医学生物学-线粒体Mitochondrion课件.ppt

1.1.线粒体的形态结构线粒体的形态结构线粒体是能够在光学显微镜进行观察的显微结构，它具有渗透性，在低渗溶液中会膨胀，而在高渗溶液中能够收缩。线粒体的形态（光镜）线粒体的形态（光镜）线粒体的数量线粒体的数量线粒体的数量因细胞类型不同而有很大差别：线粒体的数量因细胞类型不同而有很大差别：线粒体的数量因细胞类型不同而有很大差别：线粒体的数量因细胞类型不同而有很大差别：数百数百数百数百 数千个数千个数千个数千个3 3 10105 5万个万个万个万个(有些卵母细胞有些卵母细胞有些卵母细胞有些卵母细胞)1 1个个个个5050万个万个万个万个(巨大变形虫巨大变形虫巨大变形虫巨大变形虫)人肝细胞人肝细胞人肝细胞人肝细胞50010005001000个个个个(正常正常正常正常)同一种细胞中的线粒体数量也因生理状态同一种细胞中的线粒体数量也因生理状态同一种细胞中的线粒体数量也因生理状态同一种细胞中的线粒体数量也因生理状态(如如如如需能程度需能程度需能程度需能程度)不同而不同：不同而不同：不同而不同：不同而不同：数千个数千个数千个数千个(甲亢甲亢甲亢甲亢)线粒体线粒体线粒体线粒体形状：与细胞的形状：与细胞的形状：与细胞的形状：与细胞的营养状态有关营养状态有关营养状态有关营养状态有关线粒体线粒体线粒体线粒体大小：大小：大小：大小：细胞类型细胞类型细胞类型细胞类型和和和和生理状态生理状态生理状态生理状态 (渗透压渗透压渗透压渗透压,温度温度温度温度,pH),pH)一般一般一般一般0.51.00.51.0 mm 2828 mm 多与细菌近似！多与细菌近似！多与细菌近似！多与细菌近似！10201020 mm巨巨巨巨 大大大大 线线线线 粒粒粒粒 体体体体(人人人人 成成成成 纤纤纤纤 维维维维 细细细细 胞胞胞胞:4040 m)m)线粒体的超微结构线粒体的超微结构线粒体的三维结构：线粒体的三维结构：外膜、膜间隙、内膜和基质外膜、膜间隙、内膜和基质膜间隙膜间隙基质基质细胞质溶质细胞质溶质外膜外膜膜间隙膜间隙内膜内膜基质基质嵴嵴线粒体的三维结构图解线粒体的三维结构图解线粒体的三维结构图解线粒体的三维结构图解线粒体的超微结构线粒体的超微结构肝细胞线粒体的超微结构肝细胞线粒体的超微结构肝细胞线粒体的超微结构肝细胞线粒体的超微结构线粒体超微结构的特点线粒体超微结构的特点1、外膜外膜有孔蛋白，高透性有孔蛋白，高透性。2、内膜内膜高蛋白膜，低透性；高蛋白膜，低透性；内陷成内陷成嵴嵴，有基粒。，有基粒。3、膜间腔膜间腔多种酶、底物、辅助因子。多种酶、底物、辅助因子。4、基质基质mtDNA、核糖体、核糖体、tRNA、多种酶系多种酶系。1、线粒体外膜、线粒体外膜6nm6nm;比较光滑比较光滑比较光滑比较光滑;有有有有孔蛋白孔蛋白孔蛋白孔蛋白(porin)(porin)由孔蛋白单体形成的圆筒状孔道由孔蛋白单体形成的圆筒状孔道由孔蛋白单体形成的圆筒状孔道由孔蛋白单体形成的圆筒状孔道孔蛋白单体孔蛋白单体外膜外膜1nm1nmNHNH2 2COOHCOOH(B)(B)(A)(A)*基粒基粒ATP合成酶合成酶（F1F0ATP酶）酶），含多个亚基。含多个亚基。头部头部F1因子因子。突出膜外。突出膜外合成合成ATP。基部基部F0因子因子。嵌入膜内。嵌入膜内质子通道。质子通道。*电子传递链电子传递链呼吸链呼吸链（2种）种）3.3.嵴嵴嵴嵴(cristae)(cristae)：扩大内膜面积，扩大内膜面积，扩大内膜面积，扩大内膜面积，增加了内膜的代谢增加了内膜的代谢增加了内膜的代谢增加了内膜的代谢效率效率效率效率嵴的数量与线粒体氧化活性的强弱程度有关嵴的数量与线粒体氧化活性的强弱程度有关嵴的数量与线粒体氧化活性的强弱程度有关嵴的数量与线粒体氧化活性的强弱程度有关！需需需需 能能能能 多多多多需需需需 能能能能 少少少少4 4、膜间隙、膜间隙、膜间隙、膜间隙无定形液体无定形液体无定形液体无定形液体可溶性酶类可溶性酶类可溶性酶类可溶性酶类底物底物底物底物辅助因子辅助因子辅助因子辅助因子外膜外膜外膜外膜膜间隙膜间隙膜间隙膜间隙内膜内膜内膜内膜嵴嵴嵴嵴 基质基质基质基质内、外膜紧密接处内、外膜紧密接处内、外膜紧密接处内、外膜紧密接处转位接触点转位接触点转位接触点转位接触点5、线粒体基质、线粒体基质均均均均 质质质质 的的的的胶状物质胶状物质胶状物质胶状物质蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质三羧酸循环三羧酸循环三羧酸循环三羧酸循环的有关酶类的有关酶类的有关酶类的有关酶类脂肪酸氧化脂肪酸氧化脂肪酸氧化脂肪酸氧化的有关酶类的有关酶类的有关酶类的有关酶类丙酮酸氧化丙酮酸氧化丙酮酸氧化丙酮酸氧化的有关酶类的有关酶类的有关酶类的有关酶类脂类脂类脂类脂类有形成分有形成分有形成分有形成分丝状物质丝状物质丝状物质丝状物质(环状环状环状环状DNADNA和和和和RNARNA)核糖体核糖体核糖体核糖体致密颗粒状物质致密颗粒状物质致密颗粒状物质致密颗粒状物质(含含含含CaCa2+2+、MgMg2+2+或或或或ZnZn2+2+等等等等)（二）线粒体的化学组成（二）线粒体的化学组成蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质6570%6570%脂类脂类脂类脂类2530%2530%DNADNA和和和和遗传系统遗传系统遗传系统遗传系统多种辅酶多种辅酶多种辅酶多种辅酶维生素维生素维生素维生素无机离子无机离子无机离子无机离子线粒体线粒体线粒体线粒体蛋白质：蛋白质：蛋白质：蛋白质：50%50%脂脂脂脂 类类类类：50%50%外膜外膜外膜外膜内膜内膜内膜内膜蛋白质：蛋白质：蛋白质：蛋白质：80%80%脂脂脂脂 类类类类：20%20%（三）线粒体的功能（三）线粒体的功能细胞氧化细胞氧化 细胞内葡萄糖、细胞内葡萄糖、AA、脂肪酸等供能物质在、脂肪酸等供能物质在一系列酶的作用下，消耗一系列酶的作用下，消耗O2，产生，产生CO2 和和H2O并释放能量并释放能量的过程，也称的过程，也称细胞呼吸细胞呼吸。细胞呼吸的特点细胞呼吸：吸取O2，排出CO2，是细胞内提供生物能源的主要途径。是一系列由酶系所催化的氧化还原反应。所产生的能量储存在ATP的高能磷酸键中 去磷酸化 A-PPP A-PP+Pi+1.72kJ 磷酸化反映过程分步进行，能量逐步释放反映在恒温和恒压的条件下进行糖酵解的地点与产物糖酵解的地点与产物2.2.线粒体中乙酰线粒体中乙酰CoACoA的生成的生成 丙酮酸生成乙酰CoA细胞质膜中由糖酵解生成的丙酮酸分子经过线粒体外膜的孔蛋白进入线粒体膜间隙，然后在运输蛋白的作用下穿过内膜进入线粒体基质。在基质中，丙酮酸被丙酮酸脱氢酶氧化成乙酰辅酶A，同时生成一分子NADH和一分子CO2。乙酰辅酶A是线粒体能量代谢的核心分子，无论是糖还是脂肪酸作为能源，都要在线粒体中被转变成乙酰辅酶A才能进入三羧酸循环彻底氧化。3.3.三羧酸循环三羧酸循环乙酰CoA一旦形成，立即进入线粒体基质的循环氧化途径，即TCA循环。TCA循环又称Krebs循环、柠檬酸循环。每循环一次生成两分子的CO2、一分子GTP、四分子的NADH(连同丙酮酸脱羧形成乙酰CoA时产生的一分子NADH在内)和一分子的FADH2，释放5对电子。4.氧化磷酸化偶联机制：氧化磷酸化偶联机制：化学渗透假说化学渗透假说基本思想：线粒体内膜上的呼吸链起质子泵的作用，利用高能电子传递过程中释放的能量将H+泵出内膜外，造成内膜内外的一个H+梯度（严格地讲是离子的电化学梯度），ATP合酶再利用这个电化学梯度来合成ATP。这个学说要求：内膜对H+，OH-，及一般的离子不通透，内膜上应该有氧化磷酸化和三羧酸循环的底物的载体。构成构成呼吸链呼吸链的的3 3个复合物具有个复合物具有质子泵质子泵功能，功能，当当H H原子的原子的高能电子高能电子在复合物间传递时，所释在复合物间传递时，所释放能量可驱动质子泵转运放能量可驱动质子泵转运H H+到到膜间腔膜间腔，形成，形成H H+梯度梯度。另一方面，泵出的另一方面，泵出的H H+总是有顺浓度返回总是有顺浓度返回基质的倾向，当基质的倾向，当H H+从基粒的从基粒的质子通道质子通道回流时，回流时，释放的能量使释放的能量使 ADP+Pi ATPADP+Pi ATP 。化学渗透学说化学渗透学说解释电子传递如何偶联磷酸化解释电子传递如何偶联磷酸化 线粒体的半自主性图解线粒体的半自主性图解线粒体的半自主性图解线粒体的半自主性图解线线粒粒体体的的生生长长与与增增殖殖所所需需要要的的大大部部分分蛋蛋白白质质是是由由核核基基因因编编码码、在在细细胞胞质质中中合合成成的的；仅仅有有少少部部分分蛋蛋白白质质是是由由其其自自身身基基因因编编码码、在线粒体内合成的在线粒体内合成的1.线粒体线粒体DNA（mtDNA）mtDNA为为双链环状双链环状。不同物种大小不同。不同物种大小不同。人人mtDNA：双链环状，含双链环状，含16569 bp，共共 37个基因个基因（22种种 tRNA基因、基因、2种种 rRNA基因、基因、13种种 mRNA基基因因编码编码13种蛋白种蛋白）mtDNA能自我复制（半保留，基质中）能自我复制（半保留，基质中）人人的的线线粒粒体体D DNNA A2.mt遗传系统遗传系统与与n遗传系统的关系遗传系统的关系（五）线粒体与疾病（五）线粒体与疾病疾病过程中的线粒体变化疾病过程中的线粒体变化 线粒体常作为细胞病变或损伤时最敏感的指标之一，常为分子细胞病理学检查的重要依据 线粒体疾病（线粒体疾病（mitochondrial disorders）：以线粒体结构和功能缺陷为主要疾病原因的疾病线粒体DNA是裸露的，易发生突变且很少能修复线粒体遗传学的特点：线粒体遗传学的特点：多质性：每个细胞中含有成百上千个mtDNA的拷贝，线粒体遗传学更偏向于群体方面的特性异质性：mtDNA发生突变，造成在同一细胞或组织中两种或多种mtDNA群体的共存阈值效应：mtDNA性状的表达是由特定组织中野生型与突变mtDNA的相对比例决定不均等的有丝分裂分离：突变mtDNA分子在子代细胞的分配比例发生变化，表型也会发生相应改变母系遗传：合子中几乎所有的mtDNA均来自卵子，并随机地分配到子代细胞高突变率：mtDNA的突变率比nDNA高1020倍线粒体疾病的分类：线粒体疾病的分类：生化分类：底物转运缺陷 底物利用缺陷 Krebs循环缺陷 电子传导缺陷 氧化磷酸化偶联缺陷遗传分类：核DNA（nDNA）缺陷 mtDNA 缺陷 nDNA和mtDNA联合缺陷主要的线粒体疾病主要的线粒体疾病线粒体疾病主要影响神经、肌肉系统，故亦称线粒线粒体疾病主要影响神经、肌肉系统，故亦称线粒体脑肌病体脑肌病mtDNA点突变引起的疾病 Leber遗传性视神经病mtDNA缺失、重复导致的疾病 线粒体心肌病、帕金森病mtDNA-nDNA突变交互作用引起的疾病 线粒体功能障碍mtDNA与癌的发生 mtDNA整合到核基因组中 部分致病突变在人线部分致病突变在人线粒体基因组中的定位粒体基因组中的定位(a)外外侧侧所所示示为为人人mtDNA的的编编码码产产物物:编编码码复复合合物物43个个亚亚基基中中的的7个个(ND1,2,3,4,4L,5和和6);编编码码复复复复合合合合物物物物11个个亚亚基基中中的的细细胞胞色色素素b);编编码码复复合合物物13个个亚亚基基中中的的3个个(COI,II,III);编编码码ATPase复复合合物物16个个亚亚基基中中的的2个个(6,8);编编码码大大小小rRNA(16S,12S rRNA);编编码码22种种tRNA(白白线线区区,其其旁旁的的英英文文字字母母代代表表同同族族 氨氨 基基 酸酸)。(b)内内 侧侧 示示 人人mtDNA中中的的致致病病点点突突变变,用用疾疾病病的的首首字字缩缩写写和和核核苷苷酸酸的的位位置置来表示。来表示。(自自Wallace,1999)临床四大班五小班临床四大班五小班