第章线粒体与细胞的能量转换.ppt

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1、第六章 线粒体,Mitochondrion,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,2,教学基本要求,1.掌握线粒体形态、数量、分布等显微特征；2.掌握线粒体的超微结构；熟悉线粒体的化学组成；3.熟悉线粒体基因组结构与特征；了解线粒体遗传系统与细胞核遗传系统的相互关系；4.熟悉氧化磷酸化的概念与机制；5.了解线粒体相关的临床意义,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,3,第一节 线粒体的基本特征,一、线粒体的形态、数量和结构（一）线粒体的形态、数量与分布1.形态：一般呈粒状或杆状。可呈线状，哑铃形、分杈状或其它形状，因生物或细胞种类和生理状态而异。如肝细胞的呈椭球形和棒状

2、，口腔粘膜上皮细胞的是球形颗粒，酵母菌的是分支形的。低渗状态下呈泡状，高渗状态下成线状；人胚肝细胞线粒体在发育早期是短棒状，晚期长棒状。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,4,2.大小：一般直径0.51.0m,长1.53.0 m。在胰脏外分泌细胞中可长达1020 m，称巨线粒体3.数量：因细胞的种类而不同，一个细胞中的线粒体数一般为几百到几千个。哺乳动物成熟红细胞中无线粒体。单细胞鞭毛藻1个酵母细胞1个大型分支的线粒体肝细胞约1300个巨大变形虫50万个,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,5,4.分布：与细胞能量需求相适应。代谢旺盛的细胞中较多功能活动旺盛的区域

3、中较多：如在肝细胞中呈均匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行或栅状排列，肠表皮细胞中呈两极性分布，集中在顶端和基部，在精子中分布在鞭毛中段。线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,6,（二）线粒体的结构,1.外膜(outer membrane)（1）形态：光滑平整，厚57nm（2）组成：脂类与蛋白质各约1/2，标志性酶是单氨氧化酶（3）功能特性：通透性较高。含多种转运蛋白（孔蛋白，有直径23nm的含水孔道），允许分子量在10000以下的物质自由通过。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,7,2.内膜(inner membrane

4、)（1）形态：向内腔折叠形成嵴，表面积大；嵴上有特化的基粒，膜厚4.5nm；（2）结构区域：基质腔(matrix space)：内膜围成，含基质，膜间腔(intermembrane space)：内外膜之间的腔嵴(cristae):嵴是内膜向内腔突起形成的板状或管状折叠。嵴间腔(intercristae space)嵴内腔(intracristae space),2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,8,（3）组成：脂类20%，蛋白80%，内膜的标志性酶是细胞色素氧化酶和琥珀酸脱氢酶。（4）功能特性：通透性较低，分子量大于150的物质不能通过；有多种转运蛋白，选择通透性强。3.转位

5、接触点（translocation contact site）（1）定义：线粒体内、外膜相互接触的位置，此处膜间腔的狭，称为转位接触点，是物质进出线粒体的通道。（2）功能性成分外膜转位子（Tom）受体蛋白内膜转位子（Tim）通道蛋白,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,9,4.基质（matrix）基质腔和嵴间腔中的胶状物质，成分有：（1）酶类：三羧酸循环，脂肪酸氧化，氨基酸分解，蛋白质合成等；标志酶是苹果酸脱氢酶。（2）DNA：双链环状（3）核糖体：70S5.基粒(elementary particle)基粒是内膜基质腔面的ATP酶复合体，可催化ADP磷酸化生成ATP。,2009

6、-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,10,二、线粒体的化学组成,线粒体的化学组成,（一）蛋白质（占干重的6570%）,（三）DNA及遗传系统（有遗传半自主性）,（二）脂类(占干重的25-30%),1.成分：卵磷脂、脑磷脂、心磷脂及磷脂酰肌醇；2.特征：卵磷脂含量最高，含心磷脂，胆固醇含量低,1.可溶性蛋白：基质中的酶蛋白和膜外在蛋白2.不溶性蛋白：嵌入膜内的结构蛋白和酶蛋白,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,11,三、线粒体的遗传体系,线粒体有自己的基因表达系统，但只编码10多种蛋白质，线粒体中已确定的酶有120多种，是半自主性细胞器。,2009-08,细胞生物学与遗传学

7、教研室陈贤均制,12,（一）线粒体基因组特征1.线粒体基因组的结构（1）DNA 分子特征：环状，16 596 bp，1个分子，多个拷贝。（2）基因数量与类别：重链28个基因，轻链9个基因，编码序列占93%2个rRNA基因22个tRNA基因13个蛋白质基因,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,13,13个蛋白质基因：1个编码细胞色素C还原酶b亚单位 2个编码ATP酶复合体F0部位的亚单位3个编码细胞色素C氧化酶亚单位7个编码呼吸链NADH脱氢酶亚单位,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,14,2.线粒体基因组的结构与功能特征（1）结构紧密，无内含子，很少有非翻译区，编

8、码序列占93%；并有重叠基因（2）裸露、环状（3）成熟的mRNA 5端没有帽，3端有55个多聚A的尾部（4）有特殊密码（5）复制不受细胞周期限制（6）突变率高，缺乏修复能力（7）呈母系遗传,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,15,线粒体遗传系统的特殊密码子,Return to Page 19,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,16,（二）线粒体基因表达1.转录及转录产物的特征转录分别起始于重链启动子(HSP)和轻链启动子(LSP)转录产物是包括mRNA和tRNA的多顺反子（类似于原核生物）mRNA不含内含子，很少有非翻译区3有多聚A尾部，5端无帽,2009-08

9、,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,17,2.翻译翻译在线粒体核糖体中进行（核糖体蛋白由核基因编码，由细胞质运往线粒体）所有tRNA均由mtDNA编码多肽链起始氨基酸为甲酰甲硫氨酸（同原核生物）,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,18,（三）线粒体DNA的复制1.重链、轻链各有一个复制起始点2.重链先复制，顺时针方向；轻链后复制，逆时针方向；复制需2小时3.复制不受细胞周期限制,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,19,四、核基因编码蛋白质向线粒体的转运,（一）前体蛋白在线粒体外去折叠前体蛋白与分子伴侣Hsp70结合，保持非折叠状态；前体蛋白的N-端有识别和牵引作

10、用的导肽。（二）多肽链穿越线粒体膜非折叠蛋白与线粒体转位接触点的受体结合通过内、外膜进入线粒体。（三）多肽链在线粒体基质内重新折叠多肽链与Hsp70分离，由Hsp60等分子帮助其折叠成自然的空间结构，并由蛋白酶水解导肽。上述三个过程均需要分子伴侣的协助，并需水解ATP供能。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,20,五、线粒体的起源与发生,（一）线粒体的起源（二）线粒体的发生,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,21,第二节 细胞呼吸与能量转换,一、细胞呼吸1.定义：在特定细胞器（主要是线粒体）内，在O2的参与下，分解大分子物质，释放出能量并储存于ATP的过程成为细

11、胞呼吸（cellular respiration）,也称为生物氧化（biological oxidation）。2.特点本质上是在线粒体中进行的由一系列酶催化的氧化还原反应；所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中；反应在恒温、恒压条件下进行；反应过程中需要O2和H2O的参与。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,22,二、高能分子ATP通过ADP与ATP之间的相互转化进行细胞能量的转换与储存。转换过程可表示为：,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,23,第三节 细胞的能量转换,细胞所需能量来自细胞对葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等能源物质的细胞氧化。细胞氧化可分为3个阶段：

12、糖酵解和乙酰CoA 的生成三羧酸循环氧化磷酸化,营养物质,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,24,一、糖酵解和乙酰CoA 的生成,2NAD+2NADH C6H12O6 2CH3COCOOH+2H+2ADP+2Pi 2ATP 在细胞质基质中进行，不需氧。丙酮酸脱氢酶2CH3COCOOH+2HSCoA 2CH3CO-SCoA+2CO2+2H+2NAD+2NADH 在线粒体基质中进行，不需氧。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,25,二、三羧酸循环,6NAD+2FAD 6NADH+2FADH2 2CH3CO-SCoA+6H2O 4CO2+2HSCoA+6H+2GDP+

13、2Pi 2GTP 在线粒体基质中进行，不需氧。,-磷酸甘油穿梭机制,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,28,三、氧化磷酸化,（一）呼吸链和ATP酶复合体1.呼吸链糖酵解和三羧酸循环中脱下的氢，以质子和电子的形式通过多种酶和辅酶构成的传递体系逐步传递，最后与氧结合成水。这样的递氢和递电子体系称为呼吸链或电子传递链。呼吸链中的酶和辅酶先构成酶复合体，再由酶复合体构成呼吸链。呼吸链中酶复合体按照严格的顺序排列在线粒体内膜上；在电子传递过程中逐步释放出能量，并储存于ATP中,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,29,线粒体内有两条主要的呼吸链：（1）由复合体I、III、I

14、V组成，催化NADH的脱氢氧化。（2）由复合体II、III、IV组成，催化FADH2的脱氢氧化。任何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而是由CoQ，Cyt c这样的可扩散性分子连接。,Turn to page 42,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,30,呼吸链中的脂蛋白复合体及其辅基成分,*伴随H+跨膜转运，#不伴随H+跨膜转运。不参与复合体构成的载体成分：NAD,CoQ,Cyt c,Return to Page 37,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,31,2.ATP合酶(ATP synthetase)复合体（基粒）,基粒/ATP合酶复合体的分布、形态与结构

15、,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,32,2.ATP合酶(ATP synthetase)复合体（1）形态：状如蘑菇，由8种22个蛋白亚单位构成，分子量500KD，。分为球形的头部（F1）和嵌入膜中的基部（F0）。每个肝细胞线粒体通常含15000个ATP合酶，每个酶每秒钟可产生100个ATP。,ATP合酶的结构（Lodish等1999）,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,33,（2）头部（F1）：F1由5种多肽组成33复合体，具有三个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，并与F0接触，帮助与F0结合。与F0的两个b亚基形

16、成固定复合体的结构。,ATP合酶的结构（Lodish等1999）,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,34,（3）基片（F0）：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。,ATP合酶的结构（Lodish等1999）,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,35,（二）氧化磷酸化的作用机理1.质子动力势根据“化学渗透假说”，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，使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度及电位梯度，两者共同构成电化学梯度，即质子动力势。,2009

17、-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,36,2.ATP合酶作用机理(1)质子动力势的存在使膜间腔中的质子顺电化学梯度经ATP酶复合体的质子通道由F0F1返回基质中，同时释放能量改变ATP合酶的构象，从而改变ATP合酶与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,37,(2)在特定时间，F1的3个亚基的构象不同，三个催化位点与核苷酸的亲和力不同。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,38,在L构象，ADP、Pi与酶疏松结合在一起；在T构象ADP、Pi与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起成ATP；在O构象ATP与酶的

18、亲和力很低，被释放出去。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,39,(3)质子通过F0时，释放能量引起c亚基环旋转，从而带动亚基旋转，亚基的旋转引起亚基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。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,40,第四节 线粒体与细胞凋亡,一、与细胞死亡有关的线粒体机制线粒体产生大量超氧阴离子形成活性氧组分（Reactive oxygen species,ROS）1.ROS水平低时，促进细胞增生2.ROS水平高时，线粒体内膜非特异性通透性孔道开放，caspase级联活化，caspase-3启动凋亡。,2

19、009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,41,二、线粒体控制细胞死亡的假说,线粒体前期（premitochondrial phase）：也称诱导期，诱导细胞死亡的因子被激活。线粒体期（mitochondrial phase）：也称效应期，线粒体膜的通透性发生改变，是控制细胞死亡的关键时期，一旦进入这一点，细胞将不可避免地发生后续过程。线粒体后期（postmitochondrial phase）：也称降解期，线粒体释放蛋白质，激活蛋白酶和核酸酶，介导后续的死亡机制。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,42,第五节 线粒体育医学,一、疾病过程中的线粒体变化线粒体对外界环境因

20、素的变化很敏感，一些环境因素的影响可直接造成线粒体功能异常。随这年龄增长，线粒体的氧化磷酸化能力下降。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,43,二、线粒体基因突变导致疾病,（一）线粒体病的特征1.多系统疾病，需能越多、磷酸化约活跃的组织器官累及越重。首先是脑组织、肌组织、肝组织，其次为周围神经、肾、内分泌腺体2.具有多质性（polygeneity）或异质性（heterogeneity）3.母系遗传4.阈值效应,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,44,（二）线粒体病举例1.Leber遗传性视神经病：mtDNA点突变致视神经萎缩，视力减退，中央视觉消失，视神经炎等。

21、2.肌阵挛性癫痫伴碎红肌纤维病：mtDNA点突变致线粒体呼吸链酶复合体I和IV蛋白合成受阻；表现肌阵挛性癫痫，全身性抽搐，小脑共济失调，红肌纤维破损。3.母系遗传性肌病和心肌病：mtDNA点突变致线粒体肌病和肥大性心肌病。4.Kerans-Sayre综合征：mtDNA缺失，眼外肌瘫痪、视网膜色素变性、心脏传导阻滞三联症。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,45,（三）线粒体病治疗的基本措施1.补充疗法：补充呼吸链所需的酶与辅酶，如辅酶Q。2.选择疗法：药物帮助排除突变线粒体，选择性保留正常线粒体。3.基因疗法：转入正常的线粒体基因。,2009-08,细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制,46,思考题,1.线粒体的形状、数量与分布与何因素有关？是何关系？2.线粒体的内外膜各有何特征？3.简述线粒体超微结构、线粒体基粒的结本结构和功能。4.线粒体基因组具有哪些特点？5.为什么说线粒体起源于原核生物？6.为什么说线粒体是半自主性细胞器？7.细胞能量转换（生物氧化）可分为哪几个阶段？各阶段的反应物与终产物是什么？,