1、廣東醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院廣東醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物學(xué)教研室生物學(xué)教研室張華華張華華 副教授副教授第七章 線粒體Mitochondria 生命活動生命活動 生命活動需要的能量生命活動需要的能量 直接來自直接來自ATP 主要來自主要來自ATP ATP：細胞的能量貨幣：細胞的能量貨幣Mitochondria“Power plants” of the cell細胞的細胞的“動力工廠動力工廠”Teaching contentsPart 1 線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布 Part 2 線粒線粒體體的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成 Part 4 線粒體的半自主性線粒體的半自主性

2、 Part 3 線粒線粒體體的功能的功能 Part 5 線粒體與疾病線粒體與疾病Part 1 線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布線粒體的形態(tài)和大小線粒體的形態(tài)和大小光鏡下呈線狀、顆粒狀、光鏡下呈線狀、顆粒狀、 桿狀等形狀桿狀等形狀電鏡下呈長圓柱狀電鏡下呈長圓柱狀，類似細菌，非靜態(tài)結(jié)構(gòu)類似細菌，非靜態(tài)結(jié)構(gòu)較大的細胞器，較大的細胞器，直徑直徑0.2 1.0 m m、長、長14 m 成纖維細胞線狀線粒體成纖維細胞線狀線粒體 家兔肝臟細胞顆粒狀線粒體家兔肝臟細胞顆粒狀線粒體 蝙蝠肝臟細胞棒狀線粒體蝙蝠肝臟細胞棒狀線粒體線粒體的數(shù)目線粒體的數(shù)目數(shù)目在不同細胞差別很大。數(shù)目在不同

3、細胞差別很大。 最少（單細胞鞭毛藻）含最少（單細胞鞭毛藻）含1個線粒體，最多（巨個線粒體，最多（巨大變形蟲）的達大變形蟲）的達50萬個。正常細胞（哺乳動物萬個。正常細胞（哺乳動物肝細胞）中：肝細胞）中：10002000個。個。線粒體的分布線粒體的分布分布因細胞形態(tài)和類型的不同而存在差異。分布因細胞形態(tài)和類型的不同而存在差異。 通常分布于細胞生理功能旺盛的區(qū)域和需通常分布于細胞生理功能旺盛的區(qū)域和需 要能量較多的部位要能量較多的部位在同一個細胞內(nèi)，能量需求大的區(qū)域線粒體在同一個細胞內(nèi)，能量需求大的區(qū)域線粒體 分布數(shù)量相對多。分布數(shù)量相對多。 線粒體的分布線粒體的分布（Distribution o

4、f mitochondria） 精細胞中，沿鞭毛緊密排列；肌細胞中，包裝在鄰近肌原纖維中間精細胞中，沿鞭毛緊密排列；肌細胞中，包裝在鄰近肌原纖維中間 Part 2 線粒線粒體體的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成線粒體結(jié)構(gòu)線粒體結(jié)構(gòu)（Mitochondrial structure）由雙層單位膜套疊而成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu)由雙層單位膜套疊而成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu)線粒體結(jié)構(gòu)線粒體結(jié)構(gòu)（Mitochondrial structure）外膜外膜(outer membrane)內(nèi)膜內(nèi)膜(inner membrane)膜間腔膜間腔(intermembrane space)嵴嵴(crista)基質(zhì)腔基質(zhì)腔(matrix

5、 space) Outer membraneI. 脂類與蛋白質(zhì)脂類與蛋白質(zhì)比例：比例：1:1II. 富含轉(zhuǎn)運蛋白（孔富含轉(zhuǎn)運蛋白（孔蛋白蛋白, porin）允許）允許分子量分子量在在5000以以下下的物質(zhì)自由通過，的物質(zhì)自由通過，包括小的蛋白質(zhì)。包括小的蛋白質(zhì)。線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成 Inner membraneII.II.不含膽固醇，富含心磷脂不含膽固醇，富含心磷脂。 因此，高度因此，高度特化，質(zhì)子和離子的特化，質(zhì)子和離子的通透性小通透性小I.I.蛋白質(zhì)與脂類的比例蛋白質(zhì)與脂類的比例大于大于3:13:1III.III.含有含有三種不同功能的蛋白質(zhì)三種不同功能的蛋白質(zhì)ATPA

6、TP合成酶復(fù)合體，即基粒，合成酶復(fù)合體，即基粒，可合成可合成ATPATP呼吸鏈的酶復(fù)合體，即電子傳遞鏈，呼吸鏈的酶復(fù)合體，即電子傳遞鏈，執(zhí)行氧執(zhí)行氧化還原反應(yīng)化還原反應(yīng)特異性的轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)，特異性的轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)，調(diào)節(jié)物質(zhì)的進出基質(zhì)調(diào)節(jié)物質(zhì)的進出基質(zhì)線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成 Inner membrane基粒，基粒，ATPATP合成酶合成酶線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成 Inner membrane基?；＞€粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成a） F1 頭部頭部 催化部位催化部位b b）柄）柄c）F0 基部基部 質(zhì)子通道質(zhì)子通道abcccc基?；?Inner membr

7、aneElectron-transport chain (電子傳遞鏈電子傳遞鏈)線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成 電子傳遞鏈：內(nèi)膜上有序排列的酶體系，電子傳遞鏈：內(nèi)膜上有序排列的酶體系，是能夠按一定的順序組成遞氫是能夠按一定的順序組成遞氫（H+H+）或傳或傳遞電子遞電子（e-e-）的體系。此體系的一系列反的體系。此體系的一系列反應(yīng)和細胞攝取氧的呼吸過程相關(guān)，因此又應(yīng)和細胞攝取氧的呼吸過程相關(guān)，因此又稱為呼吸鏈或電子傳遞呼吸鏈稱為呼吸鏈或電子傳遞呼吸鏈 。 電子傳遞鏈：內(nèi)膜上有序排列的酶體系，電子傳遞鏈：內(nèi)膜上有序排列的酶體系，是按一定的順序組成，遞氫是按一定的順序組成，遞氫（H+H+）

8、或傳遞或傳遞電子電子（e-e-）的體系。此體系的一系列反應(yīng)的體系。此體系的一系列反應(yīng)和細胞攝取氧的呼吸過程相關(guān)，因此又稱和細胞攝取氧的呼吸過程相關(guān)，因此又稱為呼吸鏈或電子傳遞呼吸鏈為呼吸鏈或電子傳遞呼吸鏈 。電子傳遞鏈電子傳遞鏈/ /呼吸鏈呼吸鏈: :復(fù)合體復(fù)合體：NADH脫氫酶復(fù)合體，最大的酶復(fù)合體脫氫酶復(fù)合體，最大的酶復(fù)合體 1個個FMN,6個個Fe-S組成。組成。復(fù)合體復(fù)合體：琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶 FAD,Fe-S,細胞色素細胞色素b組成組成復(fù)合體復(fù)合體：細胞色素細胞色素c還原酶還原酶 細胞色素細胞色素b，細胞色素，細胞色素c,Fe-S組成，組成， 復(fù)合體復(fù)合體: 細胞色素細胞色素c

9、氧化酶氧化酶 細胞色素細胞色素a3，細胞色素，細胞色素a，Cu組成。組成。 Electron transport chain Electron transport chain IIIIIIIVUQUQNADH脫氫酶脫氫酶琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶細胞色素細胞色素C C還原酶還原酶細胞色素細胞色素C C氧化酶氧化酶輔酶輔酶Q Q細胞色素細胞色素c cIIIIIIIVUQUQ復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體eFADHNADHH電子傳遞途徑電子傳遞途徑O2充滿無定形液體，其中含有多種可溶性的酶、底物和輔助因子。intermembrane space 線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)

10、組成 Translocation contact site（轉(zhuǎn)位接觸（轉(zhuǎn)位接觸點）點） intermembrane space 線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成管狀（原生動物和其它一管狀（原生動物和其它一些較低等的動物細胞中線些較低等的動物細胞中線粒體的嵴）粒體的嵴）板層狀（大多數(shù)高等動物細板層狀（大多數(shù)高等動物細胞中線粒體的嵴）胞中線粒體的嵴）嵴：內(nèi)膜向內(nèi)腔折疊形成，可增加內(nèi)膜的嵴：內(nèi)膜向內(nèi)腔折疊形成，可增加內(nèi)膜的表面積。形態(tài)和排列方式差別很大。表面積。形態(tài)和排列方式差別很大。 matrix space Matrix a)可溶性酶可溶性酶b) mtDNA, RNA, 核糖體核糖體線粒

11、體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成線粒體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成蛋白質(zhì)（酶），干重的蛋白質(zhì)（酶），干重的7070左右左右脂類脂類 ，干重的，干重的 3030左右左右主要分布在基質(zhì)中和內(nèi)膜上主要分布在基質(zhì)中和內(nèi)膜上140140多種酶類多種酶類三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸分解三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸分解卵磷脂，心磷脂卵磷脂，心磷脂線粒體化學(xué)組成線粒體化學(xué)組成各種輔酶各種輔酶DNA,RNADNA,RNA代謝中間產(chǎn)物代謝中間產(chǎn)物 具有一整套遺傳的復(fù)制體系和表達體系具有一整套遺傳的復(fù)制體系和表達體系線粒體化學(xué)組成線粒體化學(xué)組成線粒體化學(xué)組成線粒體化學(xué)組成標志酶標志酶 Part 3 線粒線粒體體的功能的功能線粒體的功能線粒體

12、的功能 是細胞有氧呼吸的基地和供能的場所。是細胞有氧呼吸的基地和供能的場所。 線粒體的主要功能：細胞氧化線粒體的主要功能：細胞氧化/ /細胞呼吸細胞呼吸 供應(yīng)細胞生命活動供應(yīng)細胞生命活動95%95%的能量的能量（Mitochondrial function） 細胞氧化細胞氧化(cellular oxidation)(cellular oxidation)：在線粒體：在線粒體中有氧的參與下，分解各種供能物質(zhì)釋放能中有氧的參與下，分解各種供能物質(zhì)釋放能量的過程，由于細胞氧化過程中，要消耗量的過程，由于細胞氧化過程中，要消耗O O2 2釋釋放放COCO2 2和和H H2 2O O，所以又稱細胞呼吸，

13、所以又稱細胞呼吸(cellular (cellular respiration)respiration)。Cellular respiration (細胞呼吸細胞呼吸)The process occurs in four phases: 1.1.酵解酵解 2.2.乙酰輔酶乙酰輔酶A A形成形成 3.3.三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)4.4.電子傳遞偶聯(lián)氧化磷酸化電子傳遞偶聯(lián)氧化磷酸化高能底物水解放高能底物水解放能，直接將高能能，直接將高能磷酸鍵從底物轉(zhuǎn)磷酸鍵從底物轉(zhuǎn)移到移到ADPADP上，使上，使ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATPATP。糖酵解糖酵解細胞質(zhì)基質(zhì)細胞質(zhì)基質(zhì)葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸2AT

14、P(底物水平底物水平磷酸化磷酸化)TAC乙酰乙酰CoATACTAC34ATP+CO2+H2O伴隨線粒體內(nèi)膜電子伴隨線粒體內(nèi)膜電子傳遞鏈的氧化過程所傳遞鏈的氧化過程所進行的能量轉(zhuǎn)換和進行的能量轉(zhuǎn)換和ATPATP的生成。的生成。電子傳遞偶聯(lián)電子傳遞偶聯(lián)氧化磷酸化氧化磷酸化線粒體線粒體2ATP(底物底物水平磷酸化水平磷酸化)糖酵解糖酵解細胞質(zhì)細胞質(zhì)中進行中進行乙酰輔酶乙酰輔酶A A形成形成線粒體線粒體基質(zhì)基質(zhì)或或內(nèi)膜內(nèi)膜上進行上進行底物水平磷酸化產(chǎn)生底物水平磷酸化產(chǎn)生2ATP 丙酮酸脫氫酶體系丙酮酸脫氫酶體系作用作用三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán)線粒體線粒體基質(zhì)基質(zhì)中進行，中進行，三羧酸循環(huán)酶系三羧酸循環(huán)酶系

15、作用。作用。 底物水平磷酸化產(chǎn)生底物水平磷酸化產(chǎn)生2ATP2ATP氧化磷酸化：氧化磷酸化：伴隨線粒體內(nèi)膜電子傳遞鏈的伴隨線粒體內(nèi)膜電子傳遞鏈的氧化過程所進行的能量轉(zhuǎn)換和氧化過程所進行的能量轉(zhuǎn)換和ATPATP的生成。的生成。 電子傳遞偶聯(lián)電子傳遞偶聯(lián)氧化磷酸化氧化磷酸化 電子傳遞鏈：內(nèi)膜上有序排列的酶體系，電子傳遞鏈：內(nèi)膜上有序排列的酶體系，是能夠按一定的順序組成遞氫（是能夠按一定的順序組成遞氫（H+H+）或傳）或傳遞電子（遞電子（e-e-）的體系。此體系的一系列反）的體系。此體系的一系列反應(yīng)和細胞攝取氧的呼吸過程相關(guān)，因此又應(yīng)和細胞攝取氧的呼吸過程相關(guān)，因此又稱為呼吸鏈或電子傳遞呼吸鏈稱為呼吸

16、鏈或電子傳遞呼吸鏈 。氧化磷酸化氧化磷酸化復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體O2eHNADHeHHHHHHHHHHH2O結(jié)果結(jié)果1：膜間隙的H濃度升高，和內(nèi)膜兩側(cè)膜電位差， 能量轉(zhuǎn)化為電化學(xué)梯度結(jié)果結(jié)果2：e，H，O,三者形成H2OCoQCyt-c線粒體外膜線粒體內(nèi)膜線粒體基質(zhì)細細 胞胞 質(zhì)質(zhì)復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體O2eHFADH2eHHHHHHHHHHH2O結(jié)果結(jié)果1：膜間隙的H濃度升高，和內(nèi)膜兩側(cè)膜電位差， 能量轉(zhuǎn)化為電化學(xué)梯度電化學(xué)梯度結(jié)果結(jié)果2：e，H，O,三者形成H2OCoQCyt-c線粒體外膜線粒體內(nèi)膜線粒體基質(zhì)細細 胞胞 質(zhì)質(zhì)電子傳遞鏈電子傳遞鏈/呼吸鏈呼吸鏈:A

17、TP的形成的形成:氧化磷酸化的兩個過程：氧化磷酸化的兩個過程：電子在線粒體內(nèi)膜上的電子在線粒體內(nèi)膜上的 酶體系上逐級傳遞，酶體系上逐級傳遞，最后給最后給O2，這些有順序的酶體系：，這些有順序的酶體系：H質(zhì)子電化學(xué)梯度驅(qū)使質(zhì)子電化學(xué)梯度驅(qū)使ATPase形成形成ATP復(fù)合體復(fù)合體： NADH脫氫酶脫氫酶復(fù)合體復(fù)合體：琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶復(fù)合體復(fù)合體：細胞色素細胞色素c還原酶還原酶 復(fù)合體復(fù)合體: 細胞色素細胞色素c氧化酶氧化酶 電子傳遞鏈電子傳遞鏈/呼吸鏈呼吸鏈:ATP的形成的形成:氧化磷酸化的兩個過程：氧化磷酸化的兩個過程：復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體復(fù)合體O2eFADH2NA

18、DHHH2OH質(zhì)子電化學(xué)梯度驅(qū)使質(zhì)子電化學(xué)梯度驅(qū)使ATPase形成形成ATP電子傳遞過程伴隨著內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子電化學(xué)梯度形成電子傳遞過程伴隨著內(nèi)膜兩側(cè)的質(zhì)子電化學(xué)梯度形成線粒體外膜線粒體內(nèi)膜HHHHHHHHHHHHHHHHHH電化學(xué)梯度電化學(xué)梯度: 內(nèi)膜兩側(cè)內(nèi)膜兩側(cè)H濃度差，膜電位差濃度差，膜電位差HHHHH線粒體基質(zhì)電化學(xué)梯度電化學(xué)梯度推動推動ATPase合成合成ATP細細 胞胞 質(zhì)質(zhì)氧化磷酸化偶聯(lián)機制氧化磷酸化偶聯(lián)機制 化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說ATP合成氧化磷酸化偶聯(lián)機制氧化磷酸化偶聯(lián)機制 化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說TCANADHFADH2CO2丙酮酸丙酮酸乙酰輔酶乙酰輔酶AH+H+H+H+H

19、+H+H+H+H+H+H+H+H+H+34ATP38ATP Part 4 線粒體的半自主性線粒體的半自主性線粒體：半自主性細胞器線粒體：半自主性細胞器(Mitochondrion: semiautonomous organelle)擁有自身的擁有自身的DNADNA，能合成能合成RNARNA和蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì) 大多數(shù)線粒體蛋大多數(shù)線粒體蛋白質(zhì)由核基因編碼，白質(zhì)由核基因編碼，在細胞質(zhì)中合成后轉(zhuǎn)在細胞質(zhì)中合成后轉(zhuǎn)運到線粒體中。線粒運到線粒體中。線粒體遺傳系統(tǒng)受控于細體遺傳系統(tǒng)受控于細胞核遺傳系統(tǒng)。胞核遺傳系統(tǒng)。 線粒體：半自主性細胞器線粒體：半自主性細胞器(Mitochondrion: semiaut

20、onomous organelle)線粒體中約有線粒體中約有1000-1500種蛋白質(zhì)，除少數(shù)蛋白種蛋白質(zhì)，除少數(shù)蛋白質(zhì)由質(zhì)由mtDNA編碼外，大多數(shù)蛋白質(zhì)都是由核基編碼外，大多數(shù)蛋白質(zhì)都是由核基因組編碼并由胞質(zhì)核糖體合成轉(zhuǎn)運入線粒體的。因組編碼并由胞質(zhì)核糖體合成轉(zhuǎn)運入線粒體的。線粒體：半自主性細胞器線粒體：半自主性細胞器(Mitochondrion: semiautonomous organelle)nucleuscytosolmatrix線粒體：半自主性細胞器線粒體：半自主性細胞器(Mitochondrion: semiautonomous organelle) 細胞核編碼多肽進入線粒體基

21、質(zhì)的過程細胞核編碼多肽進入線粒體基質(zhì)的過程 前體蛋白（前體蛋白（precursor）：轉(zhuǎn)運入線粒體的蛋白質(zhì)，）：轉(zhuǎn)運入線粒體的蛋白質(zhì)，在轉(zhuǎn)運到線粒體之前稱為前體蛋白。在轉(zhuǎn)運到線粒體之前稱為前體蛋白。 導(dǎo)肽：在其導(dǎo)肽：在其N-末端都有一段末端都有一段2080個氨基酸組成個氨基酸組成的序列，稱為基質(zhì)導(dǎo)入序列（的序列，稱為基質(zhì)導(dǎo)入序列（matrix-targeting sequence,MTS）。導(dǎo)肽富含堿性氨基酸，含有識）。導(dǎo)肽富含堿性氨基酸，含有識別線粒體的信息。別線粒體的信息。線粒體：半自主性細胞器線粒體：半自主性細胞器(Mitochondrion: semiautonomous organelle) 細胞核編碼多肽進入線粒體基質(zhì)的過程細胞核編碼多肽進入線粒體基質(zhì)的過程 線粒體：半自主性細胞器線粒體：半自主性細胞器(Mitochondrion: semiautonomous organelle) 細胞核編碼多肽進入線粒體基質(zhì)的過程細胞核編碼多肽進入線粒體基質(zhì)的過程 Part 5 線粒體與疾病線粒體與疾病線粒體疾病的特征線粒體疾病的特征 母系遺傳母系遺傳線粒體基因突變所致的疾病線粒體基因突變所致的疾病二二 線粒體疾病線粒體