12130506线粒体.pdf

线粒体线粒体mitochondria北京大学医学部细胞生物学系北京大学医学部细胞生物学系线粒体线粒体第一节线粒体的形态结构和组成第一节线粒体的形态结构和组成第二节呼吸链与ATP合酶第二节呼吸链与ATP合酶第三节线粒体DNA与线粒体病第四节线粒体蛋白质的输入第五节线粒体的增殖和起源第三节线粒体DNA与线粒体病第四节线粒体蛋白质的输入第五节线粒体的增殖和起源第一节线粒体的形态结构和组成第一节线粒体的形态结构和组成一、线粒体的形状、大小、数目和分布二、线粒体的超微结构和组成一、线粒体的形状、大小、数目和分布二、线粒体的超微结构和组成一、线粒体的形状、大小、数目和分布一、线粒体的形状、大小、数目和分布• 形态：形态：– 光学显微镜线粒体多为卵圆形或棒状光学显微镜线粒体多为卵圆形或棒状– 不同类型的细胞和不同生理状态下，线粒体的形状不同不同类型的细胞和不同生理状态下，线粒体的形状不同• 大小：较大，一般与杆菌的平均大小相近大小：较大，一般与杆菌的平均大小相近– 大鼠肝细胞线粒体的直径为大鼠肝细胞线粒体的直径为0.5∼ ∼1.0μ μm、长度约、长度约1.5∼∼3.0μ μm– 成纤维细胞和胰腺腺泡细胞的线粒体是长杆状或微丝样，长度可达成纤维细胞和胰腺腺泡细胞的线粒体是长杆状或微丝样，长度可达10μ μm。

• 数目：线粒体的数目依细胞种类不同差异很大数目：线粒体的数目依细胞种类不同差异很大– 哺乳类心肌线粒体数量多哺乳类心肌线粒体数量多– 大鼠肝细胞含大鼠肝细胞含1000～～1600个线粒体个线粒体– 人成熟红细胞内人成熟红细胞内无线粒体无线粒体• 分布：生理功能旺盛区域和需能量的部位分布较多分布：生理功能旺盛区域和需能量的部位分布较多– 肝细胞线粒体随机分布肝细胞线粒体随机分布– 骨骼肌和心肌的线粒体聚集在肌原纤维周围骨骼肌和心肌的线粒体聚集在肌原纤维周围– 精子线粒体环绕在鞭毛中轴的周围，形成精子线粒体环绕在鞭毛中轴的周围，形成精子线粒体鞘精子线粒体鞘一、线粒体的形状、大小、数目和分布一、线粒体的形状、大小、数目和分布MiMia a光光/电镜下肝细胞线粒体的形态结构电镜下肝细胞线粒体的形态结构肌细胞周围、精子的尾部等含有丰富的线粒体肌细胞周围、精子的尾部等含有丰富的线粒体二、线粒体的超微结构和组成二、线粒体的超微结构和组成• 电镜下观察线粒体的结构，是由两层膜围成的封闭的囊状结构，主要包括：电镜下观察线粒体的结构，是由两层膜围成的封闭的囊状结构，主要包括：– 外膜外膜、、内膜内膜、、膜间隙膜间隙和和基质腔基质腔(内室内室)四个部分四个部分– 各部分的结构、组成与功能各不相同各部分的结构、组成与功能各不相同(一) 外膜(Outer membrane)(一) 外膜(Outer membrane)• 外膜是一层平滑而连续的膜，厚约外膜是一层平滑而连续的膜，厚约6～～7nm，为边界膜。

为边界膜• 磷钨酸负染磷钨酸负染，电镜可见外膜有排列整齐的筒状圆柱体，其成分为，电镜可见外膜有排列整齐的筒状圆柱体，其成分为孔蛋白孔蛋白(Porin)，，孔径为孔径为2nm • 允许分子量小于允许分子量小于6kDa以下的分子通过以下的分子通过• 外膜特征性酶☆:外膜特征性酶☆:– 单胺氧化酶单胺氧化酶– NADH-细胞色素C还原酶，NADH-细胞色素C还原酶，对鱼藤酮不敏感对鱼藤酮不敏感线粒体外膜线粒体外膜Porin结构模式图结构模式图外 膜外 膜孔蛋白孔蛋白内 膜内 膜(二二)内膜内膜 (Inner membrane)• 内膜贴附于外膜的内侧，厚约内膜贴附于外膜的内侧，厚约5nm• 内膜不平、向线粒体内室弯曲突出形成皱褶称为内膜不平、向线粒体内室弯曲突出形成皱褶称为嵴嵴嵴的形成增加了内膜的表面积内膜的表面积大于外膜嵴的形成增加了内膜的表面积内膜的表面积大于外膜• 内膜含有三类不同功能的蛋白质内膜含有三类不同功能的蛋白质☆☆ ：：– 呼吸链的酶复合体呼吸链的酶复合体，执行氧化还原反应；，执行氧化还原反应；– ATP合酶复合体合酶复合体，于线粒体基质内合成，于线粒体基质内合成ATP；膜部为质子通道；；膜部为质子通道；– 特异性转运蛋白质特异性转运蛋白质，调节代谢物进、出基质。

调节代谢物进、出基质• 内膜是高度特化的，它含有高比例的心磷脂内膜是高度特化的，它含有高比例的心磷脂– 约占约占磷脂的20％磷脂的20％，使内膜具有对离子不能渗透的性质使内膜具有对离子不能渗透的性质1. 内膜的嵴内膜的嵴• 线粒体的结构变化主要是嵴的变化线粒体的结构变化主要是嵴的变化– 一种细胞内线粒体嵴的形状和特征是一致的一种细胞内线粒体嵴的形状和特征是一致的– 不同类型细胞其嵴的形状和排列则不同不同类型细胞其嵴的形状和排列则不同• 嵴主要有两种类型：嵴主要有两种类型：– 板层状：在高等动物细胞中，嵴多垂直于长轴，少数与线粒体长轴平行板层状：在高等动物细胞中，嵴多垂直于长轴，少数与线粒体长轴平行(如神经细胞如神经细胞)– 管泡状：常见于原生动物和多数植物细胞中管泡状：常见于原生动物和多数植物细胞中垂直排列的 板层状嵴平行排列的 板层状嵴管泡状垂直排列的 板层状嵴平行排列的 板层状嵴管泡状2. 2. 内膜上的基粒内膜上的基粒内膜上的基粒内膜上的基粒☆☆– 头部头部：：5个亚单位个亚单位(αβγδεαβγδε)，，功能是功能是催化催化ADP+Pi产生产生ATP– 基部基部：嵌入线粒体内膜也称：嵌入线粒体内膜也称膜部膜部，为，为疏水性蛋白质疏水性蛋白质，又称，又称偶联因子偶联因子F0 ，其功能是，其功能是质子的通道质子的通道。

– 柄部柄部：是连接：是连接F1 和和F0 的蛋白，因对寡霉素敏感，又称的蛋白，因对寡霉素敏感，又称寡霉素敏感蛋白寡霉素敏感蛋白，其作用是，其作用是传送质子传送质子• 粒体内膜和嵴上有许多带柄的小体，称为粒体内膜和嵴上有许多带柄的小体，称为基粒基粒(elementary particle )或称F1 颗粒颗粒• 基粒形似棒糖，分头、柄和基部基粒形似棒糖，分头、柄和基部头头头头 (F1颗粒颗粒)柄基部柄基部 (F0颗粒颗粒) F0F1ATPF0F1ATP酶或酶或酶或酶或ATPATP酶复合体酶复合体酶复合体酶复合体基粒的电镜照片基粒的电镜照片大鼠肝细胞的基粒牛心脏细胞的基粒大鼠肝细胞的基粒牛心脏细胞的基粒(三三) 膜间隙膜间隙• 膜间隙(膜间隙(intermembrane space)是外膜与内膜之间的狭窄的腔隙，宽约是外膜与内膜之间的狭窄的腔隙，宽约6～～8nm• 由于外膜的通透性大，膜间隙内的基本成分与胞液相同由于外膜的通透性大，膜间隙内的基本成分与胞液相同• 特征酶特征酶☆☆：：腺苷酸激酶腺苷酸激酶• 在膜间隙中存在与内膜疏松结合的在膜间隙中存在与内膜疏松结合的细胞色素C细胞色素C– 细胞色素C细胞色素C穿过外膜释放到细胞液中，穿过外膜释放到细胞液中，参与细胞凋亡参与细胞凋亡的信号级联，对凋亡的启动具有关键性作用。

的信号级联，对凋亡的启动具有关键性作用四四) 基 质☆基 质☆• 基质基质(matrix)是充满内室的液态无定形物，是充满内室的液态无定形物，内含许多种酶内含许多种酶嵴之间形成的间隙，内含很多蛋白质和脂类嵴之间形成的间隙，内含很多蛋白质和脂类– 含有许多重要的酶系如含有许多重要的酶系如☆☆:• 三羧酸循环酶系三羧酸循环酶系• 脂肪酸氧化酶系脂肪酸氧化酶系• 蛋白质和核酸合成的酶系等；蛋白质和核酸合成的酶系等；– 含有含有DNA、核糖体、核糖体线粒体线粒体第一节线粒体的形态结构和组成第一节线粒体的形态结构和组成第二节呼吸链与ATP合酶第二节呼吸链与ATP合酶第三节线粒体DNA与线粒体病第三节线粒体DNA与线粒体病第四节线粒体蛋白质的输入第五节线粒体的增殖和起源第四节线粒体蛋白质的输入第五节线粒体的增殖和起源第三节线粒体DNA与线粒体病第三节线粒体DNA与线粒体病☆☆• 半自主性细胞器半自主性细胞器– 线粒体含有自己的线粒体含有自己的DNA(mtDNA)和核糖体，能够自主进行蛋白质的合成，但只有少数蛋白质和核糖体，能够自主进行蛋白质的合成，但只有少数蛋白质(10%)是由是由mtDNA编码，粒体的核糖体上合成；编码，粒体的核糖体上合成；– 大多数蛋白质大多数蛋白质(90%)是由核基因编码，在细胞质游离核糖体合成后再运输到线粒体，因此线粒体是一个是由核基因编码，在细胞质游离核糖体合成后再运输到线粒体，因此线粒体是一个半自主性细胞器半自主性细胞器。

• • mtDNAmtDNA– 位于线粒体基质内，有时可见它附着于位于线粒体基质内，有时可见它附着于内膜内膜，是一个，是一个封闭的双链环状分子封闭的双链环状分子– 不 同 种 属 mtDNA 的 大 小 不 同 哺 乳 类 mtDNA是 核DNA(nDNA)大小的10不 同 种 属 mtDNA 的 大 小 不 同 哺 乳 类 mtDNA是 核DNA(nDNA)大小的10-5-5(遗传信息量小)遗传信息量小)– mtDNA编码的蛋白质是mtDNA编码的蛋白质是呼吸链与ATP酶复合体呼吸链与ATP酶复合体的主要组成成分，定位线粒体内膜中，多为疏水性蛋白质的主要组成成分，定位线粒体内膜中，多为疏水性蛋白质– mtDNA的复制与原核细胞类似的复制与原核细胞类似第三节线粒体DNA与线粒体病第三节线粒体DNA与线粒体病☆☆人类线粒体人类线粒体DNA• 人类人类mtDNA是独立于细胞核染色体外的基因组，它是独立于细胞核染色体外的基因组，它能自主复制能自主复制，，由由16569个碱基对组成个碱基对组成；；• mtDNA分子为分子为环状双链环状双链DNA分子分子，外环为重链，内环为轻链外环为重链，内环为轻链。

• 主 要 编 码主 要 编 码 线 粒 体 的线 粒 体 的tRNA、、rRNA和和线粒体的蛋白质线粒体的蛋白质M基因组基因组Pr基因(13个)基因(13个)rRNA 基因基因tRNA基因(22个)基因(22个)Cytb 基因 （基因 （1个）个）ATP酶复合体 组成成分基因酶复合体 组成成分基因CytC氧化酶 亚单位基因氧化酶 亚单位基因N A D H 脱 氢 酶 基 因脱 氢 酶 基 因( (2个)(个)(3个)(个)(7个)个)( (2个)个)16SrRNA基因(基因(1个)个)12SrRNA基因(基因(1个)个)37个基因个基因密码子通用密码线粒体编码密码子通用密码线粒体编码UGAAUAAGA AGG终止异亮氨酸精 氨 酸色氨酸蛋氨酸终止终止异亮氨酸精 氨 酸色氨酸蛋氨酸终止通用密码与线粒体遗传密码的差异通用密码与线粒体遗传密码的差异人类线粒体基因组特点人类线粒体基因组特点• 人类线粒体的基因人类线粒体的基因排列得非常紧凑排列得非常紧凑，除与，除与mtDNA复制及转录有关的一小段区域外，复制及转录有关的一小段区域外，无内含子序列无内含子序列• 在在37个基因之间，基因间隔区总共只有个基因之间，基因间隔区总共只有87bp,只占只占DNA 总长度的总长度的0.5%，，有些基因之间没有间隔有些基因之间没有间隔;• 有时有时基因有重叠基因有重叠，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相衔接。

即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相衔接• 因此，因此，mtDNA的任何突变都会累及到基因组中一个重要功能区域的任何突变都会累及到基因组中一个重要功能区域• mtDNA的的突变率高于突变率高于核中核中DNA，并且缺乏修复能力；，并且缺乏修复能力；• mtDNA为为母系遗传母系遗传牛呼吸链牛呼吸链4个复合体的基因定位个复合体的基因定位复合体复合体基因数量基因数量线粒体核Ⅰ线粒体核Ⅰ734ⅡⅡ04ⅢⅢ110ⅣⅣ310dNTPDNA-pol γ γD环复制环复制(D-loop replication)线粒体线粒体DNA的复制形式的复制形式线粒体的复制线粒体的复制肝细胞。