医学细胞生物学-第六章-线粒体与细胞的能量转换

1、Mitochondrion第六章 线粒体与细胞的能量转换第一节 线粒体的基本特征一、线粒体概述线粒体是膜相结构，但非内膜系统成员线粒体是真核细胞重要的能量“器官”多数细胞的线粒体呈线状、粒状或杆状，形态差异与细胞类型和生理状态有关线粒体数量、分布线粒体直接或间接参与了细胞凋亡进程 分布：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，如肌细胞的肌纤维和精细胞的尾部；或较为集中分布在有较多氧化反应底物的区域，如脂肪滴，因为脂肪滴中有许多要被氧化的脂肪。光镜下绿色颗粒显示线粒体,红色颗粒显示溶酶体电镜下线粒体结构 光镜下线粒体结构线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构。外 膜（5-7nm）

2、内 膜（4.5nm）膜间腔（6-8nm）基 质 二、线粒体的超微结构外 膜平整、光滑外膜含有多套运输蛋白（通道蛋白） ，允许分子量为10000以内的物质自由通过。外膜（7nm）内 膜1.通透性很差，但有高度的选择通透性，借助转运蛋白控制内外物质的交换。外膜内膜2.有呼吸链 是位于线粒体内膜上，由一系列递氢递电子体依次排列镶嵌构成的氧化还原系统，具有传递质子和电子的能力。呼吸链（电子传递链）外膜内膜膜间腔基质腔嵴内腔嵴（内室）（外室）嵴：内膜向内折叠形成，可增加内膜的表面积。主要有两种类型：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）板层状（大多数高等动物细胞中线粒体的嵴）3.嵴板层

3、状嵴线粒体 管状嵴线粒体外膜内膜膜间腔基质腔嵴内腔嵴基粒（ATP酶复合体）：内膜和嵴膜基质面上许多带柄的小颗粒，是催化产生ATP的装置。 基粒 （ATP酶复合体、F0F1ATP合酶） 3-4nm长4.5-6nm6-11.5nm 高5-6nm9nm9nm头部柄部基片: 合成ATP: 调节质子通道：质子的通道（内室）（外室）可溶性的ATP酶（F1) 360 000疏水蛋白（F0 ) 70 000对寡酶素敏感蛋白（OSCP) 18 0004.基粒ATP酶复合体偶联磷酸化的关键装置 基粒（ATP酶复合体、 F0F1ATP合酶）质子的通道合成ATP柄部 调节质子通道 5.内外膜转位接触点内外膜转位接触点

4、是内外膜之间的腔隙，宽约6-8nm，又称外室。外膜内膜膜间腔（外室）嵴嵴间腔（内室）嵴内腔膜间腔外膜内膜膜间腔基质腔（内室）嵴内腔嵴 基粒（ATP酶）基 质 基质：基质腔内充满较致密的物质。 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（外室）与普通生物膜相似，同样是由脂类和蛋白质组成，但有自己的特点蛋白质包括可溶蛋白和不溶性蛋白两大类，以内膜上蛋白含量最高线粒体内膜具有高含量的心磷脂，保证了内膜具有离子不透过性线粒体是细胞内含酶最多的细胞器，约120多种。三、线粒体的化学组成线 粒 体 的 酶部位主要

5、代表性酶外 膜单胺氧化酶*、NADH-细胞色素c还原酶、磷酸甘油酰基转移酶、酰基CoA合成酶、脂肪酸辅酶A连接酶、犬尿酸羟化酶内 膜细胞色素氧化酶系*、琥珀酸脱氢酶、ATP合成酶、丙酮酸氧化酶系、NADH脱氢酶、羟丙酸脱氢酶、羟丁酸脱氢酶、肉碱棕榈酰基转移酶、亚铁螯合酶、对寡霉素敏感的ATP酶膜间腔腺苷酸激酶*、核苷二磷酸激酶、核苷酸激酶、亚硫酸氧化酶基 质三羧酸循环酶系、苹果酸脱氢酶*、脂肪酸氧化酶系、柠檬酸循环酶系、核酸及蛋白质合成酶系注：带*者为标志酶 四、线粒体的半自主性电镜下的线粒体DNA（一）自主性 1. 线粒体有自己的 DNA( mtDNA )mtDNA: 是双链环状的DNA分子

6、、裸露不与组蛋白结合，分散在线粒体基质中或依附于线粒体内膜；能以半保留的方式进行复制，复制贯穿于整个细胞周期；基因排列紧凑。 1981年人胎盘mtDNA全部核苷酸序列全长 16569个 碱基对mtDNA 16569 bp 37个基因2种 编码 rRNA基因22种 编码 tRNA基因13种 编码 蛋白质基因 2.线粒体有自身的蛋白质合成体系 如：氨基酸活化酶、线粒体m RNA、 tRNA和rRNA等。 3.线粒体有核糖体，能合成线粒体蛋白质 4.线粒体的遗传密码与“通用”的遗传密码表也不完全相同, 如:UGA色氨酸而不是终止密码。 由此可见：线粒体有自己的DNA和蛋白质合成系统，表明有一定的自主

7、性。（二）局限性 1.mtDNA分子量小、基因数量少、编码的蛋白质有 限，只占线粒体蛋白质的10% 2.大多数线粒体蛋白质（90%）由核基因编码的， 并在细胞质中合成后转运到线粒体中去如呼吸链蛋白、核糖体蛋白质、DNA聚合酶等 可见线粒体的复制、再生对核基因有很大的依赖性，受核基因的控制，因此，线粒体为半自主性细胞器。3.线粒体遗传系统受控于细胞核遗传系统，必 须依靠核内的遗传信息才能完成自我的复制。五、线粒体的起源与发生线粒体的增殖间壁分裂收缩分离出芽分裂第二节 线粒体的功能 生命活动中80%的能量来自线粒体细胞的动力工厂。 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。概念：在

8、酶的催化下，氧将细胞内各种供能物质 氧化分解并释放能量，产生ATP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。 一、细胞氧化二、细胞氧化的基本过程 （以C6H12O6分解为例） 四个步骤二、细胞氧化的基本过程1.糖酵解2.乙酰辅酶A的生成3.三羧酸循环4.电子传递和氧化磷酸化细胞氧化的基本过程1.糖酵解：在细胞质内进行2.乙酰辅酶A生成: 线粒体基质中进行3.三羧酸循环: 在线粒体基质内进行葡萄糖（C6H12O6）糖酵解酶系2分子丙酮酸（C3H4O3) + 2H + 2ATPC3H4O3 +辅酶A(CoA) +2NAD 乙酰-CoA + 2NADH + 2

9、H + CO2丙酮酸脱氢酶系+ Mg2+3.三羧酸循环葡萄糖丙酮酸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 前者发生在线粒体内膜呼吸链，后者在基粒 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。4.电子传递和氧化磷酸化

10、解释氧化磷酸化耦联机制 1961年英国P.Mitchell1978年 诺贝尔奖 三、化学渗透学说化学渗透假说- - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + 磷酸化作用膜间腔高质子浓度基质腔低质子浓度ADP+PiATP2H+F1-F0膜电位+ + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - 呼吸作用NADH2H+2H+2H+2e-2e-2e-1/2O2主要内容： 1.电子传递过程中所释放的能量并非直接用于合成ATP，而是用来将质子从基

11、质泵到膜间腔。 2. 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），膜间腔中高浓度的质子有返回基质的趋势。3. 当质子从膜间腔通过基粒（ ATP酶复合体）F0上的质子通道进入基质，同时驱动F1因子中ATP酶，利用这种势能使ADP磷酸化合成ATP。 四、结合变构机制氧化磷酸化耦联反应合成ATP的机制97年诺贝尔化学奖 结合变构机制氧化磷酸化偶联反应合成ATP的机制1.F1的亚基有三个催化位点，各有三种构象。 L：与ADP和Pi疏松结合 T：与ADP和Pi紧密结合，形成ATP O：与ATP亲和力低，将ATP释放2.ATP酶复合体可利用质子动力势能，产生构象改变，改变与底物和产物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。3.质子通过F0时，引起C亚基十二聚体旋转，同时引起亚基三个催化位点构象的周期性变化，不断结合ADP和Pi，形成ATP ，再释放出去。 第三节 线粒体与疾病一、疾病过程中的线粒体变化二、mtDN