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1、Mitochondrion中南大学生物科学与技术学院细胞生物学系文斗斗线粒体线粒体1890年年Altmann生命小体生命小体 (bioblast)1897年年Benda线粒体线粒体 (mitochondria)1900年年Michaelis氧化还原反应的场所氧化还原反应的场所1913年年Engelhardt磷酸化和氧的消耗偶联在一起磷酸化和氧的消耗偶联在一起20世纪世纪初初50年代年代揭示了线粒体的揭示了线粒体的超微结构与功能之间的关系。超微结构与功能之间的关系。1963年年 在鸡卵母细胞中发现线粒体在鸡卵母细胞中发现线粒体DNA并分离并分离到完整的到完整的线粒体线粒体DNA（mtDNA）19
2、81年年 发表了完整的人发表了完整的人mtDNA序列序列1987年年 提出提出mtDNA突变可引起人类的疾病突变可引起人类的疾病 第一节第一节 线粒体的形态结构线粒体的形态结构一一. 形态、大小、数目和分布形态、大小、数目和分布多形性：线状、颗粒状、环形、哑铃型等多形性：线状、颗粒状、环形、哑铃型等线粒体线粒体细胞核细胞核核仁核仁1. 形态形态 在一定条件下，同一种细胞线粒体在一定条件下，同一种细胞线粒体形态是可逆的。如细胞处于形态是可逆的。如细胞处于低渗低渗时，线时，线粒体膨胀呈粒体膨胀呈泡状泡状；而处于；而处于高渗高渗环境下，环境下，线粒体则伸长呈线粒体则伸长呈线状线状。可逆性可逆性 2.
3、 2. 大小大小 细胞中较大的细胞器，细胞中较大的细胞器，与细胞种类、与细胞种类、生理状况有关，生理状况有关，一般直径：一般直径： 0.5-1.0 m；长度：；长度： 1.5-3.0 m。骨骼肌细胞骨骼肌细胞810 m胰腺外分泌细胰腺外分泌细胞胞1020 m成纤维细胞成纤维细胞40 m不同类型细胞中差异较大不同类型细胞中差异较大3.3.数目数目与生理状态有关与生理状态有关有细胞不含线粒体？有细胞不含线粒体？4. 分布二二. .线粒体的超微结构线粒体的超微结构嵴嵴内膜内膜ATP合成酶颗粒合成酶颗粒核糖体核糖体基质基质膜间腔膜间腔(外室外室)外膜外膜包围在线粒体外表面的一层单位膜。厚包围在线粒体外
4、表面的一层单位膜。厚6-7nm，平整、伸展、光滑。平整、伸展、光滑。外膜外膜外膜外膜高度的选择通透性，高度的选择通透性，借助载体蛋白控制内借助载体蛋白控制内外物质的交换。外物质的交换。褶皱向内突起形成褶皱向内突起形成嵴嵴内膜内膜嵴嵴厚约厚约6 nm内膜内膜 主要有两种类型：主要有两种类型： 板层状板层状（胰腺细胞和肾小管上皮细胞（胰腺细胞和肾小管上皮细胞 ） 小管状（小管状（肾上腺皮质细胞肾上腺皮质细胞 ）嵴：内膜向内室折叠形成，可增加内膜的嵴：内膜向内室折叠形成，可增加内膜的表面积。表面积。嵴与基粒嵴与基粒线粒体中形态变化最大的结构线粒体中形态变化最大的结构线粒体嵴的数目线粒体嵴的数目与细胞
5、本身的生理活动有关与细胞本身的生理活动有关内膜内膜嵴嵴 基粒基粒 （ATP酶复合体）酶复合体）基粒（基粒（ATPATP酶复合体）酶复合体） 9nm ATP酶复合体抑制酶复合体抑制多肽多肽 10ku（调节酶（调节酶活性）活性）对寡酶素敏感蛋白对寡酶素敏感蛋白（OSCP) 18 ku疏水蛋白疏水蛋白（HP F0 ) 70 ku头部头部: 合成合成ATP: 调节质子通道调节质子通道柄部柄部：质子的通道质子的通道基片基片可溶性的可溶性的ATP酶酶（F1) 360ku膜间隙膜间隙嵴间腔嵴间腔嵴内腔嵴内腔嵴嵴 基粒基粒（ATP酶）酶）基质基质脂类、蛋白质、酶类脂类、蛋白质、酶类mt DNA线粒体线粒体DN
6、A线粒体合成用线粒体合成用 mRNA、 tRNA、核糖体核糖体线粒体核糖体线粒体核糖体基质颗粒基质颗粒基质颗粒基质颗粒第二节第二节 线粒体线粒体化学组成与酶的定位化学组成与酶的定位一一. 线粒体的化学组成线粒体的化学组成占干重的占干重的65% -70%，内膜及基质较多，内膜及基质较多可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白；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、结构蛋白不溶性蛋白：构成膜的镶嵌蛋白、结构蛋白 和部分酶蛋白。和部分酶蛋白。1.蛋白质蛋白质2. 脂类脂类内膜内膜外膜外膜磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱低低高高胆固醇胆固醇低低高高心磷脂心磷脂高高低低磷质磷质/ /蛋白质
7、蛋白质0.270.270.820.823. 其他辅酶、维生素、金属离子等辅酶、维生素、金属离子等二二 . . 线粒体中酶的分布线粒体中酶的分布 线粒体主要酶的分布线粒体主要酶的分布部部 位位外外 膜膜脂类代谢有关的酶脂类代谢有关的酶特征酶：单胺氧化酶特征酶：单胺氧化酶膜间膜间腔腔腺苷酸激酶、核苷酸激酶腺苷酸激酶、核苷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶内内 膜膜呼吸链氧化反应的酶系、呼吸链氧化反应的酶系、 ATP合成酶系合成酶系特征酶：细胞色素（特征酶：细胞色素（c）氧化酶氧化酶基基 质质三羧酸循环反应、丙酮酸与脂肪酸氧化的酶系三羧酸循环反应、丙酮酸与脂肪酸氧化的酶系 、蛋白质和核酸合成
8、酶系蛋白质和核酸合成酶系特征酶：苹果酸脱氢酶特征酶：苹果酸脱氢酶 第三节第三节 线粒体的功能线粒体的功能氧化磷酸化，合成氧化磷酸化，合成ATPATP，为细胞生命活动提，为细胞生命活动提供直接能量是线粒体的主要功能供直接能量是线粒体的主要功能与氧自由基生成、程序性死亡、信号转导、与氧自由基生成、程序性死亡、信号转导、离子跨膜转运以及电解质稳态平衡的调控离子跨膜转运以及电解质稳态平衡的调控等有关等有关 依靠酶的催化，利用依靠酶的催化，利用氧氧将细胞中将细胞中的供能物质的供能物质氧化氧化、分解分解、释放能量，、释放能量，并排出并排出CO2和和H2O的过程。由于这一的过程。由于这一过程在细胞内进行，所
9、以又称为细胞过程在细胞内进行，所以又称为细胞呼吸（呼吸（cellular respiration)。细胞氧化细胞氧化（cellular oxidation)酵解酵解乙酰辅酶乙酰辅酶A形成形成三三羧酸循环羧酸循环电子传递偶联电子传递偶联氧化磷酸化氧化磷酸化细胞氧化的主要步骤细胞氧化的主要步骤酵酵 解解2丙酮酸丙酮酸（C3H4O3 ）+ 2H2O 葡萄糖葡萄糖 （C6H12O6） 特点：特点： （1） 不需氧，细胞质基质中进行不需氧，细胞质基质中进行 （2）净生成）净生成2个个ATP，能量储藏在丙酮酸中能量储藏在丙酮酸中2NAD+2NADH + 2H+2ADP + 2Pi2ATP乙酰辅酶乙酰辅酶A
10、 A生成生成乙酰乙酰-CoA + CO2C3H4O3 +辅酶辅酶A(CoA)特点特点：（1） 线粒体基质中进行线粒体基质中进行（2） 3C的的丙酮酸变成活泼的丙酮酸变成活泼的2C乙酰辅酶乙酰辅酶A（3） 无无ATP形成形成2NAD+2NADH + 2H+葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸NADNADH2CO2乙乙 酸酸CoA乙酰乙酰CoA草酰乙酸草酰乙酸三羧酸循环三羧酸循环（柠檬酸循环（柠檬酸循环）柠檬酸柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸异柠檬酸异柠檬酸NADCO2 -酮戊二酮戊二酸酸NADCO2琥珀酸琥珀酸FADFADH+H+延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸NAD1231三羧酸循环三羧酸循环NADH+H+NADH+H
11、+NADH+H+三三羧酸循环羧酸循环乙酰辅酶乙酰辅酶A+草酰乙酸草酰乙酸 （2C） （4C）柠檬酸（柠檬酸（6C） 3对对NAD为氢受体为氢受体四对氢原子四对氢原子 （NAD+ NADH） 1对对FAD为氢受体为氢受体 （FAD FADH2） 2个个CO2特点：特点：（1） 反应在线粒体基质中进行反应在线粒体基质中进行（2） 7次连续反应为一次循环次连续反应为一次循环（3） 生成一分子生成一分子GTP7个个连连续续反反应应电子传递偶联氧化磷酸化电子传递偶联氧化磷酸化 将物质氧化过程中脱下的氢原将物质氧化过程中脱下的氢原子，通过子，通过线粒体内膜上一系列呼吸线粒体内膜上一系列呼吸链酶系的逐级传递
12、链酶系的逐级传递，最后与氧结合，最后与氧结合成水。电子传递过程中释放的能量成水。电子传递过程中释放的能量用于用于ADP磷酸化为磷酸化为ATP。一、氧化磷酸化的分子基础一、氧化磷酸化的分子基础1. 电子传递链电子传递链NADH-CoQ还还原酶原酶琥珀酸琥珀酸-CoQ还还原酶原酶细胞色细胞色素素c及其及其氧化酶氧化酶两条呼吸链：两条呼吸链：NADH呼吸链和呼吸链和FADH2呼吸链呼吸链CoQ细细胞色素胞色素c还原酶还原酶(Fe-S)FMNbc1(FeS)a-Cua3-Cu电子传递链特点电子传递链特点（1） 除辅酶除辅酶Q和细胞色素和细胞色素C外，呼吸链组分均外，呼吸链组分均以酶复合体嵌入在线粒体内
13、膜上。包括复以酶复合体嵌入在线粒体内膜上。包括复 合体合体 I、II、III、IV 。（3） 有一定的顺序和方向，按氧化还原电势递有一定的顺序和方向，按氧化还原电势递 增的方向传递增的方向传递(NAD+/NADH最低，最低，O2/H2O最高最高)（4） 能量逐渐释放。能量逐渐释放。（2）电子传递链各组分在膜上不对称分布电子传递链各组分在膜上不对称分布2. ATP合成酶合成酶二、氧化磷酸化的偶联机制二、氧化磷酸化的偶联机制1. 质子动力势形成：电子传递形成质子动力势形成：电子传递形成H+浓度差浓度差质子动力势形成：电子传递形成质子动力势形成：电子传递形成膜电位膜电位2. 2. 质子动力势驱动质子
14、动力势驱动ATPATP形成形成3. 质子动力势的其他功能质子动力势的其他功能4.一分子葡萄糖产生一分子葡萄糖产生ATP的的统计统计: 底物水平的磷酸化底物水平的磷酸化 4ATP(4ATP(细胞质细胞质) ) 已糖分子活化消耗已糖分子活化消耗 -2ATP(-2ATP(细胞质细胞质) ) 产生产生2NADH 4ATP(3-2NADH 4ATP(3-磷酸甘油磷酸甘油) ) 6ATP( 6ATP(苹果酸苹果酸) )净累积净累积: 6: 6或或8ATP8ATP糖糖酵解酵解 产生产生2NADH(2NADH(线粒体线粒体) 6ATP) 6ATP柠檬酸循环柠檬酸循环: : 底物水平磷酸化底物水平磷酸化( (线
15、粒体线粒体) 2ATP ) 2ATP 产生产生6NADH(6NADH(线粒体线粒体) 18ATP ) 18ATP 产生产生2FADH2FADH2 2( (线粒体线粒体) 4ATP ) 4ATP 总计生成总计生成 3636或或38ATP38ATP丙酮酸氧化脱羧丙酮酸氧化脱羧: :第四节第四节 线粒体的半自主性线粒体的半自主性半自主性细胞器概念半自主性细胞器概念 线粒体有自己的遗传系统和蛋白质合成体线粒体有自己的遗传系统和蛋白质合成体系。但线粒体系。但线粒体DNA只编码少量线粒体蛋白质，只编码少量线粒体蛋白质，大多数蛋白质是由核大多数蛋白质是由核DNA编码，线粒体基因编码，线粒体基因的复制与表达所
16、需的许多酶，又是由核的复制与表达所需的许多酶，又是由核DNA所提供，所以线粒体是一个半自主性的细胞器。所提供，所以线粒体是一个半自主性的细胞器。 一、一、mtDNA的结构特点的结构特点动动物物细细胞胞核核外外唯唯一一含含有有DNA的细胞器的细胞器双链闭环分子，外环双链闭环分子，外环为重为重(H)链，内环为链，内环为轻轻(L)链链编码编码13种蛋白质、种蛋白质、22种种tRNA和和2种种rRNA线粒体遗传病mtDNA的结构特点的结构特点线粒体遗传病无内含子、基因之间少有无内含子、基因之间少有间隔间隔无核苷酸结合蛋白，缺少无核苷酸结合蛋白，缺少组蛋白的保护组蛋白的保护无无DNA损伤修复系统损伤修复
17、系统mtDNA易于突变易于突变mtDNA半自主性复制半自主性复制附着在线粒体内膜上并以此为复制附着在线粒体内膜上并以此为复制起点起点不局限于不局限于S S期，贯穿细胞整个周期期，贯穿细胞整个周期mtDNAmtDNA聚合酶由核聚合酶由核DNADNA编码编码二、线粒体蛋白质合成系统二、线粒体蛋白质合成系统 mtDNA RNA前体前体切割加工切割加工13种种mt-mRNA22种种mt-tRNA2种种mt-rRNA(12S,16S)转录转录 蛋白质生物合成所必须的各种蛋白质生物合成所必须的各种RNARNA都是都是线粒体所特有的线粒体所特有的线粒体：菲啶溴红（线粒体：菲啶溴红（E.B.） 真核细胞：放线
18、菌素真核细胞：放线菌素D -鹅膏覃碱鹅膏覃碱( -amanitine)1. RNA聚合酶聚合酶2.2.核糖体核糖体比胞质核糖体小比胞质核糖体小动物线粒体：动物线粒体：5060S胞质线粒体：胞质线粒体：80S线粒体：线粒体： 氯霉素、红霉素氯霉素、红霉素真核细胞胞质：放线菌酮真核细胞胞质：放线菌酮对药物的敏感性不一样对药物的敏感性不一样(3) 遗传密码与通用密码有差异遗传密码与通用密码有差异 （2） 起始起始tRNA不同不同 线粒体：线粒体：N甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰tRNA 真核细胞胞质：甲硫氨酰真核细胞胞质：甲硫氨酰tRNA （1） 转录翻译时间地点转录翻译时间地点3. 蛋白质合成过程蛋白质
19、合成过程通用遗传密码与通用遗传密码与线粒体遗传密码的差别线粒体遗传密码的差别密码子密码子酵母酵母线粒体编码线粒体编码哺乳动物哺乳动物线粒体编码线粒体编码通用通用遗传密码遗传密码UGA色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸终止子终止子AUG蛋氨酸蛋氨酸蛋氨酸蛋氨酸异亮氨酸异亮氨酸CUA苏氨酸苏氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸AGG精氨酸精氨酸终止子终止子精氨酸精氨酸三、线粒体遗传系统与细胞核遗传三、线粒体遗传系统与细胞核遗传系统的相互关系系统的相互关系 第第 五五 节节 线粒体蛋白质穿膜进入线粒体线粒体蛋白质穿膜进入线粒体二二. .导肽的性质导肽的性质N末端引伸出的一段含末端引伸出的一段含2080个氨基酸的肽链。
20、个氨基酸的肽链。 1.含有较多带正电荷的碱性氨基酸（特别是精氨含有较多带正电荷的碱性氨基酸（特别是精氨 酸、赖氨酸）。酸、赖氨酸）。2.缺少或不含带负电荷的酸性氨基酸。缺少或不含带负电荷的酸性氨基酸。3.含丰富的羟基氨基酸（特别是丝氨酸）。含丰富的羟基氨基酸（特别是丝氨酸）。4.能形成两性分子的能形成两性分子的 螺旋结构。使导肽加强螺旋结构。使导肽加强 与膜的相互作用，有利于穿膜。与膜的相互作用，有利于穿膜。蛋白质运送过程的特性蛋白质运送过程的特性1. 运送之前，蛋白质大多以前体形式存在。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。蛋白质运送时经解折叠和重新折叠。
21、折叠折叠解折叠解折叠重新折叠重新折叠3. 外膜有专一性不太强的受体参与作用。外膜有专一性不太强的受体参与作用。4. 由内膜进入基质是一种需能的过程。由内膜进入基质是一种需能的过程。5.内、外膜之间存在接触点，供蛋白质进内、外膜之间存在接触点，供蛋白质进6. 一步插入到基质中。一步插入到基质中。分子伴侣分子伴侣分子伴侣分子伴侣三三.导肽在线粒体穿膜的作用导肽在线粒体穿膜的作用导肽只决定穿越线粒体，而对导肽只决定穿越线粒体，而对被运输的蛋白质无特异性。被运输的蛋白质无特异性。酵母：酵母：（线粒体）线粒体）细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶IV导肽基因（导肽基因（CoxIV基因）基因）小鼠：（细胞质）小鼠
22、：（细胞质）二氢叶酸还原酶二氢叶酸还原酶基因（基因（ DHFR基因）基因）融合基因融合基因融合融合酵母中表达酵母中表达酵母线粒体基质中发现酵母线粒体基质中发现DHFR蛋白质蛋白质杂合蛋白（连有杂合蛋白（连有CoxIV导肽的导肽的DHFR）导肽对线粒体蛋白质具有分选转运的作用第六节第六节 线粒体的生物发生线粒体的生物发生一、一、 线粒体的增殖线粒体的增殖(一一) 关于增殖的两种观点：关于增殖的两种观点：1. 在胞质中重新形成在胞质中重新形成 ？2. 由原来的线粒体分裂或出芽而由原来的线粒体分裂或出芽而产生？产生？间壁分离间壁分离收缩分离收缩分离出芽分离出芽分离（二）分裂方式（二）分裂方式1.线粒
23、体分裂线粒体分裂2.狗心肌细胞线粒体狗心肌细胞线粒体3.新生鼠肝细胞线粒体新生鼠肝细胞线粒体213二二. .线粒体的起源线粒体的起源1.1.内共生假说内共生假说2.2.非共生假说非共生假说内共生假说内共生假说 起源于古老厌氧真核细胞共生的需氧细起源于古老厌氧真核细胞共生的需氧细菌在长期进化过程中，两者共生联系紧密，共菌在长期进化过程中，两者共生联系紧密，共生细菌的大部分遗传信息转移到细胞核上，留生细菌的大部分遗传信息转移到细胞核上，留在线粒体内的遗传信息减少。在线粒体内的遗传信息减少。 endosymbiosis hypothesis内共生假说的依据内共生假说的依据基因组在大小、形态和结构方面
24、与细菌相似基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似u核糖体为核糖体为70S70S与细菌相同，而真核细胞为与细菌相同，而真核细胞为80S80S两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似。内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似。有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质，蛋白质合成机制有很多类似细菌而不蛋白质，蛋白质合成机制有很多类似细菌而不同于真核生物。同于真核生物。内共生假说的依据内共生假说的依据线粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌。能在异源细胞内长期生存，说明线粒体具有的自主性与
25、共生性的特征。以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同疑点疑点1.1.不能解释在代谢上占优势的共生不能解释在代谢上占优势的共生体反而将大量的遗传信息转移到宿体反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞中。主细胞中。2.2.线粒体细胞色素线粒体细胞色素C C与细菌的氨基与细菌的氨基 酸排列顺序差异很大。酸排列顺序差异很大。 2 非共生假说非共生假说依据依据1.细菌的中膜体与线粒体相似，均为凹细菌的中膜体与线粒体相似，均为凹陷的细胞膜，中膜体含有细胞的呼吸酶陷的细胞膜，中膜体含有细胞的呼吸酶系，有类似于线粒体的功能。系，有类似于线粒体的功能。2.质粒与线粒体质粒与线粒体DNA在结构、复制方式、在结构、复
26、制方式、对药物的敏感性等方面，有相似之处对药物的敏感性等方面，有相似之处 。不足之处不足之处1.1.证据不多证据不多2.2.无法解释线粒体、叶绿体与细菌在无法解释线粒体、叶绿体与细菌在DNADNA分子结构和蛋白质合成性能上的相似之处分子结构和蛋白质合成性能上的相似之处第七节第七节 线粒体与医学线粒体与医学一、线粒体与疾病线粒体缺少某线粒体缺少某些酶，氧化磷些酶，氧化磷酸化、呼吸链酸化、呼吸链障碍障碍1. 线粒体肌病（遗传病）线粒体肌病（遗传病）线粒体遗传病的特点线粒体遗传病的特点克山病-地方性心脏病肿 瘤二、线粒体与衰老三、线粒体与疾病治疗成成 分分 应应 用用细胞色素细胞色素C 缺氧急救和辅助药。如缺氧急救和辅助药。如CO中毒、中毒、 新生儿窒息、高山缺氧、肺功新生儿窒息、高山缺氧、肺功 能不全能不全辅酶辅酶Q 治疗肌肉萎缩症、牙周病、高治疗肌肉萎缩症、牙周病、高 血压、肿瘤；急性黄疸肝炎辅血压、肿瘤；急性黄疸肝炎辅 助药助药辅酶辅酶I（NAD+） 治疗进行性肌肉萎缩症、肝病治疗进行性肌肉萎缩症、肝病总 结 谢谢 谢谢谢谢！谢谢！
