5线粒体3学时.ppt

Mitochondrion&Energy Synthesis,线粒体,线粒体的基本特征 细胞呼吸与能量转换 线粒体与医学,线粒体,线粒体的基本特征 线粒体的形态、数量和结构 线粒体的化学组成 线粒体的遗传体系 线粒体的起源与发生,线粒体,线粒体的形态与数量,与细胞类型、生理状态有关形态呈线状、粒状或杆状，具高度可塑性数量因细胞种类不同，1个50万个细胞代谢旺盛，线粒体数量较多细胞内线粒体分布具有空间差异性，往往伴随微管分布,线粒体的形态,线粒体的可塑性,细胞内线粒体随微管分布移动,线粒体的亚显微结构,电镜下的线粒体由双层单位膜套叠而成亚显微结构包括外膜、外腔、内膜、内腔其中内外膜可融合形成：内外膜转位接触点内腔充满基质：可溶性蛋白、脂肪、双链环状DNA、核糖体,电镜下线粒体的结构,线粒体结构模型,外腔=膜间腔内腔=基质腔嵴内空间-外腔嵴间腔-内腔,内外膜转位接触点,3.,内外膜转位接触点,3.,基质导入序列（MTS),1.外膜,厚度:67 nm蛋白质/脂类 1:1允许相对分子量10000的分子通过，比如ATP,NAD,CoA,小分子多肽等。,Intermembrane space,2.内膜,厚度:56 nm蛋白质/脂类=80:20内膜通透性很小，分子量大于150的分子不能通过具有高度选择透过性（膜上转运蛋白）,内膜上大量向内腔突起的折叠 增加内膜表面积，提高线粒体工作效率 线粒体活动越旺盛，嵴的数量越多,嵴,基 粒,心肌细胞,基粒（ATP合酶复合体）：参与ATP合成,基粒：是存在于线粒体内膜的ATP酶复合体，由头部（F1）、柄部(对寡霉素敏感)和基片(F0)构成，包括多个蛋白质亚基，具有催化ADP合成ATP的功能。,基粒结构模式图,ATP酶复合体（F0F1 ATP合酶）头部（偶联因子F1）柄部 基片（偶联因子F0）,33多亚基复合体 纯化F1 催化ATP水解 天然F1 合成ATP 结合F1抑制蛋白 抑制ATP的合成,连接头部与基片 特异结合寡霉素 抑制ATP合成,嵌于内膜 连接F1与内膜 质子流向F1的穿膜通道,ATP合酶复合体,复合体V,Timothy等人提出了一个ATP合酶中能量转化过程的模型，该模型认为由ab33组成了“定子（stator）”，c则形成“转子（rotor）”。当H+穿过a和c之间的通道时产生了力矩，从而推动了转子与定子间的相对转动，这样在F1中合成了ATP.,F1,F0,结合变构模型（binding-change model）F1中的亚基作为C亚基旋转中心中固定的转动杆，旋转时引起复合物构型的改变。有三种不同的构型，对ATP和ADP具不同的结合力：O型几乎不与ATP、ADP和Pi结合；L型同ADP和Pi的结合较强；T型与ADP和Pi的结合很紧，并能自动形成ATP，并能与ATP牢牢结合。当亚基旋转并将复合物转变成O型则会释放ATP。,ATP合成的结合变构机制,1997,Paul D.Boyer,Nobel Prize,电子传递链，呼吸链 一系列能够可逆的接受和释放H+和e-的酶体系，在内膜上有序的排列成相互关联的链状包括复合体、及细胞色素C。,线粒体呼吸链的组成及性质,分布于线粒体内腔含数百种氧化酶类含可溶性蛋白、脂肪、可溶性中间产物独特的遗传体系：双链环状DNA、核糖体基质颗粒：Ca3(PO4)2沉积（注意与基粒区别）,3.基质（凝胶状）,线粒体的化学组成,1、蛋白质、脂类（特色酶）膜由脂类和蛋白质组成，但有自己的特点，如：线粒体内膜具有高含量的心磷脂，保证了内膜具有离子不透过性蛋白质包括可溶蛋白和不溶性蛋白两大类，以内膜上蛋白含量最高2、核酸（特色DNA）3、其他,线粒体的酶,注：带*者为标志酶,线粒体的标志酶,线粒体各部分都具有特定的功能线粒体是细胞内酶含量最高的细胞器之一线粒体的标志酶*：外 膜：单胺氧化酶膜间腔：腺苷酸激酶内 膜：细胞色素氧化酶基 质：苹果酸脱氢酶,线粒体的标志酶,线粒体各部分都具有特定的功能线粒体是细胞内酶含量最高的细胞器之一线粒体的标志酶*：外 膜：单胺氧化酶膜间腔：腺苷酸激酶内 膜：细胞色素氧化酶基 质：苹果酸脱氢酶,含有独特的DNA分子 mtDNA,除细胞核外唯一含有DNA的细胞器,与mt核糖体构成相对独立的遗传信息复制、转录和翻译系统为裸露的双链环状DNA一个线粒体内有1至数个不等主要编码线粒体tRNA、rRNA、mRNA,线粒体的遗传体系,电镜下的线粒体DNA,线粒体的遗传体系,据转录本密度将mtDNA分为重链(H链)和轻链(L链)，都具编码功能人类mtDNA序列(剑桥序列)包括16,569bp，编码37种产物，其中:rRNA 2种：12S，16S rRNA(H链)tRNA 22种：14种(H链)，8种(L链)mRNA13种：12种(H链)，1种(L链)。,rRNA-2：12S，16S rRNA(H)tRNA-22：14(H),8(L)mRNA-13：12(H),1(L),人类mtDNA图谱,半自主性；母系遗传。,线粒体的遗传特性,半自主性,自主性：线粒体虽具有自己的遗传物质，可以合成线粒体所需要的某些组分；非自主性：线粒体内的绝大多数蛋白质仍然需要依赖细胞核基因；因而这种遗传上的自主性是不完整的，故为半自主性。,母系遗传,线粒体通过分裂方式实现增殖出芽分裂收缩分裂间壁分裂mtDNA随机、不均等地分配线粒体起源有两种假说：1、内共生假说：起源于共生的早期细菌2、非共生假说：起源于需氧细菌细胞膜内折,线粒体的起源与发生,线粒体起源的内共生学说,线粒体起源的内共生学说,？,非共生假说,线粒体的基本特征 细胞呼吸与能量转换 线粒体与医学,线粒体,细胞呼吸与能量转换,细胞呼吸（cellular respiration）：生物体内的糖类、脂肪、蛋白质等有机物在细胞的某些细胞器（线粒体）内借助O2的作用，被氧化分解，产生CO2，同时释放能量存储于ATP中的过程，也称为生物氧化。是细胞内提供生物能源的主要途径,细胞呼吸与能量转换,细胞呼吸的特点：本质上是线粒体中一系列酶系催化的 氧化还原反应 产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中 反应分步进行，能量逐步释放 反应在恒温恒压下进行 需要O2的参与,细胞呼吸与能量转换,能量转换的特点：细胞能量的转换分子ATP 细胞呼吸释放的能量储存于ATP的高能磷 酸键中 断裂一个高能磷酸键释放能量,细胞呼吸包括两个过程：能量物质的氧化和 ADP的磷酸化1、能量物质的氧化 生物体内的糖类、脂肪、蛋白质等有机物在细胞的 某些细胞器（线粒体）内借助O2的作用，被氧化分 解，产生CO2。2、ADP的磷酸化有两种方式：底物水平磷酸化：氧化磷酸化（电子传递体系磷酸化）,细胞呼吸与能量转换,底物水平磷酸化 是由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP上，使ADP磷酸化生成ATP的过程。氧化磷酸化 是指生物氧化过程中所释放能量的转移过程与ADP的磷酸化过程结合起来，从而将生物氧化过程中释放出来的能量转移到ATP的高能磷酸键中，又称为氧化磷酸化偶联。,氧化磷酸化的结构基础,呼吸链ATP酶复合体,电子传递链，呼吸链一系列能够可逆的接受和释放H+和e-的酶体系，在内膜上有序的排列成相互关联的链状,线粒体呼吸链的组成及性质,基粒：是存在于线粒体内膜的ATP酶复合体，由头部（F1）、柄部(对寡霉素敏感)和基片(F0)构成，包括多个蛋白质亚基，具有催化ADP合成ATP的功能。,基粒结构模式图,线粒体是最主要的物质氧化场所,生物体内的糖类、脂类、蛋白质等都可作为能源物质，通过氧化分解形成丙酮酸，后者进入线粒体基质后进一步分解成为乙酰CoA，而后经三羧酸循环（TAC）氧化形成水和CO2，同时生成大量ATP分子。,能量产生过程经典例子：葡萄糖氧化过程大体分成三个步骤：1、糖酵解（细胞质）2、三羧酸循环（TAC）（基质）3、氧化磷酸化（内膜）。蛋白质和脂肪的彻底氧化只在第一步与糖有所区别。,三羧酸循环（TAC）（线粒体基质中进行）2CH2COSCoA+6NAD+2FAD+2ADP+2Pi+6H2O 4CO2+6NADH+6H+2FADH2+2HSCoA+2ATP是各种有机物进行最后氧化的过程1953,Hans Adolf Krebs,Nobel Prize,糖酵解（细胞质中进行）C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2CH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP,丙酮酸,葡萄糖的无氧酵解与有氧氧化,丙酮酸脂溶性通过线粒体内膜 NADH+H+经特异穿梭机制通过内膜,三羧酸循环（TAC）,氧化磷酸化机理,化学渗透假说,化学渗透假说,1、NADH或FADH2提供2e-，经电子传递链 传递给O2；2、2e-传递过程中，向外腔排放2H+；3、线粒体内膜具有离子不通透性，能隔绝H+、OH-等，从而形成跨线粒体内膜的电化学质 子梯度；4、2H+顺浓度经F0F1 ATP合酶回流，释放自由能 产生1分子ATP。,化学渗透假说,1、呼吸链中的递氢递电子体起质子泵的作用。在电子传递过程中可以将H+从线粒体内膜的内侧泵至外侧。1对电子（2e-）经NADH传递到O2时,共泵出3对H+（6 H+）；若经FADH2，则共泵出2对H+（4 H+）。2、H+电化学势梯度建立。膜外侧的H+不能自由通过内膜返回内侧,从而在内膜两侧建立起跨膜的H+电化学势梯度。3、由质子动力推动ATP的合成。1对H+（2 H+）顺浓度经F0F1 ATP合酶回流，释放自由能产生1分子ATP。综上：1分子NADH+H+经过电子传递，释放的能量可以形成3分子ATP;1分子FADH2经过电子传递，释放的能量可以形成2分子ATP。,电子传递途径,Complex I CoQ Complex Cytochrome c Complex,NADH+H+,O2+2H+,Complex,FADH2,H2O,2e-,2e-,质子泵,电子传递途径 I,Cyt c,电子传递途径 II,Cyt c,基质,膜间腔,1 葡萄糖(C6),糖酵解,胞基质,2对H+,2ATP,底物水平磷酸化,线粒体基质,丙酮酸脱氢,2对H+,TAC,线粒体基质,6对H+,2对H+,2ATP,NAD,NAD,NAD,FAD,线粒体内膜,电子传递和氧化磷酸化,FAD,线粒体与能量形成,1分子葡萄糖完全氧化可形成3638分子ATP，其中3436分子是在线粒体内形成的，糖酵解仅产生2分子ATP，因此线粒体是生物细胞的动力工厂。,1分子葡萄糖完全氧化可形成3638分子ATP，其中3436分子是在线粒体内形成的，糖酵解仅产生2分子ATP，因此线粒体是生物细胞的动力工厂。,线粒体的基本特征 细胞呼吸与能量转换 线粒体与医学,线粒体,细胞的能量转换与医学关系,线粒体对环境变化十分敏感许多疾病状态下，线粒体的结构和功能发生相应改变，并成为疾病病理变化的一部分线粒体的异常也可成为疾病发生原因这种以线粒体结构或功能异常为主要病因的一大类疾病称为线粒体病。,中毒、感染线粒体亦可发生肿胀甚至破裂。原发性肝癌细胞癌变线粒体嵴的数目逐渐下降而最终成为液泡状线粒体；缺血性损伤线粒体也会出现结构变异如凝集、肿胀等；坏血病组织中有时也可见二到三个线粒体融合成一个大的线粒体的现象，称为线粒体球；氰化物、CO等可阻断呼吸链上的电子传递，造成生物氧化中断、细胞死亡。,疾病过程中的线粒体变化,DNA突变与线粒体病,nDNA改变引起的线粒体功能障碍线粒体遗传的半自主性mtDNA突变引起的线粒体功能障碍,nDNA改变引起的线粒体功能障碍 呈孟德尔遗传编码线粒体蛋白的基因缺陷 线粒体蛋白质转运的缺陷 基因组间交流的缺损,mtDNA突变与疾病,线粒体含有独特环状裸露DNA，易发生突变且难修复野生型mtDNA与突变型mtDNA的比例细胞加速分裂，稀释突变型mtDNA中枢神经系统和骨骼肌对能量的依赖性最强，故临床症状以中枢神经系统和骨骼肌病变为特征，统称脑肌病（mitochondrial encephalopathy）不同疾病，或同一疾病不同个体的临床表现不同,mtDNA突变与疾病,mtDNA点突变引起的疾病,突变 相关基因表型 nt-3243 tRNALeu(UUR)MELAS PEO NIDDM/耳聋 nt-3256 tRNALeu(UUR)PEO nt-3271 tRNALeu(UUR)MELAS nt-3303 tRNALeu(UUR)心肌病 nt-3260 tRNALeu(UUR)心肌病/肌病 nt-4269 tRNAIle 心肌病 nt-5730 tRNAAsn 肌病(PEO)nt-8344 tRNALys MERRF nt-8356 tRNALys MERRF/MELAS nt-15990 tRNAPro 肌病 nt-8993 A6 NARP/LEIGH nt-11778 ND4 LHON nt-4160 ND1 LHON nt-3460 ND1 LHON nt-7444 COX1 LHON nt-14484 ND6 LHON nt-15257 Cyt6 LHON,mtDNA缺失、重复导致的疾病 存在于许多神经肌肉性疾病及一些退化性疾病、肾病和肝病中，甚至衰老也与之有关。1Kearns-Sayre综合征(眼肌病)2Pearson-骨髓/胰腺综合征3线粒体心肌病4帕金森病 5 Alzheimer病6非胰岛素依赖型糖尿病,mtDNA突变与疾病,Leber遗传性视神经病（Leber hereditary optic neuropathy，LHON）,Leber遗传性视神经病是被证实的第一种母系遗传的疾病，至今尚未发现一个男性患者将此病传给后代。LHON是以1871德国眼科医生Theodor Leber的名字命名的，为一种急性或亚急性发作的母系遗传病。男女病人比例5:1。,Leber T 医生,临床症状 主要症状为视神经退行性变，故又称Leber视神经萎缩。患者多在1820岁发病，男性较多见，个体细胞中突变mtDNA超过96时发病，少于80时男性病人症状不明显。临床表现为双侧视神经严重萎缩引起的急性或亚急性双侧中央视力丧失，可伴有神经、心血管、骨骼肌等系统异常，如头痛、癫痫及心律失常等。,Leber遗传性视神经病（Leber hereditary optic neuropathy，LHON）,视神经与视网膜神经元退化，发病较早，表现为急性亚急性视力减退，导致失明。男性发病率为女性5倍，原因不明。,遗传学 诱发LHON的mtDNA突变均为点突变。如：G11778A、G14459A（ND6）、G3460A（ND1）、T14484C（ND6）、G15257A（cyt b）。,Leber遗传性视神经病（Leber hereditary optic neuropathy，LHON）,mtDNA11778位点GA的突变,一个LHON的典型系谱,本章提要,线粒体是真核细胞内一个特殊的细胞器，属于内膜成分但并非内膜系统的成员。电镜下线粒体是一个由双层单位膜包被起来形成的套囊状结构，分为外膜、膜周间隙、内膜以及基质，内膜往往突出形成特化的线粒体嵴，内膜及嵴上存在许多与电子传递及氧化磷酸化有关的各种酶系统，基质中除了含有与细胞呼吸相关的酶系统外，还具有独特的遗传信息表达体系，其基因的缺失或缺失将导致多种临床疾病的产生，首先累及于能耗较高的脑或心脏。线粒体在遗传上表现为母性遗传和半自主性遗传。线粒体最主要的功能是参与能量分子ATP的形成，是细胞的动力工厂。,复习思考题一、名词 内外膜转位接触点 细胞呼吸（生物氧化）氧化磷酸化 底物水平磷酸化 电子传递链（呼吸链）电子传递途径 ATP酶复合体（基粒）二、简答 1.简述线粒体结构及各部分标志酶。2.说明线粒体DNA特性及产物种类。3.以图表方式解析1分子葡萄糖完全氧化可形成 多少分子ATP？4.化学渗透假说。5.简述线粒体的母性遗传。6.简述线粒体的半自主性。,