第七章线粒体的结构与功能

1、线粒体(mitochondrion)是存在于真核细胞中的一种较大细胞器，在光学显微镜下观察呈“短线状”或“颗粒状”的形态学特征而命名为线粒体，是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所,细胞生命活动所需的能量有95来自线粒体，因此有细胞“动力工厂”之称。,线粒体的形态、数量与分布,返回目录,第7章线粒体的结构与功能mitochondra,1894年Altmann光镜生命小体(bioblast)1897年Benda线粒体(mitochondria),第一节线粒体的形态结构,一.线粒体的形态、大小和分布形态：光镜：线状、粒状、短杆状；有的圆形、哑铃形、星形；还有分枝状、环状等,线粒体的形态,光学显微

2、镜下线粒体的形态,线粒体的形态多种多样，一般呈线状，也有粒状或短线状。细胞的生理状况发生变化时线粒体的形态亦将随之而改变。,线粒体的数量,同一类型细胞中，线粒体的数目是相对稳定的。在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大。生理活动旺盛的细胞（心肌细胞）线粒体多。,数百数千个,1个,50万个(巨大变形虫),肌细胞和精子的线粒体分布线粒体包围着脂肪滴,线粒体的分布,线粒体较多分布在需要ATP的部位！,返回目录,数目：不同类型的细胞中差异较大。正常细胞中：10002000个。分布：因细胞形态和类型的不同而存在差异。通常分布于细胞生理功能旺盛的区域和需要能量较多的部位。总之：线粒体的形态、大小、数目和分

3、布在不同形态和类型的细胞可朔性较大。,大小：细胞内较大的细胞器。一般直径：0.51.0um;长度：3um。,光镜下绿色颗粒显示线粒体,红色颗粒显示溶酶体,线粒体的形态,线粒体的形态,线粒体结构,二.线粒体的亚微结构,电镜：线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构。,外膜,内膜,膜间隙,（膜间腔、外室）,嵴,嵴间隙,（嵴间腔、内室）内含基质,8.2,电镜下，线粒体是由两层高度特化的单位膜套叠而成的囊状结构，主要由外膜、内膜、膜间腔和基质腔四部分组成,线粒体的结构与化学组成,电子显微镜下线粒体的形态结构A、B扫描电镜图；C透射电镜图,线粒体的超微结构,电镜：线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构

4、。,外膜,内膜,膜间腔,（外腔）,嵴,嵴间腔,（内腔）内含基质，有DNA,线粒体的超微结构,外膜,内膜,膜间隙,嵴间腔,嵴,嵴：,基粒（ATP酶复合体）：,基质面上许多带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。,基粒（ATP酶复合体）,3-4nm长4.5-6nm,6-11.5nm高5-6nm,头部,柄部,基片,:合成ATP,:调控质子通道,：质子的通道,（内腔）,（外腔）,内膜向内腔折叠形成，可增加内膜的表面积。,嵴和基粒,基粒的结构,基粒结构模式图,返回目录,包围在线粒体外表面的一层单位膜。厚67nm，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

5、分子量为10000以内的物质可以自由通过。,外膜,外膜,位于外膜内侧，由一层单位膜构成。厚5-6nm，其通透性很差，但有高度的选择通透性，借助载体蛋白控制内外物质的交换。,内膜向内突起形成嵴,内外膜之间有6-8nm宽间隙膜间隙,嵴与嵴之间的腔嵴间腔,嵴内的空隙嵴内腔,内膜,膜间隙（外室）,嵴,嵴间腔（内室）,嵴内腔,内膜,嵴,嵴的形态和排列方式差别很大，主要有两种类型：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）。,（内室）,（外室）,嵴：内膜向内室折叠形成，可增加内膜的表面积。,嵴与基粒,可溶性的ATP酶（F1)360000,疏水蛋白（H

6、PF0)70000,嵴,基粒（ATP酶复合体）：内膜和嵴膜基质面上许多带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。,基粒（ATP酶复合体）,3-4nm长4.5-6nm,6-11.5nm高5-6nm,头部,柄部,基片,对寡酶素敏感蛋白（OSCP)18000,ATP酶复合体抑制多肽10000（调节酶活性）,:合成ATP,:调节质子通道,：质子的通道,（内室）,（外室）,嵴与基粒,b,F1,F0,转子,定子,基质：内膜和嵴围成的腔隙，腔内充满较致密的物质线粒体基质。,线粒体基质,脂类,蛋白质,酶类,线粒体DNA,线粒体DNA,线粒体mRNA,线粒体tRNA,线粒体核糖体,线粒体核糖体,基质颗粒,基质颗粒,（

7、外室）,基质,线粒体结构与化学组成,外膜(outermembrane),内膜(innermembrane),膜间隙(intermembranespace),线粒体基质(matrix),1,标志酶:单胺氧化酶外膜含有较大的通道蛋白:孔蛋白最大允许5000D的分子自由通过,外膜(outermembrane),细菌外膜中的孔蛋白,OrganizationandFunctionofMitochondria,线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的部位，通透性差；含有大量的心磷脂(cardiolipin)，心磷脂与离子的不可渗透性有关；3类酶：运输酶类、合成酶类、电子传递和ATP合成的酶类；内膜的标志酶是细胞色

8、素氧化酶。,内膜(innermembrane),2,线粒体膜的运输系统,标志酶:腺苷酸激酶功能:建立电化学梯度,膜间间隙(intermembranespace),标志酶:苹果酸脱氢酶,线粒体基质(matrix),功能:,TCA循环脂肪酸氧化氨基酸降解合成部分线粒体蛋白,线粒体中酶的分布,线粒体中约有120种酶-,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、,脂类代谢有关的酶（酰基辅酶A合成酶、脂肪酸激酶等）,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、亚硫酸氧化酶,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、肉碱

9、酰基转移酶、-羟丁酸和-羟丙酸脱氢酶、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（c）氧化酶、琥珀酸脱氢酶,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,氧化还原酶37%,线粒体各部分蛋白及酶的分布,线粒体的化学组成,线粒体的化学组分主要是由蛋白质、脂类和水份等组成,红色标注各部分的标志酶,第二节线粒体的氧化供能作用,线粒体：提供细胞95%以上的能量-细胞内的动力工厂糖酵解：提供细胞少量的能量,细胞内的供能物质：主要糖类,知识回顾：

10、真核细胞中的氧化作用糖的氧化:葡萄糖细胞胞质中分解为丙酮酸(不需要氧，糖酵解)糖氧化成丙酮酸丙酮酸脱羧生成乙酰CoA乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化,无氧：乳酸,糖的酵解与氧化,能量:高能分子,6C3C2C1C,线粒体,线粒体基质中乙酰辅酶A的生成丙酮酸跨膜进入线粒体基质；在丙酮酸脱氢酶(pyruvatedehydrogenase)作用下氧化成乙酰辅酶A。,生物需要能量时首先利用多糖多糖葡萄糖丙酮酸脂肪脂肪酸蛋白质氨基酸,乙酰辅酶A（乙酰CoA）,三羧酸循环,三羧酸循环(tricarboxylicacidcycle,TCAcycle)又叫Krebs循环、柠檬酸循环。,TCA循环,葡萄糖酵解生成

11、丙酮酸,乙酰CoA的生成,三羧酸循环,返回目录,2分子CO21分子GTP4分子NADH1分子FADH25对电子,线粒体在能量转换中的作用,电子传递偶联氧化磷酸化,化学渗透偶联假说(chemiosmoticcouplinghypothesis)解释氧化磷酸化的偶联机理。该学说认为:在电子传递过程中,伴随着质子从线粒体内膜的里层向膜间腔转移，形成跨膜的氢离子梯度，这种势能驱动了氧化磷酸化反应(提供了动力)，合成了ATP。,返回目录,化学渗透学说示意图,细胞氧化：在酶的催化下，氧将细胞内各种供能物质氧化而释放能量的过程。由于细胞氧化过程中，要消耗O2释放CO2和H2O所以又称细胞呼吸。,细胞氧化的基

12、本过程,1、酵解：在细胞质基质内进行，反应过程不需要氧无氧酵解,2、乙酰辅酶A生成:线粒体基质内进行,3、三羧酸循环:在线粒体基质内进行,4、电子传递和氧化磷酸化:在线粒体内膜上进行,葡萄糖（C6H12O6）,2丙酮酸（C3H4O3)+2H+2ATP,C3H4O3+辅酶A(CoA)+2NAD,乙酰-CoA+2NADH+2H+CO2,葡萄糖,丙酮酸,NAD,NADH2,CO2,乙酸,CoA,乙酰CoA,草酰乙酸,三羧酸循环（柠檬酸循环）,柠檬酸,顺乌头酸,异柠檬酸,NAD,NADH2,CO2,-酮戊二酸,NAD,NADH2,CO2,琥珀酸,FAD,FADH2,延胡索酸,苹果酸,NAD,NADH2

13、,1,2,3,1,注：NAD（辅酶I）:尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸FAD（黄酶）:黄素腺嘌呤二核苷酸,三羧酸循环,电子传递和氧化磷酸化：供能物质经过酵解乙酰辅酶A,呼吸链（电子传递链）:,复合体1复合体2复合体3复合体4复合体5O2,伴随电子传递链的氧化过程所进行的能量转换和ATP的生成称氧化磷酸化或称氧化磷酸化偶联。,生成、三羧酸循环脱下的氢原子，通过内膜上的一系列呼吸链酶系的电子传递，最后与氧结合生成水，电子传递过程中释放的能量被用于ADP磷酸化形成ATP.,电子传递和氧化磷酸化,氧化磷酸化：,n由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。n由复合物II、III、IV组成，催化琥珀酸

14、的脱氢氧化。,呼吸链(resqiratorychain)呼吸链即电子(包括H+)的传递链，起自NADH(NicotineAdenylateDinucleotide，尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸)，终端为02，NADH02共产生3个ATP。其间任何环节缺陷将导致电子传递障碍。NADHCoQCytCO2ComplexI:NADH-CoQ还原酶ComplexII:琥珀酸-CoQ还原酶ComplexIII:细胞色素c还原酶ComplexIV:细胞色素c氧化酶ComplexV:ATP合成酶,I,琥珀酸,II,III,IV,V生成3个ATP,1、复合物I：NADH（烟酰胺嘌呤二核苷酸）-CoQ还原酶最大、最复杂

15、的脂蛋白复合体。由42条肽链组成，呈L型，含一个FMN（黄素单核苷酸）和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。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（M侧）转移至膜间隙（C侧）。2、复合物II：琥珀酸-CoQ还原酶/琥珀酸脱氢酶至少由4条肽链，含有一个FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸），1个细胞色素b和2个铁硫蛋白。催化琥珀酸的低能量电子转至辅酶Q，但不转移质子。,3、复合物III：CoQ-细胞色素c还原酶。至少11条不同肽链，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个铁硫蛋白和一个细胞色素c1。催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每

16、转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。4、复合物IV：细胞色素c氧化酶为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚单位：细胞色素a、a3和2个铜原子将从细胞色素c接受的电子传给氧，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。,呼吸链,呼吸链（respiratorychain）又称为电子传递链（electrontransportchain），是一系列具有递氢、递电子作用的氢载体和电子载体蛋白，该体系最终以氧作为电子接受体，与细胞摄氧有关，故称为呼吸链。由四种复合物组成,返回目录,TheElectronTransportChain,三个参与H+传递，四个都参与传

17、递电子,线粒体呼吸链中四种复合物的性质,38个ATP,酵解：2个,线粒体内：36个,三羧酸循环：2个,内膜上呼吸氧化过程：34个,偶联磷酸化的关键装置基粒（ATP酶复合体）,一分子的葡萄糖彻底氧化生成38个ATP,n由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。n由复合物II、III、IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。,TheMechanismofOxidativePhosphorylation英国生物化学家P.Mitchell1961年提出了化学渗透假说(chemiosomoticcomplinghypothesis)解释氧化磷酸化的偶联机理。,荣获1978年诺贝尔化学奖!,化学渗透假

18、说,在电子传递过程中,伴随着质子从线粒体内膜的里层向外层转移,形成跨膜的氢离子梯度,这种势能驱动了氧化磷酸化反应(提供了动力),合成了ATP。,化学渗透学说示意图,化学渗透学说,1961年英国P.Mitchell1978年诺贝尔奖,认为：,提出：,3,线粒体内膜本身具有离子不通透性，能隔绝包括H+、OH-在内的各种正负离子。,第三节线粒体的半自主性,一.线粒体DNA(mtDNA)mtDNA:是双链环状的DNA分子、裸露不与组蛋白结合,分散在线粒体基质中，长约5um、分子量小,含15000碱基对。1981年人胎盘AndersonmtDNA全部核苷酸序列全长16569个碱基对,mtDNA16569

19、bp,37个基因,2种编码rRNA(12S和16S）基因,22种编码tRNA基因,13种编码蛋白质基因,HumanmtDNA,acircularmoleculethathasbeencompletelysequenced,isamongthesmallestknownmtDNAs,containing16,569basepairs.ItencodesthetworRNAsfoundinmitochondrialribosomesandthe22tRNAsusedtotranslatemitochondrialmRNAs.,人类线粒体基因组示意图,线粒体DNA,人类线粒体基因组是一个环状双链DN

20、A包括37个基因可以编码2种rRNA、22种tRNA和13种蛋白,线粒体的半自主性,线粒体具有独立的遗传体系，能够合成蛋白质，但是合成能力有限。大多数线粒体蛋白都是由核基因编码，在细胞质中合成后，定向转运到线粒体的，因此线粒体被称为半自主性细胞器（semiautonomousorganelle）。,返回目录,MtDNA的结构特点,除成熟的红细胞外每一个细胞内均有数量不等的线粒体。每一个线粒体内有210个拷贝的mtDNA，mtDNA是独立于细胞核染色体外的又一基因组。人mtDNA由16569bp的双链环状DNA组成1个轻链和重链。其中包括37个基因：22个tRNA基因、2个rRNA基因(12S和

21、16SrRNA)和13个mRNA基因。所有的13种蛋白质产物均参与组成呼吸链。,Tobecontinued.,MtDNA的结构特点,人类线粒体的基因组排列非常紧凑，除与mtDNA复制及转录有关的一小段区域外，无内含子序列。37个基因间隔区总共只有87bp，因此，几乎mtDNA的任何突变均会累及到基因组中一个重要区域。线粒体拥有相对独立的DNA复制、转录和翻译系统，是半自主性细胞器。重链主要编码2个rRNA，12个多肽及14个rRNA；轻链仅编码一个NADH脱氢酶亚单位4及8个tRNA。,线粒体基因组的特点,1.几乎全部基因组都是编码序列2.密码子的特殊性3.裸露的DNA，不与组蛋白结合,二.线

22、粒体蛋白质合成线粒体：有自身的蛋白质合成体系，如：氨基酸活化酶、线粒体核糖体等。线粒体的蛋白质合成与原核细胞相似，而与真核细胞不同。,mtDNA排列紧凑、高效利用、可自我复制,但其遗传密码与“通用”的遗传密码表也不完全相同如:UGA色氨酸而不是终止密码。,总之：,线粒体有自己的DNA和蛋白质合成系统独立的遗传系统,表明有一定的自主性。mtDNA分子量小、基因数量少、编码的蛋白质有限，只占线粒体蛋白质的10%，而大多数线粒体蛋白质（90%）由核基因编码的，并在细胞质中合成后转运到线粒体中去。同时线粒体遗传系统受控于细胞核遗传系统。因此，线粒体为半自主性细胞器。,由此可见：,“通用”遗传密码与线粒体遗传密码的差异,返回目录,线粒体从细胞质中转运蛋白质,蛋白质输入线粒体基质的过程,返回目录,蛋白质到线粒体的运输途径,返回目录,一、线粒体的增殖,线粒