细胞生物学课程第6章线粒体与细胞的能量代谢-课件

第六章线粒体与细胞的能量代谢第六章线粒体与细胞的能量代谢1第一节线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量和结构二、线粒体的化学组成三、线粒体的遗传体系四、核编码蛋白质的线粒体转运五、线粒体的起源第一节线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量和结构2一、线粒体的形态、数量和结构线粒体的形态、大小、数量和分布，在不同细胞内变化很大，就是同一细胞在不同的生理状态下也不一样。线粒体在生活细胞中具有多形性、易变性、运动性和适应性等特点。◆形状:以线状和颗粒状较为常见，也可见哑铃形等其它形状。◆大小：一般直径0.5-1μm，长1.5-3.0μm，在胰脏外分泌细胞中可长达10-20μm，称巨线粒体。◆数量：从一个至数百个到数千个不等。单细胞鞭毛藻仅1个，酵母细胞具有一个大型分支的线粒体，巨大变形虫达50万个；许多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。线粒体数目还与细胞的生理功能与代谢状态有关。◆分布：以有利于细胞需能部位的能量供应的方式进行。一、线粒体的形态、数量和结构线粒体的形态、大小3（一）形状形状:

以线状和颗粒状较为常见，也可见哑铃形等其它形状。（一）形状形状:以线状和颗粒状较为常见，也可见哑铃形等其它4（二）分布线粒体在细胞中的分布往往靠近ATP用量高的位置，例如：心肌细胞中，线粒体位于靠近收缩器的部位，提供收缩所需的ATP.精子中线粒体位于尾部，围绕鞭毛的中轴，鞭毛运动需要ATP.（二）分布线粒体在细胞中的分布往往靠近ATP用量高的位置，例5（三）超微结构线粒体是由双层单位膜套叠形成的封闭性膜囊结构。线粒体的超微结构按照功能可分为以下几部分空间区隔：外膜(outermembrane）：含孔蛋白(porin)，允许10000以下的分子通过，通透性较高。内膜(innermembrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristae），含有与能量转换相关的蛋白。膜间隙（intermembranespace）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子，利用ATP使其他核苷酸磷酸化。基质（matrix）：含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA,RNA，核糖体。（三）超微结构线粒体是由双层单位膜套叠形成的封闭61.外膜膜厚约5-7nm，含50%的脂类和50%的蛋白质，具有多种转运蛋白，孔蛋白（porin）构成的亲水通道，允许分子量为5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。

1.外膜膜厚约5-7nm，含50%的脂类和50%的蛋白质，具72.内膜厚约4.5nm，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。线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。线粒体膜上与能量转换相关的蛋白：执行氧化反应的电子传递链ATP合成酶线粒体内膜转运蛋白2.内膜厚约4.5nm，含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的8（1）线粒体内膜嵴上的亚单位内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴有两种类型：①板层状、②管状，但多呈板层状。嵴上覆有基粒（elementaryparticle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。基粒又称为ATP合成酶（1）线粒体内膜嵴上的亚单位内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cr9（2）转位接触点在线粒体内外膜上存在一些相互接触的位点，称为转位接触点，主要用于蛋白质等物质进出线粒体的通道。外膜转位子（Tom）：受体蛋白内膜转位子（Tim）：通道蛋白

（2）转位接触点在线粒体内外膜上存在一些相互接触103.基质多种酶类：三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成的酶系。遗传系统：线粒体基因表达酶系、线粒体双链环状DNA,RNA，核糖体。3.基质多种酶类：11二、线粒体的化学组成（一)线粒体组分分离方法（二）线粒体的化学组成（三）线粒体酶的定位二、线粒体的化学组成（一)线粒体组分分离方法12低渗溶液中，水引起外膜崩裂，释放出膜间隙物质。离心得到不能沉淀的部分为膜间隙物质沉淀转移到高渗溶液中引起收缩。密度梯度离心分离出外膜裂解并离心分离出内膜和基质。（一）线粒体组分分离方法膜间隙物质外膜形成的囊泡内膜形成的囊泡基质物质低渗溶液中，水引起外膜崩裂，释放出膜间隙物质。离心得到不能沉13◆蛋白质(线粒体干重的65～70％)-内膜和基质上◆脂类(线粒体干重的25～30％)：·磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。 ·线粒体脂类和蛋白质的比值:内膜0.3:1外膜1:1

◆DNA、RNA、维生素和各类无机离子（二）线粒体的化学组成◆蛋白质(线粒体干重的65～70％)-内膜和基质上（二）线粒14（三）线粒体酶的定位与标志酶部位酶的名称部位酶的名称外膜单胺氧化酶NADH-细胞色素c还原酶（对鱼藤酮不敏感）犬尿酸羟化酶酰基辅酶A合成酶内膜细胞色素b，c，c1，a，a3氧化酶ATP合成酶系琥珀酸脱氢酶β-羟丁酸和β-羟丙酸脱氢酶肉毒碱酰基转移酶丙酮酸氧化酶NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感）膜间隙腺苷酸激酶二磷酸激酶核苷酸激酶基质柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶脂肪酸氧化酶系、天冬氨酸转氨酶、蛋白质和核酸合成酶系、丙酮酸脱氢酶复合物线粒体是含酶最多的细胞器：120多种，分布不同的部位。

（三）线粒体酶的定位与标志酶部位酶的名称部15三、线粒体的遗传与表达体系线粒体是半自主性的细胞器：自身含有遗传表达系统(自主性)；但编码的遗传信息十分有限，其RNA转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息(自主性有限)。三、线粒体的遗传与表达体系线粒体是半自主性的细胞器：16（一）线粒体有自己的基因组

——线粒体DNA线粒体DNA（mtDNA）形状、大小、数量等特征：◆双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA)◆mtDNA大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大（高等植物：120kbp~200kbp）◆人mtDNA：16,569bp，37个基因(编码12S,16SrRNA；22种tRNA；13种多肽：NADH脱氢酶7个亚基，cytb-c1复合物中1个cytb，细胞色素C氧化酶3个亚基，ATP合成酶2个Fo亚基)（一）线粒体有自己的基因组

——线粒体DNA线粒体DNA（m171.线粒体DNA特点无组蛋白结合，DNA裸露。mtDNA分子为环状双链DNA分子，外环为重链（H），内环为轻链（L）。动物mtDNA的周长约5μm，约16.5kb,酵母mtDNA较大；人的mtDNA共编码37个基因。每个线粒体中约5-10个mtDNA。主要编码线粒体的tRNA、rRNA及一些线粒体蛋白质。mtDNA以半保留方式进行自我复制。复制方式类似原核细胞。mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期及G2期，但并不受周期的影响。DNA先复制，随后线粒体分裂。复制仍受核控制。1.线粒体DNA特点无组蛋白结合，DNA裸露。182.线粒体具有与核基因不同的遗传密码2.线粒体具有与核基因不同的遗传密码19（二）线粒体蛋白质合成●线粒体合成蛋白质的种类十分有限●线粒体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性●不同来源的线粒体基因，表达产物既有共性，也存在差异（二）线粒体蛋白质合成●线粒体合成蛋白质的种类十分有限201.线粒体合成蛋白质的种类十分有限线粒体的蛋白质来源两部分：绝大部分（1000多种蛋白质）是由核DNA编码，在细胞质基质的核糖体上合成，再转运到线粒体各部分；少数是由mtDNA编码，在线粒体的核糖体上合成（仅十余种）。人的线粒体DNA编码的多肽为细胞色素c氧化酶的3个亚基，F0的2个亚基，NADH脱氢酶的7个亚基和细胞色素b等13条多肽。酵母线粒体主要酶复合物的生物合成1.线粒体合成蛋白质的种类十分有限线粒体的蛋白质来源两部分：212.线粒体蛋白的合成对核基因具有依赖性复制与转录需胞质提供核基因编码的多聚酶。翻译需要胞质提供核糖体大亚单位和小亚单位的大部分蛋白质与氨基酸。tRNA上氨基酸的连接需要的氨酰化合成酶也是由胞质提供。基质内的三羧酸循环酶系、内膜上的电子传递链蛋白都是胞质合成。2.线粒体蛋白的合成对核基因具有依赖性复制与转录需胞质提供核22四、核编码蛋白质的线粒体转运线粒体DNA编码37个基因，其它约1000个基因产物需由核基因编码并在胞质中合成后转运到线粒体。翻译后转运，胞质合成的线粒体蛋白质由游离的核糖体合成。在转运前，以非折叠的前体形式（N端的导肽+成熟蛋白）存在。线粒体内、外膜之间存在着接触点，信号肽（导肽）牵引蛋白质前体运送时，可通过内外膜的接触点，一步进入基质。四、核编码蛋白质的线粒体转运线粒体DNA编码37个基因，其它23（一）核编码蛋白向线粒体基质中的转运需要条件：（1）基质导入序列（MTS)：

所有在细胞质合成的前体蛋白输入到线粒体基质的N-端一段序列，富含精氨酸、赖氨酸、丝氨酸和苏氨酸的。（2）分子伴侣：保持前提蛋白的非折叠状态NAC:新生多肽复合物，与少数前体蛋白相互作用，增加蛋白质转运的准确性。hsp70：热休克蛋白70，和大多数前体蛋白结合，打开折叠，防止聚集。（一）核编码蛋白向线粒体基质中的转运需要条件：241.转运过程前体蛋白合成后与胞质hsp70蛋白结合，然后结合到线粒体受体蛋白上。前体蛋白在受体帮助下前导序列进入内外膜连接处的蛋白通道内。线粒体内的hsp70蛋白与进入线粒体腔的前导肽链交联结合，阻止了肽链退回细胞质（布朗棘轮模型）线粒体内的基质作用蛋白酶（MPP)切除前导肽序列，肽段在hsp70和hsp10及hsp60的协助下重新折叠成有活性的蛋白。1.转运过程前体蛋白合成后与胞质hsp70蛋白结合，然后结合25（二）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运进入线粒体其他部位（膜间隙、内膜和外膜）的蛋白质，除了具有基质导入序列（MTS)外，一般还有第二类信号序列，它们通过与进入线粒体基质类似的机制进入线粒体其它部位。（二）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运进入线粒体261.进入线粒体膜间隙进入线粒体膜间隙的多肽，有三种情况：具有膜间隙导入序列（ISTS）,在基质导入序列MTS引导下进入基质后，再在ISTS引导下进入膜间隙。ISTS作为转移终止序列，蛋白前体侧向运动插入内膜后切除终止序列进入膜间隙。直接通过外膜上的特定通道进入膜间隙（如细胞色素C通过外膜上的类孔蛋白P70进入膜间隙。1.进入线粒体膜间隙进入线粒体膜间隙的多肽，有三种情况：272.进入线粒体外膜进入外膜的蛋白具有不被切除的N端信号序列，其后还有疏水性序列作为停止转移序列，然后蛋白质被TOM复合体安装到外膜上，如线粒体的各类孔蛋白。2.进入线粒体外膜进入外膜的蛋白具有不被切除的N端信号序列，283.进入线粒体内膜驻留内膜的蛋白前体从Tom复合物出来后与膜间隙的Tim9/Tim10或Tim8/Tim13复合物结合，然后在TIM22复合物（由Tim10、Tim12、Tim18、Tim22和Tim54构成）的催化下插入内膜。3.进入线粒体内膜驻留内膜的蛋白前体从Tom复合物出来后与膜29五、线粒体的生物发生线粒体的增殖具有不同的观点，现在普遍接受的观点是：

原来的线粒体分裂或出芽而来。五、线粒体的生物发生线粒体的增殖具有不同的观点，现在30（一）线粒体分裂增殖图像（一）线粒体分裂增殖图像31（二）线粒体另两种增殖方式（二）线粒体另两种增殖方式32六、线粒体的起源目前普遍接受的假说为内共生学说：线粒体可能起源于与古老的厌氧真核细胞共生的好氧的早期细菌。六、线粒体的起源目前普遍接受的假说为内共生学说：线33（一）内共生起源学说的主要论据◆线粒体基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。◆有自己完整的蛋白质合成系统，蛋白质合成机制有很多类似细菌而不同于真核生物。◆两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似。◆以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。◆能在异源细胞内长期生存，说明线粒体和叶绿体具有的自主性与共生性的特征。（一）内共生起源学说的主要论据◆线粒体基因组在大小、形态和结34（二）内共生假说的不足之处从进化角度，不能解释在代谢上明显占优势的共生体反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞中？线粒体基因组中存在内含子，而真细菌原核生物基因组中不存在内含子，如果同意内共生起源学说的观点，那么线粒体内含子从何发生？（二）内共生假说的不足之处从进化角度，不能解释在代谢上明显占35第二节细胞呼吸与能量转换第二节细胞呼吸与能量转换36一、细胞呼吸细胞呼吸的概念：在特定细胞器（主要是线粒体）内，在O2的参与下，分解各种大分子物质，产生CO2；同时，分解代谢释放的能量储存于ATP中的过程，称为细胞呼吸，也称生物氧化或细胞氧化。一、细胞呼吸细胞呼吸的概念：37（一）细胞呼吸的特点（一）细胞呼吸的特点38（二）细胞的能量转换（二）细胞的能量转换39有氧呼吸场所反应物产物释能第一阶段（糖酵解）第二阶段（三羧酸循环）第三阶段（氧化磷酸化）细胞质基质葡萄糖丙酮酸[H]少量丙酮酸CO2、[H]少量[H]、O2H2O大量线粒体线粒体（三）有氧呼吸三个阶段的比较有氧呼吸场所反应物产物释能第一阶段第二40（四）第一阶段——糖酵解细胞质中，葡萄糖经糖酵解途径分解生成2分子丙酮酸，形成2分子NADH+H+,并通过底物水平磷酸化方式净生成2个ATP分子。（四）第一阶段——糖酵解细胞质中，葡萄糖经糖酵解途径分解生成411.底物水平磷酸化底物水平磷酸化：由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP上生成ATP。1.底物水平磷酸化底物水平磷酸化：由高能底物水解放能，直接将422.NADH+H+通过穿梭机制进入线粒体糖酵解过程产生的还原当量（NADH+H+）本身不能通过线粒体内膜，必须借助线粒体内膜上的特异性穿梭系统进入线粒体。（图中显示了NADH的穿梭机制：苹果酸——天冬氨酸穿梭和a-磷酸甘油穿梭系统（存在于脑和昆虫肌肉））2.NADH+H+通过穿梭机制进入线粒体糖酵解433.丙酮酸在线粒体基质中氧化脱羧形成乙酰CoA3.丙酮酸在线粒体基质中氧化脱羧形成乙酰CoA44（五）第二阶段——三羧酸循环线粒体基质中，乙酰CoA与草酰乙酸结合成柠檬酸而进入三羧酸循环（TAC,也称柠檬酸循环），经一系列反应，乙酰基被氧化分解，草酰乙酸再生。这一过程产生了大量NADH和FADH2,以及GTP。三羧酸循环是三大营养素（糖、脂肪和氨基酸）在体内的最终代谢通路，它们在体内生物氧化都将产生乙酰CoA，然后进入三羧酸循环而降解。（五）第二阶段——三羧酸循环线粒体基质中，乙酰CoA与草酰乙45（六）第三阶段——氧化磷酸化氧化磷酸化是释放代谢能的主要环节，释放的能量大部分用于生成ATP。氧化(电子传递、消耗氧,放能)与磷酸化(ADP+Pi，储能)同时进行，密切偶联，分别由两个不同的结构体系执行。呼吸链与ATP合成酶复合体是氧化磷酸化的结构基础。它们都位于线粒体内膜上。（六）第三阶段——氧化磷酸化氧化磷酸化是释放代谢能的主要环节461.电子传递链——氧化的分子基础呼吸链是氧化过程的分子基础。底物代谢脱下的氢原子，通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应，最后与氧结合生成水，这一传递过程成为呼吸链。参与的酶和辅酶在线粒体内膜上按一定的顺序排列，进行氢和电子的传递，又称电子传递链。1.电子传递链——氧化的分子基础呼吸链是氧化过程的分子基础。47（1）电子传递链的四种酶复合物◆复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电子辅酶Q；泵出4H+◆复合物Ⅱ：琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递体而非质子移位体）组成：含FAD辅基，2Fe-S中心，作用：催化2低能电子FADFe-S辅酶Q(无H+泵出)◆复合物Ⅲ：细胞色素bc1复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：包括1cytc1、1cytb、1Fe-S蛋白作用：催化电子从还原型泛醌（UQH2）cytc；泵出4个H+（2个来自UQ，2个来自基质）◆复合物Ⅳ：细胞色素C氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：二聚体，每一单体含13个亚基，作用：催化电子从cytc分子O2形成水，2H+泵出，2H+参与形成水。（1）电子传递链的四种酶复合物◆复合物Ⅰ：NADH-CoQ还48（2）两条呼吸链电子传递链的四种复合物组成两种呼吸链：NADH呼吸链,FADH2呼吸链；主呼吸链：由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。次呼吸链：由复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ构成，催化琥珀酸的脱氢氧化，来自FADH2的电子不经过复合物Ⅰ。（2）两条呼吸链电子传递链的四种复合物组成两种呼吸链：NAD492.ATP合成酶复合物

——磷酸化的物质基础线粒体内膜（包括嵴）的内表面附着的圆球形基粒。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子，属于F型质子泵。2.ATP合成酶复合物

——磷酸化的物质基础线粒体内膜（包括50（1）分子结构ATP合成酶复合体，也称F0F1ATP合成酶。F1由5种多肽组成α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个β亚基具有一个）。F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道，可使质子由膜间隙流回基质。

（1）分子结构ATP合成酶复合体，也称F0F1ATP合成酶。51（2）ATP合成的结合变构机制质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，合成ATP。

（2）ATP合成的结合变构机制质子通过F0时，引起c亚基构成523.氧化与磷酸化的偶联机制

——化学渗透假说P.Mitchell（1961）提出“化学渗透假说，获得1978年诺贝尔化学奖。认为：电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，形成质子动力势（△P），这种势能驱动下，H+穿过ATP合成酶的质子通道回到基质，引起ATP合成酶的构象改变，同时合成ATP,电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。3.氧化与磷酸化的偶联机制

——化学渗透假说P.Mitch53（1）偶联机制示意图（1）偶联机制示意图54（2）质子动力势乃ATP合成的动力跨越线粒体内膜的整个H+电化学梯度由起因于膜电位的大的力和起因于H+浓度梯度的小的力组成，这两股力联合产生总的质子动力驱动H+进入基质空间。（2）质子动力势乃ATP合成的动力跨越线粒体55（3）质子动力势也是推动线粒体内膜物质转运的动力（3）质子动力势也是推动线粒体内膜物质转运的动力56（七）线粒体内能量代谢小结（七）线粒体内能量代谢小结57第三节线粒体与疾病、衰老及细胞凋亡线粒体是一个对环境变化十分敏感的细胞器，在许多疾病状态下，线粒体的结构和功能都会发生相应的改变，并成为疾病病理变化的一部分。另一方面，线粒体的异常也可能成为疾病发生的原因，这种以线粒体结构或功能异常为主要病因的一大类疾病称为线粒体病。线粒体还与细胞与机体的衰老以及细胞的凋亡有着密切的关系。第三节线粒体与疾病、衰老及细胞凋亡线粒体是一个对环境变化十58一、疾病过程中的线粒体变化中毒、感染→→线粒体亦可发生肿胀甚至破裂。原发性肝癌细胞癌变→→线粒体嵴的数目逐渐下降而最终成为液泡状线粒体；缺血性损伤→→线粒体也会出现结构变异如凝集、肿胀等；坏血病→→组织中有时也可见二到三个线粒体融合成一个大的线粒体的现象，称为线粒体球；氰化物、CO等→→可阻断呼吸链上的电子传递，造成生物氧化中断、细胞死亡。一、疾病过程中的线粒体变化中毒、感染→→线粒体亦可发生肿胀甚59二、mtDNA突变引起的疾病目前已知的100多种MD，其原发机制都是mtDNA异常引起的遗传性疾病。主要是电子传递与氧化磷酸化过程中酶系的异常。线粒体病是一组多系统疾病，因中枢神经系统和骨骼肌对能量的依赖性最强，主要影响神经、肌肉系统，故临床症状以中枢神经系统和骨骼肌病变为特征。所以有时也统称为线粒体脑肌病。

二、mtDNA突变引起的疾病目前已知的100多种MD，其原发60（一）mtDNA点突变引起的疾病（一）mtDNA点突变引起的疾病611.Leber遗传性视神经病（Leberhereditaryopticneuropathy，LHON）临床症状主要症状为视神经退行性病变，故又称Leber视神经萎缩。患者多在18～20岁发病，男性较多见，个体细胞中突变mtDNA超过96％时发病，少于80％时男性病人症状不明显。临床表现为双侧视神经严重萎缩引起的急性或亚急性双侧中央视力丧失，可伴有神经、心血管、骨骼肌等系统异常，如头痛、癫痫及心律失常等。1.Leber遗传性视神经病（Leberhereditar62（二）mtDNA缺失、重复导致的疾病mtDNA缺失与重复存在于许多神经肌肉性疾病及一些退化性疾病、肾病和肝病中，甚至衰老也与之有关。1．Kearns-Sayre综合征(眼肌病)2．Pearson-骨髓/胰腺综合征3．线粒体心肌病4．帕金森病5．Alzheimer病6．非胰岛素依赖型糖尿病（二）mtDNA缺失、重复导致的疾病mtDNA缺失631.线粒体心肌病临床症状主要累及心脏和骨骼肌，病人常有严重的心力衰竭，常见临床表现为劳力性呼吸困难、心动过速、全身肌无力全身严重水肿、心脏和肝脏增大等症状。遗传学Ozawa等1990年报道原发型、肥厚型和扩张型心肌病病人心肌mtDNA中存在有7.5kb的缺失，缺失部位两侧为同向重复序列CATCAACAACCG，缺失位于ATP合成酶6基因和D环区之间。1.线粒体心肌病临床症状64三、其他与线粒体有关的病变

帕金森病（巴金和陈景润都是帕金森病患者）肿瘤糖尿病冠心病氨基糖甙抗生素诱发的耳聋衰老三、其他与线粒体有关的病变帕金森病（巴金和陈景润都是帕金森65四、线粒体与衰老◆衰老与线粒体氧化磷酸化酶活性降低以及分裂终末的组织中突变mtDNA积累密切相关◆随着年龄的增长，损伤的线粒体DNA(mtDNA)的含量越来越多。◆线粒体是细胞自由基的源泉，是细胞衰老的生物钟。在电子传递给氧分子的过程中，有1%-5%的电子损失,大部分参加形成O2_,机体95%以上的氧自由基都来自线粒体的呼吸链，而氧自由基氧化损伤的mtDNA积累量是核DNA的16倍，导致内膜上参与能量转换的酶系异常。◆近年来，Gummings发现线粒体中存在衰老DNA，可能会抑制mtDNA的复制，导致线粒体结构和功能的破坏，引起细胞衰老和凋亡。四、线粒体与衰老◆衰老与线粒体氧化磷酸化酶活性降低以及分裂终66五、线粒体与细胞凋亡

◆细胞凋亡(apoptosis)细胞凋亡又称程序性细胞死亡(programmedcelldeath)，是一种受基因控制的细胞自主性细胞死亡，其形态学方面的变化DNA断裂、染色质浓缩、膜结构肿胀、细胞皱缩、凋亡小体形成，最后凋亡小体被邻近的细胞如巨噬细胞、上皮细胞甚至肿瘤细胞吞噬。从分子水平看，细胞凋亡是细胞内发生的一系列有序的连锁反应，即死亡信号在一系列凋亡促进基因和凋亡抑制基因的共同调节下，通过激活一系列caspases蛋白酶，降解特异性底物导致细胞解体。五、线粒体与细胞凋亡◆细胞凋亡(apoptosis)67（一）线粒体参与细胞凋亡的途径◆在细胞凋亡过程中，线粒体可通过以下途径参与细胞凋亡：1.破坏电子传递链，影响能量代谢2.释放caspases激活剂（如cytC)3.产生自由基4.改变跨膜电位，增加膜通透性（一）线粒体参与细胞凋亡的途径◆在细胞凋亡过程中，线粒体可68TheEndTheEnd69中期测试练习题1.简图画出蛋白质在细胞膜的结合位置关系并标明蛋白质的分类2.说出膜脂分子的几种运动方式？3.简单介绍细胞膜的分子结构模型。4.什么是主动运输？5.解释胱氨酸尿症成因。6.什么是内膜系统？7.简单介绍内膜系统几个细胞器的功能与相互联系。8.溶酶体的酶蛋白来源及分选过程？9.介绍几种溶酶体疾病的机理。中期测试练习题1.简图画出蛋白质在细胞膜的结合位置关系并标明70第六章线粒体与细胞的能量代谢第六章线粒体与细胞的能量代谢71第一节线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量和结构二、线粒体的化学组成三、线粒体的遗传体系四、核编码蛋白质的线粒体转运五、线粒体的起源第一节线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量和结构72一、线粒体的形态、数量和结构线粒体的形态、大小、数量和分布，在不同细胞内变化很大，就是同一细胞在不同的生理状态下也不一样。线粒体在生活细胞中具有多形性、易变性、运动性和适应性等特点。◆形状:以线状和颗粒状较为常见，也可见哑铃形等其它形状。◆大小：一般直径0.5-1μm，长1.5-3.0μm，在胰脏外分泌细胞中可长达10-20μm，称巨线粒体。◆数量：从一个至数百个到数千个不等。单细胞鞭毛藻仅1个，酵母细胞具有一个大型分支的线粒体，巨大变形虫达50万个；许多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。线粒体数目还与细胞的生理功能与代谢状态有关。◆分布：以有利于细胞需能部位的能量供应的方式进行。一、线粒体的形态、数量和结构线粒体的形态、大小73（一）形状形状:

以线状和颗粒状较为常见，也可见哑铃形等其它形状。（一）形状形状:以线状和颗粒状较为常见，也可见哑铃形等其它74（二）分布线粒体在细胞中的分布往往靠近ATP用量高的位置，例如：心肌细胞中，线粒体位于靠近收缩器的部位，提供收缩所需的ATP.精子中线粒体位于尾部，围绕鞭毛的中轴，鞭毛运动需要ATP.（二）分布线粒体在细胞中的分布往往靠近ATP用量高的位置，例75（三）超微结构线粒体是由双层单位膜套叠形成的封闭性膜囊结构。线粒体的超微结构按照功能可分为以下几部分空间区隔：外膜(outermembrane）：含孔蛋白(porin)，允许10000以下的分子通过，通透性较高。内膜(innermembrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristae），含有与能量转换相关的蛋白。膜间隙（intermembranespace）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子，利用ATP使其他核苷酸磷酸化。基质（matrix）：含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA,RNA，核糖体。（三）超微结构线粒体是由双层单位膜套叠形成的封闭761.外膜膜厚约5-7nm，含50%的脂类和50%的蛋白质，具有多种转运蛋白，孔蛋白（porin）构成的亲水通道，允许分子量为5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。

1.外膜膜厚约5-7nm，含50%的脂类和50%的蛋白质，具772.内膜厚约4.5nm，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。线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。线粒体膜上与能量转换相关的蛋白：执行氧化反应的电子传递链ATP合成酶线粒体内膜转运蛋白2.内膜厚约4.5nm，含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的78（1）线粒体内膜嵴上的亚单位内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴有两种类型：①板层状、②管状，但多呈板层状。嵴上覆有基粒（elementaryparticle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。基粒又称为ATP合成酶（1）线粒体内膜嵴上的亚单位内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cr79（2）转位接触点在线粒体内外膜上存在一些相互接触的位点，称为转位接触点，主要用于蛋白质等物质进出线粒体的通道。外膜转位子（Tom）：受体蛋白内膜转位子（Tim）：通道蛋白

（2）转位接触点在线粒体内外膜上存在一些相互接触803.基质多种酶类：三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成的酶系。遗传系统：线粒体基因表达酶系、线粒体双链环状DNA,RNA，核糖体。3.基质多种酶类：81二、线粒体的化学组成（一)线粒体组分分离方法（二）线粒体的化学组成（三）线粒体酶的定位二、线粒体的化学组成（一)线粒体组分分离方法82低渗溶液中，水引起外膜崩裂，释放出膜间隙物质。离心得到不能沉淀的部分为膜间隙物质沉淀转移到高渗溶液中引起收缩。密度梯度离心分离出外膜裂解并离心分离出内膜和基质。（一）线粒体组分分离方法膜间隙物质外膜形成的囊泡内膜形成的囊泡基质物质低渗溶液中，水引起外膜崩裂，释放出膜间隙物质。离心得到不能沉83◆蛋白质(线粒体干重的65～70％)-内膜和基质上◆脂类(线粒体干重的25～30％)：·磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。 ·线粒体脂类和蛋白质的比值:内膜0.3:1外膜1:1

◆DNA、RNA、维生素和各类无机离子（二）线粒体的化学组成◆蛋白质(线粒体干重的65～70％)-内膜和基质上（二）线粒84（三）线粒体酶的定位与标志酶部位酶的名称部位酶的名称外膜单胺氧化酶NADH-细胞色素c还原酶（对鱼藤酮不敏感）犬尿酸羟化酶酰基辅酶A合成酶内膜细胞色素b，c，c1，a，a3氧化酶ATP合成酶系琥珀酸脱氢酶β-羟丁酸和β-羟丙酸脱氢酶肉毒碱酰基转移酶丙酮酸氧化酶NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感）膜间隙腺苷酸激酶二磷酸激酶核苷酸激酶基质柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶脂肪酸氧化酶系、天冬氨酸转氨酶、蛋白质和核酸合成酶系、丙酮酸脱氢酶复合物线粒体是含酶最多的细胞器：120多种，分布不同的部位。

（三）线粒体酶的定位与标志酶部位酶的名称部85三、线粒体的遗传与表达体系线粒体是半自主性的细胞器：自身含有遗传表达系统(自主性)；但编码的遗传信息十分有限，其RNA转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息(自主性有限)。三、线粒体的遗传与表达体系线粒体是半自主性的细胞器：86（一）线粒体有自己的基因组

——线粒体DNA线粒体DNA（mtDNA）形状、大小、数量等特征：◆双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA)◆mtDNA大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大（高等植物：120kbp~200kbp）◆人mtDNA：16,569bp，37个基因(编码12S,16SrRNA；22种tRNA；13种多肽：NADH脱氢酶7个亚基，cytb-c1复合物中1个cytb，细胞色素C氧化酶3个亚基，ATP合成酶2个Fo亚基)（一）线粒体有自己的基因组

——线粒体DNA线粒体DNA（m871.线粒体DNA特点无组蛋白结合，DNA裸露。mtDNA分子为环状双链DNA分子，外环为重链（H），内环为轻链（L）。动物mtDNA的周长约5μm，约16.5kb,酵母mtDNA较大；人的mtDNA共编码37个基因。每个线粒体中约5-10个mtDNA。主要编码线粒体的tRNA、rRNA及一些线粒体蛋白质。mtDNA以半保留方式进行自我复制。复制方式类似原核细胞。mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期及G2期，但并不受周期的影响。DNA先复制，随后线粒体分裂。复制仍受核控制。1.线粒体DNA特点无组蛋白结合，DNA裸露。882.线粒体具有与核基因不同的遗传密码2.线粒体具有与核基因不同的遗传密码89（二）线粒体蛋白质合成●线粒体合成蛋白质的种类十分有限●线粒体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性●不同来源的线粒体基因，表达产物既有共性，也存在差异（二）线粒体蛋白质合成●线粒体合成蛋白质的种类十分有限901.线粒体合成蛋白质的种类十分有限线粒体的蛋白质来源两部分：绝大部分（1000多种蛋白质）是由核DNA编码，在细胞质基质的核糖体上合成，再转运到线粒体各部分；少数是由mtDNA编码，在线粒体的核糖体上合成（仅十余种）。人的线粒体DNA编码的多肽为细胞色素c氧化酶的3个亚基，F0的2个亚基，NADH脱氢酶的7个亚基和细胞色素b等13条多肽。酵母线粒体主要酶复合物的生物合成1.线粒体合成蛋白质的种类十分有限线粒体的蛋白质来源两部分：912.线粒体蛋白的合成对核基因具有依赖性复制与转录需胞质提供核基因编码的多聚酶。翻译需要胞质提供核糖体大亚单位和小亚单位的大部分蛋白质与氨基酸。tRNA上氨基酸的连接需要的氨酰化合成酶也是由胞质提供。基质内的三羧酸循环酶系、内膜上的电子传递链蛋白都是胞质合成。2.线粒体蛋白的合成对核基因具有依赖性复制与转录需胞质提供核92四、核编码蛋白质的线粒体转运线粒体DNA编码37个基因，其它约1000个基因产物需由核基因编码并在胞质中合成后转运到线粒体。翻译后转运，胞质合成的线粒体蛋白质由游离的核糖体合成。在转运前，以非折叠的前体形式（N端的导肽+成熟蛋白）存在。线粒体内、外膜之间存在着接触点，信号肽（导肽）牵引蛋白质前体运送时，可通过内外膜的接触点，一步进入基质。四、核编码蛋白质的线粒体转运线粒体DNA编码37个基因，其它93（一）核编码蛋白向线粒体基质中的转运需要条件：（1）基质导入序列（MTS)：

所有在细胞质合成的前体蛋白输入到线粒体基质的N-端一段序列，富含精氨酸、赖氨酸、丝氨酸和苏氨酸的。（2）分子伴侣：保持前提蛋白的非折叠状态NAC:新生多肽复合物，与少数前体蛋白相互作用，增加蛋白质转运的准确性。hsp70：热休克蛋白70，和大多数前体蛋白结合，打开折叠，防止聚集。（一）核编码蛋白向线粒体基质中的转运需要条件：941.转运过程前体蛋白合成后与胞质hsp70蛋白结合，然后结合到线粒体受体蛋白上。前体蛋白在受体帮助下前导序列进入内外膜连接处的蛋白通道内。线粒体内的hsp70蛋白与进入线粒体腔的前导肽链交联结合，阻止了肽链退回细胞质（布朗棘轮模型）线粒体内的基质作用蛋白酶（MPP)切除前导肽序列，肽段在hsp70和hsp10及hsp60的协助下重新折叠成有活性的蛋白。1.转运过程前体蛋白合成后与胞质hsp70蛋白结合，然后结合95（二）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运进入线粒体其他部位（膜间隙、内膜和外膜）的蛋白质，除了具有基质导入序列（MTS)外，一般还有第二类信号序列，它们通过与进入线粒体基质类似的机制进入线粒体其它部位。（二）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运进入线粒体961.进入线粒体膜间隙进入线粒体膜间隙的多肽，有三种情况：具有膜间隙导入序列（ISTS）,在基质导入序列MTS引导下进入基质后，再在ISTS引导下进入膜间隙。ISTS作为转移终止序列，蛋白前体侧向运动插入内膜后切除终止序列进入膜间隙。直接通过外膜上的特定通道进入膜间隙（如细胞色素C通过外膜上的类孔蛋白P70进入膜间隙。1.进入线粒体膜间隙进入线粒体膜间隙的多肽，有三种情况：972.进入线粒体外膜进入外膜的蛋白具有不被切除的N端信号序列，其后还有疏水性序列作为停止转移序列，然后蛋白质被TOM复合体安装到外膜上，如线粒体的各类孔蛋白。2.进入线粒体外膜进入外膜的蛋白具有不被切除的N端信号序列，983.进入线粒体内膜驻留内膜的蛋白前体从Tom复合物出来后与膜间隙的Tim9/Tim10或Tim8/Tim13复合物结合，然后在TIM22复合物（由Tim10、Tim12、Tim18、Tim22和Tim54构成）的催化下插入内膜。3.进入线粒体内膜驻留内膜的蛋白前体从Tom复合物出来后与膜99五、线粒体的生物发生线粒体的增殖具有不同的观点，现在普遍接受的观点是：

原来的线粒体分裂或出芽而来。五、线粒体的生物发生线粒体的增殖具有不同的观点，现在100（一）线粒体分裂增殖图像（一）线粒体分裂增殖图像101（二）线粒体另两种增殖方式（二）线粒体另两种增殖方式102六、线粒体的起源目前普遍接受的假说为内共生学说：线粒体可能起源于与古老的厌氧真核细胞共生的好氧的早期细菌。六、线粒体的起源目前普遍接受的假说为内共生学说：线103（一）内共生起源学说的主要论据◆线粒体基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。◆有自己完整的蛋白质合成系统，蛋白质合成机制有很多类似细菌而不同于真核生物。◆两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似。◆以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。◆能在异源细胞内长期生存，说明线粒体和叶绿体具有的自主性与共生性的特征。（一）内共生起源学说的主要论据◆线粒体基因组在大小、形态和结104（二）内共生假说的不足之处从进化角度，不能解释在代谢上明显占优势的共生体反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞中？线粒体基因组中存在内含子，而真细菌原核生物基因组中不存在内含子，如果同意内共生起源学说的观点，那么线粒体内含子从何发生？（二）内共生假说的不足之处从进化角度，不能解释在代谢上明显占105第二节细胞呼吸与能量转换第二节细胞呼吸与能量转换106一、细胞呼吸细胞呼吸的概念：在特定细胞器（主要是线粒体）内，在O2的参与下，分解各种大分子物质，产生CO2；同时，分解代谢释放的能量储存于ATP中的过程，称为细胞呼吸，也称生物氧化或细胞氧化。一、细胞呼吸细胞呼吸的概念：107（一）细胞呼吸的特点（一）细胞呼吸的特点108（二）细胞的能量转换（二）细胞的能量转换109有氧呼吸场所反应物产物释能第一阶段（糖酵解）第二阶段（三羧酸循环）第三阶段（氧化磷酸化）细胞质基质葡萄糖丙酮酸[H]少量丙酮酸CO2、[H]少量[H]、O2H2O大量线粒体线粒体（三）有氧呼吸三个阶段的比较有氧呼吸场所反应物产物释能第一阶段第二110（四）第一阶段——糖酵解细胞质中，葡萄糖经糖酵解途径分解生成2分子丙酮酸，形成2分子NADH+H+,并通过底物水平磷酸化方式净生成2个ATP分子。（四）第一阶段——糖酵解细胞质中，葡萄糖经糖酵解途径分解生成1111.底物水平磷酸化底物水平磷酸化：由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP上生成ATP。1.底物水平磷酸化底物水平磷酸化：由高能底物水解放能，直接将1122.NADH+H+通过穿梭机制进入线粒体糖酵解过程产生的还原当量（NADH+H+）本身不能通过线粒体内膜，必须借助线粒体内膜上的特异性穿梭系统进入线粒体。（图中显示了NADH的穿梭机制：苹果酸——天冬氨酸穿梭和a-磷酸甘油穿梭系统（存在于脑和昆虫肌肉））2.NADH+H+通过穿梭机制进入线粒体糖酵解1133.丙酮酸在线粒体基质中氧化脱羧形成乙酰CoA3.丙酮酸在线粒体基质中氧化脱羧形成乙酰CoA114（五）第二阶段——三羧酸循环线粒体基质中，乙酰CoA与草酰乙酸结合成柠檬酸而进入三羧酸循环（TAC,也称柠檬酸循环），经一系列反应，乙酰基被氧化分解，草酰乙酸再生。这一过程产生了大量NADH和FADH2,以及GTP。三羧酸循环是三大营养素（糖、脂肪和氨基酸）在体内的最终代谢通路，它们在体内生物氧化都将产生乙酰CoA，然后进入三羧酸循环而降解。（五）第二阶段——三羧酸循环线粒体基质中，乙酰CoA与草酰乙115（六）第三阶段——氧化磷酸化氧化磷酸化是释放代谢能的主要环节，释放的能量大部分用于生成ATP。氧化(电子传递、消耗氧,放能)与磷酸化(ADP+Pi，储能)同时进行，密切偶联，分别由两个不同的结构体系执行。呼吸链与ATP合成酶复合体是氧化磷酸化的结构基础。它们都位于线粒体内膜上。（六）第三阶段——氧化磷酸化氧化磷酸化是释放代谢能的主要环节1161.电子传递链——氧化的分子基础呼吸链是氧化过程的分子基础。底物代谢脱下的氢原子，通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应，最后与氧结合生成水，这一传递过程成为呼吸链。参与的酶和辅酶在线粒体内膜上按一定的顺序排列，进行氢和电子的传递，又称电子传递链。1.电子传递链——氧化的分子基础呼吸链是氧化过程的分子基础。117（1）电子传递链的四种酶复合物◆复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电子辅酶Q；泵出4H+◆复合物Ⅱ：琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递体而非质子移位体）组成：含FAD辅基，2Fe-S中心，作用：催化2低能电子FADFe-S辅酶Q(无H+泵出)◆复合物Ⅲ：细胞色素bc1复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：包括1cytc1、1cytb、1Fe-S蛋白作用：催化电子从还原型泛醌（UQH2）cytc；泵出4个H+（2个来自UQ，2个来自基质）◆复合物Ⅳ：细胞色素C氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：二聚体，每一单体含13个亚基，作用：催化电子从cytc分子O2形成水，2H+泵出，2H+参与形成水。（1）电子传递链的四种酶复合物◆复合物Ⅰ：NADH-CoQ还118（2）两条呼吸链电子传递链的四种复合物组成两种呼吸链：NADH呼吸链,FADH2呼吸链；主呼吸链：由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。次呼吸链：由复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ构成，催化琥珀酸的脱氢氧化，来自FADH2的电子不经过复合物Ⅰ。（2）两条呼吸链电子传递链的四种复合物组成两种呼吸链：NAD1192.ATP合成酶复合物

——磷酸化的物质基础线粒体内膜（包括嵴）的内表面附着的圆球形基粒。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子，属于F型质子泵。2.ATP合成酶复合物

——磷酸化的物质基础线粒体内膜（包括120（1）分子结构ATP合成酶复合体，也称F0F1ATP合成酶。F1由5种多肽组成α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个β亚基具有一个）。F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道，可使质子由膜间隙流回基质。

（1）分子结构ATP合成酶复合体，也称F0F1ATP合成酶。121（2）ATP合成的结合变构机制质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，合成ATP。

（2）ATP合成的结合变构机制质子通过F0时，引起c亚基构成1223.氧化与磷酸化的偶联机制

——化学渗透假说P.Mitchell（1961）提出“化学渗透假说，获得1978年诺贝尔化学奖。认为：电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，形成质子动力势（△P），这种势能驱动下，H+穿过ATP合成酶的质子通道回到基质，引起ATP合成酶的构象改变，同时合成ATP,电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。3.氧化与磷酸化的偶联机制

——化学渗透假说P.Mitch123（1）偶联机制示意图（1）偶联机制示意图124（2）质子动力势乃ATP合成的动力跨越线粒体内膜的整个H+电化学梯度由起因于膜电位的大的力和起因于H+浓度梯度的小的力组成，这两股力联合产生总的质子动力驱动H+进入基质空间。（2）质子动力势乃ATP合成的动力跨越线粒体125（3）质子动力势也是推动线粒体内膜物质转运的动力（3）质子动力势也是推动线粒体内膜物质转运的动力126（七）线粒体内能量代谢小结（七）线粒体内能量代谢小结127第三节线粒体与疾病、衰老及细胞凋亡线粒体是一个对环境变化十分敏感的细胞器，在许多疾病状态下，线粒体的结构和功能都会发生相应的改变，并成为疾病病理变化的一部分。另一方面，线粒体的异常也可能成为疾病发生的原因，这种以线粒体结构或功能异常为主要病因的一大类疾病称为线粒体病。线粒体还与细胞与机体的衰老以及细胞的凋亡有着密切的关系