[細(xì)胞生物學(xué)]線粒體PPT演示課件

線粒體(mitochondrion)：線粒體是細(xì)胞進(jìn)行氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要場(chǎng)所，被稱(chēng)為能量轉(zhuǎn)換器，線粒體為細(xì)胞提供生命活動(dòng)所需同能量的80%，所以線粒體被比喻為細(xì)胞的“動(dòng)力工廠”。1894年，Alman首先在動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)線粒體。,2018/7/4,.,1,線粒體,線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)線粒體的化學(xué)組成線粒體的功能線粒體的半自主性線粒體的生物發(fā)生線粒體與醫(yī)學(xué)復(fù)習(xí)題,2018/7/4,.,2,光鏡下的結(jié)構(gòu)：光鏡下線粒體呈線狀、粒狀或桿狀。線粒體的數(shù)量：不同類(lèi)型的細(xì)胞中差異較大，細(xì)胞代謝旺盛數(shù)目多，代謝不旺盛數(shù)目少。線粒體的分布：因細(xì)胞形態(tài)和類(lèi)型的不同而存在差異， 一般集中在功能旺盛、需要能量的部位。如精細(xì)胞中線粒體沿鞭毛緊密排列。,2018/7/4,.,3,電鏡下：線粒體是由雙層單位膜 套疊而成的封閉性膜囊結(jié)構(gòu)。,外 膜,內(nèi) 膜,膜間腔,（外腔）,嵴,基質(zhì)腔,（內(nèi)腔 ）,線粒體的超微結(jié)構(gòu),2018/7/4,.,4,外膜(outer membrane),外膜是線粒體與細(xì)胞質(zhì)臨界的單位膜，厚57nm，光滑平整。含有多種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，圍成筒狀園柱體，中央有小孔，形成23nm的跨膜水相通道，可以通過(guò)10kd以下的小分子及多肽物質(zhì)，因此通透性良好。,外膜,2018/7/4,.,5,內(nèi)膜(inner membrane),內(nèi)膜：位于外膜內(nèi)側(cè)，功能膜，是電子傳遞和氧化磷酸化的部位，通透性差，表面不光滑。內(nèi)膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：向內(nèi)突起形成嵴(cristae)？?jī)?nèi)表面附著有基粒(elementary particle),基粒,2018/7/4,.,6,基粒：又稱(chēng)ATP合酶復(fù)合體(ATP synthase complex) ，是產(chǎn)生ATP的部位。形態(tài)上分三部分：頭部：突出于內(nèi)腔中，具有ATP酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP。 柄部：連接頭部與基片。 基部：嵌入內(nèi)膜中。,基 粒,2018/7/4,.,7,線粒體的空間結(jié)構(gòu),膜及嵴將線粒體空間分成幾部分：基質(zhì)腔(matrix space) ：又叫內(nèi)腔，是內(nèi)膜圍成的空間，含基質(zhì)。膜間腔(intermembrane space) ：又叫外腔，是線粒體內(nèi)、外膜之間腔。嵴間腔(intercristae space)：嵴和嵴之間的空間內(nèi)腔。嵴內(nèi)腔(intracristae space)：每個(gè)嵴內(nèi)的空間外腔。,2018/7/4,.,8,基 質(zhì),基質(zhì)(matrix)：線粒體內(nèi)腔充滿了電子密度較低的可溶性蛋白質(zhì)和脂肪等成分，稱(chēng)基質(zhì)?；|(zhì)是物質(zhì)進(jìn)行氧化分解的場(chǎng)所，與三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白質(zhì)合成等有關(guān)的酶都在基質(zhì)中。含有雙鏈環(huán)狀DNA、核糖體。,2018/7/4,.,9,蛋白質(zhì)：種類(lèi)多。脂類(lèi)：主要是磷脂，構(gòu)成膜。DNA：一個(gè)分子，多個(gè)拷貝。其它成分：水、酶、無(wú)機(jī)離子及維生素等。,化學(xué)組成成分,2018/7/4,.,10,蛋白質(zhì)含量多：達(dá)1000多種，占干重的6570%，多分布在內(nèi)膜和基質(zhì)。分為兩類(lèi)：一類(lèi)是可溶性蛋白，另一類(lèi)是不溶性蛋白。線粒體酶含量多：是含酶最多的細(xì)胞器，參與物質(zhì)分解和氧化磷酸化。含有DNA：是細(xì)胞內(nèi)除核外唯一含DNA的細(xì)胞器。,化學(xué)組成特點(diǎn),2018/7/4,.,11,線粒體是細(xì)胞核以外惟一含DNA的細(xì)胞器，具有獨(dú)立合成蛋白質(zhì)的能力，但一定程度上受細(xì)胞核的控制，因此線粒體是具有半自主性的細(xì)胞器。,2018/7/4,.,12,線粒體DNA的形態(tài)結(jié)構(gòu),mtDNA為雙鏈結(jié)構(gòu)。兩條鏈編碼不同的基因。根據(jù)兩條鏈轉(zhuǎn)錄RNA在CsCl中密度不同，分為重鏈(heavy strand, H)和輕鏈(light strand, L)。mtDNA環(huán)狀形態(tài)，核DNA鏈狀。mtDNA裸露，不與組蛋白結(jié)合。,2018/7/4,.,13,前體蛋白在線粒體外去折疊。多肽鏈穿越線粒體膜。多肽鏈在線粒體內(nèi)重新折疊。（圖）,核編碼蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程,圖,2018/7/4,.,14,緊密折疊的蛋白不可能穿越線粒體膜，因此在運(yùn)輸前必須去折疊。 線粒體前體蛋白：蛋白質(zhì)“成熟”形式基質(zhì)導(dǎo)入序列(MTS)?；|(zhì)導(dǎo)入序列又稱(chēng)導(dǎo)肽，是輸入線粒體的蛋白質(zhì)在其N(xiāo)端具有的一段氨基酸序列，能夠被線粒體膜上的受體識(shí)別并結(jié)合，從而定向蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。 少數(shù)線粒體前體蛋白與稱(chēng)為NAC的分子伴侶結(jié)合，可增加蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的準(zhǔn)確性。,2018/7/4,.,15,多數(shù)線粒體前體蛋白與稱(chēng)為hsp70的分子伴侶結(jié)合，可防止前體蛋白形成不可解開(kāi)的構(gòu)象，也可防止已松弛的前體蛋白聚集。細(xì)胞質(zhì)中的PBF與線粒體前體蛋白結(jié)合后可增強(qiáng)hsp70對(duì)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。細(xì)胞質(zhì)中的MSF能夠發(fā)揮ATP酶的作用，為蛋白質(zhì)去折疊供能。（圖）,2018/7/4,.,16,前體蛋白在其N(xiāo)端具有導(dǎo)肽，能夠被線粒體膜上受體識(shí)別并結(jié)合，從而定向蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。前體蛋白與胞質(zhì)Hsp70分離，與線粒體外膜上的受體結(jié)合，與線粒體膜接觸，前體蛋白進(jìn)入線粒體膜的輸入通道，最終穿越線粒體膜。（圖）,2018/7/4,.,17,蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體基質(zhì)后，必須恢復(fù)其天然構(gòu)象以行使功能。分子伴侶mt hsp70、mt hsp60、mt hsp10等參與蛋白質(zhì)的重新折疊與組裝。（圖）,2018/7/4,.,18,線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)信號(hào)及其受體消耗能量分子伴侶的協(xié)助有蛋白質(zhì)的去折疊和再折疊,核編碼的蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)特點(diǎn),2018/7/4,.,19,線粒體以分裂方式增殖。分兩個(gè)階段：生長(zhǎng)階段：線粒體膜的生長(zhǎng)，mtDNA復(fù)制，然后分裂。分化過(guò)程：線粒體內(nèi)部酶的合成，建立能夠行使氧化磷酸化功能的機(jī)構(gòu)。,2018/7/4,.,20,細(xì)胞氧化（cellular oxidation）：在O2的參與下分解各種大分子物質(zhì)，最終產(chǎn)生CO2和H2O，釋放的能量生成ATP，又稱(chēng)為細(xì)胞呼吸。是細(xì)胞內(nèi)提供生物能源的主要途徑。,2018/7/4,.,21,大分子物質(zhì)脂肪、多糖和蛋白質(zhì)，分解產(chǎn)生能量，大體上可分為四個(gè)階段。糖酵解 胞質(zhì)乙酰輔酶A形成三羧酸循環(huán)氧化磷酸化,線粒體,2018/7/4,.,22,(一)線粒體形態(tài)改變,在細(xì)胞處于不正常狀態(tài)下，線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)可發(fā)生改變。如正常心肌、骨骼肌細(xì)胞在功能亢進(jìn)時(shí)，線粒體增生；腫瘤細(xì)胞可見(jiàn)大量線粒體密集于細(xì)胞質(zhì)中，使細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的體積減少。,2018/7/4,.,23,有害物質(zhì)和病毒可導(dǎo)致線粒體發(fā)生腫脹至破裂；缺血性損傷可致線粒體結(jié)構(gòu)變異，如凝集、腫脹等；在病變組織中有時(shí)有23個(gè)線粒體融合成大線粒體的現(xiàn)象。線粒體結(jié)構(gòu)改變將導(dǎo)致功能發(fā)生變化。,2018/7/4,.,24,(二)線粒體功能異常,如甲狀腺功能亢進(jìn)，即患者甲狀腺產(chǎn)生甲狀腺素增多，造成患者代謝率升高。甲狀腺功能亢進(jìn)的發(fā)生機(jī)制：甲狀腺素 Na+-K+-ATP酶 ATP分解ADPPi ADP進(jìn)入線粒體數(shù)量增加氧化磷酸化偶聯(lián)作用加強(qiáng)底物氧化耗氧量及產(chǎn)熱量皆提高。,2018/7/4,.,25,(三) mtDNA異常致線粒體病,線粒體DNA是裸露的，在復(fù)制過(guò)程中易發(fā)生突變并很少修復(fù)，錯(cuò)誤的mtDNA可通過(guò)線粒體分裂及細(xì)胞分裂傳給子代線粒體或子細(xì)胞，表現(xiàn)線粒體遺傳現(xiàn)象。,2018/7/4,.,26,如肌陣攣性癲癇和破碎紅纖維病(MERRF綜合征)：線粒體腦肌病，包括線粒體缺陷和大腦與肌肉的功能變化。主要癥狀：肌陣攣性癲癇的短暫發(fā)作(周期性抽搐)，共濟(jì)失調(diào)，感覺(jué)神經(jīng)性聽(tīng)力喪失，輕度癡呆，擴(kuò)張性心肌病和腎功能異常等癥狀。,2018/7/4,.,27,發(fā)病機(jī)理：mtDNA8344G突變線粒體蛋白質(zhì)合成的整體水平除復(fù)合物以外的氧化磷酸化成分含量降低(尤其是呼吸鏈酶復(fù)合物和的含量降低)。,2018/7/4,.,28,2018/7/4,.,29,2018/7/4,.,30,2018/7/4,.,31,嵴間腔,內(nèi)腔(基質(zhì)腔),外腔(膜間腔),嵴內(nèi)腔(嵴內(nèi)空間),2018/7/4,.,32,在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行。有機(jī)物(如葡萄糖)在酶作用下生成丙酮酸，生成2分子ATP。C6H12O6 + 2NAD + 2ADP + 2Pi 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP,2018/7/4,.,33,在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行。丙酮酸線粒體基質(zhì) 乙酰CoA草酰乙酸 (4C) 檸檬酸(6C，含三個(gè)羧基) 三羧酸循環(huán)(TAC循環(huán))。,2018/7/4,.,34,mt基質(zhì)中有參與三羧酸循環(huán)的所有酶類(lèi)。一次循環(huán)反應(yīng)，總共消耗3個(gè)H2O，生成1分子GTP(ATP)，2分子CO2，脫下4對(duì)H，重新生成草酰乙酸，再和另一個(gè)乙酰CoA結(jié)合，開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。,2018/7/4,.,35,分別在線粒體內(nèi)膜及基粒上進(jìn)行。線粒體能量轉(zhuǎn)換策略 三羧酸循環(huán)中的能量轉(zhuǎn)換。NAD+ NADH，F(xiàn)AD+ FADH2。NADH和FADH2必須被氧化才能維持三羧酸循環(huán)。NADH + 1/2 O2 NAD+ + 能量 FADH2 + 1/2 O2 FAD+ + 能量 NADH和FADH2被氧化時(shí)釋放的H+、電子和能量如何安置?,2018/7/4,.,36,氧化還原：脫下的H H2O。 H不直接與O2結(jié)合，H H+e。e 經(jīng)呼吸鏈逐級(jí)傳遞給1/2O2O2。,2018/7/4,.,37,呼吸鏈(respiratory chain)：又稱(chēng)電子傳遞鏈(electron transport respiratory chain)，是由四種復(fù)合物組成的復(fù)合體，主要功能是H+和電子的傳遞。,2018/7/4,.,38,遞氫體：既傳遞電子又傳遞質(zhì)子，獨(dú)立作用，復(fù)合物、 。遞電子體：只傳遞電子，協(xié)作作用，復(fù)合物、。,NADH-CoQ氧化還原酶琥珀酸CoQ氧化還原酶CoQH2細(xì)胞色素C氧化還原酶細(xì)胞色素C氧化酶,2018/7/4,.,39,NADH呼吸鏈：由復(fù)合物、組成，催化NADH氧化，是主呼吸鏈。FADH2呼吸鏈：由復(fù)合物、組成，催化FADH2氧化，是次呼吸鏈。,2018/7/4,.,40,2018/7/4,.,41,H+的傳遞：通過(guò)遞氫體由線粒體基質(zhì)釋放至膜間腔。電子的傳遞：經(jīng)呼吸鏈逐級(jí)傳遞，最終使 O2成為O2， 與基質(zhì)中2個(gè)H+化合生成H2O。,2018/7/4,.,42,2018/7/4,.,43,2018/7/4,.,44,2018/7/4,.,45,氧化磷酸化：電子在傳遞過(guò)程中由高能變?yōu)榈湍埽尫懦龅哪芰勘晃挥诰€粒體內(nèi)膜上的F0F1ATP合酶復(fù)合體催化ADP+PiATP。,2018/7/4,.,46,2018/7/4,.,47,ATP合酶(ATP synthase complex),基粒位于線粒體的內(nèi)膜上，有頭部、柄部和基片組成，是生成ATP的關(guān)鍵部位，又稱(chēng)為ATP合酶復(fù)合體。酶活性：兩種酶活性。ATP水解酶的活性：獨(dú)立。ATP合成酶的活性：內(nèi)膜。,2018/7/4,.,48,頭部:由33亞基組成，是合成ATP的部位。柄部：由亞基構(gòu)成,亞基穿過(guò)頭部作為頭部旋轉(zhuǎn)的軸?；河?種不同的亞基組成的十五聚體(1a2b12c)。嵌于線粒體內(nèi)膜，是質(zhì)子流經(jīng)的通道。,2018/7/4,.,49,化學(xué)滲透假說(shuō)：英國(guó)生物化學(xué)家P.Mitchell 1961年提出了化學(xué)滲透假說(shuō)(chemiosomotic compling hypothesis)解釋氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理。,2018/7/4,.,50,化學(xué)滲透假說(shuō)的主要內(nèi)容：e傳遞過(guò)程中釋放能量將H+從內(nèi)腔外腔。mt內(nèi)膜對(duì)H+的不通透性造成內(nèi)膜兩側(cè)產(chǎn)生質(zhì)子動(dòng)勢(shì)(質(zhì)子濃度梯度和電化學(xué)梯度，高能)。 H+順濃度梯度返回內(nèi)腔，釋放的能量驅(qū)動(dòng)ATP合酶復(fù)合體催化ADP磷酸化合成ATP。,2018/7/4,.,51,化學(xué)滲透假說(shuō)兩個(gè)特點(diǎn)：強(qiáng)調(diào)線粒體膜結(jié)構(gòu)的完整性：H+不能自由通過(guò)膜，內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)，氧化偶聯(lián)磷酸化。定向化學(xué)反應(yīng),2018/7/4,.,52,2018/7/4,.,53,2018/7/4,.,54,新生多肽相關(guān)復(fù)合物,線粒體輸入刺激因子,前體蛋白結(jié)合因子,2018/7/4,.,55,2018/7/4,.,56,2018/7/4,.,57,2018/7/4,.,58,2018/7/4,.,59,復(fù)習(xí)題,線粒體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)線粒體的化學(xué)組成特點(diǎn)線粒體DNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)蛋白質(zhì)穿膜進(jìn)入線粒體的過(guò)程及特點(diǎn)三羧酸循環(huán)、電子傳遞及氧化磷酸化各是在什么部位進(jìn)行的？,2018/7/4,.,60,