线粒体学习课件

第十五章线粒体

(mitochondria)细胞的动力站合成生命活动所需的直接能源物质——ATP细胞内线粒体（绿色）荧光显示线粒体的认识历程1894年Altmann首次在动物细胞中发现;1948年Hogeboom用分步离心法分离得到线粒体，建立线粒体是细胞的能量代谢中心概念;1963～1964年发现线粒体中存在DNA和DNA转录、翻译系统.数量:与细胞新陈代谢有关分布：均匀分布在细胞质中，有些分布的位置与供能部位有关心肌细胞精子尾部鞭毛髓部线粒体一、线粒体的形态

可塑性细胞器，多为粒状、杆状或线状直径为0.5～1.0m，长1.5～3.0m第一节线粒体的形态和结构蝙蝠胰腺细胞线粒体的电镜图

二、线粒体的超微结构分为4个部分：外膜(outermembrane)

内膜（innermembrane）

膜间腔（intermembranespace）

内室（innerchamber）电镜下是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构（一）外膜包围在线粒体最外面的一层单位膜厚约6nm脂类组成与内质网相似含大量孔蛋白(Porin)，允许<10KDa分子通过，具高通透性，使得膜间腔环境几乎与胞质相似。外膜（二）内膜外膜内侧的一层单位膜向内折叠形成嵴（cristae）基本微粒通透性较低（1500）线粒体嵴：

线粒体内膜向基质侧折叠形成向内的突起；

增大内膜呼吸面积；

形态、数量因细胞类型而异与长轴垂直板层状嵴管状嵴心肌细胞排列紧密的板层状嵴纵行排列板层状嵴基本微粒(elementaryparticle)内膜和嵴的基质面上带柄的颗粒多个亚基构成的蛋白复合体--ATP酶复合体(ATPasecomplex)能量转换单位基本微粒的结构示意图及电镜图

（三）膜间腔线粒体外膜与内膜之间，又称外室（outerchamber）含有许多可溶性酶类、底物和辅助因子

（四）内室（innerchamber）又称基质（matrix)含各种蛋白质酶：三羧酸循环、丙酮酸氧化以及DNA、RNA和蛋白质合成所需要的酶等基质颗粒：内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子线粒体DNA、RNA及核糖体线粒体组分的分离技术低渗处理一定转速下离心，上清液为膜间腔组分膜间腔组分转入高渗溶液使其回缩密度梯度离心，分离外膜去垢剂（Lubrol）裂解内膜并离心内膜基质外膜第二节线粒体的化学组成蛋白质占线粒体干重的65%-75%

结构蛋白、载体蛋白、多种酶内膜和基质含量最丰富脂类占25%-30%,主要为磷脂，胆固醇少内、外膜脂质成分差异其它：少量核酸、无机盐、辅助因子及水（一）蛋白质在线粒体各结构组成分布差异较大大鼠肝细胞线粒体中蛋白质分布外膜6%

膜间腔6%

内膜21%

内室67%（二）脂类主要是磷脂，内外膜上的组成不同外膜：主要是卵磷脂内膜：主要是心磷脂，含量高达20%

内、外膜脂类与蛋白质的比值内膜0.3:1

外膜1:1第三节线粒体的功能提供细胞生命活动80%以上的能量有机物氧化分解H2O+CO2+能量细胞氧化ADP+PiATP

细胞氧化细胞内氨基酸、脂肪酸、单糖等供能物质被彻底氧化而释放能量的过程，此过程要摄取氧，产生的CO2最终排出体外，又称细胞呼吸。

（一）、糖酵解（细胞质基质）1分子葡萄糖2分子丙酮酸+2ATP+4H

线粒体受氢体NAD+此过程不需要氧（二）、乙酰辅酶A的形成

2丙酮酸丙酮酸脱氢酶

4H+2乙酰基辅酶ANAD+2乙酰辅酶A线粒体基质中发生

(三)、三羧酸循环（线粒体基质）

乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合形成柠檬酸,柠檬酸经一系列反应氧化脱羧，生成草酰乙酸；草酰乙酸又可与另一分子的乙酰辅酶A结合重新形成柠檬酸。如此反复循环，故称三羧酸循环净生成2分子GTP，8对H原子，6对由NAD+携带，2对由FAD携带三羧酸循环示意图4ATPCO212对H

2对H2ATP，8对H2ATP，2对H

二、电子传递和氧化磷酸化的偶联电子传递链（electrontransferchain）

位于线粒体内膜上，由一系列能够可逆接受和释放H+或e-的酶和辅酶有序地排列成相互关联的链状结构。电子传递过程中释放能量.

电子传递链主要组分复合体Ⅰ（NADH脱氢酶）复合体Ⅱ（琥珀酸脱氢酶）复合体Ⅲ（细胞色素b-c1）复合体Ⅳ（细胞色素c氧化酶）电子传递过程中，伴随质子转移1953年由SlaterE.C.提出“化学偶联学说”。1961年MitchellP.提出“化学渗透假说”。1964年BoyerP.D.提出“构象假说”。至20世纪70年代，化学渗透假说在取得大量实验结果证实的基础上，已成为氧化磷酸化作用中较为流行的一种假说。电子传递和氧化磷酸化的偶联（电子传递与ATP产生的关系）

化学渗透假说

在电子传递过程中，质子氢与电子的交替传递，使H+从内膜内侧向外侧定向转移。由于线粒体内膜对H+高度不通透，造成内膜两侧跨膜质子梯度，形成质子动力势。其中蕴藏的能量驱使H+

穿过ATP合成酶，驱动ADP与Pi形成ATP。

电子传递链可作为质子泵，将线粒体基质中的H+泵至膜间腔ATP合成酶复合体ATP合成酶的分子结构

F1：3α、3β、1γ、1ε、1δ

FO:a、b、c

定转子模型转子:γε定子:abδ在嗜热菌的ATPase的β亚基的N端添加10个His，以使其固定在Ni-NTA膜上；将γN端的一个Ser换为Cys，以连上肌动蛋白丝(荧光标记)；加ATP后可观察到肌动蛋白丝旋转.NojiHetal.1997,Nature转子旋转的试验学证据：结合变化机制：β三种状态:O空置状态T紧密结合态L松散结合态转子的转动导致β构象的变化，催化ATP生成ATPADP＋Pi质子流推动c亚单位转动自然界最小的分子”水轮发电机”1分子葡萄糖产生ATP分子数目的计算

细胞呼吸前三步共产生12对H原子:10对H以NAD+为受氢体，产生10×3=30ATP;2对H以FAD为受氢体，产生2×2=4ATP糖酵解2ATP三羧酸循环2GTP1分子葡萄糖经细胞呼吸可产38ATP,36ATP在线粒体中产生第四节线粒体的半自主性研究历程：1963年，M.Nass和S.Nass在鸡胚肝细胞线粒体中发现DNA;1964年，Luck等从红色面包霉的线粒体中分离出DNA;线粒体自主性是有限的，故称为半自主性一、线粒体的DNA（mtDNA）双线环状，分子量很小，一个线粒体中可有一个或几个DNA分子线粒体DNA电镜图.DNA编码序列为单一序列，无内含子，基因之间无非编码序列

编码13种蛋白质（复合物Ⅰ7个亚基，复合物Ⅲ1个亚基，复合物Ⅳ3个亚基及ATP酶复合体2个亚基）人线粒体基因组图（黑白）二、线粒体的蛋白质合成系统

独特的遗传密码，与通用遗传密码不同线粒体的核糖体比细胞质核糖体小对氯霉素敏感，异于细胞质核糖体（放线菌酮）通用遗传密码与两种线粒体遗传密码的差异三、线粒体蛋白质的定向运输线粒体虽有蛋白质合成系统，但因mtDNA信息有限，其总蛋白的90%以上是由核基因编码线粒体蛋白质跨膜线粒体蛋白质在导肽作用下跨膜转移折叠状态松散状态，便于转运蛋白质转运至基质后松散状态折叠状态，成为成熟的蛋白质线粒体内外膜的接触点

线粒体蛋白质跨膜转移中构象发生变化线粒体与细胞质之间蛋白质的转运是单向的，二者之间也无DNA和RNA的交换。第五节线粒体的增殖1965年D.Luck用含3H-胆碱（膜磷脂的前身物）标记红色面包霉，追踪去向。发现线粒体是从原有的线粒体经过生长与分裂而来.8h15h20h32h肝细胞中处于分裂状态的线粒体电镜图线粒体增殖彩图第六节线粒体与人类疾病一.线粒体病由于线粒体基因突变而引起的疾病。线粒体疾病多由MtDNA突变导致功能缺陷；其突变率比核DNA大10～20倍。自1997年以来，已知由人类线粒体疾病引起的遗传疾病已达百种以上。线粒体疾病常包含在一些高能量需求的组织中，如心脏、肌肉和中枢神经系统等。遗传性视神经病（LHON）：由线粒体DNA的一个错义突变引起，患者突然失明，同时还引起神经肌肉疾病，全身肌张力障碍。非胰岛依赖性糖尿病（NIDDM）。肌阵挛羊癫风；地方性心肌病(克山病)。线粒体与衰老也密切有关（体内约95％氧自由基由Mt产生）。克山病是一种地方性心肌病。1935年首先流行于黑龙江省克山县。主要流行于我国东北、西北、华北及西南一带交通不便的山区或丘陵地带。临床上常有急性或慢性心功能不全表现。传播途径是病区产的粮食，粮食在湿冷环境