医学-细胞生物学-线粒体-公开课课件

Part07线粒体Mitochondrion线粒体作为细胞内重要的能量产生基地，它是如何工作的，哪些结构参与了这一过程？细胞的动力工厂煤发电厂电食物线粒体

ATP

ATP95％概述1890年，Altman首次在动物细胞中发现，并称之为“bioblast”（“生命小体”）；1897年，Benda依其在光学显微镜下的形态学特征而命名为线粒体(mitochondria)，被沿用至今；1900年，Michaelis用詹纳斯绿B（JanusgreenB）活体染色，发现线粒体含有大量细胞色素氧化酶系，推断进行氧化还原反应；概述1912年，Kingsbury首先提出线粒体是细胞内氧化还原反应的场所；1963年，Nass发现线粒体中存在DNA，奠定线粒体遗传和线粒体遗传病研究的基础。Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体。Mitchell（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。1981年Anderson等公布了完整的人线粒体DNA序列。第一节线粒体的形态结构Structureofmitochondrion一、线粒体的形态、大小、数量及分布光镜结构：短线状、粒状或杆状。细胞在爬片培养后用4%多聚甲醛固定后，通过免疫荧光染色后用FV1000共聚焦扫描显微镜成像。

红色:微管蛋白;

蓝色:细胞核

绿色:anti-calnexin(内质网上表达)

紫色:线粒体

大小：随细胞不同差异较大。肝细胞内线粒体形态大小随细胞环境改变而改变数量：因细胞种类不同而异。分布：在细胞内分布不均，一般聚集在细胞功能旺盛，需要能量供应的区域。电镜结构：线粒体是由两层单位膜围成的封闭膜性结构，其内膜和外膜套叠构成囊中囊，内囊与外囊不相通。二、线粒体的亚微结构是包围整个线粒体外面的一层单位膜，厚度约6nm，光滑富弹性、封闭成囊。膜上含有孔蛋白（porin），其中央有小孔，可通过分子量1kDa以下的分子，是线粒体外膜物质转运的通道，因此，外膜通透性较高。(一）外膜（outermembrane）位于外膜内侧，由一层平均厚度为4.5nm的单位膜组成，通透性较外膜小，仅允许小的不带电荷的分子进入，大分子、离子则需特殊的转运蛋白帮助才能进行跨膜运输。内膜向内褶叠形成嵴（cristae）(二）内膜（innermembrane）内膜和嵴上有许多基本微粒（基粒）外膜(outermembrane)厚约6nm蛋白质:脂类＝1:1通透性高。孔蛋白成规则排列，内有孔膜表面光滑平整。内膜（innermembrane）厚约4.5nm蛋白质:脂类＝3.8:1通透性很低。具运输蛋白，转移小分子；膜向内折叠成嵴，上有大量基粒又称为外室（outerchamber）,是线粒体内、外膜之间的腔隙，与嵴内腔相通。(三）膜间隙（intermembranespace）又称内室（innerchamber），是线粒体内膜封闭形成的，嵴和嵴之间的腔隙，也叫嵴间腔或内腔。其内充满了液态的无定形胶质溶液，内含蛋白质、脂类、DNA、RNA、核糖体、多种酶、基质颗粒等，称为基质。由于内膜的选择性通透作用，使细胞质与基质之间的物质交换受到控制。(四）基质（matrix）在内膜或嵴膜上存在许多与膜面垂直的带柄的球形小体，由头、柄、基片三部分组成。又称为ATP酶复合体，是线粒体功能发挥的关键结构。(五）基粒（elementaryparticle）头部：化学本质是水溶性ATP酶系，又称F1因子或F1-ATPase。纯化的F1因子催化ATP水解，当头部通过柄部与基片相连时催化ATP合成。在内膜或嵴膜上存在许多与膜面垂直的带柄的球形小体，由头、柄、基片三部分组成。又称为ATP酶复合体，是线粒体功能发挥的关键结构。(五）基粒（elementaryparticle）柄部：连接头部（F1）和基片（F0）的结构。有对寡霉素敏感的蛋白（OSCP），作用是使F1因子对寡霉素敏感，从而抑制ATP合成。在内膜或嵴膜上存在许多与膜面垂直的带柄的球形小体，由头、柄、基片三部分组成。又称为ATP酶复合体，是线粒体功能发挥的关键结构。(五）基粒（elementaryparticle）基片：又称F0因子或F0-ATPase，是镶嵌于内膜（嵴）脂双分子层中的疏水蛋白复合体，由多亚基组成，形成一个跨膜的质子通道。其周围有呼吸链。是将氧化过程中所释放的能量传递到头部催化ADP磷酸化生成ATP的中转站。ATP酶结构和结构模型ATP酶的结构模型Β亚基的结合位点具有催化ATP合成或水解的作用，γ和ε结合形成转子，ε有抑制酶水解ATP的活性，同时有减少H+泄漏的功能TheNobelPrizeinChemistry1997

"fortheirelucidationoftheenzymaticmechanismunderlyingthesynthesisofadenosinetriphosphate(ATP)"PaulD.BoyerJohnE.WalkerATP合成和水解示意图IntercristalspaceDNAATPsynthaseInnermembraneRibosomeCristaeMatrixMatricalgranuleOutermembraneIntermembranespace

OuterchamberInnerchamber第二节线粒体的化学组成及酶定位Chemicalcompositionandenzymesofmitochondrion主要成分是蛋白质和脂类，尤以蛋白质为多。1、蛋白质线粒体干重的65%-70%，内膜含量较多。分为可溶性蛋白和不溶性蛋白两大类。可溶性蛋白质指线粒体基质中的酶和线粒体膜上的外周蛋白；不溶性蛋白质指线粒体膜上的镶嵌蛋白和酶。一、线粒体的化学组成(Chemicalcomposition）线粒体组分的分离方法2、脂质占线粒体干重的25%-30%，不同来源线粒体的脂质组成成分有差异，但均以磷脂为主。线粒体脂质与蛋白质的比例在外膜为1：1，而在内膜为1：4，此外，线粒体内外膜所含脂质和蛋白质的种类也有差异。3、水、无机盐离子及其他二、线粒体中酶的定位分布（Localizationofenzymes）线粒体是细胞质中含酶最多的细胞器之一。140余种，37％氧化还原酶，10％合成酶，9％水解酶，标志酶30余种，主要在内膜和基质中。三羧酸循环酶类：线粒体基质中。呼吸链酶类：线粒体内膜上。ATP酶复合体（基粒）：线粒体内膜上。线粒体功能部位的标志酶:外膜——单胺氧化酶内膜——细胞色素氧化酶膜间腔——腺苷酸激酶基质——苹果酸脱氢酶第三节线粒体的功能Functionofmitochondrion线粒体是细胞氧化的中心和动力站。其主要功能是氧化磷酸化，合成ATP。通过对三大营养物质（糖、脂肪、氨基酸）有氧氧化释放能量，并将能量通过ADP磷酸化，储存于ATP中，以ATP形式提供细胞生命活动所需能量的95%以上。食物﹛糖脂肪蛋白质脂肪酸+甘油单糖氨基酸消化道内丙酮酸细胞内糖酵解线粒体ATP细胞氧化：生物体从外界吸收O2，将细胞内各种能源物质氧化分解，放出CO2和H2O，释放能量，供生命活动的需要，又称细胞呼吸。细胞氧化及其基本过程(Celloxidationanditsbasicprocess)糖酵解乙酰CoA生成三羧酸循环电子传递和偶联的氧化磷酸化基本过程生物氧化产生ATP的统计一个葡萄糖分子经过细胞呼吸全过程产生多少ATP？

糖酵解：底物水平磷酸化产生4ATP（细胞质）己糖分子活化消耗2ATP（细胞质）

产生2NADH，经电子传递产生3或5ATP

（线粒体）净积累5或7ATP

丙酮酸氧化脱羧：产生2NADH（线粒体），生成5ATP

三羧酸循环：底物水平的磷酸化产生（线粒体）2ATP；

产生6NADH（线粒体），生成15ATP；

产生2FADH2（线粒体），生成3ATP

总计生成30或32ATP第四节线粒体的半自主性Semiautonomousofmitochondrion线粒体具有自身的遗传体系（mtDNA、tRNA、核糖体，氨基酸活化酶等），mtDNA能自主复制转录和翻译。但由于其遗传信息量小，只能合成13种线粒体蛋白，线粒体90％以上的蛋白由核基因编码，因此线粒体是一个半自主性的细胞器（semiautonomousorganelle）。MithavetheirowngeneticsystemsMitisorganellessemiautocephaly.Thesynthesisofmitproteinsiscoordinated.mtDNA被称为是真核细胞的第二遗传系统。存在于线粒体基质中，多为裸露的闭合双链环状结构，所含碱基对少，可自我复制。其含量仅为全细胞DNA含量的1%。一、mtDNA人mtDNA的结构：16569bp，由两条链组成的闭合环状分子，共编码2种rRNA，22种tRNA，13种蛋白质。外环为重链（H链），内环为轻链（L链）。GenesinmtDNAencoderRNAs,tRNAs,andsomemitochondrialproteinsHumanmtDNA:16,569bp2rRNAs,22tRNAs,13polypeptides:NADHreductase.7sub.Ctyb-c1complex.1cytbCytoxidase.3subunitsATPsynthase:2F0sub

ProductsofmtgenesarenotexportedmtDNA表现为母系遗传。其突变率高于核DNA，并且缺乏修复能力。有些遗传病，如Leber遗传性视神经病，肌阵挛性癫痫等均与线粒体基因突变有关。线粒体蛋白质跨膜转运的特点：1.线粒体蛋白质前体由细胞质内的游离核糖体合成后，再转运至线粒体内，即属于后转移形式单向跨膜运输。三、蛋白质跨线粒体膜的运送2.线粒体蛋白质的转运需要特定的蛋白质分选信号（导肽）引导。前导序列能识别线粒体表面的受体。线粒体蛋白通过其内外膜的接触点进入线粒体内。这一过程需要线粒体外膜的GIP(generalinsertionprotein)蛋白的帮助。前导序列水解酶和前导序列水解激活酶。3.线粒体蛋白质前体在跨膜运送前后，需经历一个解折叠与重折叠的成熟过程。该过程中，需分子伴侣的帮助。第六节线粒体与疾病MitochondrialanddiseasemtDNA突变→线粒体病线粒体病常常表现为肌病和神经系统疾病，因为心肌、骨骼肌和神经系统是耗能多的器官的组织，依赖氧化磷酸化的程度高。典型的线粒体病是Leber′s遗传性视神经病。视神经进行性变，急性视觉丧失，通常在20岁左右发病。一、mtDNA突变与疾病Laber’s遗传性视神经病双胞胎患病兄弟视乳头盘血管膨胀、视神经萎缩癌变细胞线粒体数量为何减少癌细胞的线粒体有功能障碍并主要由糖酵解获得能量线粒体的减少也是细胞未成熟和（或）去分化的表现。二、线粒体与肿瘤机体组织缺血，胞内氧分压下降等，可立即引起线粒体功能的减弱以至停止。三、线粒体对代谢变化的反应甲状腺素、磷化物等可使线粒体发生肿胀而破裂；氰化物、叠氮钠及CO等毒物可阻断呼吸链，使氧化磷酸化中断，ATP合成受阻。四、药物和毒素对线粒体的影响用线粒体的一些特殊组分来治疗疾病，已越来越多地受到人们的关注。例：细胞色素C－CO中毒、新生儿窒息、肺功能不全、高山缺氧、心肌炎及心绞痛的急救和辅助用药；辅酶（NAD＋）－进行性肌肉萎缩、和肝炎；CoQ－心肌炎、牙周病、高血压、肌肉萎缩及急性黄胆性肝炎等。五、线粒体某些组分的治疗作用小结掌握：线粒体的电镜结构（包括ATP合成酶即基本微粒的形态结构）；理解其半自主性。熟悉：线粒体酶的定位分布（主要是标志酶）；蛋白质被运送到线粒体的特点。复习思考题线粒体的形态结构及其功能是什么？为什么说线粒体具有半自主性？如果某种疾病的发生与线粒体有关，你会如何着手开展相关的研究？Part08核糖体Ribosome核糖体作为蛋白质合成的场所，是如何参与蛋白质合成的？TheNobelPrizeinChemistry2009wasawardedtoVenkatramanRamakrishnan,ThomasA.SteitzandAdaE.Yonathfordeterminingthedetailedstructureandmechanismoftheribosome.概述核糖体(ribosome)是细胞内一种核糖核蛋白颗粒(ribonucleoproteinparticle)，是一种非膜性颗粒状的细胞器。是蛋白质合成的中心场所，存在于几乎所有类型的活细胞中，是细胞最基本的不可缺少的重要结构，被称为生命活动的基本粒子。第一节核糖体的形态结构与存在形式MorphologicalstructureandexistenceformofRibosome电镜结构：核糖体由大、小两个亚基组成。大亚基：略呈圆锥形；中央部位有一条管道（中央管道），是新合成的多肽链释放的通道。小亚基：长条状，呈略微弯曲的葫芦形。大小亚基结合时在其结合面上形成一条隧道，这是mRNA穿过的通道。一、核糖体的形态结构（morphologicalstructureofribosome）核糖体的大小亚基二、核糖体的存在形式（existentialformofribosome）游离大、小亚基不合成蛋白质时核糖体单体多聚核糖体解聚、脱离合成蛋白质时完成合成任务附着核糖体游离核糖体多核糖体（polyribosome）：蛋白质合成过程中，多个核糖体单体被mRNA串联在一起。合成蛋白质时真核生物细胞质核糖体的存在形式：附着核糖体（fixedribosome）：附着于RER和核膜的核糖体；负责合成输出性分泌蛋白质。这种附着是临时性功能性附着。游离核糖体（freeribosome）：游离于细胞质中的核糖体；负责合成结构性蛋白质。Mg2+浓度对大小亚基的聚合和解离的影响:70S核糖体在Mg2+的浓度小于1mm/L的溶液中易解离;当Mg2+浓度大于10mm/L,两个核糖体通常形成100S的二聚体。第二节核糖体的基本类型与化学成分ThetypeandchemicalcompositionofRibosome一、核糖体的基本类型（ThebasictypesofRibosome）根据核糖体来源的生物类群的不同分类：原核生物核糖体真核生物核糖体细胞质核糖体细胞器核糖体线粒体核糖体（动物）叶绿体核糖体（植物）核糖体的化学成分是：rRNA和核糖体蛋白质（ribosomeprotein,rP）。

rRNA位于核糖体内部，而蛋白质则主要分布在核糖体表面，二者靠非共价键结合。不同类型的核糖体在大小及化学成分上有差异。二、核糖体的化学组成（ThechemicalcompositionofRibosome）两种基本类型70S的核糖体（50S+30S），主要存在于原核细胞。大亚基（50S）：23S、5SrRNA+34种蛋白质

小亚基（30S）：16SrRNA+21种蛋白质80S的核糖体（60S+40S），存在于所有真核细胞细胞质。大亚基（60S）：5S、5.8S、28SrRNA+49种蛋白质

小亚基（40S）：18srRNA+33种蛋白质第三节核糖体的功能TheFunctionoftheRibosome核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点一、核糖体的功能位点（Thefunctionalsiteofribosome）核糖体的功能位点mRNA结合位点：位于小亚基上。氨酰基结合位点，又称A位(Asite)或受位(entrysite)：主要位于大亚基上，是与新掺入的氨酰-tRNA相结合的部位。肽酰基结合位点，又称P位(Psite)或供位(donorsite)：主要位于大亚基上，是与延伸中的肽酰基-tRNA结合的部位。核糖体的功能位点tRNA结合位点，又称E位（exitsite）：位于大亚基上，是肽酰-tRNA移交肽链后tRNA的暂时停靠点。肽酰基转移酶位：位于大亚基上，是与肽酰-tRNA从A位点转移到P位点有关的转移酶（即延伸因子EF-G）的结合位点。同时，此位点还可能与催化氨基酸之间形成肽键和水解GTP为肽酰-tRNA的转移提供能量有关。多聚核糖体：由mRNA分子和多个核糖体形成的聚合体，是蛋白质合成的功能基团。多聚核糖体所含核糖体的数量是由mRNA分子的长度决定的。一般情况下，mRNA分子越长，核糖体的个数就越多。二、蛋白质合成的基本过程（Thebasicprocessofproteinsynthesis）结构性蛋白质（内源性蛋白质）：主要由游离于细胞质中的游离