张光谋-第八章-线粒体(一)课件

第八章线粒体医学细胞生物学授课教师：张光谋教授E-mail：gmzhang@目录第八章线粒体

第一节线粒体的结构和功能第二节线粒体基因组的特征第三节线粒体的增殖和起源第四节线粒体与医学的关系第一节线粒体的结构与功能一、线粒体的形态结构二、线粒体的化学组成和酶的分布三、线粒体的功能四、线粒体的半自主性一、线粒体的结构（一）线粒体的形态、数目和分布以线状(filate)和颗粒状(granule)最常见，也可呈环形、哑铃形、分枝状或其它形状。

许多哺乳动物成熟的红细胞缺少线粒体，利什曼原虫中只有一个巨大的线粒体，海胆卵母细胞则多达30万个，巨大变形虫可高达50万个。线粒体在细胞内的分布一般是不均匀的，往往在细胞代谢旺盛的需能部位比较集中。如分泌细胞的线粒体聚集在分泌物合成的区域；肌细胞的线粒体沿肌原纤维规则排列；精子细胞的线粒体集中在鞭毛中区。线粒体的这种分布显然有利于需能部位的能量供应。肌细胞和精子的尾部聚集较多的线粒体，以提供能量.（二）线粒体的超微结构(a)扫描电镜照片：示线粒体内部结构(b)透射电镜照片：示线粒体内部结构线粒体的超微结构模式图1.外膜包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚6—7nm，平整、光滑。外膜含有多套运输蛋白（通道蛋白），围成筒状园柱体，中央有小孔，孔径：2-3nm，允许分子量为1KD以内的物质自由通过。2.内膜内膜位于外膜内侧，把膜间隙与基质（内室）分开，厚约6～8nm。内膜对物质的通透性很低，能严格地控制分子和离子通过，这种“不透性”在ATP的生成过程中起重要作用。

Cristae(嵴)内膜向内室折叠形成，可增加内膜的表面积，对线粒体进行高速率的生化反应极为重要，嵴的形状和数量与细胞种类及生理状况密切相关，需能多的细胞，不但线粒体多，嵴的数量也多。嵴的形态和排列方式差别很大。板层状（大多数高等动物细胞中线粒体的嵴）小管状（原生动物和其它一些较低等的动物细胞中线粒体的嵴）

基粒（ATP酶复合体)

在线粒体内膜和嵴的基质面上有许多带柄的小颗粒，与膜面垂直而规律排列。头部又称F1，球形，为直径9nm的颗粒；基部又称F0，嵌入线粒体内膜。估计每个线粒体约有104～105个基粒。3.膜间隙是内外膜之间封闭的腔隙，宽约6～8nm，其中充满无定形液体，内含许多可溶性酶、底物和辅助因子。4.基质也叫内室，为内膜所包围的嵴外空间，腔内充满可溶性蛋白质性质的胶状物质，呈均质状，具有一定的pH值和渗透压。外膜内膜膜间隙嵴基粒（ATP酶）线粒体DNA核糖体基质颗粒二、线粒体的化学组成（一）线粒体的化学组成

线粒体的化学成分主要是蛋白质和脂类。其中蛋白质含量占线粒体干重的65～70％。脂类含量占线粒体干重的25～30％，主要成分是磷脂，占3/4以上，磷脂中主要是卵磷脂、磷脂酰乙醇胺、心磷脂，还有少量磷脂酰肌醇及胆固醇等。虚拟图象显示线粒体内膜以大鼠肝细胞线粒体为例：67％的蛋白质在基质内，21％在内膜，6％在外膜，6％在膜间隙。但在有些线粒体中，内膜线粒体蛋白质的含量可高达60%。

磷脂在内外膜上的组成不同，外膜上主要是卵磷脂，其次是磷脂酰乙醇胺，磷脂酰肌醇和胆固醇的含量较少。内膜主要含心磷脂，高达20％，比任何膜的都高，但胆固醇含量极低，这与内膜的高度疏水性有关。线粒体内、外膜在化学组成上的根本区别是脂类和蛋白质的比值不同，内膜的脂类与蛋白质的比值低（0.3∶1），外膜的比值较高（1∶1）。内膜富含酶蛋白和辅酶，外膜仅含少量酶蛋白。（二）线粒体中酶的分布部位酶的名称外膜单胺氧化酶、犬尿氨酸羟化酶、NADH-细胞色素C还原酶特征酶：单胺氧化酶膜间隙腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶内膜细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、丙酮酸氧化酶、ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸载体。特征酶：细胞色素氧化酶基质柠檬酸合成酶、乌头酸酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、延胡索酸酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体、天冬氨酸氨基转移酶、蛋白质和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系特征酶：苹果酸脱氢酶线粒体中约有140余种酶。三、线粒体的功能线粒体的主要功能为细胞的生命活动提供能量。是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释能的场所。氧化还原的本质是电子的转移。氢原子的转移其本质也是电子转移，因为H原子可分解为H+与e-。当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化。氧化磷酸化是生成ATP的一种主要方式，是细胞内能量转换的主要环节。（一）电子传递链电子传递链（electron-transportchain）：在线粒体内膜上的一系列能可逆地接受和释放电子或H+的脂蛋白复合物，它们是传递电子的酶体系，在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链或呼吸链（respiratorychain）。实验证明呼吸链的组分均以多分子复合物的形式包埋在线粒体内膜中(辅酶Q和细胞色素c是呼吸链中可流动的递氢体或递电子体)。H++1/2O2H2OCoQCytc琥珀酸等NADHNAD++H+FeSFMNICytc1FeSCytbIIICytaIVCyta3FADFeSIIH+e-matrixintermembranespace复合物I：NADH-CoQ还原酶，又称NADH脱氢酶。组成：由约22－26条多肽链组成，呈L型，含有一个FMN和至少6个铁硫蛋白，以二聚体形式存在.作用:是催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质转移至膜间隙。电子传递的方向为：NADH→FMN→Fe-S→CoQ，H++1/2O2H2OCoQCytc琥珀酸等NADHNAD++H+FeSFMNICytc1FeSCytbIIICytaIVCyta3FADFeSIIe-matrixintermembranespace复合物II：是琥珀酸-CoQ还原酶，又称琥珀酸脱氢酶组成：至少由4条肽链，含有一个FAD，2个铁硫蛋白。作用：催化电子从琥珀酸到辅酶Q，但不转移质子。电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→CoQ。H++1/2O2H2OCoQCytc琥珀酸等NADHNAD++H+FeSFMNICytc1FeSCytbIIICytaIVCyta3FADFeSIIH+e-matrixintermembranespace复合物Ⅲ：CoQ-细胞色素c还原酶组成：由10条多肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b、一个铁硫蛋白和一个细胞色素c1。作用：催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。H++1/2O2H2OCoQCytc琥珀酸等NADHNAD++H+FeSFMNICytc1FeSCytbIIICytaIVCyta3FADFeSIIH+e-matrixintermembranespace复合物IV：细胞色素c氧化酶组成：由6～13条多肽链组成，以二聚体的形式存在。每个单体含有细胞色素a和a3及2个铜原子（CuA,CuB）。作用：催化电子从细胞色素c传给氧。每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。两条主要的呼吸链

根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，普遍认为细胞内有两条典型的呼吸链:NADH呼吸链:由复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成，催化NADH的脱氢氧化。FADH2呼吸链：复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。

e-H++1/2O2H2OCoQCytc琥珀酸等NADHNAD++H+FeSFMNICytc1FeSCytbIIICytaIVCyta3FADFeSIImatrixintermembranespacee-（二）ATP合成酶1.ATP合成酶的结构ATP合成酶或F1F0-ATP酶（或H+-ATP酶）是线粒体氧化磷酸化偶联的关键装置，也是合成能源物质ATP的关键装置。广泛存在于线粒体、叶绿体、异养菌和光合细菌中，是生物体能量转换的核心酶。该酶分别位于线粒体内膜，类囊体膜或质膜上，参与氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜质子动力势的推动下催化合成ATP。不同来源的ATP合成酶基本上有相同的亚基组成和结构，都是由多亚基装配形成的。其分子结构由突出于膜外的F1头部和嵌于膜内的F0基部两部分组成。F1：为水溶性球蛋白，从内膜突出于基质内。由3α、3β、1γ、1δ和1ε等9个亚基组成，3个α亚基和3个β亚基交替排列，形成一个“桔瓣”状结构，各亚基分离时无酶活性，结合时有酶活性。

其中β亚基的结合位点具有催化ATP合成或水解的活性。γ与ε亚基有很强的亲和力，结合在一起形成“转子”（rotor），位于α3β3的中央共同旋转以调节三个β亚基催化位点的开放和关闭。F0各亚基的数量关系只有细菌的被确定为a1b2c10～12。电镜观察显示，多拷贝的c亚基形成一个环状结构，a亚基与b亚基二聚体排列在c亚基12聚体形成的环的外侧，a亚基、b亚基二聚体和δ亚基共同组成“定子”。其中a亚基有跨膜转运的质子通道。F0：是嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道。2.ATP合成酶的作用机制

ATP合成酶各亚基是如何协同作用利用跨膜质子梯度形成ATP的?

美国生物化学家Boyer提出的ATP合成酶的结合变化和旋转催化机制最近得到最新实验证据的支持。

F1具有三个催化位点，且在任一时刻，F1上3个β催化亚基的构象总是不同的（O、L、T），与核苷酸结合也不一样，在ATP合成过程中，3个β催化亚基的构象发生顺序变化，每一个催化亚基要经过3次构象改变才催化合成1个ATP分子。ATP合成酶的作用机制动画质子通过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（O、L、T），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。思考题1.基本概念：呼吸链；氧化磷酸化2.线粒体有哪些结构，各有什么功能？3.线粒体中各部分结构有哪些特征性酶？4.概述呼吸链的主要组分。5.概述ATP合成酶结构及作用机制。

1.翟中和等主编.细胞生物学，第3版,高等教育出版社，20072.韩贻仁主编.分子细胞生物学(第3版),高等教育出版社,20073.艾伯茨等著，赵寿元等译.基础细胞生物学，上海科学技术出版社，20024.王金发.细胞生物学,科学出版社，20045.杨恬.细胞生物