《医学细胞生物学》本科课件07章 线粒体

1、第七章 线粒体医学细胞生物学第一节 线粒体的基本特征 （一）形态结构及化学组成 （二）半自主性 （三）线粒体的发生与起源第二节 线粒体与能量代谢 （一）细胞呼吸 （二）功能物质的分解代谢 （三）ATP与能量转换 （四）氧化磷酸化第三节 线粒体与细胞死亡线粒体的基本特征一、线粒体的形态结构及化学组成（一）超微结构：两层单位膜套叠形成的封闭膜囊结构 1.外膜(outer membrane) 2.内膜(inner memebrane) 3.膜间隙(intermembrane space) 4.基质(matrix) 外膜内膜膜间隙嵴基质1. 外膜最外围，厚约6nm通透性很高，孔蛋白(porin) 形成

2、亲水通道相对分子量小于1000的分子可自由穿过，如ATP、NAD+、CoA等。 相对分子量达5000的分子可选择性通过。脂质和蛋白质各占50%。含有参与脂肪酸链延长、色氨酸降解、肾上腺素氧化、营养物质分解等酶类。标志酶是单胺氧化酶(MAO)2.内膜(inner memebrane) 单层封闭性单位膜，厚约6 nm8nm向内延伸折叠形成嵴(cristae) 蛋白质含量高达80%脂类占20%，缺乏胆固醇，但富含心磷脂（与内膜高度不通透性有关）高度不通透性，允许150以下的非极性分子自由通过内膜上有基粒和呼吸链标志酶是细胞色素氧化酶。基粒 (elemetary particle) 头部 (偶联因子F

3、1) ：圆球形，突入内腔， 具有酶活性，催化ADPATP 柄 部 ： 连接头部和基部，调控质子通道 对寡霉素敏感, 与其结合抑制ATP合成 基部 (F0偶联因子)：嵌于内膜中，有物种差异， 质子流向F1的穿膜通道3.膜间隙(intermembrane space) 线粒体内、外膜之间的约6nm8nm腔隙。细胞呼吸旺盛时可显著扩大。pH和部分化学组成和细胞质相似。充满液态介质（可溶性酶类、底物和其它辅助因子。标志酶为腺苷酸激酶。部分区域膜间隙非常狭窄（转位接触点） 在线粒体的内、外膜上存在的一些内膜与外膜相互接触的地方，此处膜间隙变狭窄，称为转位接触点。 内膜转位子（Tim）通道蛋白 外膜转位子

4、（Tom ）受体蛋白功能：蛋白质等物质进出线粒体的通道。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。 4.基质(matrix) 线粒体内膜包围的封闭空间。富含高浓度的水溶性蛋白质，呈凝胶状。含有闭环双链DNA、RNA聚合酶、核糖体和tRNA。参与三羧酸循环、氨基酸分解、脂肪酸氧化等过程的酶类及相关底物和中间产物标志酶是苹果酸脱氢酶。（二）线粒体的动态变化1线粒体的形状、大小、数目、分布形状一般呈粒状、短杆状或线状等，不同的生理环境和发育阶段，线粒体形态显著不同。伸长为线状（高渗），膨大如泡状（低渗） 数目低等生物少，高等动物多 代谢旺盛细胞多 骨骼肌受到重复性收缩刺激时，

5、或甲亢患者肌肉中 明显增多分布能量需求旺盛的区域 病理状态下的线粒体中毒、感染、辐射、缺氧肿胀破裂肝癌数量减少；液泡状维生素C缺乏病（坏血病）线粒体球缺血基质腔变小，可见不规则絮状物 膜间腔扩大。细胞状态也影响线粒体的分布。线粒体常附着于微管呈链状排列，在微管动力蛋白和微管驱动蛋白的的帮助下快速完成细胞内的重分布。2线粒体的融合与分裂 动、植物细胞频繁发生的多个颗粒状的线粒体融合为较大的线粒体，称为线粒体融合。1个线粒体也可以分裂成多个较小的颗粒状线粒体，称为线粒体分裂。 3.线粒体自噬 选择性降解受损线粒体的机制称为线粒体自噬。2005年，Lemasters报道线粒体膜电位的降低和线粒体通透

6、性膜孔开放可引起线粒体自噬。 二、线粒体的半自主性线粒体具有较完整的遗传系统，含有DNA聚合酶、RNA聚合酶、RNA(mRNA、tRNA、rRNA)、核糖体、氨基酸活化酶等成分，表现出自主性的一面。线粒体的生长、增殖等活动受到细胞核遗传系统的严格控制，其自主性是有限的。线粒体基因组仅编码非常有限，约占线粒体蛋白质种类的1%。大部分线粒体蛋白质是核基因组编码，并在细胞质合成后转运而来，包括线粒体遗传系统中的线粒体的DNA聚合酶、RNA聚合酶、核糖体蛋白、氨酰tRNA合成酶重要组份。所以，线粒体受到线粒体基因组和核基因组两套遗传系统的控制，称为半自主性细胞器(semiautonomous orga

7、nelle)(一) mtDNA的结构和特点高等动物线粒体含1个或数个mtDNA 。mtDNA呈双链闭合环状，不含组蛋白。线粒体基因组排列紧凑，无内含子序列，少有非编码区。接近细菌基因组的特点。CsCl溶液密度梯度离心呈现不同的两条链密度大的重链(H链) 密度较小轻链(L链) 1981年，Anderson等首次测定了人类线粒体基因组全序列，称为“剑桥参考序列” 。含16569bp，共编码37个基因产物。 H链编码大部分基因：12种蛋白质亚基、2种rRNA基因、14种tRNA。L链仅编码一种ND6蛋白质亚基，和其它8种tRNA。13种蛋白质分别定位于线粒体内膜中的复合物I、复合物III、复合物IV

8、和ATP合酶F0 人类线粒体基因组存在基因片段部分重叠的现象。1.mtDNA的复制轻链的复制要晚于重链； 合成方向:重链顺时针 轻链逆时针 复制基本不受细胞周期影响复制时间：约持续2个小时。D环复制(D-loop replication) (二) mtDNA的复制和转录2.mtDNA的转录和加工从H2和L转录起始位点，分别转录出一条几乎覆盖mtDNA全长链初级转录产物。 H1转录起始位点转录出只包括tRNAphe、tRNAval、12SrRNA、16SrRNA的多顺反子，多顺反子剪切为各基因的RNA。mRNA在polyA聚合酶作用下加polyA。启动子：重链启动子（HSP），轻链启动子（LSP

9、)。 转录因子与其结合，在mtRNA聚合酶的作用 下启动转录。转录过程：线粒体基因的转录类似原核生物的转录，即产生一个多顺反子，包括mRNA和tRNA。重链形成两个初级转录物： 初级转录物：tRNAphe、tRNAval、12S rRNA和16S rRNA 初级转录物：mRNA和tRNA 2.mRNA合成不含内含子，也很少有非翻译区。 起始密码为AUG（或AUA），终止密码为UAA。3端有多聚A的尾部，5端没有细胞核mRNA加工时的帽结构。（三）线粒体的蛋白质合成系统与细胞质差异明显，与原核细胞相似。表现在： 1. 可被氯霉素、红霉素、链霉素等药物抑制。 2. RNA的转录、蛋白质合成具有时空

10、交联的特点。 3. rRNA在线粒体核糖体所占比例介于真核和原核细胞之间。 4.蛋白质的翻译起始密码子与原核生物类似。 5.线粒体的遗传密码子和通用密码子有差异。编码含义核密码子线粒体密码子甲硫氨酸(起始)AUGAUG AUA异亮氨酸AUU AUC AUAAUC色氨酸UGGUGG UGA终止密码UAA UAG UGAUAA UAG AGA AGG精氨酸CGU CGC CGA CGG AGA AGGCGU CGC CGA CGG线粒体合成的蛋白质数量有限，但是线粒体功能活动的关键酶。它们在线粒体的核糖体上进行翻译。所需的tRNA、mRNA和核糖体是自身专用。所有tRNA都是由mtDNA编码。构成

11、线粒体核糖体的蛋白质由细胞质运入线粒体内ATPase8和ATPase6亚基翻译重叠框架 (四) 线粒体蛋白质的转运人线粒体中蛋白质：99%为核基因组编码。1%线粒体自身合成。核基因编码的线粒体蛋白 在细胞质合成 转运到线粒体 通常含有信号序列 基质导入序列(MTS) 膜间隙导入序列(ISTS)MTS： 线粒体蛋白前体N端的一段特殊氨基酸序列 富含精、赖、丝和苏氨酸，少有天冬和谷氨酸 可被TOM复合体和TIM复合体识别 引导线粒体蛋白质从细胞质转移到线粒体 MTS随后被信号肽酶切除。ISTS： 部分线粒体蛋白质的MTS后的一段序列 富含疏水性氨基酸残基信号序列 可被OXA蛋白质复合体识别，随后插

12、入线粒体内膜 最后被异二聚体内膜蛋白酶(impl1/impl2)切除 线粒体蛋白质从细胞质转运到线粒体主要包括3个步骤。1.线粒体蛋白质前体与分子伴侣结合 2.蛋白质前体复合体穿越线粒体膜 (1)热棘齿模型 (2)横桥锁止扣模型3.线粒体蛋白的再折叠 线粒体核编码蛋白质的转运 (一)核编码蛋白向线粒体基质中的转运 1.需要条件 基质导入序列（MTS） 分子伴侣：保持前体蛋白在线粒体外的非折叠状态NAC：与少数前体蛋白相互作用，增加蛋白转运的准确性。hsp70：和绝大多数的前体蛋白结合，使前体蛋白打开折叠，防止已松弛的前体蛋白聚集。 前体蛋白与受体结合。 mthsp70可与进入线粒体腔的前导肽链

13、交联，防止了前导肽链退回细胞质。 基质作用蛋白酶MPP：定位于线粒体内膜上，切除大多数蛋白的基质导入序列。2.转运过程蛋白质向线粒体基质转运示意图(二)核编码蛋白向线粒体其他部位的转运(自学) 1.蛋白质向线粒体膜间腔的转运 信号序列基质导入序列MTS：引导前体蛋白进入基质。膜间腔导入序列ISTS：引导前体蛋白进入膜间腔。 转运方式整个蛋白进入基质，第2个信号序列ISTS引导多肽链通过内膜上的通道进入膜间腔。 第2个信号序列ISTS起转移终止序列的作用，阻止前体蛋白向基质转运，并固定于内膜上，切去位于内膜上的ISTS部分后，进入膜间腔。通过直接扩散从胞浆通过外膜而进入膜间腔。蛋白质向线粒体膜间

14、腔转运示意图2.蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运在外膜蛋白的转运中，类孔蛋白P70的研究最多。事实上在P70的MTS后有一段长的疏水序列，也起着转移终止序列的作用，而使之固定于外膜上。内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚。 (五)线粒体遗传系统和细胞核遗传系统的关系线粒体独立性是相对的， 细胞核仍然是真核细胞遗传信息的中心。线粒体的中间代谢产物或信号分子也可以反馈至核遗传系统，调控相关核基因的表达。线粒体和细胞核中的遗传物质存在相互转移现象。三、线粒体的起源与发生(一)线粒体的增殖收缩分裂 出芽分裂 间壁分裂 (二)线粒体的起源1.内共生起源学说(endosymbiosis theory) 原始

15、真核细胞是一种具吞噬能力、通过糖酵解获取 能量的巨大厌氧细胞。 线粒体祖先是一种可分解丙酮酸，具有三羧酸循环酶系和呼吸链系统的革兰氏阴性菌。 偶然，这种细菌被原始真核细胞吞噬后，与宿主细胞形成互利共生关系。 主要证据如下：1)线粒体具有遗传系统 。2)线粒体基因组与细菌相似。3)线粒体具备完整的蛋白质合成系统。4)线粒体内膜和细菌相似。5)线粒体分裂增殖方式与细菌类似。6)线粒体的磷脂组份、Cyt c蛋白质序列和呼吸方式等与反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌更接近。2. 非内共生起源学说(non-endosymbiosis theory) 1974年，T. Uzzell等 认为真核细胞祖先是一种体

16、积较大的好氧细菌，通过细胞膜的内褶、扩张和分化逐渐演化出具有氧化磷酸化功能的线粒体。 目 录1第一节 线粒体的基本特征 23第二节 线粒体与能量代谢第三节 线粒体与细胞死亡一、细胞呼吸细胞呼吸(cellular respiration)：细胞氧化消耗O2，生成CO2和H2O的过程。包括2个阶段 供能物质的分解代谢 氧化磷酸化。 二、功能物质的分解代谢1.消化作用 消化酶将营养物质中的大分子分解成基本单位， 如单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等。 细胞外消化和细胞内消化两种方式。 该阶段所释放的能量很少。 通常以热能的形式散失。 2.乙酰CoA的生成 经消化作用产生的小分子进入细胞质继续分解，部分中间

17、代谢产物进入线粒体，生成乙酰CoA。以葡萄糖为例，乙酰CoA的生成包含2个步骤： 糖酵解和乙酰CoA的生成。 (1)糖酵解(glycolysis) 在细胞质糖酵解酶系的作用下，葡萄糖分子分解成2分子的丙酮酸，释放出部分能量，并储存于ATP和NADH活性载体分子， (2)乙酰CoA的生成 丙酮酸被转运至线粒体基质。在丙酮酸脱氢酶系作用下生成乙酰CoA。3.三羧酸循环 每分子乙酰CoA生成1分子GTP、3分子NADH和1分子FADH2。（一）三磷酸腺苷分子的特点ATP分子较小，可以快速转运或扩散到需能区域。ATP分子含有高能磷酸键，储存或者释放能量。ATP末端的磷酸基团极易转移。（二）ATP的生成

18、 底物磷酸化 氧化磷酸化 三、ATP与能量转换四、氧化磷酸化(一)通过呼吸链建立H+梯度在氧化磷酸化过程中，电子载体在线粒体内膜上组成的电子传递序列被称为电子传递链，也称为呼吸链。包括复合物I、复合物II、复合物III和复合物IV、CoQ、Cyt c。四、氧化磷酸化5.呼吸链I四、氧化磷酸化6.呼吸链IINADH和FADH2中的高能电子分别经呼吸链I和呼吸链II传给O2，生成H2O。电子在传递过程中逐步释放能量，复合物I、III、IV利用这些能量把基质中的H+泵到膜间隙，在线粒体内膜两侧形成H+浓度梯度和外正内负的电位。线粒体内膜两侧的H+梯度(或pH梯度)和膜电位形成的驱使H+回流的合力，称

19、为H+电化学梯度。(二)ATP合酶合成ATP1.化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)1961年，英国化学家P. Mitchell提出 内容：呼吸链各组分在线粒体内膜呈不对称性分布，电子在呼吸链传递过程中，内室的质子被泵至膜间隙。在线粒体内膜完整时，内膜两侧形成H+梯度和膜电位。在电化学梯度的驱动下，H+回流到基质时，驱动ATP合酶生成ATP。ATP合酶分子结构 ATP合酶(ATP synthase)，属F型质子泵。主要包括F1、F0两部分。 ATP合酶的多肽链分别组装成“转子”和“定子”两部分。膜间隙的H+通过a亚基回流时，驱动ATP合酶的转子旋转。2.结合变构机制(

20、binding change mechanism) 1979年，美国科学家P. Boyer提出了结合变构机制(binding change mechanism。直至1994年，英国科学家J. Walker等发表了牛心线粒体F1头部0.28nm分辨率的晶体结构，从结构学上为结合变构机制提供了重要支持，该假说随后被大多数人普遍接受。鉴于P. Boyer和J. Walker对ATP合酶生成ATP机制的研究成果，两位科学家分享了1997年诺贝尔化学奖。 Paul D. Boyer John E. Walker结合变构机制假说：H+回流到线粒体基质时不直接驱动ADP磷酸化为ATP，而是从活性位点释放AT

21、P分子。在任何时刻，ATP合酶中3个亚基催化位点分别以L、T和O3种构象存在，对核苷酸有不同的亲和性。ATP通过旋转催化作用合成。ATP合酶F1头部相对于中央轴的亚基旋转，导致亚基催化位点的构象沿着LTO顺序依次变换，催化ATP生成。四、氧化磷酸化4. 结合变构机制的证据JWalker发表的牛心线粒体ATP合酶F1头部高分辨率晶体结构：在静态ATP合酶中，鉴定出3个亚基催化位点分别对应L、T和O构象，而且这3种构象对核苷酸的亲和性不同。ATP合酶亚基所处的位置，把F0基部和F1催化位点构象改变联系起来。亚基顶端高度不对称，3个亚基因与亚基不同部位接触而分别处于L、T和O构象。ATP合酶F1头部

22、高分辨率晶体结构以葡萄糖为例，细胞呼吸过程示意图目 录1第一节 线粒体的基本特征 23第二节 线粒体与能量代谢第三节 线粒体与细胞死亡线粒体与细胞死亡有关的证据1994年，Newmeyer等发现线粒体提取物可以使体外游离细胞核的染色质凝集。1996年，Liu等证实Cyt c是细胞凋亡因子之一。在研究细胞死亡过程时，观察到线粒体膜通透性增加的现象，称之为线粒体通透性改变（mPT）。mPT是细胞死亡的早期事件，已成为预测细胞死亡的有效指标。2001年，Li等从线粒体上清蛋白液中鉴定出一种不依赖caspase介导DNA片段化的核酸内切酶G（EndoG）。 线粒体控制细胞死亡的假说线粒体前期线粒体期线粒体后期一、疾病过程中的线粒体