第十五章線粒體

(mitochondria)細胞的動力站合成生命活動所需的直接能源物質(zhì)——ATP細胞內(nèi)線粒體（綠色）熒光顯示線粒體的認識歷程1894年Altmann首次在動物細胞中發(fā)現(xiàn);1948年Hogeboom用分步離心法分離得到線粒體，建立線粒體是細胞的能量代謝中心概念;1963～1964年發(fā)現(xiàn)線粒體中存在DNA和DNA轉(zhuǎn)錄、翻譯系統(tǒng).數(shù)量:與細胞新陳代謝有關(guān)分布：均勻分布在細胞質(zhì)中，有些分布的位置與供能部位有關(guān)心肌細胞精子尾部鞭毛髓部線粒體一、線粒體的形態(tài)

可塑性細胞器，多為粒狀、桿狀或線狀直徑為0.5～1.0m，長1.5～3.0m第一節(jié)線粒體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)蝙蝠胰腺細胞線粒體的電鏡圖

二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)分為4個部分：外膜(outermembrane)

內(nèi)膜（innermembrane）

膜間腔（intermembranespace）

內(nèi)室（innerchamber）電鏡下是由兩層單位膜圍成的封閉的囊狀結(jié)構(gòu)（一）外膜包圍在線粒體最外面的一層單位膜厚約6nm脂類組成與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相似含大量孔蛋白(Porin)，允許<10KDa分子通過，具高通透性，使得膜間腔環(huán)境幾乎與胞質(zhì)相似。外膜（二）內(nèi)膜外膜內(nèi)側(cè)的一層單位膜向內(nèi)折疊形成嵴（cristae）基本微粒通透性較低（1500）線粒體嵴：

線粒體內(nèi)膜向基質(zhì)側(cè)折疊形成向內(nèi)的突起；

增大內(nèi)膜呼吸面積；

形態(tài)、數(shù)量因細胞類型而異與長軸垂直板層狀嵴管狀嵴心肌細胞排列緊密的板層狀嵴縱行排列板層狀嵴基本微粒(elementaryparticle)內(nèi)膜和嵴的基質(zhì)面上帶柄的顆粒多個亞基構(gòu)成的蛋白復(fù)合體--ATP酶復(fù)合體(ATPasecomplex)能量轉(zhuǎn)換單位基本微粒的結(jié)構(gòu)示意圖及電鏡圖

（三）膜間腔線粒體外膜與內(nèi)膜之間，又稱外室（outerchamber）含有許多可溶性酶類、底物和輔助因子

（四）內(nèi)室（innerchamber）又稱基質(zhì)（matrix)含各種蛋白質(zhì)酶：三羧酸循環(huán)、丙酮酸氧化以及DNA、RNA和蛋白質(zhì)合成所需要的酶等基質(zhì)顆粒：內(nèi)含Ca2+、Mg2+、Zn2+等離子線粒體DNA、RNA及核糖體線粒體組分的分離技術(shù)低滲處理一定轉(zhuǎn)速下離心，上清液為膜間腔組分膜間腔組分轉(zhuǎn)入高滲溶液使其回縮密度梯度離心，分離外膜去垢劑（Lubrol）裂解內(nèi)膜并離心內(nèi)膜基質(zhì)外膜第二節(jié)線粒體的化學(xué)組成蛋白質(zhì)占線粒體干重的65%-75%

結(jié)構(gòu)蛋白、載體蛋白、多種酶內(nèi)膜和基質(zhì)含量最豐富脂類占25%-30%,主要為磷脂，膽固醇少內(nèi)、外膜脂質(zhì)成分差異其它：少量核酸、無機鹽、輔助因子及水（一）蛋白質(zhì)在線粒體各結(jié)構(gòu)組成分布差異較大大鼠肝細胞線粒體中蛋白質(zhì)分布外膜6%

膜間腔6%

內(nèi)膜21%

內(nèi)室67%（二）脂類主要是磷脂，內(nèi)外膜上的組成不同外膜：主要是卵磷脂內(nèi)膜：主要是心磷脂，含量高達20%

內(nèi)、外膜脂類與蛋白質(zhì)的比值內(nèi)膜0.3:1

外膜1:1第三節(jié)線粒體的功能提供細胞生命活動80%以上的能量有機物氧化分解H2O+CO2+能量細胞氧化ADP+PiATP

細胞氧化細胞內(nèi)氨基酸、脂肪酸、單糖等供能物質(zhì)被徹底氧化而釋放能量的過程，此過程要攝取氧，產(chǎn)生的CO2最終排出體外，又稱細胞呼吸。

（一）、糖酵解（細胞質(zhì)基質(zhì)）1分子葡萄糖2分子丙酮酸+2ATP+4H

線粒體受氫體NAD+此過程不需要氧（二）、乙酰輔酶A的形成

2丙酮酸丙酮酸脫氫酶

4H+2乙?；o酶ANAD+2乙酰輔酶A線粒體基質(zhì)中發(fā)生

(三)、三羧酸循環(huán)（線粒體基質(zhì)）

乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合形成檸檬酸,檸檬酸經(jīng)一系列反應(yīng)氧化脫羧，生成草酰乙酸；草酰乙酸又可與另一分子的乙酰輔酶A結(jié)合重新形成檸檬酸。如此反復(fù)循環(huán)，故稱三羧酸循環(huán)凈生成2分子GTP，8對H原子，6對由NAD+攜帶，2對由FAD攜帶三羧酸循環(huán)示意圖4ATPCO212對H

2對H2ATP，8對H2ATP，2對H

二、電子傳遞和氧化磷酸化的偶聯(lián)電子傳遞鏈（electrontransferchain）

位于線粒體內(nèi)膜上，由一系列能夠可逆接受和釋放H+或e-的酶和輔酶有序地排列成相互關(guān)聯(lián)的鏈狀結(jié)構(gòu)。電子傳遞過程中釋放能量.

電子傳遞鏈主要組分復(fù)合體Ⅰ（NADH脫氫酶）復(fù)合體Ⅱ（琥珀酸脫氫酶）復(fù)合體Ⅲ（細胞色素b-c1）復(fù)合體Ⅳ（細胞色素c氧化酶）電子傳遞過程中，伴隨質(zhì)子轉(zhuǎn)移1953年由SlaterE.C.提出“化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說”。1961年MitchellP.提出“化學(xué)滲透假說”。1964年BoyerP.D.提出“構(gòu)象假說”。至20世紀70年代，化學(xué)滲透假說在取得大量實驗結(jié)果證實的基礎(chǔ)上，已成為氧化磷酸化作用中較為流行的一種假說。電子傳遞和氧化磷酸化的偶聯(lián)（電子傳遞與ATP產(chǎn)生的關(guān)系）

化學(xué)滲透假說

在電子傳遞過程中，質(zhì)子氫與電子的交替?zhèn)鬟f，使H+從內(nèi)膜內(nèi)側(cè)向外側(cè)定向轉(zhuǎn)移。由于線粒體內(nèi)膜對H+高度不通透，造成內(nèi)膜兩側(cè)跨膜質(zhì)子梯度，形成質(zhì)子動力勢。其中蘊藏的能量驅(qū)使H+

穿過ATP合成酶，驅(qū)動ADP與Pi形成ATP。

電子傳遞鏈可作為質(zhì)子泵，將線粒體基質(zhì)中的H+泵至膜間腔ATP合成酶復(fù)合體ATP合成酶的分子結(jié)構(gòu)

F1：3α、3β、1γ、1ε、1δ

FO:a、b、c

定轉(zhuǎn)子模型轉(zhuǎn)子:γε定子:abδ在嗜熱菌的ATPase的β亞基的N端添加10個His，以使其固定在Ni-NTA膜上；將γN端的一個Ser換為Cys，以連上肌動蛋白絲(熒光標記)；加ATP后可觀察到肌動蛋白絲旋轉(zhuǎn).NojiHetal.1997,Nature轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的試驗學(xué)證據(jù)：結(jié)合變化機制：β三種狀態(tài):O空置狀態(tài)T緊密結(jié)合態(tài)L松散結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致β構(gòu)象的變化，催化ATP生成ATPADP＋Pi質(zhì)子流推動c亞單位轉(zhuǎn)動自然界最小的分子”水輪發(fā)電機”1分子葡萄糖產(chǎn)生ATP分子數(shù)目的計算

細胞呼吸前三步共產(chǎn)生12對H原子:10對H以NAD+為受氫體，產(chǎn)生10×3=30ATP;2對H以FAD為受氫體，產(chǎn)生2×2=4ATP糖酵解2ATP三羧酸循環(huán)2GTP1分子葡萄糖經(jīng)細胞呼吸可產(chǎn)38ATP,36ATP在線粒體中產(chǎn)生第四節(jié)線粒體的半自主性研究歷程：1963年，M.Nass和S.Nass在雞胚肝細胞線粒體中發(fā)現(xiàn)DNA;1964年，Luck等從紅色面包霉的線粒體中分離出DNA;線粒體自主性是有限的，故稱為半自主性一、線粒體的DNA（mtDNA）雙線環(huán)狀，分子量很小，一個線粒體中可有一個或幾個DNA分子線粒體DNA電鏡圖.DNA編碼序列為單一序列，無內(nèi)含子，基因之間無非編碼序列

編碼13種蛋白質(zhì)（復(fù)合物Ⅰ7個亞基，復(fù)合物Ⅲ1個亞基，復(fù)合物Ⅳ3個亞基及ATP酶復(fù)合體2個亞基）人線粒體基因組圖（黑白）二、線粒體的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)

獨特的遺傳密碼，與通用遺傳密碼不同線粒體的核糖體比細胞質(zhì)核糖體小對氯霉素敏感，異于細胞質(zhì)核糖體（放線菌酮）通用遺傳密碼與兩種線粒體遺傳密碼的差異三、線粒體蛋白質(zhì)的定向運輸線粒體雖有蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，但因mtDNA信息有限，其總蛋白的90%以上是由核基因編碼線粒體蛋白質(zhì)跨膜線粒體蛋白質(zhì)在導(dǎo)肽作用下跨膜轉(zhuǎn)移折疊狀態(tài)松散狀態(tài)，便于轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運至基質(zhì)后松散狀態(tài)折疊狀態(tài)，成為成熟的蛋白質(zhì)線粒體內(nèi)外膜的接觸點

線粒體蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移中構(gòu)象發(fā)生變化線粒體與細胞質(zhì)之間蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運是單向的，二者之間也無DNA和RNA的交換。第五節(jié)線粒體的增殖1965年D.Luck用含3H-膽堿（膜磷脂的前身物）標記紅色面包霉，追蹤去向。發(fā)現(xiàn)線粒體是從原有的線粒體經(jīng)過生長與分裂而來.8h15h20h32h肝細胞中處于分裂狀態(tài)的線粒體電鏡圖線粒體增殖彩圖第六節(jié)線粒體與人類疾病一.線粒體病由于線粒體基因突變而引起的疾病。線粒體疾病多由MtDNA突變導(dǎo)致功能缺陷；其突變率比核DNA大10～20倍。自1997年以來，已知由人類線粒體疾病引起的遺傳疾病已達百種以上。線粒體疾病常包含在一些高能量需求的組織中，如心臟、肌肉和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等。遺傳性視神經(jīng)?。↙HON）：由線粒體DNA的一個錯義突變引起，患者突然失明，同時還引起神經(jīng)肌肉疾病，全身肌張力障礙。非胰島依賴性糖尿?。∟IDDM）。肌陣攣羊癲風；地方性心肌病(克山病)。線粒體與衰老也密切有關(guān)（體內(nèi)約95％氧自由基由Mt產(chǎn)生）?？松讲∈且环N地方性心肌病。1935年首先流行于黑龍江省克山縣。主要流行于我國東北、西北、華北及西南一帶交通不便的山區(qū)或丘陵地帶。臨床上常有急性或慢性心功能不全表現(xiàn)。傳播途徑是病區(qū)產(chǎn)的糧食，糧食在濕冷環(huán)境