第六章线粒体ppt课件

第六章第六章 线粒体线粒体n能量转换细胞器能量转换细胞器 广泛存在于各类真广泛存在于各类真核细胞，通过氧化磷酸核细胞，通过氧化磷酸化将质子浓度梯度转换化将质子浓度梯度转换为为ATP,ATP,为细胞生命活为细胞生命活动提供能量。动提供能量。n半自主性细胞器半自主性细胞器 自身含有自身含有DNADNA，功能，功能活动和装配受核基因和活动和装配受核基因和自身基因的共同控制。自身基因的共同控制。线粒体的发现及生理活动的认识过程：线粒体的发现及生理活动的认识过程：n18971897年年BendaBenda发现了线粒体发现了线粒体n19121912年，年，KingsburyKingsbury认为认为线粒体是线粒体是氧化作用的部位。氧化作用的部位。n19131913年，年，Engelhardt Engelhardt 证明了磷酸化与氧的消耗是耦联在证明了磷酸化与氧的消耗是耦联在一起的，即氧化作用与磷酸化作用是偶联。一起的，即氧化作用与磷酸化作用是偶联。n1943-19501943-1950年，年，Kennedy Kennedy 和和Lehninger Lehninger 证明了柠檬酸循环、证明了柠檬酸循环、氧化磷酸化和脂肪酸氧化均发生在线粒体；氧化磷酸化和脂肪酸氧化均发生在线粒体；次年，次年，LehningerLehninger又发现氧化磷酸化需要电子传递。又发现氧化磷酸化需要电子传递。n2020世纪世纪5050年代后，人们用电镜对线粒体超微结构进行了细年代后，人们用电镜对线粒体超微结构进行了细致观察，将其生理活动同结构联系起来，并证明了柠檬酸致观察，将其生理活动同结构联系起来，并证明了柠檬酸循环循环,氧化磷酸化等是在线粒体的不同部位进行的。氧化磷酸化等是在线粒体的不同部位进行的。第一节线粒体的形态、大小和分布第一节线粒体的形态、大小和分布一、形态大小一、形态大小n线粒体一般呈条形或椭圆形，有内伸的线粒体一般呈条形或椭圆形，有内伸的“嵴嵴”，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、蛇形、分支状等。形、蛇形、分支状等。n大小因细胞类型和生理状态而异，一般横切面直大小因细胞类型和生理状态而异，一般横切面直径径0.50.5 1 1.0m.0m，长长2 2 8m8m。在大鼠胰脏外分泌细胞。在大鼠胰脏外分泌细胞中可长达中可长达1010 2020mm，称巨大线粒体。称巨大线粒体。二、数量二、数量 1、与生理状况有关，处于不同状态的细胞对能、与生理状况有关，处于不同状态的细胞对能量的需求不同。量的需求不同。2、除哺乳动物红细胞无线粒体外，一般有数百、除哺乳动物红细胞无线粒体外，一般有数百到几千个，植物因有叶绿体的缘故，线粒体数到几千个，植物因有叶绿体的缘故，线粒体数目相对动物细胞较少。目相对动物细胞较少。三、线粒体的分布三、线粒体的分布 倾向于分布在细胞功能旺盛的区域。如在精子线粒体倾向于分布在细胞功能旺盛的区域。如在精子线粒体呈环形围绕在鞭毛周围；肌肉细胞中，线粒体集中分布在呈环形围绕在鞭毛周围；肌肉细胞中，线粒体集中分布在肌原纤维间，有利于需能部位的能量供用。肌原纤维间，有利于需能部位的能量供用。精子精子尾巴尾巴横纹横纹肌肌线粒线粒体体肌原纤维鞭毛芯 哺乳类培养细胞的线粒体哺乳类培养细胞的线粒体光镜照片光镜照片用活性荧光染料用活性荧光染料rhodamine 123染色，示线粒体长棒状。染色，示线粒体长棒状。同一细胞用荧光素标记的微管结同一细胞用荧光素标记的微管结合抗体染色的免疫荧光照片合抗体染色的免疫荧光照片 两个照片相比，可知线粒体倾向两个照片相比，可知线粒体倾向于沿着微管排列于沿着微管排列 线粒体的分布与迁移和微管有关，常呈链形，与微管分线粒体的分布与迁移和微管有关，常呈链形，与微管分布相对应。线粒体在胞质中可向功能旺盛的区域迁移，微管布相对应。线粒体在胞质中可向功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨、由马达蛋白提供动力。是其导轨、由马达蛋白提供动力。第二节第二节 线粒体的超微结构线粒体的超微结构n电镜下，线粒体是由双层膜围成的一个封闭的香肠状囊电镜下，线粒体是由双层膜围成的一个封闭的香肠状囊式结构。包括式结构。包括外膜、内膜、膜间隙和基质外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔。四个功能区隔。一、线粒体外膜一、线粒体外膜 包围在线粒体最包围在线粒体最外层的一层单位膜，外层的一层单位膜，厚约厚约6nm6nm，其上有孔，其上有孔蛋白（蛋白（porinporin）组成）组成的圆筒状通道，通透的圆筒状通道，通透性高，允许相对分子性高，允许相对分子量量5000 Da5000 Da以下的小以下的小分子进入膜间隙。分子进入膜间隙。外膜膜间隙内膜二、线粒体内膜二、线粒体内膜n厚约厚约6-8nm6-8nm，对物质透性低，只允许不带电荷的小，对物质透性低，只允许不带电荷的小分子通过，大分子和离子经专一性运载系统穿膜分子通过，大分子和离子经专一性运载系统穿膜运输。运输。内膜向内室伸出许多褶皱或小管称为嵴内膜向内室伸出许多褶皱或小管称为嵴，其作用是增大内膜的表面积和内膜的代谢效率。其作用是增大内膜的表面积和内膜的代谢效率。其形状和数量可变，一般有如下板层状（高等动其形状和数量可变，一般有如下板层状（高等动物细胞）和管状（原生动物和大多数植物细胞）物细胞）和管状（原生动物和大多数植物细胞）嵴朝向线粒体基质面上规则地排列有许多圆球状嵴朝向线粒体基质面上规则地排列有许多圆球状颗粒称为颗粒称为基本颗粒或基本颗粒或F1F1颗粒或颗粒或F1F1因子因子，它具有，它具有ATPATP酶活性，故也称为酶活性，故也称为F1-ATPF1-ATP酶。酶。三、膜间隙（三、膜间隙（外室）外室）n内外膜间的空隙，宽内外膜间的空隙，宽6-8nm。嵴内的空间。嵴内的空间称为嵴内间隙，两者相通，充满液体，并称为嵴内间隙，两者相通，充满液体，并含有可溶性酶、底物和辅助因子。含有可溶性酶、底物和辅助因子。n某些部位内外膜紧密接触，无膜间隙，为某些部位内外膜紧密接触，无膜间隙，为胞质中合成蛋白进入线粒体的部位。胞质中合成蛋白进入线粒体的部位。四、线粒体基质四、线粒体基质 内膜包围的空间，充满胶状物质。内膜包围的空间，充满胶状物质。n蛋白质蛋白质酶：三羧酸循环、脂肪酸氧化、丙酮酸氧化酶：三羧酸循环、脂肪酸氧化、丙酮酸氧化n有形成分有形成分丝状物质：环状丝状物质：环状DNADNA、RNARNA核糖体：酵母核糖体：酵母70S70S；哺乳动物；哺乳动物55S55S致密颗粒状物质：致密颗粒状物质：Ca2+Ca2+磷酸钙沉淀磷酸钙沉淀储存储存Ca2+Ca2+，具有控制细胞质中钙离子浓度的作用。具有控制细胞质中钙离子浓度的作用。n脂类脂类 第三节第三节 线粒体的化学组成与酶的定位线粒体的化学组成与酶的定位一、线粒体各部分的分离一、线粒体各部分的分离n差速离心差速离心完整线粒体完整线粒体n密度梯度离心密度梯度离心线粒体亚组分线粒体亚组分低渗处理低渗处理吸水膨胀吸水膨胀分离外膜分离外膜去垢剂去垢剂 毛地黄苷毛地黄苷-外膜与内膜和基质（线粒体质体）分开外膜与内膜和基质（线粒体质体）分开 LubrolLubrol-内膜与基质分开内膜与基质分开二、线粒体的化学组成二、线粒体的化学组成n蛋白质（各种酶）：含量占线粒体干重的蛋白质（各种酶）：含量占线粒体干重的65%-65%-70%70%，包括可溶性蛋白、不可溶性蛋白。，包括可溶性蛋白、不可溶性蛋白。n脂类：脂类：25%25%30%30%，大部分为磷脂。，大部分为磷脂。n核酸：核酸：DNADNA、RNARNAn辅酶、维生素、金属离子及核糖体等。辅酶、维生素、金属离子及核糖体等。内膜内膜 蛋白质：脂类蛋白质：脂类=4=4：1 1 大部分大部分PrPr为为ATPATP酶复合物酶复合物外膜外膜 蛋白质：脂类蛋白质：脂类=1=1：1 1 三、线粒体中各种酶的定位三、线粒体中各种酶的定位 线粒体中约含线粒体中约含120120多种酶，其中氧化还原多种酶，其中氧化还原酶酶37%37%；合成酶；合成酶10%10%；水解酶；水解酶9%9%内膜：内膜：呼吸链和氧化磷酸化酶呼吸链和氧化磷酸化酶 基质：基质：柠檬酸循环、脂肪酸氧化、丙酮酸氧化及柠檬酸循环、脂肪酸氧化、丙酮酸氧化及蛋白质和核酸合成相关酶类蛋白质和核酸合成相关酶类 各组成部分有标志酶各组成部分有标志酶:外膜外膜:单胺氧化酶单胺氧化酶膜间隙膜间隙:腺苷酸激酶腺苷酸激酶内膜内膜:细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶基质基质:苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶 第四节第四节 线粒体的功能与氧化磷酸化线粒体的功能与氧化磷酸化n功能：功能：氧化磷酸化，产生氧化磷酸化，产生ATPATP，储积钙离子。储积钙离子。动物细胞中动物细胞中80%80%以上的以上的ATPATP是在线粒体中合是在线粒体中合成的，是细胞能量来源的主要途径。成的，是细胞能量来源的主要途径。一、生物氧化的分区与定位一、生物氧化的分区与定位蛋白、糖、脂蛋白、糖、脂 丙酮酸丙酮酸 三羧酸循环三羧酸循环 NADH 呼吸链呼吸链 脂肪酸脂肪酸 第一阶段（细胞质中）第一阶段（细胞质中）第二阶段（基质中）第二阶段（基质中）第三阶段（内膜）第三阶段（内膜）提供一对电子和一个提供一对电子和一个H+二、电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础二、电子传递和氧化磷酸化的分子结构基础n氧化磷酸化氧化磷酸化与与电子传递电子传递分别进行分别进行n由由NADH脱氢酶至细胞色素氧化酶的整个电子传脱氢酶至细胞色素氧化酶的整个电子传递链存在于膜本身递链存在于膜本身，而氧化磷酸化作用却由基本，而氧化磷酸化作用却由基本颗粒（颗粒（ATP酶复合物）来承担。酶复合物）来承担。1、电子传递链（呼吸链）和内膜内外质子梯度的形成、电子传递链（呼吸链）和内膜内外质子梯度的形成n电子传递链由结合在内膜上的许多酶和其他分子所组成，承电子传递链由结合在内膜上的许多酶和其他分子所组成，承担着电子传递的作用。组成该链的分子可分成担着电子传递的作用。组成该链的分子可分成4 4大类大类：n黄素蛋白黄素蛋白：常见的为：常见的为NADHNADH脱氢酶和琥珀酸脱氢酶。黄素蛋白脱氢酶和琥珀酸脱氢酶。黄素蛋白由一条多肽链和两个辅基组成，辅基为黄素腺苷单核苷酸由一条多肽链和两个辅基组成，辅基为黄素腺苷单核苷酸（FMNFMN）和黄素腺苷二核苷酸（）和黄素腺苷二核苷酸（FADFAD）,两者均能够加氢和脱两者均能够加氢和脱氢反应，为递氢体和电子传递体。氢反应，为递氢体和电子传递体。n铁硫蛋白铁硫蛋白：常见的为含有：常见的为含有FeFe2 2S S2 2和和FeFe4 4S S4 4的铁硫蛋白，通过的铁硫蛋白，通过FeFe2+2+和和FeFe3+3+之间的转变传递电子。之间的转变传递电子。n辅酶辅酶Q Q：脂溶性醌类化合物，为递氢体和电子传递体。：脂溶性醌类化合物，为递氢体和电子传递体。n细胞色素细胞色素：又名细胞色素氧化酶，为：又名细胞色素氧化酶，为电子传递体电子传递体n这些呼吸链的主要成分以复合物的形式包埋在内膜中，这些呼吸链的主要成分以复合物的形式包埋在内膜中，4 4种复合物种复合物、。复合物复合物：NADH-CoQ-NADH-CoQ-还原酶还原酶 传递电子、质子移位传递电子、质子移位复合物复合物：琥珀酸：琥珀酸-CoQ-CoQ-还原酶还原酶 传递电子传递电子复合物复合物：CoQ-CoQ-细胞色素细胞色素c-c-还原酶还原酶 传递电子、质子移位传递电子、质子移位复合物复合物：细胞色素氧化酶：细胞色素氧化酶 传递电子、质子移位传递电子、质子移位n复合物复合物、组成一条主呼吸链，催化组成一条主呼吸链，催化NADHNADH的氧化的氧化；NADHFMNCoQbc1 caa3 O2 n复合物复合物、组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的氧化组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的氧化。n呼吸链各组分的排列是高度有序的，使呼吸链各组分的排列是高度有序的，使电子按氧化还原电位从低向高传递。电子按氧化还原电位从低向高传递。n电子传递过程中，复合物电子传递过程中，复合物、将将质子从基质中运输到膜间隙，形成质子质子从基质中运输到膜间隙，形成质子梯度，造成电化学梯度势能，为合成梯度，造成电化学梯度势能，为合成ATPATP奠定了能量基础。奠定了能量基础。由质子浓度差和电荷由质子浓度差和电荷分离所产生的电化学分离所产生的电化学势能代表将电子传递势能代表将电子传递的能量暂时贮存。的能量暂时贮存。当质子顺电化学梯度当质子顺电化学梯度流动时，在流动时，在ATP酶作酶作用下合成用下合成ATP.2 2、ATPATP合成酶合成酶n在氧化磷酸化过程中起耦联作用的结构是内膜在氧化磷酸化过程中起耦联作用的结构是内膜上的上的ATP合成酶，即合成酶，即F0-F1耦联因子。耦联因子。作用作用：合成：合成ATP 能量来源能量来源：电子传递中释放的能量：电子传递中释放的能量n由由16条肽链组成，分子量条肽链组成，分子量500 kD。结构上分为结构上分为头部（头部（F1 ATP酶）酶）和和膜部（膜部（F0因子）因子）。ATP合合成酶中构成了一条亲水性通道，允许质子顺电成酶中构成了一条亲水性通道，允许质子顺电化学梯度通过。化学梯度通过。n（1 1）头部）头部：即：即F1F1因子，因子，9 9条多肽构成，分离下条多肽构成，分离下来后，仍可以水解来后，仍可以水解ATPATP，即具有，即具有ATPATP酶活性。酶活性。n（2 2）柄部）柄部：连接：连接F1F1和和F0F0的脂蛋白，是的脂蛋白，是F0F0因子的因子的伸出部分，为寡霉素敏感授予蛋白，寡霉素与伸出部分，为寡霉素敏感授予蛋白，寡霉素与其结合后会阻塞质子通道，进而阻止其结合后会阻塞质子通道，进而阻止ATPATP的合成。的合成。n（3 3）膜部）膜部：F0F0因子，多条多肽链。因子，多条多肽链。F0F0因子的因子的功能和传递质子有关，是质子载体，可专一性功能和传递质子有关，是质子载体，可专一性地传递质子。地传递质子。质子的转运方向取决于细胞的净自由能（质子的转运方向取决于细胞的净自由能（G G），当电化学梯度），当电化学梯度降低到一定程度时，降低到一定程度时，G不足以让质子进入基质合成不足以让质子进入基质合成ATP,这时这时ATP被水解，提供能量将质子泵到膜间隙，以恢复质子梯度。被水解，提供能量将质子泵到膜间隙，以恢复质子梯度。3、氧化磷酸化的耦联机制、氧化磷酸化的耦联机制nNADH和和FADH2 将所携带电子经呼吸链传将所携带电子经呼吸链传递给递给 O2n 电子传递过程中，电子携带的能量被电子传递过程中，电子携带的能量被ATP酶用来催化酶用来催化 ADP磷酸化，生成磷酸化，生成 ATP。偶联的三个部位：偶联的三个部位：n (1)NADH CoQn (2)Cytb Cytcn (3)Cytaa3 O2NADHFMNCoQbc1 caa3 O2每个部位释放的能量均每个部位释放的能量均可使可使ADPADP磷酸化生成磷酸化生成1 1个个ATPATP 目前关于氧化磷酸化的偶联机制的解目前关于氧化磷酸化的偶联机制的解释有化学渗透假说和结合变构模型假说。释有化学渗透假说和结合变构模型假说。n（1 1）化学渗透假说）化学渗透假说 Mitchell P.1961 Mitchell P.1961提出提出“化学渗透假说化学渗透假说(Chemiosmotic Coupling Hypothesis)Chemiosmotic Coupling Hypothesis)”，7070年代年代关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，成关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说，为一种较为流行的假说，MitchellMitchell本人也因此获本人也因此获得得19781978年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。n根据根据“化学渗透假说化学渗透假说”，电子传递链不对称分布，起，电子传递链不对称分布，起质子泵的作用，当电子沿呼吸链传递时，所释放的能质子泵的作用，当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，由于线粒体内膜量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成于基质，在内膜的两侧形成pHpH梯度（梯度（pHpH）及电位梯及电位梯度（度（），），两者共同构成电化学梯度，即质子动力势。两者共同构成电化学梯度，即质子动力势。当质子沿电化学梯度穿过内膜上的当质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATPATP酶复合物流回酶复合物流回基质时，使基质时，使ATPATP酶的构象发生改变，催化酶的构象发生改变，催化ADPADP磷酸化合磷酸化合成成ATPATP。（2 2）结合变构模型）结合变构模型 A.F1A.F1上有上有3 3个活性部位轮替催化个活性部位轮替催化ATPATP的合成，的合成，亚基开始处于亚基开始处于-ADP-ADP构象，可与介质中的构象，可与介质中的ADPADP和和PiPi结合。结合。B.B.亚基转变为亚基转变为-ATP-ATP构象构象,与与ATPATP紧密结合。紧密结合。C.C.最后最后亚基转变为亚基转变为-排空构象，释放排空构象，释放ATP.ATP.D.D.亚基中心轴每旋转亚基中心轴每旋转120120度即与不同的度即与不同的亚亚基接触，迫使其转变为基接触，迫使其转变为-排空构象排空构象4 4、ATPATP的穿膜运输机制的穿膜运输机制 ATP ATP合成酶合成的合成酶合成的ATPATP最初存在最初存在于线粒体基质中，然而绝大部分于线粒体基质中，然而绝大部分ATPATP要在细胞质溶质中发挥作用，因此要在细胞质溶质中发挥作用，因此需要把合成的需要把合成的ATPATP运出线粒体。运出线粒体。腺苷转移酶，利用质子腺苷转移酶，利用质子梯度驱动梯度驱动ADP/ATP交换交换磷酸转移酶磷酸转移酶线粒体内膜上的运输体蛋白保证了氧化磷酸化产物及所需底物的穿膜运输线粒体内膜上的运输体蛋白保证了氧化磷酸化产物及所需底物的穿膜运输 第五节第五节 线粒体的半自主性线粒体的半自主性n线粒体是一种半自主性细胞器，在其基质中含线粒体是一种半自主性细胞器，在其基质中含有环状有环状DNADNA分子和蛋白质的合成机构。其分子和蛋白质的合成机构。其DNADNA含含有为多种多肽以及所需有为多种多肽以及所需rRNArRNA、tRNAtRNA编码的基因。编码的基因。线粒体在核线粒体在核DNADNA和线粒体和线粒体DNADNA的双重控制下活动。的双重控制下活动。n线粒体的生长与增殖所需要的线粒体的生长与增殖所需要的大部分蛋白质是大部分蛋白质是由核基因编码、在细胞质中合成由核基因编码、在细胞质中合成的，仅有的，仅有少部少部分蛋白质是由其自身基因编码、在线粒体内合分蛋白质是由其自身基因编码、在线粒体内合成成的。的。n哺乳动物的线粒体哺乳动物的线粒体DNA除编码除编码rRNA和和22 种氨种氨基酸基酸tRNA外，仅能编码外，仅能编码13种多肽链，这些多肽种多肽链，这些多肽链均为氧化磷酸化过程所需成分。其余的线粒链均为氧化磷酸化过程所需成分。其余的线粒体蛋白均由核基因编码。体蛋白均由核基因编码。第六节第六节 线粒体的来源线粒体的来源 线粒体由原有线粒体分裂而来，与线粒体由原有线粒体分裂而来，与细胞分裂不同步，在细胞间期分裂。细胞分裂不同步，在细胞间期分裂。1 1、间壁分裂、间壁分裂 分裂时先由内膜向中心皱褶形成隔，将分裂时先由内膜向中心皱褶形成隔，将线粒体分成两部分，随后外膜有一部分内陷，线粒体分成两部分，随后外膜有一部分内陷，插入到隔的双层膜之间将线粒体分成两个子插入到隔的双层膜之间将线粒体分成两个子线粒体。常见于鼠肝和植物组织中。线粒体。常见于鼠肝和植物组织中。n2 2、收缩后分离：分裂时通过线粒体中部缢缩、收缩后分离：分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。和酵母线粒体中。n3 3、出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出、出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。n进化来源：内共生假说。内共生假说。第七节第七节 细菌的氧化磷酸化细菌的氧化磷酸化 细菌无线粒体，但能进行氧化磷酸化，细菌无线粒体，但能进行氧化磷酸化，呼吸链存在于呼吸链存在于质膜质膜中，工作原理基本与真中，工作原理基本与真核生物线粒体内膜的呼吸链相同。主要差核生物线粒体内膜的呼吸链相同。主要差别是细菌质膜中的呼吸链比线粒体中的简别是细菌质膜中的呼吸链比线粒体中的简单，细菌细胞中每对电子通过呼吸链只单，细菌细胞中每对电子通过呼吸链只输输出出4 4个质子个质子，合成合成2 2个个ATPATP.