細胞生物學線粒體

2021/5/91線粒體(mitochondrion)：線粒體是細胞進行氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要場所，被稱為能量轉(zhuǎn)換器，線粒體為細胞提供生命活動所需同能量的80%，所以線粒體被比喻為細胞的“動力工廠”。1894年，Alman首先在動物細胞中發(fā)現(xiàn)線粒體。2021/5/92第六章線粒體線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)線粒體的化學組成線粒體的功能線粒體的半自主性線粒體的生物發(fā)生線粒體與醫(yī)學復習題2021/5/93光鏡下的結(jié)構(gòu)：光鏡下線粒體呈線狀、粒狀或桿狀。線粒體的數(shù)量：不同類型的細胞中差異較大，細胞代謝旺盛→數(shù)目多，代謝不旺盛→數(shù)目少。線粒體的分布：因細胞形態(tài)和類型的不同而存在差異，一般集中在功能旺盛、需要能量的部位。如精細胞中線粒體沿鞭毛緊密排列。2021/5/94電鏡下：線粒體是由雙層單位膜套疊而成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu)。外膜內(nèi)膜膜間腔（外腔）嵴基質(zhì)腔（內(nèi)腔）線粒體的超微結(jié)構(gòu)2021/5/95外膜(outermembrane)外膜是線粒體與細胞質(zhì)臨界的單位膜，厚5~7nm，光滑平整。含有多種轉(zhuǎn)運蛋白，圍成筒狀園柱體，中央有小孔，形成φ2~3nm的跨膜水相通道，可以通過10kd以下的小分子及多肽物質(zhì)，因此通透性良好。外膜2021/5/96內(nèi)膜(innermembrane)內(nèi)膜：位于外膜內(nèi)側(cè)，功能膜，是電子傳遞和氧化磷酸化的部位，通透性差，表面不光滑。內(nèi)膜的結(jié)構(gòu)特點：向內(nèi)突起形成嵴(cristae)？內(nèi)表面附著有基粒(elementaryparticle)外膜內(nèi)膜嵴嵴間腔嵴內(nèi)腔膜間腔（外腔）基質(zhì)腔（內(nèi)腔）基粒2021/5/97基粒：又稱ATP合酶復合體(ATPsynthasecomplex)，是產(chǎn)生ATP的部位。形態(tài)上分三部分：頭部：突出于內(nèi)腔中，具有ATP酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP。柄部：連接頭部與基片?；浚呵度雰?nèi)膜中?；?021/5/98線粒體的空間結(jié)構(gòu)膜及嵴將線粒體空間分成幾部分：基質(zhì)腔(matrixspace)：又叫內(nèi)腔，是內(nèi)膜圍成的空間，含基質(zhì)。膜間腔(intermembranespace)

：又叫外腔，是線粒體內(nèi)、外膜之間腔。嵴間腔(intercristaespace)：嵴和嵴之間的空間→內(nèi)腔。嵴內(nèi)腔(intracristaespace)：每個嵴內(nèi)的空間→外腔。

2021/5/99基質(zhì)基質(zhì)(matrix)：線粒體內(nèi)腔充滿了電子密度較低的可溶性蛋白質(zhì)和脂肪等成分，稱基質(zhì)?；|(zhì)是物質(zhì)進行氧化分解的場所，與三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白質(zhì)合成等有關(guān)的酶都在基質(zhì)中。含有雙鏈環(huán)狀DNA、核糖體。2021/5/910蛋白質(zhì)：種類多。脂類：主要是磷脂，構(gòu)成膜。DNA：一個分子，多個拷貝。其它成分：水、酶、無機離子及維生素等?；瘜W組成成分2021/5/911蛋白質(zhì)含量多：達1000多種，占干重的65~70%，多分布在內(nèi)膜和基質(zhì)。分為兩類：一類是可溶性蛋白，另一類是不溶性蛋白。線粒體酶含量多：是含酶最多的細胞器，參與物質(zhì)分解和氧化磷酸化。含有DNA：是細胞內(nèi)除核外唯一含DNA的細胞器。化學組成特點2021/5/912線粒體是細胞核以外惟一含DNA的細胞器，具有獨立合成蛋白質(zhì)的能力，但一定程度上受細胞核的控制，因此線粒體是具有半自主性的細胞器。2021/5/913線粒體DNA的形態(tài)結(jié)構(gòu)mtDNA為雙鏈結(jié)構(gòu)。兩條鏈編碼不同的基因。根據(jù)兩條鏈轉(zhuǎn)錄RNA在CsCl中密度不同，分為重鏈(heavystrand,H)和輕鏈(lightstrand,L)。mtDNA環(huán)狀形態(tài)，核DNA→鏈狀。mtDNA裸露，不與組蛋白結(jié)合。2021/5/914前體蛋白在線粒體外去折疊。多肽鏈穿越線粒體膜。多肽鏈在線粒體內(nèi)重新折疊。（圖）核編碼蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運過程圖2021/5/915緊密折疊的蛋白不可能穿越線粒體膜，因此在運輸前必須去折疊。線粒體前體蛋白：蛋白質(zhì)“成熟”形式＋基質(zhì)導入序列(MTS)?；|(zhì)導入序列又稱導肽，是輸入線粒體的蛋白質(zhì)在其N端具有的一段氨基酸序列，能夠被線粒體膜上的受體識別并結(jié)合，從而定向蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運。

少數(shù)線粒體前體蛋白與稱為NAC的分子伴侶結(jié)合，可增加蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運的準確性。2021/5/916多數(shù)線粒體前體蛋白與稱為hsp70的分子伴侶結(jié)合，可防止前體蛋白形成不可解開的構(gòu)象，也可防止已松弛的前體蛋白聚集。細胞質(zhì)中的PBF與線粒體前體蛋白結(jié)合后可增強hsp70對蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運。細胞質(zhì)中的MSF能夠發(fā)揮ATP酶的作用，為蛋白質(zhì)去折疊供能。（圖）2021/5/917前體蛋白在其N端具有導肽，能夠被線粒體膜上受體識別并結(jié)合，從而定向蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運。前體蛋白與胞質(zhì)Hsp70分離，與線粒體外膜上的受體結(jié)合，與線粒體膜接觸，前體蛋白進入線粒體膜的輸入通道，最終穿越線粒體膜。（圖）2021/5/918蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運至線粒體基質(zhì)后，必須恢復其天然構(gòu)象以行使功能。分子伴侶mthsp70、mthsp60、mthsp10等參與蛋白質(zhì)的重新折疊與組裝。（圖）2021/5/919線粒體轉(zhuǎn)運信號及其受體消耗能量分子伴侶的協(xié)助有蛋白質(zhì)的去折疊和再折疊核編碼的蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運特點2021/5/920線粒體以分裂方式增殖。分兩個階段：生長階段：線粒體膜的生長，mtDNA復制，然后分裂。分化過程：線粒體內(nèi)部酶的合成，建立能夠行使氧化磷酸化功能的機構(gòu)。2021/5/921細胞氧化（cellularoxidation）：在O2的參與下分解各種大分子物質(zhì)，最終產(chǎn)生CO2和H2O，釋放的能量生成ATP，又稱為細胞呼吸。是細胞內(nèi)提供生物能源的主要途徑。2021/5/922大分子物質(zhì)脂肪、多糖和蛋白質(zhì)，分解產(chǎn)生能量，大體上可分為四個階段。糖酵解胞質(zhì)乙酰輔酶A形成三羧酸循環(huán)氧化磷酸化線粒體2021/5/923(一)線粒體形態(tài)改變在細胞處于不正常狀態(tài)下，線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)可發(fā)生改變。如正常心肌、骨骼肌細胞在功能亢進時，線粒體增生；腫瘤細胞可見大量線粒體密集于細胞質(zhì)中，使細胞質(zhì)基質(zhì)的體積減少。2021/5/924有害物質(zhì)和病毒可導致線粒體發(fā)生腫脹至破裂；缺血性損傷可致線粒體結(jié)構(gòu)變異，如凝集、腫脹等；在病變組織中有時有2~3個線粒體融合成大線粒體的現(xiàn)象。線粒體結(jié)構(gòu)改變將導致功能發(fā)生變化。2021/5/925(二)線粒體功能異常如甲狀腺功能亢進，即患者甲狀腺產(chǎn)生甲狀腺素增多，造成患者代謝率升高。甲狀腺功能亢進的發(fā)生機制：甲狀腺素Na+-K+-ATP酶ATP分解→ADP＋Pi→ADP進入線粒體數(shù)量增加→氧化磷酸化偶聯(lián)作用加強→底物氧化↑→耗氧量及產(chǎn)熱量皆提高。活化加快2021/5/926(三)mtDNA異常致線粒體病線粒體DNA是裸露的，在復制過程中易發(fā)生突變并很少修復，錯誤的mtDNA可通過線粒體分裂及細胞分裂傳給子代線粒體或子細胞，表現(xiàn)線粒體遺傳現(xiàn)象。2021/5/927如肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維病(MERRF綜合征)：線粒體腦肌病，包括線粒體缺陷和大腦與肌肉的功能變化。主要癥狀：肌陣攣性癲癇的短暫發(fā)作(周期性抽搐)，共濟失調(diào)，感覺神經(jīng)性聽力喪失，輕度癡呆，擴張性心肌病和腎功能異常等癥狀。2021/5/928發(fā)病機理：mtDNA8344G突變→線粒體蛋白質(zhì)合成的整體水平↓→除復合物Ⅱ以外的氧化磷酸化成分含量降低(尤其是呼吸鏈酶復合物Ⅰ和Ⅳ的含量降低)。2021/5/9292021/5/930線粒體核肌動蛋白單體頂體2021/5/9312021/5/932嵴間腔內(nèi)腔(基質(zhì)腔)外腔(膜間腔)嵴內(nèi)腔(嵴內(nèi)空間)2021/5/933在細胞質(zhì)中進行。有機物(如葡萄糖)在酶作用下生成丙酮酸，生成2分子ATP。C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi2CH3COCOOH+2NADH+2H++2ATP糖酵解酶2021/5/934在線粒體基質(zhì)中進行。丙酮酸→線粒體基質(zhì)乙酰CoA＋草酰乙酸(4C)

檸檬酸(6C，含三個羧基)→三羧酸循環(huán)(TAC循環(huán))。分解結(jié)合2021/5/935mt基質(zhì)中有參與三羧酸循環(huán)的所有酶類。一次循環(huán)反應(yīng)，總共消耗3個H2O，生成1分子GTP(→ATP)，2分子CO2，脫下4對H，重新生成草酰乙酸，再和另一個乙酰CoA結(jié)合，開始下一個循環(huán)。2021/5/936分別在線粒體內(nèi)膜及基粒上進行。線粒體能量轉(zhuǎn)換策略

三羧酸循環(huán)中的能量轉(zhuǎn)換。NAD+→NADH，F(xiàn)AD+→FADH2。NADH和FADH2必須被氧化才能維持三羧酸循環(huán)。NADH+1/2O2→NAD++能量FADH2+1/2O2→FAD++能量NADH和FADH2被氧化時釋放的H+、電子和能量如何安置?2021/5/937氧化還原：脫下的H

H2O。H不直接與O2結(jié)合，H

H+＋e－。e－經(jīng)呼吸鏈逐級傳遞給1/2O2→O2－。解離氧化2021/5/938呼吸鏈(respiratorychain)：又稱電子傳遞鏈(electrontransportrespiratorychain)，是由四種復合物組成的復合體，主要功能是H+和電子的傳遞。2021/5/939遞氫體：既傳遞電子又傳遞質(zhì)子，獨立作用，復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ

。遞電子體：只傳遞電子，協(xié)作作用，復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。NADH-CoQ氧化還原酶琥珀酸－CoQ氧化還原酶CoQH2－細胞色素C氧化還原酶細胞色素C氧化酶2021/5/940NADH呼吸鏈：由復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ組成，催化NADH氧化，是主呼吸鏈。FADH2呼吸鏈：由復合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組成，催化FADH2氧化，是次呼吸鏈。

2021/5/9412021/5/942H+的傳遞：通過遞氫體由線粒體基質(zhì)釋放至膜間腔。電子的傳遞：經(jīng)呼吸鏈逐級傳遞，最終使O2成為O2－，與基質(zhì)中2個H+化合生成H2O。1212O2－2021/5/9432021/5/9442021/5/9452021/5/946氧化磷酸化：電子在傳遞過程中由高能變?yōu)榈湍?，釋放出的能量被位于線粒體內(nèi)膜上的F0F1ATP合酶復合體催化ADP+Pi→ATP。2021/5/9472021/5/948ATP合酶(ATPsynthasecomplex)

基粒位于線粒體的內(nèi)膜上，有頭部、柄部和基片組成，是生成ATP的關(guān)鍵部位，又稱為ATP合酶復合體。酶活性：兩種酶活性。ATP水解酶的活性：獨立。ATP合成酶的活性：內(nèi)膜。2021/5/949頭部:由α3β3δ亞基組成，是合成ATP的部位。柄部：由γε亞基構(gòu)成,γ亞基穿過頭部作為頭部旋轉(zhuǎn)的軸。基片：由3種不同的亞基組成的十五聚體(1a∶2b∶12c)。嵌于線粒體內(nèi)膜，是質(zhì)子流經(jīng)的通道。2021/5/950化學滲透假說：英國生物化學家P.Mitchell1961年提出了化學滲透假說(chemiosomoticcomplinghypothesis)解釋氧化磷酸化的偶聯(lián)機理。

2021/5/951化學滲透假說的主要內(nèi)容：e－傳遞過程中釋放能量將H+從內(nèi)腔→外腔。mt內(nèi)膜對H+的不通透性造成內(nèi)膜兩側(cè)產(chǎn)生質(zhì)子動勢(質(zhì)子濃度梯度和電化學梯度，高能)。H+順濃度梯度返回內(nèi)腔，釋放的能量驅(qū)動ATP合酶復合體催化ADP磷酸化合成ATP。2021/5/952化學滲透假說兩個特點：強調(diào)線粒體膜結(jié)構(gòu)的完整性：H+