细胞生物学第6章线粒体-2013全部

线粒体(mitochondrion)Chapter6每人每天约需消耗45kgATP，但每一时刻贮存在人体中的ATP不到1g,即每个细胞每秒钟大约可形成1000万个ATP，同时有同样量的ATP被水解，产生出能量供给生命活动所需。一部分食物分子用来产生ATP一部分食物分子分解后可成为细胞成分合成的原料光合作用叶绿体CO2+H2O葡萄糖能量线粒体呼吸作用细胞必须利用能量来维持它的正常生活线粒体与叶绿体：均是细胞内重要的产能细胞器均是封闭的双层单位膜结构都是高效的产生ATP的精密装置都是半自主性的细胞器其他能量则被转化成热能糖彻底氧化所放出能量有40%被储存在ATP中，这样的效率大大超出了一般的热机细胞的呼吸作用（GCO2+H2O)具有惊人的效率一、线粒体的形态线状或粒状线粒体的外形多种多样，有椭圆形、哑铃形、环形、圆柱形、棒状，有的呈蛇形，如在高压电镜下看到的蜗牛上皮细胞的线粒体，呈“蛇形”细长弯曲，这种变化与细胞类型及所处生理条件密切相关。

活细胞中线粒体的形态在不断发生变化二、线粒体的数目线粒体的数目与细胞的生理状态有关。比如哺乳动物的心肌、肝脏细胞，飞翔鸟类的胸肌细胞中需能较多，线粒体的数目也就较多。

一个细胞中线粒体几百个。哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。鞭毛藻细胞中只有一个线粒体。巨大变形虫细胞中有50万个线粒体。精子线粒体分布在需能部位的附近，以便运送ATP。三、线粒体的分布

说明线粒体在细胞中多沿微管分布线粒体的运动A：Mi的荧光特异染色B：与A同一细胞的微管荧光特异染色内膜innermembrane嵴cristae线粒体基粒elementaryparticles外膜outermembrane四、线粒体的超微结构

外膜（outermembrane）内膜（innermembrane）膜间隙（intermembranespace）基质(matrix)嵴(crista)脂类和蛋白质具有孔蛋白(porin)构成的亲水通道，允许分子量为5kD以下的分子通过，1kD以下的分子可自由通过选择透性差，通透性强4.1外膜(outermembrane)4.2内膜

内突为嵴，膜的内表面有大量基粒基粒，即ATP合成酶,朝向线粒体的基质。有三类蛋白：呼吸链蛋白，

ATP酶，特异运输蛋白（如：Ca2+运输蛋白）通透性很差，需特殊的转运系统才能进入内膜

内膜：呼吸链氧化磷酸化特点：（1）通透性小，含酶Pr较多，大量的心磷脂造成了内膜的通透屏障，使H＋、ATP、丙酮酸不能透过内膜。（2）内膜内陷褶叠成嵴，扩大了线粒体能量传换的表面积。（3）内膜上有许多基粒（ATP合成酶），基粒由F1头部和F0膜部组成，球形头部直径9nm。嵴层状，管状不同物种中的形态变化丰富小鼠肾细胞肌肉细胞羽冠型与长轴垂直网膜型视网膜的视杆细胞原生动物一些植物绒毛型

Y型与长轴平行同心圆形精巢大鼠软上颚肌4.3膜间腔（intermembranespace）内外膜之间的空隙为膜间隙，宽度6~8nm，间隙中含有许多可溶性酶和底物。4.4基质(matrix)120多种酶类-氧化、三羧酸循环，mi基因组DNA的表达及蛋白质的合成，这些活动所需的酶类都存在于线粒体的基质中DNA，核糖体在肝细胞的线粒体总蛋白67%的蛋白位于基质21%位于内膜6%位于外膜6%位于膜间腔五、线粒体的特征酶外膜：单胺氧化酶膜间腔：腺苷酸激酶内膜：细胞色素(C)氧化酶（细胞色素aa3）基质：苹果酸脱氢酶最易提纯的是哪个部位的酶？最不易提纯的是哪个部位的酶？如何分离线粒体的各组分？线粒体各部分的分离

组织匀浆——差速离心，分离线粒体超声处理线粒体——内膜的嵴被打碎——“外翻小泡”亚线粒体颗粒—外翻的小泡的制备过程超声处理六、线粒体的功能线粒体是真核细胞有氧呼吸和能量供应的基地。其根本功能是通过氧化磷酸化的偶联进行能量转换作用。6.1-氧化6.2三羧酸循环6.3ATP的合成6.4线粒体蛋白的合成

6.3ATP的合成氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）：经糖酵解和三羧酸循环产生的还原性电子载体（NADH、FADH2）所携带的电子在呼吸链电子传递过程中释放能量，在FoF1ATP合酶催化下使ADP磷酸化生成ATP，这种伴随电子传递链的氧化过程所发生的能量转换和ATP的形成称为氧化磷酸化。生物氧化的过程（或分区）

蛋白、糖、脂丙酮酸，脂肪酸三羧酸循环NADH呼吸链第一阶段（细胞质中）第二阶段（基质中）第三阶段（内膜：提供一对电子和一个H+）糖类、脂肪、氨基酸等经糖酵解产生丙酮酸和脂肪酸进入线粒体后形成乙酰CoA进入TCA。TCA脱下的氢经内膜上的电子传递链，最后传至氧生成水。释放的能量通过ADP的磷酸化生成ATP。

ATP产生的方式：底物水平的磷酸化氧化磷酸化在细胞质中酵解的总反应式:

葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+→2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O在线粒体中丙酮酸氧化脱羧及三羧酸循环的总反应式：

丙酮酸+3H2O+4NAD++FAD++ADP+Pi→3CO2+4NADH+4H++FADH2+ATP

1mol葡萄糖彻底氧化分解生成30-32mol的ATP

线粒体的功能

——氧化磷酸化

1.呼吸链(respiratorychain)电子传递链（electrontransportchain）

：

按一定顺序排列在线粒体内膜上的递氢和递电子的酶体系,在线粒体内膜上相互关联地有序排列，称电子传递链。由于电子传递链以氧作电子接受体，与细胞摄取氧有关，又称呼吸链。6.3.1内膜上的电子传递

从NADH一次传递2个e，从基质中把6个H+释放到膜间腔中，电子从能量较高的水平降到能量较低的水平，即电子的流动（电流）在NADH和O2之间的电位差大约1.2V.电子传递认为是分子随机碰撞的结果，CoQ可在膜内自由扩散，作为复合物I和III之间的媒介，Cyt-C分子量不大，运动快，作为复合物III和IV之间的媒介

在三个大的复合物处都有一个大的电位变化，释放的能量可以用于将质子泵出。这能量不是一步释放的，而是一步步释放的，以被利用。氧化磷酸化与电子传递的偶联ATP合成酶——复合物Ⅴ在氧化磷酸化过程中将氧化磷酸化与电子传递耦联的结构是内膜上的ATP合成酶或ATP酶复合物，即F0-F1耦联因子。作用：合成ATP能量来源：电子传递中释放的能量ATP合成酶分子结构

6.3.2能量转换――在内膜上进行的ATP酶偶联氧化磷酸化作用

(1).氧化磷酸化的偶联机制----化学渗透假说

1961年提出（英国的Mitchell），以后被不断完善基本思想：线粒体内膜上的呼吸链起质子泵的作用，利用高能电子传递过程中释放的能量将H+泵出内膜外，由于内膜对H+不能自由通透，造成膜内外的一个H+的电化学梯度，ATP合成酶再利用这个电化学梯度来合成ATP。化学渗透假说红箭头显示质子运动的方向质子动力势(protonmotiveforce)推动质子作功的能量分为两部分

I)（电动势）膜电位大

II)质子浓度差小牛心F1偶联因子(3α，3β，γ，εδ)1.3α和3β亚基交替排成橘瓣状结构。结合时有活性，分离时无活性2.β亚基的结合位点具有催化合成或水解ATP的活性3.γ和ε结合在一起形成

转子，共同旋转以调节3个β亚基催化位点的开放和关闭。4.ε亚基具有抑制酶水解ATP的活性。

堵塞H+的通道，减少氢离子的泄漏(2)ATP合成酶的结构细菌Fo偶联因子：细菌:a1b2c10-12多拷贝的c亚基形成一个环状的结构。

a亚基，b亚基二聚体，δ亚基共同构成定子，它可以推动转子旋转。ATP合成酶，由多个亚基组成，它与膜相连处有一质子通道（F0）(3)质子动力势如何推动ATP合成酶合成ATP？结合变化机制（bindingchangemechanism）——旋转催化模型质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋转在特定的时间，三个催化位点的构象不同由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O）F1中的有3个亚基，每一个亚基都有三种构象，亚基的旋转（由质子推动F0的旋转而带动）使亚基在这三种构象中不断变化，而催化ATP的合成。（亚基旋转，亚基位置不变，但构象发生改变）在L构象（loose），ADP、

Pi与ATP酶疏松结合在一起；在T构象（tight）底物（ADP、

Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。ATP合成酶三种构象的交替改变

七、线粒体的半自主性线粒体的自我繁殖及一系列功能活动，受其自身基因组(mtDNA)和细胞核基因组(nDNA)两套遗传系统共同控制，也称为半自主性细胞器(semiautomousorganelle)。第二遗传因子：线粒体DNA（线粒体内裸露，双链DNA，环形）

线粒体遗传体系的特征：①DNA为环形分子，无非编码序列；②在细胞周期的各个阶段都能复制。③核糖体为70S型④线粒体内mRNA转录与蛋白质的合成同步进行⑤线粒体合成的蛋白质很少，占线粒体蛋白质的10%，大量线粒体蛋白由核基因编码、在细胞质中合成后定向转运到线粒体。7.1mtDNA的结构与特点存在于mi基质中，有时与mi的内膜结合。mtDNA是裸露的双链环状闭合分子，一个mi中有1个或多个DNA分子。mtDNA的含量比细胞核DNA含量少得多，按一个细胞有500-1000个mi计算，全部的mtDNA的含量也不过相当于核中DNA的1-2%左右。第一个在分子水平初步搞清mtDNA基因结构的是

人的mtDNA.（1）线粒体DNA的结构

人的线粒体DNA：16569bp,37个基因(编码12S,16SrRNA；22种tRNA；13种多肽：NADH脱氢酶7个亚基，cytb-c1复合物中1个cytb，细胞色素C氧化酶3个亚基，ATP合成酶2个Fo亚基)鼠，牛，蛙的线粒体DNA序列已知酵母线粒体DNA78000bp，比人类的长5倍,但它的基因产物并不比人的多很多。原因：人类线粒体DNA序列中全为外显子，无内含子，基因间几乎没有非编码区。而yeast中有大量的内含子和非编码区。（2）mtDNA复制的特点mtDNA复制也以半保留复制方式进行。复制时间不同于细胞核DNA的复制。不仅在S期，线粒体DNA的复制贯穿于整个细胞周期

mtDNA表现为母系遗传。

其突变率高于核DNA，并且缺乏修复能力。

线粒体中的DNA是不与细胞其它部分的DNA发生交换，所以如果线粒体中的DNA发生病变后，细胞其他部位的DNA不能代替它行使作用，说明线粒体有一定的自主作用7.2蛋白质的合成Mi中120多种蛋白，只有13种左右由mtDNA编码，并且已经知道mi中合成的蛋白都是和内膜结合在一起的。问题：用什么办法可以判明mi中的蛋白质是靠mtDNA编码还是靠核基因编码通过跨膜运输而进入mi的？（1）

放线菌酮：抑制由核基因编码蛋白的合成（2）

红霉素或氯霉素：抑制由线粒体基因编码的蛋白质的合成。（3）问题：

a如果在放线菌酮存在下，使细胞用标记的氨基酸合成蛋白质，则在mi中看到的带有放射性标记的蛋白，应该是在哪儿合成的。

b如果在氯霉素存在的情况下，在mi中看到的标记蛋白，应该是在哪儿合成的。发现线粒体DNA（mtDNA）后,人们又在线粒体中发现了RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖体、氨基酸活化酶等进行DNA复制、转录和蛋白质翻译的全套装备，说明线粒体具有独立的遗传体系。ComplexSubunitsNuclearmtDNAⅠ41347Ⅱ440Ⅲ11101Ⅳ13103Ⅴ14122合计837013线粒体的生物合成可分为两个阶段：第一阶段由核基因编码复制因子、RNA聚合酶等蛋白输送到线粒体中接着进行第二阶段，即线粒体中DNA开始转录和翻译，产生组成线粒体的内膜蛋白，同时产生了控制核DNA有关线粒体蛋白合成的阻截物，这样就终止了核DNA的这部分转录过程。当核基因编码的酶在线粒体中用完后，线粒体DNA的作用立即停止，阻截物不再形成，于是核基因又重新开始转录。线粒体的半自主性线粒体基因在转录和翻译过程中对核基因有很大的依赖性，受到核基因的控制。另外，线粒体中的DNA和RNA是不与细胞其它部分的DNA和RNA发生交换，所以如果线粒体中的DNA发生病变后，细胞其他部位的DNA不能代替它行使作用，说明线粒体有一定的自主作用问题：a解释当放线菌酮存在30min到1h的条件下，mi的合成活性显著下降的原因。b解释当氯霉素存在的条件下，细胞质中有关mi基因复制和翻译的酶的合成反而受到促进的原因。八、线粒体蛋白质的运输后转移形式的单向跨膜运输前导肽(leaderpeptide)的特点

位于蛋白质NH2－基端羟基氨基酸的含量较高（Ser,Thr）带正电荷碱性氨基酸丰富，尤其是Arg极少有带负电荷的酸性氨基酸

具有形成两性螺旋的倾向。1.蛋白质进入线粒体基质1.转运肽前肽（游离核糖体）2.信号肽（附着核糖体)不需特别区分时，统称为信号肽。线粒体内外膜的接触点

鼠肝直径1um线粒体上约115个接触点

2.运入膜间隙（1)保守分选模型（2)非保守分选模型蛋白质进入线粒体的膜间腔---保守分选模型蛋白质进入线粒体的膜间腔----非保守分选模型3.蛋白质运入内膜进入内膜的前体蛋白，引导肽序列后具有停止转移序列，使蛋白安插在内膜上。4.运入外膜由导向基质的信息序列插入内外膜接触点，后面的停止转运序列使蛋白前体滞留在外膜中。进入外膜的蛋白具有不被切除的N端导肽序列和停止转运序列的特点。线粒体的异常会影响整个细胞的正常功能，从而导致病变

——线粒体病(mitochondrialdiseases,MD)九、线粒体与疾病1：克山病，一种地方性心肌线粒体病，于1935年在黑龙江省克山县首先发现。病因至今尚不清楚，但调查病区与非病区的水源和植物发现，硒缺乏与克山病发病的关系较密切

缺硒影响线粒体膜稳定性，导致心肌线粒体膨胀、嵴稀少和不完整等，对电子传递和氧化磷酸化偶联造成损伤。临床表现主要有心脏增大、急性或慢性心功能不全和各种类型的心律失常，急重病人可发生猝死。2：线粒体与细胞衰老线粒体是细胞内自由基的源泉，正常情况下氧自由基可被线粒体中的Mn2+

－SOD所清除，机体衰老使SOD活性降低，氧自由基积累在线粒体中，导致线粒体内膜参与能量转换的酶系功能异常，引起细胞的衰老与死亡

3：线粒体与细胞凋亡凋亡：细胞程序性死亡死亡：受损伤而死亡当线粒体接受凋亡刺激的早期cytc从线粒体向细胞质移位，cytc能活化与凋亡相关的酶类，引起凋亡。在正常情况下定位在线粒体外膜等处的Bcl－2则可阻止cytc从线粒体释放，从而抑制细胞的凋亡

线粒体由线粒体分裂而来，与细胞分裂不同步，在细胞间期分裂。

十、线粒体的生物发生（一）线粒体的增殖——分裂增殖1.出芽分裂增殖——藓类植物和酵母细胞2.收缩后分离增殖

——蕨类植物和酵母细胞3.间壁分离(隔膜分离)——哺乳动物和植物分生组织间壁分离收缩后分离出芽分裂间壁分离

收缩后分离

1.内共生起源学说（二）线粒体的起源线粒体的祖先原线粒体（一种可进行