细胞生物学：第十三章 线粒体.ppt

11894年 Altman光镜 生命小体 (bioblast)1897年 Benda 线粒体(mitochonvdrion）第一节 线粒体的形态结构一、线粒体的形态、大小、数目和分布形态：光镜： 线状、粒状、短杆状；有的圆形、哑铃形、星形；还有分枝状、环状等第十三章 线粒体2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大小：细胞内较大的细胞器一般直径：0.51.0um;长度：3um3光镜下绿色颗粒显示线粒体光镜下红色颗粒显示溶酶体45电镜：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 ）内含基质二、线粒体的亚微结构6外 膜包围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） ，围成筒状圆柱体，中央有小孔，孔径：23nm，允许分子量为10 000以内的物质可以自由通过外膜7位于外膜内侧，由一层单位膜构成厚6nm，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68nm宽间隙膜间隙(外室）嵴与嵴之间的腔嵴间腔(内室）嵴内的空隙嵴内腔(外室）外膜内膜膜间隙嵴嵴间腔嵴内腔内 膜8外膜内膜膜间隙嵴间腔嵴内腔嵴嵴的形态和排列方式差别很大，最主要的两种类型：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嵴 与 基 粒9可溶性的ATP酶（F1)疏水蛋白（HP F0 )外膜内膜膜间隙嵴间腔嵴内腔嵴 嵴 与 基 粒基粒（ATP合成酶复合体）：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4.5-6nm6-11.5nm 高5-6nm9nm9nm头部柄部基片对寡酶素敏感蛋白（OSCP)ATP酶复合体抑制多肽 （调节酶活性）: 合成ATP: 调节质子通道：质子的通道（内室）（外室）10p10911外膜内膜膜间隙嵴间腔嵴内腔嵴 基粒基质：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基质12一、 线粒体的化学组成（一）蛋白质：占线粒体干重的6570%，内膜含量较多，种类可达21种，外膜中含14种蛋白质线粒体的蛋白质可分为两类：可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白，占总量的50%70%；不溶性蛋白：一般是构成膜的镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白第二节 线粒体的化学组成和酶定位13占线粒体干重的25% -30%。

其中大部分为磷脂 ：磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）、心磷脂（主要存在内 膜中占其总脂20% ）外膜：脂类占52%、蛋白质占48%，胆固醇和磷脂含量比内膜高内膜：脂类占24%、蛋白质占76%，胆固醇含量极少，心磷脂含量比任何膜都高二）脂类：14（三）水、辅酶、金属离子等水是线粒体中含量最多的，既是生化反应的媒介，又是代谢的最终产物；辅酶Q（CoQ）、黄素单核苷酸（FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）等作为辅酶参与电子传递的氧化还原过程；线粒体中含有DNA，RNA，核糖体颗粒，参与构成了核外遗传与蛋白质合成体系15二、线粒体中主要酶的分布线粒体中约有120种酶氧化还原酶 37%连接酶 10%水解酶 9%16二 、线 粒 体 中 酶 的 分 布(p110)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C氧化酶、琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、肉碱酰基转移酶、-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 质苹果酸脱氢酶、柠檬酸合成酶、乌头酸酶、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17三、呼吸链(p110)为存在于线粒体内膜，由一系列能够可逆的接受和释放电子或质子的化学物质组成的脂蛋白复合物功能结构体系，其可耦联线粒体中的氧化磷酸化过程，又称为电子传递链18四、ATP合成酶复合物 分为球形的 F1（头部）和嵌入膜中的 F0（基部） F1由5种多肽组成33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个亚基具有一个） F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道19ATP合成酶p11320cabH+F1F0转子定子ATP合成酶由33 5种多肽组成复合体由ab2c12三种多肽组成复合体21线粒体是糖、脂肪、氨基酸等能源物质最终氧化释放能量的场所生命活动中所需的能量来自线粒体细胞氧化：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所以又称细胞呼吸第三节线粒体的功能22线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。

23241.无氧酵解： 在细胞质内进行，反应过程不需要氧无氧酵解2.乙酰辅酶A生成: 线粒体基质或内膜上进行3.三羧酸循环: 粒体基质内进行 4.电子传递和氧化磷酸化: 粒体内膜上进行葡萄糖（C6H12O6）糖酵解酶系2丙酮酸（C3H4O3) + 2H + 2ATPC3H4O3 +辅酶A(CoA) +2NAD 乙酰-CoA + 2NADH + 2H + CO2丙酮酸脱氢酶系+ Mg2+一、细胞呼吸与糖的氧化25葡萄糖丙酮酸NADNADH2CO2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NADNADH2CO2-酮戊二酸NADNADH2CO2琥珀酸FADFADH2延胡索酸苹果酸NADNADH21231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26电子传递和氧化磷酸化：供能物质经过酵解、乙酰辅酶A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27氧化磷酸化的分子基础 动物细胞中80%的ATP来源于线粒体，糖、脂肪和氨基酸彻底氧化，电子经过一系列的传递，传至氧分子，逐级释放能量，合成ATP。

28无氧酵解：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 耦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 H+不能自由通过线粒体内膜线粒体内膜上的电子传递链同时起质子（H+）泵的作用，可以在电子传递的同时将质子（H+）从线粒体基质腔（内室）转移到膜间腔（外室）从而形成外室含有高能浓度的H+1二、氧化磷酸化的耦联机制化学渗透学说：该学说是英国生物化学家1961年提出，1964年充实、完善1978年因此获诺贝尔奖其主要论点是：302 线粒体内膜上的基粒（ATP酶复合体）也能可逆地跨线粒体内膜转运质子（H+），一方面：它可以水解ATP产生能量将质子从内室转移到外室；另一方面：当外室存在大量质子时使线粒体内膜内外存在足够的质子电化学梯度，质子则从外室通过基粒（ ATP酶复合体）F0上的质子通道进入内室，同时驱动F1因子中ATP酶利用这种势能合成ATP，完成磷酸化过程，实现能量转换31 4线粒体内膜上有一系列介导基本代谢物质和选择性转运无机离子进出内膜的载体蛋白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32电子传递过程中所释放的能量并非直接用于合成ATP，而是用来将质子从内室泵到外室。

由于线粒体内膜是质子屏障，造成膜两侧质子浓度失衡，产生跨膜的电化学质子梯度（pH差和电位差，含很高的能量），外室中高浓度的质子有返回内室的趋势，当质子从外室通过基粒（ ATP酶复合体）F0上的质子通道进入内室,同时驱动F1因子中ATP酶,利用这种势能使ADP磷酸化合成ATP33三、ATP合成酶的作用机制结合变化机制：（构象耦联假说，1997年获诺贝尔奖p114）1ATP酶利用质子动力势，发生构象改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP2F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同，与核苷酸的亲和力不同343质子通过F0时，引起 c 亚基构成的c环旋转，从而带动亚基旋转，它的旋转引起亚基上的3个催化位点发生构象的周期性变化，不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP35cabH+F1F0转子定子ATP合成酶由33 5种多肽组成复合体由ab2c12三种多肽组成复合体3633 6聚体在亚基旋转120度时各发生一次构象变化，每一个亚基催化合成1分子ATP时，均要经历O/T/L三种构象变化p11437每个亚基每催化形成一个ATP分子，均要顺序经历与核苷酸结合的O态、L态和T态三种不同的构像状态，并不断在O L T O构像状态中循环。

38亚基三种不同的构像(p114) O（空置态）： 对ATP亲和力很弱，释放ATP，而对ADP和Pi微弱结合 L （松散结合态）： 对ADP和Pi的结合呈松散结合状态，但比O态的结合要强 T （紧密结合态）： 对ADP和Pi的亲和力相当强，以至自发形成ATP， 对ATP呈紧密结合状态39 、亚基结合在一起，形成插入上述33六聚体结构中央的轴或转子 亚基与F0因子的b亚基结合形成一个坚硬的定子，可阻止亚基转动时，六聚体的同时转动 3个亚基均能够结合ATP、ADP和Pi，催化ATP合成3个亚基在同一时刻各自构像不同，因此，对ATP、ADP和Pi的亲和力不一样40cabH+F1F0转子定子ATP合成酶由33 5种多肽组成复合体由ab2c12三种多肽组成复合体41泵出至外室（膜间腔）的H+穿过F0 质子通道返回Mt基质时 释放的能量使 亚基旋转1200 驱动每个亚基构像发生周期性改变 底物ADP、Pi同亚基活性部位的结合由松散状态变为紧密状态，以利自发形成ATP产物ATP同亚基活性部位的结合由紧密状态变为松散状态，以利ATP释放42ATP产生过程处于O态，释放在T态时形成的ATP 结合ADP和Pi，但结合相当微弱 H+质子由外腔进入内腔时，驱动亚基旋转1200 由O态变构为L态，结合ADP和Pi的能力 由微弱变为松散状态 再一次质子通过，亚基再旋转1200 43由L态变构为T态 对ADP和Pi的亲和力相当强，自发形成ATP对ATP呈紧密结合状态又一次质子通过，亚基再旋转1200。

由T态变构为O态，又释放ATP，结合ADP和和Pi 44亚基每旋转1200，都同时有ADP和Pi同亚基的结合（微弱和松散）、ATP的自发形成、ATP的释放事件发生 45一、线 粒 体 DNA ( mtDNA )mtDNA: 是双链环状的DNA分子、裸露，不与组蛋白结合,分散粒体基质中，长约5um、分子量小,含15 000碱基对1981年人胎盘AndersonmtDNA全部核苷酸序列全长16 569个碱基对第四节 线粒体的半自主性一、人类线粒体基因组 线粒体是动物细胞核外惟一含有DNA的细胞器1981年，剑桥大学的Anderson小组测定了人mtDNA完整的序列，被命名为“剑桥序列”mtDNA是人类基因组的组成部分，被称之为第25号染色体(?)47mtDNA 中具有16569 bp ，37个基因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mtDNA排列紧凑、高效。