大學(xué)醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)線粒體

1、大學(xué)醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)大學(xué)醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)線粒體線粒體2021/4/272線狀線狀顆粒狀顆粒狀直徑約直徑約0.21um長度長度14.0um大小大小2021/4/273線粒體的大小變化線粒體的大小變化u不同類型的細(xì)胞線粒體大小形態(tài)差異很大。不同類型的細(xì)胞線粒體大小形態(tài)差異很大。u同一細(xì)胞所處不同的生理狀態(tài)，線粒體大同一細(xì)胞所處不同的生理狀態(tài)，線粒體大小變化很大。小變化很大。u同一細(xì)胞所處的環(huán)境不同線粒體大小形態(tài)同一細(xì)胞所處的環(huán)境不同線粒體大小形態(tài)變化很大。變化很大。2021/4/274u代謝活動(dòng)旺盛的細(xì)胞，線粒體數(shù)目較多代謝活動(dòng)旺盛的細(xì)胞，線粒體數(shù)目較多u耗能少，代謝率低的細(xì)胞，線粒體數(shù)目較耗能少，代

2、謝率低的細(xì)胞，線粒體數(shù)目較少少線粒體的數(shù)目線粒體的數(shù)目 線粒體的分布線粒體的分布u多集中在生理功能旺盛，需要供能的區(qū)域。多集中在生理功能旺盛，需要供能的區(qū)域。2021/4/275 二、電鏡下二、電鏡下電鏡：電鏡：線粒體是由兩層單位膜圍成的封閉的囊狀結(jié)構(gòu)。線粒體是由兩層單位膜圍成的封閉的囊狀結(jié)構(gòu)。2021/4/276外外 膜膜內(nèi)內(nèi) 膜膜膜間隙膜間隙（膜間腔、外室）（膜間腔、外室）嵴嵴嵴間隙嵴間隙（內(nèi)室（內(nèi)室 ）內(nèi)含基質(zhì)內(nèi)含基質(zhì)2021/4/277（一）外膜（一）外膜位于線粒體外表面的一層單位膜，其上有許多孔蛋白位于線粒體外表面的一層單位膜，其上有許多孔蛋白, 允許分允許分子量在子量在1萬以下的分

3、子自由通過。萬以下的分子自由通過。（二）內(nèi)膜（二）內(nèi)膜 位于外膜內(nèi)側(cè)，由一層單位膜構(gòu)成，其通透位于外膜內(nèi)側(cè)，由一層單位膜構(gòu)成，其通透性很差，有高度的選擇性，借助膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白控制內(nèi)外物質(zhì)交換。性很差，有高度的選擇性，借助膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白控制內(nèi)外物質(zhì)交換。三羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白三羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白a-酮戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白酮戊二酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白酸性（堿性）氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白酸性（堿性）氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白肉堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白肉堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白丙酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白丙酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 2021/4/278基?；＃簝?nèi)膜和嵴膜內(nèi)表面上附著帶柄的顆粒，亦稱為內(nèi)膜和嵴膜內(nèi)表面上附著帶柄的顆粒，亦稱為“ATP合成酶復(fù)合體

4、合成酶復(fù)合體”。它是氧化磷酸化最終產(chǎn)生。它是氧化磷酸化最終產(chǎn)生ATP的部位。的部位。嵴嵴: : 內(nèi)膜向內(nèi)室折疊形成。內(nèi)膜向內(nèi)室折疊形成。 （三）嵴與基粒（三）嵴與基?；|(zhì)基質(zhì)膜膜間間隙隙嵴是線粒體的標(biāo)志性結(jié)構(gòu)，嵴的存在使內(nèi)膜的表面積增大，嵴是線粒體的標(biāo)志性結(jié)構(gòu)，嵴的存在使內(nèi)膜的表面積增大，這對(duì)氧化磷酸化反應(yīng)至關(guān)重要。這對(duì)氧化磷酸化反應(yīng)至關(guān)重要。2021/4/279外膜外膜內(nèi)膜內(nèi)膜膜間隙膜間隙嵴間腔嵴間腔（內(nèi)室）（內(nèi)室）嵴內(nèi)空間嵴內(nèi)空間嵴嵴 基?；＃ˋTP酶）酶）內(nèi)膜和嵴圍成的腔隙，內(nèi)膜和嵴圍成的腔隙，腔內(nèi)充滿均質(zhì)的膠狀腔內(nèi)充滿均質(zhì)的膠狀物質(zhì)物質(zhì)基質(zhì)?；|(zhì)。線粒體基質(zhì)線粒體基質(zhì)脂脂 類類蛋白質(zhì)

5、蛋白質(zhì)酶酶 類類線粒體線粒體 DNA線粒體線粒體DNA線粒體線粒體 mRNA線粒體線粒體 tRNA線粒體核糖體線粒體核糖體線粒體核糖體線粒體核糖體基質(zhì)顆?；|(zhì)顆粒基質(zhì)顆?；|(zhì)顆粒（外室）（外室）（四）基質(zhì)（四）基質(zhì)2021/4/2710蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)：占線粒體干重的占線粒體干重的65-70%65-70%，外膜含量較少，外膜含量較少，內(nèi)膜含量較多內(nèi)膜含量較多脂類：脂類：占占線粒體干重的線粒體干重的25-30%25-30%，以磷脂為主。，以磷脂為主。線粒體基因組：線粒體基因組：占占5%5%多種輔酶多種輔酶 外膜外膜 ：脂類：脂類52%，蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)48%內(nèi)膜：脂類內(nèi)膜：脂類24%，蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)

6、76%2021/4/2711線粒體主要酶的分布線粒體主要酶的分布外膜外膜：單胺氧化酶單胺氧化酶、尿酸羥化酶、尿酸羥化酶、NADH-細(xì)胞色素細(xì)胞色素C還原還原酶酶、脂類代謝有關(guān)的酶脂類代謝有關(guān)的酶膜間隙膜間隙：腺苷酸激酶、腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶核苷酸激酶、二磷酸激酶內(nèi)膜：內(nèi)膜：細(xì)胞色素氧化酶、細(xì)胞色素氧化酶、琥珀酸脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、NADHNADH脫氫酶、脫氫酶、肉堿?；D(zhuǎn)移酶、肉堿?；D(zhuǎn)移酶、ATPATP合成酶復(fù)合體合成酶復(fù)合體基質(zhì)：基質(zhì)：丙酮酸脫氫酶系、丙酮酸脫氫酶系、蘋果酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶等參與三羧酸循環(huán)的酶、等參與三羧酸循環(huán)的酶、谷氨酸脫氫酶、天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、脂肪酸

7、氧化酶系、谷氨酸脫氫酶、天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、脂肪酸氧化酶系、蛋白質(zhì)和核酸合成酶系蛋白質(zhì)和核酸合成酶系2021/4/2712 線粒體的主要功能就是生物氧化。線粒體的主要功能就是生物氧化。 生物氧化：生物氧化：在線粒體中，供能物質(zhì)利用氧在線粒體中，供能物質(zhì)利用氧自身徹底氧化分解而釋放能量并將能量儲(chǔ)自身徹底氧化分解而釋放能量并將能量儲(chǔ)存于存于ATP中的過程。中的過程。由于細(xì)胞氧化過程中，要消耗由于細(xì)胞氧化過程中，要消耗O2釋放釋放CO2生成生成H2O，所以又所以又可可稱稱為細(xì)胞呼吸為細(xì)胞呼吸。2021/4/2713細(xì)胞氧化的基本過細(xì)胞氧化的基本過程程酵酵 解解乙酰輔酶乙酰輔酶A生成生成三羧酸循環(huán)三羧

8、酸循環(huán)電子傳遞和氧化磷酸化電子傳遞和氧化磷酸化：在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)進(jìn)行，反應(yīng)過程不需要氧進(jìn)行，反應(yīng)過程不需要氧無氧酵解無氧酵解。葡萄糖（葡萄糖（C6H12O6）糖酵解酶系糖酵解酶系2丙酮酸（丙酮酸（C3H4O3) + 2H + 2ATP: 線粒體基質(zhì)中進(jìn)行。線粒體基質(zhì)中進(jìn)行。丙酮酸丙酮酸 +輔酶輔酶A+2NAD 乙酰乙酰-CoA + 2NADH + 2H + CO2: 在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行。在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行。丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系+ Mg2+: 在線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行。在線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行。以葡萄糖的有氧氧化為例介紹細(xì)胞氧化的過程以葡萄糖的有氧氧化為例介紹細(xì)胞氧化的過程2021/4/2714

9、葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸NADNADH2CO2CoA乙酰乙酰CoA草酰乙酸草酰乙酸三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)檸檬酸檸檬酸順烏頭酸順烏頭酸異檸檬酸異檸檬酸NADNADH2CO2 -酮戊二酸酮戊二酸NADNADH2CO2琥珀酸琥珀酸FADFADH2延胡索酸延胡索酸蘋果酸蘋果酸NADNADH212312021/4/2715氧化磷酸化過程氧化磷酸化過程第一階段第一階段供能物質(zhì)經(jīng)過酵解、乙酰輔酶供能物質(zhì)經(jīng)過酵解、乙酰輔酶A生成、三羧酸循環(huán)脫下生成、三羧酸循環(huán)脫下的氫原子，通過的氫原子，通過內(nèi)膜上的一系列呼吸鏈酶系的電子傳遞內(nèi)膜上的一系列呼吸鏈酶系的電子傳遞 ，最后與氧結(jié)合生成水。（放能階段），最后與氧結(jié)合生成

10、水。（放能階段）第二階段第二階段電子傳遞過程中釋放的能量被用于電子傳遞過程中釋放的能量被用于ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP.（儲(chǔ)能階段）（儲(chǔ)能階段）一、呼吸鏈傳遞一、呼吸鏈傳遞呼吸鏈呼吸鏈:在線粒體內(nèi)膜上有序排列、相互關(guān)聯(lián)的多個(gè)酶復(fù)合體組成的電子傳遞鏈。在線粒體內(nèi)膜上有序排列、相互關(guān)聯(lián)的多個(gè)酶復(fù)合體組成的電子傳遞鏈。二、磷酸化二、磷酸化關(guān)鍵裝置關(guān)鍵裝置 基粒（基粒（ATP酶復(fù)合體）酶復(fù)合體）2021/4/2716 呼吸鏈有兩種：呼吸鏈有兩種：（1）NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈： NADH 復(fù)合體復(fù)合體 輔酶輔酶Q 復(fù)合體復(fù)合體 細(xì)胞細(xì)胞色素色素C 復(fù)合體復(fù)合體（2）琥珀酸氧化呼吸鏈）琥珀酸氧

11、化呼吸鏈 琥珀酸脫氫琥珀酸脫氫復(fù)合體復(fù)合體輔酶輔酶Q 復(fù)合體復(fù)合體 細(xì)細(xì)胞色素胞色素C 復(fù)合體復(fù)合體2021/4/2717關(guān)于關(guān)于NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈 NAD 為氧化型煙酰胺腺嘌呤二核甘酸（即為氧化型煙酰胺腺嘌呤二核甘酸（即氧化型輔酶氧化型輔酶I） NADH為還原型煙酰胺腺嘌呤二核甘酸（即為還原型煙酰胺腺嘌呤二核甘酸（即還原型輔酶還原型輔酶I） 生物氧化過程中大多數(shù)脫氫酶都以生物氧化過程中大多數(shù)脫氫酶都以NAD 為為輔酶，也就是說，底物脫下的氫首先被輔酶，也就是說，底物脫下的氫首先被NAD 接受，然后再向下傳遞。接受，然后再向下傳遞。+2021/4/2718 復(fù)合體復(fù)合體I：即即NAD

12、H-泛醌還原酶（泛醌還原酶（NADH脫氫酶復(fù)脫氫酶復(fù)合體），可將電子傳遞給泛醌。該復(fù)合物含有以合體），可將電子傳遞給泛醌。該復(fù)合物含有以FMN為輔基的黃素蛋白和以為輔基的黃素蛋白和以Fe-S為輔基的鐵硫蛋為輔基的鐵硫蛋白。白。 復(fù)合體復(fù)合體III：即泛醌即泛醌-細(xì)胞色素細(xì)胞色素C還原酶，負(fù)責(zé)將電還原酶，負(fù)責(zé)將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素子從泛醌傳遞給細(xì)胞色素C。該復(fù)合體中含有細(xì)。該復(fù)合體中含有細(xì)胞色素胞色素b、細(xì)胞色素、細(xì)胞色素C1和鐵硫蛋白。和鐵硫蛋白。 復(fù)合體復(fù)合體：即細(xì)胞色素即細(xì)胞色素C氧化酶，負(fù)責(zé)將電子從氧化酶，負(fù)責(zé)將電子從細(xì)胞色素細(xì)胞色素C傳遞給氧。該復(fù)合體含有銅和細(xì)胞色傳遞給氧。該復(fù)合

13、體含有銅和細(xì)胞色素素a。2021/4/2719 細(xì)胞色素細(xì)胞色素：是一類以鐵卟啉為輔基的負(fù)責(zé)：是一類以鐵卟啉為輔基的負(fù)責(zé)電子傳遞的酶。鐵卟啉輔基中的電子傳遞的酶。鐵卟啉輔基中的Fe Fe + e的互變，故可以進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移。它們具的互變，故可以進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移。它們具有特殊的吸收光譜而呈現(xiàn)顏色。根據(jù)它們有特殊的吸收光譜而呈現(xiàn)顏色。根據(jù)它們的吸收光譜不同分為細(xì)胞色素的吸收光譜不同分為細(xì)胞色素a,b,c三類。三類。不同的細(xì)胞色素具有不同的吸收光譜，不不同的細(xì)胞色素具有不同的吸收光譜，不僅酶蛋白結(jié)構(gòu)不同，輔基的結(jié)構(gòu)也有差異。僅酶蛋白結(jié)構(gòu)不同，輔基的結(jié)構(gòu)也有差異。2+ 3+ 2021/4/2720基質(zhì)膜間隙

14、膜間隙（外室）（外室） 頭部頭部 ATP酶的活性中心。酶的活性中心。 功功 能：能： 合成合成ATP 柄部柄部 對(duì)寡霉素敏感的糖蛋白。對(duì)寡霉素敏感的糖蛋白。 功功 能：能：調(diào)控質(zhì)子通道調(diào)控質(zhì)子通道 基片基片 （F0因子）因子） 疏水蛋白復(fù)合體。疏水蛋白復(fù)合體。 功能：功能：形成質(zhì)子通道形成質(zhì)子通道基粒的結(jié)構(gòu)圖基粒的結(jié)構(gòu)圖頭部、柄部頭部、柄部統(tǒng)稱統(tǒng)稱F1偶聯(lián)偶聯(lián)因子因子2021/4/2721化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說Cyt c1 Fe-SCyt bCyt a Cyt a3NADHH琥珀酸琥珀酸2HHHFe-SFMN2HCoQFe-SFADCyt cO2ADPPiATP2H2021/4/2722化學(xué)

15、滲透學(xué)說化學(xué)滲透學(xué)說1線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈的組成成分線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈的組成成分復(fù)合體復(fù)合體、 復(fù)合體復(fù)合體 、復(fù)、復(fù)合體合體在傳遞電子同時(shí)起質(zhì)子泵的作用，可以將在傳遞電子同時(shí)起質(zhì)子泵的作用，可以將H質(zhì)子從線粒質(zhì)子從線粒體基質(zhì)（內(nèi)室）轉(zhuǎn)移到膜間腔（外室）。體基質(zhì)（內(nèi)室）轉(zhuǎn)移到膜間腔（外室）。2當(dāng)當(dāng)H質(zhì)子從外室通過基粒質(zhì)子從外室通過基粒F0上的質(zhì)子通道進(jìn)入內(nèi)室時(shí)，驅(qū)動(dòng)上的質(zhì)子通道進(jìn)入內(nèi)室時(shí)，驅(qū)動(dòng)F1因子旋轉(zhuǎn)因子旋轉(zhuǎn), 利用這種勢能使利用這種勢能使ADP磷酸化合成磷酸化合成ATP。3線粒體內(nèi)膜本身具有離子不通透性，能隔絕包括線粒體內(nèi)膜本身具有離子不通透性，能隔絕包括H+、OH-在內(nèi)在內(nèi)的各種正負(fù)

16、離子的各種正負(fù)離子，正是，正是由于線粒體內(nèi)膜是質(zhì)子屏障，產(chǎn)生跨膜由于線粒體內(nèi)膜是質(zhì)子屏障，產(chǎn)生跨膜的電化學(xué)梯度，外室中高濃度的的電化學(xué)梯度，外室中高濃度的H質(zhì)子有返回內(nèi)室的趨勢質(zhì)子有返回內(nèi)室的趨勢。 2021/4/2723一、線一、線 粒粒 體體 的的DNA ( mtDNA )mtDNA: 是是雙鏈環(huán)狀的雙鏈環(huán)狀的DNA分子、裸露不與組蛋白結(jié)合分子、裸露不與組蛋白結(jié)合,分散在線粒體基分散在線粒體基質(zhì)中，長約質(zhì)中，長約5um、分子量小、分子量小, 含含16 569堿基對(duì)。堿基對(duì)。1981年年人胎盤人胎盤AndersonmtDNA全部核苷酸序列全部核苷酸序列mtDNA 16569 bp 37個(gè)基因

17、個(gè)基因2種種 編碼編碼 rRNA(12S和和16S）基因）基因22種種 編碼編碼 tRNA基因基因13種種 編碼編碼 呼吸鏈上某些酶復(fù)合體的亞基呼吸鏈上某些酶復(fù)合體的亞基說明：說明：mtDNA有自己獨(dú)立的遺傳系統(tǒng)，可自我復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯。有自己獨(dú)立的遺傳系統(tǒng)，可自我復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯。2021/4/2724mtDNA編碼：編碼：22種種tRNA和和2種種rRNA，13種組成復(fù)合體亞基。種組成復(fù)合體亞基。2021/4/2725二二 .線粒體蛋白質(zhì)合成線粒體蛋白質(zhì)合成線粒體的蛋白質(zhì)合成與原核細(xì)胞相似，而與真核細(xì)胞不同：線粒體的蛋白質(zhì)合成與原核細(xì)胞相似，而與真核細(xì)胞不同：表現(xiàn)表現(xiàn)1.1.線粒體線粒體D

18、NA呈環(huán)狀、裸露與細(xì)菌相似。編碼序列排列緊湊，非編碼序呈環(huán)狀、裸露與細(xì)菌相似。編碼序列排列緊湊，非編碼序列很少。列很少。3.3.蛋白質(zhì)合成的起始氨基酸與原核細(xì)胞一樣，為甲酰甲硫氨酸蛋白質(zhì)合成的起始氨基酸與原核細(xì)胞一樣，為甲酰甲硫氨酸, , 真核細(xì)胞起始的為甲硫氨酸真核細(xì)胞起始的為甲硫氨酸. .4.4.線粒體的核糖體為線粒體的核糖體為70S與細(xì)菌一致。與細(xì)菌一致。由此可見：由此可見：線粒體有自己的線粒體有自己的DNA和蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，和蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，有一定的自主性。有一定的自主性。mtDNA分子量小、基因數(shù)量少、編碼的蛋白質(zhì)有限，只占分子量小、基因數(shù)量少、編碼的蛋白質(zhì)有限，只占線粒體蛋白質(zhì)的線

19、粒體蛋白質(zhì)的10%，而大多數(shù)線粒體蛋白質(zhì)由核基因編，而大多數(shù)線粒體蛋白質(zhì)由核基因編碼的，在細(xì)胞質(zhì)中合成后轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體中去。同時(shí)線粒體碼的，在細(xì)胞質(zhì)中合成后轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體中去。同時(shí)線粒體遺傳系統(tǒng)受控于細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)。遺傳系統(tǒng)受控于細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)。因此，線粒體為半自主性細(xì)胞器。因此，線粒體為半自主性細(xì)胞器。2.mRNA2.mRNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯幾乎在同一時(shí)間、同一地點(diǎn)進(jìn)行。的轉(zhuǎn)錄和翻譯幾乎在同一時(shí)間、同一地點(diǎn)進(jìn)行。2021/4/2726一一.線粒體的增殖（線粒體的增殖（屬于裂殖屬于裂殖）線粒體的增殖線粒體的增殖間壁分離間壁分離收縮分離收縮分離出芽分裂出芽分裂：線粒體的內(nèi)膜向中心內(nèi)褶形成間壁，當(dāng)延伸到對(duì)線粒體的內(nèi)膜向中心內(nèi)褶形成間壁，當(dāng)延伸到對(duì)側(cè)內(nèi)膜時(shí)，線粒體一分為二，成為只有外膜相連的側(cè)內(nèi)膜時(shí)，線粒體一分為二，成為只有外膜相連的兩個(gè)獨(dú)立細(xì)胞器，接著線粒體就完全分離。兩個(gè)獨(dú)立細(xì)胞器，接著線粒體就