细胞生物学笔记-线粒体

线线 粒粒 体体(mt) 在电镜下线粒体是由二层单位膜组成的细胞器,是细胞内氧化磷酸化、产能、贮能的重要场所。 一、光镜结构光镜结构 二二、mt 电镜结构电镜结构 外膜：外膜：脂类和蛋白质各占 1/2,蛋白质为转运蛋白,形成含水通道。 内膜：内膜：高度特化，是胞质与 mt 基质之间的主要通道屏障。其中蛋白质占 76%，主要是合成 ATP 的 F0F1 复合体 和电子传递链。脂类主要是心磷脂，使内膜对质子及离子的通透性减小，从而产生了内膜两侧质子的动力势和电位差。 mt 嵴：嵴： 基粒：基粒： 头部：又称偶联因子 F1，由五种亚基()组成， 亚基各有 3 个，形成一个球状小体，是催化 ADP 和 磷酸化合成 ATP 的关键装置。 柄部：是 F1 和 F0 连接部位，由 F1 和 F0 各有一部分组成，其作用调控质子通道。 基部：称 F0 偶联因子。 膜间腔膜间腔（嵴内腔或 mt 外室） 转位接触点：转位接触点： 基质腔基质腔（嵴间腔或内室）：是三羧酸循环的重要部位。 基质：基质：主要是催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、核酸、蛋白质酶类。 三三、mt 的化学成份的化学成份 主要蛋白质、脂类以及 DNA、多种辅酶，如 NAD、FMN、FAD、COQ 等。 蛋白质：蛋白质：干重 6570%。 可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白 不可溶性蛋白：膜镶嵌蛋白、结构蛋白以及部分酶类 脂类：脂类：干重 25%30%，主要是磷脂（占 90%） 。 即卵磷脂、脑磷脂以及少量的心磷脂和胆固醇。其中外膜所含磷脂和胆固醇比内膜多 3 倍，内膜含心磷脂多,胆 固醇少；心磷脂能减小内膜对质脂和离子的通透性 四、线粒体的遗传体系（半自主性）四、线粒体的遗传体系（半自主性） 线粒体是由两个遗传体系所控制,即线粒体基因组和细胞核基因组两个彼此分开的遗传系统，线粒体的这种特性称 为线粒体的半自主性；线粒体 DNA 构成了线粒体基因组 （一）（一）mt 遗传体系遗传体系 1、mt DNA 结构特点结构特点 1）封闭、环状、双链，无组蛋白； 2）不含内含子，非编码区和调节序列很少； 3）不严格的密码子配对； 4）部分遗传密码与通用密码的意义不同； 5）起始密码为 AUA 而非 AUG； 6）编码产物只自用； 7）依赖 nDNA 发挥功能； 2、线粒体基因组及其所编码的、线粒体基因组及其所编码的 13 种蛋白质种蛋白质 基因组：基因组：人类 mtDNA 含有 16569 个碱基对，呈小分子双链环状 DNA,双链中一条为重链(H)，另一条为轻链(L), 两条链共组成 37 个基因，其中 H 链 28 个基因，L 链 9 个基因。 13 个编码蛋白质的基因负责编码个编码蛋白质的基因负责编码 3、线粒体、线粒体 DNA 复制复制 mtDNA 含有两个单向复制叉，H 链和 L 链各含 1 个复制叉。 H 链与 L 链合成的方向相反。 mtDNA 复制不受细胞周期影响。 4、线粒体、线粒体 DNA 转录转录 需要核基因编码的 mtRNA 聚合酶和 mt 转录因子 ACTFA。 重链和轻链各有一个启动子 HSP 和 LSP，转录三种 RNA，转录出来的 mtRNA 在 mt 内合成蛋白。 （二）线粒体内蛋白质合成：（二）线粒体内蛋白质合成： mt 蛋白质有两个来源：一是外源性的，即在细胞质中合成的蛋白质运输进入 mt；二是内源性的，即由 mt 自身合成， 只占全部蛋白的 10%左右。 mt 内蛋白质合成的特点：内蛋白质合成的特点： mt 蛋白质合成与 mtmRNA 的转录几乎是同步进行的，与原核生物相似。 mt 蛋白质合成的起始密码是 AUA，而胞质合成蛋白质是由 AUG 起始的。 一些药物如氯霉素、红霉素、链霉素等可抑制 mt 蛋白质合成，而胞质蛋白质合成对以上生物不敏感。 mt 合成蛋白质占总量 10%，但几乎都是 mt 活动的关键酶，如电子传递系统中的四种复合体酶和 ATP 合成酶 系的主要成分。 （三）（三）mt 对核编码蛋白的转运对核编码蛋白的转运 1、前体蛋白和导肽及其作用、前体蛋白和导肽及其作用 mt 蛋白大多数是由 nDNA 编码的并由胞质核糖体合成转运入 mt，这些将被转运的蛋白质称为“前体蛋白”，其 N-末端 20-80 个氨基酸序列称导肽。 1）导肽与分子伴侣：）导肽与分子伴侣： 导肽具有识别、牵引作用。 导肽含有带正电荷的碱性精氨酸，有利于导肽结合于 mt 表面受体，进入带负电荷的基质中。 前体蛋白由胞质中的分子伴侣分子伴侣(热休克蛋白热休克蛋白 HSc70、60、10)去折叠，穿过 mt 膜后又重新恢复折叠的天然构象。 胞质中的分子伴侣与前体蛋白的结合能防止前体蛋白形成不可解开的构象。 前体蛋白到达 mt 表面时，ATP 水解提供能量使 HSc70 从前体蛋白分子上解离下来，前体蛋白在导肽的作用 下与输入受体结合。 导肽将前体蛋白导入 mt 后，被 mt 内的水解酶水解下来。 2）多肽链穿越 mt 的过程 解折叠的前体蛋白多肽链在导肽的作用下与转位接触点接触mt 外、内膜上的成孔膜蛋白形成输入通道 ATP 水解供能胞质 HSc70 离开多肽多肽穿越 mt 外、内膜进入到基质腔基质腔的基质“分子伴侣”（mtHSP70） 与进入 mt 的前导肽链交连，mtHSP70 具有维持解折叠状态的作用，并能将多肽链完全拉进入基质，mtHSP70 分子变 构产生的拖力，使解折叠的前体蛋白多肽链快速进入 mt 内。最后，前体蛋白在 mtHSP70 的作用下重新折叠。 （四）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运（四）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运 1、向线粒体膜间腔的转运 2、向线粒体外膜和内膜的转运 （五）（五）mt 遗传体系与核遗传体系的互相关系遗传体系与核遗传体系的互相关系 线粒体 DNA10%、核 DNA90% 五、线粒体的起源与发生五、线粒体的起源与发生 1、线粒体是通过分裂方式实现增殖的 2、mtDNA 随机地、不均等地被分配到新的线粒体中 3、线粒体可能起源于共生的早期细菌 安辰安辰整理 线粒体 - 3 共 5 页 第二节、细胞呼吸与能量转换第二节、细胞呼吸与能量转换 一、一、mt 与氧化磷酸化与氧化磷酸化 概念：细胞呼吸、生物氧化、细胞氧化、糖酵解 细胞内在氧和水的参与下分解各种大分物质，产生 CO2； 同时将分解释放的能量，储存于 ATP 中，这一过程 称为细胞呼吸或生物氧化或细胞氧化。糖酵解经消化分解的糖、脂肪、Pr 等物质在细胞内进一步降解，其反应过程不 需要氧的参与，称糖酵解。如：G 经无氧氧化产生乙醇和乳酸的过程。 1、细胞呼吸的特点：、细胞呼吸的特点： 1） 、细胞呼吸是线粒体中由酶催化的氧化还原反应 2） 、细胞呼吸产生的能量储存于 ATP 中 3） 、反应分步骤进行能量逐步释放 4） 、反应是恒温恒压 5） 、反应需要 H2O 的参与 2、细胞氧化（生物氧化）的过程：、细胞氧化（生物氧化）的过程： 糖、Pr、脂类被消化成 G、aa、脂肪酸和甘油小分子被 C 吸收进一步降解生成丙酮酸进入 mt 基质进行 TAC 和 mt 内膜上的电子传递，最终生成 ATP、CO2和水。 3、细胞氧化的条件：、细胞氧化的条件： 外膜上：外膜上：促进底物进入 mt 膜的各种转移酶，即多种转运 Pr 形成的含水通道，又称“孔蛋白”。 内膜上内膜上：整套与呼吸链有关的酶系即电子传递链， 如合成 ATP 的 F0F1ATP 复合体，辅酶（NADH） 、 FADH2（黄素酶）等。 嵴膜上：嵴膜上：进行 Pi 化所需用的 ATP 合成酶系。 基质中：基质中：三羟酸循环（TAC）所需的全套酶系 4、生物氧化的途径：、生物氧化的途径：分四个阶段（糖酵解、乙酰 COA 生成、TAC、氧化磷酸化） 1） 、糖酵解、糖酵解丙酮酸生成丙酮酸生成（底物水平磷酸化）氧化过程中产生的能量直接将 ADP 磷酸化生成 ATP，没经过电子传 递过程，所以称“底物水平磷酸化”。 1 分子 G 无氧酵解生成 2 分子丙酮酸，脱下 2 对氢，以 NAD 作为受 H 体，形成 2NADH+H+，同时产生 2ATP。 丙酮酸等 CoA H NADH+H+ 乙酰 CoA CO2 + NAD+ 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 葡萄糖 2 丙酮酸 2H NAD+NADH+H+ 高能磷酸键 ADPATP 线粒体 线粒体 进入有氧 氧化 2CH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP 丙酮酸 C6H12O6+2NAD+ +2ADP+2Pi 糖酵解 酶系 完成无氧氧化 2CH3CHOHCOOH+2NAD+2ATP 乙醇 2CH3CH2OH+2CO2+2NAD+2ATP 乳酸 3） 、三羧酸循环（、三羧酸循环（TAC） 4） 、氧化磷酸化、氧化磷酸化 mt 基质中发生的 TAC 产生的高能电子，由 NADH+H+和 FADH2携带，通过 mt 内膜上的递电子过程转移到氧分子 上，形成 H2O。 电子传递链电子传递链(即：呼吸链，指 mt 内膜上按一定顺序递 H 和递电子的酶体系） 。 总原则：NADH+H+、FADH2将 H 传递到 O，形成 H2O。 还原型：NADH+H+1/202NAD+（氧化型）+H2O 还原型：FADH2+1/202FAD +（氧化型）+ H2O 这里 H 不能直接与 O2结合，必须解离为 H+和 e-，电子经 mt 内膜上酶体系（电子传递链）逐级传递，最终使 1/2O2解离成 O2-，O2-再与基质中的 2 个 H+化合成 H2O，mt 内膜上这种递氢、递电子酶体系称为“电子传递链”。 呼吸链的成员及顺序呼吸链的成员及顺序 NAD(FAD)辅酶 Q(CoQ) Cytb Cytc1 Cytc Cyta Cyta3 O2 以上呼吸链中各成员都与蛋白质结合，形成酶复合体，嵌入 mt 内膜，共同发挥传递电子的作用，被结合的这类 蛋白质称辅基。 呼吸链成员复合体：呼吸链成员复合体： 复合体复合体 ：是最大的酶复合体，由 30 多条肽链、1 个 FMN 和 6 个铁硫蛋白(Fe-s)组成，又称为 NADH-CoQ 还原酶。复合体是使 NADH 脱氢氧化，将一对电子从 NADH 传给 CoQ，在电子传递过程中伴随着质子从基质转移 到膜间腔，故称复合体为质子移位体质子移位体。 复合体复合体 ：由 4 条多肽链组成，含 FAD、Fe 硫中心和 Cytb。催化电子从琥珀酸通过 FAD 和铁硫中心 传递至 CoQ，不移位质子。 复合体复合体 ：由 11 条多肽链组成，含 2 个 Cytb、1 个 Cytc1 和 1 个铁硫中心。可将 CoQ 接受的电子传递给 Cytc，同时伴有质子跨膜，故也是质子移位体质子移位体。 复合体复合体 ：由 13 条多肽链组成，含有 Cyta、 Cyta3 和 2 个铜原子，又称为 Cyt 氧化酶，因为 Cyt 传递的 H- 和电子要在此全部脱掉交给 O2，还原成 H2O。复合体也是质子移位体质子移位体。 2） 、从丙酮酸到乙酰、从丙酮酸到乙酰 COA 的生成的生成 COA 糖酵解产生的丙酮酸从胞质中穿过 mt 膜到 mt 基质中，在丙酮酸脱氢酶的作用 下经脱氢、脱羧与 COA 结合合成乙酰 COA。NAD+作为受 H 体。 2 丙酮酸+2HSCOA+2NAD 2 乙酰 COA +2CO2+2NAD+2H+ （2CH3CO-SCOA） 细胞内的脂肪酸、氨基酸、甘油的氧化过程都是通过生成乙酰乙酸后再形成乙 酰 COA 而进入有氧化过程的，因此乙酰 COA 起着代谢枢纽的作用。 丙酮酸脱氢酶 脱氢、脱羧 在氧充足的条件下，乙酰 COA 彻底氧化分解为 CO2，脱下 4 对氢分别结合于递 H 体和递电子体。 葡萄糖 丙酮酸 乙酰 COA 氨基酸、脂肪酸、甘油 乙酰乙酸 丙酮酸脱氢酶 脱氢、脱羧 柠檬酸 安辰安辰整理 线粒体 - 5 共 5 页 5、氧化磷酸化与、氧化磷酸化与 ATP 的形成的形成 吸吸链电子传递过程中偶联 ADP 磷酸化生成 ATP，称“氧化磷酸化”，因为氧化即为脱 H、脱电 子，还原即为加 H、加电子。电子传递过程中释放的能量被 F0F1ATP 酶复合体用来催化 ADP 磷酸化生 成 ATP。 1） 、氧化磷酸化释放能量的部位：、氧化磷酸化释放能量的部位： NADHFMN 之间 Cytb Cytc 之间 Cyta O2 之间 2） 、氧化磷酸化能量的产生：、氧化磷酸化能量的产生： 1 分子 NADH+H+经过电子传递，释放的能量可形成 3 分子 ATP。 1 分子 FADH2经过电子传递，释放的能量可形成 2 分子 ATP。 1 分子 G 经糖酵解、丙酮酸脱氢和 TAC 循环共产生 12 对 H，其中 10 对以 NAD+为载体，产生 30 个 ATP，2 对以 FAD 为载体，产生 4 个 ATP，计 34 个 ATP，加上底物水平磷酸化生成 4 分子 ATP，共生成 38 分子 ATP。 6、氧化磷酸化偶联机制、氧化磷酸化偶联机制（电子传递时能量贮存于横跨 mt 内膜的电化学质子梯度中）： 化学渗透假说：化学渗透假说： 总原则：电子传递中自由能造成 H+穿膜运动，形成横跨 mt 内膜的电化学质子梯度。质子顺梯度回流释放能量， 驱动内膜上 ATP 酶，使 ADP 磷酸化