细胞内动力系统

医学细胞与分子生物学医学遗传系

曹轩曹轩，基础医学院2号楼1201室Email:2000年于湖南师范大学生命科学学院生物科学专业获学士学位2008年于武汉大学生科院生化与分子生物学专业获博士学位2008-2013年在加拿大WesternUniversity医学院生化系博士后2013-2015年在WesternUniversity医学院生化系担任副研究员2015.3-在华中科技大学同济医学院基础医学院担任教授、博导主要研究领域

致力于研究蛋白相互作用的分子机理，探究蛋白功能和作用异常对细胞行为和疾病的影响，应用细胞生物学、分子生物学及生物化学等现代生物学技术，研究重要的癌症相关蛋白通过RhoGTPases相关的细胞信号通路调控细胞骨架组装的分子机理，揭示细胞极化、癌细胞EMT转变、细胞运动以及癌细胞转移和扩散的分子机制，发展癌症分子诊断和防治新技术。细胞内动力系统

线粒体（mitochondrion）

除哺乳动物成熟红细胞外，所有真核细胞都有线粒体，细胞生命活动所需能量的95%来自线粒体，因此线粒体被称为细胞生命活动的“供能中心”、“动力工厂”和“能量转换器”。本章教学内容一、线粒体的形态与结构二、线粒体的功能三、线粒体的半自主性与起源四、线粒体病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。少则几十个，多则可达数千，生理活动旺盛细胞中数目多。(mitochondrion:mitochondria)一、线粒体的形态与结构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）◆膜间腔（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以及线粒体DNA、RNA、核糖体等◆基粒(elementaryparticle)：“ATP合酶复合体”

（ATPsynthasecomplex）“F0F1ATP合酶复合体”

（F0-F1ATPsynthasecomplex)在线粒体内膜基质面上垂直附着的柄球状小体。功能：催化ADP＋PiATPThethree-dimensionalstructureoftheF1ATPase,determinedbyx-raycrystallography(X光结晶学).“ATP合酶复合体”（ATPsynthasecomplex）头部：偶联因子1（couplingfactor1,F1），由5种类型、9个亚基组成，组分为α3β3γεδ。其中α和β亚基具有核苷酸结合位点，但只有β亚基的结合位点具有催化ATP合成的活性。F1的功能是催化ATP合成。γ与ε亚基具有很强的亲和力，结合形成“转子”(rotor)，旋转于α3β3的中央，调节3个β亚基催化位点的开放和关闭。基部：偶联因子0（F0），由a、b、c这3种亚基按照ab2c10-12的比例组成跨膜的质子通道。F0在ATP合成酶中的作用是将跨膜质子驱动力转换成扭力矩，驱动“转子”旋转。a亚基、b亚基和F1

的δ亚基共同组成“定子”（stator），也称外周柄。细胞质中合成的蛋白质进入线粒体的通道◆内外膜转位接触点（

translocationcontactsite）：线粒体的酶的定位线粒体主要功能:为细胞氧化（cellularoxidation）作用提供场所

，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量。二、线粒体的功能

◆细胞氧化:细胞内氨基酸、脂肪酸、单糖等供能物质在一系列酶的作用下，消耗O2，产生CO2和水，放出能量的过程。此过程中细胞要摄取O2，排出CO2，故又称为细胞呼吸（cellularrespiration）。酶◆细胞氧化分为四个主要的步骤：糖酵解、乙酰辅酶A的形成、三羧酸循环、电子传递偶联的氧化磷酸化。其中糖酵解在细胞质中进行，而后三步均在线粒体中进行，因此线粒体是细胞氧化的主要基地。1234高能电子从NADH或FADH2经电子传递链（electrontransferchain）或呼吸链（respiratorychain）传递给氧形成水，同时伴随ADP磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）。电子传递偶联的氧化磷酸化尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD+＋２H(2e+2H+)＝NADH+H+黄素腺嘌呤二核苷酸FAD＋2Ｈ＝FADH2氧化磷酸化的偶联机制：化学渗透假说（chemiosmotichypothesis）

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(electrochemicalgradient)。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。Mitchell，1961基质膜间腔基质氧化磷酸化耦联与化学渗透假说PeterD.MitchellTheNobelPrizeinChemistry1978wasawardedtoPeterMitchell"forhiscontributiontotheunderstandingofbiologicalenergytransferthroughtheformulationofthechemiosmotictheory"化学渗透假说有两个特点：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合成反应时，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）当H+流顺浓度梯度跨膜转运回流时，驱动基部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“结合变构机制”假说ATP合成酶作用机制：H+F0F1H+流H+流H+流γ亚基与β亚基接触，使β亚基转变成开放型构象。γ亚基完整旋转一周，使每个β亚基都经历3种不同的构象改变，导致3个ATP生成并从酶表面释放。ATP合成酶中使电化学能转换成机械能的效率几乎达到100%，是迄今发现的自然界最小的“分子马达”。Loose,疏松型：无活性，可与ADP和Pi底物疏松结合Tight,紧密型：有ATP合成活性，可紧密结合ATPOpen,开放型：无活性，与ATP亲和力低。ATP酶复合体合成ATP的结合变构机制TheNobelPrizeinChemistry1997wasawardedtoPauld.Boyer三、线粒体的半自主性与起源半自主性细胞器（semiautonomousorganelle）：线粒体具有自己的DNA（mitochondrionDNA，mtDNA）以及复制、转录、翻译、加工的一套装置，因而具有独立编码、合成蛋白质的能力；但是它只编码少量线粒体蛋白质，大部分蛋白质还是由核DNA编码并在细胞质核糖体合成后再运送到线粒体的；并且线粒体基因的复制与表达所需的许多酶也是由核DNA编码的，受核遗传系统的指导和控制，所以线粒体的遗传系统是半自主性的。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200kb~2500kb。线粒体DNA（mtDNA）人类基因组含有大约20000到25000个基因。水稻基因组大约含有38000个基因，是人类的1.7倍。◆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F0亚基）。H链编码12种多肽链和14种tRNA和12srRNA和16srRNA；L链仅编码1种多肽链和8种tRNA

。人mtDNA是一个双链闭合环状分子，外环含G较多，称重链(H链)，内环含C较多，称轻链(L链)。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。线粒体的增殖与起源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)●非共生学说线粒体的起源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。

当这种细菌被原始真核细胞吞噬后，即与宿主细胞间形成互利的共生关系：原始真核细胞利用这种细菌获得更充分的能量，而这种细菌则从宿主细胞获得更适宜的生存环境。在长期进化过程中，共生细菌的大部分遗传信息转移到细胞核上，而留在线粒体内的遗传信息大大减少。（Margulis，1970）（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。（2）内共生起源学说的主要论据基因排列紧密mtDNA没有内含子，排列紧密；mtDNA上基因缺少非翻译区，很多基因没有完整的终止密码，仅以T或TA结尾；两条链都有编码功能；具有基因重叠现象。tRNA的种类不同tRNA兼用性也较强，仅用22个tRNA来识别多达48个密码子；而核内有30多种与氨基酸对应的tRNA。遗传密码和通用密码不同

密码子“通用”密码线粒体密码UGA终止密码色氨酸AUA异亮氨酸甲硫氨酸AGA精氨酸终止密码AGG精氨酸终止密码

◆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（续）四、线粒体病（mitochondrialdisease）线粒体病：指线粒体功能障碍或异常所引起的疾病，已知的人类线粒体病有100多种。线粒体病有以下共同特征：1）主要侵犯代谢旺盛、需要能量高的组织、器官，如肌肉、心脏、大脑。2）异质性（heteroplasmy）：每个细胞含有很多个mtDNA，并非一个细胞中所有的mtDNA都发生突变，因此细胞中的mtDNA存在突变型与野生型两种类型，即异质性。只有当突变的mtDNA逐渐积累，其比例达到一定阈值（threshhold）才能引起疾病。母系遗传（maternalinheritance)3）家族性：人类的mtDNA为母系遗传(maternalinheritance)，mtDNA突变导致的线粒体病呈单纯的母系遗传。人精子细胞中约25个线粒体精子细胞尾部环状线粒体mtDNA点突变与疾病Leber遗传性视神经病（ＬＨＯＮ）：Leber′shereditaryopticneuropathy以德国眼科医师TheodorLeber的姓氏命名

双胞胎兄弟患者视乳头盘血管膨胀，视神经萎缩视神经坏死双侧中央视力丧失视乳头毛细血管扩张性微血管病视盘周围神经纤维层膨胀发病：18-30岁11778G→A导致编码NADH脱氢酶亚单位4(ND4)中第340位的Arg→His，从而影响线粒体能量的产生。大约50%的LHON病例由该位点突变引起。

11778G→ALHON与LHON病相关的mtDNA突变mtDNA突变相关基因nt.11778G→AND4nt.15257G→ACybnt.3460G→AND1

nt.4160T→CND1

nt.14484T→CND6nt.7444G→ACOI1.11778G→A,丧失了ＳfaNI酶切位点LHON的基因诊断１２３４５６