第二军医大学-上海第二军医大学医学细胞生物学精品课程

1、第 二 军 医 大 学 医学细胞生物学 教 案 第 9 次课 授 课 时 间： 11-3-21 教案完成时间： 11-3-18 课程名称医学细胞生物学年级海军全科军医5年制专业层次本科10级教 员李文林专业技术职 务副教授授课方式（大、小班）大班授课题目（章、节）线粒体（Mitochondria） 基本教材和主要参考书1、 胡以平：医学细胞生物学，2009年 高等教育出版社2、 汪堃仁等：“细胞生物学”，1998年 北京师范大学出版社3、 韩贻仁：分子细胞生物学（第二版）2002年 高等教育出版社4、 Goodman SR: Medical Cell Biology， 1998教学目的与要求：

2、目的：1、使学生掌握线粒体的超微结构及各结构的特点。 2、使学生掌握线粒体产生ATP的简要过程及其酶系的定位。 3、使学生理解为什么线粒体是细胞的动力站。要求：掌握线粒体的超微结构及各结构的特点；线粒体产生ATP的简要过程及其酶系的定位。主要内容与时间安排：1. 复习内膜系统的内容(5min)；2. 线粒体的超微结构及各结构的特点(35min)；3. 线粒体的能量转换功能(25min)；4. 线粒体的遗传体系(15min)。5. 最后小节5分钟。教研室审阅意见： 教学组长（主讲教员）签名： 教研室主任签名： 基本内容辅助手段和时间分 配线粒体(mitochondrion) 任何一个生命体要进行

3、新陈代谢的生命活动，都需要能量的供应，这些生命活动包括运动、肌肉收缩、物质合成，冲动的传播、发光等。在真核细胞中，直接的供能物质是ATP。那么ATP是怎样合成的？这与细胞质中的一个细胞器有关。在细胞质中具有一定形态结构,执行一定功能的微小器官,称为细胞器。线粒体是细胞中比较大的细胞器,达到光镜分辨水平。所以,在19世纪,80年代就被发现,当时看到线粒体的形状为线条形、颗粒状。因此,在1897年Benda命名为Mitochondria(vian)来自希腊文。 除原核细胞及真核哺乳类成熟红细胞外,几乎所有需氧的真核细胞均有线粒体,它是细胞进行能量代谢的重要胞器,是细胞的氧化中心和动力站。 一、形态

4、、大小、数量和分布 线粒体的形态、大小、数量和分布,在不同细胞内变动很大,就是同一细胞在不同生理状态下也不一样。 形态:光镜下呈粒状、线状,但形态随各种环境条件和生理状态不同而变,如低渗或pH为酸性时,线粒体膨胀为颗粒状;人胚肝细胞的线粒体在早期为短棒状,晚期为长棒状等。 大小:直径一般为0.5-1.0m,但骨骼肌中可有巨大线粒体,长达8-10m。 数目:相差很大,代谢旺盛者线粒体多,如心肌、肝等,肝细胞平均含2000个,精子中少,仅25个。 分布:随细胞的形态而异,柱状细胞分布在细胞两极；球形细胞则为放射状排列。二、超微结构 电镜下线粒体是由二层单位膜围成的封闭膜性囊,内膜和外膜套叠构成囊中

5、之囊,内外囊并不相通。(一) 外膜:outer membrane 单位膜:围包着整个线粒体,平均厚5.5nm,与线粒体内膜不连续,脂类和蛋白质的组成与内膜不同,却与内质网膜相似。 外膜含有多套运输蛋白质,这些蛋白质构成脂类双分子层上水溶性物质可以穿过的通道,孔径1-3nm,分子量在10000以下的物质均能通过。所以通透性高。(二) 内膜:inner membrane 单位膜:平均厚4.5nm,通透性小,只能让分子量150的小分子通过,或不带电分子,如：O2 ,CO2 ,H2O等以简单扩散的方式通过。 内膜向内折叠形成嵴,内外膜之间为外腔（膜间腔）,它与嵴内腔相通，嵴内腔又称内腔。(三) 嵴 c

6、ristae 由内膜向内折叠而形成,增加了面积,给大量的酶提供了附着面,也就提高了内膜上的代谢效率。 1. 形态: 2种 板层状嵴: 人、高等动物细胞绝大部分为此形状,与长轴呈直角、相互平行,当代谢增高,也可变化为锯齿状,也有与长轴平行排列,即纵行嵴,如神经细胞。 管状嵴: 低等动物多为此形状。 有些细胞兼有两种形状的嵴,如肝细胞；有的可为全嵴或半嵴。 2. 数量:与细胞氧化代谢成正比。(四) 线粒体基粒:elementary particle 通过电镜负染色技术和生化方法分析观察,见到内膜和嵴膜表面并非光滑,而有更精细的结构,即与膜面垂直规则排列着许多有柄小球体,为线粒体基粒,也可称为嵴球体

7、,估计每个线粒体有1万100万个。每个基粒由三部分构成:1. 头部: 露出膜面,亲水(可溶性蛋白质,10条多肽),实质是对Ca+、Mg+ 依赖的ATP酶。2. 柄部: 对寡霉素敏感的蛋白,对酶活性的抑制先作用于基片再由其传递到头部。3. 基片: 嵌在膜内的疏水蛋白,4条多肽,可能具有调节酶活性的功能。所以,线粒体的基粒是ATP酶复合体,可使ADP磷酸化为ATP,是磷酸化的关键装置 。注: O为分子量1万的多肽,可能具酶活性调节功能。(五) 基质: matrix 充满在内腔,液体状无定形物质,具一定的pH和渗透压,含可溶性酶、DNA、RNA、核糖体外,还含有一些电子密度很高的颗粒,称为基质颗粒(

8、matrix granules),又称致密颗粒,主要由磷酸脂蛋白组成,并含有Ca+、Mg+、P等元素。有人认为,基质颗粒是Ca+、Mg+等二价阳离子聚集的场所,很可能具有调节线粒体内部离子环境的功能。三、线粒体的化学组成及酶系的分布(一) 组成 水、蛋白(占线粒体蛋白总量的50-70%),主要分布在内膜上。脂类:以磷脂为主要成分,卵磷脂、脑磷脂、心磷脂、但胆固醇含量少,主要分布在外膜；心磷脂是内膜的主要组成成分；磷脂酰肌醇是外膜的重要组成成份。(二) 酶系分布 线粒体功能高度复杂和专一性,是与其结构有密切关系的,尤其突出的表现在其酶系分布上。线粒体是含酶最多的胞器，多达120种以上的酶，基质和

9、内膜上含酶较多,其中氢化还原酶37%,连接酶10%,水解酶9%,这些酶大约组成了25种以上不同的酶系。1. 基质 蛋白合成的酶系 可溶性酶 DNA合成复制的酶系 三羧酸循环酶系2. 内膜(嵴膜)上 含酶最多,主要为二组 一组: 膜基底部各种传递氢、传递电子酶,称为电子传递酶系,能接受底物氧化分解脱下的氢与电子,并把它们传递,它们在内膜上有序地排列成链状,故又称呼吸链,其标志酶是细胞色素氧化酶。 另一组:集中在线粒体基粒,特别是头部的ATP合成酶系,是氧化磷酸化,将ADP+PiATP,将能量贮于ATP中。3. 外膜上与外室的酶: 在能量生成上占的地位不重要,其中最主要的酶是单胺氧化酶,可作为外膜

10、的标志酶,另外还有脂肪酸激酶等。四、线粒体的功能：与细胞内氧化供能的关系 细胞活动所需能量主要是由细胞内糖、脂肪、蛋白质等供能物质,通过氧化分解释放的能量供应的,在此过程中需要O2 ,同时放出CO2 和水。因为与呼吸相仿,所以又称为细胞呼吸,线粒体就是细胞呼吸作用的主要场所。 细胞氧化(呼吸)中释放的能量是以形成ATP形式贮存,转送到细胞需能的各部位。（一) 细胞氧化作用特点 细胞中葡萄糖充分氧化可生成(1mol, 180g)686千卡能量,这与葡萄糖在体外燃烧的结果是一致的,但燃烧要高温条件和干燥环境,又要O2 直接助燃,能量释放是一次性释放,这与细胞氧化不一致。后者是恒温、恒压、有水、有酶

11、,能量释放小量逐步,但立即储存于ATP,转为化学能。(二) 细胞氧化产生ATP的简要过程 细胞内各种能源物都不能直接进入线粒体,而一定要分解为小分子后才能扩散或被载体转运入线粒体,以葡萄糖为例,基本过程分为三个阶段。 1. 葡萄糖的无氧酵解: 在胞质中进行:1分子葡萄糖在一系列有关的酶的作用下,分解为2分子丙酮酸,这是为有氧氧化作准备的阶段,如细胞处在缺氧状态,则丙酮酸继续完成无氧酵解,生成2分子乳酸,产生2分子ATP(分解不完全)。这是厌O2 生物或需O2 生物供氧不足时的供能形式,产生的能量少。 需O2 生物在有氧的条件下,丙酮酸就源源不断地进入线粒体被彻底氧化分解。2. 乙酰辅酶A的生成

12、:在基质中进行: 丙酮酸进入线粒体后,在内膜上丙酮酸脱氢酶系的作用下,氧化(脱氢)、脱羧后与辅酶A(CoA)结合转化成乙酰CoA,这是葡萄糖、氨基酸、脂肪代谢的共同中间产物。以此作为共同彻底氧化分解的共同原料而参加下阶段三羧酸循环。3. 三羧酸循环(柠檬酸循环):在基质中进行: 三羧酸循环的一系列酶存在于基质中,因而乙酰CoA在基质中与草酰乙酸缩合成含有三个羧基的柠檬酸循环,此循环过程中并不释放出很多能量,而是在一系列脱氢酶的作用下进行逐步脱氢,放出2个CO2 ,CO2 直接扩散出线粒体外,而每次循环结果脱下的成对的氢(2H2 + ),实际上是质子和电子,并不能直接与O2 化合成水,而是汇集到

13、内膜上的电子传递酶系(放能流水线)。4. 电子传递偶联氧化磷酸化 由三羧酸循环脱下的H2 被离解为H+和e-,在电子传递酶体系作用下(内膜及嵴膜上),依次还原(传出电子)和氧化(接受电子),电子在这一过程中被传递、质子(H+)则被不断“泵”出内膜,进入膜间腔和嵴间腔。这便形成了由H+浓度梯度及膜电位组成的质子动力。泵出的质子可以通过ATP合成酶中特殊的通道,借助质子动力而渗透到线粒体基质中去。质子梯度降低时所释放的自由能可供ATP合成酶催化ADP生成ATP。很多实验证明,每有三个质子(至少两个)通过ATP酶复合体(F0F1复合体)就合成1分子ATP。 最后2e-与一个O2 结合形成O2-2 ,

14、再与基质中的质子结合生成H2O。5. 电子传递和氧化磷酸化是偶联反应。 生成的ATP可通过载体帮助进行交换扩散,进入一个ADP送出一个ATP。 每一克分子葡萄糖在胞质中酵解只产生2分子ATP,而在线粒体中经氧化作用全过程可总产生36分子ATP。可见对能源物质氧化分解彻底,则产能效率高,能量转换率可达50%以上。这是任何机械转换能所不能相比的,如火车机械转换能量才8%。 这些ATP可供: 机械能:如肌肉收缩、吞噬活动; 化学能:如物质吸收、合成; 电能:神经传导及光能、萤火虫发光。生物体所需的能量95%来自线粒体,所以把线粒体称为细胞的动力站。 五、线粒体的增殖和半自主性(一) 线粒体的增殖 线

15、粒体通过分裂和出芽二种方式而增殖。 分裂由线粒体内膜向中心内褶或由某一个嵴延伸到对缘的线粒体内膜,形成通贯嵴把线粒体一分为二,使其成为只有外膜相联的两个独立的细胞器,接着线粒体完全分离；或在线粒体中央部分收缩并向两端拉长,使中央成为很细的颈,整个线粒体即呈哑铃形,最后分开成为两个新的线粒体。 出芽先从线粒体上生出小芽,然后与母体分离,逐渐发育成线粒体。(二) 线粒体的半自主性 60年代以前,普遍认为细胞中所有DNA均在核中,在63年，有人发现在线粒体基质中有一些环状物质存在，这些环状物能被DNA酶消化。后来从多种线粒体中都分离出DNA,而且与原核相似,呈环状,有1-多个。后又陆续发现有各种RN

16、A及线粒体核糖体,以及与DNA复制、转录、蛋白合成有关的酶,如：rRNA、DNA及RNA聚合酶、氨基酸活化酶等,并能在线粒体遗传物质控制下进行蛋白质合成,且与核、胞质中不同。由此表明,线粒体中存在独立的遗传装置。 线粒体能合成少量,约10种蛋白质,但都是疏水性强和内膜结合在一起的蛋白质。 影响细胞质蛋白质合成的物质不影响线粒体的蛋白质合成；影响线粒体中蛋白质合成的药物如：氯、红霉素和四环素不影响胞质蛋白质的合成；线粒体不输出蛋白质；DNA和RNA与胞质间无交流；如果线粒体丧失了它们的遗传系统,细胞就无法为之补偿。 但线粒体的自主性是不完全的。 线粒体DNA量有限,仅为总量的0.2%,只能编码合

17、成线粒体所需蛋白质的5-10%左右,即90%的蛋白质由胞质合成后输入。线粒体的蛋白质合成也是不完全的。如:琥珀酸脱氢酶,线粒体仅合成其中的几条肽链、ATP酶有10个亚单位,线粒体仅合成4个,其他6个亚单位由胞质合成输入。所以,线粒体中绝大部分的蛋白质(90-95%)还是依赖核中DNA控制,在胞质中合成后再转入线粒体、线粒体DNA复制、转录也依赖核指导的酶的作用。 所以,线粒体的生长、增殖是由二套遗传系统共同控制的,故,线粒体是半自主性胞器。六、线粒体异常与疾病 线粒体是一个结构和生化功能复杂而敏感的细胞器。因此,往往把线粒体作为对疾病诊断和测定环境因素的指标。(一) 缺血、缺氧 缺血、缺氧后,

18、细胞内ATP水平,一分钟即可达到0,这时线粒体的功能发生一系列变化,失掉了呼吸控制,但可逆,如培养液中加入提纯的牛血清白蛋白，功能可恢复。但若缺血持续,则不可逆,在301hr线粒体出现浊肿、嵴短、数少、排列紊乱、基质密度,在代谢活跃的细胞,如肝细胞、心肌细胞更明显。严重时,发生空泡变性,不仅肿胀,而且嵴崩解消失,光镜下见许多透亮小泡。 为什么:ATP、Na+泵功能胞内Na+,水分进入细胞内,再入线粒体肿胀。进一步发展时,大量Ca+入线粒体,抑制氧化磷酸化酶系,ATP生成停止,最后呈空泡状。(二) 药物、毒物对线粒体的作用 氯丙嗪、甲状腺素等药的作用原理部分与线粒体有关。CO、氰化物能与内膜上电

19、子传递酶系中Fe+结合,阻断能量生成，迅速抑制细胞代谢而致死。 氯霉素的负作用也线粒体有关。(三) 线粒体与肿瘤的关系 肿瘤无氧酵解高,线粒体少、内嵴少、酶系及ATP酶含量少。(四) 线粒体上一些组分的作用由于线粒体生理功能重要,旦一些疾病与线粒体功能改变有关。因此,有人设想用线粒体上的组分来治疗一些疾病,如细胞色素C,辅助治疗缺O2 、辅酶Q及辅酶I用于治疗一些肌肉萎缩症和肝脏疾病、心肌炎等。SummaryMitochondria, which are present in all eucaryotic cells, play an important role in energy conv

20、ersion. Mitochondrion contains an outer membrane and an inner membrane that create two internal compartments. Mitochondrial oxidation begins when large amounts of acetyl CoA are preduecd in the matrix space from fatty acid and pyruvate. The critric acid cycle oxidizes group and acetyl CoA to generat

21、e NADH and FADH2 for the respiratory chain. A chemiosmotic process converts oxidation energy into ATP on inner mitochondrial membrane. Electrons are transferred from NADH to oxygen through three large respiratory enzyme complexes. Energy released by the passage of electrons along the respiratory chain is stored as an electrochemical proton g