线粒体与细胞的能量转换PPT课件.ppt

第六章线粒体 mitochondrion 与细胞的能量转换 生命现象体现于物质 运动 信息 能量等 能量流与膜 线粒体是能量转换中心 形成细胞中95 ATP 是物质的氧化中心 呼吸链 合成尿素等物质 1 线粒体形态 mitochondria 荧光显微镜下线粒体 橘红色 电子显微镜下线粒体 2 第一节线粒体的一般描述 发现 1894年 德 Altmann发现 基本形状为线状 粒状的颗粒 变形为哑铃型 分枝型 1897年Benda命名为线粒体 所有真核细胞都有线粒体 大小 数目 数百上千 数目与功能相关 心肌 肝脏 骨骼肌含量丰富 淋巴细胞中线粒体少至只有几个脑部 位置 分泌腺细胞中线粒体围绕分泌泡 肌细胞中线粒体围绕肌原纤维 精子中线粒体围绕鞭毛 与功能关系 线粒体可以向耗能区聚微管作为轨道 以动力蛋白为发动机 3 4 Figure LocalizationofmitochondrianearsitesofhighATPutilizationincardiacmuscleandaspermtail 5 第二节线粒体的结构 外膜 outermembrane 光滑厚度为7nm 膜脂 膜蛋白 4 6 含有大量的孔道蛋白 porin 构成直径1 3nm的亲水通道 允许分子量5KD以下的分子通过 标志酶为单胺氧化酶 胆固醇含量高 内膜 innermembrane 厚度为5nm 膜脂 膜蛋白 3 7 含有大量的酶 标志酶是细胞色素氧化酶 存在电子传递链 含丰富的心磷脂使得内膜仅允许不带电荷的小分子物质通过 内膜向内凹陷形成嵴 内面有基粒 6 线粒体内膜存在的电子传递链 7 膜间腔 intermembranespace 内外膜之间的腔隙 宽约6 8nm 标志酶是腺苷酸激酶 在嵴内的称嵴内腔 嵴 cristae 内膜向内折入 能扩大内膜的面积达5 10倍 嵴的形状有多样栅格状 分枝状 绒毛状 平行状 8 基粒 elementaryparticle 线粒体内膜内表面有104 105个 由头部 柄部和基部组成 基粒也称F0F1ATP酶复合体 虚拟图象显示线粒体内膜 9 电子显微镜下的基粒 10 头部 又称偶联因子F1 是由五种亚基 组成 作用 ATP合成酶的活性 但如果不和线粒体的内膜偶联 只能催化ATP水解 F1抑制蛋白能抑制抑制ATP酶 柄部 连接头部和基部 寡霉素可以抑制其中的一个蛋白 作用 柄部有调控质子通道的作用 基部 又称偶联因子F0 是由a b c亚基和其它一些亚基组成 作用 质子通道 11 内外膜转位接触点 translocationcontactsite 是内外膜的接触点 该处的成孔膜蛋白形成装置使细胞质中合成的线粒体蛋白质运输入线粒体内 12 基质腔 matrixspace DNA 复制 转录和翻译装置 如核糖体 mRNA tRNA rRNA DNA聚合酶 RNA聚合酶等 含有脂肪酸氧化酶系 丙酮酸氧化酶系 氨基酸氧化酶系 三羧酸循环酶系 尿素合成酶系等 标志酶是苹果酸脱氢酶 13 第二节线粒体的半自主性 一 线粒体的自主性 含自身的DNA mtDNA 2 10mtDNA 线粒体 双链闭合环状DNA 大小为16 569bp 参照体 囊性纤维化CF基因为250Kb 肌营养不良蛋白DMD基因为2300Kb mtDNA基因共有37个基因 其中13种多肽链基因 呼吸链酶复合体 22种tRNA基因和2种rRNA因 14 mtDNA的特点 基因少 所有基因为线粒体用 无内含子 非编码区只有一处 双链都编码 有重叠基因 无组蛋白保护 无DNA修复系统 含自身复制 转录和翻译装置 如核糖体 mRNA tRNA rRNA DNA聚合酶 RNA聚合酶等 15 4个密码子的含义与核基因密码子不同 16 自我分裂繁殖 17 18 线粒体的起源的两种不同的观点 1 内共生起源学说 线粒体起源于原始的需氧细菌内共生 它们与宿主细胞间形成互利的共生关系 在长期的进化过程中 分别演化为线粒体 2 非共生起源学说 真核细胞的前身是一种好氧细菌 这种细菌通过质膜内陷 扩张形成的双层膜分别将基因组包围在其中 后来在进化过程中发生了分化 从而逐渐形成了线粒体和细胞核等细胞器 19 二 线粒体自主的受限性 mtDNA上的基因太少 线粒体的蛋白绝大部分是细胞核基因编码 线粒体本身的DNA复制 转录 翻译装置是细胞核基因编码 观察发现mtDNA有进入细胞核基因现象 mtDNA可以稳定的整合到核基因组中 线粒体为细胞核基因的复制 转录 翻译提供能量 20 三 蛋白质转运入线粒体的过程 转运条件 导肽 1eadersequence N端一段20 80个氨基酸序列 富含带正电荷氨基酸和疏水氨基酸 形成一边正电荷一边是疏水的螺旋结构 线粒体基质腔带负电多 电荷引力 内外膜转位接触点 成孔膜蛋白形成通道 分子伴侣 molecularchaperone 热休克蛋白 heatshockprotein HSP 类 HSP70 HSP60 HSP10 新生多肽相关复合物 nascentassociatedcomplex NAC ATP 21 转运过程 蛋白质合成后 分子伴侣去折叠 HSP70 HSP60 HSP10 NAC 导肽引导 ATP水解 内外膜转位接触点 ATP水解 穿膜 电荷引力和分子绞力 导肽切除 分子伴侣帮助折叠 22 第三节细胞呼吸与能量转换 一 引言 非细胞细胞获能量 燃烧有机物化学能变热能 光能等本质是物质氧化反应 释放化学能有机物氧化时需O2分解成无机物 CO2H2O 23 细胞呼吸 cellularrespiration 细胞利用氧氧化有机物成为无机物 CO2H2O 同时释放能量的过程 与动物中呼吸现象相似 也称为生物氧化 biologicaloxidation 或细胞氧化 cellularoxidation 细胞获能与非细胞获能的区别 本质上无区别现象不同 在线粒体中 产能储存于ATP中 一系列反应 能量逐步释放 反应条件温和 恒温 恒压 有H20参与 24 细胞呼吸放出的能量变为ATP的高能磷酸键 1 72大卡 ATP为能量携带 储能者 转换 环节分子 能量货币 接上 断开 非长期储能者 ATP 细胞能量转换分子 25 物质氧化的三阶段 物质简单氧化 糖类简单氧化 糖酵解 氨基酸简单氧化脂肪酸简单氧化产物为乙酰CoA 高能电子 ATP 物质彻底氧化 三羧酸循环 TAC 产物为水 二氧化碳 高能电子 ATP 能量转换 通过电子传递链 和氧化磷酸化 产生ATP 26 27 二 物质简单氧化 物质简单氧化包括 糖酵解脂肪酸 氧化蛋白质分解和氨基酸转化主讲糖酵解 28 2020 1 9 29 糖酵解 1 存在场所 细胞质基质中2 反应过程 1个葡萄糖经十多反应成2个丙酮酸3 产物去处 丙酮酸去 无氧时 丙酮酸还原为乳酸 有氧时 丙酮酸到线粒体中彻底氧化4 能量储存与 以高能磷酸键直接生成2ATP 以高能氢原子2对H高度不稳定 暂存NAD 辅酶 FAD NADP 两个电子和一个H 另一个H 在溶液中葡萄糖由糖原或淀粉分解为葡萄糖 30 三 物质完全氧化 三羧酸循环 1 存在场所 线粒体基质中三羧酸指 柠檬酸有三个酸根 或为循环中有柠檬酸 草酰乙酸 酮戊二酸 2 循环入口 乙酰CoA3 循环出口 物质彻底氧化为水 二氧化碳 31 32 33 5 总反应方程式 2CH2COSCoA 6NAD 2FAD 2ADP十2Pi 6H2O 4CO2 6NADH 6H 2 2FADH 2HSCoA 2ATP1分子的葡萄糖经无氧氧化 丙酮酸脱氢和TAC循环 共产生了6分子的CO2和12对高能H 4分子ATP 34 6 三羧酸循环能量储存方式 以高能磷酸键直接生成2ATP 以高能氢原子 4对H 一般认为是高能电子 由NAD 和FAD 携带 35 四 氧化磷酸化 经过糖酵解和三羧酸获得的高能氢原子 解离H 和e 质子在溶液中 电子由NAD FAD通过电子传递链 中的能量通过一个传递链能量缓慢释放 不同于燃烧 逐级传 此传递链叫电子传递链 释放的能量由氧化磷酸化捕获储存在ATP中 36 37 1 电子传递链 呼吸链 a 存在场所 线粒体内膜的一组镶嵌蛋白 b 功能 传递高能电子 最后交给氧使成为还原氧O 由于有氧参与所以电子传递链由称呼吸链c 组成 四类酶和辅酶复合体1 NADH CoQ氧化还原酶 2 琥珀酸 CoQ氧化还原酶3 CoQH2 细胞色素C氧化还原酶4 细胞色素C氧化酶复合体 38 表线粒体电子传递链复合物的组成和定位 39 电子传递链特点 逐级传 能量泵出质子转为浓度势能 40 2 ATP酶复合体 ATP酶形成场所 基粒基粒组成 头部 柄部和基片头部 偶联因子F1或ATP酶复合体5种亚基组成 3 3 柄部 连接作用 有寡霉素敏感的蛋白质基部 偶联因子F0至少由4种多肽组成的疏水蛋白 41 头部 柄部和基片共同形成ATP酶复合体和质子泵质子浓度驱动ATP酶合成ATP由于有氧原子加入电子氧化 有磷酸参与所以为氧化磷酸化电子传递于与氧化磷酸化偶连 一对高能氢原子可以获得 2 3分子ATP 42 四 化学渗透假说英国化学家Mttchell 1961年 提出的化学渗透假说 chemiosmoticcoupllnghypothesls 假说内容 氧化磷酸化与电子传递偶联 电子自由能造成H穿膜传递 转变为横跨线粒体内膜的电化学质子梯度 质子顺梯度回流并释放出能量 驱动结合在内膜上的ATP合成酶合成ADP 五 ATP合成机理 43 1989 PaulD Boyer提出结合变构机制 binding changemechanism 来解释FIATP合成的过程 过程 ADP Pi进入O位 同时L位已经存在松散结合ADP Pi T已经形成ATP但是紧密结合 质子流通过F1变构 亚基120 旋转 在旋转时使L位ADP Pi紧密结合 并且使原来在T的ATP松散并释放 继续旋转并变构到T位合成ATP 循环 44 45 46 第五节线粒体与疾病 引言 线粒体结构损伤可导致功能改变 使机体病变 这与线粒体数量 mtDNA的拷贝 修复系统等有关 一 线粒体疾病特点 突变率高 母系遗传 多质性 阈值效应 47 突变率高mtDNA突变率比核DNA高10 100倍 母系遗传 maternalinheritance 母亲mtDNA传给 所有子女 而只有女儿的mtDNA再传给 下一代 原因 受精卵细胞质来自于卵细胞 48 阈值效应 thresholdeffect 线粒体突变基因累积到一定数量才发病称阈值效应阈值是发病所需要的最少突变基因数目它与组织类型 组织状态等有关如 脑部mtDNA缺损时平时无临床症状在癫痫发作时 能量供应不上导致脑梗死 细胞死亡 组织对能依赖性从脑 骨骼肌 心 肾 肝降低 线粒体病变时 最先受损中枢神经系统 肌肉 心 肾和肝等 ATP产生越少 累及器官越多 症状越重 49 二 线粒体遗传病发病特征 临床症状本相似 综合症 横纹肌病 心肌病 痴呆 耳聋 失明 贫血 神经病等 主要集中在肌肉系统病 神经系统病 随年龄增长加重 与衰老相关 50 例1 Leber遗传性视神经病 Leberhereditaryopticneuropathy LHON 典型的线粒体视神经病 母系遗传特征典型 临床症状 起因急性或亚急性眼球后神经炎 双侧视神经萎缩 视物模糊 失明 双侧受累 伴随症状包括反射亢进 小脑共济失调 心律紊乱等 好发中青年 男女发病比例为4 1 病因 mtDNA进行性的点突变 开始一 最后10多位点突变 伴有核DAN突变 50 突变点 ll778位点突变 C A 突变 使NADH脱氢酶亚单位4 ND4 中第340位精氨酸 组氨酸 影响了线粒体能量的产生 其他突变点 分布于NDl ND2 ND3 ND4 ND5和细胞色素b等基因位点内 51 例2 帕金森病 Parkinson sdiseaes PD 临床症状 运动失调症 动作迟缓 肌张力增高 有震颤病因 与mtDNA缺失突变有关目前发现糖尿病 Huntington舞蹈症 Alzeimer病等 都与mtDNA缺失突变有关 52 三 线粒体与细胞衰老随年龄的增长伴细胞内mtDNA损伤积累 人们推测衰老可能与异常mtDNA积累有关机体的衰老首先是神经和心血管的衰老 四