细胞生物学：线粒体.ppt

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1、线 粒 体,学习目的与要求,1.掌握线粒体的基本结构、功能；线粒体的遗传体系；蛋白质穿膜进入线粒体。2.熟悉线粒体相关的临床意义。,3.了解线粒体的发生。,主要内容：,第一节 线粒体的基本特征 第二节 细胞呼吸与能量转换第三节 线粒体与疾病,第一节 线粒体的基本特征,一、形态、大小、数目和分布,二、线粒体的超微结构,三、线粒体的化学组成,四、线粒体的遗传体系,五、蛋白质穿膜进入线粒体,六、线粒体的增殖,七、线粒体的功能,一、形态、大小、数目和分布,1.形态 光镜下:线状、粒状、短杆状等。,在一定条件下可改变：低渗时，膨胀呈泡状；高渗时，伸长呈线状。,2.大小 一般直径：0.5-1.0um 骨骼

2、肌细胞的线粒体：长度可达8-10um。,3.数 目：不同类型细胞中差异较大。哺乳动物:肝细胞中2000个左右 肾细胞中300个左右 精子中25个左右,心肌细胞,精子尾部,4.分布：通常分布于细胞生理功能旺盛区域和需要能量多的部位。,二、线粒体的超微结构,电镜下观察：线粒体是由两层单位膜围成的封闭囊状结构。,外 膜,内 膜,膜间腔,（外腔）,嵴,基质腔,（内腔）内含基质,外 膜,包围在线粒体外表面的一层单位膜。厚67nm，平整、光滑。,外 膜,封闭结构使之在细胞质中相对隔绝，保证了线粒体能够不受干扰地进行物质氧化分解。,内 膜,厚约5nm，有高度的选择通透性，借助载体蛋白控制内外物质的交换。,内

3、 膜,集中了电子传递体和氧化磷酸化酶系,ATP 合成酶系，是物质氧化 分解和ATP合成的场所。,嵴,嵴的形态和排列方式主要有两种类型：板层状（大多数高等动物细胞中）小管状（原生动物和一些较低等 动物细胞中）,嵴：内膜向内室折叠形成，增加了内膜的表面积。,板层状嵴,小管状嵴,基粒（ATP合酶）：内膜和嵴膜基质面上带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。,转位接触点（translocation contact site）在线粒体的内、外膜上存在的一些内膜与外膜相互接触的地方，此处膜间隙变狭窄，称为转位接触点。内膜转位子（Tim）通道蛋白外膜转位子（Tom）受体蛋白功能：蛋白质等物质进出线粒体的通道。,

4、黑色箭头所指为转位接触点；红色箭头所指为通过转位接触点转运的物质,嵴内腔,基粒（ATP酶）,基质(内腔),内膜和嵴围成的腔。,脂 类,蛋白质,酶 类,线粒体 DNA,线粒体DNA,线粒体 mRNA,线粒体tRNA,线粒体核糖体,线粒体核糖体,基质颗粒,基质颗粒,三羧酸循环的场所。线粒体内DNA、蛋白质合成的场所。,三、线粒体的化学组成,蛋白质：占65%-70%，内膜含量较多。,可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白；,不溶性蛋白：构成膜的镶嵌蛋白、结构 蛋白和部分酶蛋白。,脂 类：占干重的25%-30%,水、辅酶、维生素、金属离子等。,线粒体中酶的分布,线粒体主要酶的分布,部 位,外 膜,脂类代

5、谢有关的酶,特征酶：单胺氧化酶,膜 间 腔,腺苷酸激酶、核苷酸激酶,特征酶：腺苷酸激酶,内 膜,呼吸链氧化反应的酶系、ATP合成酶系,特征酶：细胞色素（c）氧化酶,嵴 间 腔,三羧酸循环反应、丙酮酸与脂肪酸氧化 的酶系、蛋白质和核酸合成酶系,特征酶：苹果酸脱氢酶,1963年，在鸡卵母细胞中发现线粒体DNA并分离到完整的线粒体DNA（mtDNA）1981年，发表了完整的人mtDNA序列1987年，提出mtDNA突变可引起人类的疾病迄今为止，已发现人类100余种疾病与线粒体DNA突变有关,四、线粒体的遗传体系,人mtDNA是一个长为16,569 bp的双链闭合环状分子,mtDNA的结构模式图,（一

6、）mtDNA的结构特点,双链闭环分子，外环为重(H)链，内环为轻(L)链无内含子、基因之间少有间隔无核苷酸结合蛋白，缺少组蛋白的保护无DNA损伤修复系统,线粒体遗传病,（二）mtDNA的遗传特征,半自主性复制,线粒体遗传病,mtDNA能独立复制、转录和翻译，但又受核DNA的影响。,mtDNA系母系遗传,人类受精卵中的线粒体绝大部分来自卵母细胞。因此，线粒体病是从受累的女性传递下来。,（三)线粒体蛋白质合成系统,MtDNA,RNA前体,切割加工,13种mt-mRNA22种mt-tRNA2种mt-rRNA(12S,16S),转录,1.线粒体RNA转录,呼吸链蛋白质的组成,2.特点：（与胞质蛋白质合

7、成相比）,1)各种RNA是线粒体所独有的 RNA聚合酶的抑制剂 线粒体：菲啶溴红（E.B.）类似原 核细胞 真核细胞：放线菌素D、a鹅膏覃碱,2）核糖体对药物的敏感性不一样 线粒体：氯霉素、红霉素 真核细胞胞质：放线菌酮,3）转录、翻译在同 一时间和地 点进行,密码子,线粒体密码,通用遗传密码,UGA,AUA,AGG,色氨酸,甲硫氨酸,终止子,终止子,异亮氨酸,精氨酸,4）通用遗传密码与线粒体遗传密码的差别,线 粒 体 遗 传 系 统 与 核 遗 传 系 统 的 相 互关系,五、蛋白质穿膜进入线粒体,线粒体中的蛋白质绝大多数由核基因编码，在细胞质中的游离核糖体合成，称前体蛋白，将定向转运至线粒

8、体。,外膜,内膜,1、去折叠,1.去折叠,2.穿线粒体膜,3.重折叠,？,线粒体含有4个蛋白质输入的亚区域：线粒体外膜 线粒体内膜 膜间腔 基质,蛋白质转运涉及的转位因子模式图,蛋白质转运涉及的转位因子 TOM复合体：通过外膜，进入膜间腔。TIM复合体：进入基质(TIM23)或插入 内膜(TIM22)OXA复合体：将线粒体合成的蛋白质和 某些进入基质的蛋白质插 到内膜上。,(一)蛋白质向线粒体基质中的转运,1.需要条件,基质导入序列（matrix-targeting sequence，MTS）:,输入到线粒体的蛋白质在其N-端的一段靶序列，线粒体外膜和内膜上的受体能识别并结合相关的MTS。,分

9、子伴侣：协助核基因编码的蛋白 质进入线粒体中。,蛋白质向线粒体基质转运示意图,2.蛋白质运送过程,（1）运送之前，蛋白质大多以前体形式存在。,（2）蛋白质运送时经解折叠和重新折叠。,折叠 解折叠 重新折叠,（3）外膜有专一性不太强的受体参与作用。,（4）线粒体内外膜之间存在接触点，蛋白质通过此处的TOM和TIM复合体，进一步进入基质。,分子伴侣,分子伴侣,(二)蛋白质向线粒体其他部位的转运,1.蛋白质向线粒体膜间腔的转运,信号序列,基质导入序列（MTS）：引导前体蛋白进入 基质。膜间腔导入序列（ISTS）：引导前体蛋白 进入膜间腔。,转运方式,蛋白进入基质，第2个信号序列ISTS引导多肽链通过

10、内膜上的通道进入膜间腔。第2个信号序列ISTS起转移终止序列的作用，阻止前体蛋白向基质转运，并固定于内膜上，切去位于内膜上的ISTS部分后，进入膜间腔。通过直接扩散从胞浆经过外膜而进入膜间腔。,蛋白质向线粒体膜间腔转运示意图,2.蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运,在外膜蛋白的转运中，类孔蛋白P70的研究最多。在P70的MTS后有一段长的疏水序列，也起转移终止序列的作用，而使之固定于外膜上。内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚。,蛋白质向线粒体内膜转运示意图,六、线粒体的增殖,细胞质中重新形成 线粒体分裂 间壁分离 收缩分离 出芽分离,间壁分离,收缩分离,出芽分离,线粒体的增殖,间壁分离:,收缩分

11、离:,出芽分裂:,线粒体的内膜向中心内褶形成间壁，或某一个嵴的延伸。当延伸到对侧内膜时，线粒体一分为二。,线粒体中央部分收缩并向两端拉长，中央形成很细的颈，整个线粒体成哑铃形，最后断裂成两个新线粒体。,先从线粒体上长出小芽，然后小芽与母线粒体分离，经过不断长大，形成新的线粒体。,线粒体分裂狗心肌细胞线粒体新生鼠肝细胞线粒体,2,1,3,七、线粒体的功能,氧化磷酸化 营养物质在线粒体内氧化并与磷酸化耦联生成ATP是线粒体的主要功能。2.摄取和释放Ca2+在摄取Ca2+和释放Ca2+中起着重要的作用，线粒体和内质网一起共同调节胞质中的Ca2+浓度，从而调节细胞的生理活动。,3.参与细胞死亡 在某些

12、情况下，线粒体是细胞死亡的启动环节；而在另一些情况下，线粒体则是细胞死亡的一条“通路”。,ATP是生命活动的直 接供能者。线粒体通过氧化磷酸 化合成生物体所需能 量(ATP)的90%以上。,生命活动需要能量,第二节 细胞呼吸与能量转换,细胞呼吸（cellular respiration)在特定细胞器（主要是线粒体）内，依靠酶的催化，利用氧将细胞中的供能物质氧化、分解，产生CO2；释放出的能量储存于ATP的过程。此过程又称为细胞氧化（cellular oxidation),细胞呼吸时，释放的能量可通过ADP的磷酸化而及时储存于ATP的高能磷酸键中作为备用；当细胞需要能量时，ATP又可去磷酸化，断

13、裂一个高能磷酸键以释放能量来满足机体需要。,ATP中所携带的能量来源于糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化。,细胞呼吸的特点 由酶系所催化的氧化还原反应；所产生的能量储存于ATP中；反应过程分步进行，能量逐步释放；在恒温(37)和恒压条件下进行;,反应过程中需要H2O的参与,慢跑，细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同时产生二氧化碳和水。快跑，细胞将葡萄糖分解成乳酸和二氧化碳。,基本过程（葡萄糖为例）：,酵 解,乙酰辅酶A的形成,三羧酸循环,电子传递偶联氧化磷酸化,一、酵 解：,2丙酮酸+2H+2ATP+2NADH（C3H4O3)+2H2O,葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+（C6H12O6）,1.特

14、点：（1）不需氧，细胞质基质中进行（2）净生成2个ATP，能量储藏在 丙酮酸中。,底物水平磷酸化（substrate-level phosphorylation）：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的作用。,经糖酵解过程，通过底物水平磷酸化，净生成2分子ATP。,底物水平磷酸化,2.NADH+H+通过穿梭机制进入线粒体,线粒体内膜苹果酸天冬氨酸穿梭机制,二、乙酰辅酶A生成,乙酰-CoA+2NADH+2H+CO2,C3H4O3+辅酶A(CoA)+2NAD+,特点：（1）线粒体基质中进行（2）3C的丙酮酸变成活泼的2C乙酰辅酶A（3）无ATP形成,三

15、、三羧酸循环,在线粒体基质中，乙酰CoA与草酰乙酸结合成柠檬酸而进入三羧酸循环，经过一系列的代谢反应，乙酰基被氧化分解，草酰乙酸再生。三羧酸循环是三大营养素的最终代谢通路。糖、脂肪、氨基酸在体内进行生物氧化都将产生乙酰CoA，然后进入三羧酸循环降解。,三羧酸循环,葡萄糖,丙酮酸,NAD,NADH2,CO2,乙 酸,CoA,乙酰CoA,草酰乙酸,三羧酸循环（柠檬酸循环）,柠檬酸,顺乌头酸,异柠檬酸,NAD,NADH2,CO2,-酮戊二酸,NAD,NADH2,CO2,琥珀酸,FAD,FADH2,延胡索酸,苹果酸,NAD,NADH2,1,2,3,1,注：NAD（辅酶I）:尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸FAD

16、（黄酶）:黄素腺嘌呤二核苷酸,乙酰辅酶A+草酰乙酸（2C）（4C）,柠檬酸（6C）,3对以NAD为氢受体四对氢原子（NAD+NADH）1对以FAD为氢受体（FAD FDAH2）2个CO2,特点：（1）反应在线粒体基质中进行（2）7次连续反应为一次循环（3）生成一分子GTP,7个连续反应,四、氧化磷酸化耦联与ATP形成,将物质氧化过程中脱下的氢原子通过线粒体内膜上一系列呼吸链酶系的逐级传递，最后与氧结合成水。电子传递过程中释放的能量用于ADP磷酸化为形成ATP。,(一)氧化磷酸化的结构基础,1.呼吸链,代谢物脱下的成对氢原子通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最后与氧结合生成水，此传递过程

17、称为呼吸链。参加呼吸链的酶及辅酶按一定顺序在线粒体内膜上排列，进行氢和电子的传递，故又称为电子传递链。,只传递电子的酶和辅酶称为电子传递体，可分为醌类、细胞色素和铁硫蛋白三类化合物；既传递电子又传递质子的酶和辅酶称为递氢体。除泛醌和细胞色素c外，组成呼吸链的成员分别组成了、四个复合体，是线粒体内膜的整合蛋白。CoQ是脂溶性的蛋白质，可在脂双层中从膜的一侧向另一侧移动；Cytc是膜周边蛋白，可在膜表面移动。,NADH-还原酶,细胞色素C还原酶,细胞色素C氧化酶,FADH2-还原酶,NADH-还原酶,细胞色素C氧化酶,细胞色素C还原酶,I、III、IV组成的呼吸链催化NADH的氧化。II、III、

18、IV组成的呼吸链催化琥珀酸的氧化。,线粒体内膜（包括嵴）的内表面附着的圆球形基粒。ADP磷酸化生成ATP的关键装置。化学本质是ATP合酶复合体，也称F0F1ATP合酶。,2.ATP合酶复合体,ATP酶复合体抑制多肽（调节酶活性）,对寡酶素敏感蛋白（OSCP),疏水蛋白（HP F0),头部,:合成ATP,:调节质子通道,柄部,：质子的通道,基片,可溶性的ATP酶（F1),磷酸化的结构基础：ATP合酶,经糖酵解和三羧酸循环产生的NADH和FADH2 是还原性的电子载体，它们所携带的电子经内膜上的呼吸链传递给O2，本身则被氧化。电子传递过程中释放出的能量被ATP合酶用来催化ADP磷酸化而合成ATP，

19、ATP生成部位即是氧化磷酸化偶联部位。,(二)氧化磷酸化耦联,ATP形成的偶联部位呼吸链上有3个主要的放能部位,NAD,黄酶（FMN）,辅酶Q,细胞色素 b,c1,c,a,a3,O2,4,ADP+Pi,ATP,ADP+Pi,ATP,ADP+Pi,ATP,FADH2,载氢体NADH和FADH2进入呼吸链的部位不同，所释放的自由能也有差异。1分子NADH+H+经过电子传递，释放的能量可以形成3分子ATP；而1分子FADH2所释放的能量则能够形成2分子ATP。,Mitchell(1961，英国)提出，该学说认为：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腔，形成质子动力势。以这种势能

20、作为动力，驱动磷酸化反应，合成ATP。,（三）耦联机制-化学渗透假说,化学渗透假说过程：NADH或FADH2提供一对电子，经电子传递链，最后为O2所接受；电子传递链同时起H+泵的作用，在传递电子的过程中伴随着H+从基质到膜间腔的转移；随着电子传递的进行，H+在膜间腔中积累,造成了内膜两侧的质子浓度差，从而保持了一定的势能差；膜间腔中的H+有顺浓度返回基质的倾向，能借助势能通过ATP酶复合体的质子通道渗透到线粒体基质中，所释放的自由能驱动ATP合酶合成ATP。,ATP,ADP+Pi,L,（四）ATP合成的结合变构机制,T,O,ATP合成的结合变构机制,质子流引起亚基旋转120,亚基旋转120,质

21、子流引起亚基旋转120,1,2,3,结合变构机制认为：质子运动所释放的能量不直接用于ADP磷酸化，主要用于改变活性位点与ATP产物结合的亲和力。ATP合酶上的3个亚基以3种不同的构象存在。从而使它们对核苷酸有不同的亲和性。通过F0“通道”的质子流引起c亚基环和附着与其上的亚基纵轴在33的中央进行旋转，旋转由F0质子通道所进行的质子跨膜运动来驱动。,电子传递与氧化磷酸化过程,第三节 线粒体与医学,线粒体与疾病治疗,成 分 应 用,细胞色素C 缺氧急救和辅助药。如CO中毒、新生儿窒息、高山缺氧、肺功 能不全辅酶Q 治疗肌肉萎缩症、牙周病、高 血压、肿瘤；急性黄疸肝炎辅 助药辅酶I（NAD+）治疗进行性肌肉萎缩症、肝病,思考题 1.线粒体有何结构特征？其与细胞能量转 换的关系如何？2.线粒体蛋白质是如何转运到线粒体内 的？3.线粒体嵴上的基粒结构和功能如何？4.以葡萄糖为例简述细胞氧化的过程。5.为什么说线粒体是一个半自主性的细胞 器？6.简述线粒体的增殖方式。7.线粒体与医学实践有何关系？,谢 谢,