第四讲-线粒体

第四讲线粒体

(Mitochondria,Mi)

细胞生物学系刘羿男第四讲线粒体第一节线粒体的形态结构和组成第二节呼吸链与ATP合酶第三节线粒体DNA和线粒体病第四节线粒体蛋白质的输入第五节线粒体的增殖和起源一、线粒体的形状、大小、数目和分布二、线粒体的超微结构和组成(一)外膜(outermembrane)

(二)内膜(innermembrane)(三)膜间隙(intermembranespace)

(四)基质(matrix)第一节线粒体的形态结构和组成形状：光镜下，线粒体多为杆状或棒状。大小：一般直径为0.5~1.0

m，长为1.5~3.0

m；数目：依细胞种类不同差异很大，新陈代谢旺盛的细胞中，线粒体数目多，反之，则少。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、线粒体的形状、大小、数目和分布在电镜下，线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭性囊状结构，主要由外膜、内膜、膜间隙和基质腔组成。二、线粒体的超微结构和组成(一)外膜(Outermembrane)膜厚约6

7nm。用磷钨酸负染，外膜有排列整齐的筒状圆柱体。中央有孔，孔径为2nm，称为孔蛋白(porin)。允许分子量小于6kDa的分子通过。外膜特征性酶是单胺氧化酶。内膜外膜孔蛋白(二)内膜(innermembrane)厚约5nm。内膜向线粒体内室突出形成嵴(cristae)。嵴的形成增加了内膜的表面积。内膜含有三类不同功能的蛋白质呼吸链的酶复合体ATP合酶(ATPsynthase)复合体特异性转运蛋白质内膜富含心磷脂(cardiolipin)，使内膜具有对离子不能渗透的性质。内膜和嵴的基质面有许多带柄的小体称为基粒(elementaryparticle)或称F1颗粒(F1particle)。形似棒糖，分头、柄和基部三部分组成。头柄基部(F1颗粒)(F0颗粒)F0F1ATP酶或ATP酶复合体(二)内膜(innermembrane)大鼠肝细胞的基粒牛心脏细胞的基粒(二)内膜(innermembrane)线粒体的结构变化主要是嵴的变化。嵴的形状和排列的方式不同，嵴有两种类型：板层状：哺乳动物多数细胞是板层状嵴，多垂直于长轴，少数与长轴平行。管泡状：少数细胞的线粒体嵴是小管状或管泡状。(二)内膜(innermembrane)垂直排列的板层状嵴如：胰腺泡细胞和肾小管上皮细胞

平行排列的板层状嵴如：神经细胞管泡状嵴如：肾上腺皮质细胞

(二)内膜(innermembrane)是外膜与内膜之间的狭窄的腔隙，宽约6~8nm。由于外膜的通透性大，膜间隙内的基本成分与胞液相同。腺苷酸激酶为特征酶。在膜间隙中存在与内膜疏松结合的细胞色素C。一旦细胞色素C释放到细胞质中，则参与细胞凋亡的的启动作用。(三)膜间隙(intermembranespace)(四)基质(matrix)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、核糖核蛋白体等。第二节呼吸链与ATP合酶线粒体内膜主要存在两个重要的体系呼吸链：电子传递体系，它们按一定的顺序排列在内膜上；基粒：又称为ATP合酶，是磷酸化体系，起着催化ADP和Pi生成ATP的作用。呼吸链的氧化作用和磷酸化耦联才能产生ATP。氧化磷酸化是生成ATP一种主要方式，是细胞内能量转换的主要环节。

二、ATP合酶(ATPSynthase)ATP合酶：又称F0-F1ATP酶，是大的跨膜复合体；F1

由5个不同的亚单位组成——33111。与

交替环状排列，形成球形头部；X射线晶体衍射分析左：侧面观，右：顶面观

亚单位具有与ATP、ADP结合位点，催化ADP和Pi合成ATP；

与

亚基有很强的亲和力，结合在一起形成“转子”(rotor)，通过旋转调节3个

亚单位催化位点的开放和关闭。二、ATP合酶(ATPSynthase)F1部分还有一个10kDa的多肽，称为ATP酶的抑制多肽，可能具有调节酶活性的作用。F0是嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道。

细菌的F0已被确定，由a、b、c三种亚单位组成；数量关系为a1b2c9-12。二、ATP合酶(ATPSynthase)a、b和F1的

亚单位共同组成“定子”，以防止

亚单位顶上的、六聚体转动。第三节线粒体DNA与线粒体病线粒体是具有一定自主性的细胞器，它含有自己的DNA(mtDNA)和核糖体具有独立编码、合成蛋白质的能力。

mtDNA位于线粒体基质内，有时可见它附着于内膜，是一个封闭的双链环状分子。不同种属mtDNA的大小不同。哺乳类mtDNA是核DNA(nDNA)大小的10-5(遗传信息量小)。mtDNA编码的蛋白质是呼吸链与ATP合酶的主要组成成分，定位线粒体内膜中，多为疏水性蛋白质。一、线粒体DNAmtDNA复制的特点：mtDNA的复制所需要的mtDNA聚合酶、mtRNA聚合酶(催化合成RNA引物)等，都是由核基因组所编码的。mtDNA复制不受细胞周期的影响，在细胞周期的各个阶段都能复制。

一、线粒体DNAmtDNA编码蛋白质的特点蛋白质合成的起始氨基酸一细菌的一样，是甲酰蛋氨酸(f-met)。

放线菌酮可选择性地抑制细胞质中的蛋白质合成，但不影响线粒体中的蛋白质合成。氯霉素、红霉素和四环素可抑制线粒体中的蛋白质合成，而对细胞质中的蛋白质合成没有影响或影响很小。一、线粒体DNA线粒体与人的疾病、衰老和细胞凋亡有关，线粒体异常会影响整个细胞的正常功能，从而导致在病变的细胞内较早出现线粒体明显的、异常的病理变化，称为线粒体病(mitochondrialdiseases,MD)。目前已知的100多种人类线粒体疾病，其发病机制都是mtDNA异常引起的遗传性疾病。主要分三种类型：mtDNA缺失或插入mtDNA点突变nDNA异常所致mtDNA改变二、线粒体病Kearns-Sayre综合征(KSS)：病人表现为眼外肌瘫痪、视网膜色素变性和心脏传导阻滞三联征。1.mtDNA大片段缺失不完全型KSS：以进行性眼外肌瘫痪为特征，具有三联征中的两项或一项。2.mtDNA点突变Leber遗传性视神经病(Leber’shereditaryopticneuropathy，LHON)：母系遗传，通过线粒体传递。成年期发病，表现急性或亚急性视力减退。双眼中心视力出现暗点或失明。mtDNA比nDNA突变率高5

10倍。mtDNA缺少组蛋白的保护；线粒体内无损伤修复能力。线粒体是氧自由基的主要来源，氧自由基的累积会导致mtDNA损伤。3.nDNA异常所致mtDNA改变nDNA缺陷引起的mtDNA缺失或数量减少，可引发多种疾病。家族性慢性眼外肌瘫痪是mtDNA多处缺失、常染色体显性遗传。4.老年性退行性疾病老年性退行性疾病：如Parkinson病(PD)、Alzheimer病(AD)、Huntington舞蹈病(HD)、肌萎缩侧索硬化症、心肌病、动脉硬化和糖尿病。由于氧自由基对mtDNA分子的损伤所导致的呼吸链组分缺失，使氧化磷酸化能力降低或线粒体数量减少，致使脑内神经元死亡。第四节线粒体蛋白质的输入线粒体的半自主性线粒体含有自己的DNA(mtDNA)和核糖体，能够自主进行蛋白质的合成，但只有少数蛋白质是由mtDNA编码，在线粒体的核糖体上合成，大多数蛋白质是由核基因编码，在细胞质游离核糖体合成后再输入到线粒体，因此线粒体是一个半自主性细胞器。一、核基因编码的蛋白质向线粒体

输入的共同特点1.以前体形式运输，蛋白质前体向线粒体输入需要靶向序列(targetingsequence)(亦称导肽或信号肽)引导和/或锚定。导肽成熟的Pr导肽：蛋白质前体的N端或近N端具有一个或数个由20～50个aa残基组成的靶向序列，称之为导肽。特点：当形成

-螺旋结构时，一侧带正电荷的碱性氨基酸残基(Arg,Lys),另一侧为疏水性氨基酸残基。一、核基因编码的蛋白质向线粒体

输入的共同特点细胞色素氧化酶线粒体蛋白输入的信号序列IV亚单位信号序列(18aa)当信号序列形成

螺旋时，带正电荷的aa残基(red)位于一侧，而疏水性(yellow)位于另一侧。一、核基因编码的蛋白质向线粒体

输入的共同特点导肽的作用：引导蛋白质前体与线粒体外膜的受体特异性结合并穿过线粒体外膜；使肽链的穿膜移行停止并作为锚定在膜中的序列。有的导肽被剪切，有的则不被剪切。一、核基因编码的蛋白质向线粒体

输入的共同特点2.蛋白质前体进入线粒体一般通过内外膜的接触点形成的贯穿的跨膜通道来完成，即线粒体蛋白转位子(translocon)来完成。受体和外膜上的转位子总称为外膜转位子(transloconoftheoutermembrane,Tom)；内膜转位子

(transloconoftheinnermembrane，Tim)。一、核基因编码的蛋白质向线粒体

输入的共同特点TOMcomplexTIMcomplexOXAcomplex一、核基因编码的蛋白质向线粒体

输入的共同特点3.蛋白质前体以解折叠状态进行运输在运输过程中，蛋白质必需以解折叠的状态进行转运；当抵达目的地后再折叠为最后的活性构象。解折叠及再折叠分别需要胞液中及基质中的分子伴侣(Hsp70,Hsp60等)协助。

一、核基因编码的蛋白质向线粒体

输入的共同特点4.线粒体蛋白质的输入需要消耗能量能量来自于ATP的水解胞液中的及基质中的Hsp70兼有ATP酶活性一、核基因编码的蛋白质向线粒体

输入的共同特点二、蛋白质输入线粒体的途径(一)蛋白质输入到基质中的途径(二)蛋白质输入到内膜中的途径(三)蛋白质输入到膜间隙中的途径(四)蛋白质输入到外膜中的途径(一)蛋白质输入到基质中的途径蛋白质前体与胞液中的Hsp70结合呈解折叠状态；N端的基质靶向序列与其特异性受体相结合并在内外膜接触点同时穿过对接的Tom和Tim转位子直接进入线粒体基质；(一)蛋白质输入到基质中的途径经基质蛋白酶切除N端的基质靶向序列；在基质中mHsp60的协助下重新折叠为有功能的蛋白质。(二)蛋白质输入到内膜中的途径蛋白质前体具有一个N端基质靶向序列和一个相隔不远的肽链内的停止移行序列；基质靶向序列穿过内外膜接触点进入基质中，然后被切除；(二)蛋白质输入到内膜中的途径当其疏水性的停止移行序列穿入Tim通道时，肽链的移行被中止并锚定于内膜中，从而使肽链的C端保留在膜间隙；随后跨膜序列侧向移至内膜的双分子层中，成为锚定于内膜中的蛋白质。(三)蛋白质输入到膜间隙中的途径

输入到膜间隙中的蛋白质前体定位信号：PathA：含有一个N端的基质靶向序列及一个相隔不远的膜间隙靶向序列，均被剪切。(三)蛋白质输入到膜间隙中的途径

PathB：无N端的基质靶向序列，只含有导向膜间隙的靶向序列，是直接穿过外膜的总输入孔进入膜间隙。

第五节 线粒体的增殖和起源一、线粒体的增殖二、线粒体的起源

一、线粒体的增殖增殖：目前认为是由原来的线粒体分裂或出芽形成线粒体增殖有几种方式:间壁分离收缩后分裂出芽分裂肝细胞中的线粒体

(二)线粒体的起源被人们普遍接受的学说是内共生起源学说(1970):细胞的祖先是一种