大二上學(xué)期課件-細(xì)胞線粒體發(fā)現(xiàn)與起源

線粒體mitochondria細(xì)胞生物學(xué)系

孫

嬌joutline線粒體的生物學(xué)特征線粒體的假說(shuō)線粒體與細(xì)胞及線粒體與醫(yī)學(xué)線粒體的發(fā)現(xiàn)與形態(tài)、結(jié)構(gòu)、數(shù)量、分布?mtDNA的結(jié)構(gòu)半自主性一、線粒體的發(fā)現(xiàn)與德國(guó)生物學(xué)家Rudolph

K?lliker

第一個(gè)發(fā)現(xiàn)線粒體，并推測(cè)這種顆粒是由半透性的膜包被的。1856至1857年，K?lliker

描述了肌肉的“肌?！?，他認(rèn)為肌粒是一種獨(dú)立的實(shí)體，與細(xì)胞質(zhì)的其他部分沒(méi)有直接聯(lián)系。1880年，

K?lliker

從昆蟲(chóng)橫紋肌中分離出來(lái)線粒體，并線粒體具有自身的界面膜，以此與細(xì)胞其他結(jié)構(gòu)分隔開(kāi)來(lái)。1897至1898，vonBenda首先提出mitochondrion一詞，由希臘詞根mitos（線）和chondrion（顆粒）構(gòu)成。一、

線粒體的發(fā)現(xiàn)與1900年，Leonor Michaelis用

Janus green對(duì)肝細(xì)胞進(jìn)行 染色。線粒體含有細(xì)胞色素氧化酶系，致使Janus

green

Ｂ處于氧化狀態(tài)，因而把線粒體染成藍(lán)綠色，粒體四周細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的處于還原狀態(tài)，于是形成無(wú)色的背景，從而把染成藍(lán)綠色的線粒體襯托出來(lái)。發(fā)現(xiàn)細(xì)胞消耗氧之后，線粒體的顏色逐漸了，從而提示線粒體具有氧化還原反應(yīng)的作用。一、

線粒體的發(fā)現(xiàn)與1934年細(xì)胞學(xué)家Bensley和Hoerr使用離心法試圖從肝臟勻漿中把線粒體分離出來(lái)，但不是非常成功。1946年，Claude使用0.88mol/L蔗糖作為離心基液，成功分離出線粒體，并保持原有的正常形態(tài)和活性。1948 Green證實(shí)線粒體含所有三

的酶，

1949Kennedy和Lehninger發(fā)現(xiàn)脂肪酸氧化為CO2的過(guò)程是粒體內(nèi)完成的，1976Hatefi等純化了呼吸鏈四個(gè)獨(dú)立的復(fù)合體，Mitc

（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說(shuō)，從而證明了線粒體是真核生物進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的主要部位。An

TEM

image

of

mitochondrion二、

線粒體的生物學(xué)特征形態(tài)多樣性成纖蝙蝠肝臟細(xì)胞棒狀線粒體（一）形態(tài)線狀粒狀短粒狀（低滲膨脹）線狀（高滲伸長(zhǎng)）長(zhǎng)（生長(zhǎng)）形態(tài)多變性（一）形態(tài)線粒體超微結(jié)構(gòu)：外膜內(nèi)膜膜間腔（外腔）基質(zhì)（內(nèi)腔）（二）結(jié)構(gòu)外膜基質(zhì)（內(nèi)腔）嵴膜間腔（外腔）內(nèi)腔（與基質(zhì)相通）（內(nèi)腔）內(nèi)膜基粒（二）結(jié)構(gòu)基粒的結(jié)構(gòu)基片頭部（ATP酶復(fù)合體）基粒

柄部基片（

膜中）基粒是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)部位，其化學(xué)本質(zhì)是F0F1ATP酶ADP+Pi頭部（ATP酶復(fù)合體）ATP柄部（二）結(jié)構(gòu)首先將線粒體置于低滲溶液中使外膜破裂，此時(shí)線粒體內(nèi)膜和基質(zhì)(線粒體質(zhì))仍結(jié)合在一起，通過(guò)離心可將線粒體質(zhì)分離。用去垢劑毛地黃皂苷處理線粒體質(zhì)，破壞線粒體內(nèi)膜，

線粒體基質(zhì)，破裂的內(nèi)膜重新閉合形成小泡，其表面有F1顆粒。嵴的作用是擴(kuò)大內(nèi)膜的面積；使基質(zhì)區(qū)域化。（二）結(jié)構(gòu)嵴的形態(tài)多樣羽冠型

網(wǎng)膜型

絨毛型

平行型

同心園型新陳代謝旺盛、需要能量較多的細(xì)胞,線粒體的數(shù)目就較多，如心肌細(xì)胞、肝細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞、腎小管上皮細(xì)胞等。新陳代謝較低,需要能量較少的細(xì)胞，線粒體的數(shù)目就較少，如淋巴細(xì)胞、細(xì)胞。當(dāng)細(xì)胞處于病變、體溫過(guò)高或細(xì)胞基質(zhì)酸性過(guò)高的環(huán)境下，線粒體易溶解或因過(guò)度膨裂而使其數(shù)目減少。（三）分布（三）分布多分布在細(xì)胞功能旺盛的區(qū)域，可向這些區(qū)域遷移，微管是其導(dǎo)軌、馬達(dá)蛋白提供動(dòng)力。Mitochondria

distributed

in

skeletal

muscle鼠動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞細(xì)胞核染成藍(lán)色，綠色為線粒體，紅色為肌動(dòng)蛋白纖維。尾線粒體圍繞著部鞭毛的中軸（四）數(shù)量數(shù)目多變性：不同細(xì)胞中數(shù)目不同，約1--50萬(wàn)個(gè)不等。一般代謝旺盛細(xì)胞中線粒體多，反之則少。心肌細(xì)胞線粒體的分布(五）線粒體

增殖（分兩個(gè)階段）1.線粒體的膜生長(zhǎng)和，然后分mtDNA裂增殖；2.包括線粒體本身的分化過(guò)程，建立行使氧化磷酸化功能的機(jī)構(gòu)。生長(zhǎng)受細(xì)胞核控制分化受線粒體控制線粒體的(電鏡結(jié)構(gòu)）（六）線粒體DNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、線粒體

組線粒體內(nèi)含有DNA分子，被稱(chēng)為人類(lèi)第25號(hào)染色體，是細(xì)胞核以外含有遺傳信息和表達(dá)系統(tǒng)的細(xì)胞器，其遺傳特點(diǎn)表現(xiàn)為非

遺傳方式，又稱(chēng)核外遺傳。1981年Anderson等人完成了人類(lèi)線粒體組的全部核苷酸序列的測(cè)定。線粒體組特點(diǎn):線粒體組全長(zhǎng)16569bp22個(gè)tRNA2個(gè)rRNA7個(gè)NADH脫氫酶亞單位的1個(gè)細(xì)胞色素b2個(gè)ATP酶復(fù)合體成分3個(gè)細(xì)胞色素c氧化酶亞單位16569bp編碼37個(gè)13個(gè)mRNA線粒體氧化磷酸有關(guān)的蛋白質(zhì)Mitochondrial

DNA不與組蛋白結(jié)合，呈露閉環(huán)雙鏈狀，因此突變率高,且無(wú)DNA修復(fù)系統(tǒng)。mtDNA突變率比nDNA高10～20倍。外環(huán)為重鏈（H)，內(nèi)環(huán)為輕鏈（L)。H鏈含有28個(gè)

，L鏈含有9個(gè)

。編碼區(qū)各

之間排列極為緊湊，部分區(qū)域出現(xiàn)，無(wú)啟動(dòng)子和內(nèi)含子。2、mtDNA為母系遺傳卵中的線粒體DNA幾乎全都來(lái)自于

，來(lái)源于精子的mtDNA對(duì)表型無(wú)明顯作用，

這種雙

息的不等量表現(xiàn)決定了線粒體遺傳病的傳遞方式不符合

遺傳，而

是

表

現(xiàn)

為

母

系

遺

傳（maternal

inheritance），即母親將mtDNA傳遞給兒子和女兒，但只有女兒能將其mtDNA傳遞給下一代。（七）線粒體的半自主性線粒體有獨(dú)立的遺傳系統(tǒng)mtDNA是環(huán)狀，露，信息量較小，有獨(dú)立的編碼系統(tǒng),和細(xì)菌DNA相似。mtDNA可進(jìn)行自我，轉(zhuǎn)錄自己的mRNA、tRNA、rRNA有自己的核糖體，能獨(dú)立合成線粒體蛋白質(zhì)（電子傳遞鏈酶復(fù)合體中的亞基：細(xì)胞色素

C氧化酶、ATP酶復(fù)合體F0的亞基等）mtDNA所用遺傳和“通用”的遺傳不完全相同（七）線粒體的半自主性線粒體遺傳系統(tǒng)受核遺傳系統(tǒng)的制約1.mtDNA

所需的

DNA聚合酶是由核DNA編碼的，線粒體的遺傳系統(tǒng)受控于細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)2.90%的線粒體蛋白質(zhì)由核DNA編碼3.線粒體的生長(zhǎng)和增殖受兩套系統(tǒng)控制線粒體通透性研究將線粒體放在100mM蔗糖溶液中，蔗糖穿過(guò)外膜進(jìn)入線粒體的膜間間隙；然后將線粒體取出測(cè)定線粒體內(nèi)部蔗糖的平均濃度，結(jié)果只有50

mM，比環(huán)境中蔗糖的濃度低。據(jù)此推測(cè):線粒體外膜對(duì)蔗糖是通透的，而內(nèi)膜對(duì)蔗糖是不通透的線粒體內(nèi)膜的主動(dòng) 系統(tǒng)內(nèi)膜含100種以上的多肽，蛋白質(zhì)和脂類(lèi)的比例高于

3:1。心磷脂含量高（達(dá)20%）、缺乏膽固醇，類(lèi)似于細(xì)菌。通透性很低，僅允許不帶電荷的小分子物質(zhì)通過(guò)，大分子和離子通過(guò)內(nèi)膜時(shí)需要特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。①糖酵解產(chǎn)生的NADH必須進(jìn)入電子傳遞鏈參與有氧氧化；②線粒體產(chǎn)生的代謝物質(zhì)如草酰輔酶A和乙酰輔酶A必須 到細(xì)胞質(zhì)中，它們分別是細(xì)胞質(zhì)中葡萄糖和脂肪酸的前體物質(zhì);③線粒體產(chǎn)生的ATP必須進(jìn)入到胞質(zhì)溶膠，以便供給細(xì)胞反應(yīng)所需的能量，同時(shí)，ATP水解形成的ADP和Pi又要被運(yùn)入線粒體作為氧化磷酸化的底物。利用膜間隙形成的H+梯度協(xié)同。編后線粒體中的蛋白質(zhì)絕大多數(shù)都是核碼，在細(xì)胞質(zhì)的游離核糖體上到線粒體的。線粒體定位蛋白質(zhì)線粒體基質(zhì)F1ATPase:α亞基(植物除外)、β，γ亞基、δ亞基(某些真菌)RNA聚合酶、DNA聚合酶、核糖體蛋白、檸檬酸

酶、TCA酶系、乙醇脫氫酶(酵母)、鳥(niǎo)氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(哺乳動(dòng)物)內(nèi)膜DP-ATP逆向

蛋白、磷酸-OH-逆向

蛋白、細(xì)胞色素c氧化酶亞基4，5，6，7、F0

ATPase的蛋白質(zhì)、CoQH2-細(xì)胞色素c

還原酶復(fù)合物亞基1，2，5(Fe-S)，6，7，8膜間隙細(xì)胞色素c、細(xì)胞色素c過(guò)氧化物酶、細(xì)胞色素b2、CoQH2-細(xì)胞色素c還原酶復(fù)合物亞基4(細(xì)胞色素c1)外膜線粒體孔蛋白線粒體基質(zhì)蛋白輸入線粒體三、線粒體的內(nèi)共生線粒體

于原始真核細(xì)胞內(nèi)共生的細(xì)菌和藍(lán)藻，它們與宿主細(xì)胞間形成互利的共生關(guān)系，在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中演化為線粒體非共生原始的真核細(xì)胞是一種進(jìn)化程度較高的需氧細(xì)菌，參與磷酸化系統(tǒng)位于細(xì)胞膜上。隨著不斷進(jìn)化，細(xì)胞需要增加呼吸功能，因此需要不斷增加細(xì)胞膜的表面積，增加的膜不斷的內(nèi)陷、折疊、融合，最終演變?yōu)榫€粒體四、線粒體與細(xì)胞

及線粒體與醫(yī)學(xué)線粒體與細(xì)胞線粒體的主要功能體現(xiàn)在氧化磷酸化系統(tǒng)：產(chǎn)生能量，生成氧

基，調(diào)節(jié)程序化細(xì)胞 ,即細(xì)胞凋亡

(apoptosis)。機(jī)制：線粒體在能量代謝過(guò)程中形成的活性氧水平較高時(shí)，線粒體內(nèi)膜孔道開(kāi)放，導(dǎo)致跨膜電位，膜間腔蛋白外泄，細(xì)胞凋亡程序啟動(dòng)。四、線粒體與細(xì)胞

及線粒體與醫(yī)學(xué)線粒體病和發(fā)病機(jī)制