线粒体医学知识讲座专家讲座.pptx

第七章 线粒体（mitochondrion）线粒体线粒体是真核细胞进行氧化和能量转是真核细胞进行氧化和能量转换主要场所，被喻为细胞换主要场所，被喻为细胞“动力工厂动力工厂”或或“换能中心换能中心”。线粒体医学知识讲座第1页第一节线粒体结构与细胞能量转换线粒体医学知识讲座第2页有呈有呈线状，颗粒线状，颗粒或短杆状或短杆状，有呈圆形、哑铃形、有呈圆形、哑铃形、星形；还有呈分枝状、环状等。但以圆柱状与星形；还有呈分枝状、环状等。但以圆柱状与椭圆球形为最多。椭圆球形为最多。线粒体医学知识讲座第3页一、线粒体结构一、线粒体结构形态：形态：形态：形态：光镜：光镜：光镜：光镜：线状、粒状、短杆状；有圆形、哑铃形、星形；线状、粒状、短杆状；有圆形、哑铃形、星形；线状、粒状、短杆状；有圆形、哑铃形、星形；线状、粒状、短杆状；有圆形、哑铃形、星形；还有分枝状、环状等还有分枝状、环状等还有分枝状、环状等还有分枝状、环状等大小大小大小大小：普通直径：普通直径：普通直径：普通直径：0.51.00.51.0 m;m;长度：长度：长度：长度：3 3 mm。数目：数目：数目：数目：正常细胞中：正常细胞中：正常细胞中：正常细胞中：10001000个。个。个。个。分布：分布：分布：分布：通常分布于细胞生理功效旺盛区域和需要能量较多部位通常分布于细胞生理功效旺盛区域和需要能量较多部位通常分布于细胞生理功效旺盛区域和需要能量较多部位通常分布于细胞生理功效旺盛区域和需要能量较多部位。总之：总之：总之：总之：线粒体形态、大小、数目和分布在不一样形态和类型线粒体形态、大小、数目和分布在不一样形态和类型线粒体形态、大小、数目和分布在不一样形态和类型线粒体形态、大小、数目和分布在不一样形态和类型 细胞中可朔性较大。细胞中可朔性较大。细胞中可朔性较大。细胞中可朔性较大。线粒体医学知识讲座第4页电镜：电镜：电镜：电镜：线粒体是由两层单位膜围成封闭囊状结构线粒体是由两层单位膜围成封闭囊状结构线粒体是由两层单位膜围成封闭囊状结构线粒体是由两层单位膜围成封闭囊状结构。分为分为分为分为外膜、内膜、膜间隙外膜、内膜、膜间隙外膜、内膜、膜间隙外膜、内膜、膜间隙和和和和基质基质基质基质四部分。四部分。四部分。四部分。1线粒体医学知识讲座第5页1 1、外膜、外膜 包围在线粒体外表面一层单位膜，厚67nm，平整光滑,与内膜不连接。含有各种孔蛋白形成水相通道，允许分子量为5kD以下分子经过。所以外膜通透性非常高,使得膜间隙中环境几乎与细胞质相同。线粒体医学知识讲座第6页2 2、内膜、内膜位于外膜内侧包裹线粒体基质一层单位膜，平均厚45nm。内膜通透性较低，普通不允许离子和大多数带电小分子经过。线粒体内膜向基质折褶形成嵴，增加内膜表面积。嵴上有ATP合酶，又叫基粒。内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化主要部位。标志酶为细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶 线粒体医学知识讲座第7页3、膜、膜 间间 腔腔 线粒体内膜和外膜之间间隙称为膜间隙，线粒体内膜和外膜之间间隙称为膜间隙，宽宽68 nm，因为外膜通透性很强，而内膜通透，因为外膜通透性很强，而内膜通透性又很低，所以膜间隙中化学成分靠近于细性又很低，所以膜间隙中化学成分靠近于细胞质。胞质。标志酶：标志酶：腺苷酸激酶腺苷酸激酶 功效：功效：建立和维持质子梯度。建立和维持质子梯度。线粒体医学知识讲座第8页4 4、基质、基质 内膜和嵴包围着线粒体内部空间是线粒体基质内膜和嵴包围着线粒体内部空间是线粒体基质1线粒体医学知识讲座第9页基质中含有：基质中含有：酶：催化三羧酸循环、脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化，酶：催化三羧酸循环、脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化，酶：催化三羧酸循环、脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化，酶：催化三羧酸循环、脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化，标志酶为苹果酸脱氢酶。标志酶为苹果酸脱氢酶。标志酶为苹果酸脱氢酶。标志酶为苹果酸脱氢酶。线粒体线粒体线粒体线粒体DNADNA（mtDNAmtDNA），），），），及线粒体特有核糖体，及线粒体特有核糖体，及线粒体特有核糖体，及线粒体特有核糖体，tRNAs tRNAs、rRNArRNA、DNADNA聚合酶、氨基酸活化酶等。聚合酶、氨基酸活化酶等。聚合酶、氨基酸活化酶等。聚合酶、氨基酸活化酶等。基质颗粒：电子密度大，内含基质颗粒：电子密度大，内含基质颗粒：电子密度大，内含基质颗粒：电子密度大，内含CaCa2+2+、MgMg2+2+、ZnZn2+2+等离等离等离等离子。多见于转运水和无机离子细胞中。子。多见于转运水和无机离子细胞中。子。多见于转运水和无机离子细胞中。子。多见于转运水和无机离子细胞中。线粒体医学知识讲座第10页将呼吸链电子传递过程中释放能量用于使将呼吸链电子传递过程中释放能量用于使将呼吸链电子传递过程中释放能量用于使将呼吸链电子传递过程中释放能量用于使ADPADP磷酸化生成磷酸化生成磷酸化生成磷酸化生成ATPATP关键关键关键关键装置，由各种多肽组成装置，由各种多肽组成装置，由各种多肽组成装置，由各种多肽组成ATPATP合酶复合体，也叫合酶复合体，也叫合酶复合体，也叫合酶复合体，也叫F0F1-ATPF0F1-ATP合酶。合酶。合酶。合酶。ATPaseATPase既能催化既能催化既能催化既能催化ATPATP合成合成合成合成,又能催化又能催化又能催化又能催化ATPATP水解水解水解水解(F1(F1解离解离解离解离)。一个蛋白质一个蛋白质OSCP，能与寡霉素，能与寡霉素特异结合以抑制特异结合以抑制ATP合成。合成。耦联因子耦联因子F0，镶嵌于内膜脂双层，镶嵌于内膜脂双层中，是质子流向中，是质子流向F1穿膜通道穿膜通道。耦联因子耦联因子耦联因子耦联因子F1F1，由五种亚基组成，由五种亚基组成，由五种亚基组成，由五种亚基组成，既可催化既可催化既可催化既可催化ATPATP水解，自然状态下水解，自然状态下水解，自然状态下水解，自然状态下功效是合成功效是合成功效是合成功效是合成ATPATP柄部柄部5 5、基粒（、基粒（、基粒（、基粒（ATPATP合酶复合体）合酶复合体）合酶复合体）合酶复合体）线粒体医学知识讲座第11页ATP合成酶：具双向性，结合时合成ATP、解离时水解ATP。1979年提出结合变构、旋转催化模型（质子驱动）o:open;L:loose;T:tight线粒体医学知识讲座第12页可溶性蛋白可溶性蛋白可溶性蛋白可溶性蛋白：基质中酶和膜外周蛋白。其中酶已确认：基质中酶和膜外周蛋白。其中酶已确认：基质中酶和膜外周蛋白。其中酶已确认：基质中酶和膜外周蛋白。其中酶已确认 有有有有120120各种，是细胞中含酶最多细胞器；各种，是细胞中含酶最多细胞器；各种，是细胞中含酶最多细胞器；各种，是细胞中含酶最多细胞器；不溶性蛋白不溶性蛋白不溶性蛋白不溶性蛋白：为膜镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白。：为膜镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白。：为膜镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白。：为膜镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白。二、二、线粒体化学组成线粒体化学组成 1.1.蛋白质：蛋白质：蛋白质：蛋白质：占线粒体干重占线粒体干重占线粒体干重占线粒体干重65%-70%65%-70%，内膜含量较多。，内膜含量较多。，内膜含量较多。，内膜含量较多。线粒体蛋白质可分为两类：线粒体蛋白质可分为两类：线粒体蛋白质可分为两类：线粒体蛋白质可分为两类：2.2.脂脂脂脂 类：类：类：类：占线粒体干重占线粒体干重占线粒体干重占线粒体干重25%-30%25%-30%，主要成份为磷脂，主要成份为磷脂，主要成份为磷脂，主要成份为磷脂 。4.4.水、辅酶、维生素、金属离子等。水、辅酶、维生素、金属离子等。水、辅酶、维生素、金属离子等。水、辅酶、维生素、金属离子等。3.3.线粒体线粒体线粒体线粒体DNA(mtDNA),DNA(mtDNA),具独立遗传系统，存在于基质或依具独立遗传系统，存在于基质或依具独立遗传系统，存在于基质或依具独立遗传系统，存在于基质或依 附于内膜，它与细胞核遗传系统组成一个整体。附于内膜，它与细胞核遗传系统组成一个整体。附于内膜，它与细胞核遗传系统组成一个整体。附于内膜，它与细胞核遗传系统组成一个整体。线粒体医学知识讲座第13页三、线粒体遗传体系三、线粒体遗传体系线粒体含有一套完整转录和翻译体系，包含线粒体含有一套完整转录和翻译体系，包含线粒体含有一套完整转录和翻译体系，包含线粒体含有一套完整转录和翻译体系，包含mtDNAmtDNA，7070型核糖体，型核糖体，型核糖体，型核糖体，tRNAs,rRNA,DNAtRNAs,rRNA,DNA聚合酶、氨基酸活化聚合酶、氨基酸活化聚合酶、氨基酸活化聚合酶、氨基酸活化酶等。表明有一定自主性。酶等。表明有一定自主性。酶等。表明有一定自主性。酶等。表明有一定自主性。mtDNAmtDNA分子量小、基因数量少、编码蛋白质有限，只编分子量小、基因数量少、编码蛋白质有限，只编分子量小、基因数量少、编码蛋白质有限，只编分子量小、基因数量少、编码蛋白质有限，只编码线粒体蛋白质码线粒体蛋白质码线粒体蛋白质码线粒体蛋白质10%10%，大多数线粒体蛋白质（，大多数线粒体蛋白质（，大多数线粒体蛋白质（，大多数线粒体蛋白质（90%90%）由核基因编码，并在细胞质中合成后转运到线粒体中。由核基因编码，并在细胞质中合成后转运到线粒体中。由核基因编码，并在细胞质中合成后转运到线粒体中。由核基因编码，并在细胞质中合成后转运到线粒体中。同时线粒体遗传体系受控于细胞核遗传系统，必须依靠同时线粒体遗传体系受控于细胞核遗传系统，必须依靠同时线粒体遗传体系受控于细胞核遗传系统，必须依靠同时线粒体遗传体系受控于细胞核遗传系统，必须依靠核内遗传信息才能完成自我复制。核内遗传信息才能完成自我复制。核内遗传信息才能完成自我复制。核内遗传信息才能完成自我复制。所以，线粒体为半自主性细胞器。所以，线粒体为半自主性细胞器。所以，线粒体为半自主性细胞器。所以，线粒体为半自主性细胞器。线粒体医学知识讲座第14页A-PPP A-PP+Pi+能量(1.72kj)去磷酸磷酸化一、细胞能量货币一、细胞能量货币ATP(三磷酸腺苷三磷酸腺苷)ATP作用：作用：1 1、是细胞生命活动直接供能者；、是细胞生命活动直接供能者；、是细胞生命活动直接供能者；、是细胞生命活动直接供能者；2 2、是细胞能量转换中间携带者，、是细胞能量转换中间携带者，、是细胞能量转换中间携带者，、是细胞能量转换中间携带者，“能量货币能量货币能量货币能量货币”3 3、是细胞能量取得、转换、储存和利用枢纽。、是细胞能量取得、转换、储存和利用枢纽。、是细胞能量取得、转换、储存和利用枢纽。、是细胞能量取得、转换、储存和利用枢纽。四、四、线粒体功能线粒体功能线粒体医学知识讲座第15页产生路径：产生路径：氧化磷酸化和底物水平磷酸化氧化磷酸化和底物水平磷酸化1、氧化磷酸化：高能电子在线粒体内膜呼吸链电子传递、氧化磷酸化：高能电子在线粒体内膜呼吸链电子传递过程中释放出能量被线粒体内膜或者嵴上基粒用来催化过程中释放出能量被线粒体内膜或者嵴上基粒用来催化ADP磷酸化，合成磷酸化，合成ATP。是主要形式，占。是主要形式，占80%。2、底物水平磷酸化：由高能底物水解放能，直接将高能、底物水平磷酸化：由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到磷酸键从底物转移到ADP上，使上，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP。占。占1020%。线粒体医学知识讲座第16页线粒体功效区隔：线粒体功效区隔：线粒体功效区隔：线粒体功效区隔：外膜：转运蛋白质外膜：转运蛋白质外膜：转运蛋白质外膜：转运蛋白质内膜：产生能量内膜：产生能量内膜：产生能量内膜：产生能量基质：三羧酸循环基质：三羧酸循环基质：三羧酸循环基质：三羧酸循环线粒体是糖类、脂肪和蛋白质最终彻底氧化释放能量并线粒体是糖类、脂肪和蛋白质最终彻底氧化释放能量并转换能量场所转换能量场所-“细胞动力工厂细胞动力工厂”详细表达在：详细表达在：三羧酸循环三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle,TCA）和）和氧化磷酸化氧化磷酸化线粒体医学知识讲座第17页细胞氧化细胞氧化：指在活细胞线粒体中，在氧气参加下，胞内糖：指在活细胞线粒体中，在氧气参加下，胞内糖类、脂肪和蛋白质等有机物彻底氧化分解为二氧化碳和水，类、脂肪和蛋白质等有机物彻底氧化分解为二氧化碳和水，且伴伴随能量释放和且伴伴随能量释放和ATP生成过程。也称细胞呼吸生成过程。也称细胞呼吸(cellular respiration)。细胞氧化分细胞氧化分细胞氧化分细胞氧化分4 4个阶段：个阶段：个阶段：个阶段：1 1、葡萄糖分解生成丙酮酸，细胞质基、葡萄糖分解生成丙酮酸，细胞质基、葡萄糖分解生成丙酮酸，细胞质基、葡萄糖分解生成丙酮酸，细胞质基质中进行；质中进行；质中进行；质中进行；2 2、丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧，生、丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧，生、丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧，生、丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧，生成乙酰成乙酰成乙酰成乙酰CoACoA；3 3、，在线粒体基质中进行；，在线粒体基质中进行；，在线粒体基质中进行；，在线粒体基质中进行；4 4、电子传递（氧化）及磷酸化，在线、电子传递（氧化）及磷酸化，在线、电子传递（氧化）及磷酸化，在线、电子传递（氧化）及磷酸化，在线粒体内膜进行。（粒体内膜进行。（粒体内膜进行。（粒体内膜进行。（O OO O2-2-;H H;H H+）34三羧酸循环：三羧酸循环：2次脱羧、次脱羧、4次脱氢（次脱氢（3次次NAD+，1次次FAD接收）、接收）、1次底物水平磷酸化。次底物水平磷酸化。线粒体医学知识讲座第18页一分子葡萄糖彻一分子葡萄糖彻底氧化生成底氧化生成38个个ATP糖酵解：糖酵解：2个个线粒体内：线粒体内：36个个三羧酸循环：三羧酸循环：2个个内膜上呼吸氧化过程：内膜上呼吸氧化过程：34个个细胞氧化结果细胞氧化结果线粒体医学知识讲座第19页1分子葡萄糖分子葡萄糖6CO212H氧化、丙酮酸氧化、丙酮酸脱氢、脱氢、TAC线粒体内膜上酶体系逐层传递线粒体内膜上酶体系逐层传递O2-传递电子酶体系是由一系列能传递电子酶体系是由一系列能够可逆地接收和释放够可逆地接收和释放H和和e-化学物质所组成，在内膜上化学物质所组成，在内膜上有序地排列成相互关联传递链，有序地排列成相互关联传递链，称为称为呼吸链呼吸链或电子传递呼吸链或电子传递呼吸链呼吸链（电子传递链）需要呼吸链（电子传递链）需要呼吸链（电子传递链）需要呼吸链（电子传递链）需要4 4种复种复种复种复合物（合物（合物（合物（p96p96）:NAD+NADHFAD2+FADH2线粒体医学知识讲座第20页线粒体医学知识讲座第21页氧化磷酸化（氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）物质氧化物质氧化高能电子高能电子氧氧氧化过程（释能）氧化过程（释能）,内膜上内膜上ADP+Pi ATP质子动力势质子动力势energyenergy磷酸化过程（储能），基粒磷酸化过程（储能），基粒线粒体医学知识讲座第22页氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用-氧化过程伴随磷酸化耦联氧化过程伴随磷酸化耦联ATP形成形成经糖酵解和三羧酸循环产生经糖酵解和三羧酸循环产生NADH和和FADH2是两是两种还原性电子载体，它们所携带电子经线粒体内膜种还原性电子载体，它们所携带电子经线粒体内膜呼吸链逐层定向传递给呼吸链逐层定向传递给O2，本身则被氧化。电子，本身则被氧化。电子传递过程中释放出能量被传递过程中释放出能量被F0F1ATP酶复合体用来酶复合体用来催化催化ADP磷酸化而合成磷酸化而合成ATP，这就是，这就是氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用线粒体医学知识讲座第23页五五 线粒体与人类疾病和衰老线粒体与人类疾病和衰老一、线粒体病（一、线粒体病（mitochondrial diseasesmitochondrial diseases，MDMD）特点：特点：1.MD1.MD多数因为线粒体多数因为线粒体DNADNA改变而引发。改变而引发。2.MD2.MD含有母系遗传特点。含有母系遗传特点。3.MD3.MD多为神经、肌肉系统疾病。多为神经、肌肉系统疾病。二、线粒体与衰老：与二、线粒体与衰老：与mtDNAmtDNA相关相关线粒体医学知识讲座第24页LeberLeber遗传性视神经病（遗传性视神经病（LHONLHON）：）：ND4*ND4*11778 11778GAGA，精氨酸，精氨酸组氨酸组氨酸 ND1*ND1*34603460GAGA，丙氨酸，丙氨酸丝氨酸丝氨酸 肌阵挛性癫痫和粗糙红纤维综合征（肌阵挛性癫痫和粗糙红纤维综合征（MERRFMERRF）：）：tRNAtRNALys Lys:83348334AGAG；83568356TCTC神经性肌虚弱神经性肌虚弱,共济失调及色素性视网膜炎综合征共济失调及色素性视网膜炎综合征(NARP):(NARP):H H+-ATP-ATP酶酶:89938993TGTG，亮氨酸，亮氨酸精氨酸精氨酸线粒体医学知识讲座第25页本章小结本章小结线粒体结构特点和分布。线粒体结构特点和分布。线粒体半自主性。线粒体半自主性。线粒体功效（线粒体功效（氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用）。）。线粒体医学知识讲座第26页