1、2020/9/4,1,線粒體,Mitochondrion,2020/9/4,2,生物氧化和能量轉(zhuǎn)換； 線粒體的化學(xué)成分與酶的分布； 光鏡和電鏡下線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，外膜、內(nèi)膜（嵴和基本微粒）、基質(zhì)等部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)； 線粒體的功能：細(xì)胞呼吸和生物氧化的概念、呼吸鏈及電子傳遞、基粒及ATP合成； 線粒體的半自主性的概念及特點(diǎn)； 線粒體病； 線粒體的增殖與起源； 線粒體相關(guān)的研究進(jìn)展。,2020/9/4,3,一 線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu) 二 線粒體的超微結(jié)構(gòu) 三 化學(xué)組成,第一節(jié) 線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成,2020/9/4,4,概述,1894年Altmann首次在動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn) 1948年Hogeboom用

2、分步離心法分離得到線粒體，建立了線粒體能量代謝中心的概念 19631964年發(fā)現(xiàn)線粒體中存在DNA和一整套DNA轉(zhuǎn)錄和翻譯系統(tǒng)，證實(shí)線粒體是具有一定自主性的細(xì)胞器,2020/9/4,5,概述,大?。褐睆綖?.51.0m， 胰腺外分泌細(xì)胞巨大線粒體10 20m 數(shù)目：數(shù)百至數(shù)千 利什曼原蟲(chóng)只有一個(gè)巨大的線粒體 新陳代謝旺盛的細(xì)胞，線粒體多 腫瘤細(xì)胞呼吸能力弱，線粒體較正常細(xì)胞少 分布：均勻分布在細(xì)胞質(zhì)中 分布在需要供能的部位,2020/9/4,6,一 線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu),形態(tài)：光鏡下，多為粒狀、桿狀或線狀,2020/9/4,7,線狀,顆粒狀,光鏡下形態(tài),大小,直徑約0.51um,故名線粒體,202

3、0/9/4,8,線 粒 體的結(jié) 構(gòu)-顯微 結(jié)構(gòu),上皮細(xì)胞顆粒狀線粒體圖中箭頭所示顆粒狀線粒體,2020/9/4,9,短棒狀 或小球狀,電鏡下的形態(tài),線粒體是由雙層單位膜包圍而形式的囊狀小體,2020/9/4,10,2020/9/4,11,2020/9/4,12,二 超微結(jié)構(gòu),由兩層單位膜圍成的封閉的囊狀結(jié)構(gòu),外 膜 (outer membrane) 內(nèi) 膜（inner membrane） 膜間腔（intermembrane space） 基質(zhì)（matrix）,2020/9/4,13,外膜,內(nèi)膜,基質(zhì)（內(nèi)腔）,膜間腔（外腔）,線粒體超微結(jié)構(gòu)：,2020/9/4,14,外膜,基質(zhì)（內(nèi)腔）,基粒,內(nèi)

4、膜,嵴,膜間腔（外腔）外),內(nèi)腔（與基質(zhì)相通）（內(nèi)腔）,2020/9/4,15,外膜,包圍在線粒體最外面的一層單位膜 厚約5.6nm 脂類(lèi)組成與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相似 含大量孔蛋白，允許分子量小于10KDa的水溶性小分子物質(zhì)通過(guò),2020/9/4,16,內(nèi)膜,厚度約4.5nm 位于外膜內(nèi)側(cè)的一層單位膜 向內(nèi)折疊形成嵴（cristae），使內(nèi)膜的表面積增加 通透性較低，只有不帶電荷的小分子才能通過(guò)；一些較大的分子和離子需由特異的運(yùn)載系統(tǒng)才能通過(guò)內(nèi)膜進(jìn)入基質(zhì) 在內(nèi)膜和嵴上有電子傳遞鏈和基本微粒,2020/9/4,17,嵴的形態(tài)多樣,A 羽冠型 B 網(wǎng)膜型 C 絨毛型 D 平行型 E 同心圓型,2020/9/4

5、,18,基本微粒(elementary particle)-基粒,在內(nèi)膜和嵴的基質(zhì)面上附有許多帶柄的圓球形顆粒 化學(xué)本質(zhì)是ATP合成酶（ATP synthetase） 氧化磷酸化的關(guān)鍵裝置 F0因子和F1因子，又稱(chēng)F0F1- ATP酶,2020/9/4,19,基粒的結(jié)構(gòu)：,頭部（ATP酶復(fù)合體）,基片,ADP+Pi,ATP,頭部（ATP酶復(fù)合體） 基粒 柄部 基片（插入膜中）,基粒是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)部位，其化學(xué)本質(zhì)是F0F1ATP合成酶,柄部,2020/9/4,20,膜間腔,外室（outer chamber）：外膜與內(nèi)膜之間 含有許多可溶性酶類(lèi)、底物和輔助因子 膜間腔的大小與細(xì)胞的呼吸活躍程度

6、有關(guān),2020/9/4,21,基質(zhì) 內(nèi)室（inner chamber),內(nèi)膜包圍的空間 酶： 三羧酸循環(huán) 丙酮酸氧化 所需要的酶 DNA、RNA 蛋白質(zhì)合成 基質(zhì)顆粒：內(nèi)含Ca2+、Mg2+、Zn2+等離子 線粒體DNA、 RNA 核糖體,2020/9/4,22,基質(zhì)標(biāo)志酶-蘋(píng)果酸脫氫酶,外膜標(biāo)志酶-單胺氧化酶,內(nèi)膜標(biāo)志酶-細(xì)胞色素氧化酶,膜間腔標(biāo)志酶-腺苷酸激酶,2020/9/4,23,三 線粒體的化學(xué)組成,蛋白質(zhì) 占線粒體干重的65%-75% 脂類(lèi) 占25%-30% 少量核酸、無(wú)機(jī)鹽、輔助因子及豐富的水,2020/9/4,24,蛋白質(zhì),在線粒體各結(jié)構(gòu)組成分布差異較大。內(nèi)膜和基質(zhì)中占較大比例

7、 類(lèi)型 可溶性蛋白：基質(zhì)中的酶、膜的外周蛋白 不可溶性蛋白：膜鑲嵌蛋白 結(jié)構(gòu)蛋白 部分酶蛋白,2020/9/4,25,脂類(lèi),2020/9/4,26,第二節(jié) 線粒體的主要功能-細(xì)胞呼吸,細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換：細(xì)胞把有機(jī)物中的能量通過(guò) 一定的方式轉(zhuǎn)化成為細(xì)胞可利用的能量的過(guò)程,2020/9/4,27,細(xì)胞氧化、細(xì)胞呼吸： 細(xì)胞內(nèi)氨基酸、脂肪酸、單糖等供能物質(zhì)被徹底氧化分解，產(chǎn)生CO2和H2O，并將氧化分解過(guò)程釋放的能量生成ATP的過(guò)程 細(xì)胞氧化要攝取氧， 產(chǎn)生的CO2最終排出體外。 釋放的能量使ADP磷酸化生成ATP 細(xì)胞生命活動(dòng)所需的能量95%來(lái)自線粒體,一、細(xì)胞氧化,2020/9/4,28,細(xì)胞氧化

8、的四個(gè)主要步驟示意圖,2020/9/4,29,細(xì)胞氧化的四個(gè)主要步驟,糖酵解 乙酰輔酶A形成 三羧酸循環(huán) 電子傳遞和氧化磷酸化,物質(zhì)分解 能量釋放,能量轉(zhuǎn)換,2020/9/4,30,細(xì)胞氧化的基本過(guò)程,糖酵解（胞質(zhì)） 丙酮酸（胞質(zhì)） 乙酰輔酶A（內(nèi)膜） Krebs 循環(huán)（基質(zhì)） 電子傳遞和氧化磷酸化（內(nèi)膜與基粒 ）,2020/9/4,31,糖酵解,細(xì)胞中的供能物質(zhì)如葡萄糖不能直接進(jìn)入線粒體 在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中磷酸化 1分子葡萄糖經(jīng)十多步反應(yīng)形成2分子丙酮酸 不需要氧 凈生成2分子ATP，2對(duì)H原子由受氫體NAD+ 攜帶,2020/9/4,32,糖酵解,2020/9/4,33,乙酰輔酶A形成,丙酮酸

9、進(jìn)入線粒體基質(zhì)中 丙酮酸脫氫酶 催化丙酮酸脫氫 乙酰基與輔酶A結(jié)合形成乙酰輔酶A 2對(duì)H原子由NAD+攜帶,2020/9/4,34,三羧酸循環(huán),線粒體基質(zhì)中乙酰輔酶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 草酰乙酸與另一分子的乙酰輔酶A結(jié)合重新形成檸檬酸 凈生成2分子GTP，8對(duì)H原子，6對(duì)由NAD+攜帶，2對(duì)由FAD攜帶,2020/9/4,35,2020/9/4,36,三羧酸循環(huán)示意圖,2020/9/4,37,電子傳遞和氧化磷酸化偶聯(lián),前三步所產(chǎn)生的H原子不能直接與O2結(jié)合 H原子先離解為H+和電子 電子經(jīng)電子傳遞鏈傳遞給1/2的O2使之成為O2- O2-與基質(zhì)中

10、的2個(gè)H+化合生成H2O 電子傳遞過(guò)程中釋放能量,2020/9/4,38,電子傳遞鏈,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),2020/9/4,39,電子傳遞鏈與呼吸鏈,具有遞氫、遞電子作用的一系列氫載體和電子載體，在線粒體內(nèi)膜上有序排列，構(gòu)成相互關(guān)聯(lián)的鏈狀，成為電子傳遞鏈。 該體系最終以氧作為電子接受體，與細(xì)胞攝氧有關(guān)，故又稱(chēng)為呼吸鏈,2020/9/4,40,電子傳遞鏈主要組分,復(fù)合體 復(fù)合體 復(fù)合體 復(fù)合體,兩條電子傳遞途徑 主要途徑 復(fù)合體 次要途徑 復(fù)合體 ,2020/9/4,41,電子傳遞的主要途徑,2020/9/4,42,AT

11、P合成圖,2020/9/4,43,ATP、GTP中含有高能磷酸鍵(P)，每個(gè)高能磷酸鍵約包含8千卡的熱能，在細(xì)胞能量的貯存和轉(zhuǎn)換中起重要作用。,2020/9/4,44,化學(xué)滲透假說(shuō),1961年P(guān)eter D. Mitchell 提出 線粒體內(nèi)膜對(duì)H+是不通透的，內(nèi)膜中的呼吸鏈起著質(zhì)子泵的作用，在內(nèi)膜兩側(cè)形成電化學(xué)質(zhì)子梯度，當(dāng)H+沿ATP酶復(fù)合體到基質(zhì)時(shí)，ATP合成，實(shí)現(xiàn)氧化磷酸化偶聯(lián) 特點(diǎn) 強(qiáng)調(diào)膜結(jié)構(gòu)的完整性,2020/9/4,45,2020/9/4,46,電化學(xué)質(zhì)子梯度,2020/9/4,47,The Nobel Prize in Chemistry 1997,Paul D. Boyer J

12、ohn E. Walker Jens C. Skou,The Royal Swedish Academy of Sciences has awarded the 1997 Nobel Prize in Chemistry with one half to Paul D. Boyer and John E. Walker for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP); and with one half to Jens C. Sko

13、u, for the first discovery of an ion-transporting enzyme, Na+, K+-ATPase.,2020/9/4,48,2020/9/4,49,三、ATP合成酶的分子結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制,ATP合成酶的分子結(jié)構(gòu)（F1F0-ATP酶） F1突出于膜外 F0嵌于膜內(nèi),分子“水輪發(fā)電機(jī)”,2020/9/4,50,F1,牛心線粒體的F1由3、3、1、1、1等9個(gè)亞基組成 1994年Walker等發(fā)表的0.028nm分辨率的牛心線粒體的F1-ATP酶晶體X射線衍射分析表明： 3個(gè)、3個(gè)亞基交替排列，形同“桔瓣” 和亞基結(jié)合在一起，形成“轉(zhuǎn)子”，位于33的中央

14、,2020/9/4,51,F0,鑲嵌在內(nèi)膜上的疏水蛋白復(fù)合體，形成一個(gè)跨膜質(zhì)子通道 F0的亞基在不同物種中差別很大。在細(xì)菌中，F(xiàn)0由a1b2c1012亞基組成。a亞基、b亞基二聚體與亞基共同組成“定子”?！岸ㄗ印痹谝粋?cè)將33與F0連接起來(lái)。c亞基12聚體形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，它可與亞基結(jié)合或解離,2020/9/4,52,ATP合成酶的分子結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制,美國(guó)生物化學(xué)家Boyer(1989)提出了結(jié)合變構(gòu)機(jī)制(binding-change mechanism)來(lái)解釋ATP合成酶如何利用跨膜的質(zhì)子梯度形成ATP F1和F0通過(guò)“轉(zhuǎn)子”和“定子”連接起來(lái)，在合成ATP的過(guò)程中，“轉(zhuǎn)子”在H+流推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)

15、，調(diào)節(jié)3個(gè)亞基的構(gòu)象變化。 在ATP合成過(guò)程中，F(xiàn)1上3個(gè)催化亞基在任一時(shí)刻的構(gòu)象總是不同的 在質(zhì)子流推動(dòng)下，33亞基相對(duì)于“轉(zhuǎn)子”每次旋轉(zhuǎn)120，3個(gè)亞基的構(gòu)象隨即發(fā)生順序變化 亞基為空置狀態(tài)(O態(tài))時(shí)， ADP和Pi進(jìn)入亞基的結(jié)合位點(diǎn)； “轉(zhuǎn)子”旋轉(zhuǎn)120，亞基變化為松散結(jié)合態(tài)(L態(tài)) “轉(zhuǎn)子”又旋轉(zhuǎn)120，亞基變?yōu)榫o密結(jié)合態(tài)(T態(tài))，使ADP同Pi發(fā)生反應(yīng)合成ATP 當(dāng)“轉(zhuǎn)子”再旋轉(zhuǎn)120，引起ATP釋放出來(lái)，空出結(jié)合位點(diǎn)，亞基恢復(fù)為空置狀態(tài)，開(kāi)始下一循環(huán) 每一個(gè)催化亞基要經(jīng)過(guò)3次構(gòu)象改變才催化合成1個(gè)ATP分子)。,2020/9/4,53,電子傳遞和氧化磷酸化的偶聯(lián)過(guò)程,H原子解離為H

16、+和e- 電子沿電子傳遞鏈傳遞，最后與O2結(jié)合生成O2- H+被復(fù)合物、和以及輔酶Q從基質(zhì)側(cè)泵至膜間腔，使內(nèi)膜內(nèi)、外側(cè)形成電化學(xué)質(zhì)子梯度 H+順電化學(xué)質(zhì)子梯度通過(guò)ATP酶復(fù)合體的質(zhì)子通道基質(zhì) ATP酶利用釋放的能量催化ADP磷酸化形成ATP H+與O2-結(jié)合生成H2O,2020/9/4,54,2020/9/4,55,ATP SYNTHASEA MOLECULAR TURBINE,ATP synthase is a molecular machine that works like a turbine to convert the energy stored in a proton gradie

17、nt into chemical energy stored in the bond energy of ATP. The flow of protons down their electrochemical gradient drives a rotor that lies in the membrane. It is thought that protons flow through an entry open to one side of the membrane and bind to rotor subunits. Only protonated subunits can then

18、rotate into the membrane, away from the static channel assembly. Once the protonated subunits have completed an almost full circle, and have returned to the static subunits, an exit channel allows them to leave to the other side of the membrane. In this way, the energy stored in the proton gradient

19、is converted into mechanical, rotational energy. The rotational energy is transmitted via a shaft attached to the rotor that penetrates deep into the center of the characteristic lollipop head, the F1 ATPase, which catalyzes the formation of ATP. The F1 ATPase portion of ATP synthase has been crysta

20、llized. Its molecular structure shows that the position of the central shaft influences the conformation and arrangement of the surrounding subunits. It is these changes that drive the synthesis of ATP from ADP. In this animated model, different conformational states are lined up as a temporal seque

21、nce as they would occur during rotation of the central shaft.,Like any enzyme, ATP synthase can work in either direction. If the concentration of ATP is high and the proton gradient low, ATP synthase will run in reverse, hydrolyzing ATP as it pumps protons across the membrane. To show the rotation o

22、f the central shaft, a short fluorescent actin filament was experimentally attached to it. Single filaments attached to single F1 ATPases can be visualized in the microscope. When ATP is added, the filament starts spinning, directly demonstrating the mechanical properties of this remarkable molecula

23、r machine.,2020/9/4,56,MITOCHONDRIAL FISSION AND FUSION,Dynamic properties of the mitochondrial network can be seen in this living yeast cell which expresses the green fluorescent protein GFP fused to a mitochondrial signal sequence. Membrane fusion and fission events constantly reshape the organell

24、e. Using a confocal microscope, an optical slice containing only the top focal plane of the cell is recorded in this movie; the remainder of the network is out of focus.,2020/9/4,57,TOMOGRAPH OF MITOCHONDRION,A mitochondrion contained in a one-half micrometer thick section of chicken brain is viewed

25、 with a high voltage electron microscope. When the section is tilted in the microscope, it can be viewed from many different angles, and a large amount of three-dimensional detail becomes apparent. Images from such a series of tilted views can be used to calculate a three-dimensional reconstruction,

26、 or tomogram, of the mitochondrion. The tomogram of the same tissue slice is shown here as a series of stacked images. The movie steps through the images one by one, from the bottom of the stack, to the top, and back. This allows us to trace individual membranes in three-dimensions. To create a thre

27、e-dimensional model, membranes in an individual slice of the tomogram are traced. In this case the inner membrane is traced in light blue, where it parallels the outer membrane, and traced in yellow, where it folds into the cristae that protrude into the mitochondrial interior. The tracings from all

28、 sections are then modeled as three-dimensional surfaces, and displayed as a three-dimensional model by a computer program. Such a model can now be viewed from any angle. In this view, only four cristae are shown and the others are omitted. The cristae are colored differently and show the variety of

29、 shapes and connections to the inner membrane in a single mitochondrion.,The model also shows the reconstitution of the outer mitochondrial membrane, represented in dark blue, as well as two fragments of endoplasmic reticulum. Regions of such close proximity between the two organelles are quite freq

30、uently seen in cells. Note that there is no continuity between the mitochondrial and endoplasmic reticulum membranes. Lipids are thought to be shuttled between the two organelles by special carrier proteins that operate in this gap.,2020/9/4,58,1分子葡萄糖產(chǎn)生ATP分子數(shù)目的計(jì)算,三羧酸循環(huán)共產(chǎn)生12對(duì)H原子 10對(duì)H以NAD+為受氫體，產(chǎn)生103=3

31、0ATP 2對(duì)H以FAD為受氫體，產(chǎn)生2 2=4ATP 糖酵解 2ATP 三羧酸循環(huán) 2GTP 1分子葡萄糖經(jīng)細(xì)胞呼吸可產(chǎn)生38ATP， 36ATP在線粒體中產(chǎn)生,2020/9/4,59,第三節(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(xì)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DNA分子能自我復(fù)制，并編碼線粒體的部分蛋白質(zhì) 線粒體自主性是有限的，故稱(chēng)為半自主性,2020/9/4,60,線粒體是一種半自主性細(xì)胞器,線粒體內(nèi)有DNA分子和完整的遺傳信息傳遞和表達(dá)體系，即線粒體內(nèi)能夠進(jìn)行遺傳信息的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，

32、這體現(xiàn)了線粒體的自主性。 另一方面，線粒體內(nèi)遺傳信息的傳遞過(guò)程及大部分功能活動(dòng)又受核基因的影響，也就是說(shuō)，線粒體的功能受線粒體基因組和核基因組雙重遺傳系統(tǒng)的控制。,2020/9/4,61,一、線粒體的DNA（mtDNA）,環(huán)狀，分子量很小，不與組蛋白結(jié)合 DNA編碼序列為單一序列，無(wú)內(nèi)含子 基因之間幾乎沒(méi)有非編碼序列 一個(gè)線粒體中可有一個(gè)或幾個(gè)DNA分子 mtDNA是半保留復(fù)制在間期及整個(gè)細(xì)胞周期復(fù)制 獨(dú)特的遺傳密碼，與通用遺傳密碼不同,2020/9/4,62,線粒體DNA電鏡圖,2020/9/4,63,人線粒體基因結(jié)構(gòu)彩圖,含有16 571個(gè)堿基對(duì)，為雙鏈環(huán)狀分子，基因之間排列緊密，幾乎沒(méi)有

33、非編碼序列，也沒(méi)有內(nèi)含子插入 共37個(gè)基因，編碼 12S、16S兩種rRNA 22種tRNA 13種蛋白質(zhì) 復(fù)合物中7個(gè)亞基 復(fù)合物中1個(gè)亞基 復(fù)合物中3個(gè)亞基 ATP酶復(fù)合體中的2個(gè)亞基,2020/9/4,64,人類(lèi)線粒體基因組的特點(diǎn),mtDNA結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)內(nèi)含子，相鄰基因間很少有非編碼的間隔序列，調(diào)節(jié)DNA序列也很短 mtDNA裸露，不與組蛋白結(jié)合 兩條鏈均有編碼功能，H鏈含28個(gè)基因，L鏈含9個(gè)基因 部分遺傳密碼與“通用”遺傳密碼不同,2020/9/4,65,“通用”遺傳密碼與兩種線粒體遺傳密碼的差異,2020/9/4,66,二、線粒體的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng),mRNA、 tRNA、 rRNA DNA聚合酶 RNA聚合酶 氨酰tRNA合成酶 核糖體 游離在基質(zhì)中或結(jié)合在內(nèi)膜上 比細(xì)胞質(zhì)核糖體小，60S 組成為rRNA（12S、16S）和蛋白質(zhì) 對(duì)氯霉素敏感，不同于細(xì)胞質(zhì)核糖體（放線菌酮）,2020/9/4,67,圖8-8 p93,2020/9/4,68,三、線粒體蛋白質(zhì)的定向轉(zhuǎn)運(yùn),線粒體總蛋白的90%以上是由核基因編碼 mtDNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯所需的酶 組成線粒體核糖體的蛋白質(zhì) 線粒體的形成、mtDNA的表達(dá)和線粒體核糖體的形成依賴(lài)于核的遺傳裝置。,2020/9/4,