2015大一上细胞生物学-12第十三章线粒体

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：1000~2000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：0.5~1.0um;长度：3um。3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外膜包围在线粒体外表面的一层单位膜厚6~7nm，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：2~3nm，允许分子量为10000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6~8nm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（HPF0)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65～70%，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α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个β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p11320cδεabH+βββαααγF1F0转子定子ATP合成酶由α3β3γδε5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:

在线粒体基质内进行4.电子传递和氧化磷酸化:

在线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ATP。33三、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）1．ATP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ATP。2．F1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γ亚基旋转，它的旋转引起β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ATP。35cδεabH+βββαααγF1F0转子定子ATP合成酶由α3β3γδε5种多肽组成复合体由ab2c12三种多肽组成复合体363α3β6聚体在γ亚基旋转120度时各发生一次构象变化，每一个β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β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。

38β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

γ、ε亚基结合在一起，形成插入上述3α3β六聚体结构中央的轴或转子。

δ亚基与F0因子的b亚基结合形成一个坚硬的定子，可阻止γ亚基转动时，六聚体的同时转动。

3个β亚基均能够结合ATP、ADP和Pi，催化ATP合成。3个β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。40cδεabH+βββαααγF1F0转子定子ATP合成酶由α3β3γδε5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

γ亚基旋转1200

驱动每个β亚基构像发生周期性改变

底物ADP、Pi同β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β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β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γ亚基旋转1200

β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，γ亚基再旋转1200

43β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，γ亚基再旋转1200。

β由T态变构为O态，又释放ATP，结合ADP和和Pi。

44

γ亚基每旋转1200，都同时有ADP和Pi同β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,分散在线粒体基质中，长约5um、分子量小,含15000碱基对。1981年—人胎盘—Anderson—mtDNA全部核苷酸序列—全长16569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16569bp，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、高效利用、可自我复制,但其遗传密码与“通用”的遗传密码表不完全相同48

二、mtDNA的遗传密码与通用的遗传密码的区别：UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码。多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码；起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四个密码子编码；AGA,AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，因而，在线粒体密码系统中的4个终止密码子（UAA，UAG，AGA，AGG）。49三、线粒体蛋白质合成线粒体有自身的蛋白质合成体系，如：氨基酸活化酶、线粒体核糖体等。线粒体有自己的DNA和蛋白质合成系统—独立的遗传系统,表明有一定的自主性。50

线粒体的半自主性: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%，而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。同时线粒体遗传系统受控于细胞核遗传系统。因此，线粒体为半自主性细胞器。51三、线粒体蛋白质的运送：细胞内蛋白质两种转运方式：1．蛋白质共翻译运输:蛋白质N端具有信号肽，核糖体翻译的同时，蛋白质进入内质网。2．蛋白质翻译后转运：由细胞内游离核糖体合成并释放至胞质溶胶中的蛋白质，在细胞内的定位依赖于N端的导肽或转运肽，这种需要蛋白质自己寻找目的地的现象称之为蛋白质寻靶。52线粒体蛋白质的运送：1.线粒体蛋白质通过后转运方式运送2.线粒体蛋白质的跨膜运转需导肽的牵引3.线粒体蛋白质跨膜运送前后需经历一个在分子伴侣的帮助下解折叠与重折叠过程53导肽：是线粒体蛋白质前体肽链N端的一段特殊序列。具有识别线粒体信息，并且有运送的定向、定位功能，但又对运送的蛋白质无特异性要求。分子伴侣：是一类在细胞内协助其他蛋白质多态链进行正确折叠、组装、转运及降解的蛋白质分子。54线粒体前体蛋白质在在运输以前，以未折叠的形式存在，N端有一段信号序列称为导肽或引肽，完成转运后被信号肽酶（signalpeptidase）切除，就成为成熟蛋白，这种现象就叫做后转运。55线粒体前体蛋白质在在运输以前，以未折叠的形式存在，N端有一段信号序列称为导肽或引肽，完成转运后被信号肽酶（signalpeptidase）切除，就成为成熟蛋白，这种现象就叫做后转运。后转运过程图解57前体蛋白与分子伴侣（NAC）结合，前体蛋白解折叠（热激蛋白HSP70）通过导肽与Mt膜上的受体识别、结合

前体蛋白横跨Mt外内膜前体蛋白重新折叠（热激蛋白HSP60