线粒体-药学细胞学复习进程.ppt
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1、线粒体-药学细胞学o1850s已观察到线粒体,被描述为细胞中的线和粒。o1888,Kollicker分离肌线粒体,认为线粒体有脂质被膜。o1890,Altman猜测线粒体(bioplast)是胞内的菌样克隆,是自治的基本生命单元。o1897,Benda命名mitochondrion,沿用至今。o1940s应用离心和电镜发现脂肪酸氧化、三羧酸循环、ATP合成都位于线粒体。o1961,Mitchell提出ATP合成的化学渗透假说。o1963,Nass M和Nass S发现线粒体DNA。o1981,剑桥大学Anderson等完成人线粒体基因组测序。Krebs和Mitchell第二节第二节、线粒体的形
2、态结构、线粒体的形态结构一、光镜下线粒体形态、大小、数量及分布一、光镜下线粒体形态、大小、数量及分布一、光镜下线粒体形态、大小、数量及分布一、光镜下线粒体形态、大小、数量及分布直径约直径约0.51um线状线状颗粒状颗粒状故名线粒体故名线粒体(一)形态(一)形态、大小、大小u 依细胞类型而异,动物细胞一般数百到数千个。依细胞类型而异,动物细胞一般数百到数千个。利什曼原虫利什曼原虫:一个巨大的线粒体;一个巨大的线粒体;海胆卵母细胞:海胆卵母细胞:3030多万个。多万个。u 随细胞生理功能及生理状态变化随细胞生理功能及生理状态变化 需能细胞:线粒体数目多,如哺乳动物心肌、小需能细胞:线粒体数目多,如
3、哺乳动物心肌、小 肠、肝等内脏细胞;肠、肝等内脏细胞;飞翔鸟类胸肌细胞:线粒体数目比不飞翔鸟多;飞翔鸟类胸肌细胞:线粒体数目比不飞翔鸟多;运动员肌细胞:线粒体数目比不常运动人的多。运动员肌细胞:线粒体数目比不常运动人的多。(二)数量(二)数量(三)分布(三)分布 分布分布:不均,细胞代谢旺盛的需能部位比较集中。不均,细胞代谢旺盛的需能部位比较集中。肌细胞肌细胞:线粒体沿肌原纤维规则排列;线粒体沿肌原纤维规则排列;精子细胞精子细胞:线粒体集中在鞭毛中区;线粒体集中在鞭毛中区;分泌细胞:线粒体聚集在分泌物合成的区域;分泌细胞:线粒体聚集在分泌物合成的区域;肾细胞:线粒体靠近微血管,呈平行或栅状列。
4、肾细胞:线粒体靠近微血管,呈平行或栅状列。线粒体的分布多集中在细胞的需能部位,有利线粒体的分布多集中在细胞的需能部位,有利于细胞需能部位的能量供应。于细胞需能部位的能量供应。线粒体的分布(三重染色)线粒体的分布(三重染色)二、线粒体的亚微结构二、线粒体的亚微结构(a)(a)扫描电镜照片:扫描电镜照片:示线粒体立体结构;示线粒体立体结构;(b)(b)透射电镜照片:透射电镜照片:示线粒体内部结构示线粒体内部结构o电镜下可见,线粒体是由外膜和内膜套叠而成的膜囊结构,内有两个封闭空间:膜间隙和基质。o外膜光滑,有孔蛋白和转运酶,以及单胺氧化酶等特殊酶类,可进行脂类合成和代谢物初步氧化。o膜间隙含有腺苷
5、酸激酶、细胞色素c和凋亡因子,参与ADP合成、电子传递和凋亡调控。o内膜折叠形成嵴,内表面有上万个基粒,是ATP合酶复合体。内膜上还有呼吸链复合体。o基质含有多种代谢酶类,还有mtDNA及其复制、转录和翻译系统。线粒体的基本结构1.含酶最多的细胞器;含酶最多的细胞器;2.内膜为膜蛋白最丰富的膜;内膜为膜蛋白最丰富的膜;3.唯一含唯一含DNA,核糖体的细胞器。核糖体的细胞器。第三节第三节 线粒体的功能线粒体的功能o能量供应能量供应o氧化应激氧化应激o凋亡凋亡o钙储池钙储池o细胞周期、信号转导细胞周期、信号转导o肿瘤肿瘤o发育等发育等一一 、线粒体与能量供应线粒体与能量供应 线粒体功能线粒体功能:
6、氧化磷酸化氧化磷酸化,合成合成ATPATP 通过对营养物质通过对营养物质(糖、脂肪、氨基酸等糖、脂肪、氨基酸等)氧化氧化(放能放能)与与ADPADP磷磷 酸化酸化(储能储能)的偶联反应完成能量转换,合成的偶联反应完成能量转换,合成ATPATP,直接提供细,直接提供细 胞生命活动所需能量的胞生命活动所需能量的95%95%以上。以上。包括:包括:细胞氧化(细胞呼吸)细胞氧化(细胞呼吸)ADPADP磷酸化磷酸化 细胞的能量利用形式细胞的能量利用形式 ATP 去磷酸化去磷酸化 A-PPP A-PP+Pi+7.3千卡千卡 磷酸化磷酸化 ATPATP是一种高能是一种高能磷酸化合物,能磷酸化合物,能量储存于
7、其高能量储存于其高能磷酸键中,可去磷酸键中,可去磷酸化释放能量磷酸化释放能量供细胞利用,又供细胞利用,又可磷酸化储存能可磷酸化储存能量。量。高能磷酸键高能磷酸键l食物中的能量如何转换为食物中的能量如何转换为 ATP?ATP?食物食物(线粒体)(线粒体)ATPATP 细胞氧化细胞氧化(细胞呼吸细胞呼吸)在氧气的参与下,线粒体内分解各种大分子在氧气的参与下,线粒体内分解各种大分子物质,产生二氧化碳,同时,分解代谢所释物质,产生二氧化碳,同时,分解代谢所释放的能量储存于放的能量储存于ATPATP中,又称生物氧化。中,又称生物氧化。1.糖酵解糖酵解1葡萄糖葡萄糖 2 2分子丙酮酸分子丙酮酸+2+2AT
8、P+2NADH+2HATP+2NADH+2H反应地点反应地点:细胞质细胞质2 2分子丙酮酸分子丙酮酸 2乙酰辅酶乙酰辅酶A+2NADH+2HA+2NADH+2H +2CO+2CO2 22.乙酰辅酶乙酰辅酶A A(CH3COSCOACH3COSCOA)的生成)的生成反应地点反应地点:线粒体基质线粒体基质例例:葡萄糖的葡萄糖的生物氧化过程生物氧化过程乙酰辅酶乙酰辅酶A A彻底氧化分解彻底氧化分解,生成生成1 1分子分子ATP,ATP,4 4对对H,H,2 2COCO2 2反应地点反应地点:线粒体基质线粒体基质3.三羧酸循环三羧酸循环4.电子传递和氧化磷酸化电子传递和氧化磷酸化上述阶段产生的上述阶段
9、产生的1212对对H H必须进一步氧化为水,整必须进一步氧化为水,整个有氧氧化才告结束,但个有氧氧化才告结束,但H H不能与不能与O O2 2直接结合,直接结合,实际上实际上H H离解为离解为 H H+和和e e-(高能电子),电子经过(高能电子),电子经过呼吸链传递,最终使呼吸链传递,最终使1/2 1/2 O O2 2还原为还原为O O2-2-与基质中的与基质中的2 2H H+化合生成水化合生成水,电子传递过程中释放的能量被用电子传递过程中释放的能量被用于于ADPADP磷酸化为磷酸化为ATP。反应地点反应地点:线粒体内膜线粒体内膜细胞呼吸(细胞氧化)过程细胞呼吸(细胞氧化)过程三羧酸三羧酸循
10、环循环电子传递和电子传递和氧化磷酸化氧化磷酸化乙酰辅酶乙酰辅酶A的形成的形成糖酵解糖酵解图示 细胞呼吸的四个主要步骤二、二、线粒体与氧化应激线粒体与氧化应激o线粒体是细胞中产生活性氧的一个重要部位,消耗氧线粒体是细胞中产生活性氧的一个重要部位,消耗氧用于合成用于合成ATP的同时不可避免地产生活性氧。的同时不可避免地产生活性氧。o氧化应激作用下,膜转运孔道开放造成线粒体基质内氧化应激作用下,膜转运孔道开放造成线粒体基质内的高渗透压,使线粒体内外的高渗透压,使线粒体内外H+梯度消失,呼吸链脱偶梯度消失,呼吸链脱偶联,能量产生中断。联,能量产生中断。o还会由于水和溶质的进入使基质肿胀并导致外膜破裂,
11、还会由于水和溶质的进入使基质肿胀并导致外膜破裂,通透性增高,释放出包括细胞色素通透性增高,释放出包括细胞色素C在内的各种活性在内的各种活性蛋白。蛋白。o过多自由基的产生可导致过多自由基的产生可导致mtDNA的损伤,氧化损伤的损伤,氧化损伤是是mtDNA突变的主要原因。突变的主要原因。o线粒体本身也极易受氧化应激的攻击。线粒体本身也极易受氧化应激的攻击。o活性氧在启动和调节细胞凋亡的过程中扮演着重要活性氧在启动和调节细胞凋亡的过程中扮演着重要的角色。的角色。o活性氧的积累可以导致:活性氧的积累可以导致:线粒体膨大,线粒体内膜非特异性孔道产生;线粒体膨大,线粒体内膜非特异性孔道产生;细胞色素细胞色
12、素C从内膜脱落并进入到胞质中;从内膜脱落并进入到胞质中;BAX表达,表达,caspase活化等。活化等。这些都是启动细胞凋亡的因素。这些都是启动细胞凋亡的因素。三、三、线粒体与细胞凋亡线粒体与细胞凋亡线粒体影响细胞凋亡线粒体影响细胞凋亡线粒体影响细胞凋亡线粒体影响细胞凋亡1 1 1 1、电子传递链和能量代谢受到破坏、电子传递链和能量代谢受到破坏、电子传递链和能量代谢受到破坏、电子传递链和能量代谢受到破坏2 2 2 2、释放胱冬肽酶激活蛋白、释放胱冬肽酶激活蛋白、释放胱冬肽酶激活蛋白、释放胱冬肽酶激活蛋白(细胞色素细胞色素细胞色素细胞色素c)c)c)c)3 3 3 3、产生活性氧类物质、产生活性
13、氧类物质、产生活性氧类物质、产生活性氧类物质(ROS)(ROS)(ROS)(ROS)线线线线粒粒粒粒体体体体具具具具有有有有大大大大导导导导电电电电通通通通道道道道-线线线线粒粒粒粒体体体体的的的的渗渗渗渗透透透透转转转转变变变变孔孔孔孔(permeability transition pores,PT pores)(permeability transition pores,PT pores)(二)渗透性转变孔(二)渗透性转变孔(二)渗透性转变孔(二)渗透性转变孔起始凋亡的主开关起始凋亡的主开关起始凋亡的主开关起始凋亡的主开关线粒体内膜跨膜电位的崩溃是细胞凋亡的变化之一线粒体内膜跨膜电位的崩
14、溃是细胞凋亡的变化之一。ROSROSCyt.cCyt.c电电子子传传递递链链和和能能量量代代谢谢受受 到到 破破 坏坏DNADNA断片化断片化断片化断片化起始胱冬肽酶起始胱冬肽酶起始胱冬肽酶起始胱冬肽酶 执行胱冬肽酶执行胱冬肽酶执行胱冬肽酶执行胱冬肽酶执行胱冬肽酶执行胱冬肽酶 破坏细胞骨架破坏细胞骨架破坏细胞骨架破坏细胞骨架细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡线粒体线粒体DNADNA修复修复修复修复抑制抑制抑制抑制抑制抑制抑制抑制形成凋亡小体形成凋亡小体形成凋亡小体形成凋亡小体形成凋亡小体形成凋亡小体(apoptosome)(apoptosome)(apoptosome)(apoptosome)(
15、apoptosome)(apoptosome)线线粒粒体体与与细细胞胞凋凋亡亡小小结结四、线粒体与信号转导线粒体已经从细胞内的寄生者演化为细胞代谢、应激和死亡的关键调控者。线粒体通过动态行为、外膜功能和产物变化(如ATP和ROS),在细胞死亡、抗病毒、抗炎、自噬等信导途径中发挥重要作用。线粒体是能量状态的灯塔,NAD:NADH、AMP:ATP及乙酰辅酶A浓度都是线粒体活性状态的信号。呼吸链蛋白、转位蛋白、凋亡诱导因子等参与调控多种生理和病理过程。最近发现,线粒体Sirt3、4、5可感应乙酰辅酶A等的浓度,反馈调控线粒体蛋白的乙酰化水平。第四节、线粒体的半自主性第四节、线粒体的半自主性(1)(1
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