医学细胞生物学课件：第七章 线粒体与细胞的能量转换-新

第七章线粒体（mitochondria）线粒体：该图为大鼠心肌用ODO法制备的样品，显示其中的线粒体割断面及外表面（*）。图中央系线粒体的割断面。其嵴横贯全径，可见其上的内膜亚单位（↑）突向嵴间腔（△）。线粒体间有呈网状排列的滑面内质网（SER）。×80,000。

第一节线粒体的基本特征

一、线粒体的超微结构及化学组成

（一）超微结构与化学组成1.外膜2.内膜3.膜间隙4.基质1.外膜（outermembrane）

单位膜

厚约6nm，光滑平整蛋白：脂类=50%:50%孔蛋白（porin）：通透性大β片层结构直径2～3nm，可通过相对分子质量＜5000标志酶：单胺氧化酶-终止神经递质作用进行部分脂类合成2.内膜（innermembrane）

单位膜平均厚6-8nm

组成：20%是脂类，80%是蛋白质通透性低富含心磷脂-与内膜高度不通透性有关允许分子量＜150非极性分子通过，限制大分子及离子标志酶：细胞色素氧化酶Glycerophospholipidstructure.

(a)

Fattyacylchainsinthesn-1(R1)andsn-2(R2)positionsattachdirectlytotheglycerolbackbone,whiletheheadgroup(X)attachesthroughthephosphategroup.Althoughfattyacyllinkagesareshown,bothetherandplasmalogen(vinylether)bondscanoccurinthesn-1position.

(b)

Severalcommonglycerophospholipid

headgroups.

(c)

Cardiolipin(CL)structure.Fourfattyacylchains(sn-1,sn-2,sn-1’,sn-2’)canprovidemuchmoleculardiversity.线粒体外膜与内膜嵴：内膜向内腔突起的折叠，含基粒一个线粒体内：含1X104～105个基粒基粒（ATP合酶复合体）头部：α3β3γδε多亚基酶活性，催化ADP磷酸化生成ATP柄部：H+转运功能对寡霉素敏感基片：ab2c12呼吸链：利用电子能量把H+泵到膜间隙，建立H+电化学梯度线粒体嵴基粒（ATP合酶复合体）3.膜间隙

标志酶：腺苷酸激酶内外膜转位接触点（translocationcontactsite）

内膜与外膜相互接触：物质进出线粒体的通道例：鼠肝细胞直径1μm的线粒体有100个转位接触点：箭头处4基质（matrix）

特性：电子密度较低、可溶性蛋白质和脂肪主要成分：三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等有关的酶其他成分：遗传信息复制、转录和翻译系统，双链环状DNA、核糖体标志酶：苹果酸脱氢酶基粒的作用叶绿体与能量固定线粒体氧化生产ATP燃烧与生物氧化作用的比较电子传递链细菌能量转换1.线粒体的形状、大小、数目和分布【形状】粒状、短杆状、线状长1.5-3.0um巨线粒体-人成纤维细胞、胰外分泌细胞【数量】低等生物少、高等动物细胞多干细1000-2000个（1/2）心肌细胞（1/5）【分布】

能量需求旺盛

（二）线粒体的动态变化线粒体与微管线粒体在细胞内的分布A：心肌细胞与线粒体B：精子轴索与线粒体（mt融合）意义：共享遗传信息2.线粒体融合与分裂3.线粒体自噬Threemajorpathwaysofmitochondrialqualitycontrol.MisfoldedmitochondrialmembraneproteinscanbedegradedbytwoAAAproteasecomplexeswithcatalyticsitesfacingbothsidesoftheinnermembrane.Mitochondrialproteinscanalsobedegradedbybeingtransferredtolysosomes;vesiclesbuddingfrommitochondrialtubulessequesterselectedmitochondrialcargos,anddeliverthosemitochondrialcomponentstothelysosomefordegradation.Thethirdpathway,knownasmitophagy,involvessequestrationofanentiremitochondrionwithinadouble-membranevesicle,theautophagosome,followedbyfusionwithalysosome

二、线粒体的半自主性（一）mtDNA的结构和特点

线粒体DNA（mtDNA）：线粒体的基因组只有一条DNA，是裸露的一个线粒体内往往有1至数个mtDNA分子，平均为5~10个存在基因部分重叠大多数酶或蛋白质仍由核编码两个重叠基因:复合物Ⅰ的ND4L和ND4复合物Ⅴ的ATP酶8和ATP酶6不同物种线粒体DNA大小比较共有基因：rns\/rne:ribosomal

RNAs

cob:cytochromeb

cox1:cytochrome

oxdasesubunit

人线粒体基因组（剑桥参考序列）

共含16569个碱基对（bp）一条双链环状的DNA分子：重链（H）轻链（L）

1.重链编码：28个基因12SrRNA、16SrRNA、NADH-CoQ氧化还原酶1（ND1）、ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5细胞色素C氧化酶1（COXⅠ）、COXⅡ、COXⅢ细胞色素b的亚基ATP合酶的第6亚单位和第8亚单位（A6、A8）14个tRNA

2.轻链编码：9个基因ND68个tRNA人类线粒体基因组共编码37个基因

线粒体电子传递链（二）线粒体基因的复制和转录

重链启动子（HSP）-“重链12点钟”轻链启动子（LSP）-“轻链8点钟”线粒体DNA复制（三）线粒体蛋白质合成系统与原核细胞相似线粒体与核密码子编码氨基酸比较密码子核密码子编码氨基酸线粒体密码子编码氨基酸哺乳动物果

蝇链孢酶菌酵

母植

物UGA终止密码子色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸终止密码子AGA、AGG精氨酸终止密码子丝氨酸精氨酸精氨酸精氨酸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异亮氨酸CUU、CUCCUA、CUG亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸苏氨酸亮氨酸☆转基因动物与线粒体由于转基因动物受遗传镶嵌性和杂合性的影响，其有性生殖后代变异较大，难以形成稳定遗传的转基因品系。从受体动物细胞中分离出线粒体，以外源基因对其进行离体转化，再将转基因线粒体导入受精卵，所发育成的转基因动物雌性个体外培养的卵细胞与任一雄性个体交配或体外人工授精，由于线粒体的细胞质遗传，其有性后代可能全都是转基因个体。

（四）核编码线粒体蛋白质的转运核编码蛋白进入线粒体

线粒体内含有～1500种蛋白质4个输入的亚区域：线粒体外膜、线粒体内膜、膜间隙和基质参与因子：受体分子伴侣（molecularchaperon）

前体蛋白进入mt的受体外膜上第一套受体Tom37和Tom70

第二套受体Tom20和Tom22

第三套受体通道蛋白Tom40

内膜上（tim17受体系统）：直径为1.5~2.5nm的越膜通道转移到线粒体基质。线粒体膜受体Figure12-23

MolecularBiologyoftheCell

(©GarlandScience2008)蛋白基质导入基质导入顺序（matrix-targetingsequence，MTS）

输入到线粒体的蛋白质都在其N-端具有一段线粒体靶序列线粒体外膜和内膜上的受体能识别并结合各种不同的但相关的MTS线粒体定位蛋白质基质乙醇脱氢酶（酵母）氨甲酰磷酸合酶（哺乳动物）柠檬酸合酶（citratesynthase）与其他柠檬酸酶DNA聚合酶F1ATP酶亚单位α（除植物外），β、γ、δ（某些真菌）Mn2+超氧物岐化酶鸟氨酸转氨酶（哺乳动物）鸟氨酸转氨甲酰酶（哺乳动物）核糖体蛋白质RNA聚合酶内膜ADP/ATP反向转运体（antiporter）复合体Ⅲ亚基1、2、5（铁-硫蛋白）、6、7复合体Ⅳ（COX）亚基4，5，6，7F0ATP酶生热蛋白（thermogenin）膜间腔细胞色素c细胞色素c过氧化物酶细胞色素b2和c1（复合体Ⅲ亚基）外膜线粒体孔蛋白（porin）P70

部分核编码的线粒体蛋白1.前体蛋白与分子伴侣结合

线粒体蛋白可溶性前体新生多肽相关复合物(NAC)其他协助因子前体蛋白结合因子（PBF）:

增加hsc70对线粒体蛋白的转运线粒体输入刺激因子（MSF）：

常单独发挥着ATP酶的作用，为聚集蛋白的解聚提供能量。2.多肽链穿越线粒体膜

TIM复合体：利用H+电化学梯度驱动

线粒体基质hsc70（mthsp70）：与进入线粒体腔的前导肽链交联热棘轮模型（BrownianRachetmodel）

基质蛋白线粒体外膜蛋白线粒体膜间腔蛋白线粒体内膜蛋白3.多肽链在线粒体基质内重新折叠

基质作用蛋白酶（matrixprocessingprotease,MPP）：移除大多数定位于基质的蛋白基质分子伴侣如hsc60、hsc10的协助(五）mt遗传系统与与核遗传系统之间的关系遗传物质相互转移

例：真核细胞核基因存在线粒体基因同源序列-假基因

线粒体基因组-核基因碱基续列三、线粒体的起源与发生（一）线粒体增殖

分裂增殖（二）起源内共生起源学说证据1.有遗传系统2.与细菌基因相似3.有完整的蛋白质合成系统4.内膜与细菌相似5.分裂方式与细菌相似第三节、线粒体与细胞死亡

细胞凋亡：细胞核控制凋亡过程线粒体控制凋亡过程细胞凋亡与指发育凋亡与变态凋亡细胞荧光染色（一）线粒体是控制细胞死亡的中心环节之一①细胞死亡（包括凋亡和坏死）的共同特征是在细胞死亡前都有线粒体膜通透性改变②线粒体通透性的改变是预测细胞死亡更有价值的指标③加大原凋亡效应物的作用剂量可通过作用于线粒体膜而诱导线粒体膜通透性的改变④Bcl-2家族中抑制凋亡的成员Bcl-2、Bcl-XL能与线粒体膜蛋白产生交叉反应抑制细胞凋亡⑤通过特异性药物抑制线粒体膜的通透性可阻止或延缓细胞死亡⑥无细胞系统已分离出一些线粒体蛋白，它们具有水解酶活性（二）线粒体的改变与细胞死亡自由基代谢线粒体产生大量超氧阴离子，并通过链式反应形成活性氧（ROS）ROS水平较低----可促进细胞增生；ROS水平较高----线粒体内膜非特异性通透性孔道（MPTP）开放，不仅导致跨膜电位崩溃，也使cyt-c外漏，再启动caspase的级联活化，最终由caspase-3启动凋亡。（三）线粒体控制着某些细胞死亡过程的中心环节

与线粒体有关的细胞死亡的三个时限（phase）

线粒体前期：CD95TNFROS药物DNA损伤线粒体期：膜通透性增加，释放cyt-