细胞生物学第七章 线粒体

1、第七章、线粒体1. 了解线粒体的形态结构与化学组成。了解线粒体的形态结构与化学组成。2. 理解和掌握线粒体合成理解和掌握线粒体合成ATP的分子机制和原理。的分子机制和原理。3. 理解并掌握线粒体理解并掌握线粒体DNA的半自主性。的半自主性。4.了解线粒体蛋白质合成、运输与组装过程。了解线粒体蛋白质合成、运输与组装过程。5.理解并掌握线粒体的起源。理解并掌握线粒体的起源。第一节、第一节、 线粒体的生物学特征线粒体的生物学特征 线粒体是能够在光学显微镜进行观察的显微结构。 1890年，德国生物学家Altmann第一个发现线粒体。 1897年对线粒体进行命名。 1900年，Leonor Michae

2、lis用染料Janus green对肝细胞进行染色，发现细胞消耗氧之后，线粒体的颜色逐渐消失了，从而提示线粒体具有氧化还原反应的作用。一、一、 线粒体的形态结构线粒体的形态结构（一）线粒（一）线粒体的形态体的形态和分布和分布 形态: 线粒体的形状多种多样， 一般呈线状(图)，也有粒状或短线状。电子显微镜观察的蝙蝠胰腺细胞线粒体 数量: 不同类型细胞中数目相差很大。 分布 在多数细胞中，线粒体均匀分布在整个细胞质中，但在某些些细胞中，线粒体的分布是不均一的。肌细胞和精子的尾部聚集较多的线粒体， 以提供能量 线粒体包围着脂肪滴，内有大量要被氧化的脂肪 1、 线粒体的结构线粒体的结构 外膜(oute

3、r membrane) 内膜(inner membrane):嵴(cristae)，F1颗粒(F1 particle) 。 膜间间隙(intermembrane space) 线粒体基质(matrix) 。 线粒体结构模式图 外膜 单位膜结构。外膜含有孔蛋白, 通透性高, 膜间隙中的环境与胞质溶胶相似。外膜含有一些特殊的酶类，如单胺氧化酶,这种酶能够终止胺神经递质,如降肾上腺素和多巴胺的作用。 线粒体外膜的功能：建立膜间隙；对那些将在线粒体基质中进行彻底氧化的物质先行初步分解。 内膜 内膜富含心磷脂，通透性差，一般不允许离子和大多数带电的小分子通过。 线粒体内膜通常要向基质折褶形成嵴， 其上有

4、ATP合酶（F0-F1 复合体）， 是一个多组分的复合物。 内膜的酶类可以粗略地分为三类 运输酶类、合成酶类、电子传递和ATP合成酶类。 内膜是线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的主要部位。在电子传递和氧化磷酸化过程中，线粒体将氧化过程中释放出来的能量转变成ATP。 膜间隙 ：宽68 nm，膜间隙中的化学成分很多，几乎接近胞质溶胶。膜间隙的功能是建立和维持氢质子梯度。 线粒体基质 ：内膜和嵴包围着的线粒体内部空间是线粒体基质，与三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解等有关的酶都存在于基质之中；此外还含有DNA、tRNAs、rRNA、以及线粒体基因表达的各种酶和核糖体。二、二、 线粒体各部分的化学组成和

5、特性线粒体各部分的化学组成和特性 线粒体的化学组成线粒体的化学组成 蛋白质、脂类、水份等组成。 蛋白质：占线粒体干重的6570%,分为可溶性蛋白（基质的酶和膜的外周蛋白）和不溶性蛋白（膜的镶嵌蛋白）。 脂类：占干重的2030%，多数是磷脂， 占总脂的3/4以上。含丰富的心磷脂和较少的胆固醇是线粒体在组成上与细胞其他膜结构的明显差别。 线粒体内、外膜在化学组成上的主要区别是脂类和蛋白质的比例不同， 内膜上的脂类与蛋白质的比值低(0.3:1)， 外膜中的比值较高(接近1:1)。三、线粒体基因组的半自主性一、一、 线粒体线粒体DNA的半自主性的半自主性线粒体是一种半自主性细胞器，有自己的DNA和蛋白

6、质合成系统。但线粒体中的蛋白质只有少数几种是线粒体基因编码的。 线粒体的基因组线粒体的基因组如图，动物细胞线粒体基因组较小，约16.5kb， 通常与线粒体内膜结合在一起。人的线粒体基因没有发现内含子，但在酵母线粒体至少两个基因中发现有内含子，如细胞色素氧化酶复合物亚基蛋白基因中就有9个内含子。图 人的线粒体基因组 tRNA基因用相应氨基酸的三个字母表示 线粒体基因线粒体基因 线粒体基因在人的线粒体DNA中有两个线粒体rRNA基因: 12S rRNA和16S rRNA 基因、22 种线粒体合成蛋白质所需的tRNA基因和13种编码蛋白质的基因。(表7-6)。 线粒体密码线粒体密码 特异密码 线粒体

7、使用核基因的通用密码，但也有些例外(表)。线粒体类似于细菌的特征： 环形DNA；70S核糖体； RNA聚合酶被溴化乙锭抑制，不被放线菌素D所抑制； tRNA和氨酰基-tRNA合成酶不同于细胞质中的； 蛋白质合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA；对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。 两套遗传体系的协同性两套遗传体系的协同性 通过离体实验发现两套遗传体系的遗传机制不同。 如放线菌酮是细胞质蛋白质合成抑制剂，但是对细胞器蛋白质的翻译却没有作用。另外，一些抗生素，如氯霉素、四环素、红霉素等能够抑制线粒体蛋白质的合成，但对细胞质蛋白质合成没有多大影响。 通

8、过对转录的抑制研究，发现线粒体基因转录的RNA聚合酶也是特异的(图)。图7 蛋白质合成抑制剂作用位点，线粒体与细胞核基因转录的抑制剂是不同的。四、核编码蛋白质的线粒体转运 Mt中具有1000多种蛋白质，其自身合成的仅十余种，因此大量蛋白质是在细胞质中合成的。图 蛋白质翻译后转运 核编码线粒体蛋白质的导向序列核编码线粒体蛋白质的导向序列 导向序列 将游离核糖体上合成的蛋白质的N-端信号导向序列，由于这一段序列是氨基酸组成的肽，所以又称为导肽(leading peptide)。 Mt中导肽的特征： 富含Arg等碱性氨基酸； 羟基氨基酸含量也较高，如Ser；几乎不含Glu、Asp； 导肽可形成既亲水

9、又亲脂的结构，以利转运时穿过线粒体双层膜。线粒体蛋白转运线粒体蛋白转运图 线粒体蛋白转运的部位 分子伴侣（molecular chaperon） 概念：一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质，它们在细胞内帮助其他含多肽的结构完成正确的组装，而且在组装完毕后与之分离，不构成这些蛋白质结构执行功能时的组份。 种类：伴侣素家族（chaperonin, Cpn）、热休克蛋白 家族（ Hsp family ）、 核质素、T 受体结合蛋白 (TRAP) 等 特征：1、分子伴侣对靶蛋白没有高度专一性，同一分子伴侣可以促进多种氨基酸序列完全不同的多肽链折叠成为空间结构、性质和功能都不相关的蛋白质。 2、它

10、的催化效率很低。行使功能需要水解ATP，以改变其构象，释放底物，进行再循环。 3、它和肽链折叠的关系，是阻止错误折叠，而不是促进正确折叠。 4.多能性（胁迫保护防止交联聚沉，转运，调节转录和复制，组装细胞骨架） 5. 进化保守性 线粒体基质蛋白线粒体基质蛋白(mitochondrial matrix protein)转运转运 线粒体基质蛋白， 除极少数外， 都是游离核糖体合成， 并通过转运肽转运进来的，转运过程十分复杂(图)。图 蛋白质输入线粒体基质 五、五、 线粒体的生物发生线粒体的生物发生 线粒体增殖的方式线粒体增殖的方式 线粒体增殖的几种假说现有线粒体生长到一定的大小就要开始分裂，形成两

11、个小的、新的线粒体;旧的线粒体被吞噬，细胞内利用脂、蛋白、DNA等重新合成线粒体;利用其他的膜，如质膜、核膜、内质网膜等重新装配新的线粒体。 显微镜观察的结果在显微镜下观察到生活细胞中线粒体的分裂(图)，支持了第一种观点:线粒体通过分裂进行增殖。 实验证明为了证明显微镜下观察到的线粒体分裂增殖的可靠性，1965年David Luck通过放射性标记实验，进一步支持了线粒体分裂增殖的观点。图 脂肪细胞中正在分裂的线粒体电镜照片 第二节、细胞呼吸与能量分子 细胞呼吸 概念：细胞利用O2在线粒体中分解各种大分子产生CO2，同时，细胞代谢过程中产生的能量存储于ATP中，这个过程称为细胞呼吸或生物（细胞）

12、氧化。 特点：本质上由mt内膜上的酶催化的氧化还原反应；能量以ATP姓氏储存；反应分步进行；反应条件温和。 能量通币：ATP。第三节、细胞的能量转换第三节、细胞的能量转换 线粒体是真核生物氧化代谢中心。最终氧化的共同途径是三羧酸循环和呼吸链的氧化磷酸化。 （一）（一）氧化作用氧化作用葡萄糖和脂肪酸是真核细胞能量的主要来源。真核细胞中碳水化合物代谢俯瞰 葡萄糖酵解生成丙酮酸葡萄糖酵解生成丙酮酸 糖酵解(glycolysis)。葡萄糖经糖酵解生成丙酮葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸的过程：生成酸的过程：生成2分子分子ATP 和和2分子分子NADH 线粒体中乙酰线粒体中乙酰CoA的生成的生成 丙酮酸生成乙酰

13、CoA 细胞质中丙酮酸分子经过线粒体膜进入基质。在基质中，丙酮酸被丙酮酸脱氢酶氧化成乙酰辅酶A， 同时生成一分子NADH和一分子CO2。 乙酰辅酶A是线粒体能量代谢的核心分子，无论是糖还是脂肪酸作为能源，都要在线粒体中被转变成乙酰辅酶A才能进入三羧酸循环彻底氧化。 三羧酸循环三羧酸循环 每循环一次生成2分子CO2、1分子GTP、4分子NADH和1分子FADH2，释放5对电子。 1分子葡萄糖完分子葡萄糖完全彻底氧化能全彻底氧化能生成多少分子生成多少分子ATP？（二）、（二）、 呼吸链与电子传递呼吸链与电子传递 呼吸链的概念：位于线位于线粒体内膜上呈链状分布的粒体内膜上呈链状分布的一连串蛋白质复合

14、物。一连串蛋白质复合物。 电子载体 黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白和辅酶Q。 黄素蛋白(flavoproteins) 黄素蛋白是由一条多肽结合1个辅基组成的酶类，每个辅基能够接受和提供两个质子和电子。辅酶NAD+、NADP+、FAD和FMN在氧化和还原状态下的结构 细胞色素(cytochromes) 细胞色素是含有血红素辅基的一类蛋白质。 在氧化还原过程中，血红素基团的铁原子可以传递单个电子。血红素中的铁通过Fe3+和 Fe2+两种状态的变化传递电子。图中所示是细胞色素c,血红素与多肽的两个半胱氨酸共价结合,但在大多数细胞色素分子中,血红素并不与多肽共价结合。 铁硫蛋白(Fe/Sprotein)

15、 铁硫蛋白是含铁的蛋白质，也是细胞色素类蛋白。在铁硫蛋白分子的中央结合的不是血红素而是铁和硫，称为铁-硫中心。 两种类型的铁硫蛋白的结构(a)2Fe-2S型铁硫蛋白; (b)4Fe-4S型铁硫蛋白 辅酶Q(coenzyme Q)：辅酶Q是一种脂溶性的分子，含有长长的疏水链，由五碳类戊二醇构成。 辅酶Q的氧化还原：先接受一个电子而部分还原，称为半醌，再得到一个电子完全还原，称为全醌。 全醌失去一个电子是部分氧化，成为半醌，两个电子全部失去，即完全氧化则称为还原型的醌。 辅酶Q的氧化和还原形式 氧化还原电位与载体排列顺序氧化还原电位与载体排列顺序 呼吸链电子载体的排列顺序： 根据标准氧化还原电位的

16、大小排出电子载体在呼吸链中的位置(图)。 图中每一个载体都是从呼吸链中上一个载体获得电子被还原，而上一个载体由于失去电子被氧化，因此电子是从一个载体传向另一个载体，直至最终的受体被还原为止，在该呼吸链中的最终的受体是O2，接收电子后生成水。电子传递链中几种电子载体及电子传递 主、次呼吸链主呼吸链由复合物主呼吸链由复合物、和和构成，从构成，从NADH来的电子依次经过这三个复合物，来的电子依次经过这三个复合物， 进行传递。进行传递。次呼吸链由复合物次呼吸链由复合物、构成，来自构成，来自FADH2的电子不经过复合物的电子不经过复合物。 呼吸链的组成和排列呼吸链的组成和排列电子传递链的结构与功能 复合

17、物I ：NADH 脱氢酶，NADHFMNFe-SQ, 传递2e时伴随着4个H+被传递到膜间隙。 复合物：琥珀酸脱氢酶，琥珀酸FADFe-SQ ，此过程不伴随H+的传递。 复合物：每传递一对电子同时传递4个H+到膜间隙。 复合物 ：细胞色素c氧化酶。 cyt cCuAheme aa3- CuBO2 ，每传递2e，从mt基质中摄取4H+，其中两个形成水的，另两个被跨膜转运到膜间隙。复合物复合物的电子传递比较复杂，和的电子传递比较复杂，和“Q循环循环”有关有关（三）、（三）、 递氢体与电化学梯度的建立递氢体与电化学梯度的建立 递氢体 能将氢质子跨膜传递到膜间隙的复合物称为递氢体,或称递质子体。复合物

18、、既是电子载体,又是递氢体; 复合物只是电子载体,而不是递氢体。 电化学梯度(electrochemical gradient) 质子跨膜转运使内膜两侧发生两个显著的变化 线粒体膜间隙产生大量的正电荷，而线粒体基质产生大量的负电荷，使内膜两侧形成电位差； 第二是两侧氢离子浓度的不同因而产生pH梯度(pH),这两种梯度合称为电化学梯度。（四）、氧化磷酸化（四）、氧化磷酸化:ATP形成机制形成机制 呼吸链含有三个氧化磷酸化偶联位点呼吸链含有三个氧化磷酸化偶联位点 氧化磷酸化偶联位点 根据对呼吸链中不同复合物间氧化还原电位的研究，发现复合物、每传递一对电子，释放的自由能都足够合成一分子ATP，因此将

19、复合物、看成是呼吸链中电子传递与氧化磷酸化偶联的三个位点。 如果以FADH2作为电子供体，则只有两个ATP合成偶联位点。因为FADH2提供的电子是经复合物、和传递的，而复合物不能作为ATP合成的偶联位点，所以只有两个偶联位点，只能合成两分子的ATP。 偶联因子偶联因子1(coupling factor 1) ATP偶联因子电镜照片（负染） ATP合酶合酶(ATP synthase)的结构和功能的结构和功能图 ATP合酶的形态(a) 电镜照片; (b)根据电镜照片绘制的模式图和各部分的大小。 氧化磷酸化偶联机理氧化磷酸化偶联机理:化学渗透假说化学渗透假说 英国生物化学家P.Mitchell 19

20、61年提出 ATP合酶合成合酶合成ATP的机理的机理 结合变构模型 O型为空载结构; L型同ADP和Pi的结合较强; T型与ADP和Pi的结合很紧，并能自动形成ATP，并紧密结合ATP。 当亚基旋转并将复合物转变O型则会释ATP(图)。 定子（stator）和转子（rotor） Timothy等人提出了一个ATP合酶中能量转化过程的模型。 该模型认为由ab33组成了“定子”，c则形成“转子”。 当H+质子穿过a和c之间的通道时产生了力矩，从而推动了转子与定子间的相对转动，这样在F1中合成了ATP。F0 F1-ATP合酶作用机理图解 F1颗粒组成 亚基旋转的离体培养证明 实验中对F1进行人工改造， 使之带上组氨酸，由于组氨酸能够同覆盖有金属还原剂(Ni)的玻片结合， 因此可使F1固定到这种玻片上。 通过人工的方法将结合上一条荧光标记的肌动蛋白纤维， 然后在供给ATP的情况下用荧光显微镜观察亚基的转动