第六章 线粒体

第六章线粒体（mitochondrion）本章教学内容一、线粒体的结构与功能◆线粒体的形态结构◆线粒体的化学组成及酶的定位◆线粒体的功能二、线粒体是半自主性细胞器三、线粒体的增殖与起源因细胞种类、同一细胞不同生理环境或功能状态而异。一、线粒体的形态结构1、线粒体的形态、大小、数量与分布形态光镜下呈短线状或颗粒状。因细胞形态不同而异。大小数量分布差异较大，一般短径为0.5-1.0um左右，长径为1.5-3.0um。最大可达10um，称为巨大线粒体。少则仅几十个，多则可达数千，甚至几十万个，生理活动旺盛细胞中数目多。第一节线粒体的结构与功能2、线粒体的超微结构◆外膜(outermembrane）：含孔蛋白(porin)，通透性较高。◆内膜（innermembrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristae）。含能量转换相关的蛋白（基粒）。◆膜间隙（intermembranespace）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。◆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。基粒由头、柄、基片三部分组成，头部为球状颗粒，直径约9nm，通过柄部与基片相连。其化学本质是可溶性ATP酶，简称F1因子。柄部为杆状，长度约4-5nm，直径4nm，是一种可使F1因子对寡霉素敏感的蛋白质，称之为寡霉素敏感授予蛋白（OSCP）。基片是嵌入线粒体内膜的疏水性蛋白，简称HP或F0因子.ATP合成酶复合体分子结构F1因子是ATP合成的关键结构部位之一，由9个亚基组成，每一个α亚基与β亚基上均有一核苷酸结合位点；其β亚基的核苷酸结合位点还具有催化ATP合成或水解的活性。3个α亚基与3个β亚基像“橘瓣”一样围绕同一中心轴相间排列，形成一个高8nm、宽10nm的扁球状6聚体结构。γ亚基同ε亚基以较强的亲和力结合在一起，插入“3α3β”6聚体结构中央形成“轴”或“转子”，不仅使F1因子得以偶联，而且可通过旋转，依次与3个β亚基作用，来调节3个β亚基上催化位点的构象变化。ε亚基同时还兼有抑制酶水解ATP和堵塞H+通道，减少H+泄漏作用。镶嵌于内膜上的F0因子疏水蛋白复合体包括a、b、c三种亚基。来自细菌的F0因子结构电镜资料显示，三种亚基中，c亚基环列形成一个12聚体的环状结构；a亚基和b亚基各以2聚体的形式排列在c亚基环状多聚体外的一侧，与F1因子的δ亚基一起组成连接F1和F0的“定子”。F0因子构成内膜上的跨膜质子通道，并可通过c亚基多聚体中的一个能够与寡霉素结合的亚基，来调节穿过跨膜通道的H+质子流；同时，它还能够将跨膜的质子动力势转换成扭矩，以驱动“转子”旋转。二、线粒体的化学组成及酶的定位1、线粒体的一般化学组成◆蛋白质（占线粒体干重的65～70％）。◆脂类（线粒体干重的25～30％）：磷脂占3/4以上；外膜主要是卵磷脂；内膜主要是心磷脂，高达20%。◆水、无机盐离子（如钙、镁、锶、锰等）线粒体脂类和蛋白质的比值：0.3:1（内膜）；1:1（外膜）◆辅酶Q（CoQ）、黄素单核苷酸（FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）等。它们作为辅酶（或辅基）参与电子传递的氧化还原过程。◆基质中含有催化三羧酸循环、脂肪酸β-氧化、氨基酸氧化、蛋白质合成等有关的上百种酶和其他成分，如环状DNA、RNA、核糖体及较大的致密颗粒，这些颗粒是含磷酸钙的沉积物，其作用是储存钙离子，也可结合镁离子。基质中还有许多可溶性代谢中间物。2、线粒体主要酶的分布线粒体主要功能:氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量。三、线粒体的功能电子传递链（呼吸链）的四种复合物（哺乳类）1、氧化磷酸化的分子基础◆复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶复合物组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白。既是电子传递体又是质子移位体。作用：催化NADH氧化，从中获得2个高能电子辅酶Q；泵出4H+。◆复合物Ⅱ：琥珀酸脱氢酶复合物组成：含FAD辅基，2Fe-S中心。是电子传递体而非质子移位体。作用：催化2个低能电子FADFe-S辅酶Q（无H+泵出）。◆复合物Ⅲ：细胞色素bc1复合物组成：包括1个cytb、1个Fe-S蛋白、1个cytc1。既是电子传递体又是质子移位体。作用：催化电子从UQH2cytc；泵出4H+（2个来自UQ，2个来自基质。◆复合物Ⅳ：细胞色素C氧化酶组成：二聚体，每一单体含13个亚基，含cyta,a3,Cu,Fe。既是电子传递体又是质子移位体。作用：催化电子从cytc分子O2形成水，2H+泵出，2H+参与形成水。◆四种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素（含血红素辅基）、Fe-S中心和辅酶Q。前三种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性醌。◆电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形成高能电子（能量转化），终止于O2形成水。◆电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高)。◆高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物（H+-泵）将H+从基质侧泵到膜间隙，形成跨线粒体内膜H+梯度（能量转化）。◆电子传递链各组分在膜上不对称分布。在电子传递过程中，有几点需要说明电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴随ADP磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化。呼吸链中有3个部位是氧化还原释放能量与ADP磷酸化生成ATP的偶联部位，也是呼吸链上可被特异性抑制剂阻断的部位。2、氧化磷酸化作用与电子传递的偶联鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：阻断电子由NADH向辅酶Q的传递电子传递抑制剂：抗霉素A：阻断电子从细胞色素b传至细胞色素c1氰化物、硫化物、CO：阻断电子由细胞色素aa3传至氧NADH呼吸链生成ATP的3个部位是：NADH至辅酶Q；细胞色素b至细胞色素c；细胞色素aa3至氧之间。3处各生成一分子ATP，共3个ATP分子。电子经FADH2呼吸链传递只生成2个ATP分子。3、氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透假说化学渗透假说内容(Mitchell,1961)：电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，形成H+电化学梯度。在这个梯度驱使下，H+穿过ATP合成酶回到基质，同时合成ATP，电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键中。化学渗透假说有两个特点：A.强调线粒体膜结构的完整性如果膜不完整，H+便能自由通过膜，则无法在内膜两侧形成质子动力势，那么氧化磷酸化就会解偶联。一些解偶联剂的作用就在于改变膜对H+的通透性，从而使电子传递所释放的能量不能转换合成ATP。B.定向化学反应ATP水解时，H+从线粒体内膜基质侧抽提到膜间隙，产生电化学质子梯度。ATP合成的反应也是定向的，在电化学质子梯度推动下，H+由膜间隙通过内膜上的ATP合成酶进入基质，其能量促使ADP和Pi合成ATP。BindingChangeMechanism（Boyer,1979）ATP合成酶复合体在结构上象一部极为精密的分子“水轮机”装置。当H+流顺浓度梯度跨膜转运回流时，驱动“涡轮”（基部F0因子）和与之相连接的“转子”（柄部）转动，继而引起结合于“转子”另一端的“叶片”（头部F1因子）发生一定的构象变化，结果使ADP与Pi合成ATP分子，并被释放出来。◆ATP合成酶作用的“结合变化机制”假说4、ATP合成酶作用机制F1因子的3个β亚基在“转子”转动驱带下发生构象变化。3个β亚基在同一时刻处于不同的构象状态；每一个β亚基催化合成1个ATP时，均要顺序经历与核苷酸结合的三种不同构象状态：紧密结合态（T态）、松散结合态（L态）和空置态（O态）。在质子流的推动下，3α3β6聚体相对于转子旋转1200时，各β亚基随之发生一次构象变化，使对ATP、ADP和Pi的亲和力产生变化；或结合，或发生解离。三、第二节线粒体是半自主性细胞器一、半自主性细胞器的概念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）。1、mtDNA形状、数量、大小◆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，高等植物中约为120kb~200kb。◆人mtDNA：16,569bp，37个基因（编码12S、16SrRNA；22种tRNA；13种多肽：NADH脱氢酶7个亚基，cytb-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）。二、线粒体DNA（mtDNA）2、mtDNA复制方式●以半保留方式进行自我复制。3、mtDNA复制与细胞周期●mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期及G2期；DNA先复制，随后线粒体分裂。●复制仍受核控制。●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，其表达产物既有共性，也存在差异。三、线粒体蛋白质合成四、线粒体蛋白质的运送与组装核基因编码的线粒体蛋白质需先在细胞质中合成前体蛋白，前体蛋白由成熟形式的蛋白和N端的一段导肽序列共同组成，然后再转移到线粒体内，即先合成后转移。rER合成的分泌蛋白质是边合成边转移，即共转移。1、核基因编码的蛋白质向线粒体跨膜运送与rER合成的分泌蛋白质不同：约20-80个aa组成。富含带正电荷的碱性氨基酸，特别是Arg。带正电荷的氨基酸残基有助于前导肽序列进入带负电荷的基质中。含较多羟基氨基酸如Ser。几乎不含带负电荷的酸性氨基酸。可形成既具有亲水性又具有疏水性的螺旋结构，这种结构有利于穿越线粒体的双层膜。2、导肽的结构特征与作用导肽内有识别线粒体的信息，而且导肽具有牵引蛋白质通过线粒体膜进行运送的功能。导肽——火车头蛋白质——车厢仿生武器：生物导弹导肽决定运送方向，对被运送的蛋白质无特异性。●需分子伴侣，如Hsp70。●分子伴侣具解折叠酶活性，并能识别蛋白质解折叠后暴露的疏水面并与之结合，防止相互作用产生凝集或错误折叠，同时还参与蛋白质跨膜运送分子的重折叠以及装配。●分子伴侣无专一性。3、线粒体蛋白质的运送与组装（1）前体蛋白解折叠细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的某些部位相结合，从而帮助这些多肽转运、折叠或装配，这一类分子本身并不参与最终产物的形成，因此称为分子“伴侣”。分子“伴侣”（molecularchaperones）线粒体表面的受体识别跨膜前体蛋白，并在线粒体外膜蛋白GIP参与下，前体蛋白通过线粒体内外膜的接触点进入到线粒体基质中。（2）前体蛋白跨线粒体内外膜进入到线粒体基质中导肽被导肽水解酶MPP（mitochondrialprocessingpeptidase）和导肽水解酶激酶PEP（processingenhancingprotein）水解。●需分子伴侣，如线粒体基质mHsp70、Hsp60（3）前体蛋白重折叠●mHsp70拖拽肽链，mHsp70须同时附着在肽链和线粒体膜上。●蛋白水解酶酶切重折叠后的蛋白质除N端导肽而成熟。第三节线粒体的增殖与起源一、线粒体的增殖由原来的线粒体分裂或出芽而来。●内共生学说（endosymbiosishypothesis)●非共生学说二、线粒体的起源1、内共生起源学说线粒体的祖先——原线粒体是一种革兰氏阴性细菌。（Margulis，1970）叶绿体的祖先是原核生物的蓝细菌（Cyanobacteria），即蓝藻。（1）内共生起源学说的主要内容◆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，能独立合成蛋白质，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。◆线粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌（2）内共生起源学说的主要论据（3）内共生起源学说的不足之处◆