细胞生物学第六章线粒体PPT学习教案

1、会计学1第1页/共67页（1）1894年，德国生物学家年，德国生物学家Altman首先在动物细胞首先在动物细胞中发现，描述为生物芽体（中发现，描述为生物芽体（bioblast）。）。 （2）1897年，年，Benda将它命名为线粒体将它命名为线粒体(mitochondrion)（3）20世纪世纪50年代，通过电镜发现普遍存在于真核年代，通过电镜发现普遍存在于真核细胞（除哺乳动物成熟红细胞）细胞（除哺乳动物成熟红细胞）, 是有机体进行是有机体进行生物生物氧化氧化和和能量转换能量转换的主要场所，细胞生命活动所需能的主要场所，细胞生命活动所需能量的量的95%是由线粒体提供的，因此被称为细胞的是由线粒

2、体提供的，因此被称为细胞的 “供能中心供能中心”、 “动力工厂动力工厂”和和“能量转换器能量转换器”。概概 述述第2页/共67页第3页/共67页v形态：形态：线状、粒状、杆状、哑铃形、星形、分支形、环形线状、粒状、杆状、哑铃形、星形、分支形、环形。v大小大小:直径直径0.51.0m，长度，长度23 m；骨胳肌细胞直径；骨胳肌细胞直径23 m，长度，长度810m ，称为巨大线粒体，称为巨大线粒体(giantmitochondria)v数目：数目： 如肝细胞如肝细胞1000-2000，肾细胞，肾细胞400，精子细胞，精子细胞25个；个；v分布：分布：多集中于细胞生理功能旺盛和需能高的部位。如精多集

3、中于细胞生理功能旺盛和需能高的部位。如精子中紧紧包绕着鞭毛；包围在粗面内质网表面；伴随着微子中紧紧包绕着鞭毛；包围在粗面内质网表面；伴随着微管进行分布的。管进行分布的。第一节第一节 线粒体的形态结构线粒体的形态结构一、光镜下线粒体的形态结构（了解）一、光镜下线粒体的形态结构（了解） 第4页/共67页第5页/共67页二、电镜下线粒体的形态结构（掌握）二、电镜下线粒体的形态结构（掌握）第6页/共67页 由由两层单位膜两层单位膜围成的围成的封闭的囊状结构封闭的囊状结构，主要由，主要由外膜外膜、内膜内膜、膜间隙膜间隙和和基粒基粒组成组成 。第7页/共67页（一）外膜（一）外膜(outer membra

4、ne)v 是包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚是包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚6nm，与内质网膜组成相似。，与内质网膜组成相似。v 含多套转运蛋白。这些转运蛋白形成大的跨越含多套转运蛋白。这些转运蛋白形成大的跨越脂质双层的通道（筒状体），使外膜出现许多筛脂质双层的通道（筒状体），使外膜出现许多筛网状孔洞网状孔洞(1-3nm)，可以通过分子量，可以通过分子量10kDa以下的以下的分子，包括一些小分子蛋白质和多肽。分子，包括一些小分子蛋白质和多肽。第8页/共67页（二）内膜（二）内膜(inner membrane) 约约5-6nm，内膜将线粒体的内部空间分成两部，内膜将线粒体的内部空间分成两部

5、分：分： 内腔内腔(inner space)或称或称基质腔基质腔：内膜直接包围：内膜直接包围 外腔外腔(outer space) 或称或称膜间腔膜间腔：内膜与外膜之间：内膜与外膜之间 通透性差，仅允许小的不带电荷的分子（通透性差，仅允许小的不带电荷的分子（H2O、CO2、尿素、甘油等、尿素、甘油等）进入。其它膜内外物）进入。其它膜内外物质交换需要特殊的运输蛋白质交换需要特殊的运输蛋白选择性地进行膜内外之选择性地进行膜内外之间的转移。间的转移。 第9页/共67页第10页/共67页（1）嵴）嵴(cristae) 内膜上有大量向内腔突起的折叠。内膜上有大量向内腔突起的折叠。 嵴间腔嵴间腔(inter

6、cristae space)：嵴与嵴之间的嵴与嵴之间的间隙间隙; 嵴内腔嵴内腔(intracristae space)：嵴内的空隙。嵴内的空隙。（三）嵴与基粒（三）嵴与基粒 嵴有两种类型：嵴有两种类型： 板层状（占多数）：板层状（占多数）：胰腺细胞和肾小管上皮细胞胰腺细胞和肾小管上皮细胞 管状：管状：分泌固醇类激素的细胞，如肾上腺皮质细胞分泌固醇类激素的细胞，如肾上腺皮质细胞第11页/共67页Lamellar cristae第12页/共67页Tubular cristae第13页/共67页Models of mitochondrial membrane structures第14页/共67页（

7、2）基粒）基粒(elementary particle): 又称又称ATP酶复合体酶复合体 在内膜和嵴膜的基质面上有许多在内膜和嵴膜的基质面上有许多带柄的小颗粒带柄的小颗粒 。氧化磷酸化关键装置氧化磷酸化关键装置 头部头部: :球形，含有可溶性球形，含有可溶性ATP酶酶/偶联因子偶联因子F1。功能是合。功能是合 成成ATP。另有。另有ATP酶复合体抑制多肽，调节酶活性。酶复合体抑制多肽，调节酶活性。柄部柄部:对寡霉素敏感的蛋白（对寡霉素敏感的蛋白（OSCP），调控质子通道），调控质子通道 基片基片: :嵌入内膜，嵌入内膜，疏水蛋白（疏水蛋白（HP）/偶联因子偶联因子F0，质子通道。，质子通道。

8、 第15页/共67页第16页/共67页第17页/共67页第18页/共67页（四）内腔及基质（四）内腔及基质 内腔（基质腔）内腔（基质腔）是内膜和嵴所包围成的腔隙是内膜和嵴所包围成的腔隙，其内含物为，其内含物为基质（基质（matrix）。 基质是比较致密的胶状物质。基质是比较致密的胶状物质。脂类脂类蛋白质蛋白质：酶系：酶系核酸核酸：环状：环状DNA分子、分子、mRNA、tRNA核糖体核糖体基质颗粒基质颗粒：调节线粒体内的离子环境：调节线粒体内的离子环境(三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解)第19页/共67页基质颗粒基质颗粒 ： 3050nm的电子致密颗粒，的电子

9、致密颗粒， 含含Ca2+、Mg2+等二等二价阳离子和磷等无机物，多见于转运大量水和无机价阳离子和磷等无机物，多见于转运大量水和无机离子的细胞中，如肠上皮细胞、肾小管上皮细胞、离子的细胞中，如肠上皮细胞、肾小管上皮细胞、成骨细胞等。成骨细胞等。 当组织钙化时，基质颗粒显著增大，造成线粒当组织钙化时，基质颗粒显著增大，造成线粒体破裂。在成骨细胞和软骨细胞线粒体中含有细胞体破裂。在成骨细胞和软骨细胞线粒体中含有细胞总钙量的总钙量的90%以上，线粒体破裂导致钙释放形成钙以上，线粒体破裂导致钙释放形成钙化中心。化中心。第20页/共67页第21页/共67页一、水一、水二、蛋白质二、蛋白质 是线粒体的主要组

10、分，其含量占线粒体干重的是线粒体的主要组分，其含量占线粒体干重的65%70%。 可溶性蛋白，基质中的酶和膜外周蛋白可溶性蛋白，基质中的酶和膜外周蛋白 不溶性蛋白，膜结构蛋白或膜镶嵌酶蛋白。不溶性蛋白，膜结构蛋白或膜镶嵌酶蛋白。 三、酶（掌握）三、酶（掌握） 外膜外膜：合成脂类的酶类。：合成脂类的酶类。特征酶为特征酶为单胺氧化酶单胺氧化酶。 内膜内膜：执行呼吸链氧化反应的酶系和：执行呼吸链氧化反应的酶系和ATP合成酶系。合成酶系。特征酶特征酶 为为细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶。 基质基质：高浓度的多种混合物，：高浓度的多种混合物，特征酶为特征酶为苹果酸脱氧酶苹果酸脱氧酶。第二节第二节 线粒体的

11、化学组成线粒体的化学组成第22页/共67页第23页/共67页四、脂类四、脂类 脂类含量占线粒体干重的脂类含量占线粒体干重的25%30%。以。以磷脂磷脂为主，其中以为主，其中以磷脂酰胆碱（卵磷脂）磷脂酰胆碱（卵磷脂）和和磷脂酰乙醇磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）胺（脑磷脂）为主，还含有一定量的心磷脂（内膜为主，还含有一定量的心磷脂（内膜）和较少的胆固醇（外膜）。）和较少的胆固醇（外膜）。 五、其它五、其它 如辅酶如辅酶Q、黄素单核苷酸（、黄素单核苷酸（FMN）、黄素腺嘌）、黄素腺嘌呤二核苷酸（呤二核苷酸（FAD）以及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（）以及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）等。这些物质均参与电子传递的氧

12、化还原）等。这些物质均参与电子传递的氧化还原过程，它们与内膜密切关联。过程，它们与内膜密切关联。第24页/共67页 主要功能主要功能：是对：是对各种能源物质的氧化各种能源物质的氧化和和能量转换能量转换，为细胞氧化作用提供场所。，为细胞氧化作用提供场所。 物质氧化物质氧化：细胞内氨基酸、脂肪酸、单糖等供能：细胞内氨基酸、脂肪酸、单糖等供能物质在一系列酶的作用下，消耗物质在一系列酶的作用下，消耗O2，产生，产生CO2和水和水，放出能量的过程称为，放出能量的过程称为细胞氧化作用细胞氧化作用，此过程中细，此过程中细胞要摄取胞要摄取O2排出排出CO2，故又称为，故又称为细胞呼吸（细胞呼吸（cellula

13、r respiration）作用）作用。 能量转换能量转换：物质的化学能：物质的化学能 高能磷酸键（高能磷酸键（ATP） 酶酶第三节第三节 线粒体的功能线粒体的功能第25页/共67页v动物细胞动物细胞80%的的ATP来源于线粒体。来源于线粒体。第26页/共67页第27页/共67页细胞有氧呼吸可分为四个主要步骤：细胞有氧呼吸可分为四个主要步骤： 糖酵解糖酵解 细胞质细胞质 乙酰辅酶乙酰辅酶A的形成的形成 基质基质 三羧酸循环三羧酸循环 内膜内膜 线粒体线粒体 电子传递偶联氧化磷酸化电子传递偶联氧化磷酸化 内膜内膜 线粒体是线粒体是细胞氧化细胞氧化的主要基地，的主要基地，产生产生ATP的主的主要场

14、所。要场所。 细胞生命活动所需的能量由细胞生命活动所需的能量由95%来自线粒来自线粒体。体。第28页/共67页第29页/共67页Mitochondrial function第30页/共67页第31页/共67页 以葡萄糖为例来说明以葡萄糖为例来说明 1. 无氧酵解（细胞质中）无氧酵解（细胞质中） l 分子葡萄糖分子葡萄糖 2 分子丙酮酸分子丙酮酸+ 2分子分子ATP 2. 乙酰辅酶乙酰辅酶A的形成的形成 丙酮酸丙酮酸+辅酶辅酶A 乙酰辅酶乙酰辅酶A+CO2第32页/共67页3. 三羧酸循环三羧酸循环第33页/共67页4、电子传递偶联氧化磷酸化：、电子传递偶联氧化磷酸化： 就是将三羧酸循环脱下的氢

15、原子，通过内膜上一系就是将三羧酸循环脱下的氢原子，通过内膜上一系列呼吸链酶系的逐级传递，最后与氧结合成水。电子传列呼吸链酶系的逐级传递，最后与氧结合成水。电子传递过程中释放的能量被用于递过程中释放的能量被用于ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP， 将生将生物氧化释放的能量转移到物氧化释放的能量转移到ATP的高能磷酸键中的高能磷酸键中。 呼吸链呼吸链（respiratory chain）传递电子，故又称为）传递电子，故又称为电电子传递链子传递链（electron transport chain），它是一组酶复合），它是一组酶复合体，由许多递氢体和传电子体按照一定排列顺序组成的体，由许多递氢体和传电子

16、体按照一定排列顺序组成的传递体系，分布并嵌在线粒体的内膜上，包括辅酶传递体系，分布并嵌在线粒体的内膜上，包括辅酶（NAD）、黄酶（）、黄酶（FAD、FMN）、辅酶）、辅酶Q和细胞色素和细胞色素b、c1、c、a、a3。 第34页/共67页第35页/共67页电子传递与电子传递与ATP的合成是如何偶联的问题的合成是如何偶联的问题：化学渗透假说化学渗透假说 当高能电子沿呼吸链从一个复合物传当高能电子沿呼吸链从一个复合物传递至另一个复合物时，释放的能量，使递至另一个复合物时，释放的能量，使质子（质子（H+）通过）通过质子泵质子泵从线粒体内膜从线粒体内膜的基质侧泵至膜间腔。的基质侧泵至膜间腔。因为线粒体内

17、膜对因为线粒体内膜对H+不能自由通透，不能自由通透，因此在内膜两侧形成因此在内膜两侧形成电化学质子梯度电化学质子梯度，膜内侧（），膜外侧（膜内侧（），膜外侧（+），在电化），在电化学质子梯度中学质子梯度中蕴藏了能量蕴藏了能量。第36页/共67页泵出的泵出的H+有顺浓度差返回基质的趋向，当它们通过有顺浓度差返回基质的趋向，当它们通过ATP合成酶的质子通道进入基质时，合成酶的质子通道进入基质时，ATP合成酶利用电化学质合成酶利用电化学质子梯度的能量催化子梯度的能量催化ADP与与Pi合成合成ATP，使释放的能量以，使释放的能量以高能高能磷酸键的形式储存于磷酸键的形式储存于ATP中中 ADP+Pi+能

18、量能量ATP 第37页/共67页第38页/共67页第39页/共67页Chemiosmotic Theory第40页/共67页第四节第四节 线粒体的半自主性线粒体的半自主性 1963年，纳斯（年，纳斯（Nass）等在鸡胚肝细胞线粒体中）等在鸡胚肝细胞线粒体中发现有环状发现有环状DNA分子，称分子，称线粒体线粒体DNA（mtDNA）。 进一步研究发现，线粒体有自己的遗传系统和蛋进一步研究发现，线粒体有自己的遗传系统和蛋白质合成体系。但它只编码少量线粒体蛋白质，大白质合成体系。但它只编码少量线粒体蛋白质，大多数蛋白质还是由核多数蛋白质还是由核DNA编码，线粒体基因的复制编码，线粒体基因的复制与表达所

19、需的许多酶，也是由核与表达所需的许多酶，也是由核DNA所提供的。所所提供的。所以，以，线粒体具有半自主性线粒体具有半自主性(semiautonomous organelle）。 线粒体是动物细胞质中唯一含有核外遗传物质的线粒体是动物细胞质中唯一含有核外遗传物质的细胞器。细胞器。第41页/共67页 一、线粒体一、线粒体DNA （mtDNA） 一般呈环状，不与组蛋白结合，是裸露的。一一般呈环状，不与组蛋白结合，是裸露的。一个线粒体中可有个线粒体中可有1个或几个个或几个DNA分子。分子。 人人mtDNA基因组的结构基因组的结构:碱基组成：碱基组成：人为人为16571个碱基对，双链环状分子。个碱基对，

20、双链环状分子。DNA的结构：的结构：由两条链组成由两条链组成 一条是重链（一条是重链（H链），分子量大，链），分子量大，G多多 一条是轻链（一条是轻链（L链），分子量小，链），分子量小，C多多第42页/共67页mtDNA的复制：的复制：mtDNA具有自我复制的能力，具有自我复制的能力，而且也是半保留复制，而且也是半保留复制，mtDNA复制在间期进行，复制在间期进行，甚至整个细胞周期都可复制。甚至整个细胞周期都可复制。 编码的基因：编码的基因：两条链共编码两条链共编码37个基因，编码个基因，编码22种种tRNA，2种种rRNA，13种蛋白质。线粒体基因种蛋白质。线粒体基因所编码的蛋白质都参与线粒

21、体的组成或与线粒所编码的蛋白质都参与线粒体的组成或与线粒体的功能有关。体的功能有关。第43页/共67页第44页/共67页二、线粒体的蛋白质合成系统二、线粒体的蛋白质合成系统 线粒体内进行蛋白质生物合成所必须的各种线粒体内进行蛋白质生物合成所必须的各种RNA（rRNA、tRNA、mRNA）都是线粒体所特）都是线粒体所特有的。在转录过程中所需的有的。在转录过程中所需的RNA聚合酶是由核聚合酶是由核DNA编码并在细胞质中合成的。编码并在细胞质中合成的。 核糖体的蛋白质是由核核糖体的蛋白质是由核DNA所编码的，在细胞所编码的，在细胞质游离核糖体上合成后再转运到线粒体内装配成质游离核糖体上合成后再转运到

22、线粒体内装配成线粒体核糖体的。线粒体核糖体的。第45页/共67页第46页/共67页线粒体线粒体RNA聚合酶可被菲啶溴红（聚合酶可被菲啶溴红（E.B.）等原核细胞）等原核细胞RNA聚合酶抑制剂所抑制，但真核细胞聚合酶抑制剂所抑制，但真核细胞RNA聚合酶抑制剂如聚合酶抑制剂如-鹅鹅膏覃碱，对它却没有抑制作用。膏覃碱，对它却没有抑制作用。蛋白质合成过程中对药物的敏感性不同：如放线菌酮可抑蛋白质合成过程中对药物的敏感性不同：如放线菌酮可抑制细胞质核糖体蛋白质合成，但不能抑制线粒体核糖体蛋白制细胞质核糖体蛋白质合成，但不能抑制线粒体核糖体蛋白质合成；而氯霉素和红霉素可抑制线粒体蛋白质合成，但对质合成；而

23、氯霉素和红霉素可抑制线粒体蛋白质合成，但对细胞质蛋白质合成却无影响；细胞质蛋白质合成却无影响；mRNA的转录和翻译两个过程几乎在同一时间和地点进行的转录和翻译两个过程几乎在同一时间和地点进行；线粒体蛋白质合成的起始线粒体蛋白质合成的起始tRNA为为N-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰tRNA，与原核细胞一样，而在真核细胞中，起始与原核细胞一样，而在真核细胞中，起始tRNA为甲硫氨酰为甲硫氨酰tRNA。线粒体蛋白质的合成与真核细胞不同：线粒体蛋白质的合成与真核细胞不同：第47页/共67页蛋白质合成抑制剂结合位点蛋白质合成抑制剂结合位点第48页/共67页 二者是相互协作的关系：线粒体需要的百余种二者是相互

24、协作的关系：线粒体需要的百余种蛋白质都是由细胞核蛋白质都是由细胞核DNA编码。虽然线粒体编码。虽然线粒体rRNA是从是从mtDNA转录而来的，但是组成线粒体核糖体转录而来的，但是组成线粒体核糖体的蛋白质也是由核基因编码。的蛋白质也是由核基因编码。 线粒体有自己的线粒体有自己的DNA和蛋白质合成体系。遗传和蛋白质合成体系。遗传系统能独立地进行蛋白质合成，但线粒体基因组的系统能独立地进行蛋白质合成，但线粒体基因组的复制、转录与翻译受核遗传系统的指导和控制，所复制、转录与翻译受核遗传系统的指导和控制，所以线粒体的遗传系统是半自主性的。以线粒体的遗传系统是半自主性的。 三、线粒体遗传系统与细胞遗传系统

25、的相互关系三、线粒体遗传系统与细胞遗传系统的相互关系第49页/共67页第50页/共67页第51页/共67页线粒体的增殖方式线粒体的增殖方式A：间壁分离：间壁分离 B：收缩分离：收缩分离 C：出芽分离：出芽分离 v线粒体的增殖线粒体的增殖以分裂的方式：以分裂的方式：第52页/共67页第53页/共67页第54页/共67页 线粒体结构和功能很复杂，细胞内、外环境因素的线粒体结构和功能很复杂，细胞内、外环境因素的改变可以引起它的数量、分布、结构、功能以及代谢反应改变可以引起它的数量、分布、结构、功能以及代谢反应等的异常，进而影响细胞乃至机体的生命活动甚至导致疾等的异常，进而影响细胞乃至机体的生命活动甚

26、至导致疾病。病。一、线粒体病一、线粒体病 由于由于mtDNA异常而导致呼吸链电子传递或氧化磷酸化异常而导致呼吸链电子传递或氧化磷酸化功能缺陷等引起的疾病称线粒体基因病，简称线粒体病。功能缺陷等引起的疾病称线粒体基因病，简称线粒体病。 已发现的有已发现的有100多种线粒体病。例如线粒体心肌病、线多种线粒体病。例如线粒体心肌病、线粒体肌病、线粒体脑肌病等。这类病的共同特点都是粒体肌病、线粒体脑肌病等。这类病的共同特点都是mtDNA异常，导致肌细胞内线粒体缺少某些酶，引起线粒异常，导致肌细胞内线粒体缺少某些酶，引起线粒体基质的转运、氧化磷酸化障碍，使肌细胞功能改变，发体基质的转运、氧化磷酸化障碍，使

27、肌细胞功能改变，发生疾病。生疾病。 第五节第五节 线粒体与医学线粒体与医学第55页/共67页人心肌细胞的线粒体人心肌细胞的线粒体线粒体肿胀线粒体肿胀线粒体空泡化（心肌缺氧）线粒体空泡化（心肌缺氧）线粒体增生显著线粒体增生显著第56页/共67页（一）异质性：（一）异质性：细胞中细胞中mtDNA存在突变型与野生存在突变型与野生型两种类型，即异质性。只有当突变的型两种类型，即异质性。只有当突变的mtDNA逐渐积逐渐积累，其比例达到一定程度才能引起疾病。累，其比例达到一定程度才能引起疾病。（二）特异性：（二）特异性：主要侵犯代谢旺盛、需能高的组织主要侵犯代谢旺盛、需能高的组织，如神经细胞、肌肉等。，如

28、神经细胞、肌肉等。（三）家族性：（三）家族性：人类人类mtDNA为母性遗传，不遵循为母性遗传，不遵循孟德尔定律，其发病具有家族性。孟德尔定律，其发病具有家族性。线粒体病有以下共同特性：线粒体病有以下共同特性：第57页/共67页 典型的典型的Leber遗传性视神经病（遗传性视神经病（LHON）就是就是mtDNA的多处点突变所引起的视神经病变，患者出现的多处点突变所引起的视神经病变，患者出现视力减退、两眼中央视觉丧失、球后视神经炎，甚至视力减退、两眼中央视觉丧失、球后视神经炎，甚至可伴有心脏传导阻滞和脑肌病。可伴有心脏传导阻滞和脑肌病。 mtDNA的大片段缺失可出现多个基因的缺陷，如的大片段缺失可

29、出现多个基因的缺陷，如Kerans-Sayre综合征（综合征（KSS）就是由于不同范围的就是由于不同范围的mtDNA缺失引发的疾病，表现为眼外肌瘫痪、视网膜缺失引发的疾病，表现为眼外肌瘫痪、视网膜色素变性和心脏传导阻滞三联症。色素变性和心脏传导阻滞三联症。mtDNA异常的原因：点突变和大片段缺失。异常的原因：点突变和大片段缺失。第58页/共67页 试验发现，一些致癌物质与试验发现，一些致癌物质与mtDNA的结合率的结合率高于核高于核DNA，认为致癌物质使，认为致癌物质使mtDNA发生突变是发生突变是细胞癌变原因之一。细胞癌变原因之一。 肿瘤组织代谢的一个显著特点是细胞呼吸能肿瘤组织代谢的一个显著特点是细胞呼吸能力减弱，酵解增加，细胞内线粒体数目较相应组力减弱，酵解增加，细胞内线粒体数目较相应组织少，电子传递链酶系和织少，电子传递链酶系和ATP含量均减少。含量均减少。二、线粒体与肿瘤的关系二、线粒体与肿瘤的关系第59页/共67页 细胞中线粒体的数量随年龄而减少，而体积却细胞中线粒体的数量随年龄而减少，而体积却随年龄而增大。研究发现，几种退化性疾病，如帕随年龄而增大。研究发现，几种退化性疾病，如帕金森金森(Parkinson)病，以及衰老现象均与病，以及衰老现象均与mtDNA有关有关。 线粒体是细胞内自由基的重要来源。线粒体是细胞内自由基的重要来源