第七章线粒体的结构与功能

线粒体(mitochondrion)是存在于真核细胞中的一种较大细胞器，在光学显微镜下观察呈“短线状”或“颗粒状”的形态学特征而命名为线粒体，是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所,细胞生命活动所需的能量有95％来自线粒体，因此有细胞“动力工厂”之称。线粒体的形态、数量与分布返回目录1894年——Altmann——光镜——生命小体(bioblast)1897年——Benda——线粒体(mitochondria)一.线粒体的形态、大小和分布形态：光镜：线状、粒状、短杆状；有的圆形、哑铃形、星形；还有分枝状、环状等线粒体的形态光学显微镜下线粒体的形态线粒体的形态多种多样，一般呈线状，也有粒状或短线状。细胞的生理状况发生变化时线粒体的形态亦将随之而改变。线粒体的数量同一类型细胞中，线粒体的数目是相对稳定的。在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大。生理活动旺盛的细胞（心肌细胞）线粒体多。数百~数千个3105万个(有些卵母细胞)1个50万个(巨大变形虫)肌细胞和精子的线粒体分布线粒体包围着脂肪滴线粒体的分布线粒体较多分布在需要ATP的部位！！返回目录数目：不同类型的细胞中差异较大。正常细胞中：1000—2000个。分布：因细胞形态和类型的不同而存在差异。通常分布于细胞生理功能旺盛的区域和需要能量较多的部位。总之：线粒体的形态、大小、数目和分布在不同形态和类型的细胞可朔性较大。大小：细胞内较大的细胞器。一般直径：0.5—1.0um;长度：3um。光镜下绿色颗粒显示线粒体,红色颗粒显示溶酶体线粒体的形态线粒体的形态线粒体结构二.线粒体的亚微结构电镜：线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构。外膜内膜膜间隙（膜间腔、外室）嵴嵴间隙（嵴间腔、内室）内含基质8.2电镜下，线粒体是由两层高度特化的单位膜套叠而成的囊状结构，主要由外膜、内膜、膜间腔和基质腔四部分组成线粒体的结构与化学组成电子显微镜下线粒体的形态结构A、B扫描电镜图；C透射电镜图线粒体的超微结构电镜：线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构。外膜内膜膜间腔（外腔）嵴嵴间腔（内腔）内含基质，有DNA线粒体的超微结构外膜内膜膜间隙嵴间腔嵴嵴：基粒（ATP酶复合体）：基质面上许多带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。基粒（ATP酶复合体）3-4nm长4.5-6nm6-11.5nm高5-6nm9nm9nm头部柄部基片:合成ATP:调控质子通道：质子的通道（内腔）（外腔）内膜向内腔折叠形成，可增加内膜的表面积。嵴和基粒基粒的结构基粒结构模式图返回目录包围在线粒体外表面的一层单位膜。厚6—7nm，平整、光滑。外膜含有多套运输蛋白（通道蛋白），围成筒状园柱体，中央有小孔，孔径：2-3nm，允许分子量为10000以内的物质可以自由通过。外膜外膜位于外膜内侧，由一层单位膜构成。厚5-6nm，其通透性很差，但有高度的选择通透性，借助载体蛋白控制内外物质的交换。内膜向内突起形成—嵴内外膜之间有6-8nm宽间隙—膜间隙嵴与嵴之间的腔—嵴间腔嵴内的空隙——嵴内腔外膜内膜膜间隙（外室）嵴嵴间腔（内室）嵴内腔内膜外膜内膜膜间隙嵴间腔嵴内腔嵴嵴的形态和排列方式差别很大，主要有两种类型：板层状（大多数高等动物细胞中线粒体的嵴）;小管状（原生动物和其它一些较低等的动物细胞中线粒体的嵴）。（内室）（外室）嵴：内膜向内室折叠形成，可增加内膜的表面积。嵴与基粒可溶性的ATP酶（F1)360000疏水蛋白（HPF0)70000外膜内膜膜间隙嵴间腔嵴内腔嵴基粒（ATP酶复合体）：内膜和嵴膜基质面上许多带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。基粒（ATP酶复合体）3-4nm长4.5-6nm6-11.5nm高5-6nm9nm9nm头部柄部基片对寡酶素敏感蛋白（OSCP)18000ATP酶复合体抑制多肽10000（调节酶活性）:合成ATP:调节质子通道：质子的通道（内室）（外室）嵴与基粒cδεabH+βββαααγF1F0转子定子外膜内膜膜间隙嵴间腔（内室）嵴内腔嵴基粒（ATP酶）基质：内膜和嵴围成的腔隙，腔内充满较致密的物质——线粒体基质。线粒体基质脂类蛋白质酶类线粒体DNA线粒体DNA线粒体mRNA线粒体tRNA线粒体核糖体线粒体核糖体基质颗粒基质颗粒（外室）基质线粒体结构与化学组成外膜(outermembrane)内膜(innermembrane)膜间隙(intermembranespace)线粒体基质(matrix)1◆标志酶:单胺氧化酶◆外膜含有较大的通道蛋白:孔蛋白最大允许5000D的分子自由通过外膜(outermembrane)细菌外膜中的孔蛋白OrganizationandFunctionofMitochondria◆线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的部位，通透性差；◆含有大量的心磷脂(cardiolipin)，心磷脂与离子的不可渗透性有关；◆3类酶：运输酶类、合成酶类、电子传递和ATP合成的酶类；◆内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。内膜(innermembrane)2线粒体膜的运输系统◆标志酶:腺苷酸激酶◆功能:建立电化学梯度膜间间隙(intermembranespace)◆标志酶:苹果酸脱氢酶线粒体基质(matrix)◆功能:●TCA循环●脂肪酸氧化●氨基酸降解●合成部分线粒体蛋白线粒体中酶的分布线粒体中约有120种酶--------部位酶的名称外膜单胺氧化酶、犬尿氨酸羟化酶、NADH-细胞色素C还原酶、脂类代谢有关的酶（酰基辅酶A合成酶、脂肪酸激酶等）特征酶：单胺氧化酶膜间隙腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶、亚硫酸氧化酶特征酶：腺苷酸激酶内膜细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、肉碱酰基转移酶、-羟丁酸和-羟丙酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸载体。特征酶：细胞色素（c）氧化酶、琥珀酸脱氢酶基质柠檬酸合成酶、乌头酸酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、延胡索酸酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体、天冬氨酸氨基转移酶、蛋白质和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系特征酶：苹果酸脱氢酶氧化还原酶37%外膜膜间隙内膜基质细胞色素b5NADH-细胞色素c还原酶单胺氧化酶脂酰辅酶A合成酶磷酸甘油酰基转移酶孔蛋白腺苷酸激酶核苷酸激酶二磷酸激酶单磷酸激酶NADH脱氢酶琥珀酸脱氢酶细胞色素氧化酶细胞色素CATP合成酶(F0F1复合物)运输蛋白丙酮酸脱氢酶脂肪酸β氧化酶三羧酸循环酶系苹果酸脱氢酶DNA聚合酶RNA聚合酶核糖体转移RNAs线粒体各部分蛋白及酶的分布线粒体的化学组成线粒体的化学组分主要是由蛋白质、脂类和水份等组成红色标注各部分的标志酶线粒体：提供细胞95%以上的能量---细胞内的动力工厂糖酵解：提供细胞少量的能量细胞内的供能物质：主要糖类知识回顾：真核细胞中的氧化作用糖的氧化:葡萄糖→细胞→胞质中分解为丙酮酸(不需要氧，糖酵解)◆糖氧化成丙酮酸◆丙酮酸脱羧生成乙酰CoA◆乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化无氧：乳酸糖的酵解与氧化能量:高能分子6C3C2C1C线粒体线粒体基质中乙酰辅酶A的生成◆丙酮酸跨膜进入线粒体基质；◆在丙酮酸脱氢酶(pyruvatedehydrogenase)作用下氧化成乙酰辅酶A。●生物需要能量时首先利用多糖▲多糖→葡萄糖→丙酮酸▲脂肪脂肪酸▲蛋白质氨基酸→乙酰辅酶A（乙酰CoA）三羧酸循环↓三羧酸循环(tricarboxylicacidcycle,TCAcycle)又叫Krebs循环、柠檬酸循环。TCA循环葡萄糖酵解生成丙酮酸乙酰CoA的生成三羧酸循环返回目录2分子CO21分子GTP4分子NADH1分子FADH25对电子线粒体在能量转换中的作用电子传递偶联氧化磷酸化化学渗透偶联假说(chemiosmoticcouplinghypothesis)解释氧化磷酸化的偶联机理。该学说认为:在电子传递过程中,伴随着质子从线粒体内膜的里层向膜间腔转移，形成跨膜的氢离子梯度，这种势能驱动了氧化磷酸化反应(提供了动力)，合成了ATP。返回目录化学渗透学说示意图细胞氧化：在酶的催化下，氧将细胞内各种供能物质氧化而释放能量的过程。由于细胞氧化过程中，要消耗O2释放CO2和H2O所以又称细胞呼吸。细胞氧化的基本过程1、酵解：在细胞质基质内进行，反应过程不需要氧——无氧酵解2、乙酰辅酶A生成:线粒体基质内进行3、三羧酸循环:在线粒体基质内进行4、电子传递和氧化磷酸化:在线粒体内膜上进行葡萄糖（C6H12O6）糖酵解酶系2丙酮酸（C3H4O3)+2H+2ATPC3H4O3+辅酶A(CoA)+2NAD乙酰-CoA+2NADH+2H+CO2丙酮酸脱氢酶系+Mg2+葡萄糖丙酮酸NADNADH2CO2乙酸CoA乙酰CoA草酰乙酸三羧酸循环（柠檬酸循环）柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸NADNADH2CO2-酮戊二酸NADNADH2CO2琥珀酸FADFADH2延胡索酸苹果酸NADNADH21231注：NAD（辅酶I）:尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸FAD（黄酶）:黄素腺嘌呤二核苷酸三羧酸循环电子传递和氧化磷酸化：供能物质经过酵解乙酰辅酶A呼吸链（电子传递链）:复合体1复合体2复合体3复合体4复合体5O2伴随电子传递链的氧化过程所进行的能量转换和ATP的生成称氧化磷酸化或称氧化磷酸化偶联。生成、三羧酸循环脱下的氢原子，通过内膜上的一系列呼吸链酶系的电子传递，最后与氧结合生成水，电子传递过程中释放的能量被用于ADP磷酸化形成ATP.电子传递和氧化磷酸化氧化磷酸化：n①由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。n②由复合物II、III、IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。呼吸链(resqiratorychain)呼吸链即电子(包括H+)的传递链，起自NADH(NicotineAdenylateDinucleotide，尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸)，终端为02，NADH02共产生3个ATP。其间任何环节缺陷将导致电子传递障碍。NADHCoQCytCO2ComplexI:NADH-CoQ还原酶ComplexII:琥珀酸-CoQ还原酶ComplexIII:细胞色素c还原酶ComplexIV:细胞色素c氧化酶ComplexV:ATP合成酶I琥珀酸IIIIIIVV生成3个ATPn1、复合物I：NADH（烟酰胺嘌呤二核苷酸）-CoQ还原酶n最大、最复杂的脂蛋白复合体。由42条肽链组成，呈L型，含一个FMN（黄素单核苷酸）和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。n2、复合物II：琥珀酸-CoQ还原酶/琥珀酸脱氢酶n至少由4条肽链，含有一个FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸），1个细胞色素b和2个铁硫蛋白。催化琥珀酸的低能量电子转至辅酶Q，但不转移质子。n3、复合物III：CoQ-细胞色素c还原酶。至少11条不同肽链，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个铁硫蛋白和一个细胞色素c1。催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。n4、复合物IV：细胞色素c氧化酶n为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚单位：细胞色素a、a3和2个铜原子n将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。呼吸链•呼吸链（respiratorychain）又称为电子传递链（electrontransportchain），是一系列具有递氢、递电子作用的氢载体和电子载体蛋白，该体系最终以氧作为电子接受体，与细胞摄氧有关，故称为呼吸链。•由四种复合物组成返回目录TheElectronTransportChain三个参与H+传递，四个都参与传递电子复合物电子传递序号名称多肽数辅基接收自传递给传递质子ⅠNADH还原酶22～261个FMN6-9个Fe/S中心NADH辅酶Q是Ⅱ琥珀酸还原酶4～51个FAD3个Fe/S中心琥珀酸(经由酶结合的FAD)辅酶Q否Ⅲ细胞色素b-c1还原酶8～10细胞色素b细胞色素c1