06.07-線粒體的結(jié)構(gòu)功能與遺傳

1、2021/2/121 線粒體線粒體 （mitochondria） 2021/2/122 1890: R.Altman1890: R.Altman（亞特曼亞特曼）在動(dòng)物細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)線粒體）在動(dòng)物細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)線粒體, ,命名為命名為 生命小體生命小體(bioblast)(bioblast)。 1897: Von Benda 1897: Von Benda 命名為線粒體命名為線粒體(Mitochondrion)(Mitochondrion) 1900:L.Michaelis1900:L.Michaelis（米凱利斯（米凱利斯) ) 用詹姆斯綠用詹姆斯綠B B對(duì)線粒體進(jìn)對(duì)線粒體進(jìn) 行活體染色行活體

2、染色, ,發(fā)現(xiàn)線粒體存在大量的細(xì)胞色素氧發(fā)現(xiàn)線粒體存在大量的細(xì)胞色素氧 化酶系?；赶?。 1913:Engelhardt1913:Engelhardt（恩格爾哈特）恩格爾哈特）證明細(xì)胞內(nèi)證明細(xì)胞內(nèi)ATPATP磷酸化與磷酸化與 細(xì)胞內(nèi)氧消耗相偶聯(lián)。細(xì)胞內(nèi)氧消耗相偶聯(lián)。 1943-19501943-1950: :KennedyKennedy等證明糖最終氧化場(chǎng)所在線粒體。等證明糖最終氧化場(chǎng)所在線粒體。 線粒體的研究歷史線粒體的研究歷史 2021/2/123 1952-1953:Palade（帕拉登）等用電鏡觀察線粒體的形（帕拉登）等用電鏡觀察線粒體的形 態(tài)結(jié)構(gòu)。態(tài)結(jié)構(gòu)。 1976: Hatefi等純

3、化呼吸鏈四個(gè)獨(dú)立的復(fù)合體。等純化呼吸鏈四個(gè)獨(dú)立的復(fù)合體。 1961-1980:Mitchell（米切爾）氧化磷酸化的化學(xué)滲透（米切爾）氧化磷酸化的化學(xué)滲透 假說(shuō)。假說(shuō)。 1963年年:Nass首次發(fā)現(xiàn)線粒體存在首次發(fā)現(xiàn)線粒體存在DNA。 2021/2/124 線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu) 線粒體的化學(xué)組成及酶的定位線粒體的化學(xué)組成及酶的定位 線粒體的功能線粒體的功能 線粒體的半自主性線粒體的半自主性 線粒體的生物發(fā)生（自學(xué)）線粒體的生物發(fā)生（自學(xué)） ContentsContents 2021/2/125 第一節(jié)第一節(jié) 線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu) 2021/2/126 一、光鏡下線粒體

4、形態(tài)、大小、數(shù)量及分布一、光鏡下線粒體形態(tài)、大小、數(shù)量及分布 （一）形態(tài)（一）形態(tài) 、大小、大小 光鏡下常見(jiàn)線粒體呈線狀和顆粒狀光鏡下常見(jiàn)線粒體呈線狀和顆粒狀, ,也可呈環(huán)形、也可呈環(huán)形、 啞鈴形、分枝狀等啞鈴形、分枝狀等, ,隨細(xì)胞生理狀況而變。隨細(xì)胞生理狀況而變。 一般直徑一般直徑0.50.51.0m1.0m, ,長(zhǎng)長(zhǎng)1.51.53.0m3.0m。 不不 同細(xì)胞線粒體大小變動(dòng)很大同細(xì)胞線粒體大小變動(dòng)很大, ,大鼠肝細(xì)胞線粒體長(zhǎng)大鼠肝細(xì)胞線粒體長(zhǎng) 5m; 5m; 胰腺外分泌細(xì)胞線粒體長(zhǎng)胰腺外分泌細(xì)胞線粒體長(zhǎng)101020m20m, ,人成纖維人成纖維 細(xì)胞線粒體長(zhǎng)細(xì)胞線粒體長(zhǎng)40m40m。 線

5、粒體形態(tài)、大小因細(xì)胞種類(lèi)和生理狀況不同線粒體形態(tài)、大小因細(xì)胞種類(lèi)和生理狀況不同 而異。而異。 2021/2/127 光鏡下光鏡下: :線狀、桿狀、粒線狀、桿狀、粒 狀狀 2021/2/128 （二）數(shù)量（二）數(shù)量 u 依細(xì)胞類(lèi)型而異依細(xì)胞類(lèi)型而異, ,動(dòng)物細(xì)胞一般動(dòng)物細(xì)胞一般數(shù)百數(shù)百到到數(shù)千數(shù)千個(gè)。個(gè)。 利什曼原蟲(chóng)利什曼原蟲(chóng): :一個(gè)巨大的線粒體一個(gè)巨大的線粒體; ; 海膽卵母細(xì)胞海膽卵母細(xì)胞:30:30多萬(wàn)個(gè)。多萬(wàn)個(gè)。 u 隨細(xì)胞生理功能及生理狀態(tài)變化隨細(xì)胞生理功能及生理狀態(tài)變化 需能細(xì)胞需能細(xì)胞: :線粒體數(shù)目多線粒體數(shù)目多, ,如哺乳動(dòng)物心肌、小如哺乳動(dòng)物心肌、小 腸、肝等內(nèi)臟細(xì)胞腸、肝

6、等內(nèi)臟細(xì)胞; ; 飛翔鳥(niǎo)類(lèi)胸肌細(xì)胞飛翔鳥(niǎo)類(lèi)胸肌細(xì)胞: :線粒體數(shù)目比不飛翔鳥(niǎo)多線粒體數(shù)目比不飛翔鳥(niǎo)多; ; 運(yùn)動(dòng)員肌細(xì)胞運(yùn)動(dòng)員肌細(xì)胞: :線粒體數(shù)目比不常運(yùn)動(dòng)人的多。線粒體數(shù)目比不常運(yùn)動(dòng)人的多。 2021/2/129 （三）分布（三）分布 分布分布: : 不均不均, ,細(xì)胞代謝旺盛的需能部位比較集中。細(xì)胞代謝旺盛的需能部位比較集中。 肌細(xì)胞肌細(xì)胞: : 線粒體沿肌原纖維規(guī)則排列線粒體沿肌原纖維規(guī)則排列; ; 精子細(xì)胞精子細(xì)胞: : 線粒體集中在鞭毛中區(qū)線粒體集中在鞭毛中區(qū); ; 分泌細(xì)胞分泌細(xì)胞: :線粒體聚集在分泌物合成的區(qū)域線粒體聚集在分泌物合成的區(qū)域; ; 腎細(xì)胞腎細(xì)胞: :線粒體靠近微

7、血管線粒體靠近微血管, ,呈平行或柵狀列。呈平行或柵狀列。 線粒體的分布多集中在細(xì)胞的線粒體的分布多集中在細(xì)胞的需能部位需能部位, ,有利有利 于細(xì)胞需能部位的能量供應(yīng)。于細(xì)胞需能部位的能量供應(yīng)。 2021/2/1210 線粒體的分布（三重染色）線粒體的分布（三重染色） 2021/2/1211 二、線粒體的亞微結(jié)構(gòu)二、線粒體的亞微結(jié)構(gòu) 2021/2/1212 (a)(a)掃描電鏡照片掃描電鏡照片: : 示線粒體立體結(jié)構(gòu)示線粒體立體結(jié)構(gòu); ; (b) (b) 透射電鏡照片透射電鏡照片: : 示線粒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示線粒體內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2021/2/1213 包圍在線粒體外表面的一層單位膜包圍在線粒體外表面

8、的一層單位膜, ,厚厚6-7nm,6-7nm,平平 整、光滑整、光滑, ,封閉成囊。封閉成囊。 外膜含運(yùn)輸?shù)鞍祝ㄍǖ赖鞍祝┩饽ず\(yùn)輸?shù)鞍祝ㄍǖ赖鞍祝? ,形態(tài)上為排列形態(tài)上為排列 整齊的筒狀小體整齊的筒狀小體, ,中央有孔中央有孔, ,孔徑孔徑1-31-3nm, ,允許分允許分 子量子量1 1KD以?xún)?nèi)的物質(zhì)自由通過(guò)以?xún)?nèi)的物質(zhì)自由通過(guò), ,構(gòu)成外膜的親水通道。構(gòu)成外膜的親水通道。 ( (一一) ) 外膜外膜 Outer membraneOuter membrane 2021/2/1214 ( (二二) ) 內(nèi)膜內(nèi)膜 inner membraneinner membrane 結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征: :

9、 u高度特化的單位膜高度特化的單位膜, ,厚厚4.5nm4.5nm, ,膜上蛋白質(zhì)占膜總重量膜上蛋白質(zhì)占膜總重量 76%;76%; u通透性小通透性小, ,具具通透屏蔽通透屏蔽作用作用, ,許多物質(zhì)不能自由透過(guò)許多物質(zhì)不能自由透過(guò); ; （例如（例如:H:H+ + 、ATPATP、丙酮酸等）物質(zhì)透過(guò)必須借助膜上、丙酮酸等）物質(zhì)透過(guò)必須借助膜上 的載體或通透酶。的載體或通透酶。 u向內(nèi)褶疊形成嵴向內(nèi)褶疊形成嵴, ,嵴的存在增大線粒體內(nèi)膜的表面積嵴的存在增大線粒體內(nèi)膜的表面積; ; u兩種類(lèi)型的嵴兩種類(lèi)型的嵴: : 板層狀板層狀: : 高等動(dòng)物細(xì)胞線粒體嵴。高等動(dòng)物細(xì)胞線粒體嵴。 管管 狀狀: :

10、 原生動(dòng)物和低等動(dòng)物細(xì)胞線粒體嵴。原生動(dòng)物和低等動(dòng)物細(xì)胞線粒體嵴。 2021/2/1215 2021/2/1216 也稱(chēng)膜間腔也稱(chēng)膜間腔, ,外膜與內(nèi)膜之間的腔隙外膜與內(nèi)膜之間的腔隙, ,與嵴內(nèi)與嵴內(nèi) 腔相通腔相通, ,寬約寬約20nm20nm, ,含多種酶、底物及輔助因子。含多種酶、底物及輔助因子。 ( (三三) ) 外室（外室（outer chamberouter chamber） ( (四四) ) 內(nèi)室（內(nèi)室（inner chamberinner chamber） 內(nèi)膜封裹形成的囊腔內(nèi)膜封裹形成的囊腔, ,或稱(chēng)嵴間腔或稱(chēng)嵴間腔, ,是線粒是線粒 體細(xì)胞氧化中進(jìn)行三羧酸循環(huán)的場(chǎng)所。體細(xì)胞氧

11、化中進(jìn)行三羧酸循環(huán)的場(chǎng)所。 基質(zhì)包括了催化三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、基質(zhì)包括了催化三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、 核酸與蛋白質(zhì)合成的各種酶系及線粒體核酸與蛋白質(zhì)合成的各種酶系及線粒體DNA、線、線 粒體粒體RNA、線粒體核糖體等。、線粒體核糖體等。 2021/2/1217 ( (五五) ) 基粒（質(zhì)子泵基粒（質(zhì)子泵ATPATP合成酶）合成酶） 與線粒體內(nèi)膜內(nèi)表面及嵴膜基質(zhì)面垂直排列與線粒體內(nèi)膜內(nèi)表面及嵴膜基質(zhì)面垂直排列, ,形形 態(tài)上分為態(tài)上分為 頭部頭部: :可溶性可溶性ATPATP酶酶（F F1 1）, ,水溶性球蛋白水溶性球蛋白, ,從內(nèi)從內(nèi) 膜突出于基質(zhì)內(nèi)膜突出于基質(zhì)內(nèi), ,易從膜表面脫落易從

12、膜表面脫落。 柄部柄部: :對(duì)寡酶素敏感的蛋白質(zhì)（對(duì)寡酶素敏感的蛋白質(zhì)（OSCPOSCP）, ,調(diào)控質(zhì)子調(diào)控質(zhì)子 通道。通道。 基片基片（F F0 0）: :疏水蛋白（疏水蛋白（HP)HP), ,橫跨內(nèi)膜橫跨內(nèi)膜, ,質(zhì)子通道質(zhì)子通道。 2021/2/1218 基片基片 （橫跨內(nèi)膜）（橫跨內(nèi)膜） 頭部頭部 4nm 柄柄 基片基片 9nm 7.5nm ATP合成酶形態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖合成酶形態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖 2021/2/1219 第二節(jié)第二節(jié) 線粒體的化學(xué)組成及酶的定位線粒體的化學(xué)組成及酶的定位 一、線粒體的化學(xué)組成一、線粒體的化學(xué)組成 化學(xué)成分化學(xué)成分: :蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 脂類(lèi)脂類(lèi) （一）蛋（一）蛋 白

13、白 質(zhì)質(zhì): :占線粒體干重的占線粒體干重的65657070 （可溶性蛋白、不溶性蛋白）（可溶性蛋白、不溶性蛋白） （二）脂（二）脂 類(lèi)類(lèi): :占線粒體干重的占線粒體干重的25%-30%,25%-30%, 90%90%為磷脂為磷脂, , 膽固醇含量極少膽固醇含量極少。 2021/2/1220 二、線粒體中酶的定位分布二、線粒體中酶的定位分布 (140(140多種酶多種酶) ) 外膜外膜: :合成線粒體脂類(lèi)的酶合成線粒體脂類(lèi)的酶 內(nèi)膜內(nèi)膜: :呼吸鏈酶系、呼吸鏈酶系、ATPATP合成酶系合成酶系 基質(zhì)基質(zhì): :三羧酸循環(huán)反應(yīng)酶系、丙酮酸與脂肪酸氧三羧酸循環(huán)反應(yīng)酶系、丙酮酸與脂肪酸氧 化酶系、蛋白質(zhì)

14、與核酸合成酶系（半自主性）化酶系、蛋白質(zhì)與核酸合成酶系（半自主性） 2021/2/1221 線線 粒粒 體體 中中 酶酶 的的 定定 位位 分分 布布 線粒體主要酶的分布線粒體主要酶的分布 部部 位位酶酶 的的 名名 稱(chēng)稱(chēng) 外外 膜膜 單胺氧化酶、犬尿氨酸羥化酶、單胺氧化酶、犬尿氨酸羥化酶、NADH-NADH-細(xì)胞色素細(xì)胞色素C C還原酶還原酶 特征酶特征酶:單胺氧化酶單胺氧化酶 膜膜 間間 隙隙 腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶 特征酶特征酶:腺苷酸激酶腺苷酸激酶 內(nèi)內(nèi) 膜膜 細(xì)胞色素氧化酶、琥珀酸脫氫酶、細(xì)胞色素氧化酶、琥珀酸脫氫酶、NADHNADH脫氫

15、酶、肉毒堿酰脫氫酶、肉毒堿酰 基轉(zhuǎn)移酶、基轉(zhuǎn)移酶、 - -羥丁酸和羥丁酸和 - -羥丙酸脫氫酶、丙酮酸氧化酶、羥丙酸脫氫酶、丙酮酸氧化酶、 ATPATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸載體。合成酶系、腺嘌呤核苷酸載體。 特征酶特征酶:細(xì)胞色素氧化酶細(xì)胞色素氧化酶 基基 質(zhì)質(zhì) 檸檬酸合成酶、烏頭酸酶、蘋(píng)果酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫檸檬酸合成酶、烏頭酸酶、蘋(píng)果酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫 酶、延胡索酸酶、谷氨酸脫氫酶、丙酮酸脫氫酶復(fù)合體、酶、延胡索酸酶、谷氨酸脫氫酶、丙酮酸脫氫酶復(fù)合體、 天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、蛋白質(zhì)和核酸合成酶系、脂肪酸氧天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、蛋白質(zhì)和核酸合成酶系、脂肪酸氧 化酶系化酶系 特征酶特征酶:

16、蘋(píng)果酸脫氫酶蘋(píng)果酸脫氫酶 2021/2/1222 第三節(jié)第三節(jié) 線粒體的功能線粒體的功能 線粒體功能線粒體功能: :氧化磷酸化氧化磷酸化, , 合成合成ATP ATP 通過(guò)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)( (糖、脂肪、氨基酸等糖、脂肪、氨基酸等) )氧化氧化( (放能放能) )與與ADPADP磷磷 酸化酸化( (儲(chǔ)能儲(chǔ)能) )的偶聯(lián)反應(yīng)完成能量轉(zhuǎn)換的偶聯(lián)反應(yīng)完成能量轉(zhuǎn)換, ,合成合成ATP,ATP,直接提供細(xì)直接提供細(xì) 胞生命活動(dòng)所需能量的胞生命活動(dòng)所需能量的95%95%以上以上。 包括包括: : 細(xì)胞氧化（細(xì)胞呼吸）細(xì)胞氧化（細(xì)胞呼吸） ADPADP磷酸化磷酸化 2021/2/1223 2021/

17、2/1224 一、一、 細(xì)胞氧化及基本過(guò)程細(xì)胞氧化及基本過(guò)程 1、細(xì)胞氧化、細(xì)胞氧化 2、基本過(guò)程、基本過(guò)程 （1）糖酵解（生成丙酮酸和脂肪酸）糖酵解（生成丙酮酸和脂肪酸） （2）乙酰輔酶）乙酰輔酶A生成生成 （3）三羧酸循環(huán)（產(chǎn)生）三羧酸循環(huán)（產(chǎn)生H+、e-、CO2 ） （4）電子傳遞和偶聯(lián)的氧化磷酸化（傳遞）電子傳遞和偶聯(lián)的氧化磷酸化（傳遞H+、e- 形成形成H 2O;合成合成ATP、 ） 2021/2/1225 2021/2/1226 2021/2/1227 二、氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)二、氧化磷酸化的分子基礎(chǔ) ( (一一) ) 呼吸鏈呼吸鏈 呼吸鏈呼吸鏈: : 指一系列能夠可逆地接受及釋放

18、電子或指一系列能夠可逆地接受及釋放電子或 H H+ +的的脂蛋脂蛋 白質(zhì)復(fù)合體白質(zhì)復(fù)合體, ,存在于線粒體內(nèi)膜存在于線粒體內(nèi)膜, ,形成相互關(guān)聯(lián)、有序形成相互關(guān)聯(lián)、有序 排列的功能結(jié)構(gòu)體系（排列的功能結(jié)構(gòu)體系（一組酶系一組酶系）, ,并以此偶聯(lián)線粒體并以此偶聯(lián)線粒體 中的氧化磷酸化過(guò)程中的氧化磷酸化過(guò)程, ,稱(chēng)之為呼吸鏈（稱(chēng)之為呼吸鏈（respiratory respiratory chainchain）或電子傳遞鏈（）或電子傳遞鏈（electron transport chain)electron transport chain)。 2021/2/1228 電子傳遞鏈（呼吸鏈）的組成電子傳遞

19、鏈（呼吸鏈）的組成 由由四種酶復(fù)合體四種酶復(fù)合體及及輔酶輔酶Q Q(CoQ)(CoQ)和和細(xì)胞色素細(xì)胞色素C(Cytc)C(Cytc)組成。組成。 （1 1）復(fù)合體）復(fù)合體: :NADHNADH - CoQ- CoQ還原酶還原酶 （2 2）復(fù)合體）復(fù)合體: :琥珀酸琥珀酸 - CoQ- CoQ還原酶還原酶 （3 3）復(fù)合體）復(fù)合體: : CoQ -CoQ - 細(xì)胞色素細(xì)胞色素C C還原酶還原酶 （4 4）復(fù)合體）復(fù)合體: :細(xì)胞色素細(xì)胞色素C C氧化酶氧化酶 兩條典型的呼吸鏈兩條典型的呼吸鏈: : NADHNADH呼吸鏈呼吸鏈: :由復(fù)合體由復(fù)合體、及及CoQCoQ、CytcCytc組成組成

20、FADHFADH2 2呼吸鏈呼吸鏈: :由復(fù)合體由復(fù)合體、及及CoQCoQ、CytcCytc組成組成 2021/2/1229 2021/2/1230 2021/2/1231 ( (二二) ) 線粒體質(zhì)子泵線粒體質(zhì)子泵ATPATP合成酶合成酶(H(H+ + -ATPase) -ATPase) 1.1. 形態(tài)結(jié)構(gòu)形態(tài)結(jié)構(gòu) 位于線粒體內(nèi)膜和嵴的基質(zhì)面位于線粒體內(nèi)膜和嵴的基質(zhì)面, ,與膜表面垂直排列與膜表面垂直排列, ,由由 頭部、柄部、基片構(gòu)成。頭部、柄部、基片構(gòu)成。 嵴嵴 與與 上上 面面 的的 基基 粒粒 2021/2/1232 基粒電鏡照片基粒電鏡照片 2021/2/1233 （基粒）（基粒）

21、ATPATP合成酶的電鏡照片合成酶的電鏡照片 2021/2/1234 2 2、分子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu) F Fl l蛋白蛋白: :是球狀結(jié)構(gòu)是球狀結(jié)構(gòu), ,由由5 5種不同種不同 的多肽鏈組成的多肽鏈組成, ,其組分為其組分為 3 33 3, ,催化催化ATPATP合成的部合成的部 位在位在亞基亞基上上. . F F0 0質(zhì)子通道質(zhì)子通道: :跨線粒體內(nèi)膜跨線粒體內(nèi)膜 的疏水蛋白質(zhì)的疏水蛋白質(zhì), ,由由4 4種多肽鏈種多肽鏈 組成組成. . F F0 0和和F Fl l之間的柄之間的柄: :包含有兩包含有兩 種蛋白質(zhì)。一種為寡霉素敏種蛋白質(zhì)。一種為寡霉素敏 感蛋白感蛋白(OSCP) ,(OSCP)

22、,一種為偶合一種為偶合 因子因子6 6（F F6 6）. . 2021/2/1235 (1) F(1) F1 1因子因子 F F1 1: :為水溶性球蛋白為水溶性球蛋白, ,從內(nèi)膜突出于基質(zhì)內(nèi)從內(nèi)膜突出于基質(zhì)內(nèi), ,較較 易脫落。由易脫落。由33、33、11、11和和11等等9 9個(gè)亞基組成個(gè)亞基組成, ,3 3 個(gè)個(gè)亞基和亞基和3 3個(gè)個(gè)亞基交替排列亞基交替排列, ,形成一個(gè)形成一個(gè) “桔瓣桔瓣”狀結(jié)狀結(jié) 構(gòu)。各亞基分離時(shí)無(wú)酶活性構(gòu)。各亞基分離時(shí)無(wú)酶活性, ,結(jié)合時(shí)有酶活性。結(jié)合時(shí)有酶活性。 從膜平面看從膜平面看, ,和和亞基亞基 交替排列交替排列, ,形成一個(gè)環(huán)形成一個(gè)環(huán) 狀結(jié)構(gòu)。狀結(jié)構(gòu)。

23、 F1 in cross section 2021/2/1236 F1 ATPase PDB 1E79 side view base view 亞基在亞基在a a 和和亞基之間形成一個(gè)支柱亞基之間形成一個(gè)支柱“shaftshaft” 和和 共同形成共同形成“轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子” 2021/2/1237 (2) F(2) F0 0 因子因子 F F0 0: :嵌合在內(nèi)膜上的疏水蛋白復(fù)合體嵌合在內(nèi)膜上的疏水蛋白復(fù)合體, ,形成一個(gè)形成一個(gè)跨膜質(zhì)跨膜質(zhì) 子通道子通道。 F F0 0的亞基類(lèi)型和組成在不同物種中差別很的亞基類(lèi)型和組成在不同物種中差別很 大大, ,在細(xì)菌中在細(xì)菌中, ,F F0 0由由a a、b

24、b、c 3c 3種亞基組成種亞基組成; ;藍(lán)藻中為藍(lán)藻中為a a、 b b、b b、c c亞基亞基; ; 2021/2/1238 F F0 0多拷貝的多拷貝的c c亞基形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)亞基形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu),a,a亞基與亞基與b b亞基二聚亞基二聚 體排列在體排列在c c亞基亞基1212聚體聚體形成的環(huán)的外側(cè)形成的環(huán)的外側(cè),a,a亞基、亞基、b b亞基二聚體和亞基二聚體和 亞基共同組成亞基共同組成“定子定子”。其中。其中a a亞基有跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的質(zhì)子通道的亞基有跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的質(zhì)子通道的 作用。作用。 F F1 1和和F F0 0通過(guò)通過(guò) “轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子” （和和 共同形成）共同形成）和和 “定子定子” 將兩

25、部分連接起來(lái)將兩部分連接起來(lái), ,在合成或水解在合成或水解ATPATP的過(guò)程中的過(guò)程中, ,“轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子”在在 通過(guò)通過(guò)F F0 0的的H H+ +流流推動(dòng)下推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn), ,依次與依次與3 3個(gè)個(gè)亞基作用亞基作用, ,調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)亞基亞基 催化位點(diǎn)的構(gòu)象變化催化位點(diǎn)的構(gòu)象變化; ;“定子定子”在一側(cè)將在一側(cè)將3 33 3與與F F0 0連接來(lái)。連接來(lái)。F F0 0 的作用之一的作用之一, ,就是將跨膜質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)轉(zhuǎn)換成扭力（就是將跨膜質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)轉(zhuǎn)換成扭力（torguetorgue）, , 推動(dòng)推動(dòng)“轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子”旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。 2021/2/1239 三、線粒體質(zhì)子泵三、線粒體質(zhì)子泵ATPATP合成酶的

26、工作機(jī)制合成酶的工作機(jī)制 問(wèn)題問(wèn)題:ATP:ATP合成酶各亞基如何協(xié)同作用利用跨膜質(zhì)子梯度合成合成酶各亞基如何協(xié)同作用利用跨膜質(zhì)子梯度合成 ATP? ATP? Paul Boyer提出提出“結(jié)合變化機(jī)制結(jié)合變化機(jī)制”假說(shuō)和假說(shuō)和“旋轉(zhuǎn)催化模型旋轉(zhuǎn)催化模型” ( (a a)ATP)ATP合成酶利用合成酶利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)產(chǎn)生產(chǎn)生構(gòu)象變化構(gòu)象變化, ,改變與底改變與底 物親和力物親和力, ,催化催化ADPADP與與PiPi形成形成ATPATP。 (b) F(b) F1 1因子因子亞基有亞基有三個(gè)催化位點(diǎn)三個(gè)催化位點(diǎn), ,這三個(gè)催化位點(diǎn)的構(gòu)這三個(gè)催化位點(diǎn)的構(gòu) 象不同（象不同（L L、T T、O

27、 O）, ,與核苷酸的親和力不同與核苷酸的親和力不同, ,在在ATPATP合成過(guò)合成過(guò) 程中程中, ,這三個(gè)催化位點(diǎn)構(gòu)象發(fā)生周期變化這三個(gè)催化位點(diǎn)構(gòu)象發(fā)生周期變化, ,每個(gè)催化位點(diǎn)經(jīng)每個(gè)催化位點(diǎn)經(jīng) 過(guò)過(guò)三次構(gòu)象改變?nèi)螛?gòu)象改變合成合成1 1個(gè)個(gè)ATPATP分子。分子。 2021/2/1240 (c)(c)質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子通過(guò)F F0 0時(shí)時(shí), ,引起引起c c亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn), ,帶動(dòng)帶動(dòng)亞基旋亞基旋 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn), ,亞基的旋轉(zhuǎn)引起亞基的旋轉(zhuǎn)引起亞基亞基3 3個(gè)催化位點(diǎn)構(gòu)象發(fā)生周期性變個(gè)催化位點(diǎn)構(gòu)象發(fā)生周期性變 化（化（L L、T T、O O）, ,不斷將不斷將ADPADP和和PiPi結(jié)

28、合在一起結(jié)合在一起, ,形成形成ATPATP。 ADP + Pi ATP ATP ATP ADP + Pi ATP ADP + Pi ATP open tight binding loose binding repeat Binding Change Mechanism 綠色亞單位按順序在下列三種狀態(tài)變化綠色亞單位按順序在下列三種狀態(tài)變化: : 松散松散 ( loose) ( loose) 構(gòu)象構(gòu)象, ,活性部位松散的結(jié)合活性部位松散的結(jié)合ADPADP和和PiPi 緊密緊密 (tight(tight）構(gòu)象）構(gòu)象, , 活性部位緊密結(jié)合底物并形成活性部位緊密結(jié)合底物并形成ATPATP 開(kāi)放開(kāi)放

29、(open(open） 構(gòu)象構(gòu)象, , 形成的形成的ATPATP從活性部位釋放從活性部位釋放 2021/2/1241 線粒體質(zhì)子泵線粒體質(zhì)子泵ATPATP合成酶的工作機(jī)制的證據(jù)合成酶的工作機(jī)制的證據(jù) 支持證據(jù)支持證據(jù)1 1 19941994年年WalkerWalker等發(fā)表了等發(fā)表了0.28nm0.28nm分辨率的牛心線粒分辨率的牛心線粒 體體F1-ATPF1-ATP酶的酶的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)。 WalkerWalker利用核苷酸底物類(lèi)似物利用核苷酸底物類(lèi)似物, ,觀察觀察ATPATP合成酶的合成酶的3 3 個(gè)催化亞基結(jié)合核苷酸底物類(lèi)似物后晶體構(gòu)象的變化個(gè)催化亞基結(jié)合核苷酸底物類(lèi)似物后晶體構(gòu)象的

30、變化, , 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)ATPATP合成酶由于結(jié)合不同的底物類(lèi)似物而呈現(xiàn)不同合成酶由于結(jié)合不同的底物類(lèi)似物而呈現(xiàn)不同 的構(gòu)象的構(gòu)象, ,有力地支持了有力地支持了BoyerBoyer提出的結(jié)合變化機(jī)制提出的結(jié)合變化機(jī)制, ,證證 明在明在催化循環(huán)的任一時(shí)刻催化循環(huán)的任一時(shí)刻, ,3 3個(gè)催化亞基處于不同的構(gòu)個(gè)催化亞基處于不同的構(gòu) 象狀態(tài)象狀態(tài), ,構(gòu)象的變化與位于構(gòu)象的變化與位于3333中央的中央的亞基的轉(zhuǎn)動(dòng)亞基的轉(zhuǎn)動(dòng) 相關(guān)。相關(guān)。 2021/2/1242 支持證據(jù)支持證據(jù) 1 1: : F1F1的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu) (John Walker(John Walker, ,MRCMRC, , Camb

31、ridge 1994)Cambridge 1994) w 第一個(gè)第一個(gè) 亞基（亞基（ TP)TP)結(jié)合結(jié)合 ATP ATP 類(lèi)似物類(lèi)似物 (tight).(tight). 第二個(gè)第二個(gè)亞基（亞基（DPDP）結(jié)合）結(jié)合ADP (loose). ADP (loose). 第三個(gè)第三個(gè) 亞基亞基( (E)E)處于空的狀態(tài)處于空的狀態(tài) (open).(open). 2021/2/1243 支持證據(jù)支持證據(jù) 2 2: : 亞基的旋轉(zhuǎn)亞基的旋轉(zhuǎn) （Noji, Yasuda, Noji, Yasuda, Yoshida ;線粒體線粒體絕大多數(shù)絕大多數(shù)蛋白質(zhì)需由核基因編碼蛋白質(zhì)需由核基因編碼, ,在在 細(xì)胞質(zhì)

32、核糖體上合成細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成, ,然后轉(zhuǎn)移至線粒體。細(xì)胞核與線粒體然后轉(zhuǎn)移至線粒體。細(xì)胞核與線粒體 之間存在著密切的、精確的、嚴(yán)格調(diào)控的生物學(xué)機(jī)制。之間存在著密切的、精確的、嚴(yán)格調(diào)控的生物學(xué)機(jī)制。 第四節(jié)第四節(jié) 線粒體的半自主性線粒體的半自主性 2021/2/1254 u在二者協(xié)同作用的關(guān)系中在二者協(xié)同作用的關(guān)系中, ,細(xì)胞核的功能更重要細(xì)胞核的功能更重要。 一方面它提供了絕大部分遺傳信息一方面它提供了絕大部分遺傳信息; ; 另一方面它具有關(guān)鍵的控制功能。另一方面它具有關(guān)鍵的控制功能。 也就是說(shuō)也就是說(shuō), ,線粒體的自主程度是線粒體的自主程度是有限的有限的, ,對(duì)核遺傳系統(tǒng)有很對(duì)核遺傳系統(tǒng)有

33、很 大的大的依賴(lài)性依賴(lài)性。 u線粒體的生長(zhǎng)和增殖是受線粒體的生長(zhǎng)和增殖是受核基因組核基因組及其及其自身的基因組自身的基因組兩套兩套 遺傳系統(tǒng)的控制遺傳系統(tǒng)的控制, ,所以稱(chēng)為所以稱(chēng)為半自主性細(xì)胞器半自主性細(xì)胞器 （semiautonomous organelle）。）。 2021/2/1255 2021/2/1256 一、一、mtDNA 含有含有16,56916,569個(gè)堿基對(duì)個(gè)堿基對(duì)的閉環(huán)合雙鏈的閉環(huán)合雙鏈DNADNA分子。分子。 有有3737個(gè)結(jié)構(gòu)基因個(gè)結(jié)構(gòu)基因, ,編碼編碼1313種種與氧化磷酸化呼吸鏈有關(guān)的蛋與氧化磷酸化呼吸鏈有關(guān)的蛋 白質(zhì)、白質(zhì)、2 2種種rRNA(12SrRNArR

34、NA(12SrRNA及及16SrRNA)16SrRNA)和和2222種種與線粒體蛋白質(zhì)合成與線粒體蛋白質(zhì)合成 有關(guān)的有關(guān)的tRNAtRNA。 核核 DNAmt DNA 存存在在部部位位細(xì)細(xì)胞胞核核細(xì)細(xì)胞胞質(zhì)質(zhì) 形形態(tài)態(tài)雙雙螺螺旋旋閉閉環(huán)環(huán)雙雙鏈鏈 堿堿基基數(shù)數(shù)(bp)3.1 x 10916 569 編編碼碼基基因因數(shù)數(shù)3-3.5 萬(wàn)萬(wàn)個(gè)個(gè)37 個(gè)個(gè) 基基因因拷拷貝貝數(shù)數(shù)單單拷拷貝貝成成千千上上萬(wàn)萬(wàn) 間間隔隔順順序序有有無(wú)無(wú) 突突變變頻頻率率低低高高（自自身身無(wú)無(wú)修修復(fù)復(fù)機(jī)機(jī)制制） 2021/2/1257 重鏈重鏈:12種多肽、種多肽、2種種rRNA、14種種tRNA 輕鏈輕鏈:1種多肽、種多肽

35、、8種種tRNA 2021/2/1258 線粒體線粒體DNADNA的電鏡照片的電鏡照片 2021/2/1259 二、二、mtDNA的功能的功能 1 1、復(fù)制、復(fù)制 mtDNA復(fù)制是以半保留的形式自主地進(jìn)行復(fù)制是以半保留的形式自主地進(jìn)行, ,主要發(fā)生在主要發(fā)生在 細(xì)胞增殖周期的細(xì)胞增殖周期的S S期期到到G2G2期。但是期。但是, ,它復(fù)制時(shí)所必需的它復(fù)制時(shí)所必需的DNADNA 聚合酶是由核聚合酶是由核DNADNA編碼編碼, ,在細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成的。在細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成的。 2 2、編碼（轉(zhuǎn)錄、翻譯）、編碼（轉(zhuǎn)錄、翻譯） 線粒體中線粒體中mtDNA編碼編碼2 2種種rRNA、1313種多肽的種

36、多肽的mRNA和和2222 種種tRNA。然而。然而, ,這些這些RNA轉(zhuǎn)錄時(shí)轉(zhuǎn)錄時(shí), ,亦需要來(lái)自于由核亦需要來(lái)自于由核DNA 編碼、并在細(xì)胞質(zhì)中合成的編碼、并在細(xì)胞質(zhì)中合成的RNA聚合酶的催化。聚合酶的催化。 2021/2/1260 三、線粒體對(duì)核編碼蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)三、線粒體對(duì)核編碼蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn) 線粒體中的蛋白質(zhì)少數(shù)由自主編碼合成線粒體中的蛋白質(zhì)少數(shù)由自主編碼合成, ,多數(shù)由核基因編多數(shù)由核基因編 碼碼, ,并在細(xì)胞質(zhì)中合成后轉(zhuǎn)入線粒體。并在細(xì)胞質(zhì)中合成后轉(zhuǎn)入線粒體。 線粒體蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的的特點(diǎn)線粒體蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的的特點(diǎn): : 1 1、被轉(zhuǎn)入線粒體的蛋白稱(chēng)為、被轉(zhuǎn)入線粒體的蛋白稱(chēng)為前體蛋白前

37、體蛋白。 2 2、被轉(zhuǎn)入蛋白的、被轉(zhuǎn)入蛋白的 N N末端末端有一段有一段20208080的氨基酸序列的氨基酸序列, ,多由多由 帶正電荷的帶正電荷的堿性氨基酸堿性氨基酸組成組成, ,這段序列具有識(shí)別和引導(dǎo)這段序列具有識(shí)別和引導(dǎo) 蛋白從特定位點(diǎn)進(jìn)入線粒體的作用蛋白從特定位點(diǎn)進(jìn)入線粒體的作用, ,稱(chēng)為稱(chēng)為導(dǎo)肽（或信號(hào)導(dǎo)肽（或信號(hào) 肽）肽）。 3 3、外源蛋白進(jìn)入線粒體時(shí)需要、外源蛋白進(jìn)入線粒體時(shí)需要解折疊解折疊、穿膜穿膜和和重新折疊重新折疊等等 過(guò)程才能完成。既要消耗能量過(guò)程才能完成。既要消耗能量, ,還需要一組稱(chēng)為還需要一組稱(chēng)為“分子分子 伴侶伴侶”蛋白的協(xié)助。蛋白的協(xié)助。 2021/2/126

38、1 分子分子“伴侶伴侶”（molecular chaperonesmolecular chaperones） 概念概念: :細(xì)胞的某些蛋白質(zhì)分子可以識(shí)別正在合成或部分折細(xì)胞的某些蛋白質(zhì)分子可以識(shí)別正在合成或部分折 疊的多肽鏈并與之結(jié)合疊的多肽鏈并與之結(jié)合, ,幫助這些多肽轉(zhuǎn)運(yùn)、折疊幫助這些多肽轉(zhuǎn)運(yùn)、折疊 或裝配或裝配, ,這一類(lèi)分子本身這一類(lèi)分子本身不參與最終產(chǎn)物的形成不參與最終產(chǎn)物的形成, , 因此稱(chēng)為分子因此稱(chēng)為分子“伴侶伴侶”。 分子伴侶具有解折疊酶（分子伴侶具有解折疊酶（unfoldaseunfoldase）的功能）的功能, ,并并 能識(shí)別蛋白質(zhì)解折疊后暴露出的能識(shí)別蛋白質(zhì)解折疊后暴露

39、出的疏水面疏水面并與之結(jié)合并與之結(jié)合, ,防防 止相互作用產(chǎn)生凝聚及錯(cuò)誤折疊止相互作用產(chǎn)生凝聚及錯(cuò)誤折疊, ,并參與蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)并參與蛋白質(zhì)跨膜運(yùn) 送及分子的重折疊及裝配（送及分子的重折疊及裝配（assemblyassembly）。）。 分子伴侶作用分子伴侶作用沒(méi)有專(zhuān)一性沒(méi)有專(zhuān)一性 2021/2/1262 多肽鏈穿線粒體膜的過(guò)程多肽鏈穿線粒體膜的過(guò)程: : 導(dǎo)肽引導(dǎo)導(dǎo)肽引導(dǎo), ,與線粒體膜受體分子識(shí)別結(jié)合與線粒體膜受體分子識(shí)別結(jié)合, ,通過(guò)膜上通過(guò)膜上 蛋白通道進(jìn)入線粒體。蛋白通道進(jìn)入線粒體?！胺肿影閭H分子伴侶”蛋白協(xié)同作用。蛋白協(xié)同作用。 2021/2/1263 2021/2/1264 Co

40、ntact Sites of Mitochondria 2021/2/1265 第五節(jié)第五節(jié) 線粒體的生物發(fā)生（自學(xué)）線粒體的生物發(fā)生（自學(xué)） 一、線粒體的增殖一、線粒體的增殖 線粒體增殖線粒體增殖: :通過(guò)已有線粒體分裂或出芽通過(guò)已有線粒體分裂或出芽 幾種增殖形式幾種增殖形式: :間壁分離、收縮后分離、出芽間壁分離、收縮后分離、出芽 間壁分離間壁分離: : 分裂時(shí)線粒體內(nèi)膜向中心分裂時(shí)線粒體內(nèi)膜向中心 內(nèi)褶內(nèi)褶, ,或線粒體某一個(gè)嵴延或線粒體某一個(gè)嵴延 伸到對(duì)緣內(nèi)膜形成貫通嵴伸到對(duì)緣內(nèi)膜形成貫通嵴, , 將線粒體一分為二將線粒體一分為二, ,這種方這種方 式見(jiàn)于鼠肝和植物組織。式見(jiàn)于鼠肝和植

41、物組織。 2021/2/1266 出芽出芽: :線粒體出現(xiàn)球形小芽線粒體出現(xiàn)球形小芽, ,脫落后長(zhǎng)大脫落后長(zhǎng)大, ,發(fā)育為發(fā)育為 線粒體。這種分裂方式見(jiàn)于酵母和蘚類(lèi)植物。線粒體。這種分裂方式見(jiàn)于酵母和蘚類(lèi)植物。 收縮分離收縮分離: : 分裂時(shí)線粒體中部縊縮分裂時(shí)線粒體中部縊縮 并向兩端拉長(zhǎng)分裂并向兩端拉長(zhǎng)分裂, ,這這 種分裂方式見(jiàn)于蕨類(lèi)和種分裂方式見(jiàn)于蕨類(lèi)和 酵母線粒體酵母線粒體 2021/2/1267 第六節(jié)線粒體與醫(yī)學(xué)（自學(xué)）第六節(jié)線粒體與醫(yī)學(xué)（自學(xué)） 一、一、mtDNAmtDNA突變與疾病突變與疾病 19871987年年WallaceWallace通過(guò)對(duì)通過(guò)對(duì)mtDNAmtDNA突變和突變和LeberLeber遺傳遺傳 性視神經(jīng)病（性視神經(jīng)?。↙ebersLebers hereditaryhereditary opticoptic neuropathy,LHONneuropathy,LHON）關(guān)系的研究）關(guān)系的研究, ,第一次明確地提第一次明確地提 出出,