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1、 线线 粒粒 体体mitochondrion刘 艳 平学习目的与要求1.掌握线粒体的基本结构、功能；线粒体的遗传体系；蛋白质穿膜进入线粒体。2.熟悉线粒体相关的临床意义。3.了解线粒体的发生。 主要内容：主要内容：第一节 线粒体的基本特征 第二节 细胞呼吸与能量转换第三节 线粒体与疾病第一节 线粒体的基本特征 一、形态、大小、数目和分布二、线粒体的超微结构三、线粒体的化学组成四、线粒体的遗传体系五、蛋白质穿膜进入线粒体六、线粒体的增殖线粒体的增殖七、线粒体的功能一、形态、大小、数目和分布1.形态 光镜下: 线状、粒状、 短杆 状等。在一定条件下可改变：低渗时，膨胀呈泡状；高渗时，伸长呈线状。
2、2.大小 一般直径： 0.5-1.0um骨骼肌细胞的线粒体：长度可达8-10um。 3.数 目：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个左右心肌细胞精子尾部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。二、线粒体的超微结构电镜下观察：线粒体是由两层单位膜 围成的封闭囊状结构。外 膜内 膜膜间腔（外腔）嵴基质腔（内腔）内含基质外 膜包围在线粒体外 表面的一层单位膜。 厚67nm，平整、光 滑。外 膜封闭结构使之 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。 内 膜厚约5nm，有高度的 选择通透性，借助载
3、体蛋 白控制内外物质的交换。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。嵴嵴的形态和排列方式主要有两种类型： 板层状（大多数高等动物细胞中大多数高等动物细胞中）小管状（原生动物和一些较低等原生动物和一些较低等动物细胞中动物细胞中）嵴：内膜向内室折叠形成，增加 了内膜的表面积。板层状嵴小管状嵴基粒（ATP合酶）：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。转位接触点（translocation contact site）在线粒体的内、外膜上存在的一些 内膜与外膜相互接触的地方，此处膜间 隙变狭窄，称为转位接触点。 内膜转位子（Tim） 通道
4、蛋白外膜转位子（Tom） 受体蛋白功能：蛋白质等物质进出线粒体的通道 。黑色箭头所指为转位接触点； 红色箭头所指为通过转位接触点转运的物质 嵴内腔基粒（ ATP酶）基质(内腔)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基质颗粒基质颗粒三羧酸循环的场所。 线粒体内 DNA、蛋白质合成的场所。三、 线粒体的化学组成蛋白质：占65% -70%，内膜含量较多。可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白；不溶性蛋白：构成膜的镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白。脂 类：占干重的25% -30%水、辅酶、维生素、金属离子等。线粒体中酶的分
5、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OO19631963年，在鸡卵母细胞中发现线粒体年，在鸡卵母细胞中发现线粒体DNADNA并分离到完整的线粒体并分离到完整的线粒体DNADNA（mtDNAmtDNA ）OO19811981年，年， 发表了完整的人发表了完整的人mtDNAmtDNA序列序列OO19871987年，年， 提出提出mtDNAmt
6、DNA突变可引起人类的突变可引起人类的疾病疾病OO迄今为止，已发现人类迄今为止，已发现人类100100余种疾病与余种疾病与线粒体线粒体DNADNA突变有关突变有关四、 线粒体的遗传体系人人mtDNAmtDNA是一个长为是一个长为16,569 bp16,569 bp的双链闭合环状分子的双链闭合环状分子mtDNA mtDNA的结构模式图的结构模式图（一）（一）mtDNAmtDNA的结构特点的结构特点OO双链闭环分子，外环为重双链闭环分子，外环为重(H)(H)链链 ，内环为轻，内环为轻(L)(L)链链OO无内含子、基因之间少有间隔无内含子、基因之间少有间隔OO无核苷酸结合蛋白，缺少组蛋白无核苷酸结合
7、蛋白，缺少组蛋白 的保护的保护OO无无DNADNA损伤修复系统损伤修复系统线粒体遗传病（二）（二）mtDNAmtDNA的遗传特征的遗传特征vv半自主性复制半自主性复制线粒体遗传病mtDNAmtDNA能独立复制、转录和翻译，能独立复制、转录和翻译， 但又受核但又受核DNADNA的影响。的影响。vvmtDNAmtDNA系母系遗传系母系遗传人类受精卵中的线粒体绝大部分人类受精卵中的线粒体绝大部分来自卵母细胞。来自卵母细胞。因此，线粒体病是从因此，线粒体病是从受累的女性传递下来。受累的女性传递下来。（三)线粒体蛋白质合成系统MtDNA RNA前体切割加工13种mt-mRNA22种mt-tRNA2种mt
8、-rRNA(12S,16S)转录1. 线粒体RNA转录呼吸链蛋白质的组成 2.特点：（与胞质蛋白质合成相比）1) 各种RNA是线粒体所独有的RNA聚合酶的抑制剂线粒体：菲啶溴红（E.B.） 类似原核细胞真核细胞：放线菌素D、a鹅膏覃碱2 ）核糖体对药物的敏感性不一样线粒体： 氯霉素、红霉素真核细胞胞质：放线菌酮3）转录、翻译在同 一时间和地点进行密码子线粒体密码通用遗传密码UGAAUAAGG色氨酸甲硫氨酸终止子终止子异亮氨酸精氨酸4）通用遗传密码与线粒体遗传密码的差别线 粒 体 遗 传 系 统 与 核 遗 传 系 统 的 相 互关系五、蛋白质穿膜进入线粒体线粒体中的蛋白线粒体中的蛋白质绝大多数
9、由绝大多数由 核基因编码，在细胞质中的游离核基因编码，在细胞质中的游离核 糖体合成，称合成，称前体蛋白，将定向转定向转 运至线粒体。运至线粒体。外膜内膜1、去折叠1. 1.去折叠去折叠2.2.穿线粒体膜穿线粒体膜3.3.重折叠重折叠？线粒体含有4个蛋白质输入 的亚区域：线粒体外膜、线粒体 内膜、膜间腔和基质。核基因编码的蛋白质在进入 线粒体的过程中，需要一类被称 为分子伴侣（molecular chaperon）的蛋白质的协助。蛋白质转运涉及的转位因子模式图 蛋白质转运涉及的转位因子 TOM复合体：通过外膜，进入膜间腔。 TIM复合体：进入基质(TIM23)或插入 内膜(TIM22) OXA复
10、合体：将线粒体合成的蛋白质和某些进入基质的蛋白质插到内膜上。(一) 蛋白质向线粒体基质中的转运 1.需要条件 基质导入序列（matrix-targeting sequence，MTS）。输入到线粒体的蛋白质在其N-端的 一段靶序列称为基质导入序列，线粒体 外膜和内膜上的受体能识别并结合各种 不同的但相关的MTS。 分子伴侣：协助蛋白质的输入。蛋白质向线粒体基质转运示意图2.蛋白质运送过程（1） 运送之前，蛋白质大多以前体形式存在 。 （2）蛋白质运送时经解折叠和重新折叠。折叠 解折叠 重新折叠（3）外膜有专一性不太强的受体参与作用。（4 4） 线粒体内外膜之间存在接触点，蛋白线粒体内外膜之间存
11、在接触点，蛋白质 通过此处的通过此处的TOMTOM和和TIMTIM复合体，进一步进入基复合体，进一步进入基 质。质。分子伴侣 分子伴侣(二) 蛋白质向线粒体其他部位的转运 1.蛋白质向线粒体膜间腔的转运 信号序列基质导入序列（MTS）：引导前体蛋白进入基质。 膜间腔导入序列（ISTS）：引导前体蛋白进入膜间腔。 转运方式蛋白进入基质，第2个信号序列ISTS引导 多肽链通过内膜上的通道进入膜间腔。 第2个信号序列ISTS起转移终止序列的作 用，阻止前体蛋白向基质转运，并固定 于内膜上，切去位于内膜上的ISTS部分 后，进入膜间腔。 通过直接扩散从胞浆经过外膜而进入膜 间腔。蛋白质向线粒体膜间腔转
12、运示意图2.蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运在外膜蛋白的转运中，类孔蛋白P70的研 究最多。在P70的MTS后有一段长的疏水序 列，也起转移终止序列的作用，而使之固 定于外膜上。内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚 。 蛋白质向线粒体内膜转运示意图六、 线粒体的增殖线粒体的增殖uu 细胞质中重新形成细胞质中重新形成uu 线粒体分裂线粒体分裂间壁分离 收缩分离 出芽分离间壁分离收缩分离出芽分离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
13、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。1. 线粒体分裂2. 狗心肌细胞线粒体3. 新生鼠肝细胞线粒体213七、线粒体的功能1. 氧化磷酸化营养物质在线粒体内氧化并与磷 酸化耦联生成ATP是线粒体的主要 功能。2. 摄取和释放Ca2+在摄取Ca2+和释放Ca2+中起着重要 的作用，线粒体和内质网一起共同 调节胞质中的Ca2+浓度，从而调节 细胞的生理活动。 3. 参与细胞死亡在某些情况下，线粒体是细胞 死亡的启动环节；而在另一些情况下 ，线粒体则是细胞死亡的一条“通路 ”。 ATP是生命活动的直 接供能者。 线粒体通过氧化磷酸化合
14、成生物体所需能量 (ATP)的90%以上 。n n生命活动需要能量生命活动需要能量 第二节 细胞呼吸与能量转换细胞呼吸（cellular respiration)在特定细胞器（主要是线粒体） 内， 依靠酶的催化，利用氧将细胞中 的供能物质氧化、分解，产生CO2；释 放出的能量储存于ATP的过程。此过程又称为细胞氧化（cellular oxidation)细胞呼吸的特点 由酶系所催化的氧化还原反应； 所产生的能量储存于ATP中； 反应过程分步进行，能量逐步释放 ； 在恒温(37)和恒压条件下进行的 反应过程中需要H2O的参与细胞呼吸时，释放的能量可通过ADP 的磷酸化而及时储存于ATP的高能磷
15、酸键中作为备用； 当细胞进行各种活动需要能量时， ATP又可去磷酸化，断裂一个高能磷 酸键以释放能量来满足机体需要。ATP中所携带的能量来源于糖、 氨基酸和脂肪酸等的氧化，这些物质 的氧化是能量转换的前提。 慢跑，细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能 量，同时产生二氧化碳和水。 快跑，细胞将葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳 。基本过程（葡萄糖为例） ：酵 解乙酰辅酶A的形成三羧酸循环电子传递偶联氧化磷酸化一、酵 解：2丙酮酸 + 2H+ + 2ATP+2NADH（C3H4O3)+2H2O葡萄糖 +2Pi+2ADP+2NAD+（C6H12O6）1.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。底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation）：由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP上，使ADP磷酸 化生成ATP的作用。 经糖酵解过程，通过底物水平磷酸 化，净生成2分子ATP。底物水平磷酸化2. NADH+H+通过穿梭机制进入线粒体苹果酸天冬氨酸穿梭二、乙酰辅酶A生成乙酰-CoA + 2NADH + 2H+ + CO2C3H4O3 +辅酶A(CoA) +2NAD+ 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形成三、三羧酸循环在线粒体基质中
