线粒体

第九章线粒体（mitochondrial）生物的各种活动都需要能量。线粒体是细胞内的“动力工厂”为何线粒体能提供能量？线粒体如何提供能量？内容简介线粒体的生物学特征线粒体与能量转换线粒体与疾病小结线粒体概述：1、有机物→分解代谢→能量;2、存在于除红细胞以外的一切真核细胞中;3、能量的80%由线粒体提供。第一节线粒体的生物学特征一．线粒体的结构：光镜下呈线状、粒状或杆状，不同生理条件下形状、大小、数目及分布不一。AnTEMimageofmitochondrion（二）分布•多分布在细胞功能旺盛的区域，可向这些区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。Mitochondriadistributedinskeletalmuscle（三）功能区隔•分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。Schematicviewofmitochondrion(一)大小:为较大的细胞器,直径约0.5-1.0um(二)数目:数百至数千不等,一般为1000-2000个,不同细胞差异很大:哺乳动物成熟红细胞:无精子细胞:25个肝细胞:1300个卵母细胞:30万个(三)电镜下结构:双层膜套叠而成的封闭性膜囊结构,内外膜不相连,与细胞质隔离1.外膜（outermembrane):最外面,一层单位膜7nm，脂类和蛋白各1/2,含直径1-3nm通道的孔蛋白,可通过5000以下分子量的物质。标志酶——单胺氧化酶2.内膜和内部空间内膜(innermembrane)：一层单位膜5nm，蛋白占76%,高度的选择通透性,分子量大于150的物质不能自由通过。内膜具有嵴cristae，内膜上向内腔突起的折叠，能扩大表面积（5~10倍），分两种：①板层状、②管状；嵴上有基粒。标志酶——细胞色素C氧化酶LamellarcristaeTubularcristae基粒(elemetaryparticle)（ATP合酶/F0F1ATP酶）头部(偶联因子F1)：圆球形，突入内腔，具有酶活性，催化ADP→ATP柄部：连接头部和基部，调控质子通道基部(F0偶联因子)：嵌于内膜中，有物种差异，连接F1和内膜，质子流向F1的穿膜通道嵴膜上垂直分布着的许多基本颗粒（基粒，F1颗粒）抑制剂可溶性的ATP酶（F1）对寡酶素敏感的蛋白（OSCP）疏水蛋白（HP）基粒外膜内膜基质基粒嵴线粒体的模式图酶形态结构膜间腔（外室）(intermembranespace/outchamber)：内外膜之间包括嵴内腔含多种可溶性酶含底物和辅助因子。标志酶——腺苷酸激酶基质腔（内室/嵴间腔）(matrixspace/innerchamber)：三羧酸循环的重要场所。标志酶——苹果酸脱氢酶基质(matrix)：含多种酶，双链环状DNA、RNA、核糖体二．线粒体的化学组成1.水：是线粒体中含量最多的成分2.蛋白质：占65%-70%，分布在内膜和基质中分为：可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白不溶性蛋白：膜结构蛋白3.脂类：占25%-30%，主要是磷脂4.另外还含有：DNA、辅酶、维生素、无机离子5.含有120多种酶，是细胞中含酶最多的细胞器酶蛋白的分布外膜内膜基质膜间隙单胺氧化酶腺苷酸激酶细胞色素c氧化酶苹果酸脱氢酶提取2、内膜•位于外膜的内侧包裹线粒体基质的一层单位膜，厚5～6nm。•内膜的通透性较低，一般不允许离子和大多数带电的小分子通过。•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ATP合酶，又叫基粒。•内膜的酶类可以粗略地分为三类∶运输酶类、合成酶类、电子传递和ATP合成酶类。•内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的主要部位。•标志酶为细胞色素C氧化酶几种不同部位的标志酶：内膜——细胞色素C氧化酶外膜——单胺氧化酶基质——苹果酸脱氢酶膜间腔——腺苷酸激酶线粒体内膜的主动运输系统内膜含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷脂含量高（达20%）、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殊的转运系统。①糖酵解产生的NADH必须进入电子传递链参与有氧氧化；②线粒体产生的代谢物质如草酰辅酶A和乙酰辅酶A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;③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量，同时，ATP水解形成的ADP和Pi又要被运入线粒体作为氧化磷酸化的底物。利用膜间隙形成的H+梯度协同运输。三．线粒体基因组1.线粒体DNA:1)有自己的遗传系统2)是除核以外唯一含有DNA的细胞器3)只有一条DNA——线粒体DNA(mtDNA)，编码线粒体的tRNA、rRNA和蛋白质4)人全序列基因测序已经完成——剑桥序列，含有37个基因、定位于22种tRNA，2种rRNA，编码13种蛋白质5)双链环状DNA分子:重链/轻链6)只有很少有非编码的序列,mRNA不含内含子7)DNA为母系遗传2.线粒体蛋白质合成:1）有自己的蛋白质翻译系统2）所编码的蛋白质是在线粒体内的核糖体上进行的3）所编码的RNA和蛋白质并不运出线粒体外4）用于蛋白质合成的所有tRNA都是由mtDNA编码的5）mtDNA为裸露的，不与组蛋白结合6）mtDNA位于基质内或依附于内膜7）mtDNA具有自我复制的能力,以自身为模板半保留复制，可分布整个细胞周期3.线粒体是半自主性的细胞器:线粒体中由自身合成的蛋白质仅占10%,其余均为细胞核基因组编码。因此，线粒体有自己的DNA和蛋白质合成体系，即独立的遗传系统，但又受核基因组遗传系统的控制，其生长和增殖受核基因组和自身基因组两套遗传系统的控制，故为半自主性细胞器。四.线粒体的生物发生目前普遍接受的观点：线粒体以分裂的方式增殖，线粒体的生物发生分为两个阶段：线粒体膜生长、复制：分离增殖线粒体本身分化：建立氧化磷酸化的机构线粒体的分化和生长分别接受细胞核与线粒体两个独立的遗传系统控制。线粒体的间壁分裂线粒体的收缩分裂无氧呼吸概念：活细胞在无氧或缺氧条件下，通过酶的催化作用，把葡萄糖等有机物不彻底地氧化分解成为乙醇或乳酸等，同时释放较少能量的过程。C6H12O62C3H6O3（乳酸）+能量(少量)酶C6H12O62C2H5OH(酒精)+2CO2+能量(少量）酶酒精发酵：酵母菌乳酸发酵：乳酸菌类型项目有氧呼吸无氧呼吸区别场所条件产物释能联系细胞质基质、线粒体（主要）细胞质基质需氧、酶等不需氧、需酶较多较少①两者第一阶段相同即都将葡萄糖分解成丙酮酸（糖酵解）②都分解有机物、释放能量有氧呼吸与无氧呼吸的比较二氧化碳和水氧化彻底酒精、二氧化碳或乳酸氧化不彻底第二节细胞的能量转换一．细胞呼吸（cellularrespiration）概念：线粒体内，在氧的参与下分解大分子物质，产生CO2、释放能量并储存于ATP中的过程，又称生物氧化（biologicaloxidation）特点：1.线粒体中一系列由酶催化的氧化还原反应2.产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中3.反应过程分步进行、能量逐级释放4.反应恒温、恒压条件下进行5.反应过程需要水的参与二．细胞能量转换分子释放能量：ADP+Pi→ATP（储存）需要能量：ATP-Pi→ADP（释放）CO2+H2O+能量细胞呼吸氧化分解ADP+PiATP释放能量用于各项生命活动主要能源物质葡萄糖直接能源物质ADP和ATP的相互转变保正了生物所需能量的及时供应。生物体内的能量代谢氧化磷酸化的分子基础•动物细胞80%的ATP来源于线粒体。有氧呼吸全过程场所发生反应产物第一阶段第二阶段第三阶段细胞质基质葡萄糖酶2丙酮酸少量能量4〔H〕++丙酮酸、〔H〕、释放少量能量，形成少量ATP线粒体6CO26H2O酶2丙酮酸少量能量20〔H〕+++CO2、〔H〕、释放少量能量，形成少量ATP线粒体6O212H2O酶大量能量24〔H〕++H2O、释放大量能量，形成大量ATP线粒体[H]2分子丙酮酸CO2葡萄糖释放少量能量，形成少量ATPO2[H]释放少量能量，形成少量ATPH2O释放大量能量，形成大量ATP细胞质基质H2O细胞的氧化过程分三个阶段:糖蛋白质脂肪酵解乙酰辅酶A生成三羧酸循环电子传递和氧化磷酸化一.糖酵解:C6H12O6→2CH3COCOOH+2(2H)+2ATP二.三羧酸循环物质氧化所释放的可利用能量都以高能电子的形式由电子载体NAD+和FAD+从底物中移出，并经线粒体内膜上的电子传递链进一步氧化。•呼吸链又称电子传递链（electrontransferchain），指排列在线粒体内膜上，由一系列递氢体和电子传递体按一定顺序排列组成的连续酶促反应体系。代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水。三.电子传递偶联氧化磷酸化:将三个阶段所脱下的氢原子通过线粒体内膜上的一系列酶进行逐级传递,生成水,传递过程中所释放的能量使ADP磷酸化形成ATP。1、电子传递链（呼吸链）（在内膜有序排列的酶系）呼吸链上进行电子传递的载体主要有：NAD、黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶Q等。（1）NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide），是体内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链，其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。（2）黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子，2个质子。呼吸链上具有以FMN为辅基的NADH脱氢酶和以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。（3）细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。（4）三个铜原子：位于线粒体内膜的一个蛋白质上，形成类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu1+的变化传递电子。（5）铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递。（6）泛醌Q或辅酶Q(CoQ)：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。也是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。能量产生过程2、呼吸链的复合物利用脱氧胆酸（deoxycholate）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜、细胞色素C位于线粒体内膜的C侧，属于膜的外周蛋白。（1）复合物Ⅰ即NADH脱氢酶，哺乳动物的复合物Ⅰ由42条肽链组成，含有一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。作用是催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。电子传递的方向为：NADH－FMN－Fe-S－Q。（2）复合物Ⅱ即琥珀酸脱氢酶，至少由4条肽链组成，含有一个FAD，2个铁硫蛋白。作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。电子传递的方向为：琥珀酸－FAD－Fe-S－Q。－（3）复合物Ⅲ即细胞色素c还原酶，由至少11条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。（4）复合物Ⅳ即细胞色素c氧化酶，以二聚体形式存在。作用是将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。NADH呼吸链，每传递一对电子释放的自由能可形成2.5分子ATP。FADH2呼吸链，每传递一对电子释放的自由能可形成1.5分子ATP。NADH的产能过程FADH2生能过程电子传递链呼吸链的复合物复合物Ⅰ（NADH-CoQ还原酶）复合物Ⅱ（琥珀酸-泛醌还原酶）复合物Ⅲ（泛醌-细胞色素C还原酶）复合物Ⅳ（细胞色素C氧化酶）ADPATPADPATPADPATP琥珀酸FeSCoQH+，eFADNADHFMNFeSCoQH+，eCoQFeScytbcytCH+，eCyta，a3cytC1/2O2H+，eQ循环１分子葡萄糖完全氧化