第七章線粒體的結構與功能

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(nèi)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

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3105萬個(有些卵母細胞)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：1000—2000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。

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。大小：細胞內(nèi)較大的細胞器。一般直徑：0.5—1.0um;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(nèi)膜膜間隙（膜間腔、外室）嵴嵴間隙（嵴間腔、內(nèi)室）內(nèi)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(nèi)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(nèi)膜膜間腔（外腔）嵴嵴間腔（內(nèi)腔）內(nèi)含基質，有DNA線粒體的超微結構外膜內(nèi)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4.5-6nm6-11.5nm高5-6nm9nm9nm頭部柄部基片:

合成ATP:調(diào)控質子通道：質子的通道（內(nèi)腔）（外腔）內(nèi)膜向內(nèi)腔折疊形成，可增加內(nèi)膜的表面積。嵴和基?；５慕Y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6—7nm，平整、光滑。外膜含有多套運輸?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10000以內(nèi)的物質可以自由通過。外膜外膜位于外膜內(nèi)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(nèi)外物質的交換。內(nèi)膜向內(nèi)突起形成—嵴內(nèi)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(nèi)的空隙——嵴內(nèi)腔外膜內(nèi)膜膜間隙（外室）嵴嵴間腔（內(nèi)室）嵴內(nèi)腔內(nèi)膜外膜內(nèi)膜膜間隙嵴間腔嵴內(nèi)腔嵴嵴的形態(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(nèi)室）（外室）嵴：內(nèi)膜向內(nèi)室折疊形成，可增加內(nèi)膜的表面積。嵴與基?？扇苄缘腁TP酶（F1)360000疏水蛋白（HPF0)70000外膜內(nèi)膜膜間隙嵴間腔嵴內(nèi)腔嵴基粒（ATP酶復合體）：內(nèi)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4.5-6nm6-11.5nm

高5-6nm9nm9nm頭部柄部基片對寡酶素敏感蛋白（OSCP)18000ATP酶復合體抑制多肽10000（調(diào)節(jié)酶活性）:合成ATP:調(diào)節(jié)質子通道：質子的通道（內(nèi)室）（外室）嵴與基粒cδεabH+βββαααγF1F0轉子定子外膜內(nèi)膜膜間隙嵴間腔（內(nèi)室）嵴內(nèi)腔嵴基粒（ATP酶）基質：內(nèi)膜和嵴圍成的腔隙，腔內(nèi)充滿較致密的物質——線粒體基質。線粒體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?；|顆粒（外室）基質線粒體結構與化學組成外膜(outermembrane)內(nèi)膜(innermembrane)膜間隙(intermembranespace)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(outermembrane)

細菌外膜中的孔蛋白OrganizationandFunctionofMitochondria◆線粒體進行電子傳遞和氧化磷酸化的部位，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(nèi)膜的標志酶是細胞色素氧化酶。內(nèi)膜(innermembrane)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(intermembranespace)◆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、脂類代謝有關的酶（酰基輔酶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(nèi)膜細胞色素氧化酶、琥珀酸脫氫酶、NADH脫氫酶、肉堿酰基轉移酶、-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(nèi)的動力工廠糖酵解：提供細胞少量的能量細胞內(nèi)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6C3C2C1C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(pyruvatedehydrogenase)作用下氧化成乙酰輔酶A?！裆镄枰芰繒r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)(tricarboxylicacidcycle,TCAcycle)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CO21分子GTP4分子NADH1分子FADH25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(chemiosmoticcouplinghypothesis)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)進行3、三羧酸循環(huán):

在線粒體基質內(nèi)進行4、電子傳遞和氧化磷酸化:在線粒體內(nèi)膜上進行葡萄糖（C6H12O6）糖酵解酶系2丙酮酸（C3H4O3)+2H+2ATPC3H4O3+輔酶A(CoA)+2NAD乙酰-CoA+2NADH+2H+CO2丙酮酸脫氫酶系+Mg2+葡萄糖丙酮酸NADNADH2CO2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NADNADH2CO2-酮戊二酸NADNADH2CO2琥珀酸FADFADH2延胡索酸蘋果酸NADNADH21231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(nèi)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：n①由復合物I、III、IV組成，催化NADH的脫氫氧化。n②由復合物II、III、IV組成，催化琥珀酸的脫氫氧化。呼吸鏈(resqiratorychain)呼吸鏈即電子(包括H+)的傳遞鏈，起自NADH(NicotineAdenylateDinucleotide，尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸)，終端為02，NADH02共產(chǎn)生3個ATP。其間任何環(huán)節(jié)缺陷將導致電子傳遞障礙。NADHCoQCytCO2ComplexI: NADH-CoQ還原酶ComplexII: 琥珀酸-CoQ還原酶ComplexIII: 細胞色素c還原酶ComplexIV: 細胞色素c氧化酶ComplexV: ATP合成酶I琥珀酸IIIIIIVV

生成3個ATP1、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（respiratorychain）又稱為電子傳遞鏈（electrontransportchain），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TheElectronTransportChain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(nèi)：36個三羧酸循環(huán)：2個內(nèi)膜上呼吸氧化過程：34個偶聯(lián)磷酸化的關鍵裝置————基粒（ATP酶復合體）一分子的葡萄糖徹底氧化生成38個ATPn

①由復合物I、III、IV組成，催化NADH的脫氫氧化。n②由復合物II、III、IV組成，催化琥珀酸的脫氫氧化。TheMechanismofOxidativePhosphorylation

英國生物化學家P.Mitchell1961年提出了化學滲透假說(chemiosomoticcomplinghypothesis)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(nèi)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),合成了ATP?；瘜W滲透學說示意圖

化學滲透學說1961年——英國——P.Mitchell——1978年——諾貝爾獎認為：2線粒體內(nèi)膜上的基粒（ATP酶復合體）也能可逆地跨線粒體內(nèi)膜轉運質子（H+），一方面：它可以水解ATP產(chǎn)生能量將質子從內(nèi)室轉移到外室；另一方面：當外室存在大量質子時使線粒體內(nèi)膜內(nèi)外存在足夠的質子電化學梯度，質子則從外室通過基粒（ATP酶復合體）F0上的質子通道進入內(nèi)室同時驅動F1因子中ATP酶利用這種勢能合成ATP。線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞鏈同時起質子（H+）泵的作用，可以在電子傳遞的同時將質子（H+）從線粒體基質腔（內(nèi)室）轉移到膜間腔（外室）。1提出：電子傳遞過程中所釋放的能量并非直接用于合成ATP，而是用來將質子從內(nèi)室泵到外室。由于線粒體內(nèi)膜是質子屏障，造成膜兩側質子濃度失衡，產(chǎn)生跨膜的電化學質子梯度（PH差和電位差，含很高的能量），外室中高濃度的質子有返回內(nèi)室的趨勢，當質子從外室通過基粒（ATP酶復合體）F0上的質子通道進入內(nèi)室,同時驅動F1因子中ATP酶,利用這種勢能使ADP磷酸化合成ATP。4線粒體內(nèi)膜上有一系列介導基本代謝物質和選擇性轉運無機離子進出內(nèi)膜的載體蛋白。3線粒體內(nèi)膜本身具有離子不通透性，能隔絕包括H+、OH-在內(nèi)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15000堿基對。1981年—人胎盤—Anderson—mtDNA全部核苷酸序列—全長16569個堿基對mtDNA16569bp37個基因2種編碼rRNA(12S和16S）基因22種編碼tRNA基因13種編碼蛋白質基因HumanmtDNA,acircularmoleculethathasbeencompletelysequenced,isamongthesmallestknownmtDNAs,containing16,569basepairs.ItencodesthetworRNAsfoundinmitochondrialribosomesandthe22tRNAsusedtotranslatemitochondrialmRNAs.

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（semiautonomousorganelle）。返回目錄

MtDNA的結構特點除成熟的紅細胞外每一個細胞內(nèi)均有數(shù)量不等的線粒體。每一個線粒體內(nèi)有2~10個拷貝的mtDNA，mtDNA是獨立于細胞核染色體外的又一基因組。人mtDNA由16569bp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tRNA基因、2個rRNA基因(12S和16SrRNA)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。Tobecontinued...

MtDNA的結構特點人類線粒體的基因組排列非常緊湊，除與mtDNA復制及轉錄有關的一小段區(qū)域外，無內(nèi)含子序列。37個基因間隔區(qū)總共只有87bp，因此，幾乎mtDNA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。

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?？傊?/p>

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