《医学生物学》第六章 线粒体细胞骨架 PPT课件

是细胞内一种重要的细胞器，是细胞内的能量转换系统，通过氧化磷酸化产生的ATP为细胞生命活动提供能量。生物体80%的ATP由Mi产生，故Mi被称为细胞的“动力工厂”。,线粒体 (Mitochondria, Mi),一、Mi的形态结构,分布：多分布于生理功能旺盛的区域和需要能量较多的部位。,(一) 形态、大小、数目和分布,形态：多种多样，常见为杆状或颗粒状。,大小：一般直径为0.51.0m，长为1.53.0m；有的Mi 较大，直径可达23 m，长可达710 m，称为巨大Mi 。如骨骼肌细胞。,数目：不同类型的细胞差异很大，从0几十万个。新陈代谢旺盛的细胞中，Mi 数目多，反之，则少。原核细胞和哺乳动物成熟的红细胞无。,在相差显微镜下观察的活的成纤维细胞中的Mi,精子细胞中的Mi,Mi,(二) Mi 的超微结构,膜间隙,基质腔,DNA,ATP合成酶颗粒,外膜,内膜,核糖体,嵴,允许分子量小于10kDa以下的分子通过。,内 膜,外 膜,孔蛋白,1. 外膜 (Outer membrane),膜厚约6nm，平整，光滑。磷钨酸负染时，外膜有排列整齐贯穿磷脂双分子层的桶状体，中央有小孔，孔径23nm，称为孔蛋白(Porin)。,2. 内膜 (Inner membrane),与外膜相似，厚约6nm。,内膜通透性小，仅允许不带电荷、小0.15kDa的分子通过；大于0.15kDa的分子需要膜上特殊的载体帮助运输。,内膜上具有特殊的结构嵴和基粒,管 状：常见于原生动物和多数植物细胞中。,内膜上的特殊结构嵴(Cristae), 使内膜的表面积增加，在完成Mi的功能中起重要作用。, 不同类型的细胞，嵴的形状和列的方式有很大差异，主要有两种类型排列方式：,板层状：在高等动物细胞中，嵴多垂直于长轴，少数与Mi 长轴平行（如神经细胞）。, 嵴的数目与Mi的氧化活性有关。,在内膜和嵴上有许多带柄的小体称为基粒，又称为ATP酶复合体。, F1 由5种不同的亚单位组成3 3 1 1 1。 交替环状排列，形 成球形头部； 形成柄部， 贯穿 于头部并形成柄的一部分。,内膜上的特殊结构基粒(Elementary particle), F0 由3个不同的亚单位组成 1a 1b 12c。 c 亚单位形成膜上可移动的环； a 亚单位可作为质子的通道； b 亚单位嵌入脂质双层，并延伸到F1， 形成柄的一部分。,大鼠肝细胞ATP合成酶的电镜照片,牛心脏细胞基粒的电镜照片,是Mi内外膜之间形成的腔隙，约68nm，内含许多可溶性酶、底物和辅助因子。,3. 膜间隙 (Intermembrane space),4. 基质腔 (Matrix space),嵴之间形成的间隙，内含很多蛋白质和脂类。, 含有许多重要的酶系如三羧酸循环酶系、脂肪酸 氧化酶系、蛋白质和核酸合成的酶系等。, 含有DNA、核糖体。,二、Mi的化学组成和酶的分布, Mi内膜特有丰富的心磷脂，高达总脂的20%。,(一) 化学组成：主要是蛋白质，其次是脂类。,蛋白质：占Mi干重的65%70%。可分为可溶性和不溶性两种类型。, 可溶性蛋白大多数是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)。,脂类：占Mi干重的25%30%。,4. 膜间隙：含少数几种酶，如腺苷酸激酶、二磷酸核苷激 酶等。 腺苷酸激酶为其标志酶。,(二) 酶的分布：已知Mi中约有120多种酶。,1. 外膜 单胺氧化酶为其标志酶。,2. 内膜：主要有呼吸链酶系和氧化磷酸化酶系 琥珀酸脱氢酶和细胞色素氧化酶是内膜的标志酶。,3. 基质腔：有三羧酸循环酶系(琥珀酸脱氢酶除外)、脂肪酸氧化酶系以及蛋白质和核酸合成酶系等。 苹果酸脱氢酶为其标志酶。,三、Mi的功能,氧化偶联磷酸化产生ATP,细胞氧化的概念,四、Mi的半自主性,Mi含有自己的 DNA(mtDNA)和核糖体，能够自主进行 Pr的合成，但只有少数的 Pr是由mtDNA编码，在Mi的核糖体上合成，大多数 Pr是由核基因编码，在细胞质游离核糖体合成后再运输到 Mi，因此Mi是一个半自主性细胞器。,概 念,双链环形DNA，裸露而不与组蛋白结合，转录和翻译同时进行。 mtDNA突变率极高。,（一）Mi 的DNA,常与Mi内膜结合，很难看到，但在分裂前DNA复制时出现在基质中，分裂后又与Mi内膜结合。,DNA的特点, 所含遗传信息量少。一个Mi可以有一个或几个DNA分子，人每 个mtDNA所含遗传信息约为16,569 bp。其中30%的信息用于 合成rRNA和tRNA，70%的信息用于合成约13种蛋白质(多为疏 水性蛋白，镶嵌在Mi内膜上)。,动物线粒体内的核糖体：5560S线粒体的翻译密码系统不同于通用的密码系统: 通用密码子编码 线粒体密码子编码密码：AUA、AUU 异亮氨酸 蛋氨酸 UAG 终止密码 色氨酸 AGA、AGG 精氨酸 终止密码,具有自身的转录与翻译系统,（二）Mi的蛋白质,Mi合成的 Pr只占Mi总 Pr 的10%，其余90%的Pr是由核基因编码，在细胞质的游离核糖体上合成后转运到Mi各个部位中。所以没有核遗传系统，mtDNA就不能表达。, 在运输之前，Pr以前体形式存在。前体是由成熟 形式的 Pr和 N-端的一段导肽 (Targetting sequence) 组成，当前体通过内膜时，导肽被水解酶剪切，留 下的则为成熟Pr。,Mi 蛋白质的运输,一 般 特 点, Pr通过Mi 内外膜时，需要消耗能量。, 在运输过程中， Pr需要从折叠状态转变为解折叠状 态；运送完成后，又从解折叠状态转变为折叠状态；, Pr通过外膜时，需要受体参与；, 导肽牵引Pr前体转运时，均通 过Mi内外膜的接触点；,解折叠的过程主要是Hsp70参与；,再折叠的过程主要是Hsp60参与；,常见于蕨类和酵母细胞中,肝细胞中的Mi,五、Mi的增殖和起源,(一) 增殖：目前认为是由原来的Mi分裂或出芽形成的。,Mi增殖有几种方式, 收缩后分裂：分裂时通过Mi中部缢缩并向两端不断拉长，然后再分裂为两个。, 间壁分离：分裂时先由内膜向中心皱褶，将Mi分为两个，外膜仍包在整个Mi外面。, Mi出芽分裂：先是再Mi上出小芽，然后与母体分离不断长大，从原Mi形成Mi。,（二）Mi 的 起 源,内共生起源学说：1970年Margulis在分析了大量资料的基础上提出一种设想。,当真核细胞吞噬这种细菌后，两者形成“互利”的共生关系，真核细胞利用细菌(原Mi)供给充分的能量，而细菌也依赖于宿主细胞获得更多的原料。在长期共生过程中，原Mi逐渐演变为真核细胞的Mi。, 真核细胞的祖先是一种体积巨大的，具有吞噬能力的细胞。, Mi的祖先即原Mi是一种革兰氏阴性菌，不仅能进行糖酵解， 而且能利用氧气，把糖酵解产物丙酮酸进一步氧化分解产生 更多的能量。,Mi 的 起 源,THE CYTOSKELETON,细胞骨架,细胞骨架cytoskelton：是由位于细胞质、细胞核的蛋白质纤维组成的网架系统。,细 胞质 骨 架,微管,微丝,中等纤维,微梁网络,线粒体,核糖体,内质网,细胞核骨架、细胞质骨架、细胞膜骨架、细胞外基质,微 丝,微 管,中间纤维,光镜下显示细胞骨架：红色荧光显示微丝 黄色显示微管 兰色显示细胞核,光镜下显示细胞骨架：,红色显示微丝，绿色显示微管,微 管,一.微管（microtuble)的形态结构与化学组成,微管的形态结构：,5-9nm,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,微管横断面,中空的圆柱状结构。,横断面上看：,它是由13根原纤维纵向围绕而成。,微管的化学组成：,微管蛋白(55KD 450aa),微管蛋白(55KD 550aa),异二聚体,2个鸟嘌呤核苷酸结 合位点。(GTP,GDP),可与秋水仙素、长春花碱结合。,微管蛋白,二 . 微管的组装,1972年Weisenberg小鼠分离微管蛋白体外组装,+,-,踏 车,微管的体外组装,微管蛋白,微管蛋白,异二聚体,原纤维,微管,（13）,细胞生命活动的特殊时刻,纺锤丝微管的聚合与 解聚发生在细胞分裂期。,时间控制：,间期：细胞质中微管与微管蛋白处于相对平衡状态,前期：细胞质微管网络中的微管解体；游离的微管 蛋白进行聚合，组装成纺锤丝微管，并排列成纺锤体。,分裂末期：纺锤丝微管解体，网络微管形成,微管的体内组装,空间控制,1.微管装配的特殊始发区域的影响（微管组织中心：着丝点、中心体）。,2.微管的定向延长和排列及与细胞其它成分的连接等。,微管蛋白质浓度、Mg2+浓度等的影响。,微管蛋白临界浓度值：1mg/ml临界浓度值 微管的聚合组装 临界浓度值 微管解聚,较高的Mg2+浓度、适当的PH值、适宜的温度和GTP等是微管组装的必要条件。,外界因素对微管组装的影响,秋水仙素和长春花碱：抑制微管的组装,低温（4）、较高的Ca2+浓度： 抑制微管的组装,紫杉酚（醇）和D2O:促进微管的组装,三.微管的结合蛋白（microtubule associated protein MAP）,微 管,微管蛋白,类型 I MAPs,微管结合蛋白微管关联蛋白（MAPs）,类型 II MAPs,作用：1.抵抗解聚、稳定微管、在体外加速微管蛋白聚合。 2.调节微管与其他细胞成分的相互关系。,动力蛋白,How does kinesin walk along a MT protofilament?,Pipecleaner and rubber tubing animations by Minia AlonsoThese are unavoidably big, E mail me if you need the files.,This electron micrograph shows microtubules in cross section with the MAP bridge. The arrows point to bridges between microtubules. The star points to a MAP bridge to the vesicle. In summary, MAPs accelerate polymerization, serve as motors for vesicles and granules, and essentially control cell compartmentation.,四.微管的功能,微管的功能,1.构成细胞的支架,4.构成中心体、鞭毛、纤毛等细胞器,中心体(centrosome),中心体(centrosome)结构,中心体复制周期,鞭毛和纤毛,微 丝,一.微丝(microfilament，MF，又称actin filament)的形态与组分,成分：,球状肌动蛋白(肌动蛋白单体 G-actin),纤维状肌动蛋白(肌动蛋白聚合体 F-actin),-肌动蛋白(肌细胞), -肌动蛋白(肌细胞和非肌细胞), -肌动蛋白(肌细胞和非肌细胞),肌动蛋白,二 . 微丝的组装,G-actin,F-actin,+,-,踏 车,条件：ATP、适宜温度、K+和Mg2+。过程：2-3个actin聚集成核心（核化）；ATP-actin分子向核心两端加合。具有极性，ATP-actin加到+极的速度快于-极5-10倍，临界状态下、可在+端添加，而在-端分离，称为 “踏车”现象。,Treadmilling,+,-,影响微丝聚合与解聚的特异性药物与离子：,细胞 松弛素：特异性的破坏微丝组装。鬼笔环肽：稳定微丝、促进微丝聚合。 在含：ATP和Ca2+、低浓度的单价离子(Na+、K+等)溶液中G-actin F-actin 在含：Mg2+和高浓度的Na+、K+离子溶液中微丝（ F-actin G-actin ）。,肌钙蛋白,原肌球蛋白,单体,四.微丝的功能,微丝的功能,中等纤维intermediate filament,IF,直径介与微管与微丝之间，故得名中等纤维（中间纤维 IF） 810nm。IF结构稳定：既不受秋水仙素也不受细胞松弛B素影响，并且也没有极性。,分5类：角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波形纤维蛋白、神经纤丝蛋白。具有组织特异性，通常一种细胞含有一种IF，少数含2种以上。肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF。,一、类型,中等纤维蛋白的类型和分布,I 酸性角蛋白 40-57 15 上皮细胞,II 碱性角蛋白 53-67 15 上皮细胞,III 结蛋白 53 1 肌细胞,胶质纤维酸性蛋白 50 1 胶质细胞和星形细胞,波形蛋白 57 1 间充质细胞,外周蛋白 57 1 神经元,IV 神经纤维蛋白 62-110 3 成熟的外周和中枢神经元,Internexin 66 1 发育中的中枢神经系统,V 核纤层蛋白A.B.C 60-70 3 真核细胞,VI nestin 240 1 中枢神经系统干细胞,角蛋白Keratin,波形蛋白,二 . 中等纤维的分子结构,中等纤维的基本组成单位中等纤维单体,中等纤维单体共同结构域,-螺旋杆状区,非螺旋区,：310个氨基酸残基(I-IV型和VI型IF)或356个氨基酸残基(V型IF)组成。,头部（N-端）,尾部（C-端）,三 .中等纤维的组装,原丝,原丝,四.中等纤维的功能,1.骨架功能,2.信息传