[細胞生物學]線粒體PPT演示課件

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線粒體(mitochondrion)：線粒體是細胞進行氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要場所，被稱為能量轉(zhuǎn)換器，線粒體為細胞提供生命活動所需同能量的80%，所以線粒體被比喻為細胞的“動力工廠”。 1894年，Alman首先在動物細胞中發(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 復習題,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：不同類型的細胞中差異較大，細胞代謝旺盛→數(shù)目多，代謝不旺盛→數(shù)目少。 線粒體的分布：因細胞形態(tài)和類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),外膜是線粒體與細胞質(zhì)臨界的單位膜，厚5~7nm，光滑平整。 含有多種轉(zhuǎn)運蛋白，圍成筒狀園柱體，中央有小孔，形成φ2~3nm的跨膜水相通道，可以通過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： 向內(nèi)突起形成嵴(cristae)？ 內(nèi)表面附著有基粒(elementary particle),,基粒,2018/7/4,.,6,基粒：又稱ATP合酶復合體(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，稱基質(zhì)。 基質(zhì)是物質(zhì)進行氧化分解的場所，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)：種類多。 脂類：主要是磷脂，構(gòu)成膜。 DNA：一個分子，多個拷貝。 其它成分：水、酶、無機離子及維生素等。,化學組成成分,2018/7/4,.,10,蛋白質(zhì)含量多：達1000多種，占干重的65~70%，多分布在內(nèi)膜和基質(zhì)。分為兩類：一類是可溶性蛋白，另一類是不溶性蛋白。 線粒體酶含量多：是含酶最多的細胞器，參與物質(zhì)分解和氧化磷酸化。 含有DNA：是細胞內(nèi)除核外唯一含DNA的細胞器。,化學組成特點,,2018/7/4,.,11,線粒體是細胞核以外惟一含DNA的細胞器，具有獨立合成蛋白質(zhì)的能力，但一定程度上受細胞核的控制，因此線粒體是具有半自主性的細胞器。,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)運過程,,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)導入序列(MTS)。基質(zhì)導入序列又稱導肽，是輸入線粒體的蛋白質(zhì)在其N端具有的一段氨基酸序列，能夠被線粒體膜上的受體識別并結(jié)合，從而定向蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運。 少數(shù)線粒體前體蛋白與稱為NAC的分子伴侶結(jié)合，可增加蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運的準確性。,2018/7/4,.,15,多數(shù)線粒體前體蛋白與稱為hsp70的分子伴侶結(jié)合，可防止前體蛋白形成不可解開的構(gòu)象，也可防止已松弛的前體蛋白聚集。 細胞質(zhì)中的PBF與線粒體前體蛋白結(jié)合后可增強hsp70對蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運。 細胞質(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端具有導肽，能夠被線粒體膜上受體識別并結(jié)合，從而定向蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運。 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)運至線粒體基質(zhì)后，必須恢復其天然構(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)運信號及其受體 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)運特點,,2018/7/4,.,19,線粒體以分裂方式增殖。分兩個階段： 生長階段：線粒體膜的生長，mtDNA復制，然后分裂。 分化過程：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構(gòu)。,,2018/7/4,.,20,細胞氧化（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，又稱為細胞呼吸。是細胞內(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、骨骼肌細胞在功能亢進時，線粒體增生；腫瘤細胞可見大量線粒體密集于細胞質(zhì)中，使細胞質(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；在病變組織中有時有2~3個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，即患者甲狀腺產(chǎn)生甲狀腺素增多，造成患者代謝率升高。 甲狀腺功能亢進的發(fā)生機制： 甲狀腺素 Na+-K+-ATP酶 ATP分解→ADP＋Pi →ADP進入線粒體數(shù)量增加→氧化磷酸化偶聯(lián)作用加強→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，在復制過程中易發(fā)生突變并很少修復，錯誤的mtDNA可通過線粒體分裂及細胞分裂傳給子代線粒體或子細胞，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)，共濟失調(diào)，感覺神經(jīng)性聽力喪失，輕度癡呆，擴張性心肌病和腎功能異常等癥狀。,2018/7/4,.,27,發(fā)病機理：mtDNA8344G突變→線粒體蛋白質(zhì)合成的整體水平↓→除復合物Ⅱ以外的氧化磷酸化成分含量降低(尤其是呼吸鏈酶復合物Ⅰ和Ⅳ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,在細胞質(zhì)中進行。 有機物(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。 一次循環(huán)反應(yīng)，總共消耗3個H2O，生成1分子GTP(→ATP)，2分子CO2，脫下4對H，重新生成草酰乙酸，再和另一個乙酰CoA結(jié)合，開始下一個循環(huán)。,,2018/7/4,.,35,分別在線粒體內(nèi)膜及基粒上進行。 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)呼吸鏈逐級傳遞給1/2O2→O2－。,2018/7/4,.,37,呼吸鏈(respiratory chain)：又稱電子傳遞鏈(electron transport respiratory chain)，是由四種復合物組成的復合體，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，獨立作用，復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ 。 遞電子體：只傳遞電子，協(xié)作作用，復合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。,NADH-CoQ氧化還原酶 琥珀酸－CoQ氧化還原酶 CoQH2－細胞色素C氧化還原酶 細胞色素C氧化酶,2018/7/4,.,39,NADH呼吸鏈：由復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ組成，催化NADH氧化，是主呼吸鏈。 FADH2呼吸鏈：由復合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ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)呼吸鏈逐級傳遞，最終使 O2成為O2－， 與基質(zhì)中2個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：電子在傳遞過程中由高能變?yōu)榈湍?，釋放出的能量被位于線粒體內(nèi)膜上的F0F1ATP合酶復合體催化ADP+Pi→ATP。,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，又稱為ATP合酶復合體。 酶活性：兩種酶活性。 ATP水解酶的活性：獨立。 ATP合成酶的活性：內(nèi)膜。,2018/7/4,.,48,頭部:由α3β3δ亞基組成，是合成ATP的部位。 柄部：由γε亞基構(gòu)成,γ亞基穿過頭部作為頭部旋轉(zhuǎn)的軸。 基片：由3種不同的亞基組成的十五聚體(1a∶2b∶12c)。嵌于線粒體內(nèi)膜，是質(zhì)子流經(jīng)的通道。,2018/7/4,.,49,化學滲透假說：英國生物化學家P.Mitchell 1961年提出了化學滲透假說(chemiosomotic compling hypothesis)解釋氧化磷酸化的偶聯(lián)機理。,2018/7/4,.,50,化學滲透假說的主要內(nèi)容： e－傳遞過程中釋放能量將H+從內(nèi)腔→外腔。 mt內(nèi)膜對H+的不通透性造成內(nèi)膜兩側(cè)產(chǎn)生質(zhì)子動勢(質(zhì)子濃度梯度和電化學梯度，高能)。 H+順濃度梯度返回內(nèi)腔，釋放的能量驅(qū)動ATP合酶復合體催化ADP磷酸化合成ATP。,2018/7/4,.,51,化學滲透假說兩個特點： 強調(diào)線粒體膜結(jié)構(gòu)的完整性：H+不能自由通過膜，內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子動力勢，氧化偶聯(lián)磷酸化。 定向化學反應(yīng),,2018/7/4,.,52,,2018/7/4,.,53,,2018/7/4,.,54,,新生多肽相關(guān)復合物,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,復習題,線粒體的結(jié)構(gòu)特點 線粒體的化學組成特點 線粒體DNA結(jié)構(gòu)特點 蛋白質(zhì)穿膜進入線粒體的過程及特點 三羧酸循環(huán)、電子傳遞及氧化磷酸化各是在什么部位進行的？,,2018/7/4,.,60,