线粒体2013学习教案

1、会计学1第一页，共96页。 学习学习(xux)(xux)目的与要目的与要求求 1. 1.掌握线粒体的基本结构、功能；掌握线粒体的基本结构、功能； 线粒体的遗传体系线粒体的遗传体系(tx)(tx)；蛋白质穿膜；蛋白质穿膜进入线粒体。进入线粒体。 2. 2.熟悉线粒体相关的临床意义。熟悉线粒体相关的临床意义。 3. 3.了解了解(lioji)(lioji)线粒体的线粒体的发生。发生。 第1页/共95页第二页，共96页。第2页/共95页第三页，共96页。 第第一一节节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征 一、形态、大小一、形态、大小(dxio)(dxio)、数目和分布、数目和分布 二、线粒体的超微结构

2、二、线粒体的超微结构 三、线粒体的化学三、线粒体的化学(huxu)(huxu)组成组成 四、线粒体的遗传四、线粒体的遗传(ychun)(ychun)体系体系 五、蛋白质穿膜进入线粒体五、蛋白质穿膜进入线粒体 六、六、七、线粒体的功能七、线粒体的功能第3页/共95页第四页，共96页。 一、形态、大小、数目一、形态、大小、数目(shm)(shm)和和分布分布1.1.形态形态(xngti) (xngti) 光镜下光镜下: : 线状、粒状、线状、粒状、 短杆状短杆状等。等。在一定条件下可改变在一定条件下可改变(gibin)(gibin)：低渗时，膨胀呈泡状；低渗时，膨胀呈泡状；高渗时，伸长呈线状。高渗

3、时，伸长呈线状。 第4页/共95页第五页，共96页。 2. 2.大小大小 一般直径一般直径(zhjng)(zhjng)： 0.5- 0.5-1.0um1.0um 骨骼肌细胞的线粒体：骨骼肌细胞的线粒体： 长度可达长度可达8-10um8-10um。 第5页/共95页第六页，共96页。 3. 3.数数 目：目： 不同类型细胞中差异较大不同类型细胞中差异较大(jio (jio d)d)。 哺乳动物哺乳动物: : 肝细胞中肝细胞中20002000个左右个左右 肾细胞中肾细胞中300300个左右个左右 精子中精子中2525个左右个左右第6页/共95页第七页，共96页。心肌细胞心肌细胞精子精子(jngz)

4、尾部尾部 4. 4.分布分布(fnb)(fnb)： 通常分布通常分布(fnb)(fnb)于细胞生理功能于细胞生理功能旺盛区域和需要能量多的部位。旺盛区域和需要能量多的部位。第7页/共95页第八页，共96页。二、线粒体的超微结构二、线粒体的超微结构第8页/共95页第九页，共96页。电镜下观察：线粒体是由两层单位膜电镜下观察：线粒体是由两层单位膜围成的封闭围成的封闭(fngb)囊状结构。囊状结构。外外 膜膜内内 膜膜膜间腔膜间腔 （外（外腔腔）嵴嵴基质基质(j zh)腔腔 （内腔（内腔(ni qin)）内含基质内含基质第9页/共95页第十页，共96页。外外 膜膜 包围在线粒体外表包围在线粒体外表面

5、面(biomin)(biomin)的一层单的一层单位膜。厚位膜。厚67nm67nm，平整、，平整、光滑。光滑。外外 膜膜 封闭结构使之封闭结构使之在细胞质中相对隔在细胞质中相对隔绝，保证了线粒体绝，保证了线粒体能够能够(nnggu)(nnggu)不受不受干扰地进行物质氧干扰地进行物质氧化分解。化分解。 第10页/共95页第十一页，共96页。内内 膜膜 厚约厚约5nm5nm，有高度，有高度(god)(god)的选择通透性，借的选择通透性，借助载体蛋白控制内外物质助载体蛋白控制内外物质的交换。的交换。内内 膜膜 集中集中(jzhng)(jzhng)了电子了电子传递体传递体和氧化磷酸化酶系和氧化磷酸

6、化酶系,ATP,ATP 合成酶系，是物质氧化合成酶系，是物质氧化 分解和分解和ATPATP合成的场所。合成的场所。第11页/共95页第十二页，共96页。 嵴嵴 嵴的形态和排列方式嵴的形态和排列方式(fngsh)(fngsh)主要有主要有两种类型：两种类型： 板层状（大多数高等动物细胞中）板层状（大多数高等动物细胞中） 小管状（原生动物和一些较低等小管状（原生动物和一些较低等 动物细胞中）动物细胞中） 嵴：内膜向内室折叠嵴：内膜向内室折叠(zhdi)(zhdi)形成，形成，增加了内膜的表面积。增加了内膜的表面积。第12页/共95页第十三页，共96页。板层状嵴板层状嵴小管状嵴小管状嵴第13页/共9

7、5页第十四页，共96页。基粒（基粒（ATPATP合酶）：内膜和嵴膜基质合酶）：内膜和嵴膜基质(j zh)(j zh)面上带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。面上带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。第14页/共95页第十五页，共96页。第15页/共95页第十六页，共96页。转位接触点（translocation contact site） 在线粒体的内、外膜上存在的一些内膜与外膜相互接触的地方，此处膜间隙变狭窄，称为(chn wi)转位接触点。内膜转位子（Tim） 通道蛋白外膜转位子（Tom） 受体蛋白功能：蛋白质等物质进出线粒体的通道。第16页/共95页第十七页，共96页。黑色箭头所指为转位接

8、触点；红色(hngs)箭头所指为通过转位接触点转运的物质 第17页/共95页第十八页，共96页。嵴内腔嵴内腔(ni qin) 基粒基粒（ATP酶）酶）基质基质(j (j zh)(zh)(内腔内腔) )内膜和嵴围成的腔。内膜和嵴围成的腔。脂脂 类类蛋白质蛋白质酶酶 类类线粒体线粒体 DNADNA线粒体线粒体DNA线粒体线粒体 mRNAmRNA 线粒体线粒体tRNAtRNA线粒体核糖体线粒体核糖体线粒体核糖体线粒体核糖体基质基质(j zh)(j zh)颗粒颗粒基质颗粒基质颗粒三羧酸循环的场所。三羧酸循环的场所。 线粒体内线粒体内DNADNA、蛋白质合成的场所。、蛋白质合成的场所。第18页/共95页

9、第十九页，共96页。 三、三、 线粒体的化学线粒体的化学(huxu)(huxu)组成组成蛋白质：占蛋白质：占65% -70%65% -70%，内膜含量，内膜含量(hnling)(hnling)较较多。多。可溶性蛋白可溶性蛋白(dnbi)(dnbi)：基质中的酶和膜的外周蛋：基质中的酶和膜的外周蛋白白(dnbi)(dnbi)；不溶性蛋白不溶性蛋白：构成膜的镶嵌蛋白、结构：构成膜的镶嵌蛋白、结构 蛋白和部分酶蛋白。蛋白和部分酶蛋白。 脂脂 类：类：占干重的占干重的25% -30%25% -30% 水、辅酶、维生素、金属离子等。水、辅酶、维生素、金属离子等。第19页/共95页第二十页，共96页。 线

10、粒体中酶的分布线粒体中酶的分布(fnb)(fnb)线粒体主要线粒体主要(zhyo)(zhyo)酶的分布酶的分布部部 位位外外 膜膜脂类代谢脂类代谢(dixi)(dixi)有关的酶有关的酶特征酶：单胺氧化酶特征酶：单胺氧化酶膜膜 间间 腔腔腺苷酸激酶、核苷酸激酶腺苷酸激酶、核苷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶内内 膜膜 呼吸链氧化反应的酶系、呼吸链氧化反应的酶系、 ATPATP合成酶系合成酶系特征酶：细胞色素（特征酶：细胞色素（c c）氧化酶）氧化酶嵴嵴 间间 腔腔 三羧酸循环反应、丙酮酸与脂肪酸氧化三羧酸循环反应、丙酮酸与脂肪酸氧化 的酶系的酶系 、蛋白质和核酸合成酶系、蛋白质和核酸

11、合成酶系特征酶：苹果酸脱氢酶特征酶：苹果酸脱氢酶第20页/共95页第二十一页，共96页。四、四、 线粒体的遗传线粒体的遗传(ychun)(ychun)体系体系第21页/共95页第二十二页，共96页。第22页/共95页第二十三页，共96页。第23页/共95页第二十四页，共96页。线粒体遗传病第24页/共95页第二十五页，共96页。线粒体遗传病第25页/共95页第二十六页，共96页。（三（三) )线粒体蛋白质合成线粒体蛋白质合成(hchng)(hchng)系统系统 MtDNA MtDNA RNARNA前体前体切割切割(qig)(qig)加工加工1313种种mt-mRNAmt-mRNA2222种种m

12、t-tRNAmt-tRNA2 2种种mt-rRNA(12S,16S)mt-rRNA(12S,16S)转录转录(zhu(zhun n l)l) 1. 1. 线粒体线粒体RNARNA转录转录第26页/共95页第二十七页，共96页。 呼吸(hx)链蛋白质的组成 第27页/共95页第二十八页，共96页。 2. 2.特点：特点： （与胞质蛋白质合成（与胞质蛋白质合成(hchng)(hchng)相比）相比） 1) 1) 各种各种( zhn)RNA( zhn)RNA是线粒体所独有是线粒体所独有的的 RNA RNA聚合酶的抑制剂聚合酶的抑制剂 线粒体：菲啶溴红（线粒体：菲啶溴红（E.B.E.B.） 类似原类似

13、原 核细胞核细胞 真核细胞：放线菌素真核细胞：放线菌素D D、aa鹅膏覃碱鹅膏覃碱第28页/共95页第二十九页，共96页。 2 2 ）核糖体对药物）核糖体对药物(yow)(yow)的敏感性的敏感性不一样不一样 线粒体：线粒体： 氯霉素、红霉素氯霉素、红霉素 真核细胞胞质：放线菌酮真核细胞胞质：放线菌酮 3 3）转录、翻译）转录、翻译(fny)(fny)在同在同 一时间和一时间和地地 点进行点进行第29页/共95页第三十页，共96页。密码子密码子线粒体密码线粒体密码(m m)(m m)通用遗传通用遗传(ychun)(ychun)密码密码UGAUGAAUAAUAAGGAGG色氨酸色氨酸甲硫氨酸甲硫

14、氨酸终止子终止子终止子终止子异亮氨酸异亮氨酸精氨酸精氨酸4 4）通用遗传密码）通用遗传密码(m m)(m m)与线粒体遗传密码与线粒体遗传密码(m (m m)m)的差别的差别第30页/共95页第三十一页，共96页。线线 粒粒 体体 遗遗 传传 系系 统统 与与 核核 遗遗 传传 系系 统统 的的 相相 互关系互关系(gun x)第31页/共95页第三十二页，共96页。 五、蛋白质穿膜进入五、蛋白质穿膜进入(jnr)(jnr)线粒体线粒体第32页/共95页第三十三页，共96页。外膜外膜内膜内膜1 1、去折叠、去折叠(zhdi)(zhdi)？第33页/共95页第三十四页，共96页。第34页/共95

15、页第三十五页，共96页。蛋白质转运涉及的转位蛋白质转运涉及的转位(zhun wi)(zhun wi)因子模式图因子模式图第35页/共95页第三十六页，共96页。第36页/共95页第三十七页，共96页。 (一) 蛋白质向线粒体基质(j zh)中的转运 1.需要(xyo)条件 基质(j zh)导入序列（matrix-targeting sequence，MTS）。 输入到线粒体的蛋白质在其N-端的一段靶序列称为基质导入序列，线粒体外膜和内膜上的受体能识别并结合各种不同的但相关的MTS。 分子伴侣：协助蛋白质的输入。第37页/共95页第三十八页，共96页。蛋白质向线粒体基质(j zh)转运示意图第3

16、8页/共95页第三十九页，共96页。2.2.蛋白质运送蛋白质运送(yn sn)(yn sn)过程过程（1 1） 运送之前，蛋白质大多以前体形式运送之前，蛋白质大多以前体形式(xngsh)(xngsh)存在。存在。（2 2）蛋白质运送）蛋白质运送(yn sn)(yn sn)时经解折叠和时经解折叠和重新折叠。重新折叠。 折叠折叠 解折叠解折叠 重新折叠重新折叠（3 3）外膜有专一性不太强的受体参与作用。）外膜有专一性不太强的受体参与作用。质质 分子伴侣分子伴侣 分子伴侣分子伴侣第39页/共95页第四十页，共96页。(二) 蛋白质向线粒体其他(qt)部位的转运 1.蛋白质向线粒体膜间腔的转运(zhu

17、n yn) 信号(xnho)序列基质导入序列（MTS）：引导前体蛋白进入 基质。膜间腔导入序列（ISTS）：引导前体蛋白 进入膜间腔。 第40页/共95页第四十一页，共96页。 转运(zhun yn)方式 蛋白进入基质，第2个信号序列ISTS引导多肽链通过内膜上的通道进入膜间腔。 第2个信号序列ISTS起转移终止序列的作用，阻止(zzh)前体蛋白向基质转运，并固定于内膜上，切去位于内膜上的ISTS部分后，进入膜间腔。 通过直接扩散从胞浆经过外膜而进入膜间腔。第41页/共95页第四十二页，共96页。蛋白质向线粒体膜间腔转运(zhun yn)示意图第42页/共95页第四十三页，共96页。2.蛋白质

18、向线粒体外膜和内膜的转运(zhun yn) 在外膜蛋白的转运中，类孔蛋白P70的研究最多。在P70的MTS后有一段长的疏水序列，也起转移终止序列的作用(zuyng)，而使之固定于外膜上。 内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚。 第43页/共95页第四十四页，共96页。蛋白质向线粒体内膜转运(zhun yn)示意图第44页/共95页第四十五页，共96页。 六、六、 线粒体的增殖线粒体的增殖(zngzh)(zngzh)第45页/共95页第四十六页，共96页。间壁间壁(jinb)(jinb)分分离离收缩收缩(shu su)(shu su)分离分离出芽出芽(ch (ch y)y)分离分离第46页/共9

19、5页第四十七页，共96页。线粒体的增殖线粒体的增殖(zngzh)间壁间壁(jinb)分分离离:收缩收缩(shu su)分离分离:出芽分裂出芽分裂:线粒体的内膜向中心内褶形成间壁，线粒体的内膜向中心内褶形成间壁，或某一个嵴的延伸。当延伸到对侧内或某一个嵴的延伸。当延伸到对侧内膜时，线粒体一分为二。膜时，线粒体一分为二。线粒体中央部分收缩并向两端拉线粒体中央部分收缩并向两端拉长，中央形成很细的颈，整个线长，中央形成很细的颈，整个线粒体成哑铃形，最后断裂成两个粒体成哑铃形，最后断裂成两个新线粒体。新线粒体。 先从线粒体上长出小芽，然后小先从线粒体上长出小芽，然后小芽与母线粒体分离，经过不断长芽与母线

20、粒体分离，经过不断长大，形成新的线粒体。大，形成新的线粒体。第47页/共95页第四十八页，共96页。第48页/共95页第四十九页，共96页。第49页/共95页第五十页，共96页。1.线粒体分裂线粒体分裂(fnli)2.狗心肌细胞线粒体狗心肌细胞线粒体3.新生鼠肝细胞线粒体新生鼠肝细胞线粒体213第50页/共95页第五十一页，共96页。1.氧化磷酸化2. 营养物质在线粒体内氧化并与磷酸化耦联生成(shn chn)ATP是线粒体的主要功能。3.2. 摄取和释放Ca2+4. 在摄取Ca2+和释放Ca2+中起着重要的作用，线粒体和内质网一起共同调节胞质中的Ca2+浓度，从而调节细胞的生理活动。 第51

21、页/共95页第五十二页，共96页。3. 参与细胞死亡(swng) 在某些情况下，线粒体是细胞死亡(swng)的启动环节；而在另一些情况下，线粒体则是细胞死亡(swng)的一条“通路”。 第52页/共95页第五十三页，共96页。化合成生物化合成生物体所需能体所需能量量 (ATP) (ATP)的的90%90%以上。以上。第二节第二节 细胞呼吸与能量细胞呼吸与能量(nngling)(nngling)转换转换第53页/共95页第五十四页，共96页。细胞细胞(xbo)(xbo)呼吸（呼吸（cellular cellular respiration)respiration) 在特定细胞在特定细胞(xbo)

22、(xbo)器（主要是线器（主要是线粒体）内，粒体）内， 依靠酶的催化，利用氧将依靠酶的催化，利用氧将细胞细胞(xbo)(xbo)中的供能物质氧化、分解，中的供能物质氧化、分解，产生产生CO2CO2；释放出的能量储存于；释放出的能量储存于ATPATP的过的过程。程。 此过程又称为细胞此过程又称为细胞(xbo)(xbo)氧化氧化 （cellular oxidation)cellular oxidation)第54页/共95页第五十五页，共96页。细胞呼吸的特点 由酶系所催化的氧化还原反应； 所产生的能量储存于ATP中； 反应过程(guchng)分步进行，能量逐步释放； 在恒温(37)和恒压条件下进

23、行的 反应过程(guchng)中需要H2O的参与第55页/共95页第五十六页，共96页。 ATP ATP中所携带的能量来源于糖、中所携带的能量来源于糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化，这些物质氨基酸和脂肪酸等的氧化，这些物质(wzh)(wzh)的氧化是能量转换的前提。的氧化是能量转换的前提。第56页/共95页第五十七页，共96页。第57页/共95页第五十八页，共96页。第58页/共95页第五十九页，共96页。基本基本(jbn)过程（葡萄糖为过程（葡萄糖为例）：例）：酵酵 解解乙酰辅酶乙酰辅酶(f mi)A(f mi)A的形成的形成三羧酸三羧酸(su sun)(su sun)循循环环电子传递偶联氧化磷酸

24、化电子传递偶联氧化磷酸化第59页/共95页第六十页，共96页。一、酵一、酵 解：解：2丙酮酸丙酮酸 + 2H+ + 2ATP+2NADH（C3H4O3)+2H2O 葡萄糖葡萄糖 +2Pi+2ADP+2NAD+ （C6H12O6） 1. 1.特点：特点： （1 1） 不需氧，细胞质基质中进行不需氧，细胞质基质中进行 （2 2） 净生成净生成(shn chn)2(shn chn)2个个ATPATP，能量储藏在能量储藏在 丙酮酸中。丙酮酸中。第60页/共95页第六十一页，共96页。经糖酵解过程，通过底物水平磷酸化，净生成(shn chn)2分子ATP。第61页/共95页第六十二页，共96页。底物底物

25、(d w)(d w)水平磷酸化水平磷酸化第62页/共95页第六十三页，共96页。苹果酸天冬氨酸穿梭(chun su)第63页/共95页第六十四页，共96页。 二、乙酰辅酶二、乙酰辅酶(f (f mi)Ami)A生成生成乙酰乙酰-CoA + 2NADH + 2H+ + CO2C3H4O3 +辅酶辅酶(f mi)A(CoA) +2NAD+ 特点：特点：（1 1） 线粒体基质中进行线粒体基质中进行（2 2） 3C 3C的丙酮酸变成活泼的的丙酮酸变成活泼的2C2C乙酰乙酰辅酶辅酶(f mi)A(f mi)A（3 3） 无无ATPATP形成形成第64页/共95页第六十五页，共96页。第65页/共95页第

26、六十六页，共96页。三羧酸三羧酸(su sun)循环循环葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸NADNADH2CO2乙乙 酸酸CoA乙酰乙酰CoA草酰乙酸草酰乙酸三羧酸三羧酸(su sun)循环循环（柠檬酸循（柠檬酸循环）环）柠檬酸柠檬酸顺乌头顺乌头(w tu)酸酸异柠檬酸异柠檬酸NADNADH2CO2 -酮戊二酸酮戊二酸NADNADH2CO2琥珀酸琥珀酸FADFADH2延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸NADNADH21231注：注：NAD（辅酶辅酶I）:尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸FAD（黄酶）（黄酶）: 黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸第66页/共95页第六十七页，共96页。乙酰辅酶乙酰

27、辅酶(f mi)A+草酰草酰乙酸乙酸 （2C） （4C）柠檬酸（柠檬酸（6C） 3对以对以NAD为氢受体为氢受体四对氢原子四对氢原子 （NAD+ NADH） 1对以对以FAD为氢受体为氢受体 （FAD FDAH2） 2个个CO2 特点：特点：（1） 反应在线粒体基质反应在线粒体基质(j zh)中进行中进行（2） 7次连续反应为一次循环次连续反应为一次循环（3） 生成一分子生成一分子GTP7个连续个连续(linx)反应反应第67页/共95页第六十八页，共96页。四、氧化四、氧化(ynghu)(ynghu)磷酸化耦联磷酸化耦联与与ATPATP形成形成 将物质氧化过程将物质氧化过程(guchng)(

28、guchng)中脱中脱下的氢原子通过线粒体内膜上一系列下的氢原子通过线粒体内膜上一系列呼吸链酶系的逐级传递，最后与氧结呼吸链酶系的逐级传递，最后与氧结合成水。电子传递过程合成水。电子传递过程(guchng)(guchng)中中释放的能量用于释放的能量用于ADPADP磷酸化为形成磷酸化为形成ATPATP。第68页/共95页第六十九页，共96页。1.1.呼吸呼吸(hx)(hx)链链 代谢物脱下的成对氢原子通过(tnggu)多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最后与氧结合生成水，此传递过程称为呼吸链。参加呼吸链的酶及辅酶按一定顺序在线粒体内膜上排列，进行氢和电子的传递，故又称为电子传递链。第69页

29、/共95页第七十页，共96页。第70页/共95页第七十一页，共96页。第71页/共95页第七十二页，共96页。 I I、IIIIII、IVIV组成的呼吸组成的呼吸(hx)(hx)链链催化催化NADHNADH的氧化。的氧化。 II II、IIIIII、IVIV组成的呼吸组成的呼吸(hx)(hx)链催化琥链催化琥珀酸的氧化。珀酸的氧化。第72页/共95页第七十三页，共96页。NADH-还原酶细胞(xbo)色素C还原酶细胞(xbo)色素C氧化酶+FADH2-还原酶CytC+NADH-还原酶细胞(xbo)色素C氧化酶细胞色素C还原酶第73页/共95页第七十四页，共96页。第74页/共95页第七十五页，

30、共96页。2.ATP2.ATP合酶复合体合酶复合体第75页/共95页第七十六页，共96页。第76页/共95页第七十七页，共96页。9nm ATP酶复合体抑制多肽(du ti) （调节酶活性）对寡酶素敏感(mngn)蛋白（OSCP)疏水蛋白(dnbi)（HP F0 ) 70 ku头部: 合成ATP: 调节质子通道柄部：质子的通道基片可溶性的ATP酶（F1)第77页/共95页第七十八页，共96页。转子：C1211定子：a1b2133磷酸化的结构磷酸化的结构(jigu)(jigu)基础：基础：ATPATP合合酶酶第78页/共95页第七十九页，共96页。( (二二) )氧化氧化(ynghu)(yngh

31、u)磷酸化耦联磷酸化耦联第79页/共95页第八十页，共96页。 NAD黄酶（黄酶（FMN）辅酶辅酶(f mi)Q细胞细胞(xbo)色素色素 bc1ca a3O24ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPFADH2第80页/共95页第八十一页，共96页。第81页/共95页第八十二页，共96页。第82页/共95页第八十三页，共96页。膜间腔中的膜间腔中的H+H+有顺浓度返回有顺浓度返回基质的倾向，能借助势能通过基质的倾向，能借助势能通过ATPATP酶复合体的质子通道渗透到线粒体酶复合体的质子通道渗透到线粒体基质中，所释放的自由能驱动基质中，所释放的自由能驱动ATPATP合酶合成合酶合成ATPATP。第83页/共95页第八十四页，共96页。第84页/共95页第八十五页，共96页。ATPADP+PiLT O第85页/共95页第八十六页，共96页。第86页/共95页第八十七页，共96页。ATP合成(hchng)的结合变构机制 质子(zhz)流引起亚基旋转120亚基旋转亚基旋转(xunzhun)120质子