大二4.线粒体2013-1st for学生

线粒体Mitochondria首都医科大学细胞生物学系常娜changna@839501001894年，Altmann首先发现线粒体的存在1897年，Benda将之命名为线粒体1900年，Michaelis证明线粒体是细胞氧化还原的场所

1948年，Hogeboom成功分离出线粒体形态结构半自主性功能起源与增殖化学组成和酶的分布线粒体与医学形态结构（P171）一、线粒体的形状、大小、数目和分布形状多样，多为卵圆形或棒状大小直径0.5-1.0μm，长1.5-3.0μm数目不同细胞内差异大，通常含1000-2000个，新陈代谢旺盛的细胞内含量较多分布多分布于生理功能旺盛的区域和需要能量较多的部位。二、线粒体的超微结构在电镜下，线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭性囊状结构，主要由外膜、内膜、膜间隙和基质腔组成。外膜Outermembrane外膜膜厚约5-7nm。磷酸钨复染，外膜有排列整齐的筒状圆柱体。中间有孔径为2nm的孔，称为孔蛋白(porin)分子量5000以内的物质可以自由通过。内膜外膜孔蛋白内膜Innermembrane平均厚度约4.5nm，通透性很小，分子量大于150的物质无法通过，具有高度选择性。内膜向线粒体内室突出形成嵴(Cristae)嵴Cristae线粒体中形态学变化最大的结构

特征性主要有两种类型：

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）。垂直排列的板层状嵴平行排列的板层状嵴管泡状嵴基粒Elementaryparticle内膜和嵴的基质面有许多带柄的小体称为基粒，也称为ATP酶复合体。每个线粒体含有104-105个基粒形似棒糖，分头、柄和基部三个部分基粒Elementaryparticle基部疏水蛋白，又称偶联因子F0；质子通道头部可溶性ATP酶，与基粒柄部合称偶联因子F1；含有ATP酶复合体抑制多肽柄对寡霉素敏感的蛋白，控制离子通道基粒Elementaryparticle大鼠肝细胞的基粒牛心脏细胞的基粒基质Matrix在内膜和嵴围成的腔隙中充满的较致密的低电子密度物质内含大量蛋白质和脂类，包括大量重要酶系

三羧酸循环酶系、脂肪酸氧化酶系、蛋白质和核酸合成的酶系等DNA、核糖核蛋白体等基质颗粒外膜内膜膜间隙(外室)嵴嵴间腔(内室)嵴内腔化学组成和酶的分布（P171)一、线粒体的化学组成主要由蛋白质、脂类和水组成。蛋白质65-70%，内膜中含量较多；-可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白-不溶性蛋白：镶嵌蛋白、结构蛋白和酶蛋白脂类25-30%，磷脂为主，内外膜组成不完全相同与其他膜性结构区别—丰富心磷脂和较少的胆固醇二、酶的分布约120种，包括氧化还原酶37%连接酶10%水解酶<9%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：细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶基质柠檬酸合成酶、乌头酸酶、苹果酸脱氢酶、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

线粒体含有DNA，可以自行编码表达部分蛋白质；同时实现其基因组复制与表达的许多酶又是由核基因组编码的半自主性(P173)一、线粒体DNA（mtDNA）双链环状DNA，一个线粒体内平均含有5-10个mtDNA分子；裸露，不与组蛋白结合；不同种属mtDNA的大小不同，所含遗传信息量少；

主要编码：线粒体的tRNA、rRNA和部分线粒体蛋白转录后的mRNA不含内含子，少有非翻译区线粒体DNA（mtDNA）

人线粒体DNA由16569bp组成，含有37个基因：2个rRNA基因、22个tRNA基因和13个编码蛋白质的基因。线粒体DNA的复制半保留复制，复制不受限于细胞周期二、线粒体蛋白质线粒体蛋白质合成有自身合成蛋白质的系统（线粒体核糖体）与原核细胞相似，与真核细胞有三点不同-转录翻译在同一时空进行；-起始氨基酸为甲酰甲硫氨酸；-对药物敏感性与原核细胞相同：放线菌酮不敏感氯霉素、红霉素和四环素敏感遗传密码子不同线粒体与核密码子编码氨基酸比较线粒体蛋白质的输入(P177)线粒体内绝大部分蛋白由细胞核DNA编码；

蛋白质分别输入至：线粒体外膜、内膜、膜间隙以及基质；需要解除高级结构，并在分子伴侣的帮助下重新折叠；均具有线粒体靶序列：基质导入序列（Matrix-targetingsequence,MTS）需要外膜中的特异受体以及输入通道蛋白质的输入需要能量转位接触点——核编码蛋白质进入线粒体的通道线粒体蛋白质的输入线粒体蛋白质进入线粒体布朗棘轮模型(BrownianRachetmodel)线粒体蛋白质的输入核编码蛋白向线粒体膜间腔的转运核编码蛋白向线粒体膜间腔的转运◆糖酵解◆乙酰辅酶A生成◆三羧酸循环◆电子传递偶联氧化磷酸化贮能和供能细胞氧化cellularoxidation

又称细胞呼吸(cellularrespiration)，依靠酶的催化，将细胞内各种供能物质氧化释放能量的过程。一、糖酵解(glycolysis)细胞质基质中进行为无氧氧化过程，不需耗氧葡萄糖（C6H12O6）糖酵解酶系+2NADH+2H++2ATP2丙酮酸（C3H4O3)底物水平磷酸化Substrate-levelphosphorylation丙酮酸：机制不明，可能依靠自身的脂溶性NADH+H+：特异性穿梭系统糖酵解产物进入线粒体二、乙酰辅酶A生成线粒体基质中进行氧化（脱氢）脱羧反应C3H4O3+辅酶A(CoA)+2NAD乙酰-CoA+2NADH+2H++CO2丙酮酸脱氢酶系+Mg2+三、三羧酸循环(TCA)线粒体基质中进行供能物质经过以上各步脱下的氢原子，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。四、电子传递偶联氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)线粒体内膜上进行电子载体

在电子传递过程中与释放的电子结合并将电子传递下去的物质。

包括有黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q电子传递电子传递电子传递呼吸链electrontransportrespiratorychain（呼吸链respiratorychain）

四种电子载体与其他蛋白质形成复合物后，有序的镶嵌在内膜上，组成的传递电子和质子的酶体系。

有四个含电子载体的复合体及另外两个独立存在的电子载体组成，包括复合体I、复合体II、复合体III、复合体IV和细胞色素c以及辅酶Q各组分高度有序排列，复合体I、III、IV组成主要传递途经；复合体II、III、IV组成另一条传递途经电子传递两条电子传递途经：复合体1UQ复合体3Cytc复合体4复合体2Question：电子传递的目的是什么？这些H+对于ATP的合成有何意义？ATP又是如何合成的？氧化磷酸化伴随电子传递链的氧化过程所进行的能量转换和ATP的生成称氧化磷酸化或称氧化磷酸化偶联。偶联磷酸化的关键装置————基粒（ATP酶复合体）转子定子基粒P186化学渗透假说chemiosmoticcouplinghypothesis1.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）。化学渗透假说2.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。化学渗透假说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。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。小结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。PeterD.Mitchell(1920-1992)Nobelprizeinchemistry1978Question：

基粒是如何形成ATP的？基粒合成ATP基粒合成ATP结合变构机制（binding-changemechanism）质子运动所释放的能量不直接用于ADP磷酸化，主要用于改变活性位点与ATP产物的结合亲和力。在任何时刻，ATP合酶上的3个β亚基以3种不同的构象存在。从而使它们对核苷酸有不同的亲和性。ATP通过旋转催化而合成，在此过程中，通过F0“通道”的质子流引起c亚基环和附着与其上的γ亚基纵轴在α3β3的中央进行旋转，旋转是由F0质子通道所进行的质子跨膜运动来驱动的。PaulD.Boyer(1918-)PaulD.Boyer(1918-)JohnE.Walker(1941-)Nobelprizeinchemistry199738个ATP酵解：2个线粒体：36个三羧酸循环：2个呼吸氧化过程：34个一分子的葡萄糖彻底氧化生成38个ATP起源与增殖一、线粒体的起源(P182)◆内共生假说◆非内共生假说内共生假说认为线粒体来源于细菌。-细胞的祖先是一种体积巨大的，具有吞噬能力的细胞；-Mi的祖先是一种革兰氏阴性菌，不仅能进行糖酵解，而且能利用氧气，把糖酵解产物丙酮酸进一步氧化分解产生更多的能量；-当真核细胞吞噬这种细菌后，两者形成“互利”的共生关系，真核细胞利用细菌供给充分的能量，而细菌也依赖于宿主细胞获得更多的原料，在长期共生过程中，细菌逐渐演变为真核细胞的Mi。内共生假说内共生假说证据：-线粒体DNA呈环状、裸露与细菌相似-线粒体的核糖体为70S与细菌相同，而真核细胞为80S-线粒体蛋白质的合成更接近细菌-线粒体内、外膜结构和功能差别很大，外膜与真核细胞的sER相似；内膜与细菌质膜相似-线粒体的增殖与细菌一样——直接分裂非内共生假说认为线粒体来源于质膜内陷，又称分化假说-细胞的祖先是一种进化程度很高的需氧细菌，呼吸链和磷酸化系统位于细胞膜和细胞膜内陷的结构上；-进化过程中内膜不断内陷，融合成小泡，脱离质膜，进化成完整的呼吸单位；-融合过程中，包裹进一个质粒，形成线粒体。非内共生假说证据：-细菌的中膜体与线粒体非常相似均为凹陷的细胞膜-质粒DNA与线粒体DNA比较有许多相似之处二、线粒体的增殖(P181)◆间壁分离◆收缩分离◆出芽分裂间壁分离收缩分离出芽分裂线粒体的内膜向中心内褶形成间壁，或某一个嵴的延伸。当延伸到对侧内膜时，线粒体一分为二，成为只有外膜相连的两个独立细胞器，接着线粒体就完全分离。线粒体中央部分收缩并向两端拉长，中央形成很细的颈，整个线粒体成哑铃形，最后断裂为二形成两个新线粒体。先从线粒体上长出小芽，然后小芽与母线粒体分离，经过不断长大，形成新的线粒体。MitochondriaByHarvardUniversity线粒体与医学一、线粒体与细胞死亡(P180)线粒体与细胞死亡应用荧光染料检测凋亡细胞中线粒体跨膜电位的紊乱线粒体与细胞死亡应用荧光标记的抗体检测细胞色素C释放1.应用于人种起源和迁徙的研究她被认为大约生活在17万年前的非洲2.法医学上的运用二、线粒体用于鉴定(P190)线粒体夏娃三、线粒体与疾病(P189)线粒体与疾病

线粒体肌病

克山病

线粒体与衰老

线粒体DNA突变造成的遗传病一、线粒体肌病1962年首次报道症状：多汗，体重减轻，基础代谢异常亢进病因：肌细胞线粒体中缺少某种酶，引起氧化磷酸化或呼吸链障碍。常累及脑或全身脏器。二、克山病1935年，在我国黑龙江省克山县首次发现症状：心脏增大、急性或慢性心功能不全和各种类型的心律失常，急重患者可发生猝死。病因：心肌线粒体病，与硒、钼、镁等元素缺乏引起三、线粒体与衰老数量随细胞衰老过程减少，而体积增大；膨大的线粒体中有时可见到清晰的嵴；有人认为线粒体是细胞衰老的源泉四、线粒体DNA突变：Leber遗传性视神经病（LHON）：mtDNA突变导致MERRF综合征KSS病老年性退行性疾病：氧自由基对mtDNA损伤导致（一）Leber遗传性视神经病

(Leberhereditaryopticneuropathy,LHON)

于1871年由Leber医生首次报道，因主要症状为视神经退行性变，故又称Leber视神经萎缩。患者多在18～20岁发病，男性较多见，个体细胞中突变mtDNA超过96％时发病，少于80％时男性病人症状不明显。多数双侧视力同时减退，少数一眼先发病，数周或数月后另眼也发生视力丧失，其后病情相对稳定。中央视力丧失，周边视力保存，全盲者少见，瞳孔对光反射保存，伴色觉障碍。双侧视神经严重萎缩引起的急性或亚急性双侧中央视力丧失，可伴有神经、心血管、骨骼肌等系统异常，如头痛、癫痫及心律失常等。11778G→A导致编码NADH脱氢酶亚单位4(ND4)中第340位的Arg→His，从而影响线粒体能量的产生。11778G→A（二）MERRF(Myoclonusepilepsywithragged-red-fiber,RRF)肌阵挛性癫痫伴碎红纤维病多见于儿童,有家族史,肌阵挛性癫痫,智能减退,小脑共济失调，痉挛发作,部分病人出现多发性神经病、肌肉病、听力丧失、痴呆和远端感觉丧失。其他症状还有视神经萎缩、身材矮小和脂肪瘤病。部分病人出现乳酸血征。MRI主要表现为大脑和小脑萎缩。MERRF患者MERRF原因：碱基突变：tRNALysA8344G.母系遗传。阈值水平：90%（三)MELAS(Mitochondrialencephalomyopathywithlacticacidemiaandstroke-likeepisodes)线粒体脑肌病伴乳酸血症和中风样发作发作性头痛、呕吐、偏瘫、偏盲、偏身感觉障碍，身材矮小，智能减退，可有痉挛发作，CT: