医学生物学_线粒体Mitochondrion

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1、 1.线粒体的形态结构 线粒体是能够在光学显微镜进行观察的显微 结构，它具有渗透性，在低渗溶液中会膨胀 ，而在高渗溶液中能够收缩。线粒体的形态（光镜）线粒体的数量线粒体的数量线粒体的数量因细胞类型不同而有很大差别：线粒体的数量因细胞类型不同而有很大差别：数百数百 数千个数千个3 3 10105 5万个万个( (有些卵母细胞有些卵母细胞) )1 1个个5050万个万个( (巨大变形虫巨大变形虫) )人肝细胞人肝细胞50010005001000个个( (正常正常) )同一种细胞中的线粒体数量也因生理状态同一种细胞中的线粒体数量也因生理状态( (如如需能程度需能程度) )不同而不同：不同而不同：数千

2、个数千个( (甲亢甲亢) )线粒体的分布线粒体的分布一般随机均匀分布一般随机均匀分布细胞内的细胞内的代谢和能量需求状态代谢和能量需求状态的不同也会使线粒体的不同也会使线粒体的的局部集中分布局部集中分布在代谢旺盛的需能部位比较集中在代谢旺盛的需能部位比较集中RERRERmtmtmtmt细胞活跃合成蛋白质时，细胞活跃合成蛋白质时， 线粒体在线粒体在RERRER处局部集中处局部集中骨骼肌骨骼肌心肌心肌精子鞭丝精子鞭丝线粒体线粒体形状：与细胞的形状：与细胞的营养状态有关营养状态有关线粒体线粒体大小：大小：细胞类型细胞类型和和生理状态生理状态 ( (渗透压渗透压, , 温度温度, pH), pH)一般一

3、般0.51.00.51.0 mm 2828 mm 多与细菌近似！多与细菌近似！ 10201020 mm巨大线粒体巨大线粒体( (人成纤维细胞人成纤维细胞: 40: 40 m)m)线粒体的超微结构线粒体的超微结构线粒体的三维结构：外膜、膜间隙、内膜和基质膜间隙基质细胞质溶质外膜膜间隙内膜基质嵴线粒体的三维结构图解线粒体的三维结构图解线粒体的超微结构线粒体的电镜照片肝细胞线粒体的超微结构肝细胞线粒体的超微结构线粒体超微结构的特 点1、外膜有孔蛋白，高透性 。 2、内膜高蛋白膜，低透性；内陷成嵴，有基粒。 3、膜间腔多种酶、底物、辅助因子。 4、基质mtDNA 、核糖体、 tRNA、多种酶系 。（一

4、）. 线粒体的结构 线粒体由内、外两层彼此平行和高度特化的膜包围而成，内外膜都 是典型的单位膜。线粒体外膜起界膜作用，线粒体内膜向内皱折形 成嵴，嵴上有一些颗粒朝向线粒体基质，这些颗粒称为F1颗粒，似 把手状。线粒体的外膜和内膜将线粒体分成两个不同的区室:一个 是膜间间隙，是两个膜之间的空隙;另一个是线粒体基质，它是由 内膜包裹的空间。1 1、线粒体外膜、线粒体外膜6nm6nm; ; 比较光滑比较光滑; ; 有有孔蛋白孔蛋白( (porinporin) ) 由孔蛋白单体形成的圆筒状孔道由孔蛋白单体形成的圆筒状孔道孔蛋白单体外膜1nm1nmNHNH2 2COOHCOOH(B)(B)(A)(A)2

5、 2、线粒体内膜、线粒体内膜厚厚68nm68nm；通透性很低通透性很低(0.110.15kDa(0.110.15kDa不带电荷的小分子不带电荷的小分子) )一些一些较大的分子较大的分子则必须经由专一的则必须经由专一的运载系统运载系统才能穿膜！才能穿膜！内膜表面不光滑：基粒内膜表面不光滑：基粒F F0 0F F1 1内膜内膜F F0 0F F1 1-ATP-ATP酶酶 ( (ATPATP合成酶合成酶) )*基粒ATP合成酶 （F1F0ATP酶），含多个亚基。头部F1因子。突出膜外合成ATP。基部F0因子。嵌入膜内质子通道。*电子传递链呼吸链 （ 2种）3. 3. 嵴嵴( (cristaecris

6、tae) ) ：扩大内膜面积，扩大内膜面积，增加了内膜的代谢效增加了内膜的代谢效率率嵴的数量与线粒体氧化活性的强弱程度有关嵴的数量与线粒体氧化活性的强弱程度有关！需需 能能 多多需需 能能 少少不同类型的细胞中不同类型的细胞中, , 嵴的嵴的形状形状与与排列方式排列方式也不同也不同: :多数多数高等动物细胞高等动物细胞中，嵴呈中，嵴呈板层状板层状, , 且多垂直于线粒体的且多垂直于线粒体的长轴；长轴；4 4、膜间隙、膜间隙无定形液体无定形液体可溶性酶类可溶性酶类 底物底物 辅助因子辅助因子外膜外膜 膜间隙膜间隙内膜内膜嵴嵴基质基质 内、外膜紧密接处内、外膜紧密接处 转位接触点转位接触点5 5、

7、线粒体基质、线粒体基质均均 质质 的的 胶状物质胶状物质蛋白质蛋白质三羧酸循环三羧酸循环的有关酶类的有关酶类 脂肪酸氧化脂肪酸氧化的有关酶类的有关酶类丙酮酸氧化丙酮酸氧化的有关酶类的有关酶类 脂类脂类有形成分有形成分丝状物质丝状物质( (环状环状DNADNA和和RNARNA) )核糖体核糖体 致密颗粒状物质致密颗粒状物质( (含含CaCa2+2+、MgMg2+2+或或ZnZn2+2+等等) ) （二）线粒体的化学组成（二）线粒体的化学组成蛋白质蛋白质6570%6570% 脂类脂类2530%2530% DNADNA和和遗传系统遗传系统多种辅酶多种辅酶 维生素维生素 无机离子无机离子线粒体线粒体蛋

8、白质：蛋白质：50%50%脂脂 类类：50%50%外膜外膜内膜内膜蛋白质：蛋白质：80%80%脂脂 类类：20%20%（三）线粒体的功能（三）线粒体的功能细胞氧化 细胞内葡萄糖、AA、脂肪酸等供能物质在 一系列酶的作用下，消耗O2，产生CO2 和H2O并释放能量 的过程，也称细胞呼吸。细胞呼吸的特点细胞呼吸：吸取O2 ，排出CO2 ，是细胞内提供生物能源的主 要途径。是一系列由酶系所催化的氧化还原反应。所产生的能量储存在ATP的高能磷酸键中去磷酸化A-PPP A-PP+Pi+1.72kJ磷酸化反映过程分步进行，能量逐步释放反映在恒温和恒压的条件下进行1.糖酵解* 反应地点细胞质 * 1分子葡萄

9、糖（6C） 2分子丙酮酸 （3C）。 *葡萄糖分解代谢的第一步，可产生少 量ATP。 *无需氧气，存在于所有细胞。糖酵解的地点与产物2.线粒体中乙酰CoA的生成 丙酮酸生成乙酰CoA 细胞质膜中由糖酵解生成的丙酮酸分子经过线粒体外膜 的孔蛋白进入线粒体膜间隙，然后在运输蛋白的作用下 穿过内膜进入线粒体基质。在基质中，丙酮酸被丙酮酸 脱氢酶氧化成乙酰辅酶A， 同时生成一分子NADH和一 分子CO2。 乙酰辅酶A是线粒体能量代谢的核心分子，无论是糖 还是脂肪酸作为能源，都要在线粒体中被转变成乙酰辅 酶A才能进入三羧酸循环彻底氧化。3.三羧酸循环乙酰CoA一旦形成，立即进入线粒体基 质的循环氧化途径

10、，即TCA循环。TCA循 环又称Krebs循环、柠檬酸循环。每循环一 次生成两分子的CO2、一分子GTP、四分 子的NADH(连同丙酮酸脱羧形成乙酰CoA 时产生的一分子NADH在内)和一分子的 FADH2，释放5对电子。4.氧化磷酸化偶联机制： 化学渗透假说基本思想：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，造成内膜 内外的一个H+梯度（严格地讲是离子的 电化学梯度），ATP合酶再利用这个电化 学梯度来合成ATP。这个学说要求：内膜对H+，OH-，及一 般的离子不通透，内膜上应该有氧化磷 酸化和三羧酸循环的底物的载体。构成呼吸链的3个复合物具有

11、质子泵功能 ，当H原子的高能电子在复合物间传递时，所 释放能量可驱动质子泵转运H+到膜间腔，形 成H+梯度。另一方面，泵出的H+ 总是有顺浓度返回 基质的倾向，当H+ 从基粒的质子通道回流时 ，释放的能量使 ADP + Pi ATP 。 化学渗透学说 解释电子传递如何偶联磷酸化 （四）线粒体半自主性半自主性指线粒体以mtDNA编码所需的部 分 mRNA、rRNA、tRNA，以自己的核糖体合 成一小部分所需蛋白。线粒体总蛋白90%以上由核DNA编码、胞质合成 。eg：线粒体DNA复制、转录、翻译过程中所需 的酶、核糖体蛋白 。线粒体的生长和增殖是受核基因组和线粒体基因线粒体的生长和增殖是受核基因

12、组和线粒体基因组两套遗传系统的共同控制组两套遗传系统的共同控制半自主性的细胞器半自主性的细胞器线粒体的半自主性图解线粒体的半自主性图解线粒体的生长与增殖所需要的大部分蛋白质是由核基因编码、在细胞质中合成的；仅有少部分蛋白质是由其自身基因编码、在线粒体内合成的1.线粒体DNA （mtDNA） mtDNA为双链环状。不同物种大小不同。 人mtDNA：双链环状，含16569 bp， 共 37个基因 （22种 tRNA基因、2种 rRNA基因、13种 mRNA基 因编码13种蛋白） mtDNA能自我复制（半保留，基质中）人的线粒体 DNA2.mt遗传系统与n遗传系统的关 系（五）线粒体与疾病（五）线粒

13、体与疾病疾病过程中的线粒体变化线粒体常作为细胞病变或损伤时最敏感的指标之一， 常为分子细胞病理学检查的重要依据 线粒体疾病（mitochondrial disorders）：以线粒体 结构和功能缺陷为主要疾病原因的疾病线粒体DNA是 裸露的，易发生突变且很少能修复线粒体遗传学的特点： 多质性：每个细胞中含有成百上千个mtDNA的拷贝 ，线粒体遗传学更偏向于群体方面的特性 异质性：mtDNA发生突变，造成在同一细胞或组织 中两种或多种mtDNA群体的共存 阈值效应：mtDNA性状的表达是由特定组织中野生 型与突变mtDNA的相对比例决定 不均等的有丝分裂分离：突变mtDNA分子在子代细 胞的分配

14、比例发生变化，表型也会发生相应改变 母系遗传：合子中几乎所有的mtDNA均来自卵子， 并随机地分配到子代细胞 高突变率：mtDNA的突变率比nDNA高1020倍 线粒体疾病的分类：生化分类： 底物转运缺陷底物利用缺陷Krebs循环缺陷电子传导缺陷氧化磷酸化偶联缺陷 遗传分类：核DNA（nDNA）缺陷mtDNA 缺陷nDNA和mtDNA联合缺陷主要的线粒体疾病线粒体疾病主要影响神经、肌肉系统，故亦称线粒 体脑肌病 mtDNA点突变引起的疾病Leber遗传性视神经病 mtDNA缺失、重复导致的疾病线粒体心肌病、帕金森病 mtDNA-nDNA突变交互作用引起的疾病线粒体功能障碍 mtDNA与癌的发生

15、 mtDNA整合到核基因组中 部分致病突变在人线 粒体基因组中的定位(a)外侧所示为人mtDNA的编码 产物: 编码复合物43个亚基中 的7个(ND1,2,3,4,4L,5和6); 编 码复合物复合物11个亚基中的细胞 色素b); 编码复合物13个亚基 中的3个(COI, II,III); 编码 ATPase复合物16个亚基中的2 个(6, 8); 编码大小rRNA(16S, 12S rRNA); 编码22种tRNA(白 线区, 其旁的英文字母代表同族 氨基酸)。(b) 内侧示人mtDNA 中的致病点突变, 用疾病的首字 缩写和核苷酸的位置来表示。( 自Wallace, 1999)临床四大班五小班