细胞生物学：线粒体
细胞生物学 线粒体
Arg
H+通道I
γ和ε的转动引起β构象变化，催化ATP生成
结合变化机制：
β三种状态:
O 空置状态
ADP＋Pi ATP
T 紧密结合态
L 松散结合态
转子旋转的试验学证据：
• 在嗜热菌的 F1ATPase β的N端 添加10个His，固定 在Ni-NTA膜上； • 将γN端的一个Ser换 为Cys，以连上肌动 蛋白丝(荧光标记)； • 加ATP后可观察到 肌动蛋白丝旋转；
基粒(elementary particle)
• 内膜和嵴的基质面上带柄的颗 粒； • 由头部（F1）和基部（F0）构 成。 (F1-F0 ATP酶)
长 轴 垂 直 板 层 状 嵴
管状嵴
纵行排列板层状嵴
心肌细胞排列紧密的板层状嵴
3 膜间腔
• 外膜与内膜间的空腔，由于外膜通透性很强，
而内膜的通透性又很低，所以膜间隙中的化学
3）呼吸链的电子传递及其抑制剂和作用部位
鱼藤酮 ×
氰化物 叠氮钠 CO
×
×
抗霉素A
氧化还原电势
琥珀酸 脱氢酶
通过电子传递链实现了跨膜的H＋浓度差
2 ATP合成酶 (ATP synthase)
F1：亲水性头部，易分离，催 线粒体基质 化ATP ,含3α、3β、γ、δ和ε； • 水解 的多亚基蛋白复合物， β:催化 ATP合成 水解； 由水溶性 F1/ 头部和疏水 ε:抑制 水解,堵塞H＋通道； 性ATP F0基部所组成，也叫 F1F0 ATPase。 F0：疏水性基部，传送H＋到F1, F0 含1a, 2b, 10-14c。 a: H＋通道； “转子” ：γ，ε
◆复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶复合物（电子传递 体和H+ 移位体） 组成：含42个亚基，至少6Fe-S中心和1黄素蛋白。 作用：氧化NADH，将2e-CoQ；泵出4 H+ ◆复合物Ⅱ：琥珀酸脱氢酶复合物（电子传递体而 非H+移位体） 组成：含FAD辅基，2Fe-S中心，1Cytb 作用：氧化琥珀酸，2e-FADFe-SCoQ
【细胞生物学】第7章 线粒体
二、 mt突变所致的疾病 Leber遗传性视神经病 1. Leber遗传性视神经病 11778bp G→A突变 bp上 突变， aa→组 11778bp上G→A突变，精aa→组aa
Leber T 医生
二、 m t突变所致的疾病 Leber遗传性视神经病 1. Leber遗传性视神经病 11778bp G→A突变 bp上 突变， aa→组 11778bp上G→A突变，精aa→组aa 帕金森病（ 2. 帕金森病（Parkinson disease) 4977bp长的一段DNA缺失 长的一段DNA 4977bp长的一段DNA缺失
与原核细胞相似： 与原核细胞相似： 转录和翻译过程的时间与地点 起始密码AUA 起始密码AUA 起始tRNA tRNA为 甲酰甲硫氨酰tRNA 起始tRNA为N-甲酰甲硫氨酰tRNA
三 、 mt对核编码蛋白质的转运 导肽(leader 导肽(leader sequence) 分子伴侣（ 分子伴侣（molecular chaperone ） HSP（ protein,热休克蛋白 热休克蛋白） HSP（heat shock protein,热休克蛋白） 细胞质HSP 细胞质HSP 线粒体HSP 线粒体HSP 输入受体 成孔膜蛋白
mt的蛋白质合成系统 的蛋白质合成系统： 二 、 mt的蛋白质合成系统：
1. mtDNA 位于基质内或依附于内膜 mtDNA具有自我复制的能力 具有自我复制的能力, 2. mtDNA具有自我复制的能力,以自身为模板半保 留复制， 留复制，可分布整个细胞周期 3.有自己的蛋白质翻译系统 3.有自己的蛋白质翻译系统 4.所编码的蛋白质在线粒体内的核糖体上进行 4.所编码的蛋白质在线粒体内的核糖体上进行 5.所编码的RNA和蛋白质并不运出线粒体外 5.所编码的RNA和蛋白质并不运出线粒体外 所编码的RNA
医学-细胞生物学线粒体
二、线粒体的超微结构
两层单位膜 围成的
封闭的囊状结构。
分为四部分 外膜 内膜 膜间隙 基质
线粒体的结构
线粒体的超微结构
1.外膜 (outer membrane)
膜间隙 （外室）
外膜 嵴 内膜
嵴间腔 嵴内腔 （内室）
2.内膜（inner membrane）
由一层单位膜构成， 膜间隙 厚5nm，通透性差， （外室） 有高度选择通透性， 借助载体蛋白控制 内外物质的交换。
细胞氧化
一分子葡萄糖 酵解：2个
彻底氧化生成
三羧酸循环：2个
38个ATP 线粒体：36个
内膜呼吸氧化过程：
34个
本章重点
1. 掌握：线粒体的形态、超微结构、 线粒体的半自主性。
2. 熟悉：线粒体的功能。
标志酶—苹果酸脱氢酶
– 线粒体DNA（mtDNA），线粒体核糖体，
tRNA 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。
纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质， Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。
线粒体的化学组成
三、线粒体的化学组成
1. 蛋白质：占线粒体干重的65% -70%，内膜含量 较多。
可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白； 不溶性蛋白：为膜的镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白。
4nm 长 4.5-6 nm
6-11.5nm 高5-6nm
F1抑制蛋白 头部: 合成ATP
F1
柄部 : 调节质子通道
OSCP
基部: 质子通道
F0
基粒 （ATP酶复合体）
ATP 合酶
F1 柄部OSCP F0
3. 膜间隙 (intermembrane space)
[细胞生物学]线粒体
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化学组成成分
✓ 蛋白质：种类多。 ✓ 脂类：主要是磷脂，构成膜。 ✓ DNA：一个分子，多个拷贝。 ✓ 其它成分：水、酶、无机离子及维生素等。
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化学组成特点
✓ 蛋白质含量多：达1000多种，占干重的65~70%，多 分布在内膜和基质。分为两类：一类是可溶性蛋白， 另一类是不溶性蛋白。
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✓ 线粒体以分裂方式增殖。分两个阶段： ➢ 生长阶段：线粒体膜的生长，mtDNA复制，
然后分裂。 ➢ 分化过程：线粒体内部酶的合成，建立能够
行使氧化磷酸化功能的机构。
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细胞氧化（cellular oxidation）：在O2的参与 下分解各种大分子物质，最终产生CO2和H2O， 释放的能量生成ATP，又称为细胞呼吸。是 细胞内提供生物能源的主要途径。
✓ 线粒体酶含量多：是含酶最多的细胞器，参与物质分 解和氧化磷酸化。
✓ 含有DNA：是细胞内除核外唯一含DNA的细胞器。
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线粒体是细胞核以外惟一含DNA的细胞 器，具有独立合成蛋白质的能力，但一 定程度上受细胞核的控制，因此线粒体 是具有半自主性的细胞器。
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内、外膜之间腔。 ➢ 嵴间腔(intercristae space)：嵴和嵴之间的空间→内腔。
➢ 嵴内腔(intracristae space)：每个嵴内的空间→外腔。
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基质
✓ 基质(matrix)：线粒体内腔充满了电子密度较低的可 溶性蛋白质和脂肪等成分，称基质。
细胞生物学中的线粒体研究
细胞生物学中的线粒体研究线粒体是细胞内的一个小器官，它是细胞内能量代谢的关键组成部分。
线粒体具有双层膜结构，里面充满着液体和许多酶。
线粒体内的细胞色素系统可以进行呼吸作用，为细胞提供能量。
线粒体还参与了细胞凋亡、光合作用等众多生物过程，因此，对线粒体的研究有着重要意义。
本篇文章将以细胞生物学的角度，介绍线粒体的研究进展和未来的发展方向。
一、线粒体的结构和功能线粒体是一个独立的细胞器，其结构包含外膜、内膜、内膜间隙、基质等。
线粒体最主要的功能是通过氧化磷酸化作用，释放出大量能量。
线粒体内的细胞呼吸系统包含了三个关键的酶系统，即线粒体内三个解离酶（葡萄糖酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶、脂肪酸融合酶）。
此外，线粒体还参与了细胞的许多重要生物过程，包括细胞凋亡、钙离子平衡、脂质代谢、转运和合成、铁代谢、热量调节和细胞信号传导等。
线粒体功能异常可能导致多种疾病，如心肌病、糖尿病、肝炎、失聪、失明等。
二、线粒体的DNA线粒体中含有一个独立的环状DNA分子（mtDNA），经过研究发现，线粒体的DNA受多种因素的影响而发生突变，包括环境和遗传因素。
线粒体DNA的突变可能与多种疾病和衰老过程有关。
三、线粒体的动态变化、融合和分裂除了结构和基本功能外，线粒体还具有非常重要的动态变化和融合分裂功能。
近年来的研究证明，线粒体可以通过分裂和融合来解决一些细胞内的生物过程，例如细胞凋亡，面对不同的压力和能量代谢等。
在线粒体的分裂和融合过程中，多种蛋白质、酶和信号分子发挥重要作用。
其中，线粒体外层膜的粘附蛋白和促进酶分解线粒体内膜的双层膜融合蛋白是线粒体融合的重要因素；而线粒体分裂和向外移动的蛋白Dynamin也是重要的调节器。
线粒体的动态变化和功能在细胞生物学中有着重要的地位。
四、线粒体与疾病线粒体的异常与人类众多疾病密切相关。
在一些研究中，线粒体的蛋白质水平和突变被发现与疾病的发生、发展和治疗的效果有关，例如糖尿病、心肌病、帕金森氏病等。
细胞生物学 第六章 线粒体
头部 :球形，含有可溶性 ATP 酶/偶联因子F1。功能是合
成ATP 。另有 ATP 酶复合体抑制多肽，调节酶活性。
柄部 :对寡霉素敏感的蛋白（ OSCP ），调控质子通道
基片 :嵌入内膜，疏水蛋白（ HP ）/偶联因子 F0 ，质子通道。
（四）内腔及基质
1963 年，纳斯（ Nass ）等在鸡胚肝细胞线粒体中 发现有环状 DNA 分子，称 线粒体 DNA （mtDNA ）。
进一步研究发现，线粒体有自己的遗传系统和蛋
白质合成体系。但它只编码少量线粒体蛋白质，大 多数蛋白质还是由核 DNA 编码，线粒体基因的复制
与表达所需的许多酶，也是由核 DNA所提供的。所
人心肌细胞的线粒体
线粒体肿胀
线粒体空泡化（心肌缺氧） 线粒体增生显著
线粒体病有以下共同特性：
（一）异质性： 细胞中 mtDNA 存在突变型与野生型
两种类型，即异质性。只有当突变的 mtDNA 逐渐积累，
其比例达到一定程度才能引起疾病。 （二）特异性： 主要侵犯代谢旺盛、需能高的组织
，如神经细胞、肌肉等。
粒体核糖体的。
线粒体蛋白质的合成与真核细胞不同：
①线粒体 RNA聚合酶可被菲啶溴红（ E.B. ）等原核细胞 RNA
聚合酶抑制剂所抑制，但真核细胞 RNA 聚合酶抑制剂如 α-鹅
膏覃碱，对它却没有抑制作用。
②蛋白质合成过程中对药物的敏感性不同：如放线菌酮可抑制
细胞质核糖体蛋白质合成，但不能抑制线粒体核糖体蛋白质合
第一节 线粒体的形态结构
一、光镜下线粒体的形态结构（了解）
?形态： 线状、粒状、杆状、哑铃形、星形、分支形、环形。 ?大小 :直径0.5~1.0μm，长度 2~3 μm ；骨胳肌细胞直径 2~3 μm ，长度 8~10μm ，称为巨大线粒体 (giantmitochondria)
细胞生物学第七章 线粒体ppt课件
■ 两套遗传体系的协同性
通过离体实验发现两套 遗传体系的遗传机制不 同。 如放线菌酮是细胞质蛋 白质合成抑制剂，但是 对细胞器蛋白质的翻译 却没有作用。另外，一 些抗生素，如氯霉素、 四环素、红霉素等能够 抑制线粒体蛋白质的合 成，但对细胞质蛋白质 合成没有多大影响。 通过对转录的抑制研究， 发现线粒体基因转录的 RNA聚合酶也是特异 的(图)。
线粒体蛋白转运
图 线粒体蛋白转运的部位
分子伴侣（molecular chaperon）
概念：一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质，它 们在细胞内帮助其他含多肽的结构完成正确的组装，而且在 组装完毕后与之分离，不构成这些蛋白质结构执行功能时的 组份。 种类：伴侣素家族（chaperonin, Cpn）、热休克蛋白 家族 （ Hsp family ）、 核质素、T 受体结合蛋白 (TRAP) 等 特征：1、分子伴侣对靶蛋白没有高度专一性，同一分子伴 侣可以促进多种氨基酸序列完全不同的多肽链折叠成为空间 结构、性质和功能都不相关的蛋白质。 2、它的催化效率很低。行使功能需要水解ATP，以改 变其构象，释放底物，进行再循环。 3、它和肽链折叠的关系，是阻止错误折叠，而不是促 进正确折叠。 4. 多能性（胁迫保护防止交联聚沉，转运，调节转录 和复制，组装细胞骨架） 5. 进化保守性
细胞生物学第七 章 线粒体
第一节、 线粒体的生物学特征
线粒体是能够在光学显微镜进行 观察的显微结构。 ● 1890年，德国生物学家 Altmann第一个发现线粒体。 ● 1897年对线粒体进行命名。 ● 1900年，Leonor Michaelis用 染料Janus green对肝细胞进行 染色，发现细胞消耗氧之后，线 粒体的颜色逐渐消失了，从而提 示线粒体具有氧化还原反应的作 用。
细胞生物学笔记线粒体
线粒体(mt)在电镜下线粒体是由二层单位膜组成的细胞器,是细胞内氧化磷酸化、产能、贮能的重要场所。
一、光镜结构二、mt电镜结构①外膜：脂类和蛋白质各占1/2,蛋白质为转运蛋白,形成含水通道。
②内膜：高度特化，是胞质与mt基质之间的主要通道屏障。
其中蛋白质占76%，主要是合成ATP的F0F1复合体和电子传递链。
脂类主要是心磷脂，使内膜对质子及离子的通透性减小，从而产生了内膜两侧质子的动力势和电位差。
③mt嵴：④基粒：头部：又称偶联因子F1，由五种亚基(αβγδε)组成，αβ亚基各有3个，形成一个球状小体，是催化ADP和磷酸化合成A TP的关键装置。
柄部：是F1和F0连接部位，由F1和F0各有一部分组成，其作用调控质子通道。
基部：称F0偶联因子。
⑤膜间腔（嵴内腔或mt外室）⑥转位接触点：⑦基质腔（嵴间腔或内室）：是三羧酸循环的重要部位。
⑧基质：主要是催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、核酸、蛋白质酶类。
三、mt的化学成份主要蛋白质、脂类以及DNA、多种辅酶，如NAD、FMN、FAD、COQ等。
①蛋白质：干重65~70%。
可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白不可溶性蛋白：膜镶嵌蛋白、结构蛋白以及部分酶类②脂类：干重25%~30%，主要是磷脂（占90%）。
即卵磷脂、脑磷脂以及少量的心磷脂和胆固醇。
其中外膜所含磷脂和胆固醇比内膜多3倍，内膜含心磷脂多,胆固醇少；心磷脂能减小内膜对质脂和离子的通透性四、线粒体的遗传体系（半自主性）线粒体是由两个遗传体系所控制,即线粒体基因组和细胞核基因组两个彼此分开的遗传系统，线粒体的这种特性称为线粒体的半自主性；线粒体DNA构成了线粒体基因组（一）mt遗传体系1、mt DNA结构特点1）封闭、环状、双链，无组蛋白；2）不含内含子，非编码区和调节序列很少；3）不严格的密码子配对；4）部分遗传密码与通用密码的意义不同；5）起始密码为AUA而非AUG；6）编码产物只自用；7）依赖nDNA发挥功能；2、线粒体基因组及其所编码的13种蛋白质①基因组：人类mtDNA含有16569个碱基对，呈小分子双链环状DNA,双链中一条为重链(H)，另一条为轻链(L),两条链共组成37个基因，其中H链28个基因，L链9个基因。
分子细胞生物学——线粒体
Molecular Cell Biology
3、膜间隙(intermembrane space)
膜间隙是内外膜之间的腔隙，延伸至嵴的轴心部， 腔隙宽约6-8 nm。由于外膜具有大量亲水孔道与细胞 质相通，因此膜间隙的pH值与细胞质的相似。 标志酶为腺苷酸激酶。
Yunnan Agricultural University. Llian
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Molecular Cell Biology
F1由 5 种多肽α3 β3γδε组成复合体，α和β亚基交替 排列如同桔瓣。 α和β亚基上均有核苷酸结合位点，其中β亚基的结 合位点具有催化ATP合成或水解ATP的活性。
Yunnan Agricultural University. Llian
Molecular Cell Biology
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Molecular Cell Biology
电子传递
◆四类电子载体：黄素蛋白、细胞色素、Fe-S中心、 酶Q。前三种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性醌。 ◆电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形 成高能电子 (能量转化)， 终止于O2形成水。 ◆电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递 (NAD+/NAD最低，H2O/O2最高)。 ◆高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物 (H+-泵)将H+从基质侧泵到膜间隙， 形成跨线粒体内 膜H+梯度(能量转化)。
Molecular Cell Biology
γ贯穿αβ复合体(相当于发电机的转子)，并与F0接 触。 ε帮助γ与F0结合，并有抑制水解ATP的活性， 同时有减少H+泄漏的功能 δ与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构(相当 于发电机的定子)。
[细胞生物学]线粒体
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✓ 含有DNA：是细胞内除核外唯一含DNA的细胞器。
12.08.2020
精品课件
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线粒体是细胞核以外惟一含DNA的细胞 器，具有独立合成蛋白质的能力，但一 定程度上受细胞核的控制，因此线粒体 是具有半自主性的细胞器。
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主要症状：肌阵挛性癫痫的短暂发作(周期性 抽搐)，共济失调，感觉神经性听力丧失，轻 度痴呆，扩张性心肌病和肾功能异常等症状。
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发病机理：mtDNA8344G突变→线粒体蛋白质 合成的整体水平↓→除复合物Ⅱ以外的氧化 磷酸化成分含量降低(尤其是呼吸链酶复合 物Ⅰ和Ⅳ的含量降低)。
精品课件
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✓ NADH呼吸链：由复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成，催 化NADH氧化，是主呼吸链。
✓ FADH2呼吸链：由复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成，催 化FADH2氧化，是次呼吸链。
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精品课件
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✓H+的传递：通过递氢体由线粒体基质 释放至膜间腔。
✓电子的传递：经呼吸链逐级传递，最
酸，生成2分子ATP。 C6H12O6 + 2NAD + 2ADP + 2Pi 糖酵解酶
2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+ + 2ATP
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精品课件
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在线粒体基质中进行。
丙酮酸→线粒体基质 分解
乙
酰CoA＋草酰乙酸 结(4合C)
柠檬酸(6C，含三个羧基) →三羧酸
循环(TAC循环)。
细胞生物学-细胞的能量转换─线粒体
Cytochrome C Oxidase
质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质， 使ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。
黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2
个电子和2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶， 以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。
细胞色素：以铁卟啉为辅基的色蛋白，通过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aa3含有铜原子。
Matrix
复合物 Ⅱ(琥珀酸脱氢酶)：
2个亲水蛋白：黄素蛋白和铁硫蛋白， 及2个穿膜蛋白 TCA中唯一一个跨膜的酶，相对分子量140×103 无ATP生成，无质子跨膜。 电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q
Two hydrophilic a flavoprotein (SdhA): SdhA contains a covalently attached FAD cofactor and the succinate binding site
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2
3
第三节 线粒体是半自主性细胞器
一、线粒体具有独立的遗传体系 线粒体是一种半自主性的细胞器，它除了有自己的遗 传物质--线粒体DNA外，还有蛋白质合成系统(mRNA、 rRNA、tRNA)和线粒体核糖体等。线粒体中的蛋白质只有
约20种是线粒体基因编码的，但组成线粒体约有上千种之
多，所以大多数线粒体蛋白质还是由核基因编码。由此可 见，线粒体的生物合成涉及两个彼此分开的遗传系统。
医学细胞生物学-07章 线粒体
3.膜间隙(intermembrane space)
线粒体内、外膜之间的约6nm～8nm腔隙。 细胞呼吸旺盛时可显著扩大。 pH和部分化学组成和细胞质相似。 充满液态介质（可溶性酶类、底物和其它辅助因子。 标志酶为腺苷酸激酶。 部分区域膜间隙非常狭窄（转位接触点）
酶类及相关底物和中间产物 标志酶是苹果酸脱氢酶。
（二）线粒体的动态变化
1．线粒体的形状、大小、数目、分布
形状——一般呈粒状、短杆状或线状等，不同的生理环境和发育 阶段，线粒体形态显著不同。伸长为线状（高渗），膨大如泡状 （低渗）
数目——低等生物少，高等动物多 代谢旺盛细胞多 骨骼肌受到重复性收缩刺激时，或甲亢患者肌肉中
共编码37个基因产物。
H链编码大部分基因：12种蛋白质亚基、2种rRNA 基因、14种tRNA。
L链仅编码一种ND6蛋白质亚基，和其它8种tRNA 。
13种蛋白质分别定位于线粒体内膜中的复合物I、 复合物III、复合物IV和ATP合酶F0
人类线粒体基因组存在基因片段部分重叠的现象。
2．线粒体的融合与分裂
动、植物细胞频繁发生的多个颗粒状的线粒体融合为 较大的线粒体，称为线粒体融合。
1个线粒体也可以分裂成多个较小的颗粒状线粒体， 称为线粒体分裂。
3.线粒体自噬
选择性降解受损线粒体的机制称为线粒体自噬。 2005年，Lemasters报道线粒体膜电位的降低和
线粒体通透性膜孔开放可引起线粒体自噬。
高度不通透性有关） 高度不通透性，允许150以下的非极性分子自由通过 内膜上有基粒和呼吸链 标志酶是细胞色素氧化酶。
基粒 (elemetary particle)
细胞生物学线粒体
7.线粒体与过氧化物酶体细胞的生存需要两个基本的要素∶构成细胞结构的化学元件和能量。
生物从食物中获取能量，根据对氧的需要情况分为两种类型∶厌氧的，即不需要氧；好氧的，即需要氧的参与。
在真核生物中，需氧的能量转化过程与线粒体有关，并且伴随着一系列的化学反应；而在原核生物中，能量转化与细胞质膜相关。
1850年发现的一种细胞器，1898年命名。
是细胞内氧化磷酸化和形成A T P的主要场所(图7-1)。
过氧化物酶体是细胞内另一个需要氧的细胞器，不过过氧化物酶体需要氧不是用于A T P的合成而是用于有毒物质的氧化，对线粒体具有氧调节作用。
图7-1线粒体结构及功能示意图7.1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。
7.1.1线粒体的发现与功能研究人们对线粒体的研究有一个多世纪的历史。
●1850年，德国生物学家R u d o l p h Köl l i k e r第一个发现线粒体，并推测∶这种颗粒是由半透性的膜包被的。
●1898年对线粒体进行命名。
●1900年，L e o n o r M i c h a e l i s用染料J a n u s g r e e n对肝细胞进行染色，发现细胞消耗氧之后，线粒体的颜色逐渐消失了，从而提示线粒体具有氧化还原反应的作用。
后又经过几十年的研究,逐步证明了线粒体具有K r e b s循环、电子传递、氧化磷酸化的作用,从而证明了线粒体是真核生物进行能量转换的主要部位。
7.1.2线粒体的形态结构■线粒体的形态和分布●大小:线粒体的形状多种多样，一般呈线状(图7-2)，也有粒状或短线状。
图7-2电子显微镜观察的蝙蝠胰腺细胞线粒体●数量:在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大，但在同一类型的细胞中数目相对稳定。
有些细胞中只有一个线粒体，有些则有几十、几百、甚至几千个线粒体。
●分布在多数细胞中，线粒体均匀分布在整个细胞质中，但在某些些细胞中，线粒体的分布是不均一的。
细胞生物学 线粒体
第六章 线粒体
• 外膜包围在线粒体外层，厚6nm • 内膜在内侧，厚7nm • 内膜向线粒体腔形成褶叠，称Mit嵴（嵴间平行，与纵轴垂直） • 嵴增加内膜面积（外膜的5倍，细胞膜结构总面积的1/3）
第六章 线粒体
• Fernadez-Moran发现，嵴膜上重复出现大分子单元（颗粒结构9nm），称 基粒（F1颗粒、F1因子、内膜亚单位）
第六章 线粒体
• 膜部： • 嵌合在膜内疏水蛋白复合体，称F0因子 • 与寡霉素结合，通过OSCP对F1因子起作用 • 与质子H+传递有关 • 当去除F1 和OSCP，内膜对H+的通透性，结合上去，可堵住H+泄漏，推测有H+
通道
第六章 线粒体
• ATP合成酶工作机制 • 分子“马达” • 旋转催化机制 • 亚基像车轮的“轴”，在质子流推动下，转动 • 带动与“轴”相连的3个亚基转动（逆时针） • 导致亚基构象交替变化（三种构象：L 结合 ADP+Pi；T 合成ATP；O 释放ATP，并周而复始） • 1997年，诺贝尔化学奖
硫蛋白、细胞色素b、c1、c、a和a3等
第六章 线粒体
（4）能量转换酶——基粒（ATP酶复合体） 基粒：ATP合成酶（F1-F0偶联因子， F1-F0 ATP酶） 三部分： 头部： 球状，直径9nm，容易分离，水溶性，称F1因子，由33 9亚基组成
第六章 线粒体
• 分离的F1因子能催化： ADP+Mit内，合成反应，存在一种热稳定蛋白（MW1万），可与F1结合，抑 制ATP水解，促进合成
• 称F1抑制蛋白
第六章 线粒体
• 柄部： • 由一种蛋白质组成
• 作用：使F1因子对寡霉素敏感 • F1因子合成ATP的活性能被寡霉素抑制，但寡霉素不 直接作用于F1因子，通过柄部蛋白传递 • 称寡霉素敏感性转授蛋白（oligomycin-sensitivity confering protein，OSCP）
大学医学细胞生物学线粒体
殖
形成两个新线粒体。
出芽分裂 ：先从线粒体上长出小芽，然后小芽与母线粒体分
离，经过不断长大，形成新的线粒体。
线粒体的增殖
间壁分离
收缩分离
出芽分裂
线粒体的起源
内共生假说：线粒体是由共生于原始真核细胞内的细菌演变而来。
依据：
线
1.线粒体DNA呈环状、裸露与细菌相似。
粒 体
2.线粒体的核糖体为70S与细菌相同，而真核细胞为80S。
关于NADH氧化呼吸链
• NAD+ 为氧化型烟酰胺腺嘌呤二核甘酸（即 氧化型辅酶I）
• NADH为还原型烟酰胺腺嘌呤二核甘酸（即 还原型辅酶I）
• 生物氧化过程中大多数脱氢酶都以NAD+ 为 辅酶，也就是说，底物脱下的氢首先被NAD+ 接受，然后再向下传递。
• 复合体I：即NADH-泛醌还原酶（NADH脱氢酶复 合体），可将电子传递给泛醌。该复合物含有以 FMN为辅基的黄素蛋白和以Fe-S为辅基的铁硫蛋 白。
2 线粒体内膜本身具有离子不通透性，能隔绝包括H+、OH-在内 的各种正负离子，正是由于线粒体内膜是质子屏障，产生跨膜 的电化学梯度，外室中高浓度的H质子有返回内室的趋势。
3 当H质子从外室通过基粒F0上的质子通道进入内室时，驱动F1 因子旋转, 利用这种势能使ADP磷酸化合成ATP。
一、线 粒 体 的DNA ( mtDNA )
基粒：内膜和嵴膜内表面上附着带柄的颗粒，亦称为“ATP
合成酶复合体”。它是氧化磷酸化最终产生ATP的部位。
（四）基质
内膜和嵴围成的腔隙，
嵴间腔 （内室）
腔内充满均质的胶状
物质——基质。
膜间隙 （外室）
嵴 内膜 外膜
细胞生物学线粒体(生物医学工程)课件
细胞移植
利用线粒体移植技术，将健康的线 粒体导入病变细胞中，以改善细胞 功能，为细胞移植治疗提供新的思 路。
疾病模型建立
通过研究线粒体在不同疾病中的变 化，可以建立疾病模型，为药物研 发和治疗方法提供实验基础。
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CATALOGUE
线粒体研究展望
线粒体研究的新技术和方法
基因组学和蛋白质组学技术
线粒体在生物医学工程中的未来发展
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组织工程
通过调控细胞中线粒体的功能，可以优化组织工 程中细胞的生长和分化，提高组织再生修复的能 力。
生物材料设计
利用线粒体功能改善生物材料的性能，提高其在 药物输送、组织工程和再生医学等领域的应用效 果。
个性化医疗
结合线粒体功能和遗传信息，为个体提供定制化 的预防、诊断和治疗方案，实现精准医疗的目标 。
肿瘤转移
线粒体异常可能导致肿瘤细胞 迁移和侵袭能力增强，引发肿 瘤转移。
肿瘤耐药
线粒体异常可能导致肿瘤细胞 对化疗药物的耐药性增强。
肿瘤凋亡
线粒体是细胞凋亡的重要调控 部位，线粒体功能障碍可能抑
制肿瘤细胞的凋亡。
线粒体与代谢性疾病
糖尿病
线粒体功能障碍可能导致胰岛素抵抗和β细 胞功能障碍，引发糖尿病。
利用这些技术深入了解线粒体基因的表达和蛋白质功能，有助于 揭示线粒体在细胞生物学中的作用。
光学显微镜技术
随着光学显微镜技术的不断发展，如超分辨显微镜，可以在细胞水 平上观察线粒体的结构和动态变化。
生物信息学方法
通过分析大量基因和蛋白质数据，可以预测线粒体相关疾病的遗传 风险因素，为疾病的诊断和治疗提供依据。
基因表达调控
通过调控线粒体基因的表达，可 以影响线粒体功能，进而治疗由 线粒体功能障碍引起的遗传性疾 病。
细胞生物学笔记线粒体
线粒体(mt)在电镜下线粒体是由二层单位膜组成细胞器,是细胞内氧化磷酸化、产能、贮能关键场所。
一、光镜结构二、mt电镜结构①外膜: 脂类和蛋白质各占1/2,蛋白质为转运蛋白,形成含水通道。
②内膜: 高度特化, 是胞质与mt基质之间关键通道屏障。
其中蛋白质占76%, 关键是合成ATPF0F1复合体和电子传输链。
脂类关键是心磷脂, 使内膜对质子及离子通透性减小, 从而产生了内膜两侧质子动力势和电位差。
③mt嵴:④基粒:头部: 又称偶联因子F1, 由五种亚基(αβγδε)组成, αβ亚基各有3个, 形成一个球状小体, 是催化ADP和磷酸化合成A TP关键装置。
柄部: 是F1和F0连接部位, 由F1和F0各有一部分组成, 其作用调控质子通道。
基部: 称F0偶联因子。
⑤膜间腔（嵴内腔或mt外室）⑥转位接触点:⑦基质腔（嵴间腔或内室）: 是三羧酸循环关键部位。
⑧基质: 关键是催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、核酸、蛋白质酶类。
三、mt化学成份关键蛋白质、脂类以及DNA、多个辅酶, 如NAD、FMN、FAD、COQ等。
①蛋白质: 干重65~70%。
可溶性蛋白: 基质中酶和膜外周蛋白不可溶性蛋白: 膜镶嵌蛋白、结构蛋白以及部分酶类②脂类: 干重25%~30%, 关键是磷脂（占90%）。
即卵磷脂、脑磷脂以及少许心磷脂和胆固醇。
其中外膜所含磷脂和胆固醇比内膜多3倍, 内膜含心磷脂多,胆固醇少; 心磷脂能减小内膜对质脂和离子通透性四、线粒体遗传体系（半自主性）线粒体是由两个遗传体系所控制,即线粒体基因组和细胞核基因组两个相互分开遗传系统, 线粒体这种特征称为线粒体半自主性; 线粒体DNA组成了线粒体基因组（一）mt遗传体系1、mt DNA结构特点1）封闭、环状、双链, 无组蛋白; 2）不含内含子, 非编码区和调整序列极少;3）不严格密码子配对; 4）部分遗传密码与通用密码意义不一样;5）起始密码为AUA而非AUG; 6）编码产物只自用;7）依靠nDNA发挥功效;2、线粒体基因组及其所编码13种蛋白质①基因组: 人类mtDNA含有16569个碱基对, 呈小分子双链环状DNA,双链中一条为重链(H), 另一条为轻链(L),两条链共组成37个基因, 其中H链28个基因, L链9个基因。
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1987年， 提出mtDNA突变可引起人类的
疾病
迄今为止，已发现人类 100 余种疾病与
线粒体DNA突变有关
人mtDNA是一个长为16,569 bp的双链闭合环状分子
mtDNA的结构模式图
（一）mtDNA的结构特点
双链闭环分子，外环为重(H)链，
内环为轻(L)链
无内含子、基因之间少有间隔 无核苷酸结合蛋白，缺少组蛋白
线 粒 体
mitochondrion
学习目的与要求 1.掌握线粒体的基本结构、功能； 线粒体的遗传体系；蛋白质穿膜 进入线粒体。
2.熟悉线粒体相关的临床意义。 3.了解线粒体的发生。
主要内容：
第一节 线粒体的基本特征
第二节 第三节
细胞呼吸与能量转换 线粒体与疾病
第一节 线粒体的基本特征
一、形态、大小、数目和分布
分解和ATP合成的场所。
嵴 嵴：内膜向内室折叠形成，增加 了内膜的表面积。 嵴的形态和排列方式主要有两种类型：
板层状（大多数高等动物细胞中）
小管状（原生动物和一些较低等 动物细胞中）
板层状嵴
小管状嵴
基粒（ATP合酶）：内膜和嵴膜基质面上带 柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。
转位接触点（translocation contact site） 在线粒体的内、外膜上存在的一些 内膜与外膜相互接触的地方，此处膜间 隙变狭窄，称为转位接触点。 内膜转位子（Tim）—— 通道蛋白 外膜转位子（Tom）—— 受体蛋白
⑵ 分子伴侣：协助核基因编码的蛋白
质进入线粒体中。
蛋白质向线粒体基质转运示意图
2.蛋白质运送过程
二、线粒体的超微结构 三、线粒体的化学组成 四、线粒体的遗传体系 五、蛋白质穿膜进入线粒体 六、线粒体的增殖 七、线粒体的功能
一、形态、大小、数目和分布
1.形态 光镜下: 线状、粒状、 短杆 状等。 在一定条件下可改变：
低渗时，膨胀呈泡状； 高渗时，伸长呈线状。
2.大小
一般直径： 0.5-1.0um 骨骼肌细胞的线粒体： 长度可达8--10um。
• 蛋白质转运涉及的转位因子 TOM复合体：通过外膜，进入膜间腔。 TIM复合体：进入基质(TIM23)或插入 内膜(TIM22)
OXA复合体：将线粒体合成的蛋白质和
某些进入基质的蛋白质插
到内膜上。
(一) 蛋白质向线粒体基质中的转运 1.需要条件
⑴ 基质导入序列（matrix-targeting sequence，MTS）: 输入到线粒体的蛋白质在其N-端的 一段靶序列，线粒体外膜和内膜上的受 体能识别并结合相关的MTS。
嵴 基质腔 （内腔）
内含基质
外
膜
外 膜
包围在线粒体外 表面的一层单位膜。 厚6—7nm，平整、光 滑。 封闭结构使之 在细胞质中相对隔 绝，保证了线粒体 能够不受干扰地进 行物质氧化分解。
内
膜
内 膜
厚约5nm，有高度的 选择通透性，借助载体蛋 白控制内外物质的交换。
集中了电子传递体 和氧化磷酸化酶系,ATP 合成酶系，是物质氧化
呼吸链氧化反应的酶系、 ATP合成酶系
特征酶：细胞色素（c）氧化酶
嵴 间 腔 三羧酸循环反应、丙酮酸与脂肪酸氧化 的酶系 、蛋白质和核酸合成酶系 特征酶：苹果酸脱氢酶
四、 线粒体的遗传体系
1963 年，在鸡卵母细胞中发现线粒体
DNA 并分离到完整的线粒体 DNA （ mtDNA ）
1981年， 发表了完整的人mtDNA序列
MtDNA 转录 RNA前体 切割加工
13种mt-mRNA 22种mt-tRNA 2种mt-rRNA(12S,16S)
呼吸链蛋白质的组成
2.特点： （与胞质蛋白质合成相比）
1) 各种RNA是线粒体所独有的 RNA聚合酶的抑制剂 线粒体：菲啶溴红（E.B.） 类似原
核细胞
真核细胞：放线菌素D、a—鹅膏覃碱
3.数 目：
不同类型细胞中差异较大。 哺乳动物: 肝细胞中2000个左右 肾细胞中300个左右 精子中25个左右
4.分布： 通常分布于细胞生理功能旺盛区 域和需要能量多的部位。
精子尾部 心肌细胞
二、线粒体的超微结构
电镜下观察：线粒体是由两层单位膜 围成的封闭囊状结构。
外
内
膜
膜
膜间腔 （外腔）
2 ）核糖体对药物的敏感性不一样
线粒体： 氯霉素、红霉素 真核细胞胞质：放线菌酮 3）转录、翻译在同 一时间和地 点进行
4）通用遗传密码与线粒体遗传密码的差别
密码子 UGA AUA
线粒体密码 通用遗传密码
色氨酸
甲硫氨酸
终止子
异亮氨酸
AGG
终止子
精氨酸
线 粒 体 遗 传 系 统 与 核 遗 传 系 统 的 相 互 关 系
功能：蛋白质等物质进出线粒体的通道。
黑色箭头所指为转位接触点； 红色箭头所指为通过转位接触点转运的物质
基质(内腔)
基粒 基质颗粒 嵴内腔 线粒体DNA （ATP酶） 线粒体核糖体
内膜和嵴围成的腔。
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 基质颗粒
三羧酸循环的场所。 线粒体内 DNA、蛋白质合成的场所。
五、蛋白质穿膜进入线粒体 线粒体中的蛋白质绝大多数由 核基因编码，在细胞质中的游离核 糖体合成，称前体蛋白，将定向转 运至线粒体。
1. 去折叠 1 、去折叠
？
2.穿线粒体膜
外膜
内膜
3.重折叠
线粒体含有4个蛋白质输入 的亚区域：线粒体外膜 线粒体内膜 膜间腔 基质
蛋白质转运涉பைடு நூலகம்的转位因子模式图
三、 线粒体的化学组成
蛋白质：占65% -70%，内膜含量较多。
可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白； 不溶性蛋白：构成膜的镶嵌蛋白、结构 脂 蛋白和部分酶蛋白。 类：占干重的25% -30%
水、辅酶、维生素、金属离子等。
线粒体中酶的分布
部 位 线粒体主要酶的分布
外
膜
膜 间 腔 内 膜
脂类代谢有关的酶 特征酶：单胺氧化酶 腺苷酸激酶、核苷酸激酶 特征酶：腺苷酸激酶
的保护
无DNA损伤修复系统
线粒体遗传病
（二）mtDNA的遗传特征
半自主性复制
mtDNA能独立复制、转录和翻译， 但又受核DNA的影响。
mtDNA系母系遗传
人类受精卵中的线粒体绝大部分
来自卵母细胞。因此，线粒体病是从
受累的女性传递下来。
线粒体遗传病
（三)线粒体蛋白质合成系统
1. 线粒体RNA转录