医学细胞生物学：第六章 线粒体与细胞的能量转换

1、Mitochondrion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,第一节 线粒体的基本特征,一、线粒体概述 线粒体是膜相结构，但非内膜系统成员 线粒体是真核细胞重要的能量“器官” 多数细胞的线粒体呈线状、粒状或杆状，形态差异与细胞类型和生理状态有关 线粒体数量、分布 线粒体直接或间接参与了细胞凋亡进程,分布：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，如肌细胞的肌纤维和精细胞的尾部；或较为集中分布在有较多氧化反应底物的区域，如脂肪滴，因为脂肪滴中有许多要被氧化的脂肪。,光镜下绿色颗粒显示线粒体,红色颗粒显示溶酶体,电镜下线粒体结构,光镜下线粒体结构,线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构

2、。,外 膜 （5-7nm）,内 膜 （4.5nm）,膜间腔 （6-8nm）,基 质,二、线粒体的超微结构,外 膜,平整、光滑 外膜含有多套运输蛋白（通道蛋白） ，允许分子量为10000以内的物质自由通过。,外膜（7nm）,内 膜,1.通透性很差，但有高度的选择通透性，借助转运蛋白控制内外物质的交换。,内膜,2.有呼吸链,是位于线粒体内膜上，由一系列递氢递电子体依次排列镶嵌构成的氧化还原系统，具有传递质子和电子的能力。,呼吸链（电子传递链）,嵴,（内室）,（外室）,嵴：内膜向内折叠形成，可增加内膜的表面积。,主要有两种类型：,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）,板层状（大多

3、数高等动物细胞中线粒体的嵴）,3.嵴,板层状嵴线粒体,管状嵴线粒体,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，是催化产生ATP的装置。,基粒 （ATP酶复合体、 F0F1ATP合酶）,3-4nm 长 4.5-6nm,6-11.5nm 高5-6nm,头部,柄部,基片,: 合成ATP,: 调节质子通道,：质子的通道,（内室）,（外室）,可溶性的ATP酶（F1) 360 000,疏水蛋白（F0 ) 70 000,对寡酶素敏感蛋白（OSCP) 18 000,4.基粒,ATP酶复合体,偶联磷酸化的关键装置 基粒（ATP酶复合体、 F0F1ATP合酶）,质子的通道,合成ATP,柄部,

4、调节质子通道,5.内外膜转位接触点,内外膜转位接触点,是内外膜之间的腔隙， 宽约6-8nm，又称外室。,外膜,内膜,膜间腔（外室）,嵴,嵴间腔（内室）,嵴内腔,膜间腔,基 质,基质：基质腔内充满较致密的物质。,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）,与普通生物膜相似，同样是由脂类和蛋白质组成，但有自己的特点 蛋白质包括可溶蛋白和不溶性蛋白两大类，以内膜上蛋白含量最高 线粒体内膜具有高含量的心磷脂，保证了内膜具有离子不透过性 线粒体是细胞内含酶最多的细胞器，约120多种

5、。,三、线粒体的化学组成,线 粒 体 的 酶,注：带*者为标志酶,四、线粒体的半自主性,电镜下的线粒体DNA,（一）自主性,1. 线粒体有自己的 DNA( mtDNA ),mtDNA: 是双链环状的DNA分子、裸露不与组蛋白结合，分散 在线粒体基质中或依附于线粒体内膜；能以半保留的方式进行 复制，复制贯穿于整个细胞周期；基因排列紧凑。,1981年人胎盘mtDNA全部核苷酸序列全长 16569个 碱基对,mtDNA 16569 bp,37个基因,2种 编码 rRNA基因,22种 编码 tRNA基因,13种 编码 蛋白质基因,2.线粒体有自身的蛋白质合成体系,如：氨基酸活化酶、线粒体m RNA、

6、tRNA和rRNA等。,3.线粒体有核糖体，能合成线粒体蛋白质,4.线粒体的遗传密码与“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。,由此可见：线粒体有自己的DNA和蛋白质合成系统，,表明有一定的自主性。,（二）局限性,1.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%,2.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,如呼吸链蛋白、核糖体蛋白质、DNA聚合酶等,可见线粒体的复制、再生对核基因有很大的依赖性，受核基因的控制，因此，线粒体为半自主性细胞器。,3.线粒体遗传系统受控于细胞核遗传系统，必 须依靠核

7、内的遗传信息才能完成自我的复制。,五、线粒体的起源与发生,线粒体的增殖,间壁分裂,收缩分离,出芽分裂,第二节 线粒体的功能,生命活动中80%的能量来自线粒体 细胞的动力工厂。 线粒体是糖、脂肪、氨基酸等能源物质最终氧化释放能量的场所。,概念：在酶的催化下，氧将细胞内各种供能物质 氧化分解并释放能量，产生ATP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。,一、细胞氧化,二、细胞氧化的基本过程 （以C6H12O6分解为例） 四个步骤,二、细胞氧化的基本过程,1.糖酵解,2.乙酰辅酶A的生成,3.三羧酸循环,4.电子传递和氧化磷酸化,细胞氧化的基本过程,1.糖酵

8、解：在细胞质内进行,2.乙酰辅酶A生成: 线粒体基质中进行,3.三羧酸循环: 在线粒体基质内进行,葡萄糖（C6H12O6）,2分子丙酮酸（C3H4O3) + 2H + 2ATP,C3H4O3 +辅酶A(CoA) +2NAD,乙酰-CoA + 2NADH + 2H + CO2,3.三羧酸循环,葡萄糖,丙酮酸,NAD,NADH2,CO2,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,NAD,NADH2,CO2,-酮戊二酸,NAD,NADH2,CO2,琥珀酸,FAD,FADH2,延胡索酸,苹果酸,NAD,NADH2,1,2,3,1,注： NAD（辅酶I）

9、:尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 FAD（黄酶）: 黄素腺嘌呤二核苷酸,前者发生在线粒体内膜呼吸链，后者在基粒 供能物质经过酵解、乙酰辅酶A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。,4.电子传递和氧化磷酸化,解释氧化磷酸化耦联机制,1961年英国P.Mitchell1978年 诺贝尔奖,三、化学渗透学说,化学渗透假说,主要内容：,1.电子传递过程中所释放的能量并非直接用于 合成ATP，而是用来将质子从基质泵到膜间腔。 2. 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

10、膜的电化学质子梯度（PH差 和电位差，含很高的 能量），膜间腔中高 浓度的质子有返回基 质的趋势。,3. 当质子从膜间腔通过基粒（ ATP酶复合体） F0上的质子通道进入基质，同时驱动F1因子中 ATP酶，利用这种势能使ADP磷酸化合成ATP。,四、结合变构机制,氧化磷酸化耦联反应合成ATP的机制,97年诺贝尔化学奖,结合变构机制,氧化磷酸化偶联反应合成ATP的机制,1.F1的亚基有三个催化位点，各有三种构象。 L：与ADP和Pi疏松结合 T：与ADP和Pi紧密结合，形成ATP O：与ATP亲和力低，将ATP释放 2.ATP酶复合体可利用质子动力势能，产生构象改变，改变与底物和产物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。,3.质子通过F0时，引起C亚基十二聚体旋转， 同时引起亚基三个催化位点构象的周期性变化， 不断结合ADP和Pi，形成ATP ，再释放出去。,第三节 线粒体与疾病,一、疾病过程中的线粒体变化二、mtDNA突变与疾病 线粒体突变导致的疾病主要累及肌肉