细胞生物学：线粒体.ppt

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1、 线 粒 体 学习目的与要求学习目的与要求 1.1.掌握线粒体的基本结构、功能；掌握线粒体的基本结构、功能； 线粒体的遗传体系；蛋白质穿膜线粒体的遗传体系；蛋白质穿膜进入线粒体。进入线粒体。 2.2.熟悉线粒体相关的临床意义。熟悉线粒体相关的临床意义。 3. 3.了解线粒体的发生。了解线粒体的发生。 第一节第一节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征 第二节第二节 细胞呼吸与能量转换细胞呼吸与能量转换第三节第三节 线粒体与疾病线粒体与疾病 第第一一节节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征 一、形态、大小、数目和分布一、形态、大小、数目和分布 二、线粒体的超微结构二、线粒体的超微结构 三、线粒体的化学

2、组成三、线粒体的化学组成 四、线粒体的遗传体系四、线粒体的遗传体系 五、蛋白质穿膜进入线粒体五、蛋白质穿膜进入线粒体 六、六、七、线粒体的功能七、线粒体的功能 一、形态、大小、数目和分布一、形态、大小、数目和分布1.1.形态形态 光镜下光镜下: : 线状、粒状、线状、粒状、 短杆短杆状等。状等。在一定条件下可改变：在一定条件下可改变：低渗时低渗时，膨胀呈泡状；，膨胀呈泡状；高渗时高渗时，伸长呈线状。，伸长呈线状。 2. 2.大小大小 一般直径：一般直径： 0.5-1.00.5-1.0umum 骨骼肌细胞的线粒体：骨骼肌细胞的线粒体： 长度可达长度可达8-10um8-10um。 3.3.数数 目

3、：目： 不同类型细胞中差异较大。不同类型细胞中差异较大。 哺乳动物哺乳动物: : 肝细胞中肝细胞中20002000个左右个左右 肾细胞中肾细胞中300300个左右个左右 精子中精子中2525个左右个左右心肌细胞心肌细胞精子尾部精子尾部 4. 4.分布：分布： 通常分布于细胞生理功能旺盛区通常分布于细胞生理功能旺盛区域和需要能量多的部位。域和需要能量多的部位。二、线粒体的超微结构二、线粒体的超微结构电镜下观察：线粒体是由两层单位膜电镜下观察：线粒体是由两层单位膜围成的封闭囊状结构。围成的封闭囊状结构。外外 膜膜内内 膜膜膜间腔膜间腔 （外腔）（外腔）嵴嵴基质基质腔腔 （内腔）（内腔）内含基质内含

4、基质外外 膜膜 包围在线粒体外包围在线粒体外表面的一层单位膜。表面的一层单位膜。厚厚67nm67nm，平整、光，平整、光滑。滑。外外 膜膜 封闭结构使之封闭结构使之在细胞质中相对隔在细胞质中相对隔绝，保证了线粒体绝，保证了线粒体能够不受干扰地进能够不受干扰地进行物质氧化分解。行物质氧化分解。 内内 膜膜 厚约厚约5nm5nm，有高度的，有高度的选择通透性，借助载体蛋选择通透性，借助载体蛋白控制内外物质的交换。白控制内外物质的交换。内内 膜膜 集中了电子传递体集中了电子传递体和氧化磷酸化酶系和氧化磷酸化酶系,ATP,ATP 合成酶系，是物质氧化合成酶系，是物质氧化 分解和分解和ATPATP合成的

5、场所。合成的场所。 嵴嵴 嵴的形态和排列方式主要有两种类型：嵴的形态和排列方式主要有两种类型： 板层状（板层状（） 小管状（小管状（） 嵴：内膜向内室折叠形成，增加嵴：内膜向内室折叠形成，增加了内膜的表面积。了内膜的表面积。板层状嵴板层状嵴小管状嵴小管状嵴基粒（基粒（ATPATP合酶）：合酶）：内膜和嵴膜基质面上带内膜和嵴膜基质面上带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。转位接触点（translocation contact site） 在线粒体的内、外膜上存在的一些内膜与外膜相互接触的地方，此处膜间隙变狭窄，称为转位接触点。内膜转位子（Tim） 通道蛋白外膜转位

6、子（Tom） 受体蛋白功能：蛋白质等物质进出线粒体的通道。黑色箭头所指为转位接触点；红色箭头所指为通过转位接触点转运的物质 嵴内腔嵴内腔 基粒基粒（ATP酶）酶）基质基质( (内腔内腔) )内膜和嵴围成的腔。内膜和嵴围成的腔。脂脂 类类蛋白质蛋白质酶酶 类类线粒体线粒体 DNADNA线粒体线粒体DNA线粒体线粒体 mRNAmRNA 线粒体线粒体tRNAtRNA线粒体核糖体线粒体核糖体线粒体核糖体线粒体核糖体基质颗粒基质颗粒基质颗粒基质颗粒三羧酸循环的场所。三羧酸循环的场所。 线粒体内线粒体内DNADNA、蛋白质合成的场所。、蛋白质合成的场所。 三、三、 线粒体的化学组成线粒体的化学组成蛋白质：

7、蛋白质：占占65% -70%65% -70%，内膜含量较多。，内膜含量较多。可溶性蛋白：可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白；基质中的酶和膜的外周蛋白；不溶性蛋白不溶性蛋白：构成膜的镶嵌蛋白、结构：构成膜的镶嵌蛋白、结构 蛋白和部分酶蛋白。蛋白和部分酶蛋白。 脂脂 类：类：占干重的占干重的25% -30%25% -30% 水、辅酶、维生素、金属离子等。水、辅酶、维生素、金属离子等。 线粒体中酶的分布线粒体中酶的分布线粒体主要酶的分布线粒体主要酶的分布部部 位位外外 膜膜脂类代谢有关的酶脂类代谢有关的酶特征酶：单胺氧化酶特征酶：单胺氧化酶膜膜 间间 腔腔腺苷酸激酶、核苷酸激酶腺苷酸激酶、核苷酸激

8、酶特征酶：腺苷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶内内 膜膜 呼吸链氧化反应的酶系、呼吸链氧化反应的酶系、 ATPATP合成酶系合成酶系特征酶：细胞色素（特征酶：细胞色素（c c）氧化酶）氧化酶嵴嵴 间间 腔腔 三羧酸循环反应、丙酮酸与脂肪酸氧化三羧酸循环反应、丙酮酸与脂肪酸氧化 的酶系的酶系 、蛋白质和核酸合成酶系、蛋白质和核酸合成酶系特征酶：苹果酸脱氢酶特征酶：苹果酸脱氢酶四、四、 线粒体的遗传体系线粒体的遗传体系线粒体遗传病线粒体遗传病线粒体遗传病线粒体遗传病线粒体遗传病线粒体遗传病（三（三) )线粒体蛋白质合成系统线粒体蛋白质合成系统 MtDNA MtDNA RNARNA前体前体切割加工切割加工1

9、313种种mt-mRNAmt-mRNA2222种种mt-tRNAmt-tRNA2 2种种mt-rRNA(12S,16S)mt-rRNA(12S,16S)转录转录 1. 1. 线粒体线粒体RNARNA转录转录 呼吸链蛋白质的组成 2. 2.特点：特点： （与胞质蛋白质合成相比）（与胞质蛋白质合成相比） 1) 1) 各种各种RNARNA是线粒体所独有的是线粒体所独有的 RNARNA聚合酶的抑制剂聚合酶的抑制剂 线粒体：线粒体：菲啶溴红（菲啶溴红（E.B.E.B.） 类似原类似原 核细胞核细胞 真核细胞：真核细胞：放线菌素放线菌素D D、aa鹅膏覃碱鹅膏覃碱 2 2 ）核糖体对药物的敏感性不一样）核

10、糖体对药物的敏感性不一样 线粒体：线粒体： 氯霉素、红霉素氯霉素、红霉素 真核细胞胞质：真核细胞胞质：放线菌酮放线菌酮 3 3）转录、翻译在同）转录、翻译在同 一时间和地一时间和地 点进行点进行密码子密码子线粒体密码线粒体密码通用遗传密码通用遗传密码UGAUGAAUAAUAAGGAGG色氨酸色氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸终止子终止子终止子终止子异亮氨酸异亮氨酸精氨酸精氨酸4 4）通用遗传密码与线粒体遗传密码的差别）通用遗传密码与线粒体遗传密码的差别线线 粒粒 体体 遗遗 传传 系系 统统 与与 核核 遗遗 传传 系系 统统 的的 相相 互关系互关系 五、蛋白质穿膜进入线粒体五、蛋白质穿膜进入线粒体质质

11、核核糖体糖体前体蛋白，将前体蛋白，将外膜外膜内膜内膜1 1、去折叠、去折叠？ 线粒体含有4个蛋白质输入的亚区域：线粒体外膜 线粒体内膜 膜间腔腔 基质 蛋白质转运涉及的转位因子模式图蛋白质转运涉及的转位因子模式图 蛋白质转运涉及的转位因子蛋白质转运涉及的转位因子 TOMTOM复合体复合体：通过外膜，进入膜间腔。通过外膜，进入膜间腔。 TIMTIM复合体：复合体：进入基质进入基质(TIM23)(TIM23)或插入或插入 内膜内膜(TIM22)(TIM22) OXAOXA复合体：复合体：将线粒体合成的蛋白质和将线粒体合成的蛋白质和 某些进入基质的蛋白质插某些进入基质的蛋白质插 到内膜上。到内膜上。

12、 (一) 蛋白质向线粒体基质中的转运 1.需要条件 基质导入序列（matrix-targeting sequence，MTS）: 输入到线粒体的蛋白质在其N-端的一段靶序列，线粒体外膜和内膜上的受体能识别并结合相关的MTS。 分子伴侣：协助核基因编码的蛋白 质进入线粒体中。蛋白质向线粒体基质转运示意图2.2.蛋白质运送过程蛋白质运送过程（1 1） 运送之前，蛋白质大多以前体形式存在。运送之前，蛋白质大多以前体形式存在。（2 2）蛋白质运送时经解折叠和重新折叠。）蛋白质运送时经解折叠和重新折叠。 折叠折叠 解折叠解折叠 重新折叠重新折叠（3 3）外膜有专一性不太强的受体参与作用。）外膜有专一性不

13、太强的受体参与作用。质质 分子伴侣分子伴侣 分子伴侣分子伴侣(二) 蛋白质向线粒体其他部位的转运 1.蛋白质向线粒体膜间腔的转运 信号序列基质导入序列（MTS）：引导前体蛋白进入 基质。膜间腔导入序列（ISTS）：引导前体蛋白 进入膜间腔。 转运方式蛋白进入基质，第2个信号序列ISTS引导多肽链通过内膜上的通道进入膜间腔。 第2个信号序列ISTS起转移终止序列的作用，阻止前体蛋白向基质转运，并固定于内膜上，切去位于内膜上的ISTS部分后，进入膜间腔。通过直接扩散从胞浆经过外膜而进入膜间腔。蛋白质向线粒体膜间腔转运示意图2.蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运在外膜蛋白的转运中，类孔蛋白P70的研究最

14、多。在P70的MTS后有一段长的疏水序列，也起转移终止序列的作用，而使之固定于外膜上。内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚。 蛋白质向线粒体内膜转运示意图 六、六、 间壁分离间壁分离 收缩分离收缩分离 出芽分离出芽分离间壁分离间壁分离收缩分离收缩分离出芽分离出芽分离线粒体的增殖线粒体的增殖间壁分离间壁分离:收缩分离收缩分离:出芽分裂出芽分裂:线粒体的内膜向中心内褶形成间壁，线粒体的内膜向中心内褶形成间壁，或某一个嵴的延伸。当延伸到对侧或某一个嵴的延伸。当延伸到对侧内膜时，线粒体一分为二。内膜时，线粒体一分为二。线粒体中央部分收缩并向两端拉长，线粒体中央部分收缩并向两端拉长，中央形成很细的颈，整

15、个线粒体成中央形成很细的颈，整个线粒体成哑铃形，最后断裂成两个新线粒体。哑铃形，最后断裂成两个新线粒体。 先从线粒体上长出小芽，然后先从线粒体上长出小芽，然后小芽与母线粒体分离，经过不小芽与母线粒体分离，经过不断长大，形成新的线粒体。断长大，形成新的线粒体。1. 线粒体分裂线粒体分裂2. 狗心肌细胞线粒体狗心肌细胞线粒体3. 新生鼠肝细胞线粒体新生鼠肝细胞线粒体213七、线粒体的功能七、线粒体的功能1. 氧化磷酸化 营养物质在线粒体内氧化并与磷酸化耦联生成ATP是线粒体的主要功能。2. 摄取和释放Ca2+ 在摄取Ca2+和释放Ca2+中起着重要的作用，线粒体和内质网一起共同调节胞质中的Ca2+

16、浓度，从而调节细胞的生理活动。 3. 参与细胞死亡 在某些情况下，线粒体是细胞死亡的启动环节；而在另一些情况下，线粒体则是细胞死亡的一条“通路”。 ATP ATP是生命活动的直是生命活动的直 接供能者。接供能者。 线粒体通过氧化磷酸线粒体通过氧化磷酸 化合成生物体所需能化合成生物体所需能 量量 (ATP)(ATP)的的90%90%以上。以上。 第二节第二节 细胞呼吸与能量转换细胞呼吸与能量转换细胞呼吸（细胞呼吸（cellular respiration)cellular respiration) 在特定细胞器（主要是线粒体）在特定细胞器（主要是线粒体）内，内， 依靠酶的催化，利用氧将细胞中依靠酶的催化，利用氧将细胞中的供能物质氧化、分解，产生的供能物质氧化、分解，产生COCO2 2；释；释放出的能量储存于放出的能量储存于ATPATP的过程。的过程。 此过程又称为此过程又称为细胞氧化细胞氧化 （cellular oxidation)cellular oxidation)细胞呼吸时，释放的能量可通过细胞呼吸时，释放的能量可通过ADPADP的的磷酸化磷酸化而及时储存于而及时储存于ATPATP