細(xì)胞生物學(xué)線粒體

2021/3/29星期一1線粒體(mitochondrion)：線粒體是細(xì)胞進(jìn)行氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要場(chǎng)所，被稱為能量轉(zhuǎn)換器，線粒體為細(xì)胞提供生命活動(dòng)所需同能量的80%，所以線粒體被比喻為細(xì)胞的“動(dòng)力工廠”。1894年，Alman首先在動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)線粒體。2021/3/29星期一2第六章線粒體線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)線粒體的化學(xué)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(xué)復(fù)習(xí)題2021/3/29星期一3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(xì)胞中差異較大，細(xì)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(xì)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(xì)胞中線粒體沿鞭毛緊密排列。2021/3/29星期一4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)2021/3/29星期一5外膜(outermembrane)外膜是線粒體與細(xì)胞質(zhì)臨界的單位膜，厚5~7nm，光滑平整。含有多種轉(zhuǎn)運(yùn)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(guò)10kd以下的小分子及多肽物質(zhì)，因此通透性良好。外膜2021/3/29星期一6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(diǎn)：向內(nèi)突起形成嵴(cristae)？?jī)?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2021/3/29星期一7基粒：又稱ATP合酶復(fù)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。基部：嵌入內(nèi)膜中?；?021/3/29星期一8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(gè)嵴內(nèi)的空間→外腔。

2021/3/29星期一9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(jìn)行氧化分解的場(chǎng)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。2021/3/29星期一10蛋白質(zhì)：種類多。脂類：主要是磷脂，構(gòu)成膜。DNA：一個(gè)分子，多個(gè)拷貝。其它成分：水、酶、無(wú)機(jī)離子及維生素等?；瘜W(xué)組成成分2021/3/29星期一11蛋白質(zhì)含量多：達(dá)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(xì)胞器，參與物質(zhì)分解和氧化磷酸化。含有DNA：是細(xì)胞內(nèi)除核外唯一含DNA的細(xì)胞器?；瘜W(xué)組成特點(diǎn)2021/3/29星期一12線粒體是細(xì)胞核以外惟一含DNA的細(xì)胞器，具有獨(dú)立合成蛋白質(zhì)的能力，但一定程度上受細(xì)胞核的控制，因此線粒體是具有半自主性的細(xì)胞器。2021/3/29星期一13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。2021/3/29星期一14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(yùn)過(guò)程圖2021/3/29星期一15緊密折疊的蛋白不可能穿越線粒體膜，因此在運(yùn)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(dǎo)入序列(MTS)?；|(zhì)導(dǎo)入序列又稱導(dǎo)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(shí)別并結(jié)合，從而定向蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。

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(yùn)的準(zhǔn)確性。2021/3/29星期一16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(kāi)的構(gòu)象，也可防止已松弛的前體蛋白聚集。細(xì)胞質(zhì)中的PBF與線粒體前體蛋白結(jié)合后可增強(qiáng)hsp70對(duì)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。細(xì)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）2021/3/29星期一17前體蛋白在其N端具有導(dǎo)肽，能夠被線粒體膜上受體識(shí)別并結(jié)合，從而定向蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。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(jìn)入線粒體膜的輸入通道，最終穿越線粒體膜。（圖）2021/3/29星期一18蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體基質(zhì)后，必須恢復(fù)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）2021/3/29星期一19線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)信號(hào)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(yùn)特點(diǎn)2021/3/29星期一20線粒體以分裂方式增殖。分兩個(gè)階段：生長(zhǎng)階段：線粒體膜的生長(zhǎng)，mtDNA復(fù)制，然后分裂。分化過(guò)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(jī)構(gòu)。2021/3/29星期一21細(xì)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(xì)胞呼吸。是細(xì)胞內(nèi)提供生物能源的主要途徑。2021/3/29星期一22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(gè)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2021/3/29星期一23(一)線粒體形態(tài)改變?cè)诩?xì)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(xì)胞在功能亢進(jìn)時(shí)，線粒體增生；腫瘤細(xì)胞可見(jiàn)大量線粒體密集于細(xì)胞質(zhì)中，使細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的體積減少。2021/3/29星期一24有害物質(zhì)和病毒可導(dǎo)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(shí)有2~3個(gè)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(dǎo)致功能發(fā)生變化。2021/3/29星期一25(二)線粒體功能異常如甲狀腺功能亢進(jìn)，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(jìn)的發(fā)生機(jī)制：甲狀腺素Na+-K+-ATP酶ATP分解→ADP＋Pi→ADP進(jìn)入線粒體數(shù)量增加→氧化磷酸化偶聯(lián)作用加強(qiáng)→底物氧化↑→耗氧量及產(chǎn)熱量皆提高?；罨涌?021/3/29星期一26(三)mtDNA異常致線粒體病線粒體DNA是裸露的，在復(fù)制過(guò)程中易發(fā)生突變并很少修復(fù)，錯(cuò)誤的mtDNA可通過(guò)線粒體分裂及細(xì)胞分裂傳給子代線粒體或子細(xì)胞，表現(xiàn)線粒體遺傳現(xiàn)象。2021/3/29星期一27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(jì)失調(diào)，感覺(jué)神經(jīng)性聽(tīng)力喪失，輕度癡呆，擴(kuò)張性心肌病和腎功能異常等癥狀。2021/3/29星期一28發(fā)病機(jī)理：mtDNA8344G突變→線粒體蛋白質(zhì)合成的整體水平↓→除復(fù)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(fù)合物Ⅰ和Ⅳ的含量降低)。2021/3/29星期一292021/3/29星期一30線粒體核肌動(dòng)蛋白單體頂體2021/3/29星期一312021/3/29星期一32嵴間腔內(nèi)腔(基質(zhì)腔)外腔(膜間腔)嵴內(nèi)腔(嵴內(nèi)空間)2021/3/29星期一33在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。有機(jī)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2021/3/29星期一34在線粒體基質(zhì)中進(jìn)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(gè)羧基)→三羧酸循環(huán)(TAC循環(huán))。分解結(jié)合2021/3/29星期一35mt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(gè)H2O，生成1分子GTP(→ATP)，2分子CO2，脫下4對(duì)H，重新生成草酰乙酸，再和另一個(gè)乙酰CoA結(jié)合，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。2021/3/29星期一36分別在線粒體內(nèi)膜及基粒上進(jìn)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(shí)釋放的H+、電子和能量如何安置?2021/3/29星期一37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(jí)傳遞給1/2O2→O2－。解離氧化2021/3/29星期一38呼吸鏈(respiratorychain)：又稱電子傳遞鏈(electrontransportrespiratorychain)，是由四種復(fù)合物組成的復(fù)合體，主要功能是H+和電子的傳遞。2021/3/29星期一39遞氫體：既傳遞電子又傳遞質(zhì)子，獨(dú)立作用，復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ

。遞電子體：只傳遞電子，協(xié)作作用，復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。NADH-CoQ氧化還原酶琥珀酸－CoQ氧化還原酶CoQH2－細(xì)胞色素C氧化還原酶細(xì)胞色素C氧化酶2021/3/29星期一40NADH呼吸鏈：由復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ組成，催化NADH氧化，是主呼吸鏈。FADH2呼吸鏈：由復(fù)合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組成，催化FADH2氧化，是次呼吸鏈。

2021/3/29星期一412021/3/29星期一42H+的傳遞：通過(guò)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(jí)傳遞，最終使O2成為O2－，與基質(zhì)中2個(gè)H+化合生成H2O。1212O2－2021/3/29星期一432021/3/29星期一442021/3/29星期一452021/3/29星期一46氧化磷酸化：電子在傳遞過(guò)程中由高能變?yōu)榈湍埽尫懦龅哪芰勘晃挥诰€粒體內(nèi)膜上的F0F1ATP合酶復(fù)合體催化ADP+Pi→ATP。2021/3/29星期一472021/3/29星期一48ATP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(fù)合體。酶活性：兩種酶活性。ATP水解酶的活性：獨(dú)立。ATP合成酶的活性：內(nèi)膜。2021/3/29星期一49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(guò)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。2021/3/29星期一50化學(xué)滲透假說(shuō)：英國(guó)生物化學(xué)家P.Mitchell1