细胞生物学课程第6章线粒体与细胞的能量代谢课件.ppt

1、第一节 线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量和结构二、线粒体的化学组成三、线粒体的遗传体系四、核编码蛋白质的线粒体转运五、线粒体的起源一、线粒体的形态、数量和结构 线粒体的形态、大小、数量和分布，在不同细胞内变化很大，就是同一细胞在不同的生理状态下也不一样。线粒体在生活细胞中具有多形性、易变性、运动性和适应性等特点。形状形状:以线状和颗粒状较为常见，也可见哑铃形等其它形状。大小：大小：一般直径0.5-1m，长1.5-3.0m，在胰脏外分泌细胞中可 长达10-20m，称巨线粒体。数量：数量：从一个至数百个到数千个不等。单细胞鞭毛藻仅1个，酵母 细胞具有一个大型分支的线粒体，巨大变形虫达50万个

2、；许 多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。线粒体数目还与细胞的生理功能与代谢状态有关。分布：分布：以有利于细胞需能部位的能量供应的方式进行。（一）形状形状形状:以线状和颗粒状较为常见，也可见哑铃形等其它形状。（二）分布v线粒体在细胞中的分布往往靠近ATP用量高的位置，例如：心肌细胞中，线粒体位于靠近收缩器的部位，提供收缩所需的ATP.精子中线粒体位于尾部，围绕鞭毛的中轴，鞭毛运动需要ATP.（三）超微结构 线粒体是由双层单位膜套叠形成的封闭性膜囊结构。线粒体的超微结构按照功能可分为以下几部分空间区隔：外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，允许10000以下的分子通过，通透

3、性较高。内膜(inner membrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristae），含有与能量转换相关的蛋白。膜间隙（intermembrane space）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子，利用ATP使其他核苷酸磷酸化。基质（matrix）：含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA,RNA，核糖体。1.外膜v膜厚约5-7nm，含50%的脂类和50%的蛋白质，具有多种转运蛋白，孔蛋白（porin）构成的亲水通道，允许分子量为5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。2.内膜厚约4.5nm，含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心

4、磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。线粒体膜上与能量转换相关的蛋白：v执行氧化反应的电子传递链vATP合成酶v线粒体内膜转运蛋白（1）线粒体内膜嵴上的亚单位内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴有两种类型：板层状、管状，但多呈板层状。嵴上覆有基粒（elementary particle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。基粒又称为ATP合成酶（2）转位接触点 在线粒体内外膜上存

5、在一些相互接触的位点，称为转位接触点，主要用于蛋白质等物质进出线粒体的通道。外膜转位子（Tom）：受体蛋白 内膜转位子（Tim）：通道蛋白 3.基质多种酶类：三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成的酶系。遗传系统：线粒体基因表达酶系、线粒体双链环状DNA,RNA，核糖体。二、线粒体的化学组成（一)线粒体组分分离方法（二）线粒体的化学组成（三）线粒体酶的定位低渗溶液中，水引起外膜崩裂，释放出膜间隙物质。离心得到不能沉淀的部分为膜间隙物质沉淀转移到高渗溶液中引起收缩。密度梯度离心分离出外膜裂解并离心分离出内膜和基质。（一）线粒体组分分离方法膜间隙物质外膜形成的囊泡内膜形成的囊泡基质物质蛋白

6、质(线粒体干重的6570)-内膜和基质上脂类(线粒体干重的2530)：磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。线粒体脂类和蛋白质的比值:内膜 0.3:1 外膜 1:1 DNA、RNA、维生素和各类无机离子（二）线粒体的化学组成（三）线粒体酶的定位与标志酶部 位酶 的 名 称部 位酶 的 名 称外膜单胺氧化酶NADH-细胞色素c还原酶（对鱼藤酮不敏感）犬尿酸羟化酶酰基辅酶A合成酶内膜细胞色素b，c，c1，a，a3氧化酶ATP合成酶系琥珀酸脱氢酶-羟丁酸和-羟丙酸脱氢酶肉毒碱酰基转移酶丙酮酸氧化酶NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感）膜间隙腺苷酸激酶二磷酸激酶核苷酸激酶基质柠檬酸合成酶、苹果

7、酸脱氢酶延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶脂肪酸氧化酶系、天冬氨酸转氨酶、蛋白质和核酸合成酶系、丙酮酸脱氢酶复合物线粒体是含酶最多的细胞器：120多种，分布不同的部位。三、线粒体的遗传与表达体系v线粒体是半自主性的细胞器：自身含有遗传表达系统(自主性)；但编码的遗传信息十分有限，其RNA转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息(自主性有限)。（一）线粒体有自己的基因组线粒体DNA线粒体DNA（mtDNA）形状、大小、数量等特征：双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA)mtDNA大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大（高等植物：120kbp20

8、0kbp）人mtDNA：16,569bp，37个基因(编码12S,16S rRNA；22种tRNA；13种多肽：NADH脱氢酶7个亚基，cyt b-c1复合物中1个cytb，细胞色素C氧化酶3个亚基，ATP合成酶2个Fo亚基)1.线粒体DNA特点无组蛋白结合，DNA裸露。mtDNA分子为环状双链DNA分子，外环为重链（H），内环为轻链（L）。动物mtDNA的周长约5m，约16.5kb,酵母mtDNA较大；人的mtDNA共编码37个基因。每个线粒体中约5-10个mtDNA。主要编码线粒体的tRNA、rRNA及一些线粒体蛋白质。mtDNA以半保留方式进行自我复制。复制方式类似原核细胞。mtDNA复

9、制的时间主要在细胞周期的S期及G2期，但并不受周期的影响。DNA先复制，随后线粒体分裂。复制仍受核控制。2.线粒体具有与核基因不同的遗传密码（二）线粒体蛋白质合成线粒体合成蛋白质的种类十分有限线粒体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性不同来源的线粒体基因，表达产物既有共性，也存在差异1.线粒体合成蛋白质的种类十分有限v线粒体的蛋白质来源两部分：绝大部分（1000多种蛋白质）是由核DNA编码，在细胞质基质的核糖体上合成，再转运到线粒体各部分；少数是由mtDNA编码，在线粒体的核糖体上合成（仅十余种）。人的线粒体DNA编码的多肽为细胞色素c氧化酶的3个亚基，F0的2个亚基，NADH脱氢酶的7个亚基和

10、细胞色素b等13条多肽。酵母线粒体主要酶复合物的生物合成2.线粒体蛋白的合成对核基因具有依赖性复制与转录需胞质提供核基因编码的多聚酶。翻译需要胞质提供核糖体大亚单位和小亚单位的大部分蛋白质与氨基酸。tRNA上氨基酸的连接需要的氨酰化合成酶也是由胞质提供。基质内的三羧酸循环酶系、内膜上的电子传递链蛋白都是胞质合成。四、核编码蛋白质的线粒体转运线粒体DNA编码37个基因，其它约1000个基因产物需由核基因编码并在胞质中合成后转运到线粒体。翻译后转运，胞质合成的线粒体蛋白质由游离的核糖体合成。在转运前，以非折叠的前体形式（N端的导肽+成熟蛋白）存在。线粒体内、外膜之间存在着接触点，信号肽（导肽）牵引

11、蛋白质前体运送时，可通过内外膜的接触点，一步进入基质。（一）核编码蛋白向线粒体基质中的转运需要条件：（1）基质导入序列（MTS)：所有在细胞质合成的前体蛋白输入到线粒体基质的N-端一段序列，富含精氨酸、赖氨酸、丝氨酸和苏氨酸的。（2）分子伴侣：保持前提蛋白的非折叠状态NAC:新生多肽复合物，与少数前体蛋白相互作用，增加蛋白质转运的准确性。hsp70：热休克蛋白70，和大多数前体蛋白结合，打开折叠，防止聚集。1.转运过程前体蛋白合成后与胞质hsp70蛋白结合，然后结合到线粒体受体蛋白上。前体蛋白在受体帮助下前导序列进入内外膜连接处的蛋白通道内。线粒体内的hsp70蛋白与进入线粒体腔的前导肽链交联

12、结合，阻止了肽链退回细胞质（布朗棘轮模型）线粒体内的基质作用蛋白酶（MPP)切除前导肽序列，肽段在hsp70和hsp10及hsp60的协助下重新折叠成有活性的蛋白。（二）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运 进入线粒体其他部位（膜间隙、内膜和外膜）的蛋白质，除了具有基质导入序列（MTS)外，一般还有第二类信号序列，它们通过与进入线粒体基质类似的机制进入线粒体其它部位。1.进入线粒体膜间隙进入线粒体膜间隙的多肽，有三种情况：具有膜间隙导入序列（ISTS）,在基质导入序列MTS引导下进入基质后，再在ISTS引导下进入膜间隙。ISTS作为转移终止序列，蛋白前体侧向运动插入内膜后切除终止序列进入膜间隙。直

13、接通过外膜上的特定通道进入膜间隙（如细胞色素C通过外膜上的类孔蛋白P70进入膜间隙。2.进入线粒体外膜v进入外膜的蛋白具有不被切除的N端信号序列，其后还有疏水性序列作为停止转移序列，然后蛋白质被TOM复合体安装到外膜上，如线粒体的各类孔蛋白。3.进入线粒体内膜v驻留内膜的蛋白前体从Tom复合物出来后与膜间隙的Tim9/Tim10或Tim8/Tim13复合物结合，然后在TIM22复合物（由Tim10、Tim12、Tim18、Tim22和Tim54构成）的催化下插入内膜。五、线粒体的生物发生 线粒体的增殖具有不同的观点，现在普遍接受的观点是：原来的线粒体分裂或出芽而来。（一）线粒体分裂增殖图像（二

14、）线粒体另两种增殖方式六、线粒体的起源 目前普遍接受的假说为内共生学说：线粒体可能起源于与古老的厌氧真核细胞共生的好氧的早期细菌。（一）内共生起源学说的主要论据线粒体基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。有自己完整的蛋白质合成系统，蛋白质合成机制有很多类似细菌而不同于真核生物。两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，内膜与细菌 质膜相似。以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。能在异源细胞内长期生存，说明线粒体和叶绿体具有的自主性与共生性 的特征。（二）内共生假说的不足之处从进化角度，不能解释在代谢上明显占优势的共生体反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞中？线粒体基因组中存在内

15、含子，而真细菌原核生物基因组中不存在内含子，如果同意内共生起源学说的观点，那么线粒体内含子从何发生？第二节 细胞呼吸与能量转换一、细胞呼吸细胞呼吸的概念：在特定细胞器（主要是线粒体）内，在O2的参与下，分解各种大分子物质，产生CO2；同时，分解代谢释放的能量储存于ATP中的过程，称为细胞呼吸，也称生物氧化或细胞氧化。（一）细胞呼吸的特点（二）细胞的能量转换（二）细胞的能量转换有氧呼吸有氧呼吸 场场 所所 反应物反应物 产产 物物 释释能能第一阶段第一阶段（糖酵解）（糖酵解）第二阶段第二阶段（三羧酸循环）（三羧酸循环）第三阶段第三阶段（氧化磷酸化）（氧化磷酸化）细胞质细胞质基质基质葡萄糖葡萄糖丙

16、酮酸丙酮酸HH少量少量丙酮酸丙酮酸COCO2 2、HH 少量少量HH、O O2 2H H2 2O O大量大量线粒体线粒体线粒体线粒体（三）有氧呼吸三个阶段的比较（三）有氧呼吸三个阶段的比较（四）第一阶段糖酵解糖酵解细胞质中，葡萄糖经糖酵解途径分解生成2分子丙酮酸，形成2分子NADH+H+,并通过底物水平磷酸化方式净生成2个ATP分子。1.底物水平磷酸化底物水平磷酸化：由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到ADP上生成ATP。2.NADH+H+通过穿梭机制进入线粒体 糖酵解过程产生的还原当量（NADH+H+）本身不能通过线粒体内膜，必须借助线粒体内膜上的特异性穿梭系统进入线粒体。（图中

17、显示了NADH的穿梭机制：苹果酸天冬氨酸穿梭和a-磷酸甘油穿梭系统（存在于脑和昆虫肌肉）3.丙酮酸在线粒体基质中氧化脱羧形成乙酰CoA（五）第二阶段三羧酸循环三羧酸循环v线粒体基质中，乙酰CoA与草酰乙酸结合成柠檬酸而进入三羧酸循环（TAC,也称柠檬酸循环），经一系列反应，乙酰基被氧化分解，草酰乙酸再生。v这一过程产生了大量NADH和FADH2,以及GTP。v三羧酸循环是三大营养素（糖、脂肪和氨基酸）在体内的最终代谢通路，它们在体内生物氧化都将产生乙酰CoA，然后进入三羧酸循环而降解。（六）第三阶段氧化磷酸化氧化磷酸化是释放代谢能的主要环节，释放的能量大部分用于生成ATP。氧化(电子传递、消耗

18、氧,放能)与磷酸化(ADP+Pi，储能)同时进行，密切偶联，分别由两个不同的结构体系执行。呼吸链与ATP合成酶复合体是氧化磷酸化的结构基础。它们都位于线粒体内膜上。1.电子传递链氧化的分子基础呼吸链是氧化过程的分子基础。底物代谢脱下的氢原子，通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应，最后与氧结合生成水，这一传递过程成为呼吸链。参与的酶和辅酶在线粒体内膜上按一定的顺序排列，进行氢和电子的传递，又称电子传递链。（1）电子传递链的四种酶复合物复合物：NADH-CoQ还原酶复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白 作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电

19、子辅酶Q；泵出4 H+复合物：琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递体而非质子移位体）组成：含FAD辅基，2Fe-S中心，作用：催化2低能电子FAD Fe-S辅酶Q(无H+泵出)复合物：细胞色素bc1复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：包括1cyt c1、1cyt b、1Fe-S蛋白 作用：催化电子从还原型泛醌（UQH2）cytc；泵出4个H+（2个来自UQ，2个来自基质）复合物：细胞色素C氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：二聚体，每一单体含13个亚基，作用：催化电子从cyt c分子O2形成水，2H+泵出，2H+参与形成水。（2）两条呼吸链v电子传递链的四种复合物组成两种呼吸链：NA

20、DH呼吸链,FADH2呼吸链；主呼吸链：由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。次呼吸链：由复合物、构成，催化琥珀酸的脱氢氧化，来自FADH2的电子不经过复合物。2.ATP合成酶复合物磷酸化的物质基础v线粒体内膜（包括嵴）的内表面附着的圆球形基粒。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），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。（1）分子结构vATP合成酶复合体，也称F0F1ATP合成酶。vF1由5种多肽组成33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个亚基具有一个）。vF0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个

21、环形结构，具有质子通道，可使质子由膜间隙流回基质。（2）ATP合成的结合变构机制质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，合成ATP。3.氧化与磷酸化的偶联机制化学渗透假说P.Mitchell（1961）提出“化学渗透假说，获得1978年诺贝尔化学奖。认为：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，形成质子动力势（P），这种势能驱动下，H+穿过ATP合成酶的质子通道回到基质，引起ATP合成酶的构象改变，同时合成ATP,电化学梯度中蕴藏的能量

22、储存到ATP高能磷酸键。（1）偶联机制示意图（2）质子动力势乃ATP合成的动力 跨越线粒体内膜的整个H+电化学梯度由起因于膜电位的大的力和起因于H+浓度梯度的小的力组成，这两股力联合产生总的质子动力驱动H+进入基质空间。（3）质子动力势也是推动线粒体内膜物质转运的动力（七）线粒体内能量代谢小结第三节 线粒体与疾病、衰老及细胞凋亡v线粒体是一个对环境变化十分敏感的细胞器，在许多疾病状态下，线粒体的结构和功能都会发生相应的改变，并成为疾病病理变化的一部分。另一方面，线粒体的异常也可能成为疾病发生的原因，这种以线粒体结构或功能异常为主要病因的一大类疾病称为线粒体病。v线粒体还与细胞与机体的衰老以及细

23、胞的凋亡有着密切的关系。一、疾病过程中的线粒体变化v中毒、感染线粒体亦可发生肿胀甚至破裂。v原发性肝癌细胞癌变线粒体嵴的数目逐渐下降而最终成为液泡状线粒体；v缺血性损伤线粒体也会出现结构变异如凝集、肿胀等；v坏血病组织中有时也可见二到三个线粒体融合成一个大的线粒体的现象，称为线粒体球；v氰化物、CO等可阻断呼吸链上的电子传递，造成生物氧化中断、细胞死亡。二、mtDNA突变引起的疾病v目前已知的100多种MD，其原发机制都是mtDNA异常引起的遗传性疾病。主要是电子传递与氧化磷酸化过程中酶系的异常。v线粒体病是一组多系统疾病，因中枢神经系统和骨骼肌对能量的依赖性最强，主要影响神经、肌肉系统，故临

24、床症状以中枢神经系统和骨骼肌病变为特征。所以有时也统称为线粒体脑肌病。（一）mtDNA点突变引起的疾病1.Leber遗传性视神经病（Leber hereditary optic neuropathy，LHON）v临床症状 主要症状为视神经退行性病变，故又称Leber视神经萎缩。患者多在1820岁发病，男性较多见，个体细胞中突变mtDNA超过96时发病，少于80时男性病人症状不明显。临床表现为双侧视神经严重萎缩引起的急性或亚急性双侧中央视力丧失，可伴有神经、心血管、骨骼肌等系统异常，如头痛、癫痫及心律失常等。（二）mtDNA缺失、重复导致的疾病 mtDNA缺失与重复存在于许多神经肌肉性疾病及一些

25、退化性疾病、肾病和肝病中，甚至衰老也与之有关。1Kearns-Sayre综合征(眼肌病)2Pearson-骨髓/胰腺综合征3线粒体心肌病4帕金森病 5 Alzheimer病6非胰岛素依赖型糖尿病 1.线粒体心肌病v临床症状临床症状 主要累及心脏和骨骼肌，病人常有严重的心力衰竭，常见临床表现为劳力性呼吸困难、心动过速、全身肌无力全身严重水肿、心脏和肝脏增大等症状。v遗传学遗传学 Ozawa等1990年报道原发型、肥厚型和扩张型心肌病病人心肌mtDNA中存在有7.5kb的缺失，缺失部位两侧为同向重复序列CATCAACAACCG，缺失位于ATP合成酶6基因和D环区之间。三、其他与线粒体有关的病变三、

26、其他与线粒体有关的病变 v帕金森病（巴金和陈景润都是帕金森病患者）v肿瘤v糖尿病v冠心病v氨基糖甙抗生素诱发的耳聋v衰老四、线粒体与衰老衰老与线粒体氧化磷酸化酶活性降低以及分裂终末的组织中突变mtDNA积累密切相关 随着年龄的增长，损伤的线粒体DNA(mtDNA)的含量越来越多。线粒体是细胞自由基的源泉，是细胞衰老的生物钟。在电子传递给氧分子的过程中，有1%-5%的电子损失,大部分参加形成O2_,机体95%以上的氧自由基都来自线粒体的呼吸链，而氧自由基氧化损伤的mtDNA积累量是核DNA的16倍，导致内膜上参与能量转换的酶系异常。近年来，Gummings发现线粒体中存在衰老DNA，可能会抑制m

27、tDNA的复制，导致线粒体结构和功能的破坏，引起细胞衰老和凋亡。五、线粒体与细胞凋亡 细胞凋亡(apoptosis)细胞凋亡又称程序性细胞死亡(programmed cell death)，是一种受基因控制的细胞自主性细胞死亡，其形态学方面的变化DNA断裂、染色质浓缩、膜结构肿胀、细胞皱缩、凋亡小体形成，最后凋亡小体被邻近的细胞如巨噬细胞、上皮细胞甚至肿瘤细胞吞噬。从分子水平看，细胞凋亡是细胞内发生的一系列有序的连锁反应，即死亡信号在一系列凋亡促进基因和凋亡抑制基因的共同调节下，通过激活一系列caspases蛋白酶，降解特异性底物导致细胞解体。（一）线粒体参与细胞凋亡的途径 在细胞凋亡过程中，线粒体可通过以 下途径参与细胞凋亡：1.破坏电子传递链，影响能量代谢 2.释放caspases激活剂（如cyt C)3.产生自由基 4.改变跨膜电位，增加膜通透性The End中期测试练习题1.简图画出蛋白质在细胞膜的结合位置关系并标明蛋白质的分类2.说出膜脂分子的几种运动方式？3.简单介绍细胞膜的分子结构模型。4.什么是主动运输？5.解释胱氨酸尿症成因。6.什么是内膜系统？7.简单介绍内膜系统几个细胞器的功能与相互联系。8.溶酶体的酶蛋白来源及分选过程？9.介绍几种溶酶体疾病的机理。