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1、7. 线粒体与过氧化物酶体7.1 线粒体的形态结构7.1.1 线粒体的发现与功能研究7.1.2 线粒体的形态结构7.2 线粒体的结构与化学组成7.2.1 线粒体的结构7.2.2 线粒体膜通透性7.2.3 线粒体各部分的化学组成和特性7.2.4 线粒体内膜的主动运输系统7.3 导向信号与线粒体蛋白定位7.3.1 蛋白质寻靶和蛋白质分选7.3.2 线粒体蛋白转运7.3.3 线粒体蛋白转运的实验研究7.4 线粒体的功能-氧化磷酸化作用7.4.1 真核细胞中的氧化作用7.4.2 呼吸链与电子传递7.4.3 氧化磷酸化:ATP形成机制7.5 线粒体的遗传、增殖和起源7.5.1 线粒体遗传7.5.2 线粒
2、体的增殖与起源7.6 过氧化物酶体7.6.1 过氧化物酶体的发现及所含酶类7.6.2 过氧化物酶体的功能7.6.3 过氧化物酶体生物发生学习指导录像7. 线粒体与过氧化物酶体 细胞的生存需要两个基本的要素构成细胞结构的化学元件和能量。生物从食物中获取能量，根据对氧的需要情况分为两种类型厌氧的，即不需要氧；好氧的，即需要氧的参与。在真核生物中，需氧的能量转化过程与线粒体有关，并且伴随着一系列的化学反应；而在原核生物中，能量转化与细胞质膜相关。线粒体(mitochondrion)是1850年发现的一种细胞器，1898年命名。是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所(图7-1)。过氧化物酶体是细胞内
3、另一个需要氧的细胞器，不过过氧化物酶体需要氧不是用于ATP的合成而是用于有毒物质的氧化，对线粒体具有氧调节作用。图7-1 线粒体结构及功能示意图7.1 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。7.1.1 线粒体的发现与功能研究人们对线粒体的研究有一个多世纪的历史。 1850年，德国生物学家Rudolph Klliker第一个发现线粒体， 并推测这种颗粒是由半透性的膜包被的。 1898年对线粒体进行命名。 1900年，Leonor Michaelis用染料Janus green对肝细胞进行染色，发现细胞消耗氧之后，线粒
4、体的颜色逐渐消失了，从而提示线粒体具有氧化还原反应的作用。后又经过几十年的研究, 逐步证明了线粒体具有Krebs循环、电子传递、氧化磷酸化的作用,从而证明了线粒体是真核生物进行能量转换的主要部位。从线粒体的发现和功能鉴定的简史，你有何体会?7.1.2 线粒体的形态结构 线粒体的形态和分布 大小: 线粒体的形状多种多样， 一般呈线状(图7-2)，也有粒状或短线状。图7-2 电子显微镜观察的蝙蝠胰腺细胞线粒体 数量:在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大， 但在同一类型的细胞中数目相对稳定。有些细胞中只有一个线粒体，有些则有几十、几百、甚至几千个线粒体。 分布在多数细胞中，线粒体均匀分布在整个细胞
5、质中，但在某些些细胞中，线粒体的分布是不均一的。线粒体较多分布在需要ATP的部位(如肌细胞和精细胞， 图7-3);或较为集中分布在有较多氧化反应底物的区域，如脂肪滴(图7-4)，因为脂肪滴中有许多要被氧化的脂肪。 图 7-3 肌细胞和精子的尾部聚集较多的线粒体， 以提供能量图7-4 线粒体包围着脂肪滴，内有大量要被氧化的脂肪 存在方式线粒体在细胞中并非都是单个存在的，有时可形成由几个线粒体构成的网络结构，有些线粒体具有分支,可以相互交错在一起。如通过相差显微镜检查完整的肝细胞,发现线粒体并非是单个存在的,而是以交织的网络状态存在(图7-5)。图7-5 细胞中线粒体分支交织连接而成的网状二维结构
6、7.2 线粒体的结构与化学组成7.2.1 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(outer membrane)起界膜作用，线粒体内膜(inner membrane)向内皱折形成嵴(cristae)，嵴上有一些颗粒朝向线粒体基质，这些颗粒称为F1颗粒(F1 particle)，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(intermembrane space)，是两个膜之间的空隙;另一个是线粒体基质(matrix)，它是由内膜包裹的空间(图7-6)。图7-6 线粒体结构模式图7.2.2 线粒体膜通透性很早就
7、认识到线粒体的膜具有半透性，通过对半透性的研究导致线粒体各组分分离方法的建立。 线粒体通透性研究将线粒体放在100 mM蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线粒体的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线粒体内部蔗糖的平均浓度，结果只有50 mM， 比环境中蔗糖的浓度低。据此推测:线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内膜对蔗糖是不通透的(图7-7)。图7-7 线粒体通透性测定左:将线粒体置于含有100 mM的蔗糖溶液中; 中:蔗糖穿过线粒体外膜，达到平衡;右:将线粒体从蔗糖溶液中取出，测定线粒体中蔗糖的浓度。如果测得线粒体的蔗糖平均浓度是50 mM，就可以推测:100mM的蔗糖仅仅穿过了线粒体外膜，而线粒体中有一半流
8、动的液体在线粒体基质，由于内膜对蔗糖不通透，所以测得的线粒体平均浓度只有50 mM。 线粒体各组分的分离由于线粒体外膜的通透性比内膜高，利用这一性质，Donal Parsons 和他的同事最先建立了分离线粒体内膜、外膜及其他组分的方法(图7-8)，图7-8 线粒体组分的分离首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒体质)仍结合在一起，通过离心可将线粒体质分离。用去垢剂毛地黄皂苷处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有F1颗粒。请根据线粒体外膜比内膜通透性高这一行特性，设计分离线粒体各组份的方法7.2.3 线粒体各部分的化学组成和特
9、性 线粒体的化学组成经过对线粒体各结构组分的生化分析， 线粒体的化学组分主要是由蛋白质、脂类、水份等组成。 蛋白质 占线粒体干重的6570%。线粒体的蛋白质分为可溶性和不溶性的。可溶性的蛋白质主要是基质的酶和膜的外周蛋白；不溶性的蛋白质构成膜的本体，其中一部分是镶嵌蛋白， 也有一些是酶蛋白。 脂类 线粒体的脂类只占干重的2030%。在线粒体的脂类中多数是磷脂， 占总脂的3/4以上。含丰富的心磷脂和较少的胆固醇是线粒体在组成上与细胞其他膜结构的明显差别。线粒体内、外膜在化学组成上的主要区别是脂类和蛋白质的比例不同， 内膜上的脂类与蛋白质的比值低(0.3:1)， 外膜中的比值较高(接近1:1)。
10、线粒体各部分的特性和功能 蛋白分布: 线粒体由四个部分组成，在能量转换过程中分别起不同的作用。各部分功能的差异主要是化学组成的差异，特别是蛋白和酶分布的差异(表7-1)。 表7-1 线粒体各部分蛋白的分布外膜膜间隙内膜基质细胞色素b5腺苷酸激酶NADH脱氢酶丙酮酸脱氢酶NADH-细胞色素还原酶核苷琥珀酸脱氢酶细胞色素氧化酶 脂肪酸氧化酶Krebs循环酶系 单胺氧化酶二磷酸激酶细胞色素CDNA聚合酶脂酰辅酶A合酶磷酸甘油酰基转移酶 核苷二磷酸激酶 单磷酸激酶ATP合成酶(F0 F1 复合物) 运输蛋白 RNA聚合酶核糖体 转移RNAs 孔蛋白膜脂含量磷脂/蛋白=0.9心磷脂/磷脂=0.03膜脂含
11、量磷脂/蛋白=0.3 心磷脂/磷脂=0.22 醌 功能由于线粒体各部分结构的化学组成和性质的不同，它们的功能各异(表7-2)。表7-2 线粒体各部分的功能 部位功能外膜磷脂的合成;脂肪酸链去饱和;脂肪酸链延伸内膜电子传递，氧化磷酸化，代谢物质运输膜间隙核苷的磷酸化基质丙酮酸氧化，TCA循环，脂肪的氧化，DNA复制，RNA合成，蛋白质合成 标志酶通过细胞化学分析， 线粒体各部位有特征性的酶， 称为标志酶:外膜: 单胺氧化酶内膜: 细胞色素氧化酶膜间隙: 腺苷酸激酶基质: 苹果酸脱氢酶 外膜 线粒体外膜是最外的一层全封闭的单位膜结构，是线粒体的界膜，厚67nm, 平整光滑。外膜含有孔蛋白,所以外膜
12、的通透性非常高,使得膜间隙中的环境几乎与胞质溶胶相似。外膜含有一些特殊的酶类，如单胺氧化酶(monoamine oxidase),这种酶能够终止胺神经递质,如降肾上腺素和多巴胺的作用。线粒体外膜的通透性差,又没有电子传递装置, 所以没有什么作用, 此说正确码? 内膜 位于外膜的内侧包裹线粒体基质的一层单位膜结构， 厚56nm。内膜的通透性较低，一般不允许离子和大多数带电的小分子通过。线粒体内膜通常要向基质折褶形成嵴(cristae)， 其上有ATP合酶(ATP synthase)，又叫F0 F1 ATP酶复合体， 是一个多组分的复合物。内膜的酶类可以粗略地分为三类运输酶类、合成酶类、电子传递和
13、ATP合成酶类。内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的主要部位。在电子传递和氧化磷酸化过程中，线粒体将氧化过程中释放出来的能量转变成ATP。 膜间隙 线粒体内膜和外膜之间的间隙称为膜间隙， 宽68 nm，由于外膜通透性很强，而内膜的通透性又很低，所以膜间隙中的化学成分很多，几乎接近胞质溶胶。功能是建立和维持氢质子梯度。 线粒体基质 内膜和嵴包围着的线粒体内部空间是线粒体基质，与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解等有关的酶都存在于基质之中；此外还含有DNA、tRNAs、rRNA、以及线粒体基因表达的各种酶和核糖体。比较线粒体外膜、内膜、膜间隙和基质的化学特性和功能的主要差别7.2.4 线粒体内膜
14、的主动运输系统由于线粒体对于大多数亲水物质的透性极低，所以它必须具备特殊的主动运输系统，完成下列运输作用:糖酵解产生的NADH必须进入电子传递链参与有氧氧化；线粒体产生的代谢物质如草酰辅酶A和乙酰辅酶A必须运输到细胞质中，它们分别是细胞质中葡萄糖和脂肪酸的前体物质;线粒体产生的ATP必须进入到胞质溶胶，以便供给细胞反应所需的能量，同时，ATP水解形成的ADP和Pi又要被运入线粒体作为氧化磷酸化的底物。 丙酮酸、脂肪酸、Pi等的运输在线粒体内膜上具有完善的运输系统,主要是运输蛋白和一些起促进运输作用的脂类(如心磷脂)。运输系统也包括参与电子传递和氢质子传递的复合物,内膜上有运输丙酮酸、脂肪酸和特
15、殊氨基酸的运输蛋白,其中某些运输蛋白(包括同向和逆向)的运输作用是靠质子梯度驱动的(图7-9)。图7-9 线粒体内膜中的运输系统线粒体内膜的通透性极低， 它是如何进行物质运输的? 线粒体对细胞内Ca2+的调节线粒体、内质网和细胞外基质都是Ca2+的储藏地，在内质网、肌质网和细胞质膜上都有Ca2+泵的存在。线粒体内膜上有两种类型的Ca2+运输系统，能够将Ca2+输入到线粒体基质中，或将Ca2+从线粒体基质运输到膜间隙(图7-10)。图7-10 线粒体的两种Ca2+离子运输系统系统1是由膜动力势引起的Ca2+离子流向线粒体基质;系统2是通过与Na+离子的交换将Ca2+离子输出到胞质溶胶。 线粒体内膜是如何进行Ca2+
