1、線粒體(mitochondrion)是存在于真核細胞中的一種較大細胞器，在光學顯微鏡下觀察呈“短線狀”或“顆粒狀”的形態(tài)學特征而命名為線粒體，是細胞內氧化磷酸化和形成ATP的主要場所,細胞生命活動所需的能量有95來自線粒體，因此有細胞“動力工廠”之稱。,線粒體的形態(tài)、數(shù)量與分布,返回目錄,第7章 線粒體的結構與功能 mitochondra,1894年 Altmann 光鏡 生命小體 (bioblast) 1897年 Benda 線粒體(mitochondria),第一節(jié) 線粒體的形態(tài)結構,一.線粒體的形態(tài)、大小和分布 形態(tài)：光鏡： 線狀、粒狀、短桿狀；有的圓形、啞鈴形、星形；還有分枝狀、環(huán)狀等

2、,線粒體的形態(tài),光學顯微鏡下線粒體的形態(tài),線粒體的形態(tài)多種多樣， 一般呈線狀，也有粒狀或短線狀。細胞的生理狀況發(fā)生變化時線粒體的形態(tài)亦將隨之而改變。,線粒體的數(shù)量,同一類型細胞中，線粒體的數(shù)目是相對穩(wěn)定的。 在不同類型的細胞中線粒體的數(shù)目相差很大。 生理活動旺盛的細胞（心肌細胞）線粒體多。,數(shù)百 數(shù)千個,1個,50萬個(巨大變形蟲),肌細胞和精子的線粒體分布 線粒體包圍著脂肪滴,線粒體的分布,線粒體較多分布在需要ATP的部位！,返回目錄,數(shù)目：不同類型的細胞中差異較大。正常細胞中：10002000個。 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)域和需要能量較多的部位

3、。 總之：線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)目和分布在不同形態(tài)和類型的細胞可朔性較大。,大?。杭毎麅容^大的細胞器。一般直徑：0.51.0um; 長度：3um。,光鏡下綠色顆粒顯示線粒體,紅色顆粒顯示溶酶體,線粒體的形態(tài),線粒體的形態(tài),線粒體結構,二.線粒體的亞微結構,電鏡：線粒體是由兩層單位膜圍成的封閉的囊狀結構。,外 膜,內 膜,膜間隙,（膜間腔、外室）,嵴,嵴間隙,（嵴間腔 、內室 ） 內含基質,8.2,電鏡下，線粒體是由兩層高度特化的單位膜套疊而成的囊狀結構，主要由外膜、內膜、膜間腔和基質腔四部分組成,線粒體的結構與化學組成,電子顯微鏡下線粒體的形態(tài)結構 A、B掃描電鏡圖；C透射電鏡圖,線粒體的超微

4、結構,電鏡：線粒體是由兩層單位膜圍成的封閉的囊狀結構。,外 膜,內 膜,膜間腔,（外腔）,嵴,嵴間腔,（內腔 ） 內含基質，有DNA,線粒體的超微結構,外膜,內膜,膜間隙,嵴間腔,嵴,嵴：,基粒（ATP酶復合體）：,基質面上許多帶柄的小顆粒。與膜面垂直而規(guī)律排列。,基粒 （ATP酶復合體）,3-4nm 長 4.5-6nm,6-11.5nm 高5-6nm,頭部,柄部,基片,: 合成ATP,: 調控質子通道,：質子的通道,（內腔）,（外腔）,內膜向內腔折疊形成，可增加內膜的表面積。,嵴和基粒,基粒的結構,基粒結構模式圖,返回目錄,包圍在線粒體外表面的一層單位膜。 厚67nm，平整、光滑。 外膜含有

5、多套運輸?shù)鞍祝ㄍǖ赖鞍祝?，圍成筒狀園柱體，中央有小孔，孔徑：2-3nm，允許分子量為10 000以內的物質可以自由通過。,外膜,外 膜,位于外膜內側，由一層單位膜構成。 厚5-6nm，其通透性很差，但有高度的選擇通透性，借助載體蛋白控制內外物質的交換。,內膜向內突起形成嵴,內外膜之間有6-8nm寬間隙膜間隙,嵴與嵴之間的腔嵴間腔,嵴內的空隙嵴內腔,內膜,膜間隙（外室）,嵴,嵴間腔（內室）,嵴內腔,內 膜,嵴,嵴的形態(tài)和排列方式差別很大， 主要有兩種類型： 板層狀（大多數(shù)高等動物細胞中線粒體的嵴）; 小管狀（原生動物和其它一些較低等的動物細胞中線粒體的嵴）。,（內室）,（外室）,嵴：內膜向內室

6、折疊形成，可增加內膜的表面積。,嵴 與 基 粒,可溶性的ATP酶（F1) 360 000,疏水蛋白（HP F0 ) 70 000,嵴,基粒（ATP酶復合體）：內膜和嵴膜基質面上許多帶柄的小顆粒。與膜面垂直而規(guī)律排列。,基粒 （ATP酶復合體）,3-4nm 長 4.5-6nm,6-11.5nm 高5-6nm,頭部,柄部,基片,對寡酶素敏感蛋白（OSCP) 18 000,ATP酶復合體抑制多肽 10 000（調節(jié)酶活性）,: 合成ATP,: 調節(jié)質子通道,：質子的通道,（內室）,（外室）,嵴 與 基 粒,b,F1,F0,轉子,定子,基質：內膜和嵴圍成的腔隙，腔內充滿較致密的物質線粒體基質。,線粒體

7、基質,脂 類,蛋白質,酶 類,線粒體 DNA,線粒體DNA,線粒體 mRNA,線粒體 tRNA,線粒體核糖體,線粒體核糖體,基質顆粒,基質顆粒,（外室）,基 質,線粒體結構與化學組成,外膜(outer membrane),內膜(inner membrane),膜間隙(intermembrane space),線粒體基質(matrix),1,標志酶:單胺氧化酶 外膜含有較大的通道蛋白:孔蛋白 最大允許5000D的分子自由通過,外膜(outer membrane),細菌外膜中的孔蛋白,Organization and Function of Mitochondria,線粒體進行電子傳遞和氧化磷酸化

8、的部位， 通透性差； 含有大量的心磷脂(cardiolipin)，心磷脂與 離子的不可滲透性有關； 3類酶：運輸酶類、合成酶類、電子傳遞和 ATP合成的酶類； 內膜的標志酶是細胞色素氧化酶。,內膜(inner membrane),2,線粒體膜的運輸系統(tǒng),標志酶:腺苷酸激酶 功能:建立電化學梯度,膜間間隙(intermembrane space),標志酶:蘋果酸脫氫酶,線粒體基質(matrix),功能:,TCA循環(huán) 脂肪酸氧化 氨基酸降解 合成部分線粒體蛋白,線粒體中酶的分布,線粒體中約有120種酶-,部 位,酶 的 名 稱,外 膜,單胺氧化酶、犬尿氨酸羥化酶、NADH-細胞色素C還原酶、,脂類

9、代謝有關的酶（?；o酶A合成酶、脂肪酸激酶等）,特征酶：單胺氧化酶,膜 間 隙,腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶、亞硫酸氧化酶,特征酶：腺苷酸激酶,內 膜,細胞色素氧化酶、琥珀酸脫氫酶、NADH脫氫酶、肉堿?；D移酶、-羥丁酸和 -羥丙酸脫氫酶、丙酮酸氧化酶、ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸載體。,特征酶：細胞色素（c）氧化酶、琥珀酸脫氫酶,基 質,檸檬酸合成酶、烏頭酸酶、蘋果酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶、延胡索酸酶、谷氨酸脫氫酶、丙酮酸脫氫酶復合體、天冬氨酸氨基轉移酶、蛋白質和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系,特征酶：蘋果酸脫氫酶,氧化還原酶 37%,線粒體各部分蛋白及酶的分布,線粒體的化學組成,線粒

10、體的化學組分主要是由蛋白質、脂類和水份等組成,紅色標注各部分的標志酶,第二節(jié) 線粒體的氧化供能作用,線粒體：提供細胞95%以上的能量- 細胞內的動力工廠 糖酵解：提供細胞少量的能量,細胞內的供能物質：主要糖類,知識回顧：真核細胞中的氧化作用 糖的氧化: 葡萄糖細胞 胞質中分解為丙酮酸(不需要氧，糖酵解) 糖氧化成丙酮酸 丙酮酸脫羧生成乙酰CoA 乙酰CoA進入三羧酸循環(huán)徹底氧化,無氧：乳酸,糖的酵解與氧化,能量:高能分子,6C 3C 2C 1C,線粒體,線粒體基質中乙酰輔酶A的生成 丙酮酸跨膜進入線粒體基質； 在丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase)作用下氧化成乙酰輔酶A

11、。,生物需要能量時首先利用多糖 多糖葡萄糖丙酮酸 脂肪 脂肪酸 蛋白質 氨基酸,乙酰輔酶A （乙酰CoA）,三羧酸循環(huán),三羧酸循環(huán) (tricarboxylic acid cycle, TCA cycle) 又叫Krebs循環(huán)、檸檬酸循環(huán)。,TCA循環(huán),葡萄糖酵解生成丙酮酸,乙酰CoA的生成,三羧酸循環(huán),返回目錄,2分子CO2 1分子GTP 4分子NADH 1分子FADH2 5對電子,線粒體在能量轉換中的作用,電子傳遞偶聯(lián)氧化磷酸化,化學滲透偶聯(lián)假說(chemiosmotic coupling hypothesis)解釋氧化磷酸化的偶聯(lián)機理。該學說認為:在電子傳遞過程中, 伴隨著質子從線粒體內

12、膜的里層向膜間腔轉移，形成跨膜的氫離子梯度，這種勢能驅動了氧化磷酸化反應(提供了動力)，合成了ATP 。,返回目錄,化學滲透學說示意圖,細胞氧化：在酶的催化下，氧將細胞內各種供能物質氧化而釋放能量的過程。由于細胞氧化過程中，要消耗O2釋放CO2和H2O所以又稱細胞呼吸。,細胞氧化的基本過程,1、酵 解： 在細胞質基質內進行，反應過程不需要氧無氧酵解,2、乙酰輔酶A生成: 線粒體基質內進行,3、三羧酸循環(huán): 在線粒體基質內進行,4、電子傳遞和氧化磷酸化: 在線粒體內膜上進行,葡萄糖（C6H12O6）,2丙酮酸（C3H4O3) + 2H + 2ATP,C3H4O3 +輔酶A(CoA) +2NAD,

13、乙酰-CoA + 2NADH + 2H + CO2,葡萄糖,丙酮酸,NAD,NADH2,CO2,乙 酸,CoA,乙酰CoA,草酰乙酸,三羧酸循環(huán)（檸檬酸循環(huán)）,檸檬酸,順烏頭酸,異檸檬酸,NAD,NADH2,CO2,-酮戊二酸,NAD,NADH2,CO2,琥珀酸,FAD,FADH2,延胡索酸,蘋果酸,NAD,NADH2,1,2,3,1,注： NAD（輔酶I）:尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 FAD（黃酶）: 黃素腺嘌呤二核苷酸,三羧酸循環(huán),電子傳遞和氧化磷酸化：供能物質經(jīng)過酵解乙酰輔酶A,呼吸鏈（電子傳遞鏈）:,復合體1 復合體2 復合體3 復合體4 復合體5 O2,伴隨電子傳遞鏈的氧化過程所進行的能

14、量轉換和ATP的生成稱氧化磷酸化或稱氧化磷酸化偶聯(lián)。,生成、三羧酸循環(huán)脫下的氫原子，通過內膜上的一系列呼吸鏈酶系的電子傳遞 ，最后與氧結合生成水，電子傳遞過程中釋放的能量被用于ADP磷酸化形成ATP.,電子傳遞和氧化磷酸化,氧化磷酸化：,n 由復合物I、III、IV組成，催化NADH的脫氫氧化。 n 由復合物II、III、IV組成，催化琥珀酸的脫氫氧化。,呼吸鏈 (resqiratory chain) 呼吸鏈即電子 (包括 H+) 的傳遞鏈，起自 NADH (Nicotine Adenylate Dinucleotide，尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸)，終端為02， NADH02 共產(chǎn)生 3 個 A

15、TP。其間任何環(huán)節(jié)缺陷將導致電子傳遞障礙。 NADH CoQ CytC O2 Complex I :NADH-CoQ 還原酶 Complex II: 琥珀酸-CoQ 還原酶 Complex III:細胞色素c還原酶 Complex IV:細胞色素c氧化酶 Complex V:ATP合成酶,I,琥珀酸,II,III,IV,V 生成3個ATP,1、復合物I：NADH（煙酰胺嘌呤二核苷酸）-CoQ還原酶 最大、最復雜的脂蛋白復合體。由42條肽鏈組成，呈L型，含一個FMN（黃素單核苷酸）和至少6個鐵硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚體形式存在。催化NADH的2個電子傳遞至輔酶Q，同時將4個質子由線粒體基

16、質（M側）轉移至膜間隙（C側）。 2、復合物II：琥珀酸-CoQ還原酶/琥珀酸脫氫酶 至少由4條肽鏈，含有一個FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸），1個細胞色素b和2個鐵硫蛋白。催化琥珀酸的低能量電子轉至輔酶Q，但不轉移質子。,3、復合物III：CoQ-細胞色素c還原酶。 至少11條不同肽鏈，以二聚體形式存在，每個單體包含兩個細胞色素b（b562、b566）、一個鐵硫蛋白和一個細胞色素c1 。 催化電子從輔酶Q傳給細胞色素c，每轉移一對電子，同時將4個質子由線粒體基質泵至膜間隙。 4、復合物IV：細胞色素c氧化酶 為二聚體，每個單體含至少13條肽鏈，分為三個亞單位：細胞色素a、a3和2個銅原子 將從細

17、胞色素c接受的電子傳給氧，每轉移一對電子，在基質側消耗2個質子，同時轉移2個質子至膜間隙。,呼吸鏈,呼吸鏈（respiratory chain）又稱為電子傳遞鏈（electron transport chain），是一系列具有遞氫、遞電子作用的氫載體和電子載體蛋白，該體系最終以氧作為電子接受體，與細胞攝氧有關，故稱為呼吸鏈。 由四種復合物組成,返回目錄,The Electron Transport Chain,三個參與H+傳遞，四個都參與傳遞電子,線粒體呼吸鏈中四種復合物的性質,38個ATP,酵解：2個,線粒體內：36個,三羧酸循環(huán)：2個,內膜上呼吸氧化過程：34個,偶聯(lián)磷酸化的關鍵裝置 基粒

18、（ATP酶復合體）,一分子的葡萄糖徹底氧化生成38個ATP,n 由復合物I、III、IV組成，催化NADH的脫氫氧化。 n 由復合物II、III、IV組成，催化琥珀酸的脫氫氧化。,The Mechanism of Oxidative Phosphorylation 英國生物化學家P.Mitchell 1961年提出了化學滲透假說(chemiosomotic compling hypothesis)解釋氧化磷酸化的偶聯(lián)機理。,榮獲1978年諾貝爾化學獎 !,化學滲透假說,在電子傳遞過程中, 伴隨著質子從線粒體內膜的里層向外層轉移, 形成跨膜的氫離子梯度, 這種勢能驅動了氧化磷酸化反應(提供了動力

19、), 合成了ATP。,化學滲透學說示意圖,化學滲透學說,1961年英國P.Mitchell1978年諾貝爾獎,認為：,提出：,3,線粒體內膜本身具有離子不通透性，能隔絕包括H+、OH-在內的各種正負離子。,第三節(jié) 線粒體的半自主性,一.線 粒 體 DNA ( mtDNA ) mtDNA: 是雙鏈環(huán)狀的DNA分子、裸露不與組蛋白結合,分散在線粒體基質中，長約5um、分子量小,含15 000堿基對。 1981年人胎盤AndersonmtDNA全部核苷酸序列全長16 569個堿基對,mtDNA 16569 bp,37個基因,2種 編碼 rRNA(12S和16S）基因,22種 編碼 tRNA基因,13

20、種 編碼 蛋白質基因,Human mtDNA, a circular molecule that has been completely sequenced, is among the smallest known mtDNAs, containing 16,569 base pairs. It encodes the two rRNAs found in mitochondrial ribosomes and the 22 tRNAs used to translate mitochondrial mRNAs.,人類線粒體基因組示意圖,線粒體DNA,人類線粒體基因組是一個環(huán)狀雙鏈DNA 包括

21、37個基因 可以編碼2種rRNA、22種tRNA和13種蛋白,線粒體的半自主性,線粒體具有獨立的遺傳體系，能夠合成蛋白質，但是合成能力有限。大多數(shù)線粒體蛋白都是由核基因編碼， 在細胞質中合成后，定向轉運到線粒體的，因此線粒體被稱為半自主性細胞器（semiautonomous organelle）。,返回目錄,Mt DNA 的結構特點,除成熟的紅細胞外每一個細胞內均有數(shù)量不等的線粒體。每一個線粒體內有 210個拷貝的 mt DNA，mt DNA 是獨立于細胞核染色體外的又一基因組。人 mt DNA 由16569 bp 的雙鏈環(huán)狀 DNA 組成1個輕鏈和重鏈。其中包括 37 個基因：22 個 tR

22、NA 基因、2個 rRNA 基因 (12S 和 16S rRNA) 和 13 個 mRNA 基因。所有的 13 種蛋白質產(chǎn)物均參與組成呼吸鏈。,To be continued.,Mt DNA 的結構特點,人類線粒體的基因組排列非常緊湊，除與 mt DNA 復制及轉錄有關的一小段區(qū)域外，無內含子序列。37個基因間隔區(qū)總共只有 87 bp，因此，幾乎 mt DNA 的任何突變均會累及到基因組中一個重要區(qū)域。線粒體擁有相對獨立的 DNA 復制、轉錄和翻譯系統(tǒng)，是半自主性細胞器。重鏈主要編碼2個 rRNA，12個多肽及 14個 rRNA；輕鏈僅編碼一個 NADH 脫氫酶亞單位 4 及8 個 tRNA。

23、,線粒體基因組的特點,1.幾乎全部基因組都是編碼序列 2.密碼子的特殊性 3.裸露的DNA，不與組蛋白結合,二 .線粒體蛋白質合成 線粒體：有自身的蛋白質合成體系，如：氨基酸活化酶、線粒體核糖體等。 線粒體的蛋白質合成與原核細胞相似，而與真核細胞不同。,mtDNA排列緊湊、高效利用、可自我復制,但其遺傳密碼與“通用”的遺傳密碼表也不完全相同 如:UGA色氨酸而不是終止密碼。,總之：,線粒體有自己的DNA和蛋白質合成系統(tǒng)獨立的遺傳系統(tǒng),表明有一定的自主性。 mtDNA分子量小、基因數(shù)量少、編碼的蛋白質有限，只占線粒體蛋白質的10%，而大多數(shù)線粒體蛋白質（90%）由核基因編碼的，并在細胞質中合成后轉運到線粒體中去。同時線粒體遺傳系統(tǒng)受控于細胞核遺傳系統(tǒng)。 因此，線粒體為半自主性細胞器。,由此可見：,“通用”遺傳密碼與線粒體遺傳密碼的差異,返回目錄,線粒體從細胞質中轉運蛋白質,蛋白質輸入線粒體基質的過程,返回目錄,蛋白質到線粒體的運輸途徑,返回目錄,一