线粒体与细胞的能量转换.ppt

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，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) （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：70S 5.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。,2009-08,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,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： 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+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、IV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,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。,2009-08,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。,2009-08,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 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