线粒体与能量代谢.ppt
Chapter 7,线粒体与能量代谢,主讲人：陈 晶,线粒体的形态、数量与分布,第一节,线粒体的结构与化学组成,第二节,线粒体的功能,第三节,线粒体的半自主性,第四节,线粒体的增殖与起源,第五节,过氧化物酶体,第六节,线粒体与医学,8.4,第七节,OUTLINE,线粒体(mitochondrion)是存在于真核细胞中的一种较大细胞器，在光学显微镜下观察呈“短线状”或“颗粒状”的形态学特征而命名为线粒体，是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所,细胞生命活动所需的能量有95来自线粒体，因此有细胞“动力工厂”之称。,线粒体的形态、数量与分布,第一节,返回目录,一、线粒体的形态,光学显微镜下线粒体的形态,线粒体的形态多种多样，一般呈线状，也有粒状或短线状。细胞的生理状况发生变化时线粒体的形态亦将随之而改变。,返回目录,二、线粒体的数量,同一类型细胞中，线粒体的数目是相对稳定的。在不同类型的细胞中线粒体的数目相差很大。生理活动旺盛的细胞（心肌细胞）线粒体多。,返回目录,数百 数千个,1个,50万个(巨大变形虫),肌细胞和精子的线粒体分布 线粒体包围着脂肪滴,三、线粒体的分布,线粒体较多分布在需要ATP的部位！,返回目录,8.2,电镜下，线粒体是由两层高度特化的单位膜套叠而成的囊状结构，主要由外膜、内膜、膜间腔和基质腔四部分组成,线粒体的结构与化学组成,第二节,返回目录,电子显微镜下线粒体的形态结构 A、B扫描电镜图；C透射电镜图,一、线粒体的超微结构,返回目录,电镜：线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构。,外 膜,内 膜,膜间腔,（外腔）,嵴,嵴间腔,（内腔）内含基质，有DNA,线粒体的超微结构,返回目录,外膜,内膜,膜间隙,嵴间腔,嵴,嵴：,基粒（ATP酶复合体）：,基质面上许多带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。,基粒（ATP酶复合体）,3-4nm长4.5-6nm,6-11.5nm 高5-6nm,头部,柄部,基片,:合成ATP,:调控质子通道,：质子的通道,（内腔）,（外腔）,内膜向内腔折叠形成，可增加内膜的表面积。,嵴和基粒,返回目录,基粒的结构,基粒结构模式图,返回目录,线粒体各部分蛋白及酶的分布,二、线粒体的化学组成,线粒体的化学组分主要是由蛋白质、脂类和水份等组成,红色标注各部分的标志酶,返回目录,呼吸链,呼吸链（respiratory chain）又称为电子传递链（electron transport chain），是一系列具有递氢、递电子作用的氢载体和电子载体蛋白，该体系最终以氧作为电子接受体，与细胞摄氧有关，故称为呼吸链。由四种复合物组成,返回目录,The Electron Transport Chain,三个参与H+传递，四个都参与传递电子,线粒体呼吸链中四种复合物的性质,返回目录,呼吸链中复合物的排列及功能,返回目录,线粒体中某些组分的治疗作用,细胞色素c已被作为一氧化碳中毒、新生儿窒息、肺功能不全、高山缺氧、心肌炎及心绞痛的急救药或辅助药。辅酶Q对高血压、牙周病、肌萎缩有疗效。,返回目录,8.3,线粒体的功能,一、线粒体各部分的功能,第三节,返回目录,真核细胞中碳水化合物代谢俯瞰,二、线粒体的能量转换机制,线粒体是真核生物氧化代谢的部位，是糖、脂肪和氨基酸最终氧化放能的场所。,返回目录,知识回顾：真核细胞中的氧化作用糖的氧化:葡萄糖细胞 胞质中分解为丙酮酸(不需要氧，糖酵解)糖氧化成丙酮酸丙酮酸脱羧生成乙酰CoA乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化,无氧：乳酸,糖的酵解与氧化,能量:高能分子,6C3C2C1C,线粒体,线粒体基质中乙酰辅酶A的生成丙酮酸跨膜进入线粒体基质；在丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase)作用下氧化成乙酰辅酶A。,生物需要能量时首先利用多糖多糖葡萄糖丙酮酸脂肪 脂肪酸蛋白质 氨基酸,乙酰辅酶A（乙酰CoA）,三羧酸循环,三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)又叫Krebs循环、柠檬酸循环。,TCA循环,葡萄糖酵解生成丙酮酸,乙酰CoA的生成,三羧酸循环,返回目录,2分子CO21分子GTP4分子NADH1分子FADH25对电子,线粒体在能量转换中的作用,电子传递偶联氧化磷酸化,化学渗透偶联假说(chemiosmotic coupling hypothesis)解释氧化磷酸化的偶联机理。该学说认为:在电子传递过程中,伴随着质子从线粒体内膜的里层向膜间腔转移，形成跨膜的氢离子梯度，这种势能驱动了氧化磷酸化反应(提供了动力)，合成了ATP。,返回目录,化学渗透学说示意图,返回目录,电子传递与氧化磷酸化,Oxidative phosphorylation 活细胞中伴随着呼吸链的氧化作用所发生的能量转换和ATP的形成过程。,线粒体内膜电化学梯度的建立Electrochemical gradient 质子梯度内膜两侧电位差proton-motive force(质子动势),The establishment of a proton-motive force,F0-F1 复合物是ATP合成部位 通过线粒体内膜重建实验证明位于内膜上的F0-F1颗粒是呼吸链中ATP合成的部位。,合成,ATP,The Mechanism of Oxidative Phosphorylation 英国生物化学家P.Mitchell 1961年提出了化学渗透假说(chemiosomotic compling hypothesis)解释氧化磷酸化的偶联机理。,荣获1978年诺贝尔化学奖!,化学渗透假说,在电子传递过程中,伴随着质子从线粒体内膜的里层向外层转移,形成跨膜的氢离子梯度,这种势能驱动了氧化磷酸化反应(提供了动力),合成了ATP。,第四节 线粒体的半自主性,线粒体具有独立的遗传体系，能够合成蛋白质，但是合成能力有限。大多数线粒体蛋白都是由核基因编码，在细胞质中合成后，定向转运到线粒体的，因此线粒体被称为半自主性细胞器（semiautonomous organelle）。,返回目录,人类线粒体基因组示意图,一、线粒体DNA,人类线粒体基因组是一个环状双链DNA包括37个基因 可以编码2种rRNA、22种tRNA和13种蛋白,返回目录,线粒体疾病,Leber遗传性视神经病(Lebers hereditary optic neuropathy，LHON)是一例典型的由mtDNA点突变引起的线粒体病。LHON是一种罕见的，母系遗传的疾病，患者会在年轻时失明，最终视神经萎缩。大约90%的LHON病例的ND1、ND4或ND6基因都发生了点突变。,返回目录,二、线粒体基因组的特点,1.几乎全部基因组都是编码序列 2.密码子的特殊性3.裸露的DNA，不与组蛋白结合,返回目录,“通用”遗传密码与线粒体遗传密码的差异,返回目录,三、线粒体从细胞质中转运蛋白质,蛋白质输入线粒体基质的过程,返回目录,蛋白质到线粒体的运输途径,返回目录,线粒体的增殖方式（A）间壁分离；(B)收缩分离；(C)出芽分离,第五节 线粒体的增殖与起源,一、线粒体的增殖,返回目录,线粒体的进化途径,二、线粒体的起源,内共生学说非内共生学说,返回目录,动物细胞中的过氧化物酶体,第六节 过氧化物酶体,过氧化物酶体，又称微体（microbody），是由单层膜围绕的、内含一种或几种氧化酶类的细胞器,返回目录,一、过氧化物酶体的结构以及所含酶类,氧化酶,过氧化氢酶,过氧化物酶：很少,RH2+O2 R+H2O2,H2 O2+RH2 R+2H2O,2H2O2 O2+2H2O,结构：与初级溶酶体类似所含酶类：主要有三种，其中过氧化氢酶是标志酶,返回目录,二、过氧化物酶体的功能,使毒性物质失活,对氧浓度的调节作用,脂肪酸的氧化,脂类合成,返回目录,过氧化物酶体疾病,可分为两类。第一类：由某一种过氧化物酶缺乏导致的疾病。如，X连锁的脑白质肾上腺萎缩症（X-adrenoleukodystrophy,X-ALD）。本病具有肾上腺皮质机能不全与进行性脑白质变性导致视觉丧失、痴呆、四肢轻瘫等征象，且可致命。第二类：由过氧化物酶体生物合成缺陷导致的疾病。如，泽韦格综合征（或脑-肝-肾综合征）（Zellwegers syndrome）。由于无法将外部的蛋白转运到过氧化物酶体内，过氧化物酶体的功能完全丧失，该病临床症状严重，是一种致死的遗传性疾病。,返回目录,三、过氧化物酶体的生物合成,过氧化物酶体中所有的蛋白都是“进口的”。,定位在过氧化物酶体的蛋白有着特定的过氧化物酶 体定位信号（peroxisomal targeting siginals,PTS）。过氧化物酶体的基质蛋白和膜蛋白的定位信号是不 同的。,返回目录,第七节 线粒体与医学,线粒体病,线粒体mtDNA突变与衰老,线粒体与细胞凋亡,返回目录,复习题,1.线粒体的超微结构2.线粒体的功能3.电子传递偶联磷酸化的机制4.线粒体的半自主性5.过氧化物酶体的标志酶。,返回目录,
