医学生物学基础第五章线粒体讲稿.ppt

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1、医学生物学基础第五章线粒体第一页，讲稿共二十七页哦p1850年年，德国生物学家德国生物学家Rudolph Klliker第一个发现线粒体第一个发现线粒体，并推测并推测-这种颗粒是由半透性的膜包被的。这种颗粒是由半透性的膜包被的。p1898年对线粒体进行命名年对线粒体进行命名。p1900年，年，Leonor Michaelis用染料用染料Janus green对肝细胞进行染对肝细胞进行染色色，发现细胞消耗氧之后发现细胞消耗氧之后，线粒体的颜色逐渐消失了线粒体的颜色逐渐消失了，从而提从而提示线粒体具有氧化还原反应的作用示线粒体具有氧化还原反应的作用。p1948 Green证实线粒体含所有三羧酸循环

2、的酶证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，1949 Kennedy和和Lehninger发现脂肪酸氧化为发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内的过程是在线粒体内完成的完成的，1976 Hatefi等纯化了呼吸链四个独立的复合体等纯化了呼吸链四个独立的复合体，Mitchell（19611980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说，从而证明了线粒体是真核生物进行能量转换的主要部位。从而证明了线粒体是真核生物进行能量转换的主要部位。第二页，讲稿共二十七页哦一、线粒体的形态一、线粒体的形态 线粒体的形状多种多线粒体的形状多种多样。有的呈线状、样。有的呈线状、粒状或短杆状；有粒状

3、或短杆状；有的呈圆形、哑铃形、的呈圆形、哑铃形、星形；还有的呈分星形；还有的呈分枝状、环状等。但枝状、环状等。但以圆柱状与椭圆球以圆柱状与椭圆球形为最多。形为最多。第三页，讲稿共二十七页哦 新陈代谢旺盛、需要能量较多的细胞新陈代谢旺盛、需要能量较多的细胞,线粒体的数目就较多线粒体的数目就较多,如心肌细胞、肝细胞如心肌细胞、肝细胞、骨骼肌细胞、肾小管上皮细胞等。、骨骼肌细胞、肾小管上皮细胞等。新陈代谢较低新陈代谢较低,需要能量较少的细胞需要能量较少的细胞,线粒体的数目就较少线粒体的数目就较少,如淋巴细胞、精子细如淋巴细胞、精子细胞。胞。当细胞处于病变、体温过高或细胞基质酸性当细胞处于病变、体温过

4、高或细胞基质酸性过高的环境下过高的环境下,线粒体易溶解或因过度膨胀破线粒体易溶解或因过度膨胀破裂而使其数目减少。裂而使其数目减少。第四页，讲稿共二十七页哦二、线粒体的超微结构二、线粒体的超微结构 在电镜下观察在电镜下观察,线粒线粒体是由两层单位膜体是由两层单位膜围成的封闭的囊状围成的封闭的囊状结构。主要由外膜、结构。主要由外膜、内膜、膜间腔和基内膜、膜间腔和基质组成质组成。第五页，讲稿共二十七页哦1 1、外膜、外膜 s包围在线粒体外表面的一层单位膜包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚，厚67nm，平整光滑平整光滑,与内膜不连接。与内膜不连接。s含有多套运输蛋白含有多套运输蛋白-孔蛋白，它们构成脂

5、孔蛋白，它们构成脂类双分子层上水溶性物质可以穿过的通类双分子层上水溶性物质可以穿过的通道，所以外膜的通透性非常高道，所以外膜的通透性非常高,使得膜间使得膜间隙中的环境几乎与胞质溶胶相似。隙中的环境几乎与胞质溶胶相似。s外膜含有一些特殊的酶类，如外膜含有一些特殊的酶类，如单胺氧化单胺氧化酶酶，这种酶能够终止胺神经递质，这种酶能够终止胺神经递质,如降肾如降肾上腺素和多巴胺的作用。上腺素和多巴胺的作用。第六页，讲稿共二十七页哦2 2、内膜、内膜s位于外膜的内侧包裹线粒体基质的一层单位膜，位于外膜的内侧包裹线粒体基质的一层单位膜，厚厚56nm。s内膜的通透性较低，一般不允许离子和大多数带电的小分内膜的

6、通透性较低，一般不允许离子和大多数带电的小分子通过。子通过。s线粒体内膜通常要向基质折褶形成嵴，从而增加了内线粒体内膜通常要向基质折褶形成嵴，从而增加了内膜的表面积。嵴上有膜的表面积。嵴上有ATP合酶，又叫基粒。合酶，又叫基粒。s内膜的酶类可以粗略地分为三类内膜的酶类可以粗略地分为三类 运输酶类、合成酶运输酶类、合成酶类、电子传递和类、电子传递和ATP合成酶类。合成酶类。s内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的主要部内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的主要部位。位。s标志酶为细胞色素标志酶为细胞色素C氧化酶氧化酶 第七页，讲稿共二十七页哦线粒体通透性研究线粒体通透性研究 将线粒体放在将线粒体

7、放在100 mM蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线粒体蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线粒体的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线粒体内部蔗糖的的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线粒体内部蔗糖的平均浓度，结果只有平均浓度，结果只有50 mM，比环境中蔗糖的浓度低。据比环境中蔗糖的浓度低。据此推测此推测:线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内膜对蔗糖是不通线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内膜对蔗糖是不通透的透的 第八页，讲稿共二十七页哦首先将线粒体置于低渗溶首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质粒体内膜和基质(线粒体质线粒体质)仍结合在一起，通过离心仍结合在一起，通过离心可将线粒

8、体质分离。用去可将线粒体质分离。用去垢剂毛地黄皂苷处理线粒垢剂毛地黄皂苷处理线粒体质，破坏线粒体内膜，体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，内膜重新闭合形成小泡，其表面有其表面有F1颗粒。颗粒。第九页，讲稿共二十七页哦线粒体内膜的主动运输系统线粒体内膜的主动运输系统 内膜含内膜含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷脂含。心磷脂含量高（达量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，仅允）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特

9、许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。殊的转运系统。糖酵解产生的糖酵解产生的NADH必须进入电子传递链参与有氧氧化；必须进入电子传递链参与有氧氧化；线粒体产生的代谢物质如草酰辅酶线粒体产生的代谢物质如草酰辅酶A和乙酰辅酶和乙酰辅酶A必须运输到细胞质中，必须运输到细胞质中，它们分别是细胞质中葡萄糖和脂肪酸的前体物质它们分别是细胞质中葡萄糖和脂肪酸的前体物质;线粒体产生的线粒体产生的ATP必须进入到胞质溶胶，以便供给细胞反应所需的能必须进入到胞质溶胶，以便供给细胞反应所需的能量，同时，量，同时，ATP水解形成的水解形成的ADP和和Pi又要被运入线粒体作为氧化磷又要被

10、运入线粒体作为氧化磷酸化的底物。酸化的底物。利用膜间隙形成的利用膜间隙形成的H+H+梯度协同运输。梯度协同运输。第十页，讲稿共二十七页哦线粒体中的蛋白质绝大多数都是核基因编码，线粒体中的蛋白质绝大多数都是核基因编码，在细胞质的游离核糖体上合成后运输到线粒在细胞质的游离核糖体上合成后运输到线粒体的。体的。线粒体定位线粒体定位 蛋白质蛋白质线粒体基质线粒体基质F F1 1ATPase:ATPase:亚基亚基(植物除外植物除外)、，亚基、亚基、亚基亚基(某些真菌某些真菌)RNARNA聚合酶、聚合酶、DNADNA聚合酶、核糖体蛋白、柠檬酸合成酶、聚合酶、核糖体蛋白、柠檬酸合成酶、TCATCA酶酶 系、

11、乙醇脱氢酶系、乙醇脱氢酶(酵母酵母)、鸟氨酸氨基转移酶、鸟氨酸氨基转移酶(哺乳动物哺乳动物)内膜内膜DP-ATPDP-ATP逆向运输蛋白、磷酸逆向运输蛋白、磷酸-OH-OH-逆向运输蛋白、细胞色素逆向运输蛋白、细胞色素c c氧氧 化化酶亚基酶亚基4 4，5 5，6 6，7 7、F F0 0 ATPase ATPase的蛋白质、的蛋白质、CoQHCoQH2 2-细胞色素细胞色素c c 还还原酶复合物亚基原酶复合物亚基1 1，2 2，5(Fe-S)5(Fe-S)，6 6，7 7，8 8膜间隙膜间隙细胞色素细胞色素c c、细胞色素、细胞色素c c过氧化物酶、细胞色素过氧化物酶、细胞色素b b2 2、

12、CoQHCoQH2 2-细胞细胞 色素色素c c还原酶复合物亚基还原酶复合物亚基4(4(细胞色素细胞色素c c1 1)外膜外膜线粒体孔蛋白线粒体孔蛋白第十一页，讲稿共二十七页哦翻译后转运与蛋翻译后转运与蛋白质寻靶白质寻靶 共翻译转运与共翻译转运与蛋白质分选蛋白质分选 第十二页，讲稿共二十七页哦线线粒粒体体基基质质蛋蛋白白输输入入线线粒粒体体第十三页，讲稿共二十七页哦3 3、基粒、基粒基粒与膜面垂直基粒与膜面垂直而规则排列而规则排列,粒粒间相距间相距10nm。基粒由头部基粒由头部-F1、柄部和基片、柄部和基片-F0三部分组成三部分组成。第十四页，讲稿共二十七页哦头部含有可溶性头部含有可溶性ATP

13、酶，酶，功能是合成功能是合成ATP。在在头部还有一个多肽头部还有一个多肽,称为称为ATP酶复合体抑酶复合体抑制多肽制多肽,可能具有调可能具有调节酶活性的作用。节酶活性的作用。柄部是对寡霉素敏感的蛋白，作用是调控质子通道。柄部是对寡霉素敏感的蛋白，作用是调控质子通道。基片为疏水蛋白，是调控磷酸化作用的部位基片为疏水蛋白，是调控磷酸化作用的部位 第十五页，讲稿共二十七页哦基粒的发现及功能预测基粒的发现及功能预测 在二十世纪七十年代初，在二十世纪七十年代初，Humberto-Fernandez Moran 用负染技术检查分离用负染技术检查分离的线粒体时发现的线粒体时发现:线粒体内膜的基质一侧线粒体内

14、膜的基质一侧的表面附着一层球形颗粒，球形颗粒通的表面附着一层球形颗粒，球形颗粒通过柄与内膜相连。几年后，过柄与内膜相连。几年后，Efraim Racker分离到内膜上的颗粒，称为偶联分离到内膜上的颗粒，称为偶联因子因子1，简称，简称F1。第十六页，讲稿共二十七页哦牛心脏线粒体的负染电镜照片牛心脏线粒体的负染电镜照片可见球形颗粒通过小柄附着在线粒体内膜嵴上可见球形颗粒通过小柄附着在线粒体内膜嵴上 第十七页，讲稿共二十七页哦uRacker发现这种颗粒很像水解发现这种颗粒很像水解ATP的酶，即的酶，即ATPase，这似乎是一个特别的发现，为什么线粒体内膜需，这似乎是一个特别的发现，为什么线粒体内膜需

15、要如此多的水解要如此多的水解ATP的酶的酶?u如果按照常规的方式思考所发现颗粒的问题如果按照常规的方式思考所发现颗粒的问题,似难理解似难理解线粒体内膜上需要线粒体内膜上需要ATP水解酶水解酶,如果将如果将ATP的水解看成的水解看成是是ATP合成的相反过程合成的相反过程,F1球形颗粒的功能就显而易球形颗粒的功能就显而易见了见了:它含有它含有ATP合成的功能位点合成的功能位点,即即ATPase既能催化既能催化ATP的水解的水解,又能催化又能催化ATP的合成的合成,到底行使何种功能到底行使何种功能,视视反应条件而定。反应条件而定。u在分离状态下具有在分离状态下具有ATP水解酶的活性，在结合状态下水解

16、酶的活性，在结合状态下具有具有ATP合成酶的活性。合成酶的活性。第十八页，讲稿共二十七页哦ATP合酶合成合酶合成ATP的机理的机理？结合变构模型结合变构模型 第十九页，讲稿共二十七页哦4、膜、膜 间间 隙隙 线粒体内膜和外膜之间的间隙称为膜间隙，线粒体内膜和外膜之间的间隙称为膜间隙，宽宽68 nm，由于外膜通透性很强，而内，由于外膜通透性很强，而内膜的通透性又很低，所以膜间隙中的化膜的通透性又很低，所以膜间隙中的化学成分很多，几乎接近胞质溶胶。功能学成分很多，几乎接近胞质溶胶。功能是建立和维持氢质子梯度。是建立和维持氢质子梯度。标志酶为腺苷酸激酶标志酶为腺苷酸激酶 第二十页，讲稿共二十七页哦5

17、 5、基质、基质 内膜和嵴包围着的线粒体内部空间是线粒内膜和嵴包围着的线粒体内部空间是线粒体基质，与三羧酸循环、脂肪酸氧化、体基质，与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解等有关的酶都存在于基质之氨基酸降解等有关的酶都存在于基质之中；此外还含有中；此外还含有DNA、tRNAs、rRNA、以及线粒体基因表达的各种酶和核糖体。以及线粒体基因表达的各种酶和核糖体。标志酶为苹果酸脱氢酶标志酶为苹果酸脱氢酶 第二十一页，讲稿共二十七页哦线粒体各部分蛋白的分布线粒体各部分蛋白的分布 外膜外膜膜间隙膜间隙内膜内膜基质基质细胞色素细胞色素b5腺苷酸激酶腺苷酸激酶NADH脱氢酶脱氢酶丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶NADH

18、-细胞色素还细胞色素还原酶原酶核苷核苷琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶脂肪酸脂肪酸氧化酶氧化酶Krebs循环酶系循环酶系单胺氧化酶单胺氧化酶二磷酸激酶二磷酸激酶细胞色素细胞色素CDNA聚合酶聚合酶脂酰辅酶脂酰辅酶A合酶合酶磷酸甘油酰基转移酶磷酸甘油酰基转移酶核苷二磷酸激酶核苷二磷酸激酶单磷酸激酶单磷酸激酶ATP合成酶合成酶(F0F1复合物复合物)运输蛋白运输蛋白RNA聚合酶聚合酶核糖体核糖体转移转移RNAs孔蛋白孔蛋白膜脂含量膜脂含量 磷脂磷脂/蛋白蛋白=0.9心磷脂心磷脂/磷脂磷脂=0.03膜脂含量膜脂含量 磷脂磷脂/蛋白蛋白=0.3心磷脂心磷脂/磷脂磷脂=0.22醌醌第

19、二十二页，讲稿共二十七页哦三、线粒体的功能三、线粒体的功能 线粒体的主要功能是对糖、脂肪、氨基酸等线粒体的主要功能是对糖、脂肪、氨基酸等能源物质的氧化能源物质的氧化,进行能量的转换。进行能量的转换。细胞氧化是指依靠酶的催化细胞氧化是指依靠酶的催化,氧将细胞内各种氧将细胞内各种供能物质氧化而释放能量的过程。由于细胞供能物质氧化而释放能量的过程。由于细胞氧化过程中氧化过程中,要消耗要消耗O2并放出并放出CO2和和H20,所所以又称为细胞呼吸以又称为细胞呼吸。在细胞生命活动中在细胞生命活动中,95%的能量来自线粒体的能量来自线粒体,因因此人们又将线粒体喻为细胞的动力工厂。此人们又将线粒体喻为细胞的动

20、力工厂。第二十三页，讲稿共二十七页哦糖糖 蛋蛋白白质质 脂脂肪肪酵酵解解 乙酰乙酰辅酶辅酶A生成生成 三羧三羧酸循酸循环环 电子电子传递传递和氧和氧化磷化磷酸化酸化 第二十四页，讲稿共二十七页哦第二十五页，讲稿共二十七页哦能量产生过程第二十六页，讲稿共二十七页哦呼吸链是一组酶的复合体呼吸链是一组酶的复合体,分布并嵌在线粒分布并嵌在线粒体内膜上，细胞吸入的氧，在这条链上被体内膜上，细胞吸入的氧，在这条链上被利用与氢结合，由于呼吸链在递氢时也同利用与氢结合，由于呼吸链在递氢时也同时传递电子，也称为电子传递呼吸链。时传递电子，也称为电子传递呼吸链。伴随电子传递链的氧化过程所进行伴随电子传递链的氧化过程所进行的能量转换和的能量转换和ATP的生成的生成,称为氧称为氧化磷酸化。化磷酸化。第二十七页，讲稿共二十七页哦