大二上学期课件-细胞线粒体发现与起源

线粒体mitochondria细胞生物学系

孙

娇joutline线粒体的生物学特征线粒体的假说线粒体与细胞及线粒体与医学线粒体的发现与形态、结构、数量、分布•mtDNA的结构半自主性一、线粒体的发现与德国生物学家Rudolph

Kölliker

第一个发现线粒体，并推测这种颗粒是由半透性的膜包被的。1856至1857年，Kölliker

描述了肌肉的“肌粒”，他认为肌粒是一种独立的实体，与细胞质的其他部分没有直接联系。1880年，

Kölliker

从昆虫横纹肌中分离出来线粒体，并线粒体具有自身的界面膜，以此与细胞其他结构分隔开来。1897至1898，vonBenda首先提出mitochondrion一词，由希腊词根mitos（线）和chondrion（颗粒）构成。一、

线粒体的发现与1900年，Leonor Michaelis用

Janus green对肝细胞进行 染色。线粒体含有细胞色素氧化酶系，致使Janus

green

Ｂ处于氧化状态，因而把线粒体染成蓝绿色，粒体四周细胞质内的处于还原状态，于是形成无色的背景，从而把染成蓝绿色的线粒体衬托出来。发现细胞消耗氧之后，线粒体的颜色逐渐了，从而提示线粒体具有氧化还原反应的作用。一、

线粒体的发现与1934年细胞学家Bensley和Hoerr使用离心法试图从肝脏匀浆中把线粒体分离出来，但不是非常成功。1946年，Claude使用0.88mol/L蔗糖作为离心基液，成功分离出线粒体，并保持原有的正常形态和活性。1948 Green证实线粒体含所有三

的酶，

1949Kennedy和Lehninger发现脂肪酸氧化为CO2的过程是粒体内完成的，1976Hatefi等纯化了呼吸链四个独立的复合体，Mitc

（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说，从而证明了线粒体是真核生物进行能量转换的主要部位。An

TEM

image

of

mitochondrion二、

线粒体的生物学特征形态多样性成纤蝙蝠肝脏细胞棒状线粒体（一）形态线状粒状短粒状（低渗膨胀）线状（高渗伸长）长（生长）形态多变性（一）形态线粒体超微结构：外膜内膜膜间腔（外腔）基质（内腔）（二）结构外膜基质（内腔）嵴膜间腔（外腔）内腔（与基质相通）（内腔）内膜基粒（二）结构基粒的结构基片头部（ATP酶复合体）基粒

柄部基片（

膜中）基粒是氧化磷酸化的结构部位，其化学本质是F0F1ATP酶ADP+Pi头部（ATP酶复合体）ATP柄部（二）结构首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒体质)仍结合在一起，通过离心可将线粒体质分离。用去垢剂毛地黄皂苷处理线粒体质，破坏线粒体内膜，

线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有F1颗粒。嵴的作用是扩大内膜的面积；使基质区域化。（二）结构嵴的形态多样羽冠型

网膜型

绒毛型

平行型

同心园型新陈代谢旺盛、需要能量较多的细胞,线粒体的数目就较多，如心肌细胞、肝细胞、骨骼肌细胞、肾小管上皮细胞等。新陈代谢较低,需要能量较少的细胞，线粒体的数目就较少，如淋巴细胞、细胞。当细胞处于病变、体温过高或细胞基质酸性过高的环境下，线粒体易溶解或因过度膨裂而使其数目减少。（三）分布（三）分布多分布在细胞功能旺盛的区域，可向这些区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。Mitochondria

distributed

in

skeletal

muscle鼠动脉平滑肌细胞细胞核染成蓝色，绿色为线粒体，红色为肌动蛋白纤维。尾线粒体围绕着部鞭毛的中轴（四）数量数目多变性：不同细胞中数目不同，约1--50万个不等。一般代谢旺盛细胞中线粒体多，反之则少。心肌细胞线粒体的分布(五）线粒体

增殖（分两个阶段）1.线粒体的膜生长和，然后分mtDNA裂增殖；2.包括线粒体本身的分化过程，建立行使氧化磷酸化功能的机构。生长受细胞核控制分化受线粒体控制线粒体的(电镜结构）（六）线粒体DNA的结构特点1、线粒体

组线粒体内含有DNA分子，被称为人类第25号染色体，是细胞核以外含有遗传信息和表达系统的细胞器，其遗传特点表现为非

遗传方式，又称核外遗传。1981年Anderson等人完成了人类线粒体组的全部核苷酸序列的测定。线粒体组特点:线粒体组全长16569bp22个tRNA2个rRNA7个NADH脱氢酶亚单位的1个细胞色素b2个ATP酶复合体成分3个细胞色素c氧化酶亚单位16569bp编码37个13个mRNA线粒体氧化磷酸有关的蛋白质Mitochondrial

DNA不与组蛋白结合，呈露闭环双链状，因此突变率高,且无DNA修复系统。mtDNA突变率比nDNA高10～20倍。外环为重链（H)，内环为轻链（L)。H链含有28个

，L链含有9个

。编码区各

之间排列极为紧凑，部分区域出现，无启动子和内含子。2、mtDNA为母系遗传卵中的线粒体DNA几乎全都来自于

，来源于精子的mtDNA对表型无明显作用，

这种双

息的不等量表现决定了线粒体遗传病的传递方式不符合

遗传，而

是

表

现

为

母

系

遗

传（maternal

inheritance），即母亲将mtDNA传递给儿子和女儿，但只有女儿能将其mtDNA传递给下一代。（七）线粒体的半自主性线粒体有独立的遗传系统mtDNA是环状，露，信息量较小，有独立的编码系统,和细菌DNA相似。mtDNA可进行自我，转录自己的mRNA、tRNA、rRNA有自己的核糖体，能独立合成线粒体蛋白质（电子传递链酶复合体中的亚基：细胞色素

C氧化酶、ATP酶复合体F0的亚基等）mtDNA所用遗传和“通用”的遗传不完全相同（七）线粒体的半自主性线粒体遗传系统受核遗传系统的制约1.mtDNA

所需的

DNA聚合酶是由核DNA编码的，线粒体的遗传系统受控于细胞核遗传系统2.90%的线粒体蛋白质由核DNA编码3.线粒体的生长和增殖受两套系统控制线粒体通透性研究将线粒体放在100mM蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线粒体的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线粒体内部蔗糖的平均浓度，结果只有50

mM，比环境中蔗糖的浓度低。据此推测:线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内膜对蔗糖是不通透的线粒体内膜的主动 系统内膜含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于

3:1。心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。①糖酵解产生的NADH必须进入电子传递链参与有氧氧化；②线粒体产生的代谢物质如草酰辅酶A和乙酰辅酶A必须 到细胞质中，它们分别是细胞质中葡萄糖和脂肪酸的前体物质;③线粒体产生的ATP必须进入到胞质溶胶，以便供给细胞反应所需的能量，同时，ATP水解形成的ADP和Pi又要被运入线粒体作为氧化磷酸化的底物。利用膜间隙形成的H+梯度协同。编后线粒体中的蛋白质绝大多数都是核码，在细胞质的游离核糖体上到线粒体的。线粒体定位蛋白质线粒体基质F1ATPase:α亚基(植物除外)、β，γ亚基、δ亚基(某些真菌)RNA聚合酶、DNA聚合酶、核糖体蛋白、柠檬酸

酶、TCA酶系、乙醇脱氢酶(酵母)、鸟氨酸氨基转移酶(哺乳动物)内膜DP-ATP逆向

蛋白、磷酸-OH-逆向

蛋白、细胞色素c氧化酶亚基4，5，6，7、F0

ATPase的蛋白质、CoQH2-细胞色素c

还原酶复合物亚基1，2，5(Fe-S)，6，7，8膜间隙细胞色素c、细胞色素c过氧化物酶、细胞色素b2、CoQH2-细胞色素c还原酶复合物亚基4(细胞色素c1)外膜线粒体孔蛋白线粒体基质蛋白输入线粒体三、线粒体的内共生线粒体

于原始真核细胞内共生的细菌和蓝藻，它们与宿主细胞间形成互利的共生关系，在长期的进化过程中演化为线粒体非共生原始的真核细胞是一种进化程度较高的需氧细菌，参与磷酸化系统位于细胞膜上。随着不断进化，细胞需要增加呼吸功能，因此需要不断增加细胞膜的表面积，增加的膜不断的内陷、折叠、融合，最终演变为线粒体四、线粒体与细胞

及线粒体与医学线粒体与细胞线粒体的主要功能体现在氧化磷酸化系统：产生能量，生成氧

基，调节程序化细胞 ,即细胞凋亡

(apoptosis)。机制：线粒体在能量代谢过程中形成的活性氧水平较高时，线粒体内膜孔道开放，导致跨膜电位，膜间腔蛋白外泄，细胞凋亡程序启动。四、线粒体与细胞

及线粒体与医学线粒体病和发病机制