06线粒体(1).ppt

是动物细胞实现能量转换的主要结构 80 ATP 动力工厂 第六章线粒体与细胞的能量转换 1894年Altmann 光镜 生命小体 bioblast 1897年Benda 线粒体 mitochondria 1900 细胞氧化还原反应场所1948 成功分离 50年代 电镜 超微结构 60年代 确定mtDNA 第一节线粒体的基本特征 一 线粒体的形态 数量与细胞的类型和生理状态有关光镜下 线状 粒状 短杆状 直径 0 5 1 0um 不同类型的细胞中数目差异较大 1 50万个 正常细胞中 1000 2000个 一 线粒体的形态 数量和结构 分布 因细胞形态和类型的不同而存在差异 通常分布于细胞生理功能旺盛的区域和需要能量较多的部位 其总体积可占细胞总体积的25 总之 线粒体的形态 大小 数目和分布在不同形态和类型的细胞差异较大 电镜下 线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构 左为线粒体在细胞内的分布 右为线粒体超微结构模式图 MitochondriaandEnergyConversion 光镜下绿色颗粒显示线粒体 红色颗粒显示溶酶体 外膜 内膜 膜间隙 膜间腔 外室 嵴 嵴间隙 嵴间腔 内室 内含基质 二 线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构 厚5 7nm 平整 光滑 组成 1 2为脂类 1 2为蛋白质 特点 外膜的蛋白质包括多种转运蛋白 它们形成较大的水相通道跨越脂质双层 使外膜出现直径2 3nm的小孔 允许通过分子量在10000以下的物质 包括一些小分子多肽 外膜 1 外膜是线粒体外层单位膜 厚4 5nm 1 组成 20 是脂类 80 是蛋白质 2 特点 通透性小 分子量大于150的物质不能通过 选择通透性高 膜上的转运蛋白控制内 外腔的物质交换 以保证活性物质的代谢 内膜 2 内膜的表面附着许多颗粒 内膜向内突起形成 嵴 3 结构 内外膜之间有6 8nm间隙 膜间隙 嵴与嵴之间的腔 嵴间腔 嵴内的空隙 嵴内腔 内膜 膜间隙 外室 嵴 嵴间腔 内室 嵴内腔 嵴 嵴主要有两种类型 板层状 多数高等动物 小管状 原生动物和较低等的动物 内室 外室 嵴 内膜向内室折叠形成 可增加内膜的表面积 嵴 基粒 ATP酶复合体 内膜和嵴膜基质面上许多带柄的小颗粒 与膜面垂直而规律排列 每个线粒体大约有104 105个 基粒 ATP酶复合体 内室 外室 3 4nm长4 5 6nm 6 11 5nm高5 6nm 头部 合成ATP 柄部 基片 ATP合酶复合体 基粒头部具有酶活性 能催化ADP磷酸化生成ATP 3 内外膜转位接触点电镜下可见内外膜存在一些相互接触的地方 膜间隙狭窄 称 转位接触点 分布有通道蛋白合特异受体 是物质转运到线粒体的临时性结构 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 接触点 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 MitochondriaandEnergyConversion 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 MitochondriaandEnergyConversion 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 外室 4 基质 酶类 催化三羧酸循环 脂肪酸氧化 氨基酸分解 蛋白质合成 双链环状DNA 线粒体特有核糖体 5 基粒 另述 二 线粒体的化学组成 蛋白质 占线粒体干重的65 70 内膜含量较多 占线粒体蛋白质总量的60 以上 脂类 占线粒体干重的25 30 主要为磷脂 线粒体的蛋白质可分为两类 可溶性蛋白 基质中的酶和膜的外周蛋白 不溶性蛋白 一般是构成膜的镶嵌蛋白 结构蛋白和部分酶蛋白 此外 还含有DNA和完整的遗传系统 多种辅酶 如CoQ FMN FAD和NAD 等 维生素和各类无机离子 线粒体中约有120种酶 外膜标志酶 单胺氧化酶内膜标志酶 细胞色素氧化酶膜间腔标志酶 腺苷酸激酶基质标志酶 苹果酸脱氢酶 三 线粒体的遗传系统 一 线粒体DNA构成了线粒体基因组线粒体基因组由16569bp组成 环状双链DNA 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5 10个 线粒体基因组 2个rRNA基因22个tRNA基因13个蛋白编码基因 mtDNA的结构有紧凑性 无内含子 部分有重叠 与核基因组相比 线粒体基因组有很少非编码的序列 主要编码线粒体的tRNA rRNA及一些线粒体蛋白质 如电子传递链酶复合体中的亚基 但由于线粒体中大多数酶或蛋白质仍由细胞核DNA编码 所以它们在细胞质中合成后经特定的方式转送到线粒体中 重链 H 14个tRNA轻链 L 8个tRNA 37个基因中有13个是编码蛋白质的基因 主要是呼吸链的成分 线粒体内膜 膜间腔 基质 亚单位复合体I复合体II复合体III复合体IV复合体V ND1 ND2 ND3 ND4 ND6 ND5 nDNA354101012 mtDNA70132 CoQ Cytb Cytc COXICOXIICOXIII 基粒A8A6 三羧酸循环 ADPATP H H H H ND4L 二 重链和轻链各有一个启动子启动线粒体基因的转录重链启动子HSP轻链启动子LSP线粒体转录因子1 mtTFA 参与线粒体基因的转录调节 mtTFA可与HSP和LSP上游的DNA特定序列结合 在mtRNA聚合酶作用下 启动转录过程 线粒体基因的转录类似原核生物 产生一个多顺反子 即其中包括多个mRNA和散布其中的tRNA 然后剪切 使不同的mRNA和tRNA分离和释放 与核合成的mRNA不同 线粒体mRNA不含内含子 很少有非翻译区 起始5 端密码为AUG 3 端为终止密码UAA 有时一个U 加工后3 端往往有约55个核苷酸多聚A 没有核mRNA加工时的帽结构 mtDNA编码蛋白质 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是由胞质运入线粒体的 用于蛋白质合成的所有tRNA都是由mtDNA编码 线粒体mRNA的翻译的起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸 与原核生物类似 其遗传密码与核基因有所不同 见P142 表6 1 三 线粒体DNA的两条链有各自的复制起始点分别称为重链复制起始点OH轻链复制起始点OL 子链DNA的合成既需要DNA聚合酶 以母链为模板在RNA引物上合成子链DNA 也需要RNA聚合酶 催化合成短的RNA引物 并以相反的方向同时进行 mtDNA的复制需要RNA引物 D环 重链先顺时针复制 然后L链反时针复制 最后单股的母环形成一个连锁的对环 在mtDNA拓扑异构酶作用下解开 mtDNA复制的特点 1 轻链的复制要晚于重链 2 重链的合成方向是顺时针的 轻链的合成方向是逆时针的 3 半保留形式复制 4 时间比较长 约2h 5 其复制不受细胞周期的影响 可以越过细胞周期的间期 甚至可分布在整个细胞周期 四 核编码蛋白质向线粒体的转运 一 核编码蛋白向线粒体基质中的转运1 核编码蛋白进入线粒体时需要分子伴侣的协助1 输入到线粒体的蛋白质都在N 端有一段基质导入序列 MTS 富含精 赖 苏等aa 线粒体内外膜上的受体能识别并结合各种不同但是相关的MTS 2 在分子伴侣协助下 绝大多数蛋白被输入到线粒体基质中 少数到膜间腔或内外膜上 2 前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态当线粒体可溶性蛋白在核糖体合成后 大多数与分子伴侣热休克蛋白70 hsc70 结合 防止前体蛋白形成不可解开的构象 也防止已松弛的前体蛋白聚集 少数与一种新生多肽相关复合物 NAC 的分子伴侣蛋白作用 另外还在哺乳动物中发现2种能准确结合线粒体前体蛋白的因子 前体蛋白结合因子PBF与线粒体输入刺激因子MSF 前者能增加热休克蛋白对线粒体蛋白的运输 后者有ATP酶的作用 3 分子运动产生的动力协助多肽链穿越线粒体膜线粒体基质中也有种分子伴侣的线粒体基质 mthsc70 可与进入线粒体腔的前导肽链交联 S M Simon等提出 布朗棘轮模型 1 多肽链在蛋白通道中做布朗运动 mthsc70与进入线粒体腔的前导肽链交联 防止其退缩 2 更多的mthsc70结合上去 拖拽肽链 4 多肽链需要在线粒体基质内重新折叠从形成有活性的蛋白质当蛋白质跨过线粒体膜后 大多数多肽链的基质导入序列被基质作用蛋白酶MPP 位于内膜上 水解 然后mthsc70又作为折叠因子而不是去折叠因子 发挥重要作用 另外最后折叠还需要mthsc60 mthsc10的协助 蛋白质成熟形成天然构象 二 核编码蛋白向线粒体其他部位的转运有些蛋白还向线粒体的膜间腔 内外膜转运 这类蛋白除了具有MTS外 一般还有第二类信号序列 以类似的机制进入 1 蛋白质向线粒体膜间腔的转运膜间腔蛋白带有功能相似 氨基酸序列不同的信号序列 膜间腔导入序列ISTS 能引导其进入膜间腔 主要有三种方式 1 蛋白进入基质 与mthsc70结合 ISTS引导穿越内膜 进入膜间腔 2 ISTS起到转移终止序列作用 蛋白固定于内膜 膜间腔蛋白酶切去ISTS部分 蛋白脱落于膜间腔 3 直接扩散 蛋白 外膜 膜间腔 2 蛋白质向线粒体外膜核内膜的转运外膜蛋白转运时 类孔蛋白P70的MTS后有一段长的疏水序列 起转移终止序列作用 使之固定于外膜上 内膜上的蛋白质转运机制不清 五 线粒体的起源 线粒体是起源于与古老厌氧真核细胞共生的早期细菌 内共生假说依据 1 线粒体DNA呈环状 裸露与细菌相似 2 蛋白合成方式与细菌相似 线粒体的核糖体为70S与细菌相同 而真核细胞为80S 3 线粒体内 外膜结构和功能差别很大 外膜与真核细胞的sER相似 内膜与细菌质膜相似 4 线粒体的增殖与细菌一样 直接分裂 目前普遍接受的线粒体起源假说为内共生学说 非共生假说 线粒体的发生是质膜内陷的结果 真核细胞的前身是进化程度较高的需氧细菌 质膜不断内陷并包进一个质粒 依据 1 细菌的中膜体与线粒体非常相似均为凹陷的细胞膜 2 质粒DNA与线粒体DNA比较有许多相似之处 六 线粒体的分裂与融合 一 线粒体是通过分裂方式实现增殖的第一阶段 线粒体进行分裂增殖第二阶段 线粒体本身分化过程 建立能行使氧化磷酸化功能的机构 出芽分裂 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 出芽分裂 三种分裂方式 收缩分离 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 最后断裂为二形成两个新线粒体 间壁分离 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 成为只有外膜相连的两个独立细胞器 接着线粒体就完全分离 二 mtDNA随机地 不均等地被分配到新的线粒体中 野生型mtDNA突变型mtDNA 同质性线粒体异质性线粒体 复制分离 mtDNA随机分配导致mtDNA异质性变化的过程 在连续的分裂过程中 异质性细胞中突变型mtDNA和野生型mtDNA的比例会发生漂变 向同质性的方向发展 分裂旺盛的细胞会排斥突变型mtDNA 逐渐成为只有野生型mtDNA的同质性细胞 反之 会形成只有突变型mtDNA的同质性细胞 三 线粒体融合是由一系列相关蛋白介导的过程线粒体的融合有利于促进线粒体的相互协作 可以使不同线粒体之间的信息和物质得到相互交换 线粒体的融合是由一系列蛋白分子精确调控和介导的 FZO1p Mfns介导线粒体外膜的融合 Mgm1p OPA1介导线粒体内膜的融合 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 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 第二节细胞呼吸与能量转换 细胞呼吸在细胞特定的细胞器 主要是线粒体 内 在氧的参与下 分解各种大分子物质 产生CO2和H2O 与此同时 分解代谢所释放出的能量储存于ATP中 这一过程又称细胞呼吸 又叫生物氧化 细胞呼吸的特点 1 细胞呼吸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 2 所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中 3 整个反应过程是分步进行的 能量也是逐步释放的 4 反应在恒温37度和恒压条件下进行 5 反应过程中需要水的参与 细胞呼吸所产生的能量储存于细胞能量转换分子ATP中ATP被称为 能量货币 ATP是细胞内能量转换的中间携带者 是细胞生命活动的直接供能者 也是细胞内能量获得 转换 储存和利用的联系纽带 ATP是一种高能磷酸化合物细胞呼吸时 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 当细胞进行各种活动需要能量时 又可去磷酸化 断裂一个高能磷酸键以释放能量来满足机体需要 AMP ADP ATP 实验证实 每断裂1克分子这样的磷酸键 约可放出7 3千卡的热能 而断裂1克分子普通化学键 只释放3 0千卡的热量 去磷酸化 磷酸化 ATP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 如葡萄糖氧化 包括三个步骤 糖酵解 三羧酸循环 氧化磷酸化 基本过程 1 酵解 在细胞质内进行 反应过程不需要氧 无氧酵解 2 乙酰辅酶A生成 线粒体基质或内膜上进行 3 三羧酸循环 在线粒体基质内进行 4 电子传递和氧化磷酸化 在线粒体内膜上进行 葡萄糖 C6H12O6 2丙酮酸 C3H4O3 2H 2ATP C3H4O3 辅酶A CoA 2NAD 乙酰 CoA 2NADH 2H CO2 一 葡萄糖在细胞质中的糖酵解 C6H12O6 2NAD 2ADP 2Pi 2丙酮酸 C3H4O3 2NADH 2H 2ATP NAD 又叫辅酶 全称烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 它们都是递氢体 能从底物里取得电子和氢 丙酮酸与NADH H 作为有氧氧化原料进入线粒体中 丙酮酸可能以其自身的脂溶性通过线粒体内膜 NADH H 必需借助线粒体内膜上特异性穿梭系统进入线粒体内 在线粒体基质中丙酮酸脱氢酶体系的作用下 丙酮酸进一步分解味乙酰辅酶A NAD 作为受氢体被还原 丙酮酸 2HSCoA 2NAD 2CH3CO SCoA 2NADH 2H 二 线粒体基质中的三羧酸循环 在线粒体基质中 乙酰CoA与草酰乙酸结合成柠檬酸 有三个羧基 而进入柠檬酸循环 又叫三羧酸循环 TAC循环 三羧酸循环是各种有机物进行最后氧化的过程 也是各类有机物相互转化的枢纽 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 黄酶 黄素腺嘌呤二核苷酸 整个过程中 总共消耗了3个H2O 生成1分子的GTP 4对H和2分子CO2 脱下的4对H 其中3对以NAD 为受氢体 另1对以FAD为受氢体 三 线粒体氧化磷酸化耦联与ATP形成 氧化磷酸化是释放代谢能的主要环节 NADH和FADH2分子把它们得来的电子转移到氧分子 能量绝大部分用于形成ATP 少量以热的形式释放 电子传递和氧化磷酸化 供能物质经过酵解 乙酰辅酶A 呼吸链 电子传递链 辅酶I NAD 黄酶 FAD 辅酶Q 细胞色素b c1 c a a3 O2 氧化磷酸化 伴随电子传递链的氧化过程所进行的能量 转换和ATP的生成称氧化磷酸化或称氧化磷酸化偶联 生成 三羧酸循环脱下的氢原子 通过内膜上的一系列呼吸链酶系的电子传递 最后与氧结合生成水 电子传递过程中释放的能量被用于ADP磷酸化形成ATP 一 呼吸链和ATP合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础 1 呼吸链1分子的葡萄糖经过无氧酵解 丙酮酸脱氢和三羧酸循环三步 共产生6分子CO2和12对H 最后这些H进一步氧化为水 但是H不能与O2直接结合 一般认为H先解离为H 和e 电子经过线粒体内膜上酶体系的逐级传递 最后合成水 这一传递电子的酶体系在内膜上有序排列成相互关联的链状 称为呼吸链 respiratorychain 呼吸链 只传递电子的辅酶 电子传递体 分为醌类 细胞色素和铁硫蛋白 既能传递电子又能传递质子的酶和辅酶称为递氢体 除了辅酶Q和细胞色素c之外 其他成员分布组成I II III IV四个脂类蛋白复合体 它们是线粒体内膜的整合蛋白 2 ATP合酶复合体催化ATP的合成基粒是呼吸链电子传递过程中释放的能量用于使ADP磷酸化生成ATP的关键装置 是由多种多肽构成的复合体 化学本质是ATP合酶复合体 又叫F0F1ATP合酶 可溶性的ATP酶 F1 360000 疏水蛋白 HPF0 70000 嵴 基粒 ATP酶复合体 内膜和嵴膜基质面上许多带柄的小颗粒 与膜面垂直而规律排列 基粒 ATP酶复合体 3 4nm长4 5 6nm 6 11 5nm高5 6nm 头部 柄部 基片 对寡酶素敏感蛋白 OSCP 18000 ATP酶复合体抑制多肽10000 调节酶活性 合成ATP 调节质子通道 质子的通道 内室 外室 b F1 F0 转子 定子 头部 合成ATP 柄部 对寡霉素敏感蛋白 基片 H质子的穿膜通道 二 氧化过程伴随磷酸化的耦联 经过糖酵解和三羧酸循环产生的NADH和FADH2 它们携带的电子经线粒体内膜上的呼吸链逐级定向传给O2 本身被氧化 电子传递过程中释放的能量被F0F1ATP酶复合体用来催化ADP磷酸化合成ATP 呼吸链中有3个主要的能量释放部位 即NADH FMN Cytb Cytc之间 Cyta一02之间 载氢体NADH和FADH 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ATF 而1分子FADH 所释放的能量则能够形成2分子ATP 38个ATP 酵解 2个 线粒体内 36个 三羧酸循环 2个 内膜上呼吸氧化过程 34个 一分子的葡萄糖彻底氧化生成38个ATP 偶联磷酸化的关键装置 基粒 ATP酶复合体 32个ATP 酵解 2个 线粒体内 30个 三羧酸循环 2个 内膜上呼吸氧化过程 28个 一分子的葡萄糖彻底氧化生成32个ATP 偶联磷酸化的关键装置 基粒 ATP酶复合体 三 电子传递时H 穿膜形成电化学梯度 化学渗透假说 1961年英国的P Mitchell提出 1978年获诺贝尔奖 认为氧化磷酸化耦联的基本原理时电子传递过程中的自由能差造成H 穿膜传递 暂时转变为横跨线粒体内膜的电化学质子梯度 然后质子顺梯度回流并释放能量 驱动结合在内膜上的ATP合酶 催化ADP磷酸化成ATP 1 NADH和FADH2提供一对电子 经电子传递链 最后为氧所接受 2 电子传递链同时起到H 泵的作用 在传递电子的过程中伴随H 从线粒体基质到膜间腔的转移 3 线粒体内膜对H 和OH 具有不通透性 所以随着电子传递