细胞生物学：线粒体

1、线粒体线粒体（Mitochondrion，Mit） 细胞内各种供能物质的氧化中心细胞内各种供能物质的氧化中心及细胞能量及细胞能量( (ATP)产生、储存和供应产生、储存和供应中心中心氧化磷酸化（氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHS）。 Mit还与细胞中氧自由基的生成、还与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子多种离子(如如Ca2+)的跨膜转运及电解的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。质稳态平衡的调控有关。（p147）线粒体的形态结构及酶的定位分布线粒体的形态结构及酶的定位分布线粒体的功能线粒体的功能

2、线粒体的半自主性线粒体的半自主性线粒体与医学线粒体与医学Contents第一节第一节 线粒体形态结构及酶的定位分布线粒体形态结构及酶的定位分布 一、光镜结构一、光镜结构 呈线状、杆状、粒状等。呈线状、杆状、粒状等。 其形状、大小、数量、分其形状、大小、数量、分布布因细胞种类和生理状况不同因细胞种类和生理状况不同而异。而异。 线粒体形态及分布线粒体形态及分布啮齿类动物的精子啮齿类动物的精子 线粒体的分布多集中在细胞的需能部位，有利于其能量供应线粒体的分布多集中在细胞的需能部位，有利于其能量供应二、线粒体的亚微结构二、线粒体的亚微结构“两层膜、三个腔、环状两层膜、三个腔、环状DNA在中央。在中央。

3、”（外室、膜间腔）（外室、膜间腔）（内室、嵴间腔、基质腔）（内室、嵴间腔、基质腔）嵴内腔嵴内腔透射电镜下蝙蝠胰细胞的线粒体透射电镜下蝙蝠胰细胞的线粒体基质颗粒基质颗粒扫描电镜照片，示线粒体内部结构扫描电镜照片，示线粒体内部结构管状嵴线粒体（草履虫）管状嵴线粒体（草履虫）( (一）外膜一）外膜 1.1.通透性大通透性大 孔蛋白孔蛋白(porin)：形成孔径为形成孔径为2-nm的的亲水通道，允许亲水通道，允许5k的分子选择性通过，的分子选择性通过，允许允许1k的分子自由通过。的分子自由通过。2.蛋白质和脂类的比值：蛋白质和脂类的比值：1（二）内膜（二）内膜 1. 1.通透性低，借助通透性低，借助载

4、体蛋白载体蛋白跨膜运输。跨膜运输。 2.2.蛋白质和脂类的比值：蛋白质和脂类的比值：3.2 3. 3.形成嵴，膜上含与氧化磷酸化有关的形成嵴，膜上含与氧化磷酸化有关的酶，称酶，称氧化磷酸化复合酶体系。氧化磷酸化复合酶体系。 呼吸链（呼吸链（respiratory chain）(电子传递电子传递链，链，electron transport chain) ) Mit内膜上一组规则排布的膜蛋白，它内膜上一组规则排布的膜蛋白，它们传递供能物质氧化反应中所脱下的们传递供能物质氧化反应中所脱下的H+的的e给给O2生成生成H2O，并释放能量。，并释放能量。包括复合物包括复合物、 II、III 、IV ，其中

5、、，其中、 III 、 IV为为H+泵，泵，以及辅酶以及辅酶Q和和cyt c 。 （p142）线粒体内膜的氧化磷酸化复合酶体系：线粒体内膜的氧化磷酸化复合酶体系：简单说，呼吸链是由一系列电子载体构成的，简单说，呼吸链是由一系列电子载体构成的，从从NADH或或FADH2向氧传递电子的系统。向氧传递电子的系统。 NADH(2H) 复合物复合物 辅酶辅酶Q 复合物复合物III 复合物复合物FADH2(2H) 复合物复合物 1/2O2 能量释放及能量释放及ATP合成偶联部位合成偶联部位 H2O 能量能量两条呼吸链：两条呼吸链： NADH呼吸链、呼吸链、FADH2呼吸链呼吸链（辅酶辅酶Q和细胞色素和细胞

6、色素C不属于呼吸链任何一种复合物不属于呼吸链任何一种复合物）+cyt c ATP合成酶合成酶（复合物复合物、基粒、基粒、F0F1颗粒颗粒 ）头：头：F1 (ATPase)，33，每个，每个亚基具有一亚基具有一个个ATP合成的催化位点。合成的催化位点。柄：柄：含含OSCP (对寡霉素敏感的蛋白质。寡霉素为对寡霉素敏感的蛋白质。寡霉素为磷酸化抑制剂，可抑制磷酸化抑制剂，可抑制ATP合成合成) 。基片：基片：F0，在细菌为，在细菌为ab2c10-12 ，a亚基为亚基为H+通道通道蛋白。蛋白。ATP合酶的结构合酶的结构转子：转子： c定子：定子： ab2 a亚基形成一个跨亚基形成一个跨膜质子通道，其作

7、用膜质子通道，其作用之一之一就是将跨膜质子就是将跨膜质子动力势转换成扭力矩，动力势转换成扭力矩，推动转子旋转。推动转子旋转。嵴与上面的基粒嵴与上面的基粒ATP合成酶（基粒）的电镜照片合成酶（基粒）的电镜照片示线粒体内膜的示线粒体内膜的ATP合成酶合成酶 F1 ATPase PDB 1E79 side view base view F1 in cross section 从膜平面看，从膜平面看，和和亚基亚基交替排列，形成一个环交替排列，形成一个环状结构。状结构。亚基在亚基在和和亚基之间亚基之间形成一个支柱。形成一个支柱。（三）基质（三）基质 包括丙酮酸脱氢酶系、三羧酸循环包括丙酮酸脱氢酶系、三羧

8、酸循环酶系、蛋白质及核酸合成酶系、线粒体酶系、蛋白质及核酸合成酶系、线粒体核糖体、核糖体、mtDNA 、线粒体线粒体RNA等。等。 （p140、表、表12-1）第二节第二节 线粒体的功能线粒体的功能一、细胞氧化一、细胞氧化(细胞呼吸细胞呼吸)及其基本过程及其基本过程 脂肪脂肪 多糖多糖 蛋白质蛋白质 脂肪酸脂肪酸 葡萄糖葡萄糖 氨基酸氨基酸 无氧糖酵解无氧糖酵解 丙酮酸丙酮酸 丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系 乙酰乙酰CoA1. 大分子供能物质的降解及乙酰大分子供能物质的降解及乙酰CoA的生成的生成2.三羧酸循环三羧酸循环 乙酰乙酰CoA 2CO 24(2H)GTP 三羧酸循环酶系三羧酸循环酶系3

9、. 电子传递偶联磷酸化电子传递偶联磷酸化 2H(2H+ 2e) + 1/2O2 H2O + 能量能量 （有氧氧化）（有氧氧化） ADP + Pi + 能量能量 ATP （磷酸化）（磷酸化）氧化磷酸化氧化磷酸化：氧化和磷酸化作用偶联进行的过程。：氧化和磷酸化作用偶联进行的过程。实际上是能量转换过程，即供能有机分子中储藏实际上是能量转换过程，即供能有机分子中储藏的能量的能量高能电子高能电子质子动力势质子动力势ATP。二、氧化磷酸化机制二、氧化磷酸化机制氧化磷酸化的偶联机制氧化磷酸化的偶联机制 化学渗透学化学渗透学说说(Chemiosmotic Hypothesis，Mithchell，1961)

10、ATP合成机制合成机制 结合变构机制及结合变构机制及旋转旋转催化模型催化模型（Boyer，1979)化学渗透学说化学渗透学说 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，由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙至膜间隙，由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（梯度（pH）及及电位梯电位梯度（度（），两者共同构成，两者共同构成电化学梯度，即质子动力势（电化学梯度，即质子动力势（P）。 质子沿电化学梯度穿过内膜上的质子沿电化学梯

11、度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使酶复合物流回基质，使ATP酶的构象发生改变，将酶的构象发生改变，将ADP和和Pi合成合成ATP。 v1ATP酶利用质子动力势，发生构象改变，改变与底物酶利用质子动力势，发生构象改变，改变与底物的亲和力，催化的亲和力，催化ADP与与Pi形成形成ATP。v2F1具有三个催化位点，在特定的时间，三个催化位点具有三个催化位点，在特定的时间，三个催化位点的构象不同（的构象不同（L、T、O），与核苷酸的亲和力不同。），与核苷酸的亲和力不同。v3质子通过质子通过F0时，引起时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基旋转，由于亚基的

12、端部是高度不对称的，它的旋转亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起引起亚基亚基3个催化位点构象的周期性变化（个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），），不断将不断将ADP和和Pi加合在一起，形成加合在一起，形成ATP并释放。并释放。第一个第一个亚基（亚基（TP）结合）结合 ATP 类似物类似物 (tight)第二个第二个亚基（亚基（DP）结合）结合ADP (loose)第三个第三个亚基（亚基（E）处于空的状态）处于空的状态 (open)牛心线粒体牛心线粒体F1的晶体结构（的晶体结构（John Walker等，等，1994） Walker等利用核苷酸底物类似物，观察等利用核苷酸底物类似物，观察

13、ATP合成酶的合成酶的3个催化亚个催化亚基结合核苷酸底物类似物后晶体构象的变化，发现它们由于结合不同基结合核苷酸底物类似物后晶体构象的变化，发现它们由于结合不同的底物类似物而呈现不同的构象，有力地支持了的底物类似物而呈现不同的构象，有力地支持了Boyer提出的结合变提出的结合变构机制，证明在催化循环的任一时刻，构机制，证明在催化循环的任一时刻，3个催化亚基处于不同的构象个催化亚基处于不同的构象状态，构象的变化与位于状态，构象的变化与位于33中央的中央的亚基的转动相关。亚基的转动相关。 ATP合酶三合酶三种构种构象（象（ L、T 、O ）的交替改）的交替改变变ATPATP松散松散 (loose)

14、 构象，活性部位松散的结合构象，活性部位松散的结合ADP和和Pi；紧密紧密 (tight) 构象，活性部位紧密结合底物并形成构象，活性部位紧密结合底物并形成ATP；开放开放 (open) 构象，形成的构象，形成的ATP从活性部位释放。从活性部位释放。旋转催化模型的要点旋转催化模型的要点ATPATP 亚基旋转的观察（亚基旋转的观察（Noji等，等，1997） 亚基与荧光标记的肌动蛋亚基与荧光标记的肌动蛋白纤维相连；白纤维相连； 亚基被固定在载玻片上；亚基被固定在载玻片上； 供给供给ATP时，肌动蛋白纤维时，肌动蛋白纤维发生旋转。发生旋转。 结果表明，结果表明，亚基在亚基在33形成的圆筒中转动，转

15、动是形成的圆筒中转动，转动是单方向反时针进行的。转动使中心的单方向反时针进行的。转动使中心的亚基能够与三个亚基能够与三个亚亚基按顺序与基按顺序与O、L、T位点接触，这个实验使我们清楚地看位点接触，这个实验使我们清楚地看到到F1-ATP酶确实是一个分子马达，证明了旋转催化模型的酶确实是一个分子马达，证明了旋转催化模型的正确性。正确性。 Rotation of relative to & 最近的研究表明最近的研究表明ATP诱导的旋转以诱导的旋转以120o为步骤进行，中为步骤进行，中间有停顿。另有研究表明，每个间有停顿。另有研究表明，每个120o 步骤又含步骤又含90o & 30o 的的小步骤，中间

16、也有停顿。这些小的步骤可能与反应循环的特小步骤，中间也有停顿。这些小的步骤可能与反应循环的特定阶段有关，如定阶段有关，如 ADP结合或结合或ATP释放。释放。成就成就: 表彰他们在研究身体细胞是如何储存和传递能量方面所取得的成果。表彰他们在研究身体细胞是如何储存和传递能量方面所取得的成果。第三节第三节 线粒体的半自主性线粒体的半自主性 线粒体线粒体mtDNA的结构及遗传特点的结构及遗传特点v1.1.裸露的环状双链分子裸露的环状双链分子 人人mtDNA：16569bp，含，含37个结构基因，个结构基因，称剑桥序列称剑桥序列(Anderson等，等，1981)。 22个个tRNA gene 2个个

17、rRNA gene 13个蛋白质个蛋白质gene：均为氧化磷酸化复合酶体系的亚基。均为氧化磷酸化复合酶体系的亚基。牛肝细胞牛肝细胞mtDNA分子铺展的透射电镜照片分子铺展的透射电镜照片v2.除除D环区外，基因排列紧凑，不含内含子。环区外，基因排列紧凑，不含内含子。v3.两条链的编码不对称，两条链的编码不对称，L链产生链产生8种种tRNA分子及分子及1种蛋白质，其余都在种蛋白质，其余都在H链上。链上。v4.与与“通用密码子通用密码子”不同。不同。 (p149，表，表12-3)v5.突变频率高，为突变频率高，为 nDNA的的10倍以上。倍以上。v6.遗传方式：遗传方式：母系遗传。母系遗传。v7.遗

18、传的异质性、阈值效应、广谱性。遗传的异质性、阈值效应、广谱性。 随着时间的推移，线粒体基因积累的突变越来越随着时间的推移，线粒体基因积累的突变越来越多，后代个体之间线粒体基因序列的差异也就越大。多，后代个体之间线粒体基因序列的差异也就越大。一般说来，两位个体之间线粒体基因序列差别越大，一般说来，两位个体之间线粒体基因序列差别越大，表明他们与共同祖先分离的时间越长，亲缘越疏，表明他们与共同祖先分离的时间越长，亲缘越疏，反之则越近。反之则越近。 通过追踪线粒体基因通过追踪线粒体基因的谱系，发现在大约的谱系，发现在大约1414万万年前出现了交叉点，表明年前出现了交叉点，表明现存所有人的线粒体基因现存

19、所有人的线粒体基因都传自都传自1414万年前的一名女万年前的一名女性。她被形象地称为性。她被形象地称为“线线粒体夏娃粒体夏娃”。 细胞核中决细胞核中决定男性性别的定男性性别的Y染色体也是单性遗传的，染色体也是单性遗传的，只不过它是只不过它是父系遗传父系遗传，由父亲传给儿子。通过比较，由父亲传给儿子。通过比较各个个体之间各个个体之间Y染色体序列的差异，我们也可以计染色体序列的差异，我们也可以计算出现在所有人的算出现在所有人的Y染色体都来自大约染色体都来自大约6万年前的一万年前的一名男性。他被称为名男性。他被称为“Y染色染色体亚当体亚当”。 X染色体与染色体与Y染色体染色体 第四节第四节 线粒体的

20、生物发生线粒体的生物发生 线粒体的增殖：通过已有线粒体分裂线粒体的增殖：通过已有线粒体分裂增增殖殖，包括出芽、间壁分离、收缩后分离。，包括出芽、间壁分离、收缩后分离。主要表现在脑主要表现在脑-神经神经-骨骼肌方面的异常。骨骼肌方面的异常。mtDNA突变类型：突变类型： 、缺失、插缺失、插入突变入突变；拷贝数异常拷贝数异常。第五节第五节 mtDNA突变与疾病突变与疾病 1.1.Leber遗传性视神经病遗传性视神经病 Leber医生首次报道，医生首次报道，ND4基因基因nt 11778 GA (Wallace突变突变，1987)ND4的第的第340位精氨酸被组位精氨酸被组氨酸取代，而这一位点的精氨酸取代