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1、Part,07,线粒体,Mitochondrion,线粒体作为细胞内重要的能量产生基地，它是如何工作的，哪些结构参与了这一过程？,细胞的动力工厂,煤 发电厂 电,食物 线粒体 ATP ATP,95,概 述,1890年 ，Altman 首次在动物细胞中发现，并称之为“bioblast”（“生命小体”）； 1897年 ，Benda依其在光学显微镜下的形态学特征而命名为线粒体(mitochondria) ，被沿用至今； 1900年，Michaelis用詹纳斯绿B（Janus green B）活体染色，发现线粒体含有大量细胞色素氧化酶系，推断进行氧化还原反应；,概 述,1912年，Kingsbury首
2、先提出线粒体是细胞内氧化还原反应的场所； 1963年，Nass发现线粒体中存在DNA，奠定线粒体遗传和线粒体遗传病研究的基础。 Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体。Mitchell（19611980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。 1981年Anderson等公布了完整的人线粒体DNA序列。,第一节 线粒体的形态结构,Structure of mitochondrion,一、线粒体的形态、大小、数量及分布,光镜结构：短线状、粒状或杆状。,细胞在爬片培养后用4%多聚甲醛固定后，通过免疫荧光染色后用FV1000共聚焦扫描显微镜成像。红色:微管蛋白;蓝色:细胞核绿色:anti-
3、calnexin(内质网上表达)紫色:线粒体,大小：随细胞不同差异较大。,肝细胞内线粒体形态大小随细胞环境改变而改变,数量：因细胞种类不同而异。 分布：在细胞内分布不均，一般聚集在细胞功能旺盛，需要能量供应的区域。,电镜结构：线粒体是由两层单位膜围成的封闭膜性结构，其内膜和外膜套叠构成囊中囊，内囊与外囊不相通。,二、线粒体的亚微结构,是包围整个线粒体外面的一层单位膜，厚度约6nm，光滑富弹性、封闭成囊。膜上含有孔蛋白（porin），其中央有小孔，可通过分子量1kDa以下的分子，是线粒体外膜物质转运的通道，因此，外膜通透性较高。,(一）外膜（outer membrane）,位于外膜内侧，由一层平
4、均厚度为4.5nm的单位膜组成，通透性较外膜小，仅允许小的不带电荷的分子进入，大分子、离子则需特殊的转运蛋白帮助才能进行跨膜运输。 内膜向内褶叠形成嵴（cristae）,(二）内膜（inner membrane）,内膜和嵴上有许多基本微粒（基粒）,外膜 (outer membrane) 厚约6nm 蛋白质:脂类1:1 通透性高。孔蛋白成规则排列，内有孔 膜表面光滑平整。,内膜 （inner membrane） 厚约4.5nm 蛋白质:脂类3.8:1 通透性很低。 具运输蛋白，转移小分子； 膜向内折叠成嵴，上有大量基粒,又称为外室（outer chamber）,是线粒体内、外膜之间的腔隙，与嵴内
5、腔相通。,(三）膜间隙（intermembrane space）,又称内室（inner chamber），是线粒体内膜封闭形成的，嵴和嵴之间的腔隙，也叫嵴间腔或内腔。其内充满了液态的无定形胶质溶液，内含蛋白质、脂类、DNA、RNA、核糖体、多种酶、基质颗粒等，称为基质。由于内膜的选择性通透作用，使细胞质与基质之间的物质交换受到控制。,(四）基质（matrix）,在内膜或嵴膜上存在许多与膜面垂直的带柄的球形小体，由头、柄、基片三部分组成。又称为ATP酶复合体，是线粒体功能发挥的关键结构。,(五）基粒（elementary particle）,头部：化学本质是水溶性ATP酶系，又称F1因子或F1
6、-ATPase。纯化的F1因子催化ATP水解，当头部通过柄部与基片相连时催化ATP合成。,在内膜或嵴膜上存在许多与膜面垂直的带柄的球形小体，由头、柄、基片三部分组成。又称为ATP酶复合体，是线粒体功能发挥的关键结构。,(五）基粒（elementary particle）,柄部：连接头部（F1）和基片（F0）的结构。有对寡霉素敏感的蛋白（OSCP），作用是使F1因子对寡霉素敏感，从而抑制ATP合成。,在内膜或嵴膜上存在许多与膜面垂直的带柄的球形小体，由头、柄、基片三部分组成。又称为ATP酶复合体，是线粒体功能发挥的关键结构。,(五）基粒（elementary particle）,基片：又称F0因
7、子或F0-ATPase，是镶嵌于内膜（嵴）脂双分子层中的疏水蛋白复合体，由多亚基组成，形成一个跨膜的质子通道。其周围有呼吸链。是将氧化过程中所释放的能量传递到头部催化ADP 磷酸化生成ATP的中转站。,ATP酶结构和结构模型,ATP酶的结构模型,亚基的结合位点具有催化ATP合成或水解的作用，和结合形成转子，有抑制酶水解ATP的活性，同时有减少H+泄漏的功能,The Nobel Prize in Chemistry 1997for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine
8、triphosphate (ATP),Paul D. Boyer,John E. Walker,ATP合成和水解示意图,Intercristal space,DNA,ATP synthase,Inner membrane,Ribosome,Cristae,Matrix,Matrical granule,Outer membrane,Intermembrane space,Outer chamber,Inner chamber,第二节 线粒体的化学组成及酶定位,Chemical composition and enzymes of mitochondrion,主要成分是蛋白质和脂类，尤以蛋白质为
9、多。 1、蛋白质 线粒体干重的65% -70%，内膜含量较多。分为可溶性蛋白和不溶性蛋白两大类。 可溶性蛋白质指线粒体基质中的酶和线粒体膜上的外周蛋白；不溶性蛋白质指线粒体膜上的镶嵌蛋白和酶。,一、线粒体的化学组成(Chemical composition）,线粒体组分的分离方法,2、脂质 占线粒体干重的25% -30%，不同来源线粒体的脂质组成成分有差异，但均以磷脂为主。 线粒体脂质与蛋白质的比例在外膜为1：1，而在内膜为1：4，此外，线粒体内外膜所含脂质和蛋白质的种类也有差异 。 3、水、无机盐离子及其他,二、线粒体中酶的定位分布（Localization of enzymes）,线粒体是
10、细胞质中含酶最多的细胞器之一。140余种，37氧化还原酶，10合成酶，9水解酶，标志酶30余种，主要在内膜和基质中。 三羧酸循环酶类：线粒体基质中。 呼吸链酶类：线粒体内膜上。 ATP酶复合体（基粒）：线粒体内膜上。,线粒体功能部位的标志酶: 外膜单胺氧化酶 内膜细胞色素氧化酶 膜间腔腺苷酸激酶 基质苹果酸脱氢酶,第三节 线粒体的功能,Function of mitochondrion,线粒体是细胞氧化的中心和动力站。其主要功能是氧化磷酸化，合成ATP。 通过对三大营养物质（糖、脂肪、氨基酸）有氧氧化释放能量，并将能量通过ADP磷酸化，储存于ATP中，以ATP形式提供细胞生命活动所需能量的95
11、%以上。,食物,糖,脂肪,蛋白质,脂肪酸+甘油,单糖,氨基酸,消化道内,丙酮酸,细胞内,糖酵解,线粒体,ATP,细胞氧化：生物体从外界吸收O2，将细胞内各种能源物质氧化分解，放出CO2和H2O，释放能量，供生命活动的需要，又称细胞呼吸。,细胞氧化及其基本过程(Cell oxidation and its basic process),糖酵解,乙酰CoA生成,三羧酸循环,电子传递和偶联的氧化磷酸化,基本过程,生物氧化产生ATP的统计,一个葡萄糖分子经过细胞呼吸全过程产生多少ATP？ 糖酵解：底物水平磷酸化产生4ATP（细胞质） 己糖分子活化消耗2ATP（细胞质） 产生 2NADH，经电子传递产生
12、3或5ATP （线粒体）净积累5或7ATP 丙酮酸氧化脱羧：产生 2NADH（线粒体），生成5ATP三羧酸循环：底物水平的磷酸化产生（线粒体）2ATP； 产生 6NADH（线粒体），生成15ATP； 产生 2FADH2（线粒体），生成3ATP 总计生成 30或32ATP,第四节 线粒体的半自主性,Semiautonomous of mitochondrion,线粒体具有自身的遗传体系（mtDNA、tRNA、核糖体，氨基酸活化酶等），mtDNA能自主复制转录和翻译。但由于其遗传信息量小，只能合成13种线粒体蛋白，线粒体90以上的蛋白由核基因编码，因此线粒体是一个半自主性的细胞器（semiauto
13、nomous organelle）。,Mit have their own genetic systems,Mit is organelles semiautocephaly. The synthesis of mit proteins is coordinated.,mtDNA被称为是真核细胞的第二遗传系统。存在于线粒体基质中，多为裸露的闭合双链环状结构，所含碱基对少，可自我复制。其含量仅为全细胞DNA含量的1%。,一、mtDNA,人mtDNA的结构： 16569bp，由两条链组成的闭合环状分子，共编码2种rRNA，22种tRNA，13种蛋白质。 外环为重链（H链），内环为轻链（L链）。,G
14、enes in mtDNA encode rRNAs, tRNAs, and some mitochondrial proteins Human mt DNA: 16,569bp 2 rRNAs, 22 tRNAs, 13 polypeptides: NADH reductase. 7 sub. Cty b-c1 complex. 1 cytb Cyt oxidase. 3 subunits ATP synthase: 2 F0 sub,Products of mt genes are not exported,mtDNA表现为母系遗传。其突变率高于核DNA，并且缺乏修复能力。 有些遗传病，如
15、Leber遗传性视神经病，肌阵挛性癫痫等均与线粒体基因突变有关。,线粒体蛋白质跨膜转运的特点： 1.线粒体蛋白质前体由细胞质内的游离核糖体合成后，再转运至线粒体内，即属于后转移形式单向跨膜运输。,三、蛋白质跨线粒体膜的运送,2.线粒体蛋白质的转运需要特定的蛋白质分选信号（导肽）引导。 前导序列能识别线粒体表面的受体。 线粒体蛋白通过其内外膜的接触点进入线粒体内。这一过程需要线粒体外膜的GIP(general insertion protein)蛋白的帮助。 前导序列水解酶和前导序列水解激活酶。,3.线粒体蛋白质前体在跨膜运送前后，需经历一个解折叠与重折叠的成熟过程。该过程中，需分子伴侣的帮助。
16、,第六节 线粒体与疾病,Mitochondrial and disease,mtDNA突变 线粒体病 线粒体病常常表现为肌病和神经系统疾病，因为心肌、骨骼肌和神经系统是耗能多的器官的组织，依赖氧化磷酸化的程度高。 典型的线粒体病是Lebers遗传性视神经病。视神经进行性变，急性视觉丧失，通常在20岁左右发病。,一、mtDNA突变与疾病,Labers遗传性视神经病,双胞胎患病兄弟 视乳头盘血管膨胀、视神经萎缩,癌变细胞线粒体数量为何减少 癌细胞的线粒体有功能障碍并主要由糖酵解获得能量 线粒体的减少也是细胞未成熟和（或）去分化的表现。,二、线粒体与肿瘤,机体组织缺血，胞内氧分压下降等，可立即引起线粒体功能的减弱以至停止。,三、线粒体对代谢变化的反应,甲状腺素、磷化物等可使线粒体发生肿胀而破裂； 氰化物、叠氮钠及CO等毒物可阻断呼吸链，使氧化磷酸化中断，ATP
