8 线粒体

nullnullMitochondrion中南大学生物科学与技术学院细胞生物学系文斗斗线粒体nullnullnull 第一节 线粒体的形态结构一. 形态、大小、数目和分布一. 形态、大小、数目和分布多形性：线状、颗粒状、环形、哑铃型等1. 形态null 在一定条件下，同一种细胞线粒体形态是可逆的。如细胞处于低渗时，线粒体膨胀呈泡状；而处于高渗环境下，线粒体则伸长呈线状。可逆性null 2. 大小 细胞中较大的细胞器，与细胞种类、生理状况有关，一般直径： 0.5-1.0 µm；长度： 1.5-3.0 µm。null不同类型细胞中差异较大3.数目与生理状态有关有细胞不含线粒体？4. 分布4. 分布null二.线粒体的超微结构nullnull包围在线粒体外面的一层单位膜。厚6-7nm，平整、伸展、光滑。外膜外膜null高度的选择通透性，借助载体蛋白控制内外物质的交换。褶皱向内突起形成—嵴内膜嵴厚约6 nm内膜null 主要有两种类型： 板层状（胰腺细胞和肾小管上皮细胞 ） 小管状（肾上腺皮质细胞 ）嵴：内膜向内室折叠形成，可增加内膜的表面积。嵴与基粒线粒体中形态变化最大的结构线粒体嵴的数目 与细胞本身的生理活动有关线粒体嵴的数目 与细胞本身的生理活动有关nullnull内膜嵴 基粒 （ATP酶复合体）基粒（ATP酶复合体）null ATP酶复合体抑制多肽 10ku（调节酶活性）对寡酶素敏感蛋白（OSCP) 18 ku疏水蛋白 （HP F0 ) 70 ku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) 360kunull膜间隙嵴间腔嵴内腔嵴 基粒（ATP酶）基质脂类、蛋白质、酶类mt DNA线粒体DNA线粒体合成用 mRNA、 tRNA、核糖体线粒体核糖体基质颗粒基质颗粒null第二节 线粒体 化学组成与酶的定位一. 线粒体的化学组成一. 线粒体的化学组成占干重的65% -70%，内膜及基质较多可溶性蛋白：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。1.蛋白质2. 脂类2. 脂类3. 其他3. 其他辅酶、维生素、金属离子等null二 . 线粒体中酶的分布 线粒体主要酶的分布部 位外 膜脂类代谢有关的酶特征酶：单胺氧化酶null 第三节 线粒体的功能null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 与氧自由基生成、程序性死亡、信号转导、离子跨膜转运以及电解质稳态平衡的调控等有关null 依靠酶的催化，利用氧将细胞中的供能物质氧化、分解、释放能量，并排出CO2和H2O的过程。由于这一过程在细胞内进行，所以又称为细胞呼吸（cellular respiration)。细胞氧化（cellular oxidation)null酵解乙酰辅酶A形成三羧酸循环电子传递偶联氧化磷酸化细胞氧化的主要步骤nullnull酵 解2丙酮酸（C3H4O3 ）+ 2H2O 葡萄糖 （C6H12O6） 特点： （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2NAD+2NADH + 2H+2ADP + 2Pi2ATPnull乙酰辅酶A生成乙酰-CoA + CO2C3H4O3 +辅酶A(CoA)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2NAD+2NADH + 2H+null葡萄糖丙酮酸NADNADH2CO2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NADCO2-酮戊二酸NADCO2琥珀酸FADFADH+H+延胡索酸苹果酸NAD1231三羧酸循环NADH+H+NADH+H+NADH+H+null三羧酸循环乙酰辅酶A+草酰乙酸 （2C） （4C）柠檬酸（6C） 3对NAD为氢受体 四对氢原子 （NAD+ NADH） 1对FAD为氢受体 （FAD FADH2） 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GTP7个连续反应null电子传递偶联氧化磷酸化 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ATP。null一、氧化磷酸化的分子基础1. 电子传递链NADH-CoQ还原酶琥珀酸-CoQ还原酶细胞色素c及其氧化酶两条呼吸链：NADH呼吸链和FADH2呼吸链CoQ细胞色素c还原酶(Fe-S)FMNbc1(FeS)a-Cua3-Cunullnull电子传递链特点（1） 除辅酶Q和细胞色素C外，呼吸链组分均以酶复合体嵌入在线粒体内膜上。包括复 合体 I、II、III、IV 。（3） 有一定的顺序和方向，按氧化还原电势递 增的方向传递(NAD+/NADH最低，O2/H2O最高)（4） 能量逐渐释放。（2）电子传递链各组分在膜上不对称分布2. ATP合成酶2. ATP合成酶null二、氧化磷酸化的偶联机制1. 质子动力势形成：电子传递形成H+浓度差null质子动力势形成：电子传递形成膜电位null2. 质子动力势驱动ATP形成3. 质子动力势的其他功能3. 质子动力势的其他功能null4.一分子葡萄糖产生ATP的统计: 底物水平的磷酸化 4ATP(细胞质) 已糖分子活化消耗 -2ATP(细胞质) 产生2NADH 4ATP(3-磷酸甘油) 6ATP(苹果酸)净累积: 6或8ATP糖酵解null 产生2NADH(线粒体) 6ATP总计生成 36或38ATP丙酮酸氧化脱羧:null第四节 线粒体的半自主性半自主性细胞器概念半自主性细胞器概念 线粒体有自己的遗传系统和蛋白质合成体系。但线粒体DNA只编码少量线粒体蛋白质，大多数蛋白质是由核DNA编码，线粒体基因的复制与表达所需的许多酶，又是由核DNA所提供，所以线粒体是一个半自主性的细胞器。 null一、mtDNA的结构特点动物细胞核外唯一含有DNA的细胞器 双链闭环分子，外环为重(H)链，内环为轻(L)链 编码13种蛋白质、22种tRNA和2种rRNA线粒体遗传病nullmtDNA的结构特点线粒体遗传病无内含子、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mtDNA易于突变nullmtDNA半自主性复制mtDNA半自主性复制附着在线粒体内膜上并以此为复制起点 不局限于S期，贯穿细胞整个周期 mtDNA聚合酶由核DNA编码 null二、线粒体蛋白质合成系统 mtDNA RNA前体切割加工13种mt-mRNA 22种mt-tRNA 2种mt-rRNA(12S,16S)转录 蛋白质生物合成所必须的各种RNA都是线粒体所特有的null线粒体：菲啶溴红（E.B.） 真核细胞：放线菌素D -鹅膏覃碱(-amanitine)1. RNA聚合酶null2.核糖体比胞质核糖体小动物线粒体：50~60S胞质线粒体：80Snull(3) 遗传密码与通用密码有差异 （2） 起始tRNA不同 线粒体：N—甲酰甲硫氨酰tRNA 真核细胞胞质：甲硫氨酰tRNA （1） 转录翻译时间地点3. 蛋白质合成过程通用遗传密码与 线粒体遗传密码的差别通用遗传密码与 线粒体遗传密码的差别null三、线粒体遗传系统与细胞核遗传系统的相互关系null 第 五 节 线粒体蛋白质穿膜进入线粒体nullnullnull二.导肽的性质N末端引伸出的一段含20—80个氨基酸的肽链。 1.含有较多带正电荷的碱性氨基酸（特别是精氨 酸、赖氨酸）。2.缺少或不含带负电荷的酸性氨基酸。3.含丰富的羟基氨基酸（特别是丝氨酸）。4.能形成两性分子的螺旋结构。使导肽加强 与膜的相互作用，有利于穿膜。null蛋白质运送过程的特性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. 由内膜进入基质是一种需能的过程。内、外膜之间存在接触点，供蛋白质进 一步插入到基质中。 分子伴侣分子伴侣null导肽在线粒体穿膜的作用导肽只决定穿越线粒体，而对被运输的蛋白质无特异性。导肽只决定穿越线粒体，而对被运输的蛋白质无特异性。酵母：（线粒体） 细胞色素氧化酶IV 导肽基因（CoxIV基因）小鼠：（细胞质） 二氢叶酸还原酶 基因（ DHFR基因）融合基因融合酵母中表达酵母线粒体基质中发现DHFR蛋白质杂合蛋白（连有CoxIV导肽的DHFR）导肽对线粒体蛋白质 具有分选转运的作用导肽对线粒体蛋白质 具有分选转运的作用null第六节 线粒体的生物发生null一、 线粒体的增殖(一) 关于增殖的两种观点： 1. 在胞质中重新形成 ？ 2. 由原来的线粒体分裂或出芽而产生？nullnull间壁分离收缩分离出芽分离（二）分裂方式nullnull线粒体分裂 狗心肌细胞线粒体 新生鼠肝细胞线粒体213null二.线粒体的起源1.内共生假说2.非共生假说内共生假说内共生假说 起源于古老厌氧真核细胞共生的需氧细菌在长期进化过程中，两者共生联系紧密，共生细菌的大部分遗传信息转移到细胞核上，留在线粒体内的遗传信息减少。 endosymbiosis hypothesis内共生假说的依据内共生假说的依据◆基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似核糖体为70S与细菌相同，而真核细胞为80S◆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。◆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。内共生假说的依据内共生假说的依据◆线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。◆能在异源细胞内长期生存，说明线粒体具有的自主性与共生性的特征。◆以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同null疑点1.不能解释在代谢上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。2.线粒体细胞色素C与细菌的氨基 酸排列顺序差异很大。null 2 非共生假说null依据1.细菌的中膜体与线粒体相似，均为凹陷的细胞膜，中膜体含有细胞的呼吸酶系，有类似于线粒体的功能。2.质粒与线粒体DNA在结构、复制方式、对药物的敏感性等方面，有相似之处 。不足之处不足之处1.证据不多2.无法解释线粒体、叶绿体与细菌在DNA分子结构和蛋白质合成性能上的相似之处null第七节 线粒体与医学一、线粒体与疾病一、线粒体与疾病线粒体缺少某些酶，氧化磷酸化、呼吸链障碍1. 线粒体肌病（遗传病）线粒体遗传病的特点线粒体遗传病的特点克山病-地方性心脏病克山病-地方性心脏病肿 瘤肿 瘤二、线粒体与衰老二、线粒体与衰老null三、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、肝病总 结总 结 谢 谢 谢 谢谢谢！