第六章_线粒体ppt课件

1、第7章 线 粒 体 Mitochondria 第一节线粒体构造与细胞能量转换第一节线粒体与医学的关系第一节线粒体相关问题及其研讨动态 本章要求1了解线粒体的形状，掌握超微构造2初步掌握线粒体的功能3重点掌握线粒体的半自主性nR. Altaman(1894)发现nBenda(1897)命名-mitochondrionnL. Michaelis(1900)用Janus Green B 染色，发现线粒体具有氧化作用。线粒体膜蛋白复合物II的精细构造n 我国科学家在世界上率先解析了线粒体膜蛋白复合物II的精细构造，并填补了线粒体构造生物学和细胞生物学领域的空白。n膜蛋白复合物的发现，为研讨嗜铬细胞瘤、

2、副神经节瘤和李氏症等与人类相关的线粒体疾病提供了真实可用的模型。n研讨成果已在发表线粒体膜蛋白复合物线粒体膜蛋白复合物=构造构造一. 线粒体的形状、大小、分布和数量1、形状与大小：形状光镜下多种多样，有线状，短杆状，粒状，圆形，哑铃形等。与细胞种类和生理形状有关。 在一定条件下，形状可逆如：低渗环境呈颗粒状 高渗环境呈线状 线粒体的形状大小 普通直径在0.51.0m，长3m，最长的810m。 与细胞种类、生理形状及环境条件有关。2、 数目与分布 数目：哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体，正常细胞普通有10002000个线粒体 。最多的达50万个。与细胞种类和生理形状有关。 普通规律：新陈代谢旺盛，

3、需求能量较多，线粒体多心肌细胞、肝细胞、骨骼细胞等 分布 与细胞种类和生理形状有关。线粒体普通均匀分布。但有些细胞分布有一定的规律，通常分布在功能旺盛，需能较多的部位。均匀分布线粒体可以向细胞功能旺盛的区域迁移，线粒体可以向细胞功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。微管是其导轨、马达蛋白提供动力。 精子鞭毛区精子鞭毛区的线粒体的线粒体在肾细胞中在肾细胞中接近微血管接近微血管16000倍倍线粒体可以向细胞功能线粒体可以向细胞功能旺盛的区域迁移，微管旺盛的区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提是其导轨、马达蛋白提供动力。供动力。 二、 线粒体的化学组成及标志酶一化学组成蛋白质，脂类，水等

4、。1、 蛋白质：占线粒体干重的6570%， 内膜含量最多。线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1内膜；1:1外膜 可溶性基质中的酶，外周蛋白 膜外表 不溶性膜镶嵌蛋白，构造蛋白， 酶蛋白等 2、脂类：占线粒体干重的2530%，以磷脂为主。 外膜：脂类52%，蛋白质48% 内膜：脂类24%，蛋白质76%3、水：线粒体中数量最多的一种成分。其功能酶促反响的溶剂 物理介质4、其它：辅酶Q，NAD，FMN。FAD等成分二各部分的标志酶线粒体中约有140多种酶参见表8-1其中氧化复原酶约占37%，衔接酶占10%，水解酶仅占9%。 线粒体各部分的标志酶 外膜单胺氧化酶 膜间腔腺苷酸激酶 内膜琥珀酸脱氢酶

5、基质苹果酸脱氢酶三、 线粒体的超微构造n电镜下：线粒体是由两层单电镜下：线粒体是由两层单n位膜围成的封锁的囊状构造。位膜围成的封锁的囊状构造。n主要分为外膜、内膜、膜间主要分为外膜、内膜、膜间n隙和基质四部分。隙和基质四部分。n还有内膜上的嵴和基粒以及还有内膜上的嵴和基粒以及基质中的线粒体基质中的线粒体DNA。膜间腔膜间腔嵴间腔嵴间腔DNA基粒基粒 外膜外膜内膜内膜核糖体核糖体嵴嵴基质基质基质基质颗粒颗粒线粒体的超微构造 外膜outer membrane 位于线粒体外外表，一层单位膜，光滑，延续，厚67nm。含有很多运输蛋白孔蛋白，通透性较高。允许分子量在5KD以下的分子自在经过。蛋白质和脂类

6、之比为1：1 标志酶为单胺氧化酶。outer membraneInner membraneporin外膜的孔蛋白外膜的孔蛋白(porin)，由由片层构成，孔径片层构成，孔径2-3nm的桶状构造，通的桶状构造，通透性较高。能可逆地透性较高。能可逆地封锁。封锁。 内膜inner membrane 位于外膜的内侧，一层单位膜，厚56nm，通透性很低富含心磷脂，但有高度的选择性。 蛋白质与脂类的比例为3.8 1。 电子传送及氧化磷酸化酶系统都位于内膜中。4 嵴cristae 线粒体内膜向内折叠构成管线粒体内膜向内折叠构成管状或片层状构造。状或片层状构造。嵴膜的组分和功能与内膜一样嵴膜的组分和功能与内膜

7、一样嵴嵴 cristae n添加了内膜的外表积。n嵴的主要类型：板层状和小管状。n嵴是线粒体中形状学上变化最大的构造，具有特征性。n嵴的数目与细胞的生理形状有亲密关系。 嵴的各种形状嵴的各种形状基粒基粒elementary particle 位于内膜和嵴膜的基质面上带柄的圆形颗粒，是偶联磷酸化的关键安装，其本质是ATP酶复合体。组成： 头部 柄部 基片 3、 膜间腔或外腔inter membrane space 内、外膜之间的封锁间隙，宽内、外膜之间的封锁间隙，宽68nm，其中有可溶性酶，底物等。，其中有可溶性酶，底物等。 嵴内腔 由嵴膜包围，与膜间腔外腔相通。 7 嵴间腔嵴与嵴之间的腔，也称

8、内腔或内室。其内充溢线粒体基质。4、 基质内腔中充溢三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类。 基质颗粒 位于基质中的一种3050的nm较大的颗粒，能调理线粒体内离子环境。 核糖体 存在于内腔中。 DNA 线粒体的DNA，存在于内腔中。 线粒体内、外膜上的转位接触点线粒体内、外膜上的转位接触点膜间腔膜间腔嵴间腔嵴间腔DNA基粒基粒 外膜外膜内膜内膜核糖体核糖体嵴嵴基质基质基质基质颗粒颗粒四、线粒体四、线粒体的功能的功能 主要功能：是细胞有氧呼吸的基地和供能的场所，供应细胞生命活动约95%的能量氧化能源物质，进展能量转换，合成ATP一细胞呼吸一细胞呼吸 cellular respirationn定义

9、：依托酶的催化，O2将细胞内各种供能物质糖、脂肪、氨基酸等氧化并释放能量的过程。n也称细胞氧化。n细胞呼吸细胞氧化的过程细胞呼吸细胞氧化的过程糖酵解糖酵解细胞质细胞质基质基质乙酰乙酰CoA生成线粒生成线粒体基质体基质三羧酸循三羧酸循环环(线粒体基线粒体基质质)电子传送和电子传送和氧化磷酸化氧化磷酸化(线线粒体内膜上粒体内膜上)ATP的合成的合成(线粒体内膜线粒体内膜 上上) 糖酵解 在细胞质基质中进展 脱掉2H进入呼吸链 酵解酶系 1分子葡萄糖 2分子丙酮酸+2ATP 乙酰CoA生成：在线粒体基质中进展，氧化脱羧同时脱掉2H进入呼吸链 丙酮酸脱氢酶系 丙酮酸+辅酶A 乙酰CoA三羧酸循环TAC

10、在线粒体基质中进展， 脱掉42H 3次由NAD + 接受，1次由FAD +接受，1次底物程度磷酸化。一分子葡萄糖共生成10个NADH和2个FADH2乙酰CoA+草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸 苹果酸延胡索酸琥珀酸 该过程底物程度磷酸化生成2ATP氧化磷酸化氧化磷酸化oxidative phosphorylation 定义：伴随电子传送链的氧化过程所进展的能量定义：伴随电子传送链的氧化过程所进展的能量转换和转换和ATP的生成就是氧化磷酸化。该过程产生的生成就是氧化磷酸化。该过程产生34ATP。 线粒体内构成线粒体内构成ATP，并储存能量。，并储存能量。1分子葡萄糖分子葡萄糖彻底氧化生成彻底氧化生成CO2

11、和和H2O，净产生，净产生 38 ATP。n生物氧化产生ATP的统计 一个葡萄糖分子经过细胞呼吸产生多少ATP？ 糖酵解：底物程度磷酸化产生 4 ATP细胞质 己糖分子活化耗费 2 ATP细胞质 产生2NADH，经电子传送产生4或6ATP线粒体净积累 6或8 ATP 乙酰辅酶A构成：产生 2NADH线粒体，生成6ATP 三羧酸循环：底物程度的磷酸化产生线粒体2ATP； 产生 6NADH线粒体，生成18ATP； 产生 2FADH2线粒体，生成4ATP n总计生成 36或38 ATP 葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoA三羧酸三羧酸循环循环42H电子传送链电子传送链2e+2H+1/2O2H2O2

12、ATP2ATP34ATP2H2H细胞氧化和能量转换表示图细胞氧化和能量转换表示图38ATPCO2CO2ATP的合成的合成统计统计二细胞的能量货币二细胞的能量货币ATPn生物氧化所产生的能量大约有生物氧化所产生的能量大约有4050%以化学能方式储存于以化学能方式储存于ATP中。中。A-PPPA-PP+Pi+1.72KJ去磷酸化去磷酸化磷酸化磷酸化1、ATP的含义的含义 ATP也叫三磷酸腺苷，细胞就是经也叫三磷酸腺苷，细胞就是经过过ATP的磷酸化和去磷酸化来实现细胞的磷酸化和去磷酸化来实现细胞内能量的储存和释放的。内能量的储存和释放的。2、ATP的作用nATP是供能者nATP是能量货币nATP是细

13、胞的能量获得、转换、 n 储存和利用的枢纽。3、产生途径、产生途径n1氧化磷酸化占细胞ATP来源的80%以上。n2底物程度磷酸化只占细胞ATP来源的1020%以上。三呼吸链respiratory chain)与电子传送及能量释放NADH和和FADH2中的能量是如何转换合成中的能量是如何转换合成ATP的？的？1、呼吸链概念、组成及其定位、呼吸链概念、组成及其定位电子传送链呼吸链可比做放能安装电子传送链呼吸链可比做放能安装它是一它是一组酶的复合体，分布并镶嵌在线粒体内膜上，它组酶的复合体，分布并镶嵌在线粒体内膜上，它包括递氢体复合物包括递氢体复合物I、III、IV 、和递电子体、和递电子体辅酶辅酶

14、Q、细胞色素、细胞色素b、c1、c、a、a3和铁硫蛋和铁硫蛋白，在线粒体内膜上电子逐级传送过程中，完白，在线粒体内膜上电子逐级传送过程中，完成氧化复原并释放能量。成氧化复原并释放能量。 电子传送链：电子传送链：NADHNADH呼吸链呼吸链: :由复合体由复合体、及及CoQCoQ、CytcCytc组成组成FADH2FADH2呼吸链：复合体呼吸链：复合体、及及CoQCoQ、CytcCytc组成组成1. NADH氧化呼吸链氧化呼吸链NADH 复合体复合体Q 复合体复合体Cyt c 复合体复合体O22. 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸琥珀酸 复合体复合体 Q 复合体复合体Cyt c 复合体复

15、合体O2* 泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。均不包含在上述四种复合体中。泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。均不包含在上述四种复合体中。NADH-CoQNADH-CoQ复原酶复原酶复合体复合体琥珀酸琥珀酸-CoQ-CoQ复原酶复原酶复合体复合体CoQ-CoQ-细胞色素细胞色素c c复原酶复原酶复合体复合体细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶复合体复合体2、呼吸链的复合物NADH脱氢酶脱氢酶传送电子和质子传送电子和质子只传送电子只传送电子传送电子和质子传送电子和质子传送电子和质子传送电子和质子化学浸透假说化学浸透假说(chemiosmotic hypot

16、hesis) 当电子沿呼吸链传送时，所释放的能当电子沿呼吸链传送时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间腔，由量将质子从内膜基质侧泵至膜间腔，由于内膜对质子是不通透的，因此质子浓于内膜对质子是不通透的，因此质子浓度和跨膜电位构成了电化学质子梯度。度和跨膜电位构成了电化学质子梯度。 当质子经过当质子经过ATP合酶顺浓度梯度回流时合酶顺浓度梯度回流时驱动驱动ADP与与Pi生成生成ATP 。电子传送与电子传送与ATP合成是两件相关而又不同合成是两件相关而又不同的事件的事件膜应具有完好性膜应具有完好性有定向的生物化学反响有定向的生物化学反响质子动力势是质子动力势是ATP合成的动力合成的动力电化学质子

17、梯度电化学质子梯度electrochemical proton gradient Chemiosmotic Theory线粒体基质线粒体基质 线粒体内膜线粒体内膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学浸透假说简单表示图化学浸透假说简单表示图膜间腔膜间腔线粒体外膜线粒体外膜氧化氧化磷酸化磷酸化质子电化学梯度质子电化学梯度氧化磷酸化偶联氧化磷酸化偶联 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 + + +

18、 + + + + + + + - - - - - - - - - 化学浸透假说详细表示图化学浸透假说详细表示图四基粒四基粒elementary particle与能量转换与能量转换n分子量约分子量约500kD500kD状如蘑菇。状如蘑菇。n头部：球形，含有可溶性头部：球形，含有可溶性ATPATP酶酶(F1)(F1)。n 功能是合成功能是合成ATPATP。n柄部：对寡霉素敏感的蛋白柄部：对寡霉素敏感的蛋白OSCPOSCP。n 功能是调控质子通道。功能是调控质子通道。n基片：疏水蛋白基片：疏水蛋白HPHP，又称偶联因子，又称偶联因子F0,F0,n 功能是质子的通道。功能是质子的通道。膜间腔膜间腔嵴

19、内腔嵴内腔嵴间腔嵴间腔基粒基粒 F1F0转子转子能量转换能量转换n 在线粒体内膜上电子传送过程中，将氧化反响释放的能量转化成细胞可利用的ATP的过程。人体内线粒体的外表积约有14万平方米，每天约能合成65千克的ATP。当当H+顺浓度递度经顺浓度递度经F0中中a亚基和亚基和c亚基之间回流时，亚基之间回流时，亚基发生旋转，亚基发生旋转，3个个亚基亚基的构象发生改动。的构象发生改动。ATP合酶的任务机制合酶的任务机制123线粒体能量转换过程略图线粒体能量转换过程略图五、线粒体的半自主性 semiautonomy一线粒体一线粒体DNADNA 1.mtDNA 1.mtDNA 外形、大小外形、大小 双链环

20、状双链环状mtDNAmtDNA大小动物变化不大大小动物变化不大人人mtDNAmtDNA：16,569bp16,569bp，3737个基因个基因( (编码编码12S,16S rRNA12S,16S rRNA；2222种种tRNAtRNA；1313种多肽种多肽) )2. mtDNA的构造特征的构造特征人mtDNA双链闭环分子，外环(H链)，内环(L链)。3.3.线粒体线粒体DNADNA的复制的复制nmtDNAmtDNA以半保管方式进展自我复制。以半保管方式进展自我复制。复制时的复制时的DNADNA聚合酶由核聚合酶由核DNADNA编码。编码。nmtDNAmtDNA复制的时间主要在细胞周期的复制的时间

21、主要在细胞周期的S S期及期及G2G2期，期，DNADNA先复制，随后线粒先复制，随后线粒体分裂。体分裂。二线粒体蛋白质合成二线粒体蛋白质合成线粒体蛋白质合成与原核生物一样线粒体蛋白质合成与原核生物一样 mRNA的转录和翻译在同一时间和地点进展。的转录和翻译在同一时间和地点进展。线粒体蛋白质合成的起始线粒体蛋白质合成的起始tRNA为甲酰甲硫氨为甲酰甲硫氨酰酰tRNA线粒体的蛋白质合成系统对药物的敏感性与细线粒体的蛋白质合成系统对药物的敏感性与细菌一致，而与细胞质系统不一致菌一致，而与细胞质系统不一致 如氯霉素抑制细菌和线粒体的蛋白质合成，如氯霉素抑制细菌和线粒体的蛋白质合成，而不抑制细胞质的蛋

22、白质合成。而不抑制细胞质的蛋白质合成。线粒体的蛋白质合成与真核细胞不同线粒体的蛋白质合成与真核细胞不同2、线粒体的半自主性 semiautonomy 自主性 1 具有双链环状mtDNA。 2具有蛋白质合成系统包括mtDNA编码的mtmRNA、mttRNA、mtrRNA、核糖体及蛋白质合成的相关酶类。 3部分遗传密码与通用的遗传密码不同“通用密码与线粒体遗传密码的差别 密码“通用”密码哺乳类线粒体编码酵母线粒体编码UGA终止色氨酸色氨酸AUA异亮氨酸蛋氨酸蛋氨酸CUA亮氨酸亮氨酸苏氨酸AGA精氨酸终止苏氨酸AGG精氨酸终止精氨酸 非自主性1 mtDNA所含信息量小 2 mtDNA编码的蛋白质仅占

23、线粒体中蛋白质的510%，其他的蛋白质由核基因编码。3线粒体遗传系统受控于核遗传系统。 线粒体蛋白线粒体蛋白质合成体系质合成体系对核基因组对核基因组具有依赖性具有依赖性六、线粒体的增殖和来源六、线粒体的增殖和来源n 一线粒体的增殖n普遍以为线粒体依托本身分裂或出芽进展增殖。n增殖分裂方式：n 间壁分别鼠肝细胞的线粒体n 收缩分别酵母的线粒体n 出芽分裂酵母的线粒体 间壁分别收缩分别收缩分别二线粒体的来源二线粒体的来源1.1.内共生假说内共生假说线粒体是由于共生原始真核细胞内的细线粒体是由于共生原始真核细胞内的细菌演化而来。菌演化而来。根据根据1 1线粒体线粒体DNADNA与细菌类似与细菌类似

24、2 2线粒体线粒体7070核糖体与细菌一样核糖体与细菌一样 3 3线粒体蛋白质合成接近于细菌线粒体蛋白质合成接近于细菌 4 4线粒体内膜与细菌质膜类似线粒体内膜与细菌质膜类似 5 5线粒体的增殖与细菌一样线粒体的增殖与细菌一样2.非内共生假说真核细胞的前身为进化程度高的需氧细菌线粒体的发生是质膜内陷的结果。根据：1细菌的中膜体与线粒体相 似呼吸酶系 2质粒DNA与线粒体DNA类似第二节第二节 线粒体与疾病线粒体与疾病n1988年Wallace在研讨Leber氏遗传性视神经病的发病机理时发现，该病是由于mtDNA突变所致。n近10年，已发现了100余种与mtDNA突变有关的疾病线粒体遗传病。什么是线粒体病？什么是线粒体病？n线粒体病是一大类以线粒体功能异常为特征、累及多系统的临床异质性疾病。n主要表现以中枢神经系统、骨骼肌和心肌等能量需求较高的组织损害为主。二、线粒体病的特点n1线粒体疾病是母系遗传的n2线粒体疾病具有阈值效应n3线粒体疾病表现为随着年龄的添加而逐渐加重。三、线粒体疾病致病机制n线粒体DNA的缺陷所呵斥的疾病n包括线粒体DNA反复、缺失及点突变。表现为电子传送酶系和氧化磷酸化酶