医学细胞生物学-6 线粒体

第六章线粒体与细胞的能量转换1化学组成和遗传体系。

2第一节线粒体的基本特征●一、线粒体的形态、数量和结构●二、线粒体的化学组成●三、线粒体的遗传体系●四、线粒体核编码蛋白质的转运●五、线粒体的起源●六、线粒体的分裂与融合●七、线粒体的功能 3一、线粒体的形态、数量和结构1.线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关形态：光镜下，线状、粒状、短杆状；有的圆形、哑铃形、星形；还有分枝状、环状等●低渗情况下，膨胀如泡状；高渗情况下，伸长为线状●胚胎肝细胞线粒体：发育早期短棒状，发育晚期长棒状●酸性环境下膨胀，碱性环境下粒状4大小：细胞内较大的细胞器。

一般直径：0.5—1.0um;长度：3um。

骨骼肌细胞中可见巨大线粒体，长达7—10微米数目：不同类型的细胞中差异较大。

最少的细胞含1个线粒体，最多的达50万个。

正常细胞中：1000—2000个。

●单细胞鞭毛藻中1个线粒体●巨大变形虫中约50万个线粒体●哺乳动物肝细胞中约2000个线粒体，肾细胞中约300个5分布：因细胞形态和类型的不同而存在差异。

通常分布于细胞生理功能旺盛的区域和需要能量较多的部位。

●精细胞中，沿鞭毛紧密排列；肌细胞中，包装在邻近肌原纤维中间●细胞内线粒体分布可因细胞的生理状态改变产生移位现象●肾小管细胞内交换功能旺盛时，线粒体集中于质膜近腔面内缘；●有丝分裂过程中线粒体均匀分布在纺锤丝周围。

总之：线粒体的形态、大小、数目和分布在不同形态和类型的细胞可塑性较大。

67 2. 超微结构：线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构☆内膜与外膜套叠形成囊中之囊☆内、外囊膜不相通☆内外膜组成线粒体的支架 8(1) 外膜（outer membrane ）：包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚5—7nm ，平整、光滑。

外膜的1/2为脂类，1/2为蛋白质。

外膜含有多种转运蛋白，形成较大的水相通道跨越脂质双层，φ：2-3nm ，允许分子量为10 K 以内的物质可以自由通过。

膜间腔（外室）外膜内膜 嵴 嵴间腔（内室）嵴内腔9 位于外膜内侧，由一层单位膜构成，平均厚4.5nm 。

含100种以上的多肽。

心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇。

(2) 内膜（inner membrane ）：内膜的内表面含有许多富含蛋白质的颗粒，它们有些是合成ATP 的复合体酶，另一些则是电子传递链的组分，功能是通过多步的传递，最终将电子传递给O 2，并在传递过程中，由ATP 合酶生成能量分子ATP 。

功能：产生能量的重要部位。

10嵴内膜向内腔折叠形成，可增加内膜的表面积。

嵴的形态和排列方式差别很大。

主要有两种类型：板层状（大多数高等动物细胞中线粒体的嵴）。

管状（原生动物和其它一些较低等的动物细胞中线粒体的嵴）。

11 (3)1213 内膜和嵴围成的腔隙，腔内充满电子密度较低的可溶性蛋白质和脂肪等成分——线粒体基质。

线粒体基质 脂 类蛋白质酶 类线粒体 DNA线粒体 mRNA 线粒体 tRNA 线粒体核糖体(4) 基 质线粒体是细胞质中唯一含有DNA 的细胞器，每个线粒体中可有1个或多个DNA 拷贝。

14(5) 基粒（elementary particle ）• 内膜和嵴膜基质面上许多带柄的小颗粒。

其化学本质是ATP 合酶复合体。

• 每个线粒体约104~105个。

与膜面垂直而规律排列。

• 基粒由头部（F1偶联因子）、柄部和基片（F0偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。

• 基粒是将呼吸链电子传递中释放的能量用于使ADP 磷酸化生成ATP 的重要部位（ATP 酶复合体）。

可溶性的ATP 酶（F 1)既是合成酶又是水解酶 疏水蛋白（F 0 ) 70 000 头部: 合成ATP柄部: 调节质子通道基片：质子的通道 对寡霉素敏感蛋白（OSCP) Φ4nm长4.5-5nm Φ6-11.5nm 高5-6nm 9nm Φ9nm15头部：呈圆形，含有ATP 酶(F 1)，它由5种多肽组成（α3β3γδε）。

a 和β亚基是结合ATP 或其它核苷酸的位点，是表现活性的主要成分；γ亚基可能与质子进入F 1有关；δ亚基与基片膜蛋白结合，连接F0与F1；ε亚基可能参与调节F 1-ATP 酶的活性。

16 ●ATPase 精细结构动态图（下部模糊部分是线粒体内膜，H+从下方涌入），你可以看见整个机械的旋转，上部转子部分在每120度处蛋白结构形状和张力改变，ADP 被“吸入”，ATP 被释放。

每个360度循环制造3个ATP 。

●人体内ATPase 的旋转每秒大致150次，每天一个人的全身ATP 更新量要超过自己的体重（当然这些分子都是循环使用的）。

-------曼斯·雷德17线粒体的化学组成蛋白质：占线粒体干重的65% -70% (如：大鼠肝细胞线粒体蛋白质 67%在基质内，21%在内膜，6%在外膜，6%在膜间腔)脂 类：占线粒体干重的25% -30%，其中大部分为磷脂 ：磷脂酰 胆碱（卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）、心磷脂（主要存在内 膜中占其总脂20% ）外 膜：脂类占52%、蛋白质占48%，胆固醇和磷脂含量比内膜高。

内 膜：脂类占24%、蛋白质占76%，无胆固醇，心磷脂含 量比任何膜都高。

DNA 和完整的遗传系统水、辅酶、维生素、金属离子等二、线粒体的化学组成 18线粒体中约有120种酶，是细胞中含酶最多的细胞器 线粒体主要酶的分布部 位 酶 的 名 称外 膜 单胺氧化酶、犬尿氨酸羟化酶、NADH-细胞色素C 还原酶、 脂类代谢有关的酶（酰基辅酶A 合成酶、脂肪酸激酶等）特征酶：单胺氧化酶膜 间 隙 腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶、亚硫酸氧化酶特征酶：腺苷酸激酶内 膜 细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、NADH 脱氢酶、肉碱酰基转移酶、β-羟丁酸和 β-羟丙酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、ATP 合成酶系、腺嘌呤核苷酸载体。

特征酶：细胞色素氧化酶基 质 柠檬酸合成酶、乌头酸酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶、延胡索酸酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体、天冬氨酸氨基转移酶、蛋白质和核酸合成酶系、脂肪酸氧化酶系特征酶：苹果酸脱氢酶19三、线粒体的遗传体系线粒体的半自主性●线粒体内含有DNA 分子和完整的遗传信息传递和表达体系，即线粒体内能够进行遗传信息的复制、转录和翻译，体现了线粒体的自主性；●线粒体内遗传信息的传递过程几大部分功能活动受线粒体基因组和核基因组两套遗传体系的控制，因此线粒体是一种半自主性细胞器。

20mtDNA: 是双链闭合环状分子、裸露不与组蛋白结合,分散在线粒体基质中，一个线粒体内往往有1至数个mtDNA ，平均5~10个。

分子量小,人mtDNA 含165 69碱基对。

人mtDNA16569 bp 37个基因 2种 编码 rRNA(12S 和16S ）基因22种 编码 tRNA 基因13种 编码 蛋白质基因（一）线粒体DNA 构成了线粒体基因组mtDNA 一条为重链（H ），一条为轻链（L ）与核基因组相比，人线粒体基因组具有如下特点：1.mtDNA结构紧凑，基因内无内含子，相邻基因间只有很少的非编码间隔序列。

2.mtDNA裸露，不与组蛋白结合。

3.两条链均有编码功能，H链含28个基因，L链含9个基因。

4.线粒体DNA可进行复制(不限于S期)、转录（多顺反子产物）、蛋白质合成。

5.线粒体DNA所用的遗传密码与通用遗传密码不完全相同。

2122（二）重链和轻链各有一个启动子启动线粒体基因的转录（三）线粒体DNA的两条链有各自的复制起始点23四、线粒体的蛋白质合成系统◆线粒体蛋白质有两个来源：•内源性蛋白质由mtDNA编码，在线粒体基质腔合成。

•外源性蛋白质由核基因编码，在胞质中合成后运输进入线粒体；◆线粒体有自身的蛋白质合成体系，合成mtDNA编码的13种参与呼吸链上酶复合物和ATP合成酶组成的多肽链。

包括： NADH-CoQ氧化还原酶的7个亚基CoQ-细胞色素c氧化还原酶中细胞色素b亚基细胞色素c氧化酶的3个亚基ATP合成酶的2个亚基24线粒体的蛋白质合成与原核细胞相似，而与真核细胞不同,其原因为：1. 线粒体合成蛋白质的核糖体不同于胞质中的80S核糖体，类似于原核细胞中的70S核糖体。

2. 蛋白质合成的起始tRNA与原核细胞一样，为N-甲酰甲硫氨酰tRNA,真核细胞起始的tRNA为甲硫氨酰tRNA.3. 线粒体蛋白质合成系统对药物的敏感性与细菌一致，而与细胞质系统不一致。

25五、核编码蛋白质向线粒体的转运线粒体中约有1000个基因产物，除少数蛋白质由mtDNA 编码外，大多数蛋白质都是由核基因组编码并由胞质核糖体合成转运入线粒体的。

核基因编码的线粒体蛋白质包括：☆线粒体的核糖体蛋白；☆ mtDNA复制所需的mtDNA聚合酶；☆ mtRNA聚合酶（催化合成RNA引物）、起始因子、延伸因子；☆ mtDNA转录所需的mtRNA聚合酶；☆翻译过程所需的相关酶、因子等；☆能量和物质代谢过程中所需要的酶类。

261、核编码蛋白进入线粒体时需要分子伴侣蛋白的协助（前体蛋白解折叠）这些转运入线粒体的蛋白质，在转运到线粒体之前称为前体蛋白（precursor ）。

在其N-末端都有一段20～80个氨基酸组成的序列，称为基质导入序列（matrix-targeting sequence, MTS）。

导肽富含碱性氨基酸，含有识别线粒体的信息。

27（nascent-associated complex 新生多肽相关复合物）与前体相互作用，能增加前体蛋白转运的准确性。

282、前体蛋白多肽链穿越线粒体膜1）前体蛋白到达线粒体表面时，ATP水解提供能量，使hsc70从前体蛋白上解离。

2）在导肽引导下，前体蛋白与线粒体表面受体结合。

线粒体外膜、内膜转位接触点组成越膜通道，非折叠前体蛋白进入基质腔。

3）基质腔内的分子伴侣（mthsp70）与导肽交联，使前体蛋白维持解折叠状态，并将前体蛋白多肽链快速拖拽进基质腔。

29 3、多肽链需要在线粒体基质内重新折叠才形成有活性的蛋白质1）mthsp70作为折叠因子，在基质腔内hsp60和hsp10共同参与下，完成前体蛋白多肽链的折叠。

2）基质腔的水解酶（基质作用蛋白酶，MPP）催化前体蛋白N端的导肽水解，前体蛋白恢复天然构象。

30六31321、间壁分裂，分裂时先由内膜向中心皱褶形成间壁，间壁向对称内膜延伸，最后外膜在间壁处一分为二，将线粒体分为两个，常见于鼠肝和植物产生组织中。

332、收缩分裂，分裂时通过线粒体中部缢缩，并向两端不断拉长。

中部形成很细的颈，整个线粒体呈哑铃型，然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中(见下图)。

3、出芽分裂：先从线粒体上长出小芽，然后分离长大，形成新线粒体。

34二、线粒体的起源●内共生假说：线粒体由共生于细胞内的细菌演变而来。