线粒体-讲义.docx

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1、线粒体-讲义第三讲细胞的能量代谢本讲内容：1.线粒体-细胞的发电厂；2.线粒体的形态与构造-发电厂的构造；3.ATP合成酶-世界上最小最精巧的发电机；4.线粒体的前世今生-线粒体的起源；5.线粒体与人类健康。第一节线粒体-细胞的发电厂我们都知道，人类社会生产生活的各种活动，无时无刻不依靠于能量的供给。多数情况下，我们所直接利用的能量是电能，它能够通过火力发电厂、水电站、风力发电装置、太阳能发电设备等将煤炭燃烧释放的热能、水位差构成的势能、风能、太阳能等转化为电能。构成我们机体的细胞要完成各种各样的任务，比方：运动，分裂，大分子的合成等，所有这些功能的执行都离不开能量的支持。那么细胞所能利用的能

2、量是什么？它来源于哪里呢？这就是我们首先要学习的内容：线粒体-细胞的发电厂。假如讲人类社会生产生活中多数情况下直接利用的能量是电能，那么对于细胞来讲，无论是动物细胞、植物细胞；无论是高等生物还是低等生物的细胞，唯一能够直接利用的能量是储存在一个叫做ATP的分子中的化学能，因而ATP被形象地称为：细胞的能量通货。那么让我们对ATP这个分子有一个更深化的了解。ATP的中文名称为：腺苷三磷酸，由1分子腺嘌呤，一分子核糖和三分子磷酸基团组成。其中，腺嘌呤和核酸组成的化合物被称为腺苷，因而，ATP被称为腺苷三磷酸。ATP分子中连接第三个磷酸基团的化学键是一种特殊的化学键，称为高能磷酸键，该键中储存着大量

3、能量。假如把ATP形象地比喻为细胞内各种生命活动所需的电能，那么细胞内什么构造相当于细胞的发电厂呢？让我们回首一下典型的动物细胞所具有的构造：细胞膜构成细胞的边界，使细胞具有一个相对稳定的内环境。细胞膜内为细胞质和细胞核，细胞质由细胞质基质以及由膜围成的细胞器两大部分组成。动物细胞的细胞器包括内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体等，它们在构造和功能上相互联络。那么，细胞能量的发电厂就是细胞中被称为线粒体的这种细胞器。线粒体的数目在不同类型的细胞中差异很大，能够从几百个到数千个不等。越是活跃的细胞，所含的线粒体数目就越多。例如，时刻跳动的心脏细胞、经常考虑问题的大脑神经细胞和快速运动的精子细胞所需能

4、量都比拟大，所以线粒体的含量就非常高；而皮肤细胞中含有线粒体的数目就相对较少，哺乳动物成熟的红细胞中则没有线粒体。线粒体在细胞内分布也具有显著特点：主要集中在能量需求较多的区域。如肌细胞的线粒体是沿肌原纤维排列的，精子细胞的线粒体集中在鞭毛中轴周围，构成精子鞭毛的外鞘。如今，我们了解了线粒体是细胞的“发电厂；ATP是发电厂生产的“电能。接下来的问题是：细胞用什么来“发电？也就是讲细胞用以“发电的原材料是什么？我们可能都知道动物机体细胞所需的能量来源于我们所摄入的食物。食物能够是植物、动物或是其他如真菌；但从营养成分的角度来讲，我们的食物包括有机大分子如脂肪、糖类、蛋白质；有机小分子如各种维生素

5、；以及无机矿物质即微量元素。在这些不同化学属性的营养成分中，细胞所需能量主要来源于有机大分子中的脂肪和糖类。而食物中有机大分子中含有的化学能，终之所极，是来源于太阳能的。在太阳能的驱动下，植物通过叶片中一种叫做“叶绿体的细胞器进行“光合作用，将无机的CO2分子和水分子合成含有多个碳原子的有机大分子-碳水化合物也就是糖类，同时将太阳能转化为化学能储存于有机大分子的化学键中。动物通过食用植物而获得储存于植物中的化学能。细胞中线粒体的作用，简单来讲，就是把食物有机大分子中的储存化学能提取出来，再转存到ATP分子中。有机大分子中的化学能提取的反响经过，本质上就是将光合作用反响逆转过来：这一经过需要氧分

6、子介入进来，因而是一种氧化反响；反响生成了CO2分子，因此又被形象地称为“呼吸作用。通过线粒体中的“呼吸作用，含有多个碳原子的有机大分子经过逐步“拆解，变成CO2分子和水分子，储存于有机大分子化学键中的化学能逐步释放，线粒体将核苷二磷酸即ADP和磷酸分子合成ATP，并将能量贮藏于ATP的第三个高能磷酸键内。所以，线粒体是细胞呼吸作用的场所；是细胞内脂肪、糖类最终氧化释放能量，合成ATP的地方。那么，ATP在线粒体中生成后，又是怎样被细胞所利用的呢？在需能的细胞活动经过中，ATP水解，脱去第三个磷酸基团，构成腺苷二磷酸英文名称为：ADP和一个游离的磷酸分子时，贮藏于这一化学键中的化学能被释放，为

7、细胞的各种生命活动提供能量。我们的机体里，ATP无处不在，跳动的心脏，运动的肌肉，考虑的大脑等等。了解了上述内容后，我们会发现，在植物的细胞“叶绿体中进行的“光合作用和动植物细胞的“线粒体中进行的“呼吸作用间存在着这样一种物质转换的循环：叶绿体利用CO2和水为原料生成有机大分子物质，放出氧气；线粒体则将有机大分子降解，构成CO2和水。伴随“光合作用，光能被转化为化学能储存于有机大分子中；伴随“呼吸作用，有机大分子中的化学能被释放并转移给ATP分子。通过以上内容的学习我们了解了：线粒体是细胞的发电厂。那么，这个发电厂的厂房构造怎样呢？接下来让我们来学习线粒体的形态及构造。第二节线粒体的形态与构造

8、-发电厂的构造了解了线粒体是细胞的发电厂，要想进一步理解发电厂是怎样发电的，我们就需要知道这个发电厂的设计与构造。那么，我们接下来要学习的是：线粒体的形态与构造线粒体是细胞内体积较大的细胞器，直径在0.5到10微米左右。它的形态是高度动态的，时而呈线状时而呈颗粒状，所以用希腊语中“线和“颗粒对应的两个词“mitos和“chondros组成“mitochondrion来为这种构造命名。线粒体在细胞中并非都是以分散的单个形式存在的，有时可构成分支的互相连接的网状构造。线状的线粒体通过断裂fission经过成为颗粒状的线粒体；颗粒状线粒体通过融合fusion经过构成线状线粒体。线粒体的形态为何会是高

9、度动态变化的呢？线粒体之所以时而呈线状时而呈颗粒状，依靠于细胞的生理活性、线粒体的功能状态：在营养充分、代谢旺盛的细胞中，线粒体倾向于互相融合，构成线状甚至网状的构造；而在营养匮乏的细胞中、或当线粒体遭受损伤的情况下，线粒体断裂构成颗粒状态。颗粒状的线粒体便于细胞对其“打包处理，送至细胞的“消化器官溶酶体。对于营养匮乏的细胞，线粒体不能产生大量ATP，“多余的线粒体经细胞内溶酶体这种细胞器“消化后产生的营养物质能够“循环利用；对于遭受损伤的线粒体，细胞具有识别的机制，通过对这种损伤的线粒体进行断裂、打包、送至溶酶体“消化而完成“质量控制。细胞对“多余或损伤的线粒体进行包裹、消化这一经过称为“线

10、粒体自噬，是最近肿瘤、炎症、神经退行性疾病等领域的一个研究热门。了解完细胞“发电厂的“外观，接下来让我们看看它的“内部构造。但无论线粒体是什么样的形态，它们的内部构造是一样的。都是由内外两层单位膜构成的封闭的囊状构造。线粒体的这种双层膜构造是它区别于高尔基体、溶酶体等其他细胞器的一个独有的构造特点，这一特点与线粒体的生物学发生，也就是线粒体的起源相关，我们在后面的学习中将进一步讲解。线粒体的双层膜包括外膜和内膜。外膜是线粒体最外面的一层单位膜，含有孔蛋白构成的通道，因而通透性很高，ATP、NAD、辅酶A等分子量不超过1103的物质能够自由通过外膜。内膜位于外膜的内侧，内膜向线粒体腔内突出褶皱构

11、成线粒体嵴，大大增加了内膜的外表积。内膜的通透性非常低低，所有分子和离子的运输都借助膜上的特异转运蛋白。线粒体内膜和嵴的基质面上有很多排列规则的带柄的球状小体，称为线粒体基粒。基粒由头部、柄部和基部组成。基粒也就是ATP合成酶，即合成细胞能量通货ATP的蛋白质复合物,细胞发电厂中的发电装置。线粒体外膜与内膜之间的空隙被称为膜间隙,内含可溶性的酶、底物和辅助因子。由内膜包围的空隙是基质(matrix)，位于线粒体嵴之间，含有线粒体特有的遗传物质DNA，以及催化三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化的各种酶类。动物细胞的线粒体区别于其他细胞器存在遗传物质DNA，是线粒体构造又一十分之处，这也与线粒体的起源

12、相关。第三节ATP合成酶-世界上最小最精巧的发电机；如今，我们了解了线粒体是细胞的发电厂，ATP合成酶是这个发电厂中的发电装置，那么接下来的问题是，储存在糖类、脂肪中的能量是怎样被提取，经过ATP合成酶构成ATP的呢？首先，让我们来了解大分子怎样被逐步拆解的：1在细胞质中，糖类、脂肪等营养物质经过降解作用产生丙酮酸和脂肪酸；2这些物质进入线粒体基质,在线粒体基质中丙酮酸和脂肪酸再经过一系列分解代谢构成含有2个碳原子单位的化合物的乙酰辅酶A，乙酰辅酶A是“发电厂唯一能够利用的“燃料类型；，也就是讲，不管有机大分子是哪种糖类、哪种脂肪，都要最终转化为乙酰辅酶A，才能进入后续的化学反响，即进入三羧酸

13、循环。3三羧酸循环是指由一系列酶促反响的组成的循环系统，该循环的第一步就是由辅酶A与含两个羧酸、4个碳原子单位的草酰乙酸缩合构成含有3个羧酸、6个碳原子单位的柠檬酸，三羧酸循环这一经典名词由此而来，也有人将三羧酸循环称为柠檬酸循环。4三羧酸循环固然包括诸多的反响经过，但我们能够大大地把它们简化概括为6个碳原子单位的化合物，依次脱去一个碳原子单位，构成5碳化合物、4碳化合物的经过，依次脱去的两个1碳单位即是我们熟悉的二氧化碳。在这个三羧酸循环体中，不断参加的二碳单位化合物是代谢的中间产物乙酰辅酶A；不断释放的两个1碳单位化合物是二氧化碳，而循环体中始终保持不变的是6、5、4个碳单位的羧酸化合物。

14、所以。三羧酸循环就像一个“粉碎机，每一个乙酰辅酶A分子进入后，被“粉碎成两个二氧化碳释放出来。如今，我们了解了有机大分子怎样被一步一步拆解，构成代谢终产物二氧化碳。同学们可能会问，我们没有看出这个经过中能量是怎样释放的呀？其实，伴随有机大分子一步一步拆解构成二氧化碳的同时，还有一种关键的物质释放出来，那就是氢原子，我们都知道氢原子是由一个电子和一个质子组成。释放的氢原子被NAD分子结合构成复原型NAD即NADH和一个质子(少数情况下被FAD结合构成复原型FAD,即FADH2)。那么，NADH或FADH2的构成又与ATP的构成有什么关系呢？在线粒体内内膜上，定位着多种由一系列氧化复原酶构成的蛋白

15、复合物，被称为氧化呼吸链或电子传递链：1复合体作用是将NADH中的电子传递给泛醌，构成复原型泛醌。2复合体作用是将FADH2中的电子传递到泛醌，构成复原型泛醌。3复合体作用是将电子从复原型泛醌传递给细胞色素c4复合体将电子从细胞色素c传递给氧，接受了电子的氧与线粒体基质中的质子结合，就生成了另一种代谢终产物-水。因而，由复合物、构成了线粒体的主要电子传递链；复合物、构成了线粒体的次要电子传递链。可是，我们还是没有看到ATP是怎样构成的呀？这需要我们从另一个视角来解读电子传递链：复合物、不但具有递电子的功能，它们在把来源于氢原子的电子交付下一个递电子体的同时，把氢原子的另一部分，即质子泵到内膜外

16、侧。复合物不具质子泵功能。这样，当电子不断被传递给氧构成水的同时，质子不断被泵到内膜外，构成了跨内膜的质子势差。讲到了质子势差的构成，同学们应该能感觉到能量提取、转换的漫长旅途就要抵达终点了吧？是的，在线粒体内膜上还定位着一种被称为复合物的蛋白复合物，它就是这个世界上最小、最精巧的“发电机：ATP合成酶-质子势差就好像水电站的水位差，质子通过ATP合成酶构成质子内流，构成ATP合成酶的蛋白质亚单位好像“叶轮被这种“电流推动，电化学能转化为机械能，ATP合成酶再利用这种机械能将ADP与磷酸结合起来，将机械能再次转化为ATP第三个高能磷酸键中的化学能。氢原子中的电子在复合物至，或至间进行的传递，本

17、质上是一种氧化反响；质子流经复合物构成ATP的经过本质上是一种磷酸化反响，二者反响严密偶联，不可分割。因而，在线粒体内膜上构成ATP的经过被称为氧化磷酸化，以区别于细胞内其他形式的ATP构成经过。线粒体内氧化磷酸化构成的ATP是细胞能量的主要来源，因而，成线粒体为细胞的发电厂。了解了ATP的“生产经过，我们不禁会对细胞构造的精巧、生命活动分子机制的巧妙发出由衷的赞叹！第四节线粒体的前世今生-线粒体的起源在学习线粒体的形态与构造时，同学们可能留意了，线粒体这个细胞器有很多区别于其他细胞器的特征：比方双层膜构造、含有独立的遗传物质DNA，以及特有的蛋白质合成装置-核糖体等等。这些特点使得生物学家对

18、于线粒体的起源产生了极大的兴趣。我们都知道，在生命进化的早期，大约20亿年前，经历了由原核细胞到真核细胞的一个里程碑式的进化阶段。我们熟知的细菌是原核细胞的典型代表，没有典型的细胞核构造，即没有核膜将它的遗传物质与细胞质分隔开。原核细胞的DNA是裸露的环状分子，细胞内没有分化为以膜为基础的、具有专门构造与功能的细胞器。即使如此，原核生物在地球上的分布广度以及对生态环境的适应性却比真核生物大得多。真核细胞与原核细胞的最大区别在于真核细胞出现了核膜，进而把细胞质与遗传物质分开。真核细胞的DNA为线性构造，与组蛋白分子结合构成染色质。真核细胞以生物膜的进一步分化为基础，在细胞内部构建出很多具有专门功

19、能的构造单位-细胞器。生物学家发现，线粒体的构造与细菌有很多共同之处：比方，遗传物质DNA是以裸露的环状分子形式存在；合成蛋白质的核糖体组成与真核细胞不同而与细菌类似，即核糖体沉降系数为70S，由50S的大亚基和30S的小亚基组成；于是提出关于线粒体起源的内共生学讲endosymbiosishypothesis。内共生学讲以为线粒体的前世是一种变形菌门细菌，这种细菌被真核细胞吞噬后，在长期的共生经过中，通过演变，构成了今天真核细胞中的线粒体；而植物细胞中的叶绿体也是通过真核细胞吞噬了具有光合能力的蓝细菌演变而成。“内共生学讲得到了多方面的证据支持，因此被越来越多的人所接受。内共生学讲的主要根据

20、是：1共生是生物界的普遍现象；2线粒体具有其独特的DNA，能够自行复制。线粒体DNA序列与细胞核DNA有很大差异，但与细菌的DNA却很类似；3线粒体具有本人特殊的蛋白质合成系统。4线粒体的内、外膜成分有显著差异，外膜与细胞质膜相一致，十分是和内质网膜高度类似，内膜则同细菌的细胞膜类似。假如线粒体拥有一套本人的遗传物质DNA，那么线粒体DNA与核DNA是什么互相关系？与线粒体的功能又有什么关联呢？线粒体DNA能够独立于核基因组进行复制、转录及蛋白合成；但是，线粒体基因组自从进入真核细胞后，在漫长的演化经过中基因不断丢失。人类细胞的核基因组编码大约2万个蛋白质分子，而线粒体DNA一共只能编码13个

21、线粒体蛋白，分别是电子传递链复合物中的7个蛋白亚基、复合物中的1个蛋白亚基、复合物中的3个蛋白亚基，以及复合物ATP合成酶的2个蛋白亚基。构成线粒体内膜上5个蛋白复合物的其他大部分亚基，以及线粒体构造与功能相关的各种蛋白，大约1100多种，均需由核DNA编码并在细胞质中合成再转运至线粒体。因而，也把线粒体称为“半自主性细胞器。线粒体基因编码的蛋白固然很少，但全部与ATP的构成相关，因而对细胞的命运至关重要。第五节线粒体与人类健康线粒体的功能如此重要，因而与人类健康息息相关。线粒体与人类健康的关系主要体如今两个方面：1.线粒体-氧自由基的主要产生位点；2。线粒体相关的人类遗传疾病。自由基可能是大

22、家常听讲的一个名词。那么什么是自由基呢？自由基就是指细胞内带有未成对电子的原子或基团。由于单个电子有强烈的配对倾向，而使自由基倾向于以各种方式与其他原子或基团结合，获得更稳定的构造，因此自由基具有非常高的化学反响性，人体内的自由基以氧自由基为主体，大约占自由基总量的95%。氧自由基，顾名思义就是氧原子携带了一个未配对电子，主要包括超氧负离子O2?、过氧化氢分子H2O2、羟自由基OH?等。氧自由基在细胞内是怎样产生的呢？理论上，细胞内所有氧化复原反响发生的位点都可能产生氧自由基。氧化复原反响的本质是电子得失的经过。氧分子的体型非常小，它们弥散在细胞内，那些位于氧化复原酶活性位点的氧原子会“伺机偷

23、取本应传递给电子受体化合物的电子，进而构成氧自由基。细胞内最繁忙的氧化复原酶就是线粒体的电子传递链，为了源源不断地为细胞提供ATP，电子传递链上的氧化复原反响无时无刻不在发生。因而，线粒体既是细胞的发电厂,也是细胞内产生氧自由基的主要位点。我们吸入机体的氧，其中4%由于电子传递链的“泄漏，构成超氧负离子。但正常情况下我们的细胞是不会遭受氧自由基攻击的。经历了漫长的有氧环境的适应，我们的机体进化出各种去除氧自由基的“武器装备：如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶等等。超氧化物歧化酶就是我们常能听到的SOD。人体细胞的SOD有两种，一种定位于细胞质中，另一种定位于线粒体内。定位于线粒体的SOD就是专门用来

24、去除电子传递链上构成的氧自由基的。但是，当细胞遭到强烈的外界损伤、或是在衰老的细胞内，氧自由基的产生超出SOD等酶类的去除能力时，就会引起脂质、蛋白质、核酸的氧化损伤，这些损伤累积到一定程度就会引起细胞构造的毁坏和ATP合成的障碍，导致细胞的衰老，疾病的发生。我们的食物中所含的维生素C、维生素E等小分子也具有氧自由基去除功能，因而多食用富含VC、VE的食物会有助于延缓衰老。接下来，让我们来了解一些人类线粒体遗传疾病的知识。在前面的学习内容里，我们了解了线粒体是氧自由基的一个主要产生位点，这就导致线粒体DNA会经常遭受氧自由基的袭击。所以，线粒体DNA比核DNA的突变率要高出10倍左右。我们知道

25、线粒体DNA编码电子传递链复合物的蛋白亚基，假如线粒体DNA发生突变，势必会损害电子传递链的功能，进而影响ATP的合成。在医学上，由线粒体功能障碍引起的疾病称之为线粒体疾病。以脑和肌肉受累为主的多系统疾病。其肌肉损害主要表现为骨骼肌极度不耐受疲惫，神经系统主要表现有眼外肌麻木、癫痫反复发作、偏头痛、智能障碍以及视神经病变等，其他系统表现可有心脏传导阻滞、心肌病、糖尿病、肾功能不全、假性肠梗阻等。例如，慢性进行性外眼肌麻木CPEO综合症，临床症状为四肢无力，眼睑下垂，运动功能失调和心脏传导功能障碍。常在20岁以前发病，多数在确诊几年内死亡。基因检测可见线粒体DNA缺失或大量重排。那么，线粒体基因

26、突变引起的疾病有哪些遗传特点呢？假如是核基因编码的线粒体蛋白发生突变，突变的遗传遵循孟德尔规律，但线粒体基因突变则体现为母系遗传：即，来自于母亲的线粒体DNA突变将会遗传给其所有后代，随后又通过女儿遗传给下一代。这是由于，精子与卵细胞融合构成受精卵后，来自精子细胞的线粒体会被至今尚不清楚的某种机制全部摧毁，只要来自卵细胞的线粒体在胚胎发育经过中不断随细胞分裂进入子细胞。所以即使一个男性个体携带线粒体DNA突变，这一突变不会遗传给下一代；相反，女性则可能把其线粒体DNA突变遗传给她所有子女。另外，患有线粒体遗传疾病的母亲固然把突变传递给了所有子女，但由于线粒体DNA是多拷贝，细胞内线粒体数目较多，突变的线粒体DNA通常与正常的线粒体DNA共同存在。细胞分裂时，随机分配到子细胞中的突变线粒体DNA比例会不同，因而，后代体现出疾病表型可能性是随机的，但总体来讲，在卵细胞中较高水平的突变数量将会导致其后代有较高的得病率。