細(xì)胞生物學(xué) 第六章 線粒體.ppt

1、第七章 線粒體(mitochondria),第一節(jié) 線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)（掌握） 第二節(jié) 線粒體的化學(xué)組成（了解） 第三節(jié) 線粒體的功能（掌握） 第四節(jié) 線粒體的半自主性（掌握） 第五節(jié) 線粒體的生物發(fā)生（了解） 第六節(jié) 線粒體與醫(yī)學(xué)（了解）,（1）1894年，德國生物學(xué)家Altman首先在動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，描述為生物芽體（bioblast）。 （2）1897年，Benda將它命名為線粒體(mitochondrion) （3）20世紀(jì)50年代，通過電鏡發(fā)現(xiàn)普遍存在于真核細(xì)胞（除哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞）, 是有機(jī)體進(jìn)行生物氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要場所，細(xì)胞生命活動(dòng)所需能量的95%是由線粒體提供的，因此被稱為細(xì)

2、胞的 “供能中心”、 “動(dòng)力工廠”和“能量轉(zhuǎn)換器”。,概 述,形態(tài)：線狀、粒狀、桿狀、啞鈴形、星形、分支形、環(huán)形。 大小:直徑0.51.0m，長度23 m；骨胳肌細(xì)胞直徑23 m，長度810m ，稱為巨大線粒體(giantmitochondria) 數(shù)目： 如肝細(xì)胞1000-2000，腎細(xì)胞400，精子細(xì)胞25個(gè)； 分布：多集中于細(xì)胞生理功能旺盛和需能高的部位。如精子中緊緊包繞著鞭毛；包圍在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)表面；伴隨著微管進(jìn)行分布的。,第一節(jié) 線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu),一、光鏡下線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)（了解）,二、電鏡下線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)（掌握）,由兩層單位膜圍成的封閉的囊狀結(jié)構(gòu)，主要由外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基粒組成

3、 。,（一）外膜(outer membrane) 是包圍在線粒體外表面的一層單位膜，厚6nm，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜組成相似。 含多套轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白形成大的跨越脂質(zhì)雙層的通道（筒狀體），使外膜出現(xiàn)許多篩網(wǎng)狀孔洞(1-3nm)，可以通過分子量10kDa以下的分子，包括一些小分子蛋白質(zhì)和多肽。,（二）內(nèi)膜(inner membrane) 約5-6nm，內(nèi)膜將線粒體的內(nèi)部空間分成兩部分： 內(nèi)腔(inner space)或稱基質(zhì)腔：內(nèi)膜直接包圍 外腔(outer space) 或稱膜間腔：內(nèi)膜與外膜之間 通透性差，僅允許小的不帶電荷的分子（H2O、CO2、尿素、甘油等）進(jìn)入。其它膜內(nèi)外物質(zhì)交換需要特殊的運(yùn)

4、輸?shù)鞍走x擇性地進(jìn)行膜內(nèi)外之間的轉(zhuǎn)移。,（1）嵴(cristae) 內(nèi)膜上有大量向內(nèi)腔突起的折疊。 嵴間腔(intercristae space)：嵴與嵴之間的間隙; 嵴內(nèi)腔(intracristae space)：嵴內(nèi)的空隙。,（三）嵴與基粒,Lamellar cristae,Tubular cristae,Models of mitochondrial membrane structures,（2）基粒(elementary particle): 又稱ATP酶復(fù)合體 在內(nèi)膜和嵴膜的基質(zhì)面上有許多 帶柄的小顆粒 。氧化磷酸化關(guān)鍵裝置,頭部:球形，含有可溶性ATP酶/偶聯(lián)因子F1。功能是合 成A

5、TP。另有ATP酶復(fù)合體抑制多肽，調(diào)節(jié)酶活性。 柄部:對寡霉素敏感的蛋白（OSCP），調(diào)控質(zhì)子通道 基片:嵌入內(nèi)膜，疏水蛋白（HP）/偶聯(lián)因子F0，質(zhì)子通道。,（四）內(nèi)腔及基質(zhì),內(nèi)腔（基質(zhì)腔）是內(nèi)膜和嵴所包圍成的腔隙，其內(nèi)含物為基質(zhì)（matrix）。 基質(zhì)是比較致密的膠狀物質(zhì)。,脂類,蛋白質(zhì)：酶系,核酸：環(huán)狀DNA分子、mRNA、tRNA,核糖體,基質(zhì)顆粒：調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)的離子環(huán)境,(三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸分解),基質(zhì)顆粒 ： 3050nm的電子致密顆粒， 含Ca2+、Mg2+等二價(jià)陽離子和磷等無機(jī)物，多見于轉(zhuǎn)運(yùn)大量水和無機(jī)離子的細(xì)胞中，如腸上皮細(xì)胞、腎小管上皮細(xì)胞、成骨細(xì)胞等。 當(dāng)組織

6、鈣化時(shí)，基質(zhì)顆粒顯著增大，造成線粒體破裂。在成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞線粒體中含有細(xì)胞總鈣量的90%以上，線粒體破裂導(dǎo)致鈣釋放形成鈣化中心。,一、水 二、蛋白質(zhì) 是線粒體的主要組分，其含量占線粒體干重的65%70%。 可溶性蛋白，基質(zhì)中的酶和膜外周蛋白 不溶性蛋白，膜結(jié)構(gòu)蛋白或膜鑲嵌酶蛋白。 三、酶（掌握） 外膜：合成脂類的酶類。特征酶為單胺氧化酶。 內(nèi)膜：執(zhí)行呼吸鏈氧化反應(yīng)的酶系和ATP合成酶系。特征酶 為細(xì)胞色素c氧化酶。 基質(zhì)：高濃度的多種混合物，特征酶為蘋果酸脫氧酶。,第二節(jié) 線粒體的化學(xué)組成,四、脂類 脂類含量占線粒體干重的25%30%。以磷脂為主，其中以磷脂酰膽堿（卵磷脂）和磷脂酰乙醇胺（

7、腦磷脂）為主，還含有一定量的心磷脂（內(nèi)膜）和較少的膽固醇（外膜）。 五、其它 如輔酶Q、黃素單核苷酸（FMN）、黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）以及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）等。這些物質(zhì)均參與電子傳遞的氧化還原過程，它們與內(nèi)膜密切關(guān)聯(lián)。,主要功能：是對各種能源物質(zhì)的氧化和能量轉(zhuǎn)換，為細(xì)胞氧化作用提供場所。 物質(zhì)氧化：細(xì)胞內(nèi)氨基酸、脂肪酸、單糖等供能物質(zhì)在一系列酶的作用下，消耗O2，產(chǎn)生CO2和水，放出能量的過程稱為細(xì)胞氧化作用，此過程中細(xì)胞要攝取O2排出CO2，故又稱為細(xì)胞呼吸（cellular respiration）作用。,能量轉(zhuǎn)換：物質(zhì)的化學(xué)能 高能磷酸鍵（ATP）,酶,第三節(jié) 線粒體

8、的功能,動(dòng)物細(xì)胞80%的ATP來源于線粒體。,細(xì)胞有氧呼吸可分為四個(gè)主要步驟： 糖酵解 細(xì)胞質(zhì) 乙酰輔酶A的形成 基質(zhì) 三羧酸循環(huán) 內(nèi)膜 線粒體 電子傳遞偶聯(lián)氧化磷酸化 內(nèi)膜 線粒體是細(xì)胞氧化的主要基地，產(chǎn)生ATP的主要場所。 細(xì)胞生命活動(dòng)所需的能量由95%來自線粒體。,Mitochondrial function,以葡萄糖為例來說明 1. 無氧酵解（細(xì)胞質(zhì)中） l 分子葡萄糖 2 分子丙酮酸+ 2分子ATP,2. 乙酰輔酶A的形成,丙酮酸+輔酶A 乙酰輔酶A+CO2,3. 三羧酸循環(huán),4、電子傳遞偶聯(lián)氧化磷酸化： 就是將三羧酸循環(huán)脫下的氫原子，通過內(nèi)膜上一系列呼吸鏈酶系的逐級(jí)傳遞，最后與氧結(jié)

9、合成水。電子傳遞過程中釋放的能量被用于ADP磷酸化形成ATP， 將生物氧化釋放的能量轉(zhuǎn)移到ATP的高能磷酸鍵中。,呼吸鏈（respiratory chain）傳遞電子，故又稱為電子傳遞鏈（electron transport chain），它是一組酶復(fù)合體，由許多遞氫體和傳電子體按照一定排列順序組成的傳遞體系，分布并嵌在線粒體的內(nèi)膜上，包括輔酶（NAD）、黃酶（FAD、FMN）、輔酶Q和細(xì)胞色素b、c1、c、a、a3。,電子傳遞與ATP的合成是如何偶聯(lián)的問題：化學(xué)滲透假說,當(dāng)高能電子沿呼吸鏈從一個(gè)復(fù)合物傳遞至另一個(gè)復(fù)合物時(shí)，釋放的能量，使質(zhì)子（H+）通過質(zhì)子泵從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵至膜間腔。

10、因?yàn)榫€粒體內(nèi)膜對H+不能自由通透，因此在內(nèi)膜兩側(cè)形成電化學(xué)質(zhì)子梯度，膜內(nèi)側(cè)（），膜外側(cè)（+），在電化學(xué)質(zhì)子梯度中蘊(yùn)藏了能量。,泵出的H+有順濃度差返回基質(zhì)的趨向，當(dāng)它們通過ATP合成酶的質(zhì)子通道進(jìn)入基質(zhì)時(shí)，ATP合成酶利用電化學(xué)質(zhì)子梯度的能量催化ADP與Pi合成ATP，使釋放的能量以高能磷酸鍵的形式儲(chǔ)存于ATP中 ADP+Pi+能量ATP,Chemiosmotic Theory,第四節(jié) 線粒體的半自主性,1963年，納斯（Nass）等在雞胚肝細(xì)胞線粒體中發(fā)現(xiàn)有環(huán)狀DNA分子，稱線粒體DNA（mtDNA）。 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，線粒體有自己的遺傳系統(tǒng)和蛋白質(zhì)合成體系。但它只編碼少量線粒體蛋白質(zhì)，大多

11、數(shù)蛋白質(zhì)還是由核DNA編碼，線粒體基因的復(fù)制與表達(dá)所需的許多酶，也是由核DNA所提供的。所以，線粒體具有半自主性(semiautonomous organelle）。 線粒體是動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)中唯一含有核外遺傳物質(zhì)的細(xì)胞器。,一、線粒體DNA （mtDNA） 一般呈環(huán)狀，不與組蛋白結(jié)合，是裸露的。一個(gè)線粒體中可有1個(gè)或幾個(gè)DNA分子。 人mtDNA基因組的結(jié)構(gòu): 堿基組成：人為16571個(gè)堿基對，雙鏈環(huán)狀分子。 DNA的結(jié)構(gòu)：由兩條鏈組成 一條是重鏈（H鏈），分子量大，G多 一條是輕鏈（L鏈），分子量小，C多,mtDNA的復(fù)制：mtDNA具有自我復(fù)制的能力，而且也是半保留復(fù)制，mtDNA復(fù)制在間期進(jìn)

12、行，甚至整個(gè)細(xì)胞周期都可復(fù)制。,編碼的基因：兩條鏈共編碼37個(gè)基因，編碼22種tRNA，2種rRNA，13種蛋白質(zhì)。線粒體基因所編碼的蛋白質(zhì)都參與線粒體的組成或與線粒體的功能有關(guān)。,二、線粒體的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng),線粒體內(nèi)進(jìn)行蛋白質(zhì)生物合成所必須的各種RNA（rRNA、tRNA、mRNA）都是線粒體所特有的。在轉(zhuǎn)錄過程中所需的RNA聚合酶是由核DNA編碼并在細(xì)胞質(zhì)中合成的。 核糖體的蛋白質(zhì)是由核DNA所編碼的，在細(xì)胞質(zhì)游離核糖體上合成后再轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體內(nèi)裝配成線粒體核糖體的。,線粒體RNA聚合酶可被菲啶溴紅（E.B.）等原核細(xì)胞RNA聚合酶抑制劑所抑制，但真核細(xì)胞RNA聚合酶抑制劑如-鵝膏覃堿，對它

13、卻沒有抑制作用。 蛋白質(zhì)合成過程中對藥物的敏感性不同：如放線菌酮可抑制細(xì)胞質(zhì)核糖體蛋白質(zhì)合成，但不能抑制線粒體核糖體蛋白質(zhì)合成；而氯霉素和紅霉素可抑制線粒體蛋白質(zhì)合成，但對細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成卻無影響； mRNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)過程幾乎在同一時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行； 線粒體蛋白質(zhì)合成的起始tRNA為N-甲酰甲硫氨酰tRNA，與原核細(xì)胞一樣，而在真核細(xì)胞中，起始tRNA為甲硫氨酰tRNA。,線粒體蛋白質(zhì)的合成與真核細(xì)胞不同：,蛋白質(zhì)合成抑制劑結(jié)合位點(diǎn),二者是相互協(xié)作的關(guān)系：線粒體需要的百余種蛋白質(zhì)都是由細(xì)胞核DNA編碼。雖然線粒體rRNA是從mtDNA轉(zhuǎn)錄而來的，但是組成線粒體核糖體的蛋白質(zhì)也是由核基因編碼

14、。 線粒體有自己的DNA和蛋白質(zhì)合成體系。遺傳系統(tǒng)能獨(dú)立地進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，但線粒體基因組的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與翻譯受核遺傳系統(tǒng)的指導(dǎo)和控制，所以線粒體的遺傳系統(tǒng)是半自主性的。,三、線粒體遺傳系統(tǒng)與細(xì)胞遺傳系統(tǒng)的相互關(guān)系,第五節(jié) 線粒體的生物發(fā)生,線粒體的起源內(nèi)共生學(xué)說：線粒體起源于需養(yǎng)細(xì)菌（寄生于古老厭氧真核細(xì)胞）。在長期的進(jìn)化中，遺傳信息逐步轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核上，這樣留在線粒體上的遺傳信息就大大減少，mtDNA和蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)是長期進(jìn)化的痕跡。,線粒體的增殖方式 A：間壁分離 B：收縮分離 C：出芽分離,線粒體的增殖以分裂的方式：,線粒體結(jié)構(gòu)和功能很復(fù)雜，細(xì)胞內(nèi)、外環(huán)境因素的改變可以引起它的數(shù)量、分布、結(jié)

15、構(gòu)、功能以及代謝反應(yīng)等的異常，進(jìn)而影響細(xì)胞乃至機(jī)體的生命活動(dòng)甚至導(dǎo)致疾病。,一、線粒體病 由于mtDNA異常而導(dǎo)致呼吸鏈電子傳遞或氧化磷酸化功能缺陷等引起的疾病稱線粒體基因病，簡稱線粒體病。 已發(fā)現(xiàn)的有100多種線粒體病。例如線粒體心肌病、線粒體肌病、線粒體腦肌病等。這類病的共同特點(diǎn)都是mtDNA異常，導(dǎo)致肌細(xì)胞內(nèi)線粒體缺少某些酶，引起線粒體基質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、氧化磷酸化障礙，使肌細(xì)胞功能改變，發(fā)生疾病。,第五節(jié) 線粒體與醫(yī)學(xué),人心肌細(xì)胞的線粒體,線粒體腫脹,線粒體空泡化（心肌缺氧）,線粒體增生顯著,（一）異質(zhì)性：細(xì)胞中mtDNA存在突變型與野生型兩種類型，即異質(zhì)性。只有當(dāng)突變的mtDNA逐漸積累，其

16、比例達(dá)到一定程度才能引起疾病。 （二）特異性：主要侵犯代謝旺盛、需能高的組織，如神經(jīng)細(xì)胞、肌肉等。 （三）家族性：人類mtDNA為母性遺傳，不遵循孟德爾定律，其發(fā)病具有家族性。,線粒體病有以下共同特性：,典型的Leber遺傳性視神經(jīng)?。↙HON）就是mtDNA的多處點(diǎn)突變所引起的視神經(jīng)病變，患者出現(xiàn)視力減退、兩眼中央視覺喪失、球后視神經(jīng)炎，甚至可伴有心臟傳導(dǎo)阻滯和腦肌病。 mtDNA的大片段缺失可出現(xiàn)多個(gè)基因的缺陷，如Kerans-Sayre綜合征（KSS）就是由于不同范圍的mtDNA缺失引發(fā)的疾病，表現(xiàn)為眼外肌癱瘓、視網(wǎng)膜色素變性和心臟傳導(dǎo)阻滯三聯(lián)癥。,mtDNA異常的原因：點(diǎn)突變和大片段缺

17、失。,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一些致癌物質(zhì)與mtDNA的結(jié)合率高于核DNA，認(rèn)為致癌物質(zhì)使mtDNA發(fā)生突變是細(xì)胞癌變原因之一。 腫瘤組織代謝的一個(gè)顯著特點(diǎn)是細(xì)胞呼吸能力減弱，酵解增加，細(xì)胞內(nèi)線粒體數(shù)目較相應(yīng)組織少，電子傳遞鏈酶系和ATP含量均減少。,二、線粒體與腫瘤的關(guān)系,細(xì)胞中線粒體的數(shù)量隨年齡而減少，而體積卻隨年齡而增大。研究發(fā)現(xiàn)，幾種退化性疾病，如帕金森(Parkinson)病，以及衰老現(xiàn)象均與mtDNA有關(guān)。,線粒體是細(xì)胞內(nèi)自由基的重要來源。自由基對mtDNA的損傷造成mtDNA突變、數(shù)量減少以及轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物減少等，從而影響線粒體蛋白質(zhì)的合成，導(dǎo)致甚至氧化磷酸化功能降低。因此，mtDNA突變的積累是人類衰老的重要因素。,三、線粒體與衰老,不同患者年齡與氧化磷酸化的關(guān)系,不同患者年齡與mtDNA損傷的關(guān)系,細(xì)胞凋亡過程中雖然線粒體仍能維持其結(jié)構(gòu)的基本正常，但功能已發(fā)生顯著改變，如線粒體內(nèi)膜通透性增大，內(nèi)膜跨膜電位下降等。 各種凋亡誘導(dǎo)信號(hào)使線粒體膜通透性增加，引起細(xì)胞凋亡啟動(dòng)因子（細(xì)胞色素c、凋亡蛋白激活因子（Apaf）和凋亡誘導(dǎo)因子（AIF）等）