医学生物学 线粒体Mitochondrion

在代谢旺盛的需能部位比较集中
精子鞭丝
mt RER
mt
心肌
细胞活跃合成蛋白质时， 细胞活跃合成蛋白质时， 线粒体在RER处局部集中 线粒体在RER处局部集中
骨骼肌
线粒体形状：与细胞的营养状态有关 线粒体形状：与细胞的营养状态有关 形状 线粒体大小：细胞类型和 线粒体大小：细胞类型和生理状态 (渗透压, 温度, pH) 渗透压, 温度, 大小 一般0.5~1.0µ 2~8µ 一般0.5~1.0µm×2~8µm [ 多与细菌近似！] 多与细菌近似！ 10~20µm——巨大线粒体(人成纤维细胞: 40µm) 10~20µ ——巨大线粒体 人成纤维细胞: 40µ 巨大线粒体(
线粒体疾病（mitochondrial disorders）：以线粒体 线粒体疾病（ ） 结构和功能缺陷为主要疾病原因的疾病线粒体DNA是 裸露的，易发生突变且很少能修复
线粒体遗传学的特点： 线粒体遗传学的特点： • 多质性：每个细胞中含有成百上千个mtDNA的拷贝， 线粒体遗传学更偏向于群体方面的特性 • 异质性：mtDNA发生突变，造成在同一细胞或组织 中两种或多种mtDNA群体的共存 • 阈值效应：mtDNA性状的表达是由特定组织中野生 型与突变mtDNA的相对比例决定 • 不均等的有丝分裂分离：突变mtDNA分子在子代细 胞的分配比例发生变化，表型也会发生相应改变 • 母系遗传：合子中几乎所有的mtDNA均来自卵子， 并随机地分配到子代细胞 • 高突变率：mtDNA的突变率比nDNA高10~20倍
糖酵解的地点与产物
2.线粒体中乙酰CoA的生成 2.线粒体中乙酰CoA的生成 线粒体中乙酰CoA
● 丙酮酸生成乙酰CoA
细胞质膜中由糖酵解生成的丙酮酸分子经过线粒体外膜 的孔蛋白进入线粒体膜间隙，然后在运输蛋白的作用下 穿过内膜进入线粒体基质。在基质中，丙酮酸被丙酮酸 脱氢酶氧化成乙酰辅酶A， 同时生成一分子NADH和一 分子CO2。
1.糖酵解 糖酵解
* 反应地点 反应地点——细胞质 细胞质 * 1分子葡萄糖（6C）→ →2分子丙酮酸 分子葡萄糖 ） 分子丙酮酸 分子 分子
（3C）。 ）。
*葡萄糖分解代谢的第一步，可产生少 葡萄糖分解代谢的第一步， 葡萄糖分解代谢的第一步 量ATP。 。 *无需氧气，存在于所有细胞。 无需氧气， 所有细胞。 无需氧气 存在于所有细胞
（二）线粒体的化学组成
蛋白质65 70% 蛋白质65~70% 65~ 脂类25 30% 25~ 脂类25~30% DNA和 DNA和遗传系统 多种辅酶 维生素 无机离子 蛋白质：80% 蛋白质： 脂 类：20%
线粒体
外膜
蛋白质：50% 蛋白质：50% 脂 类：50% 50%
内膜
（三）线粒体的功能
4.氧化磷酸化偶联机制： 化学渗透假说 氧化磷酸化偶联机制： 氧化磷酸化偶联机制
·基本思想：线粒体内膜上的呼吸链起 质子泵的作用，利用高能电子传递过程 中释放的能量将H+泵出内膜外，造成内 膜内外的一个H+梯度（严格地讲是离子 的电化学梯度），ATP合酶再利用这个电 化学梯度来合成ATP。
·这个学说要求：内膜对H+，OH-，及一
1、线粒体外膜
6nm; 比较光滑; 有孔蛋白(porin) nm; 比较光滑; 孔蛋白(porin)
(A)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ(B)
孔蛋白单体
外膜
COOH NH2
1nm
由孔蛋白单体形成的圆筒状孔道
2、线粒体内膜
厚6~8nm；通透性很低(0.11~0.15kDa不带电荷的小分子) nm；通透性很低( 11~ 15kDa不带电荷的小分子 不带电荷的小分子)
· mtDNA为双链环状。不同物种大小不同。 为双链环状。不同物种大小不同。 · 人mtDNA：双链环状，含16569 bp， 共 37个基因 ：双链环状， ， 个基因 基因、 种 基因、 种 （22种 tRNA基因、2种 rRNA基因、13种 mRNA基 种 基因 基因 基 编码13种蛋白 因——编码 种蛋白） 编码 种蛋白）
细胞内葡萄糖、 、 细胞氧化 —— 细胞内葡萄糖、AA、脂肪酸等供能物质在 一系列酶的作用下，消耗O 产生CO2 和H2O并释放能量 并释放能量 一系列酶的作用下，消耗 2，产生 的过程，也称细胞呼吸 细胞呼吸。 的过程，也称细胞呼吸。
细胞呼吸的特点
·细胞呼吸：吸取O2 ，排出CO2 ，是细胞内提供生物能源的 主要途径。 ·是一系列由酶系所催化的氧化还原反应。 ·所产生的能量储存在ATP的高能磷酸键中 去磷酸化 A-P~P~P A-P~P+Pi+1.72kJ 磷酸化 ·反映过程分步进行，能量逐步释放 ·反映在恒温和恒压的条件下进行
线粒体的形态结构 线粒体是能够在光学显微镜进行观察的显微 结构，它具有渗透性，在低渗溶液中会膨胀， 而在高渗溶液中能够收缩。
线粒体的形态（光镜） 线粒体的形态（光镜）
线粒体的数量
线粒体的数量因细胞类型不同而有很大差别： 线粒体的数量因细胞类型不同而有很大差别： 数百 ~ 数千个 1个 3 ×105万个(有些卵母细胞) 万个(有些卵母细胞) 50万个 巨大变形虫) 50万个(巨大变形虫) 万个(
线粒体的半自主性图解
线粒体的生长与增殖 所需要的大部分蛋白 质是由核基因编码、 质是由核基因编码 、 在细胞质中合成的； 在细胞质中合成的 ； 仅有少部分蛋白质是 仅有少部分 蛋白质是 由其自身基因编码、 由其自身基因编码 、 在线粒体内合成的
1.线粒体 线粒体DNA （mtDNA） 线粒体 ）
一些较大的分子则必须经由专一的运载系统才能穿膜！ 一些较大的分子则必须经由专一的运载系统才能穿膜！ 较大的分子则必须经由专一的运载系统才能穿膜
内膜表面不光滑：基粒 内膜表面不光滑： F1 F0
内膜
F0F1-ATP酶 (ATP合成酶) ATP酶 ATP合成酶 合成酶)
*基粒 基粒——ATP合成酶 （F1F0－ATP酶）， 基粒 合成酶 酶 含多个亚基。 含多个亚基。 头部——F1因子。突出膜外 因子。突出膜外——合成 合成ATP。 头部 合成 。 基部——F0因子。嵌入膜内 因子。嵌入膜内——质子通道。 质子通道。 基部 质子通道 *电子传递链 电子传递链——呼吸链 （ 2种） 电子传递链 呼吸链 种
• 线粒体疾病的分类： 线粒体疾病的分类：
生化分类： 底物转运缺陷 底物利用缺陷 Krebs循环缺陷 电子传导缺陷 氧化磷酸化偶联缺陷 遗传分类：核DNA（nDNA）缺陷 mtDNA 缺陷 nDNA和mtDNA联合缺陷
主要的线粒体疾病
线粒体疾病主要影响神经、肌肉系统， 线粒体疾病主要影响神经、肌肉系统，故亦称线粒 体脑肌病
3. 嵴(cristae) ：扩大内膜面积，增加了内膜的代谢效 扩大内膜面积，
率 嵴的数量与线粒体氧化活性的强弱程度有关！ 嵴的数量与线粒体氧化活性的强弱程度有关！
需能多
需能少
不同类型的细胞中, 嵴的形状 排列方式也不同 不同类型的细胞中, 嵴的形状与排列方式也不同: 形状与 也不同: 多数高等动物细胞 多数高等动物细胞中，嵴呈板层状, 且多垂直于线粒体的 高等动物细胞中 嵴呈板层状 板层状, 长轴； 长轴；
● 乙酰辅酶A是线粒体能量代谢的核心分子，无论是糖
还是脂肪酸作为能源，都要在线粒体中被转变成乙酰辅 酶A才能进入三羧酸循环彻底氧化。
3.三羧酸循环 3.三羧酸循环 ·乙酰CoA一旦形成，立即进入线粒体基 质的循环氧化途径，即TCA循环。TCA循 环又称Krebs循环、柠檬酸循环。每循环一 次生成两分子的CO2、一分子GTP、四分 子的NADH(连同丙酮酸脱羧形成乙酰CoA 时产生的一分子NADH在内)和一分子的 FADH2，释放5对电子。
（一）. 线粒体的结构 线粒体由内、外两层彼此平行和高度特化的膜包围而成，内外膜都是典型的 单位膜。线粒体外膜起界膜作用，线粒体内膜向内皱折形成嵴，嵴上有一些 颗粒朝向线粒体基质，这些颗粒称为F1颗粒，似把手状。线粒体的外膜和内 膜将线粒体分成两个不同的区室:一个是膜间间隙，是两个膜之间的空隙;另 一个是线粒体基质，它是由内膜包裹的空间。
• mtDNA点突变引起的疾病 Leber遗传性视神经病 • mtDNA缺失、重复导致的疾病 线粒体心肌病、帕金森病 • mtDNA-nDNA突变交互作用引起的疾病 线粒体功能障碍 • mtDNA与癌的发生 mtDNA整合到核基因组中
部分致病突变在人线 粒体基因组中的定位
(a)外侧所示为人 外侧所示为人mtDNA的编码 外侧所示为人 的编码 产物: 编码复合物 复合物Ⅰ 个亚基 产物 编码 复合物 Ⅰ43个亚基 中 的 7 个 (ND1,2,3,4,4L,5 和 6); 编码复合物 复合物Ⅲ 个亚基中的细 编码 复合物 Ⅲ11个亚基中的细 胞色素b); 编码 复合物 Ⅳ13个 复合物Ⅳ 个 胞色素 亚基中的3个 亚基中的 个 (COI, II,III); 编码 ATPase复合物 个亚基中的 复合物16个亚基中的 复合物 个亚基中的2 个 (6, 8); 编码大小 编码 大小rRNA(16S, 大小 12S rRNA); 编码 种tRNA(白 编码22种 白 线区, 线区 其旁的英文字母代表同族 氨基酸)。 内侧示人mtDNA 氨基酸 。(b) 内侧示人 中的致病点突变, 中的致病点突变 用疾病的首字 缩写和 核苷酸的位置来表示 来表示。 缩写 和 核苷酸的位置 来表示 。 (自Wallace, 1999) 自
般的离子不通透，内膜上应该有氧化磷 酸化和三羧酸循环的底物的载体。
化学渗透学说
解释电子传递如何偶联磷酸化
构成呼吸链的 个复合物具有质子泵功能， 构成呼吸链的3个复合物具有质子泵功能， 呼吸链 质子泵功能 高能电子在复合物间传递时 原子的高能电子在复合物间传递时， 当H原子的高能电子在复合物间传递时，所释 放能量可驱动质子泵转运H 膜间腔， 放能量可驱动质子泵转运H+到膜间腔，形成 梯度。 H+梯度。 另一方面，泵出的H 另一方面，泵出的H+ 总是有顺浓度返回 基质的倾向， 从基粒的质子通道回流时， 质子通道回流时 基质的倾向，当H+ 从基粒的质子通道回流时， 释放的能量使 ADP + Pi→ ATP 。