细胞生物学-10线粒体

1、细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体线粒体研究历史线粒体研究历史n18901890年年R. R. AltamanAltaman首次发现，命名为首次发现，命名为bioblastbioblast。n18981898年年von von BendaBenda提出提出mitochondrionmitochondrion。n19001900年年L. L. MichaelisMichaelis用用Janus Green BJanus Green B染色，发现线粒体具有氧化染色，发现线粒体具有氧化作用。作用。nGreenGreen（19481948）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶

2、，KennedyKennedy和和LehningerLehninger（19491949）发现脂肪酸氧化为）发现脂肪酸氧化为COCO2 2的过程是在线粒体内完成的过程是在线粒体内完成的。的。细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体 线粒体（线粒体（mitochondria)mitochondria)是一个由两层单位膜包围的是一个由两层单位膜包围的含有含有100100多种酶类的细胞器，它是细胞进行生物氧化和能量多种酶类的细胞器，它是细胞进行生物氧化和能量转换的主要埸所。转换的主要埸所。一、结构一、结构（一）形态与分布（一）形态与分布线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物种类和生理状态而异，线粒体一般呈粒状或杆

3、状，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状。一般直径可呈环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状。一般直径0.51m0.51m，长，长1.53.0m1.53.0m，在胰脏外分泌细胞中可长达，在胰脏外分泌细胞中可长达1020m1020m，称巨线粒体。数目一般数百到数千个。，称巨线粒体。数目一般数百到数千个。细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体（二）亚微结构（二）亚微结构1. 1. 外膜外膜(outer membrane) (outer membrane) 2. 2. 内膜内膜(inner membrane)(inner membrane) 膜间腔膜间腔(inter memb

4、rane space)(inter membrane space) 嵴嵴(cristae)(cristae) 嵴间腔嵴间腔(intercristae space)(intercristae space) 基粒基粒(elementarey particle(elementarey particle） 基粒分头、柄、基片三部分，头部突入内腔基粒分头、柄、基片三部分，头部突入内腔, , 基片嵌基片嵌于内膜，柄部将头部和基片相联。基粒是氧化磷酸化场所，于内膜，柄部将头部和基片相联。基粒是氧化磷酸化场所，能将能将ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP。细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体二、线粒体的功

5、能：二、线粒体的功能： 糖酵解：在细胞质中，脂肪和葡萄糖降解生成丙酮酸进糖酵解：在细胞质中，脂肪和葡萄糖降解生成丙酮酸进入线粒体基质。入线粒体基质。三羧酸循环：三羧酸循环： 在线粒体基质中在线粒体基质中, ,在丙酮脱氢酶体系作用在丙酮脱氢酶体系作用下，丙酮酸进一步分解为乙酰辅酶下，丙酮酸进一步分解为乙酰辅酶A A，NADNAD+ +作为受氢体作为受氢体被还原。被还原。 丙酮酸丙酮酸+ +辅酶辅酶A+2NADA+2NAD+ + 2 2乙酰辅酶乙酰辅酶A+COA+CO2 2+2NADH+2H+2NADH+2H+ + 乙酰辅酶乙酰辅酶A A与草酰乙酸结合生成柠檬酸，三羧酸循与草酰乙酸结合生成柠檬酸，

6、三羧酸循环开环开始。始。 总反应式：总反应式： 2 2乙酰辅酶乙酰辅酶A+6NADA+6NAD+ +2FAD+2FAD+ +2ADP+2Pi+6H+2ADP+2Pi+6H2 2O O 4CO4CO2 2+6NADH+6H+6NADH+6H+ +2FADH2+2+2FADH2+2辅酶辅酶A+2ATPA+2ATP细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体3.3.电子传递和氧化磷酸化电子传递和氧化磷酸化 一分子葡萄糖经无氧氧化，丙酮酸脱氢和一分子葡萄糖经无氧氧化，丙酮酸脱氢和TACTAC循环共产生循环共产生6 6分子分子COCO2 2和和1212对对H H，这些，这些H H必须

7、进一步氧化成为水必须进一步氧化成为水, ,整个有氧氧化过程才能完成。整个有氧氧化过程才能完成。但但H H并不能与并不能与O O2 2直接结合直接结合, , 一般认为一般认为H H必需首先离解为必需首先离解为H H+ +和和e e- -, ,电子经过电子经过线粒体内膜上酶体系的逐级传递最终使线粒体内膜上酶体系的逐级传递最终使1/2 O1/2 O2 2成为成为O O- -，后者再与基质，后者再与基质中的中的2 2个个H H+ +化合生成化合生成H H2 2O O。这一传递电子的酶体系是一系列能够可逆地。这一传递电子的酶体系是一系列能够可逆地接受和释放接受和释放H H+ +和和e e- -的化学物质

8、所组成，它们在内膜的化学物质所组成，它们在内膜上有序地排列成相互关联的链状称为呼吸链。上有序地排列成相互关联的链状称为呼吸链。 氧化磷酸化：经糖酵解和三羧酸循环产生的氧化磷酸化：经糖酵解和三羧酸循环产生的NADHNADH和和FADHFADH2 2是两种还是两种还原性的电子载体，它们所携带的电子经线粒体内膜上的呼吸链逐级传原性的电子载体，它们所携带的电子经线粒体内膜上的呼吸链逐级传递给递给O O2 2并将并将H H+ +从线粒体基质泵入膜间隙，这在膜间隙和基质间产生了从线粒体基质泵入膜间隙，这在膜间隙和基质间产生了H H+ +质梯度，当质梯度，当H H+ +通过通过ATPATP合成酶装置进入基质

9、时，可使合成酶装置进入基质时，可使ADPADP分子与磷酸基分子与磷酸基团合成团合成ATPATP。细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体 电子呼吸链的组成电子呼吸链的组成 主要包括：黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫主要包括：黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶蛋白、辅酶Q Q等。等。 黄素蛋白含黄素蛋白含FMNFMN（图（图7-47-4）或）或FADFAD的蛋白质，每个的蛋白质，每个FMNFMN或或FADFAD可接受可接受2 2个电子个电子2 2个质子。呼吸链上具有个质子。呼吸链上具有FMNFMN为为辅基的辅基的NADHNADH脱氢酶，以脱氢酶，以FADFAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。为辅基的琥珀酸

10、脱氢酶。细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体 细胞色素：分子中含有血红素铁（图细胞色素：分子中含有血红素铁（图7-57-5），以共），以共价形式与蛋白结合，通价形式与蛋白结合，通FeFe3+3+、FeFe2+2+形式变化传递电子，呼吸形式变化传递电子，呼吸链中有链中有5 5类，即：细胞色素类，即：细胞色素a a、a a3 3、b b、c c、c c1 1，其中，其中a a、a a3 3含含有铜原子。有铜原子。细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体 铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4 4个硫原子个硫原子结合，通过结合，通过FeFe2+2+、FeFe3+3+互变进行电

11、子传递，有互变进行电子传递，有2Fe-2S2Fe-2S和和4Fe-4Fe-4S4S两种类型。两种类型。细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体 辅酶辅酶Q Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有还原传递电子。有3 3种氧化还原形式即氧化型醌种氧化还原形式即氧化型醌Q Q，还原型，还原型氢醌（氢醌（QHQH2 2）和介于两者之者的自由基半醌（）和介于两者之者的自由基半醌（QHQH）。）。 呼吸链的复合物呼吸链的复合物 呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列，电子逐级传递、呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列，电子逐级传递、能量逐渐

12、释放。呼吸链的复合物包括复合物能量逐渐释放。呼吸链的复合物包括复合物I I、II和和IVIV，辅酶，辅酶Q Q和细胞色素和细胞色素C C不属于任何一种复合物。辅酶不属于任何一种复合物。辅酶Q Q溶于内膜、细胞色素溶于内膜、细胞色素C C位位于线粒体内膜的于线粒体内膜的C C侧，属于膜的外周蛋白。侧，属于膜的外周蛋白。细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体 复合物复合物I I含有一个含有一个FMNFMN和至少和至少6 6个铁硫蛋白，分子量接近个铁硫蛋白，分子量接近1MD1MD，以，以二聚体形式存在，其作用是催化二聚体形式存在，其作用是催化NHDHNHDH的的2 2个电子传递至辅酶个电子传递至辅酶Q Q

13、，同时，同时将将4 4个质子由线粒体基质（个质子由线粒体基质（M M侧）转移至膜间隙（侧）转移至膜间隙（C C侧）。侧）。 电子传递的方向为：电子传递的方向为：NHDHFMNFe-SQNHDHFMNFe-SQ， 总的反应结果为：总的反应结果为： NADH + 5H NADH + 5H+ +M M + QNAD+ QNAD+ + + QH+ QH2 2 + 4H+ 4H+ +C C 复合物复合物为琥珀酸脱氢酶，至少由为琥珀酸脱氢酶，至少由4 4条肽链组成，含有一个条肽链组成，含有一个FADFAD，2 2个铁硫蛋白，其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶个铁硫蛋白，其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q Q

14、，但不转移质，但不转移质子。子。 电子传递的方向为：琥珀酸电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQFADFe-SQ。 细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体 复合物复合物I I含有一个含有一个FMNFMN和至少和至少6 6个铁硫蛋白，分子量接近个铁硫蛋白，分子量接近1MD1MD，以二，以二聚体形式存在，其作用是催化聚体形式存在，其作用是催化NHDHNHDH的的2 2个电子传递至辅酶个电子传递至辅酶Q Q，同时将，同时将4 4个个质子由线粒体基质（质子由线粒体基质（M M侧）转移至膜间隙（侧）转移至膜间隙（C C侧）。侧）。 电子传递的方向为：电子传递的方向为：NHDHFMNFe-SQNHDHFMNF

15、e-SQ， 总的反应结果为：总的反应结果为： NADH + 5H NADH + 5H+ +M M + QNAD+ QNAD+ + + QH+ QH2 2 + 4H+ 4H+ +C C 复合物复合物为琥珀酸脱氢酶，至少由为琥珀酸脱氢酶，至少由4 4条肽链组成，含有一个条肽链组成，含有一个FADFAD，2 2个铁硫蛋白，其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶个铁硫蛋白，其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q Q，但不转移质子。，但不转移质子。 电子传递的方向为：琥珀酸电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQFADFe-SQ。 细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体 复合物复合物即细胞色素即细胞色素c还原酶，由至少

16、还原酶，由至少11条不同肽链组成，以二聚体条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色）、一个细胞色素素c1和一个铁硫蛋白。其作用是催化电子从辅酶和一个铁硫蛋白。其作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素传给细胞色素c，每，每转移一对电子，同时将转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。总的反应结个质子由线粒体基质泵至膜间隙。总的反应结果：果： 2氧化态氧化态cyt c1 + QH2 + 2 H+M2氧化态氧化态cyt c1 + Q+ 4H+C 复合物复合物IV为即细胞色素为即细胞色素c氧化酶，其作用是将从

17、细胞色素氧化酶，其作用是将从细胞色素c接受的接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移个质子，同时转移2个个质子至膜间隙。每个单体由至少质子至膜间隙。每个单体由至少13条不同的肽链组成，两个血红素条不同的肽链组成，两个血红素（a1、a3）和一个铜离子）和一个铜离子(CuB)，血红素，血红素a3和和CuB形成双核的形成双核的Fe-Cu中心。中心。电子传递的路线为：电子传递的路线为：cyt cCuAheme aa3- CuBO2，总的反应结，总的反应结果为：果为：4还原态还原态cyt c + 8 H+M + O24氧化态氧化态cyt c

18、 + 4H+C + 2H2O细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体 氧化磷酸化的作用机理氧化磷酸化的作用机理 质子动力势质子动力势 Mitchell P.1961Mitchell P.1961提出提出“化学渗透假说化学渗透假说(Chemiosmotic (Chemiosmotic Hypothesis)”Hypothesis)”，7070年代关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，年代关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说。成为一种较为流行的假说。细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体 ATP ATP合酶的结构和作用机

19、理合酶的结构和作用机理 ATPATP合酶（合酶（ATP synthetaseATP synthetase）分子量为）分子量为500KD500KD，状如蘑，状如蘑菇。分为球形的菇。分为球形的F F1 1（头部）和嵌入膜中的（头部）和嵌入膜中的F F0 0（基部），它（基部），它可以利用质子动力势合成可以利用质子动力势合成ATPATP，也可以水解，也可以水解ATPATP，转运质子，转运质子，属于属于F F型质子泵。型质子泵。 F F1 1由由5 5种多肽组成种多肽组成3 33 3复合体，具有三个复合体，具有三个ATPATP合合成的催化位点（每个成的催化位点（每个亚基具有一个）。亚基具有一个）。和和

20、单位交替单位交替排列，状如桔瓣。排列，状如桔瓣。贯穿贯穿复合体（相当于发电机的转复合体（相当于发电机的转子），并与子），并与F F0 0接触，接触，帮助帮助与与F F0 0结合。结合。与与F F0 0的两个的两个b b亚亚基形成固定基形成固定复合体的结构。复合体的结构。细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体三、线粒体的半自主性三、线粒体的半自主性 线粒体在形态、染色反应、化学组成、物理性质和活动线粒体在形态、染色反应、化学组成、物理性质和活动状态上，都很象细菌。状态上，都很象细菌。19631963年年M. & S. NassM. & S. Nass发现

21、线粒体发现线粒体DNADNA，后来又发现了，后来又发现了RNARNA、DNADNA聚合酶、聚合酶、RNARNA聚合酶、聚合酶、tRNAtRNA、核糖体、氨基酸活化酶等进行核糖体、氨基酸活化酶等进行DNADNA复制、转录和翻译的全套复制、转录和翻译的全套装备。但其遗传体系具有和细菌相似的特征如：装备。但其遗传体系具有和细菌相似的特征如： 1.1. DNA DNA为环形分子；为环形分子； 2.2. 70S 70S型核糖体；型核糖体； 3.3. RNA RNA聚合酶被溴化乙锭抑制不被放线菌素聚合酶被溴化乙锭抑制不被放线菌素D D所抑所抑制；制； 4.4. tRNA tRNA、氨酰基、氨酰基-tRNA

22、-tRNA合成酶不同于细胞质中的；合成酶不同于细胞质中的； 5.5. 蛋白质合成的起始氨酰基蛋白质合成的起始氨酰基tRNAtRNA是是N-N-甲酰甲硫氨甲酰甲硫氨酰酰tRNAtRNA，对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋，对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。白合成抑制剂放线菌酮不敏感。 细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体 6. 6. 哺乳动物哺乳动物mtDNAmtDNA的遗传密码与通用的遗传密码有以的遗传密码与通用的遗传密码有以下区别：下区别： 1)1) UGAUGA不是终止信号，而是色氨酸的密码；不是终止信号，而是色氨酸的密码； 2)2) 多肽内部的甲硫

23、氨酸由多肽内部的甲硫氨酸由AUGAUG和和AUAAUA两个密码子编码；两个密码子编码；起始甲硫氨酸由起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUUAUG,AUA,AUU和和AUCAUC四个密码子编码；四个密码子编码； 3)3) AGA,AGGAGA,AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，线粒体密码系统中有线粒体密码系统中有4 4个终止密码子（个终止密码子（UAA, UAG, AGA, UAA, UAG, AGA, AGGAGG）。）。四、线粒体的增殖四、线粒体的增殖线粒体的增殖是通过已有的线粒体的分裂，有以下几种形线粒体的增殖是通过已有的线粒体的分裂，有以下几种形

24、式：式：1 1、间壁分离（图、间壁分离（图7-147-14），分裂时先由内膜向中心皱褶，将），分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两个，常见于鼠肝和植物产生组织中。线粒体分类两个，常见于鼠肝和植物产生组织中。细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体2 2、收缩后分离，分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断、收缩后分离，分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。3 3、出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后、出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。长大，发育为线粒体。细胞生物学细胞生物

25、学线粒体线粒体六、线粒体蛋白质的转运六、线粒体蛋白质的转运 大量线粒体蛋白质是在细胞质中合成的。这些蛋白质在大量线粒体蛋白质是在细胞质中合成的。这些蛋白质在在运输以前，以未折叠的前体形式存在，与之结合的分子在运输以前，以未折叠的前体形式存在，与之结合的分子伴娘（属伴娘（属hsp70hsp70家族）和与信号肽结合的蛋白质保持前体蛋家族）和与信号肽结合的蛋白质保持前体蛋白质处于非折叠状态，前体蛋白质白质处于非折叠状态，前体蛋白质N N端有一段信号序列称为端有一段信号序列称为导肽或引肽（导肽或引肽（Leader sequenceLeader sequence），完成转运后被信号肽），完成转运后被信号

26、肽酶（酶（signal peptidasesignal peptidase）切除，就成为成熟蛋白，这种现）切除，就成为成熟蛋白，这种现象就叫做后转译（象就叫做后转译（posttranslationposttranslation，图，图7-227-22）。）。细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体信号肽的特点是：信号肽的特点是： 信号肽形成一个两性信号肽形成一个两性螺旋，带正电荷的氨基酸残基和螺旋，带正电荷的氨基酸残基和不带电荷的疏水氨基酸残基分别位于螺旋的两侧。蛋白质不带电荷的疏水氨基酸残基分别位于螺旋的两侧。蛋白质的转运涉及多种蛋白复合体的转运涉及多种蛋白复合体转位

27、因子（转位因子（translocatortranslocator）细胞生物学细胞生物学线粒体线粒体 TOM TOM复合体：负责通过外膜，进入膜间隙复合体：负责通过外膜，进入膜间隙 TIMTIM复合体：包括复合体：包括TIM23TIM23和和TIM22TIM22复合体，负责通过内膜，复合体，负责通过内膜，TOMTOM和和TIMTIM复复合体均包括接受蛋白质的受体和供蛋白质通过的通道。合体均包括接受蛋白质的受体和供蛋白质通过的通道。TIM23TIM23负责将蛋白负责将蛋白质转运到基质；质转运到基质；TIM22TIM22负责蛋白质插入内膜。负责蛋白质插入内膜。 OXAOXA复合体：负责将线粒体自身合成的蛋白质插到内膜上。同样也可复合体：负责将线粒体自身合成的蛋白质插到内膜上。同样也可以帮助进入基质的蛋白质插入内膜。以帮助进入基质的蛋白质插入内膜。 蛋白质的输入是一个耗能的过程，能量的