋白（孔蛋白,porin）允许分子量在5000以下的物质自由通过，包括小的蛋白质。,线粒体结构和化学组成,Innermembrane,不含胆固醇，富含心磷脂。因此，高度特化，质子和离子的通透性小。,蛋白质与脂类的比例大于3:1。,含有三种不同功能的蛋白质。ATP合成酶复合体，即基粒，可合成ATP。呼吸链的酶复合体，即电子传递链，执行氧化还原反应。特异性的转运蛋白质，调节物质的进出基质。,线粒体结构和化学组成,Innermembrane,Elementaryparticle(基粒，ATP合成酶),线粒体结构和化学组成,Innermembrane,Elementaryparticle,线粒体结构和化学组成,Innermembrane,Elementaryparticle,头部，偶联因子F1,基部，偶联因子F0,a,b,c,c,c,c,线粒体结构和化学组成,Innermembrane,Electron-transportchain(电子传递链),线粒体结构和化学组成,电子传递链：内膜上有序排列的酶体系，是能够按一定的顺序组成递氢（H+）或传递电子（e-）的体系。此体系的一系列反应和细胞摄取氧的呼吸过程相关，因此又称为呼吸链或电子传递呼吸链。,电子传递链：内膜上有序排列的酶体系，是按一定的顺序组成，递氢（H+）或传递电子（e-）的体系。此体系的一系列反应和细胞摄取氧的呼吸过程相关，因此又称为呼吸链或电子传递呼吸链。,Electrontransportchain,电子传递途径:,NAD（FAD）,辅酶Q,细胞色素b,细胞色素C1,细胞色素C,细胞色素a,细胞色素a3,O2,电子传递链/呼吸链:,复合体：NADH脱氢酶复合体，最大的酶复合体1个FMN,6个Fe-S组成。,复合体：琥珀酸脱氢酶FAD,Fe-S,细胞色素b组成,复合体：细胞色素c还原酶细胞色素b，细胞色素c,Fe-S组成，,复合体:细胞色素c氧化酶细胞色素a3，细胞色素a，Cu组成。,Electrontransportchain,NADH脱氢酶,复合体,复合体,复合体,复合体,e,FADH,NADH,H,电子传递途径,O2,充满无定形液体，其中含有多种可溶性的酶、底物和辅助因子。,intermembranespace,线粒体结构和化学组成,Translocationcontactsite（转位接触点）,intermembranespace,线粒体结构和化学组成,matrixspace,Matrix,可溶性酶,mtDNA,RNA,核糖体,线粒体结构和化学组成,Part3线粒体的功能,线粒体的功能,是细胞有氧呼吸的基地和供能的场所。线粒体的主要功能：细胞氧化/细胞呼吸供应细胞生命活动95%的能量,（Mitochondrialfunction）,细胞氧化(cellularoxidation)：在线粒体中有氧的参与下，分解各种供能物质释放能量的过程，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(cellularrespiration)。,Cellularrespiration(细胞呼吸),Theprocessoccursinfourphases:,1.酵解,2.乙酰CoA形成,3.三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle）,4.电子传递偶联氧化磷酸化（OxidativePhosphorylation）,高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP。,葡萄糖,丙酮酸,2ATP(底物水平磷酸化),TAC,乙酰CoA,TAC,TAC,34ATP+CO2+H2O,伴随线粒体内膜电子传递链的氧化过程所进行的能量转换和ATP的生成。,2ATP(底物水平磷酸化),细胞质中进行,线粒体基质或内膜上进行,底物水平磷酸化产生2ATP,丙酮酸脱氢酶体系作用,线粒体基质中进行，三羧酸循环酶系作用。,底物水平磷酸化产生2ATP,氧化磷酸化：伴随线粒体内膜电子传递链的氧化过程所进行的能量转换和ATP的生成。,电子传递链：内膜上有序排列的酶体系，是能够按一定的顺序组成递氢（H+）或传递电子（e-）的体系。此体系的一系列反应和细胞摄取氧的呼吸过程相关，因此又称为呼吸链或电子传递呼吸链。,氧化磷酸化偶联机制,化学渗透假说,电子传递链/呼吸链:,ATP的形成:,氧化磷酸化的两个过程：,电子在线粒体内膜上的酶体系上逐级传递，最后给O2，这些有顺序的酶体系：,H质子电化学梯度驱使ATPase形成ATP,复合体：NADH脱氢酶,复合体：琥珀酸脱氢酶,复合体：细胞色素c还原酶,复合体:细胞色素c氧化酶,电子传递链/呼吸链:,ATP的形成:,氧化磷酸化的两个过程：,复合体,复合体,复合体,复合体,O2,e,FADH2,NADH,H,H2O,H质子电化学梯度驱使ATPase形成ATP,电子传递过程伴随着内膜两侧的质子电化学梯度形成,复合体,复合体,复合体,O2,e,H,NADH,e,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H2O,结果1：膜间隙的H浓度升高，和内膜两侧膜电位差，能量转化为电化学梯度,结果2：e，H，O,三者形成H2O,CoQ,Cyt-c,线粒体外膜,线粒体内膜,线粒体基质,细胞质,复合体,复合体,复合体,O2,e,H,FADH2,e,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H2O,结果1：膜间隙的H浓度升高，和内膜两侧膜电位差，能量转化为电化学梯度,结果2：e，H，O,三者形成H2O,CoQ,Cyt-c,线粒体外膜,线粒体内膜,线粒体基质,细胞质,线粒体外膜,线粒体内膜,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,电化学梯度:内膜两侧H浓度差，膜电位差,H,H,H,H,H,线粒体基质,电化学梯度推动ATPase合成ATP,细胞质,线粒体内膜,复合体,复合体,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,ADP,ATP,化学渗透假说,H,H,H,H,H,H,ATPase,细胞质,线粒体外膜,复合体,复合体,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,ADP,ATP,化学渗透假说,复合体,H,H,O2,H,H,e,CoQ,Cyt-c,电子传递链,H2O,细胞质,线粒体外膜,内膜,ATP合成,NADHFADH2CO2,丙酮酸,乙酰辅酶A,H+,H+,H+,H+,H+,H+,H+,H+,H+,H+,H+,H+,H+,H+,34ATP,38ATP,Part4线粒体的半自主性,线粒体：半自主性细胞器(Mitochondrion:semiautonomousorganelle),拥有自身的DNA，能合成RNA和蛋白质,大多数线粒体蛋白质由核基因编码，在细胞质中合成后转运到线粒体中。线粒体遗传系统受控于细胞核遗传系统。,线粒体：半自主性细胞器(Mitochondrion:semiautonomousorganelle),线粒体中约有1000-1500种蛋白质，除少数蛋白质由mtDNA编码外，大多数蛋白质都是由核基因组编码并由胞质核糖体合成转运入线粒体的。,线粒体：半自主性细胞器(Mitochondrion:semiautonomousorganelle),线粒体：半自主性细胞器(Mitochondrion:semiautonomousorganelle),细胞核编码多肽进入线粒体基质的过程,前体蛋白（precursor）：转运入线粒体的蛋白质，在转运到线粒体之前称为前体蛋白。导肽：在其N-末端都有一段2080个氨基酸组成的序列，称为基质导入序列（matrix-targetingsequence,MTS）。导肽富含碱性氨基酸，含有识别线粒体的信息。,线粒体：半自主性细胞器(Mitochondrion:semiautonomousorganelle),细胞核编码多肽进入线粒体基质的过程,线粒体：半自主性细胞器(Mitochondrion:semiautonomousorganelle),细胞核编码多肽进入线粒体基质的过程,Part5线粒体与疾病,线粒体疾病的特征,母系遗传,线粒体基因突变所致的疾病,二线粒体疾病,阈值效应,mtDNA是多重拷贝，疾病的发生依赖于一个细胞野生型和突变型mtDNA的比例；引起疾病的突变型mtDNA的最少数量称为阈值。,高突变率,mtDNA是裸露的环状，没有蛋白质的保护。因此，具有高突变性，比核DNA高出10-100倍。,Leber遗传性视神经病(LHON),Leber遗传性视神经病是被证实的第一种母系遗传的疾病，至今尚未发现一个男性患者将此病传给后代。是以德国眼科医生TheodorLeber的名字命名的，