细胞生物学线粒体

2021/5/91线粒体(mitochondrion)：线粒体是细胞进行氧化和能量转换的主要场所，被称为能量转换器，线粒体为细胞提供生命活动所需同能量的80%，所以线粒体被比喻为细胞的“动力工厂”。1894年，Alman首先在动物细胞中发现线粒体。2021/5/92第六章线粒体线粒体的形态结构线粒体的化学组成线粒体的功能线粒体的半自主性线粒体的生物发生线粒体与医学复习题2021/5/93光镜下的结构：光镜下线粒体呈线状、粒状或杆状。线粒体的数量：不同类型的细胞中差异较大，细胞代谢旺盛→数目多，代谢不旺盛→数目少。线粒体的分布：因细胞形态和类型的不同而存在差异，一般集中在功能旺盛、需要能量的部位。如精细胞中线粒体沿鞭毛紧密排列。2021/5/94电镜下：线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构。外膜内膜膜间腔（外腔）嵴基质腔（内腔）线粒体的超微结构2021/5/95外膜(outermembrane)外膜是线粒体与细胞质临界的单位膜，厚5~7nm，光滑平整。含有多种转运蛋白，围成筒状园柱体，中央有小孔，形成φ2~3nm的跨膜水相通道，可以通过10kd以下的小分子及多肽物质，因此通透性良好。外膜2021/5/96内膜(innermembrane)内膜：位于外膜内侧，功能膜，是电子传递和氧化磷酸化的部位，通透性差，表面不光滑。内膜的结构特点：向内突起形成嵴(cristae)？内表面附着有基粒(elementaryparticle)外膜内膜嵴嵴间腔嵴内腔膜间腔（外腔）基质腔（内腔）基粒2021/5/97基粒：又称ATP合酶复合体(ATPsynthasecomplex)，是产生ATP的部位。形态上分三部分：头部：突出于内腔中，具有ATP酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP。柄部：连接头部与基片。基部：嵌入内膜中。基粒2021/5/98线粒体的空间结构膜及嵴将线粒体空间分成几部分：基质腔(matrixspace)：又叫内腔，是内膜围成的空间，含基质。膜间腔(intermembranespace)

：又叫外腔，是线粒体内、外膜之间腔。嵴间腔(intercristaespace)：嵴和嵴之间的空间→内腔。嵴内腔(intracristaespace)：每个嵴内的空间→外腔。

2021/5/99基质基质(matrix)：线粒体内腔充满了电子密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等成分，称基质。基质是物质进行氧化分解的场所，与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等有关的酶都在基质中。含有双链环状DNA、核糖体。2021/5/910蛋白质：种类多。脂类：主要是磷脂，构成膜。DNA：一个分子，多个拷贝。其它成分：水、酶、无机离子及维生素等。化学组成成分2021/5/911蛋白质含量多：达1000多种，占干重的65~70%，多分布在内膜和基质。分为两类：一类是可溶性蛋白，另一类是不溶性蛋白。线粒体酶含量多：是含酶最多的细胞器，参与物质分解和氧化磷酸化。含有DNA：是细胞内除核外唯一含DNA的细胞器。化学组成特点2021/5/912线粒体是细胞核以外惟一含DNA的细胞器，具有独立合成蛋白质的能力，但一定程度上受细胞核的控制，因此线粒体是具有半自主性的细胞器。2021/5/913线粒体DNA的形态结构mtDNA为双链结构。两条链编码不同的基因。根据两条链转录RNA在CsCl中密度不同，分为重链(heavystrand,H)和轻链(lightstrand,L)。mtDNA环状形态，核DNA→链状。mtDNA裸露，不与组蛋白结合。2021/5/914前体蛋白在线粒体外去折叠。多肽链穿越线粒体膜。多肽链在线粒体内重新折叠。（图）核编码蛋白质的线粒体转运过程图2021/5/915紧密折叠的蛋白不可能穿越线粒体膜，因此在运输前必须去折叠。线粒体前体蛋白：蛋白质“成熟”形式＋基质导入序列(MTS)。基质导入序列又称导肽，是输入线粒体的蛋白质在其N端具有的一段氨基酸序列，能够被线粒体膜上的受体识别并结合，从而定向蛋白质的转运。

少数线粒体前体蛋白与称为NAC的分子伴侣结合，可增加蛋白质转运的准确性。2021/5/916多数线粒体前体蛋白与称为hsp70的分子伴侣结合，可防止前体蛋白形成不可解开的构象，也可防止已松弛的前体蛋白聚集。细胞质中的PBF与线粒体前体蛋白结合后可增强hsp70对蛋白质的转运。细胞质中的MSF能够发挥ATP酶的作用，为蛋白质去折叠供能。（图）2021/5/917前体蛋白在其N端具有导肽，能够被线粒体膜上受体识别并结合，从而定向蛋白质的转运。前体蛋白与胞质Hsp70分离，与线粒体外膜上的受体结合，与线粒体膜接触，前体蛋白进入线粒体膜的输入通道，最终穿越线粒体膜。（图）2021/5/918蛋白质跨膜转运至线粒体基质后，必须恢复其天然构象以行使功能。分子伴侣mthsp70、mthsp60、mthsp10等参与蛋白质的重新折叠与组装。（图）2021/5/919线粒体转运信号及其受体消耗能量分子伴侣的协助有蛋白质的去折叠和再折叠核编码的蛋白质的线粒体转运特点2021/5/920线粒体以分裂方式增殖。分两个阶段：生长阶段：线粒体膜的生长，mtDNA复制，然后分裂。分化过程：线粒体内部酶的合成，建立能够行使氧化磷酸化功能的机构。2021/5/921细胞氧化（cellularoxidation）：在O2的参与下分解各种大分子物质，最终产生CO2和H2O，释放的能量生成ATP，又称为细胞呼吸。是细胞内提供生物能源的主要途径。2021/5/922大分子物质脂肪、多糖和蛋白质，分解产生能量，大体上可分为四个阶段。糖酵解胞质乙酰辅酶A形成三羧酸循环氧化磷酸化线粒体2021/5/923(一)线粒体形态改变在细胞处于不正常状态下，线粒体的形态结构可发生改变。如正常心肌、骨骼肌细胞在功能亢进时，线粒体增生；肿瘤细胞可见大量线粒体密集于细胞质中，使细胞质基质的体积减少。2021/5/924有害物质和病毒可导致线粒体发生肿胀至破裂；缺血性损伤可致线粒体结构变异，如凝集、肿胀等；在病变组织中有时有2~3个线粒体融合成大线粒体的现象。线粒体结构改变将导致功能发生变化。2021/5/925(二)线粒体功能异常如甲状腺功能亢进，即患者甲状腺产生甲状腺素增多，造成患者代谢率升高。甲状腺功能亢进的发生机制：甲状腺素Na+-K+-ATP酶ATP分解→ADP＋Pi→ADP进入线粒体数量增加→氧化磷酸化偶联作用加强→底物氧化↑→耗氧量及产热量皆提高。活化加快2021/5/926(三)mtDNA异常致线粒体病线粒体DNA是裸露的，在复制过程中易发生突变并很少修复，错误的mtDNA可通过线粒体分裂及细胞分裂传给子代线粒体或子细胞，表现线粒体遗传现象。2021/5/927如肌阵挛性癫痫和破碎红纤维病(MERRF综合征)：线粒体脑肌病，包括线粒体缺陷和大脑与肌肉的功能变化。主要症状：肌阵挛性癫痫的短暂发作(周期性抽搐)，共济失调，感觉神经性听力丧失，轻度痴呆，扩张性心肌病和肾功能异常等症状。2021/5/928发病机理：mtDNA8344G突变→线粒体蛋白质合成的整体水平↓→除复合物Ⅱ以外的氧化磷酸化成分含量降低(尤其是呼吸链酶复合物Ⅰ和Ⅳ的含量降低)。2021/5/9292021/5/930线粒体核肌动蛋白单体顶体2021/5/9312021/5/932嵴间腔内腔(基质腔)外腔(膜间腔)嵴内腔(嵴内空间)2021/5/933在细胞质中进行。有机物(如葡萄糖)在酶作用下生成丙酮酸，生成2分子ATP。C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP糖酵解酶2021/5/934在线粒体基质中进行。丙酮酸→线粒体基质乙酰CoA＋草酰乙酸(4C)

柠檬酸(6C，含三个羧基)→三羧酸循环(TAC循环)。分解结合2021/5/935mt基质中有参与三羧酸循环的所有酶类。一次循环反应，总共消耗3个H2O，生成1分子GTP(→ATP)，2分子CO2，脱下4对H，重新生成草酰乙酸，再和另一个乙酰CoA结合，开始下一个循环。2021/5/936分别在线粒体内膜及基粒上进行。线粒体能量转换策略

三羧酸循环中的能量转换。NAD+→NADH，FAD+→FADH2。NADH和FADH2必须被氧化才能维持三羧酸循环。NADH+1/2O2→NAD++能量FADH2+1/2O2→FAD++能量NADH和FADH2被氧化时释放的H+、电子和能量如何安置?2021/5/937氧化还原：脱下的H

H2O。H不直接与O2结合，H

H+＋e－。e－经呼吸链逐级传递给1/2O2→O2－。解离氧化2021/5/938呼吸链(respiratorychain)：又称电子传递链(electrontransportrespiratorychain)，是由四种复合物组成的复合体，主要功能是H+和电子的传递。2021/5/939递氢体：既传递电子又传递质子，独立作用，复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ

。递电子体：只传递电子，协作作用，复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。NADH-CoQ氧化还原酶琥珀酸－CoQ氧化还原酶CoQH2－细胞色素C氧化还原酶细胞色素C氧化酶2021/5/940NADH呼吸链：由复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成，催化NADH氧化，是主呼吸链。FADH2呼吸链：由复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成，催化FADH2氧化，是次呼吸链。

2021/5/9412021/5/942H+的传递：通过递氢体由线粒体基质释放至膜间腔。电子的传递：经呼吸链逐级传递，最终使O2成为O2－，与基质中2个H+化合生成H2O。1212O2－2021/5/9432021/5/9442021/5/9452021/5/946氧化磷酸化：电子在传递过程中由高能变为低能，释放出的能量被位于线粒体内膜上的F0F1ATP合酶复合体催化ADP+Pi→ATP。2021/5/9472021/5/948ATP合酶(ATPsynthasecomplex)

基粒位于线粒体的内膜上，有头部、柄部和基片组成，是生成ATP的关键部位，又称为ATP合酶复合体。酶活性：两种酶活性。ATP水解酶的活性：独立。ATP合成酶的活性：内膜。2021/5/949头部:由α3β3δ亚基组成，是合成ATP的部位。柄部：由γε亚基构成,γ亚基穿过头部作为头部旋转的轴。基片：由3种不同的亚基组成的十五聚体(1a∶2b∶12c)。嵌于线粒体内膜，是质子流经的通道。2021/5/950化学渗透假说：英国生物化学家P.Mitchell1961年提出了化学渗透假说(chemiosomoticcomplinghypothesis)解释氧化磷酸化的偶联机理。

2021/5/951化学渗透假说的主要内容：e－传递过程中释放能量将H+从内腔→外腔。mt内膜对H+的不通透性造成内膜两侧产生质子动势(质子浓度梯度和电化学梯度，高能)。H+顺浓度梯度返回内腔，释放的能量驱动ATP合酶复合体催化ADP磷酸化合成ATP。2021/5/952化学渗透假说两个特点：强调线粒体膜结构的完整性：H+