5细胞的能量转换器PPT课件.pptx

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1、第一节 线粒体与氧化磷酸化,线粒体的形态结构线粒体的化学组成及酶的定位氧化磷酸化,一、线粒体的形态结构,1.1 线粒体的发现与功能研究,1890年R.Altaman首次动物细胞内发现线粒体，命名为bioblast。1897年Benda首次将这种颗粒命名为mitochondrion。1900年L.Michaelis用Janus Green B对线粒体进行活体染色，发现线粒体中可进行氧化-还原反应。1948年，Green证实线粒体含所有三羧酸循环的酶1943-1950年，Kennedy和Lehninger 发现线粒体内完成的，脂肪酸氧化、氧化磷酸化。在Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立

2、的复合体。Mitchell（19611980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。1994年，Boyer 因提出ATP合成酶的结合变化和旋转催化机制获得诺贝尔化学奖,1.2 线粒体的形态结构,线粒体的形态、大小、数量与分布,粒状或杆状最常见，也可呈环形、哑铃形、枝状。直径0.51m，长1.53.0m，在胰脏外分泌细胞中可长达1020m，称巨线粒体。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。肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%，许多哺乳动物成熟的红细胞无线粒体。,一、线粒体的形态结构,1.2 线粒

3、体的形态结构,线粒体的超微结构 外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性较高。内膜（inner membrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达510倍）。含有与能量转换相关的蛋白（执行氧化反应的电子传递链酶系、ATP合成酶、线粒体内膜转运蛋白）。膜间隙（intermembrane space）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。基质（matrix）：含三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA,RNA，核糖体。,肌细胞和精子的尾部聚集较多的线粒体，以提供能量,线粒体包围着脂肪滴，内有大量要

4、被氧化的脂肪,线粒体的TEM照片,内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达510倍），嵴有两种类型：板层状（图7-1）、管状，但多呈板层状。,嵴上覆有基粒（elementary particle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。,一、线粒体的形态结构,线粒体的化学组成：蛋白质(线粒体干重的6570)。线粒体的蛋白质分为可溶性和不溶性的。可溶性的蛋白质主要是基质的酶和膜的外周蛋白；不溶性的蛋白质构成膜的本体，其中一部分是镶嵌蛋白，也有一些是酶蛋白。脂类(线粒体干重的2530)：磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要

5、是心磷脂。线粒体脂类和蛋白质的比值:0.3:1（内膜）；1:1（外膜）,一、线粒体的形态结构,线粒体主要酶的分布,线粒体膜通透性*,线粒体通透性研究,将线粒体放在100 mM蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线粒体的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线粒体内部蔗糖的平均浓度，结果只有50 mM，比环境中蔗糖的浓度低。线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内膜对蔗糖是不通透的(图7-7)。,线粒体各组分的分离,首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒体质)仍结合在一起，通过离心可将线粒体质分离。用去垢剂处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有F1颗粒

6、。,由于线粒体外膜的通透性比内膜高，利用这一性质，Donal Parsons 和他的同事最先建立了分离线粒体内膜、外膜及其他组分的方法。,线粒体的功能：氧化磷酸化氧自由基的形成细胞凋亡基因表达细胞的信号转导电解质稳态平衡调控钙的稳态调控,进行三羧酸循环及氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量是线粒体的主要功能。,二、线粒体的功能,什么是氧化磷酸化：当电子从NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）或FADH2（黄素腺嘌呤）经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化。什么是呼吸链（电子传递链）：在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物，它们是传递电子

7、的酶体系，由一系列可逆地接受和释放电子或H+的化学物质组成，在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链（electron-transport chain）或呼吸链（respiratory chain）。,二、线粒体的功能,二、线粒体的功能,（一）线粒体中的氧化代谢,糖、脂肪,细胞质,丙酮酸和脂肪酸,线粒体,乙酰coA（三羧酸循环）,氢通过电子传递链到达氧生成水，同时ADP磷酸化生成ATP,（二）电子传递链与电子传递,电子载体主要有：黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶Q等。,NAD,即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide），是体内很多脱氢

8、酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链，其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。,NAD的结构和功能（NAD：RH，NADP：RPO3H2）,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。,FMN(flavin adenine mononucleotide)的分子结构,FAD(flavin adenine dinucleotide)的分子结构,细胞色素,分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通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a、

9、a3含有铜原子。,血红素c的结构,辅酶Q,辅酶Q（泛醌）,脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。,铁硫蛋白：,在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。,铁硫蛋白的结构（引自Lodish等1999）,铜原子:通过Cu2+和Cu+的变换传递电子,呼吸链中的电子载体严格按氧化还原电位从低向高排列.NAD+/NADH最低,O2/H2O最高.,2.电子载体排列顺序,3.电子转运复合物,利用脱氧胆酸（deoxycholate，

10、一种离子型去污剂）处理线粒体内膜,分离出呼吸链的4种复合物，即复合物、和，辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜、细胞色素C位于线粒体内膜的C侧，属于膜的外周蛋白。,复合物,即NADH脱氢酶，哺乳动物的复合物由42条肽链组成，呈L型，含有一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。作用：是催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。电子传递的方向为：总的反应结果为：,NADH+5H+（M）+QNAD+QH2+4H+（C）,NADHFMNFe-SQ,复合物,即琥珀酸脱氢酶，至少由4条肽链组成，含有一个FAD，2

11、个铁硫蛋白作用：是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ。反应结果为：,琥珀酸+Q延胡索酸+QH2,复合物,即细胞色素c还原酶，由至少11条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙（2个来自UQ，2个来自基质跨膜）。总的反应结果为：,2还原态cyt c1+QH2+2 H+（M）2氧化态cyt c1+Q+4H+（C）,Q cycle,复合物的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关。辅酶Q能在膜中

12、自由扩散，在内膜C侧，还原型辅酶Q（氢醌）将一个电子交给Fe-S细胞色素c1细胞色素c，被氧化为半醌，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素b566b562，释放另外一个质子到膜间隙。细胞色素b566得到的电子为循环电子，传递路线为：半醌b566b562辅酶Q。在内膜M侧，辅酶Q可被复合体（复合体）或细胞色素b562还原为氢醌。一对电子由辅酶Q到复合物的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶Q转移的。,组成：即细胞色素c氧化酶,二聚体，每个单体至少13条肽链。作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在M侧消耗2个质子，同时转移2个质子至C侧。电子

13、传递的路线为:,复合物IV：细胞色素c氧化酶,cyt cCuAheme aa3-CuBO2,4还原态cyt c+8 H+M+O24氧化态cyt c+4H+C+2H2O,两条主要的呼吸链,根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，分为NADH呼吸链和FADH2呼吸链。,复合物I-III-IV组成,复合物II-III-IV组成,呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从低向高传递，呼吸链中有三个部位有较大的自由能变化，足以使ADP与无机磷结合形成ATP。部位在NADH至CoQ之间。部位在细胞色素b和细胞色素c之间。部位在细胞色素a和氧之间。,（二）电子传递链与电子传递,NADH,FMN F

14、e-S,FADFe-S,琥珀酸,Cytb Fe-S Cytc1,Cytaa3,CoQ,Cytc,ADP+Pi,ATP,ADP+Pi,ATP,ADP+Pi,ATP,（二）电子传递链与电子传递,对于氧化磷酸化的偶联机制提出的假说有化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说等。“化学渗透假说”，取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说。内容是当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（pH）及电位梯度（），两者共同构成电化学梯度，即质子动力势（proton-motive force,

15、P）。,P=-(2.3RT/F)pH,其中T为绝对温度，R为气体常数，F为法拉弟常数。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。,（三）质子转移与质子驱动力的形成,ATP合成酶是一种可逆性复合酶，既能利用质子动力势合成ATP,又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙。,ATP合成酶（ATP synthetase）或F1 F0-ATP酶，成蘑菇状。分布于线粒体和叶绿体中，在跨膜质子动力势的推动下，ADP磷酸化生成ATP，参与氧化磷酸化和光合磷酸化。,（四）ATP形成机制氧化磷酸化,ATP合成酶,分子结构F1由5种多肽组成33复合体，具有三

16、个ATP合成的催化位点（每个亚基具有一个）。和单位交替排列，状如桔瓣。贯穿复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，帮助与F0结合。与F0的两个b亚基形成固定复合体的结构（相当于发电机的定子）。F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道,可使质子由膜间隙流回基质。,1979年Boyer P提出构象偶联假说：1ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲 和力，催化ADP与Pi形成ATP。2F1具有三个催化位点，同一时间，三个催化位点的构象不 同，与核苷酸的亲和力也不同。在L构象（loose），ADP、Pi与酶疏松结合；在T构象（tig

17、ht）ADP、Pi与酶紧密结合在一起，并形成ATP；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。3质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋 转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚 基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP 和Pi加合在一起，形成ATP。,能量耦联与ATP合酶的作用机制,对构象耦联假说的证明：1994年，Walker发表了牛心线粒体F1-ATP酶的晶体结构,日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人将33固定在玻片上，在亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到亚基带动肌动蛋

18、白纤维旋转。,三、线粒体疾病,（一）线粒体肌病（二）线粒体脑肌病（三）Leber 遗传性视神经病（四）亚急性坏死性脑脊髓病(Leigh disease),常见线粒体遗传病,线粒体脑肌病是一组由于线粒体功能缺陷造成的以神经肌肉系统病变为主的多系统疾病。,线粒体脑肌病(mitochondrial encephalomyopathies,ME),根据临床表现，将线粒体脑肌病分为：伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫（MERRF)、线粒体脑疾病合并乳酸血症及卒中样发作(MELAS)、Kearns-Sayer综合征（KSS)、慢性进行性眼外肌瘫痪（CEPO)、神经源性肌软弱、共济失调并发色素性视网膜炎（NARP)

19、和Leigh综合征（LS)等几种。,线粒体心肌病,4977 位点缺失 缺血性心脏病 冠状动脉粥样硬化性心脏病,7436 位点缺失 扩张性心肌病 肥厚性心肌病,线粒体心肌病累及心脏和骨骼肌，病人常有严重的心力衰竭，常见临床表现为劳动性呼吸困难，心动过速，全身肌无力伴全身严重水肿，心脏和肝肿大等症状。,第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器,半自主性细胞器的概念：自身含有遗传表达系统(自主性)；但编码的遗传信息十分有限，其RNA转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息(自主性有限)。线粒体和叶绿体的DNA线粒体和叶绿体的蛋白质合成线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装,为什么

20、说线粒体和叶绿体是半自主性细胞器？1）两种细胞器含有DNA自我复制、转录、翻译所必需的基本组分。2）两种细胞器中的蛋白绝大多数是由核基因编码的。这些 蛋白在细胞质基质中合成，然后被转运至细胞器中。3）细胞核与细胞器之间存在着密切的、精确的、严格调控 的关系。线粒体和叶绿体的自主性是有限的，对核遗传 系统有很大的依赖性。因此，线粒体和叶绿体的增殖和生长受核基因、自身基因两套遗传信息的控制，所以称半自主性细胞器。,一、线粒体和叶绿体的DNA,均为环状双链DNA，与细菌相似。不同物种细胞中的mtDNA、ctDNA大小不一。例如：mtDNA：动物细胞中周长多为5um；酵母菌26um。人类最短;ctDN

21、A：赤松藻最小，衣藻最大。核中DNA远远大于mtDNA、ctDNA半保留自我复制方式，受核基因调控。如：DNA聚合酶由核基因编码，在细胞质基质中合成。线粒体和叶绿体的核糖体70S，与细菌相似。,线粒体内含有DNA分子，是细胞核以外含有遗传信息和表达系统的细胞器，其遗传特点表现为非孟德尔遗传方式，又称核外遗传。,1981年Anderson等人完成了人类线粒体基因组的全部核苷酸序列的测定。,线粒体基因组,线粒体基因组全长16569bp,1.封闭性双链分子，外为H链，内为L链。,5.不与组蛋白结合，裸露存在。,3.双链均有编码能力，D-环为唯一的非编码区。,6.突变率高，且无DNA修复系统。,2.结

22、构紧凑，无内含子，部分区域有重叠现象。,4.H链含有28个基因，L链含有9个基因,mtDNA突变率比nDNA高1020倍,线粒体基因组,22个tRNA基因,2个rRNA基因,7个NADH脱氢酶亚单位的基因,3个细胞色素c氧化酶亚单位基因,2个ATP酶复合体 成分基因,1个细胞色素b基因,16569bp编码37 个基因,13个mRNA基因线粒体氧化磷酸有关的蛋白质,Mitochondrial DNA,（一）mtDNA的复制具半自主性（二）线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不同,密码子 核编码的AA 线粒体编码的AA,UGA 终 止 色氨酸,AGA,AGG 精氨酸 终止,AUA 异亮氨酸 起始甲

23、硫氨酸,AUU 异亮氨酸 起始甲硫氨酸,tRNA兼用性较强，仅用22个tRNA就可识别多达48个密码子。,线粒体DNA的遗传特征,（三）mtDNA为母系遗传,受精卵中的线粒体DNA几乎全都来自于卵子，来源于精子的mtDNA对表型无明显作用，这种双亲信息的不等量表现决定了线粒体遗传病的传递方式不符合孟德尔遗传，而是表现为母系遗传（maternal inheritance）。,线粒体疾病典型系谱,卵细胞形成过程中线粒体数目从100 000个锐减到少于100个的过程称为遗传瓶颈（genetic bottleneck）。这使得只有少数线粒体真正传给后代，也是造成子代差异的原因。,（四）mtDNA在细胞

24、分裂复制分离过程中存在遗传瓶颈,纯质(homoplasmy)：是指一个细胞或组织中所有的线粒体具有相同的基因组，都是野生型序列或者都是突变性序列。异质(heteroplasmy)：是指一个细胞或组织中所含的线粒体既具有野生型又具有突变性。阈值效应：当突变的mtDNA达到一定的比例时，才有受损的表型出现，这就是阈值效应(threshold effect)。,（五）mtDNA的异质性与阈值效应,任何两个人的mtDNA，平均每1000个碱基对中就有4个不同。有害的突变会由于选择而被消除，故突变的mtDNA基因虽很普遍，但线粒体遗传病却不常见。最近的研究显示，在核基因组中有指导线粒体突变修复的基因存在

25、，但其遗传学意义还有待深入研究。,（六）mtDNA的突变率极高,线粒体基因常见的突变类型 碱基突变 缺失、插入突变 mtDNA拷贝数目突变,线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异参加叶绿体组成的蛋白质来源有种情况：由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成；由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成；由核DNA编码，在叶绿体核糖体上合成。,二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成,三、线粒体蛋白质的运送与组装,蛋白质合成定位的特点：后转移方式 转运前的状态：伸展的前体蛋白 N端的蛋白质信号序列称前导肽 前体蛋白=成

26、熟蛋白+前导肽,前导肽的特点：1）多位于N端，约由2080个氨基酸，富含精氨酸、带羟基的 氨基酸。2）形成一个两性的螺旋，带正电荷的亲水氨基 酸和不带 电荷的疏水氨基酸分别位于的两侧。3）对转运的蛋白质无特异性的要求。,转运后的状态:信号序列在导肽酶的作用下，被切除。形成的成熟蛋白重折叠。,被转运蛋白所到达的特定部位：外膜、内膜、膜间隙、基质。,线粒体蛋白的运送过程 蛋白质解折叠、转运、重折叠。,三、线粒体蛋白质的运送与组装,Simon 布朗棘轮模型主要观点：蛋白在转运孔道内，多肽链做布朗运动摇摆不定，一旦前体蛋白进入线粒体腔，立即有mHsp70结合上去，防止肽链退回细胞基质中。随着肽链的进一

27、步延伸，有更多的mHsp结合。,线粒体蛋白的运送过程是耗能的过程,解折叠 重折叠 转运过程：,Hsp60,Hsp70,mHsp70,ATP,ADP+ATP,三、线粒体蛋白质的运送与组装,第四节 线粒体的增殖与起源,线粒体的增殖线粒体的起源 内共生学说 非共生学说,线粒体的增殖,线粒体的增殖是通过已有的线粒体的分裂，有以下几种形式：,1、间壁分离，分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两个，常见于鼠肝和植物分生组织中。,线粒体的间壁分裂,2、收缩分离，分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。,线粒体的收缩分裂,3、出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，

28、脱落后长大，发育为线粒体。,线粒体的增殖,内共生起源学说,Margulis，1970年：线粒体的祖先-原线粒体 是一种革兰氏阴性细菌；叶绿体的祖先是原核 生物的蓝细菌（Cyanobacteria），即蓝藻。内共生起源学说的主要论据不足之处,线粒体的起源,内共生起源学说的主要论据,基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质，蛋白质合成机制有很多类似细菌而不同于真核生物。两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似。以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。能在异源细胞内长期生存，说明线粒体和叶绿体具有的自主性与共生性的特征。线

29、粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌。发现介于胞内共生蓝藻与叶绿体之间的结构-蓝小体，其特征在很多方面可作为原始蓝藻向叶绿体演化的佐证。,内共生起源学说的不足之处,从进化角度，如何解释在代谢上明显占优势的共生体反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞中？不能解释细胞核是如何进化来的，即原核细胞如何演化为真核细胞？线粒体和叶绿体的基因组中存在内含子，而真细菌原核生物基因组中不存在内含子。,非共生起源学说,主要内容：真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌。它比典型的原核细胞大，这样就要逐渐增加具有呼吸功能的膜表面，开始是通过细菌细胞膜的内陷、扩张和分化，然后逐渐形成了线粒体和叶绿体的雏形。成功之处：解释了真核细胞核被膜的形成与演化的渐进过程。不足之处,非共生起源学说的不足之处,实验证据不多无法解释为何线粒体、叶绿体与细菌在DNA分 子结构和蛋白质合成性能上有那么多相似之处对线粒体和叶绿体的DNA酶、RNA酶和核糖体 的来源也很难解释。真核细胞的细胞核能否起源于细菌的核区？,