第06章线粒体与细胞的能量转换

第六章线粒体与细胞的能量转换Mitochondrionandenergyconversionincells基础医学院细胞生物学与遗传学教研室陈贤均2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制2教学基本要求1.掌握线粒体形态、数量、分布等显微特征；2.掌握线粒体的超微结构；熟悉线粒体的化学组成；3.熟悉线粒体基因组结构与特征；了解线粒体遗传系统与细胞核遗传系统的相互关系；4.熟悉氧化磷酸化的概念与机制；5.了解线粒体相关的临床意义2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制3第一节线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量和结构（一）线粒体的形态、数量与分布1.形态：一般呈粒状或杆状。可呈线状，哑铃形、分杈状或其它形状，因生物或细胞种类和生理状态而异。如肝细胞的呈椭球形和棒状，口腔粘膜上皮细胞的是球形颗粒，酵母菌的是分支形的。低渗状态下呈泡状，高渗状态下成线状；人胚肝细胞线粒体在发育早期是短棒状，晚期长棒状。2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制42.大小：一般直径0.5~1.0µm,长1.5~3.0µm。在胰脏外分泌细胞中可长达10~20µm，称巨线粒体3.数量：因细胞的种类而不同，一个细胞中的线粒体数一般为几百到几千个。哺乳动物成熟红细胞中无线粒体。单细胞鞭毛藻1个酵母细胞1个大型分支的线粒体肝细胞约1300个巨大变形虫50万个2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制54.分布：与细胞能量需求相适应。代谢旺盛的细胞中较多功能活动旺盛的区域中较多：如在肝细胞中呈均匀分布，在肾细胞中靠近微血管，呈平行或栅状排列，肠表皮细胞中呈两极性分布，集中在顶端和基部，在精子中分布在鞭毛中段。线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制6光镜下人口腔粘膜上皮细胞中的线粒体2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制7用离心法从小鼠肝脏分离的线粒体，詹那斯绿B染色。涂片相同区域不同焦平面的折光差异显示线粒体为亮绿色（上图）和暗绿色（下图）。线粒体之间的杂质为细胞碎片。2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制8（二）线粒体的结构线粒体亚显微结构模式图2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制91.外膜(outermembrane)（1）形态：光滑平整，厚5~7nm（2）组成：脂类与蛋白质各约1/2，标志性酶是单氨氧化酶（3）功能特性：通透性较高。含多种转运蛋白（孔蛋白，有直径2~3nm的含水孔道），允许分子量在10000以下的物质自由通过。2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制102.内膜(innermembrane)（1）形态：向内腔折叠形成嵴，表面积大；嵴上有特化的基粒，膜厚4.5nm；（2）组成：脂类20%，蛋白80%，内膜的标志性酶是细胞色素氧化酶和琥珀酸脱氢酶。（3）功能特性：通透性较低，分子量大于150的物质不能自由通过；有多种转运蛋白，选择通透性强。2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制11（4）结构区域：基质腔(matrixspace)：内膜围成，含基质，膜间腔(intermembranespace)：内外膜之间的腔嵴(cristae):嵴是内膜向内腔突起形成的板状或管状折叠。嵴间腔(intercristaespace)嵴内腔(intracristaespace)2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制12ReturntoPage112020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制133.转位接触点（translocationcontactsite）（1）定义：线粒体内、外膜相互接触的位置，此处膜间腔的狭，称为转位接触点，是物质进出线粒体的通道。（2）功能性成分外膜转位子（Tom）——受体蛋白内膜转位子（Tim）——通道蛋白2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制142020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制154.基质（matrix）基质腔和嵴间腔中的胶状物质，成分有：（1）酶类：三羧酸循环，脂肪酸氧化，氨基酸分解，蛋白质合成等；标志酶是苹果酸脱氢酶。（2）mtDNA：双链环状（3）核糖体：70S2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制165.基粒(elementaryparticle)基粒是内膜基质腔面的ATP酶复合体，可催化ADP磷酸化生成ATP。2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制17二、线粒体的化学组成线粒体的化学组成（一）蛋白质（占干重的65~70%）（三）DNA及遗传系统（有遗传半自主性）（二）脂类(占干重的25-30%)1.成分：卵磷脂、脑磷脂、心磷脂及磷脂酰肌醇；2.特征：卵磷脂含量最高，含心磷脂，胆固醇含量低1.可溶性蛋白：基质中的酶蛋白和膜外在蛋白2.不溶性蛋白：嵌入膜内的结构蛋白和酶蛋白2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制18三、线粒体的遗传体系线粒体有自己的基因表达系统，但只编码10多种蛋白质，线粒体中已确定的酶有120多种，是半自主性细胞器。2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制19（一）线粒体基因组特征1.线粒体基因组结构特征（1）DNA分子特征：裸露、环状，无内含子，结构紧密，编码序列占93%，有重叠基因，有特殊秘密；1个分子，16596bp，多个拷贝。（2）基因数量与类别：重链28个基因，轻链9个基因，共37个基因。2个rRNA基因22个tRNA基因13个蛋白质基因2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制2013个蛋白质基因：1个编码细胞色素C还原酶b亚单位2个编码ATP酶复合体F0部位的亚单位3个编码细胞色素C氧化酶亚单位7个编码呼吸链NADH脱氢酶亚单位2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制21ReturntoPage192020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制22ReturntoPage192020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制23线粒体遗传系统的特殊密码子ReturntoPage19密码子核密码编码氨基酸线粒体密码子编码氨基酸哺乳动物果蝇链孢霉菌酵母UGA终止色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸AGA,AGG精氨酸终止丝氨酸精氨酸精氨酸AUA异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸异亮氨酸AUU异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸CUU,CUCCUA,CUG亮氨酸亮氨酸亮氨酸苏氨酸亮氨酸2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制242.线粒体基因组的功能特征（1）复制不受细胞周期限制；（2）突变率高，缺乏修复能力；（3）呈母系遗传。2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制25（二）线粒体基因表达（特征）1.转录产物是包括mRNA和tRNA的多顺反子；2.mRNA不含内含子，很少有非翻译区；3.成熟的mRNA5’端没有帽，3’端有55个多聚A的尾部；4.翻译在线粒体核糖体中进行（核糖体蛋白由核基因编码，由细胞质运往线粒体）5.所有tRNA均由mtDNA编码6.多肽链起始氨基酸为甲酰甲硫氨酸。2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制26（三）线粒体DNA的复制1.重链、轻链各有一个复制起始点2.重链先复制，顺时针方向；轻链后复制，逆时针方向；复制需2小时3.复制不受细胞周期限制2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制27四、核基因编码蛋白质向线粒体的转运线粒体内含有1000～1500种蛋白质，98％以上是由细胞核基因编码、胞质核糖体合成后运入线粒体的。线粒体接受核编码蛋白的区域有：基质、膜间隙、外膜和内膜线粒体蛋白无论进入线粒体的哪个区域均需要分子伴侣的协助。2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制28（一）蛋白向线粒体基质的转运1.核编码线粒体蛋白质N端有基质导入序列，该序列可被线粒体外膜和内膜上的受体能识别并与之结合2.核编码线粒体蛋白前体与分子伴侣结合保持非折叠状态3.蛋白质分子运动产生的动力协助多肽链穿越线粒体膜4.非折叠的多肽链在线粒体基质内重新折叠成活性蛋白2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制29（二）线粒体蛋白进入线粒体其他部位1.核编码蛋白向线粒体蛋白膜间腔运输需要基质导入序列和膜间腔导入序列有两种方式进入膜间腔2.核编码蛋白向线粒体内膜和外膜的转运机制不甚清楚2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制30五、线粒体的起源与发生（一）线粒体的起源：内共生（二）线粒体的发生：二分裂2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制31第二节细胞呼吸与能量转换一、细胞呼吸1.定义：在特定细胞器（主要是线粒体）内，在O2的参与下，分解大分子物质，释放出能量并储存于ATP的过程成为细胞呼吸，也称为生物氧化。2.特点本质上是在线粒体中进行的由一系列酶催化的氧化还原反应；所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中；反应在恒温、恒压条件下进行；反应过程中需要O2和H2O的参与。2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制32二、高能分子ATP通过ADP与ATP之间的相互转化进行细胞能量的转换与储存。转换过程可表示为：A-P~P+Pi+1.72kJA-P~P~P磷酸化去磷酸化2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制33第三节细胞的能量转换细胞所需能量来自细胞对葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等能源物质的细胞氧化。细胞氧化可分为3个阶段：糖酵解和乙酰CoA的生成三羧酸循环氧化磷酸化营养物质2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制34一、糖酵解和乙酰CoA的生成2NAD+2NADHC6H12O62CH3COCOOH+2H+2ADP+2Pi2ATP在细胞质基质中进行，不需氧。丙酮酸脱氢酶2CH3COCOOH+2HSCoA2CH3CO-SCoA+2CO2+2H+2NAD+2NADH在线粒体基质中进行，不需氧。糖酵解酶系2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制35二、三羧酸循环3NAD++FAD3NADH+FADH2CH3CO-SCoA+3H2O2CO2+HSCoA+3H+GDP+PiGTP在线粒体基质中进行，不需氧。三羧酸循环是各种有机物进行最后氧化的过程，也是各类有机物相互转化的枢纽。2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制36线粒体内膜天冬氨酸草酰乙酸苹果酸天冬氨酸草酰乙酸苹果酸-酮戊二酸谷氨酸-酮戊二酸谷氨酸NADHNAD+NADHNAD+123456线粒体内膜的穿梭机制苹果酸—天冬氨酸穿梭系统，说明NADH进入线粒体的机制。1.苹果酸脱氢酶，2.苹果酸-酮戊二酸逆向运输载体，3.苹果酸脱氢酶，4.谷-草转氨酶，5.谷氨酸-天冬氨酸逆向转运载体（可交换运输此二类物质），6.谷-草转氨酶胞质溶液线粒体内-磷酸甘油穿梭机制甘油3-磷酸脱氢酶复合体FADH2FAD磷酸二羟丙酮甘油3-磷酸NADH+H胞质甘油3-磷酸脱氢酶NAD膜间腔基质2eQ++-2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制39三、氧化磷酸化与ATP生成（一）呼吸链和ATP酶复合体1.呼吸链糖酵解和三羧酸循环中脱下的氢，以质子和电子的形式通过多种酶和辅酶构成的传递体系逐步传递，最后与氧结合成水。这样的递氢和递电子体系称为呼吸链或电子传递链。呼吸链中的酶和辅酶先构成酶复合体，再由酶复合体构成呼吸链。呼吸链中酶复合体按照严格的顺序排列在线粒体内膜上；在电子传递过程中逐步释放出能量，并储存于ATP中2020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制40线粒体内有两条主要的呼吸链：（1）由复合体I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。（2）由复合体II、III、IV组成，催化FADH2的脱氢氧化。任何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而是由CoQ，Cytc这样的可扩散性分子连接。Turntopage512020/1/8细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制41呼吸链中的脂蛋白复合体及其辅基成分酶复合体酶活性分子量(kD)辅基电子传递环节INADH脱氢酶850FMN,FeSNADH→CoQ*II琥珀酸脱氢酶140FAD,FeS,