线粒体与细胞的能量转换

第六章 线粒体与细胞的能量转换,Mitochondria and Energy Conversion,学习目的与要求,掌握线粒体的基本结构、功能 熟悉线粒体相关的临床意义 了解线粒体的发生及其研究方法,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,第一节 线粒体的基本特征,一、线粒体的形态、数量和结构 二、线粒体的化学组成 三、线粒体的遗传体系 四、线粒体核编码蛋白质的转运 五、线粒体的起源 六、线粒体的分裂与融合 七、线粒体的功能,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,一、线粒体的形态、数量和结构 (一)线粒体的形态、数量 不同类型或不同生理状态的细胞，线粒体的形态、大小、数目及排列分布并不相同。 形态：光镜下呈线状、粒状或杆状等。 数量：因细胞种类而不同，最少的细胞只含1个线粒体，最多 的达50万个。代谢旺盛时，线粒体数量较多，反之线 粒体的数量则较少。,线粒体形态,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,线粒体形态结构（荧光染色）,中国仓鼠细胞 罗丹明（Rhodamine 123）染色（红色颗粒）,线粒体形态结构（铁苏木精染色）,肾小管细胞 图中箭头所示颗粒状线粒体,三、线粒体的结构,外膜(out membrane) 内膜(inner membrane): 脊（cristae） 膜间腔(intermembrane) 基质(matrix),线粒体的超微结构(一）,外膜（outer membrane) 内膜（inner membrane) 嵴（cristae)与基粒（elementary particle) 基质（matrix),线粒体的超微结构(二）,线粒体内膜向内突伸形成嵴（Cristae),线粒体的超微结构(三）,线粒体的嵴（Cristae)及其上的基粒（Elementary Particle）,线粒体的超微结构模式图,基粒实质是ATP合成酶复合体 基质内含核糖体、DNA、基质颗粒及多种酶系,基粒（ATP合成酶复合体） F1(头部，a3b3gde）： 有ATP合成的的催化位点 F0（ab2c12）: 基片，偶联因子,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。,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,3.转位接触点,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,Mitochondria and Energy Conversion,一、线粒体的形态、数量和结构,(二)线粒体的超微结构,第六章 线粒体与细胞的能量转换,tom和tim受体系统,tom和tim受体系统参与核基因组编码多肽链通过膜进入线粒体的过程,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,三、线粒体的遗传体系,(一)线粒体DNA,特点：通常是裸露的，不与组蛋白结合。 存在部位：线粒体的基质内或依附于线粒体内膜。 数量：一个线粒体内往往有1至数个mtDNA分子， 平均为510个。 编码产物：线粒体的tRNA、rRNA及一些线粒体 蛋白质。,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(一)线粒体DNA,基因组结构：为一条双链环状的DNA分子，双链中一为重链（H），一为轻链（L），重链和轻链上的编码产物各不相同。与核基因组相比，线粒体基因组有很少非编码的序列。 人类线粒体基因组共编码37个基因。,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,人线粒体环状DNA分子及其转录产物,呼吸链蛋白质的组成,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(二)线粒体基因的转录,1.转录 启动子：线粒体基因组的转录是从两个主要的启动子处开始的，分别为重链启动子（HSP）和轻链启动子（LSP)。转录因子与其结合，在mtRNA聚合酶的作用下启动转录。 转录过程：线粒体基因的转录类似原核生物的转录，即产生一个多顺反子，包括mRNA和tRNA。,Mitochondria and Energy Conversion,三、线粒体的遗传体系,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(二)线粒体基因的转录,1.转录 重链形成两个初级转录物： 初级转录物tRNAphe、tRNAval、12S rRNA和 16S rRNA 初级转录物mRNA和tRNA,Mitochondria and Energy Conversion,三、线粒体的遗传体系,第六章 线粒体与细胞的能量转换,2.mRNA合成 不含内含子，也很少有非翻译区。 起始密码为AUG（或AUA），终止密码为UAA。 3端有多聚A的尾部，5端没有细胞核mRNA加工时的帽结构 。,Mitochondria and Energy Conversion,三、线粒体的遗传体系,(二)线粒体基因的转录,第六章 线粒体与细胞的能量转换,3.蛋白质翻译 在线粒体内并在线粒体的核糖体上进行翻译。 构成线粒体核糖体的蛋白质由细胞质运入线粒体内。 用于蛋白质合成的所有tRNA都是由mtDNA编码。,Mitochondria and Energy Conversion,三、线粒体的遗传体系,(二)线粒体基因的转录,第六章 线粒体与细胞的能量转换,ATPase8和ATPase6亚基翻译重叠框架,Mitochondria and Energy Conversion,三、线粒体的遗传体系,(二)线粒体基因的转录,第六章 线粒体与细胞的能量转换,线粒体的遗传密码也与核基因不完全相同,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(三)线粒体DNA的复制 类似于原核细胞的DNA复制。 一个重链复制起始点：控制重链自我复制 一个轻链复制起始点：控制轻链自我复制,复制起始,Mitochondria and Energy Conversion,三、线粒体的遗传体系,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(三)线粒体DNA的复制 复制特点： 轻链的复制要晚于重链； 重链的合成方向是顺时针的；轻链的合成方向是逆时针的； 复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期的静止期或间期，甚至可分布在整个细胞周期。 复制时间：整个复制过程约持续2个小时。,Mitochondria and Energy Conversion,三、线粒体的遗传体系,第六章 线粒体与细胞的能量转换,线粒体DNA的复制,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,四、线粒体核编码蛋白质的转运,线粒体中有大约有1000个基因产物，其中仅37个基因产物由线粒体基因组编码，其他均由核编码。,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,四、线粒体核编码蛋白质的转运,(一)核编码蛋白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）。 分子伴侣：保持前体蛋白在线粒体外的非折叠状态 NAC：与少数前体蛋白相互作用，增加蛋白转运的准确性。 hsc70：和绝大多数的前体蛋白结合，使前体蛋白打开折叠， 防止已松弛的前体蛋白聚集。,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换, 前体蛋白与受体结合。 mthsp70可与进入线粒体腔的前导肽链交联，防止了前导肽链退回细胞质。 基质作用蛋白酶MPP：定位于线粒体内膜上 ，切除大多数蛋白的基质导入序列。,2.转运过程,Mitochondria and Energy Conversion,四、线粒体核编码蛋白质的转运,(一)核编码蛋白向线粒体基质中的转运,第六章 线粒体与细胞的能量转换,2.转运过程,线粒体蛋白穿膜转运的布朗棘轮模型示意图,Mitochondria and Energy Conversion,四、线粒体核编码蛋白质的转运,(一)核编码蛋白向线粒体基质中的转运,第六章 线粒体与细胞的能量转换,蛋白质向线粒体基质转运示意图,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(二)核编码蛋白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。,Mitochondria and Energy Conversion,四、线粒体核编码蛋白质的转运,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(二)核编码蛋白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, 转运方式,整个蛋白进入基质，第2个信号序列ISTS引导多肽链通过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通过外膜而进入膜间腔。,Mitochondria and Energy Conversion,四、线粒体核编码蛋白质的转运,第六章 线粒体与细胞的能量转换,蛋白质向线粒体膜间腔转运示意图,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,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。事实上在P70的MTS后有一段长的疏水序列，也起着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。,Mitochondria and Energy Conversion,四、线粒体核编码蛋白质的转运,第六章 线粒体与细胞的能量转换,七、线粒体的功能,1. 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+ 线粒体还在摄取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。,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,3. 参与细胞死亡 在某些情况下，线粒体是细胞死亡的启动环节；而在另一些情况下，线粒体则仅仅是细胞死亡的一条“通路”。,细胞呼吸的概念 在特定细胞器（主要是线粒体）内，在O2的参与下，分解各种大分子物质，产生CO2；与此同时，分解代谢所释放出的能量储存于ATP中的过程，称为细胞呼吸（cellular respiration），也称生物氧化（biological oxidation）或细胞氧化（cellular oxidation）。,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,细胞呼吸的过程和发生场所,以糖的有氧氧化为例 糖的有氧氧化分为四个阶段 葡萄糖-丙酮酸（胞质） 丙酮酸氧化脱羧（线粒体基质） TAC （线粒体基质） 电子传递（线粒体内膜）,细胞呼吸的特点 本质上是在线粒体中进行的一系列由酶系所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； 整个反应过程是分步进行的，能量也是逐步释放的； 反应是在恒温(37)和恒压条件下进行的； 反应过程中需要H2O的参与。,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,ATP中所携带的能量来源于糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化，这些物质的氧化是能量转换的前提。 从糖酵解到ATP的形成是一个极其复杂的过程，分为三个步骤： 糖酵解（glycolysis） 三羧酸循环（TAC） 氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,ATP synthase complex biological oxidation cellular oxidation cellular respiration chemiosmotic coupling hypothesis cristae elementary particle glycolysis inner membrane intercristae space intermembrane space intracristae space matrix matrix space mat