线粒体

2020/2/221线粒体Mitochondrion2020/2/222生物氧化和能量转换；线粒体的化学成分与酶的分布；光镜和电镜下线粒体的形态结构，外膜、内膜（嵴和基本微粒）、基质等部分的结构特点；线粒体的功能：细胞呼吸和生物氧化的概念、呼吸链及电子传递、基粒及ATP合成；线粒体的半自主性的概念及特点；线粒体病；线粒体的增殖与起源；线粒体相关的研究进展。2020/2/223一线粒体的形态结构二线粒体的超微结构三化学组成第一节线粒体的形态结构和化学组成2020/2/224概述1894年Altmann首次在动物细胞中发现1948年Hogeboom用分步离心法分离得到线粒体，建立了线粒体能量代谢中心的概念1963～1964年发现线粒体中存在DNA和一整套DNA转录和翻译系统，证实线粒体是具有一定自主性的细胞器2020/2/225概述大小：直径为0.5～1.0m，胰腺外分泌细胞巨大线粒体10～20m数目：数百至数千利什曼原虫只有一个巨大的线粒体新陈代谢旺盛的细胞，线粒体多肿瘤细胞呼吸能力弱，线粒体较正常细胞少分布：均匀分布在细胞质中分布在需要供能的部位2020/2/226一线粒体的形态结构形态：光镜下，多为粒状、杆状或线状2020/2/227线状颗粒状光镜下形态大小直径约0.5~1um故名线粒体2020/2/228线粒体的结构----显微结构上皮细胞颗粒状线粒体图中箭头所示颗粒状线粒体2020/2/229短棒状或小球状电镜下的形态线粒体是由双层单位膜包围而形式的囊状小体2020/2/22102020/2/22112020/2/2212二超微结构由两层单位膜围成的封闭的囊状结构外膜(outermembrane)内膜（innermembrane）膜间腔（intermembranespace）基质（matrix）2020/2/2213外膜内膜基质（内腔）膜间腔（外腔）线粒体超微结构：2020/2/2214外膜基质（内腔）基粒内膜嵴膜间腔（外腔）外)内腔（与基质相通）（内腔）2020/2/2215外膜包围在线粒体最外面的一层单位膜厚约5.6nm脂类组成与内质网相似含大量孔蛋白，允许分子量小于10KDa的水溶性小分子物质通过2020/2/2216内膜厚度约4.5nm位于外膜内侧的一层单位膜向内折叠形成嵴（cristae），使内膜的表面积增加通透性较低，只有不带电荷的小分子才能通过；一些较大的分子和离子需由特异的运载系统才能通过内膜进入基质在内膜和嵴上有电子传递链和基本微粒2020/2/2217嵴的作用是扩大内膜的面积；使基质区域化。嵴的形态多样A羽冠型B网膜型C绒毛型D平行型E同心圆型2020/2/2218基本微粒(elementaryparticle)--基粒在内膜和嵴的基质面上附有许多带柄的圆球形颗粒化学本质是ATP合成酶（ATPsynthetase）氧化磷酸化的关键装置F0因子和F1因子，又称F0F1-ATP酶2020/2/2219基粒的结构：头部（ATP酶复合体）基片ADP+PiATP头部（ATP酶复合体）基粒柄部基片（插入膜中）基粒是氧化磷酸化的结构部位，其化学本质是F0F1ATP合成酶柄部2020/2/2220膜间腔外室（outerchamber）：外膜与内膜之间含有许多可溶性酶类、底物和辅助因子膜间腔的大小与细胞的呼吸活跃程度有关2020/2/2221基质内室（innerchamber)内膜包围的空间酶：三羧酸循环丙酮酸氧化所需要的酶DNA、RNA蛋白质合成基质颗粒：内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子线粒体DNA、RNA核糖体2020/2/2222基质标志酶-------苹果酸脱氢酶外膜标志酶------单胺氧化酶内膜标志酶-----细胞色素氧化酶膜间腔标志酶-------腺苷酸激酶2020/2/2223三线粒体的化学组成蛋白质占线粒体干重的65%-75%脂类占25%-30%少量核酸、无机盐、辅助因子及丰富的水2020/2/2224蛋白质在线粒体各结构组成分布差异较大。内膜和基质中占较大比例类型可溶性蛋白：基质中的酶、膜的外周蛋白不可溶性蛋白：膜镶嵌蛋白结构蛋白部分酶蛋白2020/2/2225脂类主要磷脂胆固醇脂类:蛋白质外膜卵磷脂少量1:1内膜心磷脂极低0.3:12020/2/2226第二节线粒体的主要功能-细胞呼吸细胞的能量转换：细胞把有机物中的能量通过一定的方式转化成为细胞可利用的能量的过程2020/2/2227细胞氧化、细胞呼吸：细胞内氨基酸、脂肪酸、单糖等供能物质被彻底氧化分解，产生CO2和H2O，并将氧化分解过程释放的能量生成ATP的过程细胞氧化要摄取氧，产生的CO2最终排出体外。释放的能量使ADP磷酸化生成ATP细胞生命活动所需的能量95%来自线粒体一、细胞氧化2020/2/2228细胞氧化的四个主要步骤示意图2020/2/2229细胞氧化的四个主要步骤糖酵解乙酰辅酶A形成三羧酸循环电子传递和氧化磷酸化物质分解能量释放能量转换2020/2/2230细胞氧化的基本过程糖酵解（胞质）丙酮酸（胞质）乙酰辅酶A（内膜）Kreb’s循环（基质）电子传递和氧化磷酸化（内膜与基粒）2020/2/2231糖酵解细胞中的供能物质如葡萄糖不能直接进入线粒体在细胞质基质中磷酸化1分子葡萄糖经十多步反应形成2分子丙酮酸不需要氧净生成2分子ATP，2对H原子由受氢体NAD+携带2020/2/2232糖酵解2020/2/2233乙酰辅酶A形成丙酮酸进入线粒体基质中丙酮酸脱氢酶催化丙酮酸脱氢乙酰基与辅酶A结合形成乙酰辅酶A2对H原子由NAD+携带2020/2/2234三羧酸循环线粒体基质中乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合形成柠檬酸柠檬酸经一系列反应氧化脱羧，生成草酰乙酸草酰乙酸与另一分子的乙酰辅酶A结合重新形成柠檬酸净生成2分子GTP，8对H原子，6对由NAD+携带，2对由FAD携带2020/2/2235三羧酸循环草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸琥珀酸辅酶A琥珀酸延胡索酸苹果酸乙酰辅酶A2020/2/2236三羧酸循环示意图2020/2/2237电子传递和氧化磷酸化偶联前三步所产生的H原子不能直接与O2结合H原子先离解为H+和电子电子经电子传递链传递给1/2的O2使之成为O2-O2-与基质中的2个H+化合生成H2O电子传递过程中释放能量2020/2/2238电子传递链位于线粒体内膜上，由一系列能够可逆接受和释放H+或e-的酶和辅酶有序地排列成相互关联的链状结构2020/2/2239电子传递链与呼吸链具有递氢、递电子作用的一系列氢载体和电子载体，在线粒体内膜上有序排列，构成相互关联的链状，成为电子传递链。该体系最终以氧作为电子接受体，与细胞摄氧有关，故又称为呼吸链2020/2/2240电子传递链主要组分复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ两条电子传递途径主要途径复合体ⅠⅢⅣ次要途径复合体ⅡⅢⅣ2020/2/2241电子传递的主要途径2020/2/2242ATP合成图2020/2/2243ATP、GTP中含有高能磷酸键(～P)，每个高能磷酸键约包含8千卡的热能，在细胞能量的贮存和转换中起重要作用。2020/2/2244化学渗透假说1961年PeterD.Mitchell提出线粒体内膜对H+是不通透的，内膜中的呼吸链起着质子泵的作用，在内膜两侧形成电化学质子梯度，当H+沿ATP酶复合体到基质时，ATP合成，实现氧化磷酸化偶联特点强调膜结构的完整性2020/2/22452020/2/2246电化学质子梯度2020/2/2247TheNobelPrizeinChemistry1997PaulD.BoyerJohnE.WalkerJensC.SkouTheRoyalSwedishAcademyofScienceshasawardedthe1997NobelPrizeinChemistrywithonehalftoPaulD.BoyerandJohnE.Walkerfortheirelucidationoftheenzymaticmechanismunderlyingthesynthesisofadenosinetriphosphate(ATP);andwithonehalftoJensC.Skou,forthefirstdiscoveryofanion-transportingenzyme,Na+,K+-ATPase.2020/2/22482020/2/2249三、ATP合成酶的分子结构及作用机制ATP合成酶的分子结构（F1F0-ATP酶）F1突出于膜外F0嵌于膜内分子“水轮发电机”2020/2/2250F1牛心线粒体的F1由3α、3β、1γ、1δ、1ε等9个亚基组成1994年Walker等发表的0.028nm分辨率的牛心线粒体的F1-ATP酶晶体X射线衍射分析表明：3个α、3个β亚基交替排列，形同“桔瓣”γ和ε亚基结合在一起，形成“转子”，位于α3β3的中央2020/2/2251F0镶嵌在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道F0的亚基在不同物种中差别很大。在细菌中，F0由a1b2c10～12亚基组成。a亚基、b亚基二聚体与δ亚基共同组成“定子”。“定子”在一侧将α3β3与F0连接起来。c亚基12聚体形成一个环状结构，它可与γε亚基结合或解离2020/2/2252ATP合成酶的分子结构及作用机制美国生物化学家Boyer(1989)提出了结合变构机制(binding-changemechanism)来解释ATP合成酶如何利用跨膜的质子梯度形成ATPF1和F0通过“转子”和“定子”连接起来，在合成ATP的过程中，“转子”在H+流推动下旋转，调节3个β亚基的构象变化。在ATP合成过程中，F1上3个β催化亚基在任一时刻的构象总是不同的在质子流推动下，α3β3亚基相对于“转子”每次旋转120º，3个β亚基的构象随即发生顺序变化β亚基为空置状态(O态)时，ADP和Pi进入β亚基的结合位点；“转子”旋转120º，β亚基变化为松散结合态(L态)“转子”又旋转120º，β亚基变为紧密结合态(T态)，使ADP同Pi发生反应合成ATP当“转子”再旋转120º，引起ATP释放出来，空出结合位点，β亚基恢复为空置状态，开始下一循环每一个催化亚基要经过3次构象改变才催化合成1个ATP分子)。2020/2/2253电子传递和氧化磷酸化的偶联过程H原子解离为H+和e-电子沿电子传递链传递，最后与O2结合生成O2-H+被复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ以及辅酶Q从基质侧泵至膜间腔，使内膜内、外侧形成电化学质子梯度H+顺电化学质子梯度通过ATP酶复合体的质子通道基质ATP酶利用释放的能量催化ADP磷酸化形成ATPH+与O2-结合生成H2O2020/2/22542020/2/2255ATPSYNTHASE—AMOLECULARTURBINEATPsynthaseisamolecularmachinethatworkslikeaturbinetoconverttheenergystoredinaprotongradientintochemicalenergystoredinthebondenergyofATP.Theflowofprotonsdowntheirelectrochemicalgradientdrivesarotorthatliesinthemembrane.Itisthoughtthatprotonsflowthroughanentryopentoonesideofthemembraneandbindtorotorsubunits.Onlyprotonatedsubunitscanthenrotateintothemembrane,awayfromthestaticchannelassembly.Oncetheprotonateds