细胞生物学__线粒体与细胞的能量转换

1、第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换 生物的各种活动都需要能量生物的各种活动都需要能量能量的能量的80-95%80-95%由线粒体提供由线粒体提供动力工厂动力工厂存在于除红细胞以外的一切真核细胞中存在于除红细胞以外的一切真核细胞中 第一节第一节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征 一一线粒体的形态结构和数量线粒体的形态结构和数量 光镜下：光镜下： 线状线状、粒状粒状或或杆状杆状 不同生理条件下不同生理条件下 形状、大小、数目形状、大小、数目 及分布不一及分布不一 电镜下（超微结构）：电镜下（超微结构）：外膜外膜内膜内膜膜间腔膜间腔基质腔基质腔（一）（一） 外膜外膜 (out

2、 membrane)： 一层单位膜一层单位膜 7nm， 脂类和蛋白各脂类和蛋白各1/2, 含直径含直径1-3nm通道通道 的孔的孔 蛋白蛋白, 可通过可通过10000以下分子量的物质以下分子量的物质 （二）内膜和内部空间（二）内膜和内部空间 内膜内膜 (inner membrane)：一层单位膜一层单位膜 4.5nm， 蛋白占蛋白占80%, 高度的选择通透性高度的选择通透性, 大于大于150分子量的物质不能自由分子量的物质不能自由 通通 过过 嵴嵴(cristae)：内膜上向内腔突起的折叠，增加内膜面积内膜上向内腔突起的折叠，增加内膜面积 基粒基粒 (elemetary particle) （

3、ATP合酶合酶/ F0F1ATP酶）酶） 头部头部 (偶联因子偶联因子F1)：圆球形，突入内腔，圆球形，突入内腔， 具有酶活性，催化具有酶活性，催化ADPATP 柄柄 部：部： 连接头部和基部，调控质子通道连接头部和基部，调控质子通道 基部基部 (F0偶联因子偶联因子) ：嵌于内膜中，有物种差异，连接嵌于内膜中，有物种差异，连接 F1和内膜，质子流向和内膜，质子流向F1的穿膜通道的穿膜通道（三）（三）膜间腔（外室）膜间腔（外室）(intermembrane space / out chamber)： 内外膜之间内外膜之间 包括嵴内腔包括嵴内腔 含多种可溶性酶，含多种可溶性酶， 含底物和含底物和

4、 辅助因子辅助因子 转位接触点：内外膜相互接触部位，蛋白进出通道转位接触点：内外膜相互接触部位，蛋白进出通道（四）基质腔（内室（四）基质腔（内室 / 嵴间腔）嵴间腔） (matrix space / inner chamber) ：内膜包围的空间，内膜包围的空间， 三羧酸循环的重要场所三羧酸循环的重要场所 基质基质(matrix)： 含多种酶含多种酶 ，双链环状，双链环状DNADNA、RNA,RNA,核糖体核糖体 二线粒体的化学组成二线粒体的化学组成 蛋白质蛋白质 脂类脂类 DNA/RNA/核糖体核糖体 辅酶：如辅酶：如CoQ , FMN, FAD, NAD+ 维生素维生素 无机离子：无机离子

5、：Na+, K+, Mg2+, Zn2+ (一一)蛋白质：蛋白质： 占占65%-70%65%-70%，分布在内膜和基质中，分布在内膜和基质中 可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白可溶性蛋白：基质中的酶和膜外周蛋白 不溶性蛋白：膜结构蛋白和部分酶不溶性蛋白：膜结构蛋白和部分酶 120多种酶：多种酶：是是细胞中含酶最多的细胞器细胞中含酶最多的细胞器 内膜内膜细胞色素氧化酶，琥珀酸脱氢酶细胞色素氧化酶，琥珀酸脱氢酶 标志酶：标志酶： 外膜外膜单胺氧化酶单胺氧化酶 基质基质苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶 膜间腔膜间腔腺苷酸激酶腺苷酸激酶 （二）脂类（二）脂类 ： 占占25%-30%25%-30%， 主要是磷脂

6、主要是磷脂( (卵卵/ /脑脑/ /心磷脂心磷脂),),少量胆固醇少量胆固醇 外膜所含磷脂比内膜多（卵磷脂、脑磷脂）外膜所含磷脂比内膜多（卵磷脂、脑磷脂） 胆固醇含量比内膜多胆固醇含量比内膜多 内膜主要是心磷脂，胆固醇含量较少内膜主要是心磷脂，胆固醇含量较少 三、三、 线粒体的半自主性线粒体的半自主性 （一）线粒体具有自身的遗传系统（一）线粒体具有自身的遗传系统 1. 线粒体线粒体DNA（mtDNA）: 2. 线粒体蛋白质合成线粒体蛋白质合成:（二）（二） 核编码蛋白质向线粒体转运核编码蛋白质向线粒体转运（三）（三） 线粒体遗传系统与细胞核遗传系统的相互关系线粒体遗传系统与细胞核遗传系统的相互

7、关系: :1. 线粒体线粒体DNA（mtDNA）基因组的结构）基因组的结构: 是动物细胞除核以外唯一含有是动物细胞除核以外唯一含有DNADNA的细胞器的细胞器 线粒体基因组：线粒体基因组： 一条双链环状一条双链环状DNADNA分子分子 16569bp,16569bp,重链，轻链重链，轻链 编码线粒体编码线粒体 2222种种tRNA tRNA 2 2种种rRNArRNA 13 13种蛋白质种蛋白质 人类线粒体基因组特点：人类线粒体基因组特点：（1 1） mtDNA mtDNA 结构紧密结构紧密 无内含子，无或少量非编码序列无内含子，无或少量非编码序列（2 2） mtDNAmtDNA没有蛋白包绕，

8、两条链编码不对称没有蛋白包绕，两条链编码不对称 L L链链9 9个，个，H H链链2828个个（3 3） 不严格的密码子配对不严格的密码子配对 tRNA tRNA 识别密码子的前两个碱基识别密码子的前两个碱基（4 4） 密码子的意义有所不同密码子的意义有所不同 4 4个密码子不同与通用密码子个密码子不同与通用密码子 2.mtDNA2.mtDNA能进行半保留复制能进行半保留复制 含两个单向复制叉（含两个单向复制叉（H H、L L合成方向相反）合成方向相反） 复制可分布整个细胞周期复制可分布整个细胞周期 所需酶由核基因组提供所需酶由核基因组提供3.mtDNA3.mtDNA的转录的转录 核基因组提供

9、核基因组提供mtRNAmtRNA聚合酶、转录因子聚合酶、转录因子2. 线粒体蛋白质合成线粒体蛋白质合成: 有自己的蛋白质翻译系统有自己的蛋白质翻译系统: : ( 1) ( 1)蛋白质的合成与蛋白质的合成与mRNAmRNA的转录几乎同时完成的转录几乎同时完成 （2 2）起始密码子（）起始密码子（AUAAUA）与胞质不同（）与胞质不同（AUGAUG） （3 3）与胞质蛋白合成对药物的敏感性不同）与胞质蛋白合成对药物的敏感性不同 （4 4）线粒体合成蛋白数量有限，但是线粒体功能活）线粒体合成蛋白数量有限，但是线粒体功能活 动的关键酶动的关键酶 （5 5）所需的）所需的tRNAtRNA、mRNAmRN

10、A和核糖体是自身专用的。和核糖体是自身专用的。 所编码的所编码的RNARNA和蛋白质并不运出线粒体外和蛋白质并不运出线粒体外二二 . 核编码蛋白质的线粒体转运核编码蛋白质的线粒体转运 1.前体蛋白在分子伴侣的作用下在线粒体外去折叠前体蛋白在分子伴侣的作用下在线粒体外去折叠: 与线粒体膜上受体结合与线粒体膜上受体结合 2.在导肽的帮助下穿越线粒体膜：在导肽的帮助下穿越线粒体膜： 膜上通道（转位接触点）膜上通道（转位接触点） 导肽导肽(leader sequence) : 3.在线粒体基质内重新折叠在线粒体基质内重新折叠: 水解导肽，分子伴侣协助水解导肽，分子伴侣协助核核编编码码蛋蛋白白质质的的线

11、线粒粒体体转转运运 三三 线粒体遗传系统与细胞核遗传系统的相互关系线粒体遗传系统与细胞核遗传系统的相互关系: : 线粒体中由自身合成的蛋白质仅占线粒体中由自身合成的蛋白质仅占10%,10%,其余其余均为细胞核基因组编码均为细胞核基因组编码. . 因此因此, ,线粒体有自己的线粒体有自己的DNADNA和蛋白质合成体系和蛋白质合成体系, ,即独立的遗传系统即独立的遗传系统, ,但又受核基因组遗传系统的控但又受核基因组遗传系统的控制制, ,故为半自主性细胞器故为半自主性细胞器. . 第二节第二节 细胞呼吸与能量转换细胞呼吸与能量转换一细胞呼吸（一细胞呼吸（cellular respiration）概

12、念：概念：线粒体内，在氧的参与下分解大分子物质，产线粒体内，在氧的参与下分解大分子物质，产生生 COCO2 2、释放能量并储存于、释放能量并储存于ATPATP中的过程，又称中的过程，又称细胞氧化（细胞氧化（cellular oxidationcellular oxidation）二细胞能量转换分子二细胞能量转换分子 释放能量：释放能量：ADP+PiATPADP+PiATP（储存）（储存） 需要能量：需要能量：ATP-PiADPATP-PiADP（释放（释放） ATPATP既是细胞内能量转换的中间携带者既是细胞内能量转换的中间携带者“能量货币能量货币” 又是细胞生命活动的直接供能者又是细胞生命活

13、动的直接供能者细胞的氧化过程细胞的氧化过程 包括四个阶段包括四个阶段:糖酵解：细胞质中进行，无需氧糖酵解：细胞质中进行，无需氧 乙酰辅酶乙酰辅酶A A生成：线粒体内膜和生成：线粒体内膜和 基质中基质中三羧酸循环：基质中三羧酸循环：基质中电子传递的氧化磷酸化偶联：电子传递的氧化磷酸化偶联： 线粒体内膜呼吸链和基粒线粒体内膜呼吸链和基粒 电子传递链电子传递链/ /呼吸链：按一定顺序组成排列在线粒体内呼吸链：按一定顺序组成排列在线粒体内 膜上的递氢和递电子酶体系称为电子传递链，由于该膜上的递氢和递电子酶体系称为电子传递链，由于该 体系最终以氧作为电子受体，与细胞摄取氧有关，所体系最终以氧作为电子受体

14、，与细胞摄取氧有关，所 以又称呼吸链以又称呼吸链 mtDNA mtDNA 裸露，无组蛋白包被，在整个细胞周期都可裸露，无组蛋白包被，在整个细胞周期都可复制，故易受各种理化因素的影响，易突变，线粒复制，故易受各种理化因素的影响，易突变，线粒体内膜缺损，体内膜缺损， mtDNAmtDNA片段游离于细胞质，整合至核片段游离于细胞质，整合至核基因组中，引起细胞癌变。基因组中，引起细胞癌变。 嵴减少或消失嵴减少或消失肿瘤细胞内线粒体结构异常：肿胀肿瘤细胞内线粒体结构异常：肿胀 内膜缺损内膜缺损 基质密度降低基质密度降低线粒体与癌症线粒体与癌症 第五节线粒体与医学第五节线粒体与医学一一 线粒体疾病的特征线

15、粒体疾病的特征 是细胞病变、损伤时最敏感的指标之一是细胞病变、损伤时最敏感的指标之一 1 .1 .高突变率高突变率 mtDNAmtDNA缺少组蛋白的保护缺少组蛋白的保护, ,且无且无DNADNA损伤修复系统损伤修复系统 2 .2 .多质性多质性 mtDNAmtDNA突变突变 异质性线粒体异质性线粒体 3 .3 .母系遗传母系遗传 受精卵的受精卵的mtDNAmtDNA都来自卵子都来自卵子 4 .4 .阈值效应阈值效应 突变的突变的mtDNAmtDNA达到一定的比例时达到一定的比例时, , 才有受损表型出现才有受损表型出现 线粒体的生物发生线粒体的生物发生 目前普遍接受的观点：以分裂的方式增殖目前普遍接受的观点：以分裂的方式增殖 分两个阶段：线粒体膜生长、复制分两个阶段：线粒体膜生长、复制 线粒体本身分化线粒体本身分化 分化和生长分别接受细胞核与线粒体两个独立的遗分化和生长分别接受细胞核与线粒体两个独立的遗传系统控制传系统控制思考题思考题为什么说线粒体是半自主性细胞器？为什么说线粒体是半自主性细胞器？试述线粒体