第六章-线粒体-mi课件.ppt

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1、 线 粒 体 Mitochondria“Powerplants”ofthecellMitochondrionplays an important role in apoptosisMitochondrial DNA mutations contribute to aging教学内容教学内容教学内容教学内容一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构二、线粒体的功能二、线粒体的功能二、线粒体的功能二、线粒体的功能（ATPATPATPATP合成）合成）合成）合成）三、线粒体是三、线粒体是三、线粒体是三、线粒体是半自主性细胞器半自主性细胞器半自主性细胞器半自主性细

2、胞器五、线粒体的发生五、线粒体的发生五、线粒体的发生五、线粒体的发生六、线粒体与医学六、线粒体与医学六、线粒体与医学六、线粒体与医学四、核编码蛋白质向线粒体的转运四、核编码蛋白质向线粒体的转运四、核编码蛋白质向线粒体的转运四、核编码蛋白质向线粒体的转运线粒体的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布 线状、粒状、杆状等线状、粒状、杆状等线状、粒状、杆状等线状、粒状、杆状等光镜下可见，光镜下可见，光镜下可见，光镜下可见，直径直径直径直径0.5 1.0 m0.5 1.0 m、长长长长1414 mm ll线粒体的形态线粒体的形态线粒体的形态线粒体的形态

3、线粒体的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布 ll线粒体的形态线粒体的形态线粒体的形态线粒体的形态线粒体的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布 线状、粒状、杆状等线状、粒状、杆状等线状、粒状、杆状等线状、粒状、杆状等光镜下可见，光镜下可见，光镜下可见，光镜下可见，直径直径直径直径0.5 0.5 1.0 m 1.0 m、长长长长1414 mm ll线粒体的形态线粒体的形态线粒体的形态线粒体的形态线粒体的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布 生

4、理活动旺盛的细胞中线粒体数目较多生理活动旺盛的细胞中线粒体数目较多生理活动旺盛的细胞中线粒体数目较多生理活动旺盛的细胞中线粒体数目较多哺乳动物成熟的红细胞中没有线粒体哺乳动物成熟的红细胞中没有线粒体哺乳动物成熟的红细胞中没有线粒体哺乳动物成熟的红细胞中没有线粒体ll线粒体的数目线粒体的数目线粒体的数目线粒体的数目一般动物细胞中有数百个，如大鼠肝一般动物细胞中有数百个，如大鼠肝一般动物细胞中有数百个，如大鼠肝一般动物细胞中有数百个，如大鼠肝细胞内有细胞内有细胞内有细胞内有5005005005001400140014001400个线粒体；个线粒体；个线粒体；个线粒体；线粒体的形态、数量和分布线粒体

5、的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布线粒体的形态、数量和分布 ll线粒体的分布线粒体的分布线粒体的分布线粒体的分布能量需求大的区域分布较多能量需求大的区域分布较多线粒体结构线粒体结构线粒体结构线粒体结构（Mitochondrial structureMitochondrial structure）线粒体结构线粒体结构线粒体结构线粒体结构（Mitochondrial structureMitochondrial structure）外膜外膜外膜外膜(outer membrane)(outer membrane)内膜内膜内膜内膜(inner membrane)(inner membrane)

6、膜间腔膜间腔膜间腔膜间腔(intermembraneintermembrane space)space)嵴嵴嵴嵴(cristacrista)基质腔基质腔基质腔基质腔(matrix(matrix space)space)Outer membrane Outer membraneuu脂类与蛋白质脂类与蛋白质脂类与蛋白质脂类与蛋白质比例：比例：比例：比例：1:11:1uu富含转运蛋白富含转运蛋白富含转运蛋白富含转运蛋白（孔蛋白）（孔蛋白）（孔蛋白）（孔蛋白）,通透通透通透通透性较高性较高性较高性较高u光滑平整光滑平整 Inner membrane Inner membranel l蛋白与脂类的蛋白与

7、脂类的蛋白与脂类的蛋白与脂类的比例比例比例比例大于大于大于大于3:13:13:13:1l l高度特化，高度特化，高度特化，高度特化，通透通透通透通透性小性小性小性小,分子量大分子量大分子量大分子量大于于于于150150150150的物质不的物质不的物质不的物质不能自由通过能自由通过能自由通过能自由通过l l折叠成嵴折叠成嵴折叠成嵴折叠成嵴(cristacrista),提高提高提高提高ATPATPATPATP生产能力生产能力生产能力生产能力 Inner membrane Inner membranel l蛋白与脂类的比例蛋白与脂类的比例蛋白与脂类的比例蛋白与脂类的比例大于大于大于大于3:13:1

8、3:13:1。l l高度特化，高度特化，高度特化，高度特化，通透性小通透性小通透性小通透性小,分子量大于分子量大于分子量大于分子量大于150150150150的物的物的物的物质不能自由通过。质不能自由通过。质不能自由通过。质不能自由通过。l l折叠成嵴折叠成嵴折叠成嵴折叠成嵴(cristacrista),提高提高提高提高ATPATPATPATP生产能力。生产能力。生产能力。生产能力。l l有序排列的有序排列的有序排列的有序排列的呼吸链呼吸链呼吸链呼吸链组分组分组分组分;内表面排列内表面排列内表面排列内表面排列基粒基粒基粒基粒 Inner membrane Inner membrane呼吸链呼吸

9、链呼吸链呼吸链 在线粒体内膜上，一系列相互关联地有序排在线粒体内膜上，一系列相互关联地有序排在线粒体内膜上，一系列相互关联地有序排在线粒体内膜上，一系列相互关联地有序排列成传递链的蛋白复合物，它们能可逆地接受和列成传递链的蛋白复合物，它们能可逆地接受和列成传递链的蛋白复合物，它们能可逆地接受和列成传递链的蛋白复合物，它们能可逆地接受和释放释放释放释放H H H H+和和和和e e e e-,与氧化磷酸化偶联。与氧化磷酸化偶联。与氧化磷酸化偶联。与氧化磷酸化偶联。由四种复合物组成：由四种复合物组成：由四种复合物组成：由四种复合物组成：复合物复合物复合物复合物：NADH-NADH-NADH-NAD

10、H-CoQCoQCoQCoQ还原酶还原酶还原酶还原酶 复合物复合物复合物复合物：琥珀酸：琥珀酸：琥珀酸：琥珀酸-CoQCoQCoQCoQ还原酶还原酶还原酶还原酶 复合物复合物复合物复合物：CoQHCoQHCoQHCoQH2 22 2-细胞色素细胞色素细胞色素细胞色素C C C C还原酶还原酶还原酶还原酶 复合物复合物复合物复合物：细胞色素：细胞色素：细胞色素：细胞色素C C C C氧化酶氧化酶氧化酶氧化酶又称电子传递链（又称电子传递链（又称电子传递链（又称电子传递链（Electron-transportchainElectron-transportchain）Inner membrane In

11、ner membraneElementary particle(Elementary particle(基粒基粒基粒基粒)嵴嵴基粒基粒 Inner membrane Inner membraneElementaryparticleElementaryparticle(基粒基粒基粒基粒)StructureStructure and ATP synthesis and ATP synthesis（ATPATPATPATP合成酶复合体、合成酶复合体、合成酶复合体、合成酶复合体、F F F F0 00 0F F F F1 11 1ATPATPATPATP酶）酶）酶）酶）Inner membrane I

12、nner membraneElementaryparticleElementaryparticlea)a)头部头部头部头部 偶联因子偶联因子偶联因子偶联因子F F F F1 11 1,催化催化催化催化ATPATPATPATP合成合成合成合成b)b)基部基部基部基部 偶联因子偶联因子偶联因子偶联因子F F F F0 00 0,连接连接连接连接F F F F1 11 1与内与内与内与内膜，是质子通道膜，是质子通道膜，是质子通道膜，是质子通道abcccc组分：组分：3 33 3组分：组分：a a1 1b b2 2c c1212ATPATPATPATP合成酶复合体合成酶复合体合成酶复合体合成酶复合体F

13、 F F F0 00 0F F F F1 11 1ATPATPATPATP酶酶酶酶 两个腔室两个腔室两个腔室两个腔室膜间腔（膜间腔（膜间腔（膜间腔（IntermembraneIntermembranespacespace外腔外腔外腔外腔）转位接触点转位接触点转位接触点转位接触点 位于内外膜之间的封闭位于内外膜之间的封闭间隙。在膜间腔上有内、间隙。在膜间腔上有内、外膜之间形成的接触点，外膜之间形成的接触点，称为转位接触点，是蛋白称为转位接触点，是蛋白质出入线粒体的通道。质出入线粒体的通道。两个腔室两个腔室两个腔室两个腔室基质腔基质腔基质腔基质腔（MatrixspaceMatrixspace 内腔

14、、嵴间腔内腔、嵴间腔内腔、嵴间腔内腔、嵴间腔）nn 基质基质基质基质 （MatrixMatrix ）a)催化三羧酸循环、脂肪催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、核酸与蛋白质酸氧化、核酸与蛋白质合成的各种酶系合成的各种酶系b)b)mtDNAmtDNA,RNA,RNA,ribosomesribosomes（核糖体核糖体核糖体核糖体）进行三羧酸循环的重要场所进行三羧酸循环的重要场所线粒体的功能线粒体的功能能能源源物物质质淀粉淀粉蛋白质蛋白质脂肪脂肪葡萄糖葡萄糖氨基酸氨基酸脂肪酸脂肪酸甘油甘油丙酮酸丙酮酸 细胞氧化细胞氧化细胞氧化细胞氧化(cellular oxidation)cellular oxidati

15、on)：线粒体内线粒体内线粒体内线粒体内,在在在在O O O O2 2 2 2的参与下，分解各的参与下，分解各的参与下，分解各的参与下，分解各种供能物质释放能量的过程，由于种供能物质释放能量的过程，由于种供能物质释放能量的过程，由于种供能物质释放能量的过程，由于细胞氧化过程中，要消耗细胞氧化过程中，要消耗细胞氧化过程中，要消耗细胞氧化过程中，要消耗O O O O2 2 2 2释放释放释放释放COCOCOCO2 2 2 2和和和和H H H H2 2 2 2O O O O，所以又称细胞呼吸所以又称细胞呼吸所以又称细胞呼吸所以又称细胞呼吸(cellular respiration)cellular

16、 respiration)、生物氧化生物氧化生物氧化生物氧化(biological oxidation)(biological oxidation)线粒体的功能线粒体的功能细胞呼吸的基本过程细胞呼吸的基本过程（以葡萄糖为例）（以葡萄糖为例）1.1.糖酵解：糖酵解：在在细胞质基质进行细胞质基质进行2.2.三羧酸循环三羧酸循环(TAC)：在在线粒体基质进行线粒体基质进行3.3.电子传递和电子传递和氧化磷氧化磷 酸化：酸化：在在线粒体内膜进行线粒体内膜进行高能底物水解放高能底物水解放能，直接将高能能，直接将高能磷酸键从底物转磷酸键从底物转移到移到ADPADP上，使上，使ADPADP磷酸化生成磷酸化生

17、成ATPATP。糖酵解糖酵解细胞质基质细胞质基质葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸2ATP2ATP(底物水平底物水平底物水平底物水平磷酸化磷酸化磷酸化磷酸化)TCA乙酰乙酰CoATCATCA34ATP34ATP+CO+CO22+H+H22OO伴随线粒体内膜电子伴随线粒体内膜电子传递链的氧化过程所传递链的氧化过程所进行的能量转换和进行的能量转换和ATPATP的生成。的生成。电子传递偶联电子传递偶联氧化磷酸化氧化磷酸化线粒体线粒体2ATP(2ATP(底物底物底物底物水平磷酸化水平磷酸化水平磷酸化水平磷酸化)HCellular respiration(Cellular respirat

18、ion(细胞呼吸细胞呼吸细胞呼吸细胞呼吸)I.I.糖酵解：细胞质中进行糖酵解：细胞质中进行糖酵解：细胞质中进行糖酵解：细胞质中进行II.II.三羧酸循环三羧酸循环三羧酸循环三羧酸循环(TAC)(TAC)：线粒体基质中进行：线粒体基质中进行：线粒体基质中进行：线粒体基质中进行反应过程不需要氧反应过程不需要氧无氧酵解无氧酵解2 2分子丙酮酸生成乙酰分子丙酮酸生成乙酰CoACoA,产生产生2 2对对H H 每次循环生成每次循环生成2CO2CO2 2，产生，产生4 4对对H H产生产生产生产生2 2 2 2分子丙酮酸分子丙酮酸分子丙酮酸分子丙酮酸,2,2,2,2对对对对H H H H 底物水平磷酸化产

19、生底物水平磷酸化产生底物水平磷酸化产生底物水平磷酸化产生2ATP2ATP 底物水平磷酸化产生底物水平磷酸化产生底物水平磷酸化产生底物水平磷酸化产生2ATP2ATP2ATP2ATP1 1分子葡萄糖经分子葡萄糖经分子葡萄糖经分子葡萄糖经氧化氧化氧化氧化:产生产生产生产生12121212对对对对H H H H，10101010对以对以对以对以NADNADNADNAD+为载氢体、为载氢体、为载氢体、为载氢体、2 2 2 2对以对以对以对以FADFADFADFAD为载氢体为载氢体为载氢体为载氢体NADNAD（辅酶辅酶I I）烟酰胺腺嘌烟酰胺腺嘌呤二核苷酸呤二核苷酸FADFAD（黄酶）（黄酶）黄素腺嘌呤黄

20、素腺嘌呤二核苷酸二核苷酸经电子传递链，进行氧化磷经电子传递链，进行氧化磷经电子传递链，进行氧化磷经电子传递链，进行氧化磷酸化作用。酸化作用。酸化作用。酸化作用。氧化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化(Oxidative(OxidativePhosphorylationPhosphorylation)呼吸链（电子传递链呼吸链（电子传递链呼吸链（电子传递链呼吸链（电子传递链ElectrontransportchainElectrontransportchain）氧化氧化（放能、电子传递）（放能、电子传递）（呼吸链呼吸链）磷酸化磷酸化（贮能、（贮能、ATP合成）合成）基粒基粒10101010对以对

21、以对以对以NAD+NAD+NAD+NAD+为载氢体、为载氢体、为载氢体、为载氢体、2 2 2 2对以对以对以对以FADFADFADFAD为载氢体为载氢体为载氢体为载氢体进入电子传递链，进入电子传递链，进入电子传递链，进入电子传递链，1 1 1 1分子分子分子分子NADH+HNADH+HNADH+HNADH+H+可形成可形成可形成可形成3 3 3 3分分分分子子子子ATPATPATPATP；1 1 1 1分子分子分子分子FADHFADHFADHFADH2 2 2 2形成形成形成形成2 2 2 2分子分子分子分子ATPATPATPATP。氧化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化氧化磷酸化(Oxidative

22、(OxidativePhosphorylationPhosphorylation)氧化磷酸化偶联机制氧化磷酸化偶联机制氧化磷酸化偶联机制氧化磷酸化偶联机制化学渗透假说化学渗透假说34ATP38ATP线粒体：半自主性细胞器线粒体：半自主性细胞器线粒体：半自主性细胞器线粒体：半自主性细胞器具有具有具有具有mtDNAmtDNA双链，环状，裸露，不与组双链，环状，裸露，不与组双链，环状，裸露，不与组双链，环状，裸露，不与组蛋白结合，分散在基质中蛋白结合，分散在基质中蛋白结合，分散在基质中蛋白结合，分散在基质中具有蛋白质合成系统具有蛋白质合成系统具有蛋白质合成系统具有蛋白质合成系统包括包括包括包括mtm

23、RNAmtmRNA、mttRNAmttRNA、mtrRNAmtrRNA、核糖体核糖体核糖体核糖体 非自主性非自主性 mtDNA信息量小，仅编码信息量小，仅编码510%的蛋的蛋白质，其余的蛋白质由核基因编码。白质，其余的蛋白质由核基因编码。线粒体遗传系统受控于核遗传系统，线粒体遗传系统受控于核遗传系统，（一）自主性（一）自主性mtDNA的电镜照片的电镜照片线粒体：半自主性细胞器线粒体：半自主性细胞器线粒体：半自主性细胞器线粒体：半自主性细胞器nucleuscytosolmatrix核编码蛋白质向线粒体转运核编码蛋白质向线粒体转运核编码蛋白质向线粒体转运核编码蛋白质向线粒体转运l核编码蛋白质向线粒

24、体基质转运核编码蛋白质向线粒体基质转运游离游离RiRi合成前体蛋白合成前体蛋白导肽（基质导入序列）导肽（基质导入序列）线粒体蛋白质除少数由线粒体蛋白质除少数由mtDNAmtDNA编码外，大多数蛋编码外，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。这些转运入线粒体的蛋白质称为前体入线粒体的。这些转运入线粒体的蛋白质称为前体蛋白。蛋白。前体蛋白的前体蛋白的N-N-端都有一段端都有一段20208080个氨基酸组成的个氨基酸组成的序列，富含碱性氨基酸，内含定向运往线粒体的信序列，富含碱性氨基酸，内含定向运往线粒体的信息，称为导肽。息，称为

25、导肽。分子伴侣（热休克蛋白分子伴侣（热休克蛋白7070或或Hsp90Hsp90）核编码蛋白质向线粒体转运核编码蛋白质向线粒体转运核编码蛋白质向线粒体转运核编码蛋白质向线粒体转运前体蛋白进入线粒体前体蛋白进入线粒体前的去折叠前的去折叠 这一过程主要是在这一过程主要是在“分子伴侣分子伴侣”蛋白的蛋白的协助下完成。热休克协助下完成。热休克蛋白（蛋白（HSPHSP）是一类）是一类重要的重要的“分子伴侣分子伴侣”蛋白蛋白核编码蛋白质向线粒体转运核编码蛋白质向线粒体转运核编码蛋白质向线粒体转运核编码蛋白质向线粒体转运多肽链穿膜的过程多肽链穿膜的过程 这一过程是在导肽这一过程是在导肽的引导下，先与线粒的引导

26、下，先与线粒体膜上受体分子相识体膜上受体分子相识别并结合。再通过膜别并结合。再通过膜上蛋白通道进入线粒上蛋白通道进入线粒体体“分子伴侣分子伴侣”此时此时的作用是防止蛋白重的作用是防止蛋白重新折叠。新折叠。核编码蛋白质向线粒体转运核编码蛋白质向线粒体转运核编码蛋白质向线粒体转运核编码蛋白质向线粒体转运蛋白进入线粒体后的蛋白进入线粒体后的重新折叠重新折叠 蛋白进入线粒体后蛋白进入线粒体后首先将导肽切除，然首先将导肽切除，然后重新折叠，恢复其后重新折叠，恢复其原有的自然状态即可原有的自然状态即可发挥功能。发挥功能。ll线粒体增殖线粒体增殖线粒体增殖线粒体增殖线粒体的发生线粒体的发生线粒体的发生线粒体

27、的发生线粒体的起源线粒体的起源线粒体的起源线粒体的起源（theoriginofmitochondriatheoriginofmitochondria）内共生学说内共生学说内共生学说内共生学说一一.疾病过程中的线粒体变化疾病过程中的线粒体变化敏感、多变，常作为组织病变的标志敏感、多变，常作为组织病变的标志二二.mtDNAmtDNA突变导致疾病突变导致疾病 母系遗传母系遗传线粒体与医学线粒体与医学 线粒体与医学线粒体与医学Leber遗传性视神经遗传性视神经病病(LHON)LHONLHON是青少年是青少年是青少年是青少年早期发病的由眼神经早期发病的由眼神经早期发病的由眼神经早期发病的由眼神经炎引起的

28、视神经萎缩炎引起的视神经萎缩炎引起的视神经萎缩炎引起的视神经萎缩,表现为急性的视力减表现为急性的视力减表现为急性的视力减表现为急性的视力减退退退退,眼底早期有视乳眼底早期有视乳眼底早期有视乳眼底早期有视乳头轻度充血头轻度充血头轻度充血头轻度充血,边缘不边缘不边缘不边缘不清清清清,此后遗留视乳头此后遗留视乳头此后遗留视乳头此后遗留视乳头颞侧苍白颞侧苍白颞侧苍白颞侧苍白.一一.疾病过程中的线粒体变化疾病过程中的线粒体变化敏感、多变，常作为组织病变的标志敏感、多变，常作为组织病变的标志二二.mtDNAmtDNA突变导致疾病突变导致疾病 母系遗传母系遗传线粒体与医学线粒体与医学三三.mtDNA-nDN

29、AmtDNA-nDNA突变交互作用引起的疾病突变交互作用引起的疾病Summary Summary I.I.线粒体的形态结构线粒体的形态结构线粒体的形态结构线粒体的形态结构II.II.线粒体的功能：线粒体的功能：线粒体的功能：线粒体的功能：ATPATP合成合成合成合成III.III.线粒体：半自主的细胞器线粒体：半自主的细胞器线粒体：半自主的细胞器线粒体：半自主的细胞器IV.IV.核编码蛋白质向线粒体的转运核编码蛋白质向线粒体的转运核编码蛋白质向线粒体的转运核编码蛋白质向线粒体的转运ReviewReviewI.I.描述线粒体的结构描述线粒体的结构描述线粒体的结构描述线粒体的结构.II.II.描述线粒体结构与描述线粒体结构与描述线粒体结构与描述线粒体结构与ATPATP合成的联系合成的联系合成的联系合成的联系.IV.IV.为什么你认为线粒体是半自主性的细胞为什么你认为线粒体是半自主性的细胞为什么你认为线粒体是半自主性的细胞为什么你认为线粒体是半自主性的细胞器器器器?