第七章-线粒体

第七章线粒体自养生物通过光合作用将无机物(如CO2和H2O2)，转变为自身利用的有机物；异养生物以自养生物合成的有机物为营养获得能量，这一过程又是怎样？第一节线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量①线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关。②光镜下呈线状、粒状、或杆状等。二、线粒体的结构由双层单位膜套叠而成的封闭膜囊结构。⒈外膜：最外层包绕的一层单位膜；1/2脂类，1/2蛋白质；含多种转运蛋白构成小孔，允许分子量10KD以下的物质通过。⒉内膜：单位膜；20%脂类，80%蛋白质；通透性性很小，大于150D的物质不能通过。①内膜将线粒体的空间分为两部分：由内膜直接包绕的空间称内腔或基质腔，腔内含有基质；内外膜之间的空间称外腔或膜间腔。②内膜向腔内突起的折叠形成嵴，嵴与嵴之间的内腔部分称嵴间腔，由于嵴向内腔突进造成的外腔向内伸入的部分称嵴内空间。③内膜(包括嵴)的内表面附着许多突出内腔的颗粒称为基粒，化学本质为ATP合酶复合体。⒊内外膜转位接触点3内外膜间隙变狭窄，期间分布有通道蛋白和特异性受体，是蛋白质等进出线粒体的通道，分别由内膜转位子和外膜转位子构成。⒋基质由可溶性蛋白及脂肪构成，包括①酶类：催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等；②独特的双链环状DNA，一个或多个拷贝；③核糖体。⒌基粒5.基粒ATP合酶复合体，又称F0F1ATP合酶，在形态结构上表现为基粒，由头部和基片二部分组成。头部：又称偶联因子F1,由αβγδε五种亚基构成，可被F1抑制蛋白所抑制，合成ATP；基片：又称偶联因子F0，由abc三种亚基构成，质子流向F1的穿膜通道。ThestructureofthebacterialATPsynthase三、化学组成主要成分是蛋白质，多数分布于内膜和基质；脂类大部分是磷脂；是细胞中含酶最多的细胞器；含有DNA和完整的的遗传系统。四、遗传体系①线粒体DNA构成了线粒体基因组：DNA是裸露的；1至数个；主要编码线粒体的tRNA、rRNA及一些蛋白质；基因组为一条双链环状DNA，一条为重连，一条为轻链；非编码序列少。②线粒体DNA的两条链有各自的复制起点。③重连和轻链各有一个启动子启动基因的转录：mRNA不含内含子，无帽结构；线粒体mRNA的翻译在线粒体的核糖体上进行。④线粒体的蛋白合成与原核细胞相似：转录和翻译几乎同时进行；蛋白质合成的起始tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA四、核编码蛋白质向线粒体的转运线粒体大约有1000个基因产物，仅37个有其自身基因组编码。⒈核编码蛋白质向线粒体基质中的转运：①前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态，与众多分子伴侣结合；②进入线粒体时需分子伴侣协助，N端含基质导入序列(matrix-targetingsequenceMTS)；③线粒体内外膜存在膜受体，构成转运通道；④分子运动产生的动力(mthsp70变构产生拖力)协助多肽穿越；⑤基质导入序列移除，多肽重新折叠形成有活性蛋白。⒉核编码蛋白向线粒体其他部位转运：①蛋白质向线粒体膜间腔转运—蛋白出具有MTS外，还具有膜间腔导入序列；此外还可通过直接扩散从胞浆通过外膜进入膜间腔。②蛋白向线粒体外膜的转运—外膜上存在类孔蛋白。③蛋白向线粒体内膜的转运—机制不清楚。线粒体的半自主性线粒体有独立的遗传系统1.mtDNA是环状，裸露，信息量较小，有独立的编码系统,和细菌DNA相似。2.mtDNA可进行自我复制，转录自己的mRNA、tRNA、rRNA3.有自己的核糖体，能独立合成线粒体蛋白质（电子传递链酶复合体中的亚基：细胞色素C氧化酶、ATP酶复合体F0的亚基等）4.mtDNA所用遗传密码和“通用”的遗传密码不完全相同。线粒体遗传系统受核遗传系统的制约1.mtDNA复制所需的DNA聚合酶是由核DNA编码的，线粒体的遗传系统受控于细胞核遗传系统2.90%的线粒体蛋白质由核DNA编码3.线粒体的生长和增殖受两套系统控制第二节细胞呼吸与能量转换一、细胞呼吸定义：在细胞内特定的细胞器主要是线粒体，在O2的参与下分解大分子物质，分解代谢所释放的能量储存于ATP中。特点：①本质是酶催化的氧化还原反应；②释放的能量储存于ATP的高能磷酸键中；③反应分步进行，能量逐级释放；④反应在恒温恒压下进行；⑤需水参与。二、细胞的能量转换⒈细胞能量的转换分子ATP：A—P～P～PA—P～P+Pi+能量⒉ATP中携带的能量来源于糖、氨基酸和脂肪，这些物质的氧化到ATP的生成是一个复杂的过程，以葡萄糖为例大致包括三个步骤①糖酵解(gly-colysis)②三羧酸循环(tricarboxylicacidcycleTAC)③氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)去磷酸化磷酸化Anoverviewofcarbohydratemetabolismineukaryoticcells⒈葡萄糖在细胞质中的糖酵解：1分子葡萄糖净生成2分子ATP。底物水平磷酸化：由高能底物水解放能，使ADP磷酸化生成ATP的作用⒉线粒体基质中的三羧酸循环：1分子葡萄糖净生成2分子GTP(可转变为2分子ATP)。⒊线粒体氧化磷酸化偶联与ATP形成氧化磷酸化：NADH和FADH2所携带的电子，经线粒体内膜上的呼吸链逐级定向传递给O2,在此过程中释放的能量被F0F1ATP酶复合体用来催化ADP磷酸化而合成ATP。偶联：在正常情况下，没有磷酸化就不能进行电子传递。⑴呼吸链和ATP合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础①呼吸链又称电子传递链，是由一系列能可逆接受和释放氢质子和电子的化学物质组成，分别形成四个脂类蛋白质复合体。Theelectron-transportchainoftheinnermitochondrialmembrane②ATP合酶复合体，又称F0F1ATP合酶，在形态结构上表现为基粒，由头部和基片二部分组成。头部：又称偶联因子F1,由αβγδε五种亚基构成，可被F1抑制蛋白所抑制，合成ATP；基片：又称偶联因子F0，由abc三种亚基构成，质子流向F1的穿膜通道。ThestructureofthebacterialATPsynthase⑵氧化过程伴随磷酸化的偶联①电子传递时氢质子穿膜形成电化学梯度化学渗透假说：NADH和FADH2提供1对电子，经电子传递链最终被O2接收；电子传递链同时起氢泵的作用；线粒体内膜对氢质子具有不可通透性，氢质子的积累形成电化学梯度；膜间腔中的氢质子有顺浓度返回基质的倾向，通过ATP合酶合成ATP。②电化学梯度所包含的能量转换成ATP的化学能ThebindingchangemechanismforATPsynthesis结合变构机制；当质子穿过F1因子的活性部位是时，可引起F1颗粒构象的变化，导致底物(ADP+Pi)同活性部位的紧密结合及产物(ATP)的释放；ADP和Pi合成ATP的反应不需要能量，而F1因子构象的变化需要能量。葡萄糖氧化磷酸化作用：1分子葡萄糖可生成34分子ATP第三节线粒体与医学一、线粒体与细胞死亡二、线粒体与疾病⒈Mitochondrialabnormalitiesinskeletalmuscle.症状:awomanwhohadbeensufferingfromlong-standingfatigueandmuscleweaknessandwhoexhibitedanelevatedmetabolicrateandbodytemperature.原因：Themitochondriafromthispatientweresomehowreleasedfromtheirnormalrespiratorycontrol.Normally,whenADPlevelsarelow,isolatedmitochondriastopoxidizingsubstrate.Incontrast,themitochondriafromthispatientcontinuedtooxidizesubstrateatahighrate,evenintheabsenceofADPtophosphorylate,producingheatratherthanmechanicalwork.⒉Apremature-agingphenotypecausedbyincreasedmutationsinmtDNAThephotographshowsa13-month-oldnormalmouseandits“aged”littermatewhosemitochondrialDNAharbor