第六章-线粒体doc资料

1、第六章-线粒体本章教学内容本章教学内容一、线粒体的结构与功能一、线粒体的结构与功能 线粒体的形态结构线粒体的形态结构 线粒体的化学组成及酶的定位线粒体的化学组成及酶的定位 线粒体的功能线粒体的功能二、线粒体是半自主性细胞器二、线粒体是半自主性细胞器三、线粒体的增殖与起源三、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。因细胞种类、同一细胞不同生理环境或功能状态而异。一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构1、线粒体的形态、大小、数量与分布、线粒体的形态、大小、数量与分布光镜下呈短线状或颗粒状。光镜下呈短线状或颗粒状。因细胞形态不同而异。因细胞形态不同而异。差异较大，一般短径

2、为差异较大，一般短径为0.5-1.0um左右，长径为左右，长径为1.5-3.0um。最大可达最大可达10um，称为巨大线粒体。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。理活动旺盛细胞中数目多。线粒体的结构与功能线粒体的结构与功能2、线粒体的超微结构、线粒体的超微结构 外膜外膜(outer membrane）：）：含孔蛋白含孔蛋白(porin)，通透性较高通透性较高。 内膜内膜（inner membrane）：）：高度不通透性高度不通透性，向内折叠形成嵴（，向内折叠形成嵴（cristae）。）。含含能量转换相关

3、的蛋白（基粒）能量转换相关的蛋白（基粒）。 膜间隙（膜间隙（intermembrane space）：）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。含许多可溶性酶、底物及辅助因子。 基质（基质（matrix）：）：含含三羧酸循环酶系三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系线粒体基因表达酶系等以等以及及线粒体线粒体DNA、RNA、核糖体。核糖体。 基粒由头、柄、基片基粒由头、柄、基片三部分组成，头部为球状三部分组成，头部为球状颗粒，直径约颗粒，直径约9nm，通过通过柄部与基片相连。其化学柄部与基片相连。其化学本质是可溶性本质是可溶性ATP酶，简酶，简称称F1因子。因子。 柄部为杆状，长度约柄部为杆状，长度约4-

4、5nm，直径直径4nm，是一是一种可使种可使F1因子对寡霉素敏因子对寡霉素敏感的蛋白质，称之为寡霉感的蛋白质，称之为寡霉素敏感授予蛋白素敏感授予蛋白（OSCP）。 基片是嵌入线粒体内基片是嵌入线粒体内膜的疏水性蛋白，简称膜的疏水性蛋白，简称HP或或F0因子因子.ATPATP合成酶复合体分子结构合成酶复合体分子结构 F1因子是因子是ATP合成的关键结构部位之一，由合成的关键结构部位之一，由9个亚基组成，个亚基组成，每一个每一个亚基与亚基与亚基上均有一核苷酸亚基上均有一核苷酸结合位点；其结合位点；其亚基的核苷酸结合位点还具有催化亚基的核苷酸结合位点还具有催化ATP合成或水解的活性。合成或水解的活性

5、。3个个亚基与亚基与3个个亚基像亚基像“橘瓣橘瓣”一样围绕同一中心轴相间排列，形成一个一样围绕同一中心轴相间排列，形成一个高高8nm、宽宽10nm的扁球状的扁球状6聚体结构。聚体结构。亚基同亚基同亚亚基以较强的亲和力结合在一起，插入基以较强的亲和力结合在一起，插入“33”6聚体聚体结构中央形成结构中央形成“轴轴”或或“转子转子”，不仅使，不仅使F1因子因子得以偶联，而且可通过旋转，依次得以偶联，而且可通过旋转，依次与与3个个亚基作用，来调节亚基作用，来调节3个个亚基亚基上催化位点的构象变化。上催化位点的构象变化。亚基同时亚基同时还兼有抑制酶水解还兼有抑制酶水解ATP和堵塞和堵塞H+通通道，减少

6、道，减少H+泄漏作用泄漏作用。 镶嵌于内膜上的镶嵌于内膜上的F0因因子疏水蛋白复合体包括子疏水蛋白复合体包括a、b、c三种亚基三种亚基。来自细菌。来自细菌的的F0因子结构电镜资料显因子结构电镜资料显示，三种亚基中，示，三种亚基中，c亚基环亚基环列形成一个列形成一个12聚体的环状聚体的环状结构；结构；a亚基和亚基和b亚基各以亚基各以2聚体的形式排列在聚体的形式排列在c亚基环亚基环状多聚体外的一侧，与状多聚体外的一侧，与F1因子的因子的亚基一起组成连接亚基一起组成连接F1和和F0的的“定子定子”。 F0因子构成内因子构成内膜上的跨膜质子通膜上的跨膜质子通道道，并可通过，并可通过c亚基亚基多聚体中的

7、一个能多聚体中的一个能够与寡霉素结合的够与寡霉素结合的亚基，来调节穿过亚基，来调节穿过跨膜通道的跨膜通道的H+质子质子流；同时，它还能流；同时，它还能够将跨膜的质子动够将跨膜的质子动力势转换成扭矩，力势转换成扭矩，以驱动以驱动“转子转子”旋旋转。转。二、线粒体的化学组成及酶的定位二、线粒体的化学组成及酶的定位1、线粒体的一般化学组成、线粒体的一般化学组成 蛋白质蛋白质（占线粒体干重的（占线粒体干重的6570 ）。）。 脂类脂类 （线粒体干重的（线粒体干重的2530 ）：）：磷脂占磷脂占3/43/4以上；以上；外膜主要是卵磷脂；外膜主要是卵磷脂；内膜主要是心磷脂，内膜主要是心磷脂，高达高达20%

8、20%。 水、无机盐离子水、无机盐离子（如钙、镁、锶、锰（如钙、镁、锶、锰 等）等）线粒体脂类和蛋白质的比值：线粒体脂类和蛋白质的比值： 0.3:1 0.3:1（内膜）；（内膜）；1:11:1（外膜）（外膜） 辅酶辅酶Q（CoQ）、黄素单核苷酸（黄素单核苷酸（FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、烟酰胺腺烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（嘌呤二核苷酸（NAD）等。它们作为辅酶等。它们作为辅酶（或辅基）参与电子传递的氧化还原过程。（或辅基）参与电子传递的氧化还原过程。 基质中含有催化基质中含有催化三羧酸循环三羧酸循环、脂肪酸脂肪酸-氧氧化化、氨基酸氧化氨基酸氧化、蛋白质合成等有关的上蛋

9、白质合成等有关的上百种酶和其他成分百种酶和其他成分， 如环状如环状DNA、RNA、核糖体核糖体及较大的致密颗粒，这些颗粒是含及较大的致密颗粒，这些颗粒是含磷酸钙的沉积物，其作用是磷酸钙的沉积物，其作用是储存钙离子储存钙离子，也可结合镁离子。基质中还有许多可溶性也可结合镁离子。基质中还有许多可溶性代谢中间物。代谢中间物。2、线粒体主要酶的分布、线粒体主要酶的分布 线粒体主要功能线粒体主要功能: 氧化磷酸化，合成氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量。为细胞生命活动提供直接能量。三、线粒体的功能三、线粒体的功能电子传递链（呼吸链）的四种复合物（哺乳类）电子传递链（呼吸链）的四种复合物（

10、哺乳类）1、氧化磷酸化的分子基础、氧化磷酸化的分子基础 复合物复合物：NADH-CoQ还原酶复合物还原酶复合物组成：含组成：含42个蛋白亚基，至少个蛋白亚基，至少6个个Fe-S中心和中心和1个黄素个黄素蛋白。既是电子传递体又是质子移位体。蛋白。既是电子传递体又是质子移位体。作用：催化作用：催化NADH氧化，从中获得氧化，从中获得2个高能电子个高能电子辅辅酶酶Q； 泵出泵出4H+。复合物复合物：琥珀酸脱氢酶复合物：琥珀酸脱氢酶复合物组成：组成： 含含FAD辅基，辅基，2Fe-S中心。是电子传递体而中心。是电子传递体而非质子移位体。非质子移位体。作用：作用： 催化催化2个低能电子个低能电子FADF

11、e-S辅酶辅酶Q （无无H+泵出泵出）。 复合物复合物：细胞色素：细胞色素bc1bc1复合物复合物组成：包括组成：包括1个个cyt b、 1个个Fe-S蛋白蛋白、1个个cyt c1。既是电子传递体又是质子移位体。既是电子传递体又是质子移位体。作用：催化电子从作用：催化电子从UQH2cyt c；泵出泵出4 H+ （2个个来自来自UQ，2个来自基质。个来自基质。 复合物复合物：细胞色素：细胞色素C C氧化酶氧化酶组成：组成： 二聚体，每一单体含二聚体，每一单体含13个亚基，含个亚基，含cyt a, a3 ,Cu, Fe。既是电子传递体又是质子移位既是电子传递体又是质子移位体。体。作用：作用： 催化

12、电子从催化电子从cyt c分子分子O2 形成水，形成水，2 H+泵泵出，出， 2 H+ 参与形成水。参与形成水。 四种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素（含血红四种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素（含血红素辅基）、素辅基）、Fe-S中心和辅酶中心和辅酶Q。前三种与蛋白质前三种与蛋白质结合，辅酶结合，辅酶Q为脂溶性醌。为脂溶性醌。 电子传递起始于电子传递起始于NADH脱氢酶催化脱氢酶催化NADH氧化，形氧化，形成高能电子（能量转化），终止于成高能电子（能量转化），终止于O2形成水。形成水。 电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递(NAD+/NAD最低，最低

13、，H2O/O2最高最高)。 高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物（H+-泵）将泵）将H+从基质侧泵到膜间隙，形成跨线粒从基质侧泵到膜间隙，形成跨线粒体内膜体内膜H+梯度（能量转化）。梯度（能量转化）。 电子传递链各组分在膜上不对称分布。电子传递链各组分在膜上不对称分布。在电子传递过程中，有几点需要说明在电子传递过程中，有几点需要说明u 电子从电子从NADH或或FADH2经呼吸链传递给氧形成水经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴随时，同时伴随ADP磷酸化形成磷酸化形成ATP，这一过程称，这一过程称为为氧化磷酸化氧化磷酸化。u 呼吸链中有呼吸链中有3个部

14、位是氧化还原释放能量与个部位是氧化还原释放能量与ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的偶联部位，也是呼吸链上可被的偶联部位，也是呼吸链上可被特异性抑制剂阻断的部位。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、氧化磷酸化作用与电子传递的偶联鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素：阻断电子由素：阻断电子由NADH向辅向辅酶酶Q的传递的传递电子传递抑制剂：电子传递抑制剂：抗霉素抗霉素A：阻断电子从细胞色素阻断电子从细胞色素b传至细胞色素传至细胞色素c1氰化物、硫化物、氰化物、硫化物、CO：阻断电子由细胞色素阻断电子由细胞色素aa3传至氧传至氧u NADH呼吸链生成呼吸链生成A

15、TP的的3个部位是：个部位是：NADH至辅酶至辅酶Q；细胞色素；细胞色素b至细胞色素至细胞色素c；细胞色素细胞色素aa3至氧之间。至氧之间。3处各生成一分子处各生成一分子ATP，共，共3个个ATP分子分子。u 电子经电子经FADH2呼吸链传递只生成呼吸链传递只生成2个个ATP 分子分子。3、氧化磷酸化的偶联机制、氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说化学渗透假说化学渗透假说内容化学渗透假说内容(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，所释放的称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将能量将H+从基质泵到膜间隙

16、，形成从基质泵到膜间隙，形成H+电化学电化学梯度。在这个梯度驱使下，梯度。在这个梯度驱使下， H+穿过穿过ATP合成合成酶回到基质，同时合成酶回到基质，同时合成ATP，电化学梯度中，电化学梯度中蕴藏的能量储存到蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键中。高能磷酸键中。化学渗透假说有两个特点：化学渗透假说有两个特点： 强调线粒体膜结构的完整性强调线粒体膜结构的完整性如果膜不完整，如果膜不完整，H+ 便能自由通过膜，则无法在内便能自由通过膜，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偶联。一些解偶联剂的作用就在于改变

17、膜对H+ 的的通透性，从而使电子传递所释放的能量不能转换通透性，从而使电子传递所释放的能量不能转换合成合成ATP。B. 定向化学反应定向化学反应ATP水解时，水解时，H+从线粒体内膜基质侧抽提到膜间从线粒体内膜基质侧抽提到膜间隙，产生电化学质子梯度。隙，产生电化学质子梯度。ATP合成的反应也是合成的反应也是定向的，在电化学质子梯度推动下，定向的，在电化学质子梯度推动下，H+ 由膜间隙由膜间隙通过内膜上的通过内膜上的ATP合成酶进入基质，其能量促使合成酶进入基质，其能量促使ADP和和Pi合成合成ATP。 Binding Change Mechanism （Boyer,1979） ATP合成酶复合

18、体在结构上象一部极为合成酶复合体在结构上象一部极为精密的精密的分子分子“水轮机水轮机”装置。装置。当当H+流顺浓流顺浓度梯度跨膜转运回流时，驱动度梯度跨膜转运回流时，驱动“涡轮涡轮”（基（基部部F0因子）和与之相连接的因子）和与之相连接的“转子转子”（柄部）（柄部）转动，继而引起结合于转动，继而引起结合于“转子转子”另一端的另一端的“叶片叶片”（头部（头部F1因子）发生一定的构象变因子）发生一定的构象变化，结果使化，结果使ADP与与Pi合成合成ATP分子，并被释分子，并被释放出来放出来。 ATPATP合成酶作用的合成酶作用的“结合变化机制结合变化机制”假说假说4、ATP合成酶作用机制合成酶作用

19、机制 F1因子的因子的3个个亚基亚基在在“转子转子”转动驱带下转动驱带下发生构象变化。发生构象变化。 3个个亚亚基在同一时刻处于不同基在同一时刻处于不同的构象状态；每一个的构象状态；每一个亚亚基催化合成基催化合成1个个ATP时，时，均要顺序经历与核苷酸均要顺序经历与核苷酸结合的三种不同构象状结合的三种不同构象状态：态：紧密结合态（紧密结合态（T态）、态）、松散结合态（松散结合态（L态）和空态）和空置态（置态（O态）。态）。在质子流在质子流的推动下，的推动下， 33 6聚体聚体相对于转子旋转相对于转子旋转1200时，时，各各亚基随之发生一次构亚基随之发生一次构象变化象变化，使对，使对ATP、AD

20、P和和Pi的亲和力产生的亲和力产生变化；或结合，或发生变化；或结合，或发生解离。解离。三、三、线粒体是半自主性细胞器线粒体是半自主性细胞器一、半自主性细胞器的概念一、半自主性细胞器的概念 自身含有遗传表达系统（自主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，性），但编码的遗传信息十分有限，其其RNA转录、蛋白质翻译、自身构建转录、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）。的遗传信息（自主性有限）。1、 mtDNA形状、数量、大小形状、数量、大小 双链环状（除绿藻双链环状（除绿藻mtDNA，草履虫草履虫mtDNA）

21、。）。 mtDNA大小在动物中变化不大，但在植物中大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大，高等植物中约为变化较大，高等植物中约为120kb200kb。 人人mtDNA：16,569bp，37个基因个基因（编码（编码12S、16S rRNA；22种种tRNA；13种多肽种多肽：NADH脱脱氢酶氢酶7个亚基，个亚基，cyt b-c1复合物中复合物中1个个cyt b，细细胞色素胞色素C氧化酶氧化酶3个亚基，个亚基， ATP合成酶合成酶2个个Fo亚亚基）。基）。二、线粒体二、线粒体DNA（mtDNA）2、 mtDNA复制方式复制方式 以半保留方式进行自我复制。以半保留方式进行自我复制。3、 mtDN

22、A复制与细胞周期复制与细胞周期 mtDNA复制的时间主要在细胞周期复制的时间主要在细胞周期的的S期及期及G2期；期；DNA先复制，随后线先复制，随后线粒体分裂。粒体分裂。 复制仍受核控制。复制仍受核控制。 线粒体合成蛋白质的线粒体合成蛋白质的种类十分有限种类十分有限。 线粒体蛋白质合成体系线粒体蛋白质合成体系对核基因组具对核基因组具有依赖性有依赖性。 不同来源的线粒体基因，其表达产物不同来源的线粒体基因，其表达产物既有既有共性，也存在差异共性，也存在差异。三、线粒体蛋白质合成三、线粒体蛋白质合成四、线粒体蛋白质的运送与组装四、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核基因编码

23、的线粒体蛋白质需先在细胞质中合成前体蛋白，前体蛋白由成熟形质中合成前体蛋白，前体蛋白由成熟形式的蛋白和式的蛋白和N端的一段导肽序列共同组成，端的一段导肽序列共同组成，然后再转移到线粒体内，即然后再转移到线粒体内，即先合成后转先合成后转移移。rER合成的分泌蛋白质是合成的分泌蛋白质是边合成边转移边合成边转移，即共转移即共转移。1、核基因编码的蛋白质向线粒体跨膜运送、核基因编码的蛋白质向线粒体跨膜运送与与rER合成的分泌蛋白质不同：合成的分泌蛋白质不同：u约约20-80个个aa组成。组成。u富含带正电荷的富含带正电荷的碱性氨基酸，特别是碱性氨基酸，特别是Arg。带正电荷的氨基酸残基有助于前导肽序列

24、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。进入带负电荷的基质中。u含较多含较多羟基氨基酸羟基氨基酸如如Ser。u几乎几乎不含带负电荷的酸性氨基酸不含带负电荷的酸性氨基酸。u可形成可形成既具有亲水性又具有疏水性的螺旋既具有亲水性又具有疏水性的螺旋结构结构，这种结构有利于穿越线粒体的双层，这种结构有利于穿越线粒体的双层膜。膜。2、导肽的结构特征与作用、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导肽具有牵引蛋白质通过线粒体膜进行运送的功能。运送的功能。导肽导肽火车头火车头蛋白质蛋白质车厢车厢仿生武器：生物导弹仿

25、生武器：生物导弹导肽决定运送方向，对被运送的蛋白质导肽决定运送方向，对被运送的蛋白质无特异性。无特异性。 需分子伴侣，如需分子伴侣，如Hsp70。 分子伴侣分子伴侣具解折叠酶活性具解折叠酶活性，并能，并能识识别蛋白质解折叠后暴露的疏水面并别蛋白质解折叠后暴露的疏水面并与之结合与之结合，防止相互作用产生凝集，防止相互作用产生凝集或错误折叠，同时还或错误折叠，同时还参与蛋白质跨参与蛋白质跨膜运送分子的重折叠以及装配膜运送分子的重折叠以及装配。 分子伴侣无专一性。分子伴侣无专一性。3、线粒体蛋白质的运送与组装、线粒体蛋白质的运送与组装（1）前体蛋白解折叠）前体蛋白解折叠 细胞中的某些蛋白质分子可以细

26、胞中的某些蛋白质分子可以识识别别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并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与多肽的某些部位相结合结合，从而帮助这，从而帮助这些多肽些多肽转运、折叠或装配转运、折叠或装配，这一类分子，这一类分子本身并不参与最终产物的形成本身并不参与最终产物的形成，因此称，因此称为分子为分子“伴侣伴侣”。 分子分子“伴侣伴侣”（molecular chaperones） 线粒体表面的线粒体表面的受体受体识别跨膜前体识别跨膜前体蛋白，并在线粒体蛋白，并在线粒体外膜蛋白外膜蛋白GIP参与参与下，前体蛋白通过线粒体下，前体蛋白通过线粒体内外膜的接内外膜的接触点触点进入到线粒体基质

27、中。进入到线粒体基质中。（2）前体蛋白跨线粒体内外膜）前体蛋白跨线粒体内外膜 进入到线粒体基质中导肽被进入到线粒体基质中导肽被导肽导肽水解酶水解酶MPP（mitochondrial processing peptidase）和）和导肽水解酶导肽水解酶激酶激酶PEP（ processing enhancing protein）水解。）水解。 需分子伴侣，如线粒体基质需分子伴侣，如线粒体基质mHsp70、Hsp60（3）前体蛋白重折叠）前体蛋白重折叠 mHsp70拖拽肽链，拖拽肽链， mHsp70 须同须同时附着在肽链和线粒体膜上。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蛋白水解酶

28、酶切重折叠后的蛋白质除质除N端导肽而成熟。端导肽而成熟。线粒体的增殖与起源线粒体的增殖与起源一、线粒体的增殖一、线粒体的增殖由原来的线粒体分裂或出芽而来。由原来的线粒体分裂或出芽而来。 内共生学说内共生学说（endosymbiosis hypothesis) 非共生学说非共生学说二、二、 线粒体的起源线粒体的起源1、内共生起源学说、内共生起源学说 线粒体的祖先线粒体的祖先原线粒体是一原线粒体是一种种革兰氏阴性细菌革兰氏阴性细菌。（ Margulis，1970 ） 叶绿体的祖先是原核生物的叶绿体的祖先是原核生物的蓝细蓝细菌菌（Cyanobacteria），即蓝藻即蓝藻。（1）内共生起源学说的内共生起源学说的主要内容主要内容 基因组在大小、形态和结构方面基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似与细菌相似。 有自己有自己完整的蛋白质合成系统完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质，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，两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统外