张光谋-第八章线粒体(一)剖析.ppt

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@,2,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,3,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,4,一、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5,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6,线粒体一般直径为0.5～1.0μm，长1.5～3.0m其大小也因细胞种类和生理状况的不同而不一样 不同细胞内变动很大:大鼠肝细胞的线粒体5 m; 胰腺的外分泌细胞中10～20μm;人的成纤维细胞线粒体40m 7,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8,肌细胞和精子的尾部聚集较多的线粒体，以提供能量.,9,（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,10,线粒体的超微结构模式图,11,1.外膜,包围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12,2.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13,,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14,板层状（大多数高等动物细胞中线粒体的嵴）,15,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）,16,基粒（ATP酶复合体),,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17,估计每个线粒体约有104～105个基粒18,3.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19,4.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20,,外膜,内膜,,膜间隙,,嵴,,基粒（ATP酶）,,线粒体 DNA,核糖体,基质颗粒,,,,,21,二、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22,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%23,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24,（二）线粒体中酶的分布,线粒体中约有140余种酶25,三、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26,,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27,（一）电子传递链,电子传递链（electron-transport chain）：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（respiratory chain）28,实验证明呼吸链的组分均以多分子复合物的形式包埋粒体内膜中(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 ) 29,CoQ,Cyt c,,,琥珀酸等,,,,,,H+,e-,matrix,intermembrane space,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，,30,CoQ,Cyt c,,,琥珀酸等,,,,,,e-,matrix,intermembrane space,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→CoQ31,CoQ,Cyt c,,,琥珀酸等,,,,,,H+,e-,matrix,intermembrane space,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32,CoQ,Cyt c,,,琥珀酸等,,,,,,H+,e-,matrix,intermembrane space,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33,两条主要的呼吸链,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-,e-,34,（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35,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ATP36,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37,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。

38,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39,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40,2.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41,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42,ATP合成酶的作用机制,,,,动画,43,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。

44,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45,1.翟中和等主编. 细胞生物学，第3版,高等教育出版社，2007 2.韩贻仁主编. 分子细胞生物学(第3版),高等教育出版社,2007 3.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，2002 4.王金发. 细胞生物学,科学出版社，2004 5.杨 恬.细胞生物学，人民卫生出版社，2005 6.Karp G. Cell and Molecular Biology,4th ed(2005), 高等教育出版社,2007 7.Lodish H et al. Molecular Cell Biology. 4th ed. W H Freeman and Company, 2000,参考文献及网站,46,1. 2.http://202.116.64.20/wjf/index.htm(中山大学) 3.http://221.10.254.145/204/show.asp?id=49 (川大) 4. 5.http://www.bio- 6.http://www.xa- 7.http://www.bio-medicine.org/ 8.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ 9.,The end,。