第七章 线粒体与过氧化物酶体1.ppt

1、第七章 线粒体与过氧化物酶体,线粒体的形态结构 线粒体的结构与化学组成 导向信号与线粒体蛋白定位 线粒体的功能-氧化磷酸化作用 线粒体的遗传、增殖和起源 过氧化物酶体,线粒体结构及功能示意图,7.I 线粒体的形态结构,7.1.1 线粒体的发现与功能研究, 1850年，德国科学家从肌细胞中分离到具有半透性膜包被的颗粒 1890年命名为bioblast；1898年为mitochondrion 1900年，Michaelis用Janus Green B 对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用 1904年，在植物细胞中发现了线粒体 1948年真正分离到具有生物活性的线粒体,（一）形态与分布 形状：线

2、粒体一般呈线状，还有粒状或短线状，形状具可塑性。 大小：一般直径0.51m，长1.53.0m，在胰脏外分泌细胞中可长达1020m，称巨形线粒体。 化学组成：蛋白质和脂类。 数量及分布：植物细胞少于动物细胞；活动旺盛的细胞线粒体多。可迁移，微管是其运输轨道。,7.1.2 线粒体的形态与分布,线粒体的结构 线粒体膜通透性 线粒体各部分的化学组成和特性 线粒体内膜的主动运输系统,7.2 线粒体的结构与化学组成,7.2.1 线粒体的结构,线粒体（mitochondrion）是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构，包括： 外膜（outer Membrane） 内膜（inner membrane） 膜间（

3、intermembrane） 基质（matrix）,线粒体通透性测定,7.2.2 线粒体膜通透性,线粒体组分的分离,外膜：具有孔蛋白构成的亲水通道，允许5000KDa以下的物质自由通过，如ATP、NAD、辅酶A等 标志酶：单胺氧化酶，能够终止胺神经递质的作用,7.2.3 线粒体各部分的化学组成和特性,内膜：内膜内陷形成嵴（cristae）来扩大内膜表面积。 嵴有两种类型：板层状和管状。心磷脂含量高，通透性很低，H+和ATP等不能自由通过，必需有载体蛋白和通透酶参与。 嵴膜上有基粒，基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子）构成。 标志酶是：细胞色素氧化酶,Inner membrane (

4、Impermeability): Contains proteins with three types of functions: (1) Electron-transport chain: Carry out oxidation reactions; (2) ATP synthase: Makes ATP in the matrix; (3) Transport proteins: Allow the passage of metabolites,膜间隙： 位置：内外膜之间的间隙，延伸到嵴的轴心部 标志酶：腺苷酸激酶，催化ATP生成两分子的ADP,基质：可溶性蛋白质的胶状物质，含Enzyme

5、s; Mit DNA, Ribosomes, etc. 标志酶：苹果酸脱氢酶,表7-2 线粒体各部分的功能,线粒体各部分的功能,NADH进入电子传递链参与有氧氧化 线粒体产生的代谢物质运输到细胞质中 线粒体产生的ATP必须进入到胞质溶胶,7.2.4 线粒体内膜的主动运输系统,丙酮酸、脂肪酸、Pi等的运输,7.3 导向信号与线粒体蛋白定位,7.3.1 蛋白质寻靶和蛋白质分选, 翻译后转运与蛋白质寻靶 (post-translational translocation), 共翻译转运与蛋白质分选 (co-translational translocation),蛋白翻译后转运：游离核糖体上 蛋白转

6、运到： 细胞质中 过氧化物酶体 线粒体 叶绿体 细胞核,蛋白共翻译转运：膜结合核糖体上 蛋白转运到： ER、高尔基体、 溶酶体、细胞膜、 细胞外, 翻译后转运与蛋白质寻靶,翻译后转运：游离核糖体上合成的蛋白质释放到胞质溶胶后被运送到不同的部位。即先合成，后运输。 蛋白质寻靶：由于在游离核糖体上合成的蛋白质在合成释放之后需要自己寻找目的地，因此又称为蛋白质寻靶。, 共翻译转运与蛋白质分选,共翻译转运：膜结合核糖体上合成的蛋白质通过定位信号，一边翻译，一边进入内质网，由于这种转运定位是在蛋白质翻译的同时进行的，故称为共翻译转运。 蛋白质分选：在膜结合核糖体上合成的蛋白质通过信号肽，经过连续的膜系统

7、转运分选才能到达最终的目的地，这一过程又称为蛋白质分选。, 导向序列(targeting sequence)： 指游离核糖体上合成的蛋白质的N-端信号，又称为导向信号(targeting signal)，转运肽(transit peptide)，或导肽(leading peptide)。 信号序列(signal sequence)： 指膜结合核糖体上合成的蛋白质的N-端的序列，又称为信号肽（signal peptide)。, 导向序列与信号序列,线粒体转运肽的一般特性,转运肽是：一段大约20-80的氨基酸残基构成的肽链，为碱性氨基酸，多为精氨酸和赖氨酸。 需要受体； 从接触点进入； 蛋白质要解

8、折叠 ； 需要能量 ； 需要转运肽酶 ； 需要分子伴侣的帮助。,7.3.2 线粒体蛋白转运, 线粒体基质蛋白转运 线粒体膜间隙蛋白的转运 线粒体内膜和外膜蛋白的转运,定位于线粒体基质的蛋白质的运送,前体蛋白合成释放,Hsp70下解折叠,导肽与受体识别,导肽引导穿膜,mHsp70维持解折叠,Hsp70下解折叠,Hsp60帮助折叠,转运肽酶切除转运肽,定位于线粒体膜间隙的蛋白质运送,保守性寻靶： 穿膜时由线粒体基质导向序列先引导进入线粒体基质，切除基质导向序列，然后在膜间隙导向序列引导下进入膜间隙。,导向序列的特点：有两个导向序列，包括线粒体基质导向序列和膜间隙导向序列。分为保守性寻靶和非保守性寻

9、靶,定位于线粒体膜间隙的蛋白质运送,非保守性寻靶： 由线粒体基质导向序列先引导穿过线粒体膜，由于膜间隙导向序列可作为内膜停止序列，所以蛋白停靠在线粒体内膜上，通过扩散并切除序列而成为线粒体膜间隙蛋白。,定位于线粒体内外膜的蛋白质转运,特点：由一段引导肽和其后的一段疏水氨基酸序列，此序列可作为停止转运序列 如停止转运序列同外膜转运酶结合，则成为外膜 如停止转运序列同内膜转运酶结合，则成为内膜,7.4 线粒体的功能,线粒体的主要功能：是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞的生命活动提供能量。,氢通过电子传递链到达氧生成水，同时ADP磷酸化生成ATP,7.4.1真核细胞的氧化作用,7.4.2 呼吸链与

10、电子传递,概念：有序排列在线粒体的内膜，能可逆的接受和释放电子或H+的酶体系称为电子传递链或呼吸链。 呼吸链电子载体主要有4种：黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q。,细胞色素：以铁卟啉为辅基的色蛋白，通过Fe3+、Fe2+形式变化传递电子。呼吸链中有5类，即细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。,黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子和2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶，以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。,辅酶Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，QH2和自由基半醌（QH）。,44

11、,铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+ 、 Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。,电子传递链的复合物,利用脱氧胆酸（deoxycholate，一种离子型去污剂）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物、和。,复合物: NADH脱氢酶，以二聚体形式存在，含FMN和铁硫中心。作用是催化NHDH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质转移至膜间隙。 电子传递的方向为：NADHFMNFe-SQ,复合物：琥珀酸脱氢酶，含有一个FAD，2个铁硫蛋白，作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q。（没有传递质子的作用） 电子传递的方向为：琥珀酸

12、FADFe-SQ,复合物：细胞色素c还原酶，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移1对电子，同时将4个质子由线粒体基质转移至膜间隙。 电子传递的方向为：Q Cytb Fe-S Cytc1 Cytc,复合物：细胞色素c氧化酶，以二聚体形式存在，将细胞色素c接受的电子传给氧，每转移1对电子，同时转移2个质子至膜间隙。 电子传递的方向为： Cytc Cyta Cyta3O2,辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜，细胞色素C位于线粒体内膜，属于膜的外周蛋白。,两条主要的呼吸链：根据接受代谢物上脱下的氢的原初

13、受体不同，分为NADH呼吸链和FADH2呼吸链。,NADH呼吸链：复合物、组成，催化NADH的脱氢氧化,FADH2呼吸链：复合物、组成，催化琥珀酸的脱氢氧化,递氢体与电化学梯度的建立,四种电子载体不仅能传递电子，有的还能传递质子，称为递氢体，有FMN、CoQ、细胞色素b、细胞色素a,将质子从线粒体基质转移到膜间隙即递氢需要消耗能量，其来源于NADH和FADH2被氧化过程中释放出的自由能,结果产生膜两侧的电化学梯度势：膜间隙产生大量的正电荷，基质产生大量负电荷，使得线粒体内膜两侧形成了电位差；氢离子浓度梯度的产生,梯度势的产生：导致后续ATP的生成，完成能量储存,7.4.3 氧化磷酸化：ATP形

14、成机制,氧化磷酸化：是指当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP的过程。,55,得出三个氧化磷酸化偶联部位：部位在NADH至CoQ之间。部位在细胞色素b和细胞色素c之间。部位在细胞色素a和氧之间。,53,20世纪30年代，Belitzer首先提出电子传递与ATP合成偶联的假设,通过电子传递抑制剂进行研究： （1）鱼藤酮：阻断电子由NADH向CoQ的传递。它是一种极毒的植物物质，常用作杀虫剂。 （2）抗霉素A：能阻断电子从Cytb到Cytc1的传递。 （3）氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO能阻断电子由Cytaa3到氧的传递。,ATP合酶的发现及功能预测,

15、Racker分离到内膜上的颗粒，称为偶联因子F1，是一种水解ATP的ATPase,推测F1因子在特殊条件下也具合成ATP功能：离子梯度；ATP合酶；ADP和Pi,合酶的推测：F1因子既具有水解ATP的功能，又具合成ATP的功能。,以钠钾泵和高钾离子浓度的红细胞血影为例：将其放在高钠离子浓度溶液中。结果合成ATP而非分解ATP,ATP合酶功能鉴定：线粒体膜重建实验,线粒体经超声波处理,亚线粒体小泡或颗粒,胰蛋白酶（或玻珠分离颗粒）,颗粒物质,光滑小泡,只能传递电子,水解ATP不能合成ATP,电子传递和氧化磷酸化,电子传递的组分位于线粒体的内膜，颗粒是氧化磷酸化的偶联因子, ATP合酶的结构,AT

16、P合酶（ATP synthetase）或F0F1-ATP酶：蘑菇状。分布于线粒体和叶绿体中，在跨膜质子动力势的推动下，ADP磷酸化生成ATP，参与氧化磷酸化和光合磷酸化。,结构组成,ATP合酶：是一种可逆性复合酶，既能利用质子动力势合成ATP, 又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙 。,ATP合成酶的分子结构由突出于膜外的F1头部和嵌入膜中的F0基部两部分组成。,F1头部：为水溶性的蛋白质，从内膜突出于基质，比较容易从膜上脱落。它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子，属于F型质子泵。F1是由9个亚基组成的复合体，具有三个ATP合成的催化位点（一个/亚基）。,F0基部：嵌合在

17、内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜的质子通道。亚基是质子通道。,氧化磷酸化的偶联机制提出的假说有化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说等。 “化学渗透假说”，取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说。,化学渗透假说 内容是: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，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（pH）及电位梯度（），两者共同构成电化学梯度，即质子动力势。而膜间隙的高浓度质子只能经F0F1返回基质，从而促使ATP的合成。 Mitchell因此获得了1978年的诺贝尔奖。,氧化磷酸化偶联机理,质子沿电化

18、学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。, ATP合酶合成ATP的机制,结合变构模型,通过亚基的转动而改变与ATP和ADP的结合紧密程度,有O、L、T三种构型位点： O型释放ATP L型结合ADP+Pi T型生成ATP,1电子传递抑制剂 抑制NADHCoQ的电子传递。如：阿米妥(amytal)、鱼藤酮（rotenone）、杀粉蝶素A（piericidin） 抑制Cyt bCyt c1的电子传递。如：抗霉素A(antinomycin A) 抑制细胞色素氧化酶O2。如：CO、CN、NaN3、H2S,氧化磷酸化抑制剂,2磷酸化抑制剂 与F0结合，

19、阻断H+通道，从而抑制ATP合成。如：寡霉素、二环己基、碳化二亚胺(DCC),3解偶联剂（uncoupler） 质子载体： 2,4-二硝基酚(DNP)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼。 质子通道：增温素（thermogenin） 其它离子载体：如缬氨霉素 某些药物：如过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高,7.5 线粒体的遗传、增殖和起源,7.5.1 线粒体遗传,双链环状DNA分子，基因组变化很大,线粒体疾病：线粒体基因突变与很多病变、衰老和癌症有关,7.5.2 线粒体的增殖与起源,3中假设： 线粒体生长到一定大小进行分裂成两个小的新的线粒体 旧的被吞噬，重新合成新的线粒体 利用其它的膜等重新装配线粒体,线粒体的起源,内共生学说,发现：1954年在电子显微镜下发现的，当时命名为微体(microbody) 两种类型：过氧化物酶体(peroxisome) 乙醛酸循环体（glyoxysome)，只存在于植物细胞中 标志酶：过氧化氢酶，水解H2O2,7.6 过氧化物酶