线粒体与细胞的能量转换zx

MitochondriaandEnergyConversion中南大学生命科学学院细胞生物学系医学遗传学国家重点实验室夏赞贤第六章线粒体与细胞的能量转换目前一页\总数一百零五页\编于二十三点Mitochondria=Powerhouse目前二页\总数一百零五页\编于二十三点线粒体研究的历史1894年Altmann生命小体(bioblast)1897年Benda线粒体(mitochondria)1900年Michaelis氧化还原反应的场所1913年Engelhardt磷酸化和氧的消耗偶联在一起目前三页\总数一百零五页\编于二十三点20世纪初50年代揭示了线粒体的超微结构与功能之间的关系1963年

在鸡卵母细胞中发现线粒体DNA并分离到完整的线粒体DNA（mtDNA）1981年

发表了完整的人mtDNA序列1987年

提出mtDNA突变可引起人类的疾病目前四页\总数一百零五页\编于二十三点主要内容：一、线粒体的形态结构二、线粒体化学组成与酶的定位三、线粒体核编码蛋白质的转运(重点)四、线粒体的功能五、线粒体的半自主性(重点)六、线粒体的起源七、线粒体的分裂与融合八、线粒体与疾病目前五页\总数一百零五页\编于二十三点一、线粒体的形态结构目前六页\总数一百零五页\编于二十三点(一)形态、大小、数目和分布多形性：线状、颗粒状、棒状、哑铃型等。线粒体细胞核核仁1.形态目前七页\总数一百零五页\编于二十三点

低渗时，膨胀呈泡状；高渗时，伸长呈线状。可逆性：在一定条件下，同一种细胞线粒体形态是可逆的。目前八页\总数一百零五页\编于二十三点

2.大小是细胞中较大的细胞器，与细胞种类、生理状况有关，一般直径：0.5-1.0µm；长度：1.5-3.0µm。骨骼肌细胞8～10µm胰腺外分泌细胞10～20µm成纤维细胞40µm目前九页\总数一百零五页\编于二十三点不同类型细胞中差异较大。

哺乳动物:

肝细胞中2000个左右肾细胞中300个左右精子中25个左右3.数目与代谢状态有关有细胞不含线粒体？

目前十页\总数一百零五页\编于二十三点4.分布：通常分布于细胞生理功能旺盛区域和需要能量多的部位。目前十一页\总数一百零五页\编于二十三点目前十二页\总数一百零五页\编于二十三点(二)线粒体的超微结构目前十三页\总数一百零五页\编于二十三点嵴内膜ATP合成酶颗粒核糖体基质膜间腔(外室)外膜目前十四页\总数一百零五页\编于二十三点1.外膜：包围在线粒体外表面的一层单位膜。厚6-7nm，平整、伸展、光滑。封闭结构使之在细胞质中相对隔绝，保证了线粒体能够不受干扰地进行物质氧化分解。外膜目前十五页\总数一百零五页\编于二十三点高度的选择通透性，借助载体蛋白控制内外物质的交换；褶皱向内突起形成——嵴；内膜嵴厚约6nm；2.内膜：集中了电子传递体和氧化磷酸化酶系,ATP合成酶系，是物质氧化分解和ATP合成的场所。目前十六页\总数一百零五页\编于二十三点内膜向内室折叠形成，可增加内膜的表面积。3.嵴:板层状（大多数高等动物细胞中）小管状（原生动物和一些较低等动物细胞中）线粒体中形态变化最大的结构，主要有两种类型：线粒体嵴的数目与细胞本身的生理活动有关目前十七页\总数一百零五页\编于二十三点板层状嵴小管状嵴目前十八页\总数一百零五页\编于二十三点线粒体嵴的数目

与细胞本身的生理活动有关目前十九页\总数一百零五页\编于二十三点外膜内膜膜间隙嵴间腔嵴内腔嵴位置：内膜和嵴膜基质面上带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。功能：催化ADP磷酸化生成ATP。

基粒（内室）（外室）基粒—ATP合酶4.基粒:目前二十页\总数一百零五页\编于二十三点目前二十一页\总数一百零五页\编于二十三点目前二十二页\总数一百零五页\编于二十三点目前二十三页\总数一百零五页\编于二十三点9nm

ATP酶复合体抑制多肽10kD（调节酶活性）对寡霉素敏感蛋白（OSCP)18kD疏水蛋白（HPF0)70kD头部:合成ATP:调节质子通道柄部：质子的通道基片可溶性的ATP酶（F1)360kD目前二十四页\总数一百零五页\编于二十三点嵴内腔

基粒（ATP酶）5.基质(内室):内膜和嵴围成的腔。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三羧酸循环的场所,线粒体内DNA、蛋白质合成的场所。目前二十五页\总数一百零五页\编于二十三点什么是基粒?位置，组成，本质和功能目前二十六页\总数一百零五页\编于二十三点二、线粒体化学组成与酶的定位目前二十七页\总数一百零五页\编于二十三点（一）

线粒体的化学组成占干重的65%-70%，内膜及基质较多可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白；不溶性蛋白：构成膜的镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白。1.蛋白质目前二十八页\总数一百零五页\编于二十三点2.脂类内膜外膜磷脂酰胆碱低高胆固醇低高心磷脂高低磷质/蛋白质0.270.82目前二十九页\总数一百零五页\编于二十三点3.其他辅酶、维生素、金属离子等目前三十页\总数一百零五页\编于二十三点（二）线粒体中酶的分布

线粒体主要酶的分布部位外膜脂类代谢有关的酶特征酶：单胺氧化酶膜间腔腺苷酸激酶、核苷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶内膜呼吸链氧化反应的酶系、

ATP合成酶系特征酶：细胞色素（c）氧化酶基质(嵴间腔)三羧酸循环反应、丙酮酸与脂肪酸氧化的酶系、蛋白质和核酸合成酶系特征酶：苹果酸脱氢酶目前三十一页\总数一百零五页\编于二十三点

三、线粒体核编码蛋白质的转运

线粒体中的蛋白质绝大多数由核基因编码，在细胞质中的游离核糖体合成，称前体蛋白，将定向转运至线粒体。目前三十二页\总数一百零五页\编于二十三点(一)蛋白质运送过程的特性目前三十三页\总数一百零五页\编于二十三点1.运送之前，蛋白质大多以前体形式存在。2.蛋白质运送时经去折叠和重新折叠。折叠————去折叠————重新折叠分子伴侣分子伴侣目前三十四页\总数一百零五页\编于二十三点3.外膜有专一性不太强的受体参与作用。4.由内膜进入基质是一种需能的过程。目前三十五页\总数一百零五页\编于二十三点内、外膜之间存在接触点，蛋白质通过此处的TOM和TIM复合体，进一步进入基质。目前三十六页\总数一百零五页\编于二十三点外膜内膜1、去折叠1.去折叠2.穿线粒体膜3.重折叠目前三十七页\总数一百零五页\编于二十三点

线粒体膜上的转位接触点目前三十八页\总数一百零五页\编于二十三点(二)导肽目前三十九页\总数一百零五页\编于二十三点

一)导肽的性质N末端引伸出的一段含20—80个氨基酸的肽链。1.含有较多带正电荷的碱性氨基酸（特别是精氨酸、赖氨酸）；2.缺少或不含带负电荷的酸性氨基酸；3.含丰富的羟基氨基酸（特别是丝氨酸）；4.能形成两性分子的螺旋结构，使导肽加强与膜的相互作用，有利于穿膜。目前四十页\总数一百零五页\编于二十三点二）导肽在线粒体穿膜的作用1.引导跨膜运输；2.对线粒体蛋白质识别；目前四十一页\总数一百零五页\编于二十三点导肽只决定穿越线粒体，而对被运输的蛋白质无特异性酵母：（线粒体）细胞色素氧化酶IV导肽基因（CoxIV基因）小鼠：（细胞质）二氢叶酸还原酶基因（DHFR基因）融合基因融合酵母中表达酵母线粒体基质中发现DHFR蛋白质杂合蛋白（连有CoxIV导肽的DHFR）目前四十二页\总数一百零五页\编于二十三点3.导肽对线粒体蛋白质还具有定位、分选转运的作用目前四十三页\总数一百零五页\编于二十三点1，蛋白质运送过程的特性；2，什么是导肽，以及导肽的性质。目前四十四页\总数一百零五页\编于二十三点

四、线粒体的功能目前四十五页\总数一百零五页\编于二十三点氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量是线粒体的主要功能与氧自由基生成、程序性死亡、信号转导、离子跨膜转运以及电解质稳态平衡的调控等有关目前四十六页\总数一百零五页\编于二十三点

依靠酶的催化，利用氧将细胞中的供能物质氧化、分解、释放能量，并排出CO2和H2O的过程。由于这一过程在细胞内进行，所以又称为细胞呼吸（cellularrespiration)。一、细胞氧化（cellularoxidation)目前四十七页\总数一百零五页\编于二十三点酵解乙酰辅酶A形成三羧酸循环(TCAcycle)电子传递偶联氧化磷酸化细胞氧化的主要步骤酵解目前四十八页\总数一百零五页\编于二十三点目前四十九页\总数一百零五页\编于二十三点酵解2丙酮酸（C3H4O3）+2H2O

葡萄糖（C6H12O6）

特点：

（1）不需氧，细胞质基质中进行

（2）净生成2个ATP，能量储藏在丙酮酸中2NAD+2NADH+2H+2ADP+2Pi2ATPNAD:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸目前五十页\总数一百零五页\编于二十三点乙酰辅酶A生成乙酰-CoA+CO2C3H4O3+辅酶A(CoA)特点：（1）线粒体基质中进行（2）3C的丙酮酸变成活泼的2C乙酰辅酶A（3）无ATP形成2NAD+2NADH+2H+目前五十一页\总数一百零五页\编于二十三点葡萄糖丙酮酸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NADCO2-酮戊二酸NADCO2琥珀酸FADFADH+H+延胡索酸苹果酸NAD1231乙酰辅酶A+草酰乙酸（2C）（4C）柠檬酸（6C）3对以NAD为氢受体（NAD+NADH）1对以FAD为氢受体（FADFADH2）2个CO2三羧酸循环(TCACycle)NADH+H+NADH+H+NADH+H+目前五十二页\总数一百零五页\编于二十三点电子传递偶联氧化磷酸化

将物质氧化过程中脱下的氢原子，通过线粒体内膜上一系列呼吸链酶系的逐级传递，最后与氧结合成水。电子传递过程中释放的能量用于ADP磷酸化为ATP。目前五十三页\总数一百零五页\编于二十三点二.电子传递链两条呼吸链：NADH呼吸链和FADH2呼吸链NADH-CoQ还原酶琥珀酸-CoQ还原酶细胞色素c及其氧化酶CoQ细胞色素c还原酶(Fe-S)FMNbc1(FeS)a-Cua3-Cu目前五十四页\总数一百零五页\编于二十三点1.电子传递链的特点NADH-CoQ还原酶琥珀酸-CoQ还原酶细胞色素c及其氧化酶CoQ细胞色素c还原酶(Fe-S)FMNbc1(FeS)a-Cua3-Cu除辅酶Q和细胞色素C外，呼吸链组分均以酶复合体嵌入在线粒体内膜上，包括复合体I、II、III、IV。目前五十五页\总数一百零五页\编于二十三点电子传递链各组分在膜上不对称分布NADH-CoQ还原酶琥珀酸-CoQ还原酶细胞色素c及其氧化酶CoQ细胞色素c还原酶(Fe-S)FMNbc1(FeS)a-Cua3-Cu目前五十六页\总数一百零五页\编于二十三点NADH-CoQ还原酶琥珀酸-CoQ还原酶细胞色素c及其氧化酶CoQ细胞色素c还原酶(Fe-S)FMNbc1(FeS)a-Cua3-Cu有一定的顺序和方向，按氧化还原电势递增的方向传递，NAD+/NADH最低，O2/H2O最高。目前五十七页\总数一百零五页\编于二十三点能量逐渐释放。NADH-CoQ还原酶琥珀酸-CoQ还原酶细胞色素c及其氧化酶CoQ细胞色素c还原酶(Fe-S)FMNbc1(FeS)a-Cua3-Cu目前五十八页\总数一百零五页\编于二十三点呼吸链中有三个部位有较大的能量释放足以供给ADP和无机磷形成ATP目前五十九页\总数一百零五页\编于二十三点质子动力势形成：电子传递形成膜电位2.能量释放目前六十页\总数一百零五页\编于二十三点2.质子动力势驱动ATP形成目前六十一页\总数一百零五页\编于二十三点3.质子动力势的其他功能目前六十二页\总数一百零五页\编于二十三点4.一分子葡萄糖产生ATP的统计:底物水平的磷酸化4ATP(细胞质)

已糖分子活化消耗-2ATP(细胞质)

产生2NADH4ATP(3-磷酸甘油)6ATP(苹果酸)净累积:6或8ATP糖酵解目前六十三页\总数一百零五页\编于二十三点

产生2NADH(线粒体)6ATP柠檬酸循环:

底物水平磷酸化(线粒体)2ATP

产生6NADH(线粒体)18ATP

产生2FADH2(线粒体)4ATP总计生成36或38ATP丙酮酸氧化脱羧:目前六十四页\总数一百零五页\编于二十三点五、线粒体的半自主性目前六十五页\总数一百零五页\编于二十三点半自主性细胞器概念

线粒体有自己的遗传系统和蛋白质合成体系。但线粒体DNA只编码少量线粒体蛋白质，大多数蛋白质是由核DNA编码，线粒体基因的复制与表达所需的许多酶，又是由核DNA所提供，所以线粒体是一个半自主性的细胞器。目前六十六页\总数一百零五页\编于二十三点（一）mtDNA的结构特点动物细胞核外唯一含有DNA的细胞器双链闭环分子，外环为重(H)链，内环为轻(L)链1、mtDNA的结构特点目前六十七页\总数一百零五页\编于二十三点无内含子、基因之间少有间隔无核苷酸结合蛋白，缺少组蛋白的保护无DNA损伤修复系统mtDNA易于突变编码13种蛋白质、22种tRNA和2种rRNA目前六十八页\总数一百零五页\编于二十三点人mtDNA是一个长为16,569bp的双链闭合环状分子目前六十九页\总数一百零五页\编于二十三点2、mtDNA半自主性复制mtDNA能独立复制、转录和翻译，但又受核DNA的影响附着在线粒体内膜上并以此为复制起点不局限于S期，贯穿细胞整个周期mtDNA聚合酶由核DNA编码目前七十页\总数一百零五页\编于二十三点（二）线粒体蛋白质合成系统mtDNARNA前体切割加工13种mt-mRNA22种mt-tRNA2种mt-rRNA(12S,16S)转录蛋白质生物合成所必须的各种RNA都是线粒体所特有的。目前七十一页\总数一百零五页\编于二十三点为不同的RNA聚合酶抑制剂：线粒体：菲啶溴红（E.B.）类似原核细胞真核细胞：放线菌素D

-鹅膏蕈碱(-amanitine)1.RNA聚合酶目前七十二页\总数一百零五页\编于二十三点2.核糖体比胞质核糖体小动物线粒体：50~60S胞质：80S线粒体：氯霉素、红霉素真核细胞胞质：放线菌酮对药物的敏感性不一样目前七十三页\总数一百零五页\编于二十三点(3)遗传密码与通用密码有差异

（2）起始tRNA不同线粒体：N—甲酰甲硫氨酰tRNA

真核细胞胞质：甲硫氨酰tRNA

（1）转录和翻译几乎同时完成3.蛋白质合成过程目前七十四页\总数一百零五页\编于二十三点通用遗传密码与

线粒体遗传密码的差别密码子酵母线粒体编码哺乳动物线粒体编码通用遗传密码UGA色氨酸色氨酸终止子AUA蛋氨酸蛋氨酸异亮氨酸CUA苏氨酸亮氨酸亮氨酸AGG精氨酸终止子精氨酸目前七十五页\总数一百零五页\编于二十三点

小结：

(1)有自己的蛋白质翻译系统:

（2）蛋白质的合成与mRNA的转录几乎同时完成（3）遗传密码与通用密码有差异（4）与胞质蛋白合成对药物的敏感性不同（5）线粒体合成蛋白数量有限，但是线粒体功能活动的关键酶（6）所需的tRNA、mRNA和核糖体是自身专用的（7）所编码的RNA和蛋白质并不运出线粒体外目前七十六页\总数一百零五页\编于二十三点

(三）线粒体遗传系统与细胞核遗传系统的相互关系目前七十七页\总数一百零五页\编于二十三点线粒体中由自身合成的蛋白质仅占10%,其余均为细胞核基因组编码.

因此,线粒体有自己的DNA和蛋白质合成体系,即独立的遗传系统,但又受核基因组遗传系统的控制,故为半自主性细胞器.目前七十八页\总数一百零五页\编于二十三点为什么说线粒体是一个半自主性的细胞器？目前七十九页\总数一百零五页\编于二十三点六、线粒体的起源目前八十页\总数一百零五页\编于二十三点（一）内共生假说（二）非共生假说目前八十一页\总数一百零五页\编于二十三点（一）内共生假说起源于古老厌氧真核细胞共生的需氧细菌在长期进化过程中，两者共生联系紧密，共生细菌的大部分遗传信息转移到细胞核上，留在线粒体内的遗传信息减少。endosymbiosishypothesis目前八十二页\总数一百零五页\编于二十三点1.内共生假说的依据基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似；核糖体为70S与细菌相同，而真核细胞为80S；两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似；有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质，蛋白质合成机制有很多类似细菌而不同于真核生物；目前八十三页\总数一百零五页\编于二十三点线粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌。能在异源细胞内长期生存，说明线粒体具有自主性与共生性的特征；以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同；目前八十四页\总数一百零五页\编于二十三点2.疑点不能解释在代谢上占优势的共生体反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞中；线粒体细胞色素C与细菌的氨基酸排列顺序差异很大。目前八十五页\总数一百零五页\编于二十三点

（二）

非共生假说目前八十六页\总数一百零五页\编于二十三点线粒体的起源比较认同的是内共生假说。目前八十七页\总数一百零五页\编于二十三点七、线粒体的分裂与融合目前八十八页\总数一百零五页\编于二十三点（一）线粒体是通过分裂方式实现增殖的1.关于增殖的三种观点：1）在胞质中重新形成？2）源于非线粒体的亚细胞结构？3）由原来的线粒体分裂或出芽而产生？目前八十九页\总数一百零五页\编于二十三点增值通过原有线粒体分裂完成的。目前九十页\总数一百零五页\编于二十三点2.线粒体的生物发生过程：

第一阶段——线粒体进行分裂增殖；

第二阶段——线粒体本身的分化过程，建成能够行使氧化磷酸化功能的机构。目前九十一页\总数一百零五页\编于二十三点间壁分离收缩分离出芽分离3.分裂方式目前九十二页\总数一百零五页\编于二十三点线粒体的增殖间壁分离: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。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。目前九十三页\总数一百零五页\编于二十三点目前九十四页\总数一百零五页\编于二十三点线粒体分裂狗心肌细胞线粒体新生鼠肝细胞线粒体213目前九十五页\总数一百零五页\编于二十三点（二）mtDNA随机地、不均等地被分配到新的线粒体中在同一线粒体中，可能存在有不同类型的mtDNA，即野生型和突变型mtDNA。分裂时，野生型和突变型mtDNA发生分离，随机地分配到新的线粒体中。目前九十六页\总数一百零五页\编于二十三点（三）线粒体融合是由一系列相关蛋白介导的过程线粒体的融合有利于促进线粒体的相互协作，可以使不同线粒体之间的信息和物质得到相互交换。线粒体的融合是由一系列蛋白分子精确调控和介导的。

FZO1p/Mfns介导线粒体外膜的融合。

Mgm1p/OPA1介导线粒体内膜的融合。目前九十七页\总数一百零五页\编于二十三点线粒体的分裂方式有几种？目前九十八页\总数一百零五页\编于二十三点八、线粒体与疾病目前九十九页\总数一百零五页\编于二十三点（一）疾病过程中的线粒体