课件：第章线粒体.ppt

第6章 线粒体（ mitochondrion）,细胞的呼吸作用： 糖彻底氧化所放出能量有40%被储存在ATP中，效率超出了一般的热机。 汽车的动力来源是汽油燃烧后能量的25%转化成的动能，其余的能量都转化成热能。,细胞必须利用能量来维持它的正常生活,6.1 线粒体的形态、分布及数目,线粒体的形状及大小,短线状或颗粒状 ，也有椭圆形，哑铃形，环形等。 直径0.3-1 m，长度为1.5-3 m。较大的直径2-3 m，长达7-10 m，被称为“巨大线粒体”。 线粒体的大小和形态随着细胞类型不同而各异，随着细胞的生命活动变化而变化。,线粒体的数量,线粒体的数目与细胞类型和细胞生理状态有关。 高等动植物一个细胞中线粒体几百个到数千个。 衣藻，红藻，鞭毛藻细胞中只有一个线粒体。 哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。 巨大变形虫细胞中有50万个线粒体 。,线粒体的分布,线粒体通常分布在细胞功能旺盛的区域。 线粒体具有自由运动的特性，所以能向细胞需能的部位转移，或者固定在需能部位的附近，以便运送ATP。,微管是其导轨，马达蛋白提供动力。,A：Mi的荧光特异染色 B：与A同一细胞的微管荧光特异染色 说明线粒体在细胞中多沿微管分布,6.2 线粒体的超微结构,外膜（outer membrane） 内膜（inner membrane） 嵴 (cristae) 膜间隙（intermembrane space） 基质 (matrix),外膜(outer membrane),脂类和蛋白质约各占50%。 具有孔蛋白（porin）构成的亲水通道，允许分子量为5 kD以下的分子通过，1 kD以下的分子可自由通过。 选择透性差，通透性强，含酶蛋白较少。,内膜（inner membrane）,通透性小，含酶蛋白较多，蛋白质和脂质比大于3，内膜缺乏胆固醇，富含心磷脂，约占磷脂含量的20%，大量的心磷脂造成了内膜的通透屏障，使H、ATP、丙酮酸不能透过内膜。 内膜内陷褶叠成嵴，扩大了线粒体能量传换的表面积。 内膜上有许多基粒（带柄的小球ATP合成酶），基粒由F1头部和F0 尾部组成，球形头部直径9 nm。 呼吸链蛋白， ATP酶，特异运输蛋白如：Ca2+运输蛋白,嵴(cristae),层状，管状 不同物种中的形态变化丰富,膜间隙（intermembrane space）,内外膜之间的空隙为膜间隙，宽度6-8 nm，间隙中含有许多可溶性酶和底物。 标志性的酶是腺苷酸激酶，催化ATP末端磷酸基团转移到AMP生成ADP。,基质(matrix),120多种酶类 DNA，RNA，核糖体 三羧酸循环、脂肪酸氧化及氨基酸降解有关的酶；线粒体基因组DNA的表达及蛋白质的合成有关的酶。,肝细胞线粒体总蛋白 67%的蛋白位于基质 21%位于内膜 6%位于外膜 6%位于膜间腔,线粒体特征酶,外膜：单胺氧化酶 膜间隙：腺苷酸激酶 内膜：细胞色素(C)氧化酶（细胞色素aa3） 基质：苹果酸脱氢酶,亚线粒体颗粒 外翻的小泡的制备过程: 组织匀浆 差速离心分离线粒体 超声处理线粒体 “外翻小泡”,6.3 线粒体的功能,主要功能是高效地将有机物中储存的能量通过氧化磷酸化合成ATP，为细胞提供直接能量。 线粒体还参与细胞氧自由基生成，调节细胞氧化还原电位和信号转导，调控细胞凋亡、基因表达、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质平衡（细胞中Ca2+的稳态调节）等。,氧化代谢概况,糖类、脂肪、氨基酸等经糖酵解产生丙酮酸和脂肪酸 进入线粒体后形成乙酰CoA进入TCA。 TCA脱下的氢经内膜上的电子传递链，最后传至氧生成水。 释放的能量通过ADP的磷酸化生成ATP。,三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TAC），Krebs循环,6.3.1 氧化磷酸化合成ATP 1 内膜上的电子传递,（1） 呼吸链 （respiratory chain） 是线粒体内膜上一组的传递电子酶复合体， 由一系列可逆地接受和释放电子或H+的组分构成，这些组分按照一定的顺序进行排列，将电子按照一定的顺序进行传递，就形成了电子传递链 （electronic transport chain）。 （2） 电子载体 （electronic carrier） 在电子传递过程中，与释放的电子结合并将电子传递下去的化合物。 参与电子传递的电子载体有5种：黄素蛋白、细胞色素、泛醌、铁硫蛋白和铜原子。,（3） 电子转运复合物及呼吸链,线粒体内膜呼吸链有4种复合物： 复合物I、和。辅酶Q和细胞色素c不属于任何一种复合物。,2 能量转换,线粒体承担的能量转换实质是把H+跨膜电位差和质子浓度梯度（pH差）形成的质子驱动力转换成ATP分子中的高能磷酸键。,质子驱动力(proton motive force),推动质子作功的能量分为两部分 I)（电动势）膜电位 大 II)质子浓度差 小,3 ATP合酶及结合变构机制,头部：F1偶联因子 （3，3， ， ） 膜部：F0偶联因子：abc a1b2c10-12,结合变构机制-旋转催化模型,在特定的时间，三个催化位点的构象不同 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）,F1中的有3个亚基，每一个亚基都有三种构象，亚基的旋转（由质子推动F0的旋转而带动）使亚基在这三种构象中不断变化，而催化ATP的合成。（ 亚基旋转，亚基位置不变，但构象发生改变） 在L构象（loose），ADP、 Pi与ATP酶疏松结合在一起；在T构象（tight）底物（ADP、 Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。,亚基旋转的观察,将33固定在玻片上，在亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到亚基带动肌动蛋白纤维旋转。,6.4线粒体与细胞衰老,线粒体是细胞内自由基的源泉，正常情况下氧自由基可被线粒体中的Mn2+-SOD所清除，机体衰老使SOD活性降低，氧自由基积累在线粒体中，导致线粒体内膜参与能量转换的酶系功能异常，引起细胞的衰老与死亡。,6.5 线粒体与细胞凋亡,当线粒体接受凋亡刺激的早期细胞色素c从线粒体向细胞质移位，细胞色素c能活化与凋亡相关的酶类，引起凋亡。 在正常情况下定位在线粒体外膜等处的Bcl-2则可阻止细胞色素c从线粒体释放，从而抑制细胞的凋亡。,6.6 线粒体与疾病,线粒体的异常会影响整个细胞的正常功能，从而导致病变线粒体病（mitochondrial diseases, MD） 已知人类线粒体病有100多种，由于肌肉、心脏和大脑等组织需要大量的能量供给，所以线粒体病多表现为这些组织的异常病变。,克山病,一种地方性心肌线粒体病，于1935年在黑龙江省克山县首先发现。病因至今尚不清楚，但调查病区与非病区的水源和植物发现，硒缺乏与克山病发病的关系较密切。 缺硒影响线粒体膜稳定性，导致心肌线粒体膨胀、嵴稀少和不完整等等,对电子传递和氧化磷酸化偶联造成损伤。 临床表现主要有心脏增大、急性或慢性心功能不全和各种类型的心律失常，急重病人可发生猝死。,6.7 线粒体的半自主性和起源,线粒体是细胞中特殊的细胞器，它的功能主要受细胞核基因调控，同时又受到自身基因的调控。 线粒体所携带的遗传信息以非孟德尔方式遗传。,6.7.1 线粒体的半自主性,线粒体的自我繁殖及一系列功能活动，受其自身基因组（mtDNA）和细胞核基因组两套遗传系统共同控制，也称为半自主性细胞器（semiautomous organelle）。 第二遗传因子：线粒体DNA,1 mtDNA的结构特点,存在于线粒体基质中，有时与线粒体的内膜结合。 mtDNA是裸露的双链环状闭合分子，在动物细胞中，一个线粒体中有1个或多个mtDNA拷贝。 mtDNA的含量比细胞核DNA含量少得多，不到核基因组的1%。 第一个在分子水平初步搞清mtDNA基因结构的是 人的mtDNA。,人和酵母的mtDNA,人的mtDNA： 约16kb, 37个结构基因，是迄今为止所知最小的mtDNA。 酵母mtDNA： 约78kb，比人类的长5倍,但它的基因产物并不比人的多很多。 原因：人类线粒体DNA序列中全为外显子，无内含子，基因间几乎没有非编码区。 而酵母中有大量的内含子和非编码区。,mtDNA复制的特点,mtDNA复制以半保留方式进行。 复制时间不同于细胞核DNA的复制。 主要在S和G2期，与细胞周期同步。 mtDNA表现为母系遗传。 其突变率高于核DNA，并且缺乏修复能力 原因：线粒体中的DNA和RNA是不与细胞其它部分的DNA和RNA发生交换，所以如果线粒体中的DNA发生病变后，细胞其他部位的DNA不能代替它行使作用。,2 蛋白质合成,哺乳动物线粒体中120多种蛋白，只有13种左右由mtDNA编码，并且已经知道线粒体中合成的蛋白都是和内膜结合在一起的。 线粒体mRNA的转录和翻译在同一地点进行。,线粒体的生物合成,第一阶段由核基因编码复制因子、RNA聚合酶等蛋白输送到线粒体中。 接着进行第二阶段，即线粒体中DNA开始转录和翻译，产生组成线粒体的内膜蛋白，同时产生了控制核DNA有关线粒体蛋白合成的阻遏物，这样就终止了核DNA的这部分转录过程。 当核基因编码的酶在线粒体中用完后，线粒体DNA的作用立即停止，阻遏物不再形成，于是核基因又重新开始转录。,线粒体基因在转录和翻译过程中对核基因有很大的依赖性，受到核基因的控制。 另外，线粒体中的DNA和RNA是不与细胞其它部分的DNA和RNA发生交换，所以如果线粒体中的DNA发生病变后，细胞其他部位的DNA不能代替它行使作用，说明线粒体有一定的自主作用。,线粒体基因组与细胞核的关系,核质互作：在真核细胞中，细胞核与线粒体、叶绿体之间在遗传信息和基因表达调控等层次上建立的分子协作机制。 细胞核基因组与线粒体之间形成了既相互依赖有相互制约的关系，在不同类别的真核生物之间既有共性，也有差别。,不同真核生物线粒体基因组（DNA）大小及其表达产物,研究核质互作的关系,放线菌酮：抑制由核基因编码蛋白的合成 红霉素或氯霉素：抑制由线粒体基因编码的蛋白质的合成。 如果在放线菌酮存在下，使细胞用放射性标记的氨基酸合成蛋白质，则在30分钟内线粒体中看到的带有放射性标记的蛋白逐渐增多，在哪儿合成的？ 如果在氯霉素存在的情况下，在线粒体中看到的标记蛋白，在哪儿 合成的？,3 线粒体蛋白转运,后翻译转运途径 靶向信号序列：导肽 位于蛋白质N端； 富含疏水氨基酸，带正电荷碱性氨基酸（Arg，Lys）和羟基氨基酸（Ser，Thr）； 具有形成两性 螺旋的倾向。,1）蛋白进入线粒体基质,1. 游离核糖体合成前体蛋白具有靶向序列，与胞质分子伴侣 Hsc70结合，使其保持未折叠状态 2. 前体蛋白与内外膜接触点附近的输入蛋白受体（Tom20/22）结合。 3. 被转运进输入孔 4-5. 输入蛋白进入并通过内外膜接触点的输入通道（外膜Tom40，内膜Tim23/17）， 线粒体基质分子伴侣Hsc70与输入蛋白结合并水解ATP来驱动基质蛋白输入。 6. 基质蛋白酶将输入蛋白的靶向序列切除，Hsc70释放 7. 输入蛋白折叠产生有活性的构象。,2）蛋白进入线粒体内膜,3）蛋白进入线粒体膜间隙,6.7.2 线粒体的生物发生,线粒体的增殖 分裂增殖,出芽分裂增殖 藓类植物和酵母细胞,收缩后分离增殖 蕨类植物和酵母细胞,分裂时中部缢缩并向两端拉长，整个呈哑铃型，最后分开。 蕨类植物和酵母细胞,间壁分离(隔膜分离) 哺乳动物和植物分生组织,间壁分离,收缩后分离,出芽分裂,6.7.3 线粒体的起源,内共生起源学说（endosymbiosis theory）,内共生起源学说（endosymbiosis theory）,线粒体的祖先原线粒体（一种可进行三羧酸循环和电子传递的革兰氏阴性好氧细菌）被原始真核生物吞噬后与宿主间形成共生关系。 原线粒体可从宿主处获得更多的营养，而宿主可借用原线粒体具有的氧化分解功能获得更多的能量。 好氧细菌被原始真核细胞吞噬以后，有可能在长期互利共生中演化形成了现在的线粒体。在进化过程中好氧细菌逐步丧失了独立性，并将大量遗传信息转移到了宿主细胞中，形成了线粒体的半自主性。 叶绿体的祖先可能是原核生物蓝细菌，被原始真核生物摄入后，为宿主进行光合作用，而宿主细胞则为其提供其他的生存条件。,论据支持,1 Mi和细菌的DNA都是裸露的双链环状的DNA组成。 2 Mi和细菌的蛋白质的合成是从N-甲酰甲硫氨酸开始。 3 Mi和细菌的蛋白质合成，可被氯霉素抑制。,反对的观点：,从进化的观点，如何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。 不能解释细胞核是如何进化来的，即原