第06章线粒体与细胞的能量转换

1、第六第六章章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换mitochondrion and energy conversion in cells基础医学院细胞生物学与遗传学教研室 陈贤均教学基本要求教学基本要求第一节第一节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构（一）线粒体的形态、数量与分布（一）线粒体的形态、数量与分布1.1.形态：一般呈粒状或杆状。形态：一般呈粒状或杆状。&可呈线状，哑铃形、分杈状或其它形状，因生物或可呈线状，哑铃形、分杈状或其它形状，因生物或细胞种类和生理状态而异。如肝细胞的呈椭球形和细胞种类和生理状态而异。如肝

2、细胞的呈椭球形和棒状，口腔粘膜上皮细胞的是球形颗粒，酵母菌的棒状，口腔粘膜上皮细胞的是球形颗粒，酵母菌的是分支形的。低渗状态下呈泡状，高渗状态下成线是分支形的。低渗状态下呈泡状，高渗状态下成线状；人胚肝细胞线粒体在发育早期是短棒状，晚期状；人胚肝细胞线粒体在发育早期是短棒状，晚期长棒状。长棒状。2.大小：一般直径大小：一般直径0.51.0m , 长长1.53.0 m 。&在胰脏外分泌细胞中可长达在胰脏外分泌细胞中可长达1020 m，称，称巨线粒体巨线粒体3.3.数量：因细胞的种类而不同，一个细胞中的线粒体数量：因细胞的种类而不同，一个细胞中的线粒体数一般为几百到几千个。数一般为几百到几

3、千个。&哺乳动物成熟红细胞中无线粒体。哺乳动物成熟红细胞中无线粒体。&单细胞鞭毛藻单细胞鞭毛藻1 1个个&酵母细胞酵母细胞1 1个大型分支的线粒体个大型分支的线粒体&肝细胞约肝细胞约13001300个个&巨大变形虫巨大变形虫5050万个万个4.4.分布：与细胞能量需求相适应。分布：与细胞能量需求相适应。&代谢旺盛的细胞中较多代谢旺盛的细胞中较多&功能活动旺盛的区域中较多：如在肝细胞中呈均功能活动旺盛的区域中较多：如在肝细胞中呈均匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行或栅状匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行或栅状排列，肠表皮细胞中呈两极性分

4、布，集中在顶端排列，肠表皮细胞中呈两极性分布，集中在顶端和基部，在精子中分布在鞭毛中段。和基部，在精子中分布在鞭毛中段。&线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移l光镜下人口腔粘膜上皮细胞中光镜下人口腔粘膜上皮细胞中的线粒体的线粒体l用离心法从小鼠肝脏分离的线粒体，詹那斯绿b染色。涂片相同区域不同焦平面的折光差异显示线粒体为亮绿色（上图）和暗绿色（下图）。线粒体之间的杂质为细胞碎片。（二）线粒体的结构（二）线粒体的结构1.外膜外膜(outer membrane)（1）形态：光滑平整，厚）形态：光滑平整，厚57nm（2）组成：脂类与蛋白质各约）组成

5、：脂类与蛋白质各约1/2，标志性酶是单氨，标志性酶是单氨氧化酶氧化酶（3）功能特性：通透性较高。含多种转运蛋白）功能特性：通透性较高。含多种转运蛋白（孔蛋白，有直径（孔蛋白，有直径23nm的含水孔道），允的含水孔道），允许分子量在许分子量在10 000以下以下的物质自由通过。的物质自由通过。2.内膜内膜(inner membrane)（1）形态：向内腔折叠形成嵴，表面积大；嵴上有特）形态：向内腔折叠形成嵴，表面积大；嵴上有特化的基粒，膜厚化的基粒，膜厚4.5nm；（2）组成：脂类）组成：脂类20%，蛋白，蛋白80%，内膜的标志性酶是内膜的标志性酶是细胞色素氧化酶和琥珀酸脱氢酶。细胞色素氧化酶和

6、琥珀酸脱氢酶。（3）功能特性：通透性）功能特性：通透性较低，分子量大于较低，分子量大于150的物质不能自由通过；的物质不能自由通过；有多种转运蛋白，选有多种转运蛋白，选择通透性强。择通透性强。（4）结构区域：）结构区域：l基质腔基质腔(matrix space)：内膜围成，含基质，：内膜围成，含基质，l膜间腔膜间腔(intermembrane space)：内外膜之间的腔：内外膜之间的腔l嵴嵴(cristae): 嵴是内膜向内腔突起形成的嵴是内膜向内腔突起形成的板状或管板状或管状折叠状折叠。l嵴间腔嵴间腔(intercristae space)l嵴内腔嵴内腔(intracristae spac

7、e)return to page 11（1 1）定义：线粒体内、外膜相互接触的位置，此处膜）定义：线粒体内、外膜相互接触的位置，此处膜间腔的狭，称为转位接触点，间腔的狭，称为转位接触点，是物质进出线粒体的通是物质进出线粒体的通道。道。（2 2）功能性成分）功能性成分n外膜转位子（外膜转位子（tomtom）受体蛋白受体蛋白n内膜转位子（内膜转位子（timtim）通道蛋白通道蛋白4.基质（基质（matrix）基质腔和嵴间腔中的胶状物质，成分有：基质腔和嵴间腔中的胶状物质，成分有：（1）酶类：三羧酸循环，脂肪酸氧化，氨基酸分解，）酶类：三羧酸循环，脂肪酸氧化，氨基酸分解，蛋白质合成等；蛋白质合成等；

8、标志酶是苹果酸脱氢酶标志酶是苹果酸脱氢酶。（2）mtdna：双链环状：双链环状（3）核糖体：）核糖体：70s5.基粒基粒(elementary particle)基粒是内膜基质腔面的基粒是内膜基质腔面的atp酶复合体，可催化酶复合体，可催化adp磷酸化生成磷酸化生成atp。二、线粒体的化学组成二、线粒体的化学组成线粒体的化学组成线粒体的化学组成（一）蛋白质（一）蛋白质（占干重的（占干重的6570%）（三）（三）dna及遗传系统（及遗传系统（有遗传半自主性）有遗传半自主性）（二）脂类（二）脂类( (占占干重的干重的25-30%25-30%) )1.1.成分：卵磷脂、脑磷脂、成分：卵磷脂、脑磷脂、

9、心磷脂及磷脂酰肌醇；心磷脂及磷脂酰肌醇；2.2.特征：卵磷脂含量最高，特征：卵磷脂含量最高，含心磷脂，胆固醇含量低含心磷脂，胆固醇含量低1.1.可溶性蛋白：基质中的酶可溶性蛋白：基质中的酶蛋白和膜外在蛋白蛋白和膜外在蛋白2.2.不溶性蛋白：嵌入膜内的不溶性蛋白：嵌入膜内的结构蛋白和酶蛋白结构蛋白和酶蛋白三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系线粒体有自己的基因表达系统，但线粒体有自己的基因表达系统，但只编码只编码10多种蛋白多种蛋白质，线粒体中已确定的酶有质，线粒体中已确定的酶有120多种，多种，是半自主性细是半自主性细胞器。胞器。（一）线粒体基因组特征（一）线粒体基因组特征1.线粒体基因组线

10、粒体基因组结构特征结构特征（1）dna 分子特征：裸露、分子特征：裸露、环状环状，无内含子，结构紧，无内含子，结构紧密，编码序列占密，编码序列占93%，有，有重叠基因重叠基因，有，有特殊秘密特殊秘密；1个分子，个分子， 16 596 bp，多个拷贝。，多个拷贝。（2）基因数量与类别：重链）基因数量与类别：重链28个基因，轻链个基因，轻链9个基因，个基因，共共37个基因。个基因。2个个rrna基因基因22个个trna基因基因13个个蛋白质基因蛋白质基因return to page 19return to page 19线粒体遗传系统的特殊密码子线粒体遗传系统的特殊密码子return to pag

11、e 19密码子密码子核密码编核密码编码氨基酸码氨基酸线粒体密码子编码氨基酸线粒体密码子编码氨基酸哺乳动物哺乳动物果蝇果蝇链孢霉菌链孢霉菌 酵母酵母uga终止终止色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸aga,agg 精氨酸精氨酸终止终止丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸精氨酸精氨酸aua异亮氨酸异亮氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 异亮氨酸异亮氨酸 异亮氨酸异亮氨酸auu异亮氨酸异亮氨酸 异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸 甲硫氨酸甲硫氨酸cuu,cuc cua,cug亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸苏氨酸苏氨酸亮氨酸亮氨酸2.线粒体基因组的线粒体基因组的功能特征功能

12、特征 （1）复制不受细胞周期限制；）复制不受细胞周期限制；（2）突变率高，缺乏修复能力；）突变率高，缺乏修复能力；（3）呈母系遗传。）呈母系遗传。（二）线粒体基因表达（特征）（二）线粒体基因表达（特征）1. 转录产物是转录产物是包括包括mrna和和trna的多顺反子；的多顺反子；2. mrna不含内含子，很少有非翻译区；不含内含子，很少有非翻译区；3. 成熟的成熟的mrna 5端没有帽，端没有帽，3端有端有55个多聚个多聚a的尾部；的尾部；4. 翻译在线粒体核糖体中进行（核糖体蛋白由核基因翻译在线粒体核糖体中进行（核糖体蛋白由核基因编码，由细胞质运往线粒体）编码，由细胞质运往线粒体）5. 所有

13、所有trna均由均由mtdna编码编码6. 多肽链起始氨基酸为多肽链起始氨基酸为甲酰甲酰甲硫氨酸。甲硫氨酸。（三）线粒体（三）线粒体dna的复制的复制1.重链、轻链各有一个复制起始点重链、轻链各有一个复制起始点2.重链先复制，顺时针方向；轻链后复制，逆时针方向；重链先复制，顺时针方向；轻链后复制，逆时针方向；复制需复制需2小时小时四、核基因编码蛋白质向线粒体的转运四、核基因编码蛋白质向线粒体的转运l线粒体内含有线粒体内含有10001500种蛋白质，种蛋白质，98以上是以上是由细胞核基因编码、胞质核糖体合成后运入线粒由细胞核基因编码、胞质核糖体合成后运入线粒体的。体的。l线粒体接受核编码蛋白的区

14、域有：基质、膜间隙、线粒体接受核编码蛋白的区域有：基质、膜间隙、外膜和内膜外膜和内膜l线粒体蛋白无论进入线粒体的哪个区域均需要分线粒体蛋白无论进入线粒体的哪个区域均需要分子伴侣的协助。子伴侣的协助。（一）蛋白向线粒体基质的转运（一）蛋白向线粒体基质的转运1.核编码线粒体蛋白质核编码线粒体蛋白质n端有基质导入序列，该序列可端有基质导入序列，该序列可被线粒体外膜和内膜上的受体能识别并与之结合被线粒体外膜和内膜上的受体能识别并与之结合2.核编码线粒体蛋白前体与分子伴侣结合保持非折叠状核编码线粒体蛋白前体与分子伴侣结合保持非折叠状态态3.蛋白质分子运动产生的动力协助多肽链穿越线粒体膜蛋白质分子运动产生

15、的动力协助多肽链穿越线粒体膜4.非折叠的多肽链在线粒体基质内重新折叠成活性蛋白非折叠的多肽链在线粒体基质内重新折叠成活性蛋白（二）线粒体蛋白进入线粒体其他部位（二）线粒体蛋白进入线粒体其他部位 1.核编码蛋白向线粒体蛋白膜间腔运输核编码蛋白向线粒体蛋白膜间腔运输l需要基质导入序列和膜间腔导入序列需要基质导入序列和膜间腔导入序列l有两种方式进入膜间腔有两种方式进入膜间腔2.核编码蛋白向线粒体内膜和外膜的转运核编码蛋白向线粒体内膜和外膜的转运l机制不甚清楚机制不甚清楚五、线粒体的起源与发生五、线粒体的起源与发生（一）线粒体的起源：内共生（二）线粒体的发生：二分裂第二节第二节 细胞呼吸与能量转换细胞

16、呼吸与能量转换一、细胞呼吸一、细胞呼吸1.定义：在特定细胞器（主要是线粒体）内，在定义：在特定细胞器（主要是线粒体）内，在o2的参的参与下，分解大分子物质，释放出能量并储存于与下，分解大分子物质，释放出能量并储存于atp的过程成为细胞呼吸，也称为生物氧化。的过程成为细胞呼吸，也称为生物氧化。2.特点特点l本质上是在线本质上是在线粒体中进行的由一系列酶催化的氧化粒体中进行的由一系列酶催化的氧化还原反应；还原反应；l所产生的能量储存于所产生的能量储存于atp的高能磷酸键中；的高能磷酸键中；l反应在恒温、恒压条件下进行；反应过程中需要反应在恒温、恒压条件下进行；反应过程中需要o2和和h2o的参与。的

17、参与。二、高能分子二、高能分子atp通过通过adp与与atp之间的相互转化进行细胞能量的转之间的相互转化进行细胞能量的转换与储存。转换过程可表示为：换与储存。转换过程可表示为：a-pp + pi + 1.72 kja-ppp磷酸化磷酸化去磷酸化去磷酸化第三节第三节 细胞的能量转换细胞的能量转换营养物质营养物质一、糖酵解和乙酰一、糖酵解和乙酰coa 的生成的生成 c6h12o6 2ch3cocooh+2h+ 在细胞质基质中进行，不需氧。在细胞质基质中进行，不需氧。丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶2ch3cocooh+2hscoa 2ch3co-scoa+2co2+2h+ 2nad+ 2nadh 在线粒体

18、基质中进行，不需氧。在线粒体基质中进行，不需氧。糖酵解糖酵解酶系酶系二、三羧酸循环二、三羧酸循环 3nad+fad 3nadh+fadh2 ch3co-scoa+3h2o 2co2+hscoa+3h+ gdp+pi gtp 在线粒体基质中进行，不需氧。在线粒体基质中进行，不需氧。三羧酸循环是各种有机物进行最后氧化的过程，也是各三羧酸循环是各种有机物进行最后氧化的过程，也是各类有机物相互转化的枢纽。类有机物相互转化的枢纽。线粒体内膜线粒体内膜天冬氨酸天冬氨酸草酰乙酸草酰乙酸苹果酸苹果酸天冬氨酸天冬氨酸草酰乙酸草酰乙酸苹果酸苹果酸-酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸 -酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸n

19、adh nad+nadh nad+123456线粒体内膜的穿梭机制线粒体内膜的穿梭机制苹果酸苹果酸天冬氨酸穿梭系统，说明天冬氨酸穿梭系统，说明nadh进入线粒体的机制。进入线粒体的机制。1.苹果酸脱氢酶，苹果酸脱氢酶，2.苹果酸苹果酸- 酮戊二酸逆向运输载体，酮戊二酸逆向运输载体，3.苹果酸苹果酸脱氢酶，脱氢酶，4.谷谷-草转氨酶，草转氨酶，5.谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸逆向转运载体（可天冬氨酸逆向转运载体（可交换运输此二类物质），交换运输此二类物质），6.谷谷-草转氨酶草转氨酶胞质溶液胞质溶液线粒体内线粒体内 -磷酸甘油穿梭机制磷酸甘油穿梭机制甘油甘油3-磷酸磷酸脱氢酶复合体脱氢酶复合体 fad

20、h2 fad磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮甘油甘油3-磷酸磷酸nadh+h胞质胞质甘油甘油3-磷酸磷酸脱氢酶脱氢酶nad膜间腔膜间腔基质基质2eq+-三、氧化磷酸化与三、氧化磷酸化与atp生成生成（一）呼吸链和（一）呼吸链和atp酶复合体酶复合体1.呼吸链呼吸链l糖酵解和三羧酸循环中脱下的氢，以质子和电子的形糖酵解和三羧酸循环中脱下的氢，以质子和电子的形式通过多种酶和辅酶构成的传递体系逐步传递，最后式通过多种酶和辅酶构成的传递体系逐步传递，最后与氧结合成水。这样的递氢和递电子体系称为呼吸链与氧结合成水。这样的递氢和递电子体系称为呼吸链或电子传递链。或电子传递链。l呼吸链中的酶和辅酶先构成呼吸链中的酶

21、和辅酶先构成酶复合体酶复合体，再由酶复合体，再由酶复合体构成呼吸链。呼吸链中酶复合体按照严格的顺序排列构成呼吸链。呼吸链中酶复合体按照严格的顺序排列在线粒体内膜上；在线粒体内膜上；l在电子传递过程中逐步释放出能量，并储存于在电子传递过程中逐步释放出能量，并储存于atp中中&线粒体内有两条主要的呼吸链：线粒体内有两条主要的呼吸链：（1）由复合体）由复合体i、iii、iv组成，催化组成，催化nadh的脱氢氧的脱氢氧化。化。（2）由复合体）由复合体ii、iii、iv组成，催化组成，催化fadh2的脱氢氧的脱氢氧化。化。n任何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而是由任何两个复合物之间没有稳定的

22、连接结构，而是由这样的可扩散性分子连接。这样的可扩散性分子连接。turn to page 51 fmn, fes fad, fes, cyt bcyt b, cyt c1, fescyt a, cyt a3, cu*伴随伴随h+跨膜转运，跨膜转运，#不伴随不伴随h+跨膜转运。跨膜转运。不参与复合体构成的载体成分：不参与复合体构成的载体成分：nad, coq, cyt creturn to page 46 transport of electrons from nadhreturn to page 47 transport of electrons from fadh2琥珀酸琥珀酸h+retur

23、n to page 472.atp合酶合酶(atp synthetase)复合体（基粒）复合体（基粒）基粒基粒/atp合酶复合体的分布、形态与结构合酶复合体的分布、形态与结构2.atp合酶合酶(atp synthetase)复复合体合体（1）形态：状如蘑菇，由）形态：状如蘑菇，由8种种22个蛋白亚单位构成，分子个蛋白亚单位构成，分子量量500kd，。分为球形的头，。分为球形的头部（部（f1）和嵌入膜中的基部）和嵌入膜中的基部（f0）。每个肝细胞线粒体）。每个肝细胞线粒体通常含通常含15000个个atp合酶，每合酶，每个酶每秒钟可产生个酶每秒钟可产生100个个atp。atp合酶的结构（lodis

24、h等1999）（2）头部（）头部（f1）：）： f1由由5种多种多肽组成肽组成 3 3复合体，具有复合体，具有三个三个atp合成的催化位点合成的催化位点（每个（每个 亚基具有一个）。亚基具有一个）。 和和 单位交替排列，状如桔单位交替排列，状如桔瓣。瓣。 贯穿贯穿 复合体，并与复合体，并与f0接触，接触， 帮助帮助 与与f0结合。结合。 与与f0的两个的两个b亚基形成固定亚基形成固定复合体的结构。复合体的结构。atp合酶的结构（lodish等1999）（3）基片（）基片（f0）：）： f0由三种多肽组成由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，复合体，嵌入内膜，12个个c亚基组成一个环亚基组

25、成一个环形结构，具有质子通形结构，具有质子通道，可使质子由膜间道，可使质子由膜间隙流回基质。隙流回基质。atp合酶的结构（lodish等1999）（二）氧化磷酸化的作用机理（二）氧化磷酸化的作用机理1.质子动力势质子动力势根据根据“化学渗透假说化学渗透假说”，当电子沿呼吸链传递时，当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，使膜间隙的质子浓使膜间隙的质子浓度高于基质，在度高于基质，在内膜的两侧形成内膜的两侧形成ph梯度及电位梯梯度及电位梯度，两者共同构度，两者共同构成电化学梯度，成电化学梯度，即即质子动力势质子动力势。2.atp合酶

26、作用机理合酶作用机理(1)质子动力势质子动力势的存在使膜间腔中的质子顺的存在使膜间腔中的质子顺电化学梯电化学梯度度经经atp酶复合体的质子通道由酶复合体的质子通道由f0f1返回基质返回基质中，同时释中，同时释放放能量能量改变改变atp合酶的构象合酶的构象，从而改变从而改变atp合酶与底物的合酶与底物的亲和力，催化亲和力，催化adp与与pi形成形成atp。123在在l构象，构象，adp、pi与酶疏松结合与酶疏松结合在一起；在在一起；在t构象构象adp、 pi与酶紧与酶紧密结合在一起，密结合在一起，在这种情况下可在这种情况下可将两者加合在一将两者加合在一起成起成atp；在；在o构构象象atp与酶的

27、亲与酶的亲和力很低，被释和力很低，被释放出去。放出去。(3)质子通过质子通过f0时，释放能量引时，释放能量引起起c亚基环旋转，从而带动亚基环旋转，从而带动 亚基旋转，亚基旋转， 亚基的旋转引亚基的旋转引起起 亚基催化位点构象的周亚基催化位点构象的周期性变化期性变化(l, t, o)，不断将，不断将adp和和pi加合在一起，形成加合在一起，形成atp。第四节第四节 线粒体与细胞凋亡线粒体与细胞凋亡一、与细胞死亡有关的线粒体机制一、与细胞死亡有关的线粒体机制线粒体产生大量超氧阴离子形成活性氧线粒体产生大量超氧阴离子形成活性氧组分组分（reactive oxygen species, ros）1.ros水平低时，促进细胞增生水平低时，促进细胞增生2.ros水平高时，线粒体内膜非特异性通透性孔道开水平高时，线粒体内膜非特异性通透性孔道开放，放，caspase级联活化，级联活化， caspase-3启动凋亡。启动凋亡。二、线粒体控制细胞死亡的假说二、线粒体控制细胞死亡的假说第五节第五节 线粒体与医学线粒体与医学一、疾病过程中的线粒体变化一、疾病过程中的线粒体变化l线粒体对外界