[VIP專(zhuān)享]線粒體結(jié)構(gòu)與功能

1、線粒體（ mitochondria ）線粒體的研究歷史1890: R.Altman （亞特曼）在動(dòng)物細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)線粒體, 命名為生命小體 (bioblast)。1897: Von Benda命名為線粒體 (Mitochondrion)1900：L.Michaelis（米凱利斯 ) 用詹姆斯綠 B 對(duì)線粒體進(jìn)行活體染色，發(fā)現(xiàn)線粒體存在大量的細(xì)胞色素氧化酶系。1913：Engelhardt （恩格爾哈特）證明細(xì)胞內(nèi)ATP磷酸化與細(xì)胞內(nèi)氧消耗相偶聯(lián)。1943-1950： Kennedy等證明糖最終氧化場(chǎng)所在線粒體。1952-1953： Palade（帕拉登）等用電鏡觀察線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)。1976：

2、Hatefi等純化呼吸鏈四個(gè)獨(dú)立的復(fù)合體。1961-1980： Mitchell（米切爾）氧化磷酸化的化學(xué)滲透假說(shuō)。1963 年： Nass 首次發(fā)現(xiàn)線粒體存在DNA。Contents線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)線粒體的化學(xué)組成及酶的定位線粒體的功能線粒體的半自主性線粒體的生物發(fā)生（自學(xué)）第一節(jié)線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)一、光鏡下線粒體形態(tài)、大小、數(shù)量及分布（一）形態(tài)、大小光鏡下常見(jiàn)線粒體呈線狀和顆粒狀，也可呈環(huán)形、啞鈴形、分枝狀等，隨細(xì)胞生理狀況而變。一般直徑 0.5 1.0 m，長(zhǎng) 1.5 3.0 m。 不同細(xì)胞線粒體大小變動(dòng)很大，大鼠肝細(xì)胞線粒體長(zhǎng) 5m; 胰腺外分泌細(xì)胞線粒體長(zhǎng) 1020m，人成纖維細(xì)胞線粒

3、體長(zhǎng) 40m。線粒體形態(tài)、大小因細(xì)胞種類(lèi)和生理狀況不同而異。光鏡下 : 線狀、桿狀、粒狀二）數(shù)量依細(xì)胞類(lèi)型而異，動(dòng)物細(xì)胞一般數(shù)百到數(shù)千個(gè)。利什曼原蟲(chóng) : 一個(gè)巨大的線粒體；海膽卵母細(xì)胞： 30 多萬(wàn)個(gè)。隨細(xì)胞生理功能及生理狀態(tài)變化需能細(xì)胞：線粒體數(shù)目多，如哺乳動(dòng)物心肌、小腸、肝等內(nèi)臟細(xì)胞；飛翔鳥(niǎo)類(lèi)胸肌細(xì)胞：線粒體數(shù)目比不飛翔鳥(niǎo)多；（三）分布分布 :不均，細(xì)胞代謝旺盛的需能部位比較集中。肌細(xì)胞 :線粒體沿肌原纖維規(guī)則排列；精子細(xì)胞 :線粒體集中在鞭毛中區(qū)；分泌細(xì)胞：線粒體聚集在分泌物合成的區(qū)域；腎細(xì)胞：線粒體靠近微血管，呈平行或柵狀列。線粒體的分布多集中在細(xì)胞的需能部位，有利于細(xì)胞需能部位的能量

4、供應(yīng)。二、線粒體的亞微結(jié)構(gòu)( 一)外膜 Outer membrane包圍在線粒體外表面的一層單位膜，厚6-7nm，平整、光滑，封閉成囊。外膜含運(yùn)輸?shù)鞍祝ㄍǖ赖鞍祝?，形態(tài)上為排列整齊的筒狀小體，中央有孔，孔徑 1-3nm，允許分子量 1KD以內(nèi)的物質(zhì)自由通過(guò)，構(gòu)成外膜的親水通道。( 二)內(nèi)膜 inner membrane結(jié)構(gòu)特征：高度特化的單位膜，厚4.5nm，膜上蛋白質(zhì)占膜總重量76%；通透性小，具通透屏蔽作用，許多物質(zhì)不能自由透過(guò)；（例如： H+ 、ATP、丙酮酸等）物質(zhì)透過(guò)必須借助膜上的載體或通透酶。向內(nèi)褶疊形成嵴，嵴的存在增大線粒體內(nèi)膜的表面積；兩種類(lèi)型的嵴：板層狀 :高等動(dòng)物細(xì)胞線粒體

5、嵴。管狀 :原生動(dòng)物和低等動(dòng)物細(xì)胞線粒體嵴。( 三)外室（ outer chamber ）也稱(chēng)膜間腔，外膜與內(nèi)膜之間的腔隙, 與嵴內(nèi)腔相通 , 寬約 20nm，含多種酶、底物及輔助因子。( 四)內(nèi)室（ inner chamber ）內(nèi)膜封裹形成的囊腔，或稱(chēng)嵴間腔，是線粒體細(xì)胞氧化中進(jìn)行三羧酸循環(huán)的場(chǎng)所?；|(zhì)包括了催化三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、核酸與蛋白質(zhì)合成的各種酶系及線粒體DNA、線粒體 RNA、線粒體核糖體等。( 五)基粒（質(zhì)子泵 ATP合成酶）與線粒體內(nèi)膜內(nèi)表面及嵴膜基質(zhì)面垂直排列，形態(tài)上分為頭部：可溶性 ATP酶（ F1），水溶性球蛋白，從內(nèi)膜突出于基質(zhì)內(nèi)，易從膜表面脫落。柄部：對(duì)寡酶素

6、敏感的蛋白質(zhì)（ OSCP），調(diào)控質(zhì)子通道?；?F0）：疏水蛋白（ HP)，橫跨內(nèi)膜，質(zhì)子通道。一、線粒體的化學(xué)組成化學(xué)成分 : 蛋白質(zhì)脂類(lèi)（一）蛋白 質(zhì) : 占線粒體干重的6570（可溶性蛋白、不溶性蛋白）（二）脂90%類(lèi) : 占線粒體干重的25%-30%，為磷脂，膽固醇含量極少。二、線粒體中酶的定位分布(140 多種酶 )外膜：合成線粒體脂類(lèi)的酶內(nèi)膜：呼吸鏈酶系、 ATP合成酶系基質(zhì)：三羧酸循環(huán)反應(yīng)酶系、丙酮酸與脂肪酸氧化酶系、蛋白質(zhì)與核酸合成酶系（半自主性）線粒體中酶的定位分布線粒體主要酶的分布外 膜: 單胺氧化酶、犬尿氨酸羥化酶、 NADH細(xì)-胞色素 C還原酶特征酶：?jiǎn)伟费趸改らg隙

7、 腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶內(nèi)膜: 細(xì)胞色素氧化酶、琥珀酸脫氫酶、 NADH脫氫酶、肉毒堿?；D(zhuǎn)移酶、ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸載體。特征酶：細(xì)胞色素氧化酶基質(zhì) : 檸檬酸合成酶、烏頭酸酶、蘋(píng)果酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶、延胡索酸酶、谷氨酸脫氫酶、丙酮酸脫氫酶復(fù)合體、天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、蛋白質(zhì)和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系特征酶：蘋(píng)果酸脫氫酶第三節(jié)線粒體的功能 線粒體功能 : 氧化磷酸化 ,合成 ATP通過(guò)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) ( 糖、脂肪、氨基酸等 ) 氧化 ( 放能 ) 與 ADP磷酸化 ( 儲(chǔ)能 ) 的偶聯(lián)反應(yīng)完成能量轉(zhuǎn)換，合成ATP，直接提供細(xì)胞生命活動(dòng)所需能量的95%

8、以上。包括：細(xì)胞氧化（細(xì)胞呼吸）ADP磷酸化細(xì)胞氧化及基本過(guò)程1、細(xì)胞氧化2 、基本過(guò)程（ 1）糖酵解（生成丙酮酸和脂肪酸）（ 2）乙酰輔酶 A 生成（ 3）三羧酸循環(huán)（產(chǎn)生 H+、e- 、 CO2 ）二、氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)( 一) 呼吸鏈呼吸鏈：指一系列能夠可逆地接受及釋放電子或H+的脂蛋白質(zhì)復(fù)合體，存在于線粒體內(nèi)膜，形成相互關(guān)聯(lián)、有序排列的功能結(jié)構(gòu)體系（一組酶系），并以此偶聯(lián)線粒體中的氧化磷酸化過(guò)程，稱(chēng)之為呼吸鏈（respiratorychain ）或電子傳遞鏈（ electron transport chain)。電子傳遞鏈（呼吸鏈）的組成由四種酶復(fù)合體及輔酶Q(CoQ)和細(xì)胞色素 C

9、(Cytc) 組成。（ 1）復(fù)合體： NADH - CoQ還原酶（ 2）復(fù)合體：琥珀酸 - CoQ 還原酶（ 3）復(fù)合體： CoQ - 細(xì)胞色素 C 還原酶（ 4）復(fù)合體：細(xì)胞色素 C 氧化酶兩條典型的呼吸鏈：NADH呼吸鏈：由復(fù)合體、及CoQ、 Cytc 組成FADH2呼吸鏈：由復(fù)合體、及CoQ、Cytc 組成( 二)線粒體質(zhì)子泵 ATP合成酶 (H+ -ATPase)1. 形態(tài)結(jié)構(gòu)位于線粒體內(nèi)膜和嵴的基質(zhì)面 , 與膜表面垂直排列，由頭部、柄部、基片構(gòu)成。2、分子結(jié)構(gòu)F0 質(zhì)子通道 : 跨線粒體內(nèi)膜的疏水蛋白質(zhì)，由4 種多肽鏈組成 .F0 和 Fl 之間的柄 : 包含有兩種蛋白質(zhì)。一種為寡霉

10、素敏感蛋白 (OSCP) ，一種為偶合因子 6（F6） .Fl 蛋白：是球狀結(jié)構(gòu)，由5 種不同的多肽鏈組成，其組分為33，催化 ATP合成的部位在 亞基上 .(1) F1 因子F1 ：為水溶性球蛋白，從內(nèi)膜突出于基質(zhì)內(nèi)，較易脫落。由 3、3、1、1 和 1 等 9 個(gè)亞基組成， 3個(gè) 亞基和 3 個(gè) 亞基交替排列，形成一個(gè) “ 桔瓣 ”狀結(jié)構(gòu)。各亞基分離時(shí)無(wú)酶活性，結(jié)合時(shí)有酶活性。從膜平面看，和 亞基交替排列，形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)。 亞基在 a 和 亞基之間形成一個(gè)支柱 “shaft ” 和 共同形成 “ 轉(zhuǎn)子 ”(2) F0因子F0：嵌合在內(nèi)膜上的疏水蛋白復(fù)合體，形成一個(gè)跨膜質(zhì)子通道。 F0 的

11、亞基類(lèi)型和組成在不同物種中差別很大，在細(xì)菌中， F0 由 a、 b、 c 3 種亞基組成；藍(lán)藻中為 a、 b、b 、 c 亞基；F0 多拷貝的 c 亞基形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)， a 亞基與 b 亞基二聚體排列在 c 亞基 12 聚體形成的環(huán)的外側(cè)， a 亞基、 b 亞基二聚體和 亞基共同組成 “定子 ”。其中 a 亞基有跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的質(zhì)子通道的作用。F1 和 F0 通過(guò) “ 轉(zhuǎn)子 ” （ 和 共同形成）和 “ 定子 ” 將兩部分連接起來(lái)，在合成或水解 ATP的過(guò)程中， “轉(zhuǎn)子 ”在通過(guò) F0 的 H+流推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，依次與 3 個(gè) 亞基作用，調(diào)節(jié) 亞基催化位點(diǎn)的構(gòu)象變化； “ 定子 ” 在一側(cè)將 33與

12、F0 連接來(lái)。 F0 的作用之一，就是將跨膜質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)轉(zhuǎn)換成扭力（ torgue ），推動(dòng) “轉(zhuǎn)子 ”旋轉(zhuǎn)。三、線粒體質(zhì)子泵ATP合成酶的工作機(jī)制問(wèn)題 :ATP 合成酶各亞基如何協(xié)同作用利用跨膜質(zhì)子梯度合成ATP?Paul Boyer提出 “結(jié)合變化機(jī)制 ” 假說(shuō)和 “旋轉(zhuǎn)催化模型 ”(a)ATP 合成酶利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)產(chǎn)生構(gòu)象變化，改變與底物親和力，催化ADP與 Pi 形成 ATP。(b)F1 因子 亞基有三個(gè)催化位點(diǎn)，這三個(gè)催化位點(diǎn)的構(gòu)象不同（ L、 T、O），與核苷酸的親和力不同，在ATP合成過(guò)程中，這三個(gè)催化位點(diǎn)構(gòu)象發(fā)生周期變化，每個(gè)催化位點(diǎn)經(jīng)過(guò)三次構(gòu)象改變合成1 個(gè) ATP分子。(c)

13、 質(zhì)子通過(guò) F0 時(shí)，引起 c 亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng) 亞基旋轉(zhuǎn)， 亞基的旋轉(zhuǎn)引起 亞基 3 個(gè)催化位點(diǎn)構(gòu)象發(fā)生周期性變化（ L、 T、 O），不斷將 ADP和 Pi 結(jié)合在一起，形成 ATP。線粒體質(zhì)子泵 ATP合成酶的工作機(jī)制的證據(jù)支持證據(jù) 11994 年 Walker 等發(fā)表了 0.28nm 分辨率的牛心線粒體 F1-ATP酶的晶體結(jié)構(gòu)。Walker 利用核苷酸底物類(lèi)似物，觀察 ATP合成酶的 3 個(gè)催化亞基結(jié)合核苷酸底物類(lèi)似物后晶體構(gòu)象的變化，發(fā)現(xiàn) ATP合成酶由于結(jié)合不同的底物類(lèi)似物而呈現(xiàn)不同的構(gòu)象，有力地支持了Boyer 提出的結(jié)合變化機(jī)制，證明在催化循環(huán)的任一時(shí)刻，3 個(gè)催化亞基

14、處于不同的構(gòu)象狀態(tài)，構(gòu)象的變化與位于33中央的 亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)。支持證據(jù) 1 ：F1 的晶體結(jié)構(gòu)(John Walker ， MRC， Cambridge 1994) 亞基被固定在載玻片上 亞基 (shaft)與熒光標(biāo)記的肌動(dòng)蛋白纖維相連供給 ATP時(shí)，肌動(dòng)蛋白發(fā)生旋轉(zhuǎn)（每消耗1 分子 ATP，旋轉(zhuǎn) 120° ，消耗 3 分子 ATP旋轉(zhuǎn) 360° ）因在 “生命能量通貨 三磷酸腺苷 ATP” 方面的研究而獲得 1997 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。三、電子傳遞偶聯(lián)的氧化磷酸化氧化磷酸化：供能物質(zhì)的氧化過(guò)程伴隨電子傳遞鏈所進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換和 ATP的生成稱(chēng)氧化磷酸化。氧化還原的本質(zhì)是電子

15、的轉(zhuǎn)移。氫原子的轉(zhuǎn)移其本質(zhì)也是電子轉(zhuǎn)移，因?yàn)?H 原子可分解為 H+與 e- 。當(dāng)電子從 NADH或 FADH2經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧形成水時(shí)，同時(shí)伴有ADP磷酸化形成 ATP。四、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制一直是研究氧化磷酸化作的關(guān)鍵，二十多年來(lái)提出了各種假說(shuō)，主要有：化學(xué)偶聯(lián)假說(shuō)（ chemical coupling hypothesis）、構(gòu)象偶聯(lián)假說(shuō)(conformational coupling hypothesis）、化學(xué)滲透假說(shuō)（ chemiosmotic coupling hypothesis)。越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證明：偶聯(lián)機(jī)制在生化上來(lái)說(shuō)是向量的，在功能上來(lái)說(shuō)是滲透性的?；?/p>

16、學(xué)滲透假說(shuō)是氧化磷酸化機(jī)制研究中最流行的一種假說(shuō)。該假說(shuō)是 1961 年英國(guó)生物化學(xué)家Mitchell他獲得 1978 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。（一）、化學(xué)滲透假說(shuō)的主要論點(diǎn)：呼吸鏈各組分在線粒體內(nèi)膜中分布是不對(duì)稱(chēng)的，當(dāng)高能電子沿呼吸鏈傳遞時(shí)，所釋放的能量提出的，將 H+ 從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵至膜間隙，由于膜對(duì) H+ 不通透，從而使膜間隙的 H+ 濃度高于基質(zhì)，在內(nèi)膜兩側(cè)形成電化學(xué)質(zhì)子梯度（ electro-chemical proton gradient ），也稱(chēng)為質(zhì)子動(dòng)力（ proton motive force ）。在這個(gè)梯度驅(qū)動(dòng)下， H+ 穿過(guò)內(nèi)膜上的 ATP合成酶流回到基質(zhì)，其能量促使 ADP和

17、Pi 合成 ATP。1 、強(qiáng)調(diào)線粒體膜結(jié)構(gòu)的完整性。如果線粒體膜不完整， H+ 能自由通過(guò)膜，則無(wú)法在內(nèi)膜兩側(cè)形成電化學(xué)梯度，氧化磷酸化就會(huì)解偶聯(lián)。一些解偶聯(lián)劑的作用就在于改變膜對(duì) H+的通透性，使電子傳遞所釋放的能量不能合成 ATP。2 、定向的化學(xué)反應(yīng)。在電化學(xué)質(zhì)子梯度推動(dòng)下， H+由膜間隙通過(guò)內(nèi)膜上 ATP合成酶進(jìn)入基質(zhì)，其質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)驅(qū)動(dòng) ADP和 Pi 結(jié)合形成 ATP。第四節(jié) 線粒體的半自主性線粒體含 DNA， RNA（mRNA、tRNA、rRNA）、核糖體、氨基酸活化酶等，具有獨(dú)立進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯功能。迄今為止，線粒體僅能獨(dú)立轉(zhuǎn)錄和翻譯約 20 種線粒體膜和線粒體基質(zhì)蛋白；線粒體絕大

18、多數(shù)蛋白質(zhì)需由核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成，然后轉(zhuǎn)移至線粒體。細(xì)胞核與線粒體之間存在著密切的、精確的、嚴(yán)格調(diào)控的生物學(xué)機(jī)制在二者協(xié)同作用的關(guān)系中，細(xì)胞核的功能更重要。一方面它提供了絕大部分遺傳信息；另一方面它具有關(guān)鍵的控制功能。也就是說(shuō)，線粒體的自主程度是有限的，對(duì)核遺傳系統(tǒng)有很大的依賴性。線粒體的生長(zhǎng)和增殖是受核基因組及其自身的基因組兩套遺傳系統(tǒng)的控制，所以稱(chēng)為半自主性細(xì)胞器（ semiautonomous organelle 一、 mtDNA含有 16,569 個(gè)堿基對(duì)的閉環(huán)合雙鏈DNA分子。有 37 個(gè)結(jié)構(gòu)基因，編碼 13 種與氧化磷酸化呼吸鏈有關(guān)的蛋白質(zhì)、 2 種 rRNA(12SrRNA及 16SrRNA)和 22 種與線粒體蛋白質(zhì)合成有關(guān)的 tRNA。二、 mtDNA的功能1、復(fù)制mtDNA 復(fù)制是以半保留的形式自主地進(jìn)行，主要發(fā)生在細(xì)胞增殖周期的 S 期到 G2期。但是，它復(fù)制時(shí)所必需的 DNA 聚合酶是由核 DNA編碼，在細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成的。2、編碼（轉(zhuǎn)錄、翻