細胞生物學：線粒體

1、線粒體線粒體（Mitochondrion，Mit） 細胞內(nèi)各種供能物質(zhì)的氧化中心細胞內(nèi)各種供能物質(zhì)的氧化中心及細胞能量及細胞能量( (ATP)產(chǎn)生、儲存和供應產(chǎn)生、儲存和供應中心中心氧化磷酸化（氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHS）。 Mit還與細胞中氧自由基的生成、還與細胞中氧自由基的生成、細胞凋亡、細胞的信號轉(zhuǎn)導、細胞內(nèi)細胞凋亡、細胞的信號轉(zhuǎn)導、細胞內(nèi)多種離子多種離子(如如Ca2+)的跨膜轉(zhuǎn)運及電解的跨膜轉(zhuǎn)運及電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡的調(diào)控有關(guān)。質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡的調(diào)控有關(guān)。（p147）線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)及酶的定位分布線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)及酶的定位分布線粒體的功能線粒體的功能

2、線粒體的半自主性線粒體的半自主性線粒體與醫(yī)學線粒體與醫(yī)學Contents第一節(jié)第一節(jié) 線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)及酶的定位分布線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)及酶的定位分布 一、光鏡結(jié)構(gòu)一、光鏡結(jié)構(gòu) 呈線狀、桿狀、粒狀等。呈線狀、桿狀、粒狀等。 其形狀、大小、數(shù)量、分其形狀、大小、數(shù)量、分布布因細胞種類和生理狀況不同因細胞種類和生理狀況不同而異。而異。 線粒體形態(tài)及分布線粒體形態(tài)及分布嚙齒類動物的精子嚙齒類動物的精子 線粒體的分布多集中在細胞的需能部位，有利于其能量供應線粒體的分布多集中在細胞的需能部位，有利于其能量供應二、線粒體的亞微結(jié)構(gòu)二、線粒體的亞微結(jié)構(gòu)“兩層膜、三個腔、環(huán)狀兩層膜、三個腔、環(huán)狀DNA在中央。在中央。

3、”（外室、膜間腔）（外室、膜間腔）（內(nèi)室、嵴間腔、基質(zhì)腔）（內(nèi)室、嵴間腔、基質(zhì)腔）嵴內(nèi)腔嵴內(nèi)腔透射電鏡下蝙蝠胰細胞的線粒體透射電鏡下蝙蝠胰細胞的線粒體基質(zhì)顆粒基質(zhì)顆粒掃描電鏡照片，示線粒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片，示線粒體內(nèi)部結(jié)構(gòu)管狀嵴線粒體（草履蟲）管狀嵴線粒體（草履蟲）( (一）外膜一）外膜 1.1.通透性大通透性大 孔蛋白孔蛋白(porin)：形成孔徑為形成孔徑為2-nm的的親水通道，允許親水通道，允許5k的分子選擇性通過，的分子選擇性通過，允許允許1k的分子自由通過。的分子自由通過。2.蛋白質(zhì)和脂類的比值：蛋白質(zhì)和脂類的比值：1（二）內(nèi)膜（二）內(nèi)膜 1. 1.通透性低，借助通透性低，借助載

4、體蛋白載體蛋白跨膜運輸?？缒み\輸。 2.2.蛋白質(zhì)和脂類的比值：蛋白質(zhì)和脂類的比值：3.2 3. 3.形成嵴，膜上含與氧化磷酸化有關(guān)的形成嵴，膜上含與氧化磷酸化有關(guān)的酶，稱酶，稱氧化磷酸化復合酶體系。氧化磷酸化復合酶體系。 呼吸鏈（呼吸鏈（respiratory chain）(電子傳遞電子傳遞鏈，鏈，electron transport chain) ) Mit內(nèi)膜上一組規(guī)則排布的膜蛋白，它內(nèi)膜上一組規(guī)則排布的膜蛋白，它們傳遞供能物質(zhì)氧化反應中所脫下的們傳遞供能物質(zhì)氧化反應中所脫下的H+的的e給給O2生成生成H2O，并釋放能量。，并釋放能量。包括復合物包括復合物、 II、III 、IV ，其中

5、、，其中、 III 、 IV為為H+泵，泵，以及輔酶以及輔酶Q和和cyt c 。 （p142）線粒體內(nèi)膜的氧化磷酸化復合酶體系：線粒體內(nèi)膜的氧化磷酸化復合酶體系：簡單說，呼吸鏈是由一系列電子載體構(gòu)成的，簡單說，呼吸鏈是由一系列電子載體構(gòu)成的，從從NADH或或FADH2向氧傳遞電子的系統(tǒng)。向氧傳遞電子的系統(tǒng)。 NADH(2H) 復合物復合物 輔酶輔酶Q 復合物復合物III 復合物復合物FADH2(2H) 復合物復合物 1/2O2 能量釋放及能量釋放及ATP合成偶聯(lián)部位合成偶聯(lián)部位 H2O 能量能量兩條呼吸鏈：兩條呼吸鏈： NADH呼吸鏈、呼吸鏈、FADH2呼吸鏈呼吸鏈（輔酶輔酶Q和細胞色素和細胞

6、色素C不屬于呼吸鏈任何一種復合物不屬于呼吸鏈任何一種復合物）+cyt c ATP合成酶合成酶（復合物復合物、基粒、基粒、F0F1顆粒顆粒 ）頭：頭：F1 (ATPase)，33，每個，每個亞基具有一亞基具有一個個ATP合成的催化位點。合成的催化位點。柄：柄：含含OSCP (對寡霉素敏感的蛋白質(zhì)。寡霉素為對寡霉素敏感的蛋白質(zhì)。寡霉素為磷酸化抑制劑，可抑制磷酸化抑制劑，可抑制ATP合成合成) ?；夯篎0，在細菌為，在細菌為ab2c10-12 ，a亞基為亞基為H+通道通道蛋白。蛋白。ATP合酶的結(jié)構(gòu)合酶的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子： c定子：定子： ab2 a亞基形成一個跨亞基形成一個跨膜質(zhì)子通道，其作

7、用膜質(zhì)子通道，其作用之一之一就是將跨膜質(zhì)子就是將跨膜質(zhì)子動力勢轉(zhuǎn)換成扭力矩，動力勢轉(zhuǎn)換成扭力矩，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。嵴與上面的基粒嵴與上面的基粒ATP合成酶（基粒）的電鏡照片合成酶（基粒）的電鏡照片示線粒體內(nèi)膜的示線粒體內(nèi)膜的ATP合成酶合成酶 F1 ATPase PDB 1E79 side view base view F1 in cross section 從膜平面看，從膜平面看，和和亞基亞基交替排列，形成一個環(huán)交替排列，形成一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)。狀結(jié)構(gòu)。亞基在亞基在和和亞基之間亞基之間形成一個支柱。形成一個支柱。（三）基質(zhì)（三）基質(zhì) 包括丙酮酸脫氫酶系、三羧酸循環(huán)包括丙酮酸脫氫酶系、三羧

8、酸循環(huán)酶系、蛋白質(zhì)及核酸合成酶系、線粒體酶系、蛋白質(zhì)及核酸合成酶系、線粒體核糖體、核糖體、mtDNA 、線粒體線粒體RNA等。等。 （p140、表、表12-1）第二節(jié)第二節(jié) 線粒體的功能線粒體的功能一、細胞氧化一、細胞氧化(細胞呼吸細胞呼吸)及其基本過程及其基本過程 脂肪脂肪 多糖多糖 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 脂肪酸脂肪酸 葡萄糖葡萄糖 氨基酸氨基酸 無氧糖酵解無氧糖酵解 丙酮酸丙酮酸 丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系 乙酰乙酰CoA1. 大分子供能物質(zhì)的降解及乙酰大分子供能物質(zhì)的降解及乙酰CoA的生成的生成2.三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán) 乙酰乙酰CoA 2CO 24(2H)GTP 三羧酸循環(huán)酶系三羧酸循環(huán)酶系3

9、. 電子傳遞偶聯(lián)磷酸化電子傳遞偶聯(lián)磷酸化 2H(2H+ 2e) + 1/2O2 H2O + 能量能量 （有氧氧化）（有氧氧化） ADP + Pi + 能量能量 ATP （磷酸化）（磷酸化）氧化磷酸化氧化磷酸化：氧化和磷酸化作用偶聯(lián)進行的過程。：氧化和磷酸化作用偶聯(lián)進行的過程。實際上是能量轉(zhuǎn)換過程，即供能有機分子中儲藏實際上是能量轉(zhuǎn)換過程，即供能有機分子中儲藏的能量的能量高能電子高能電子質(zhì)子動力勢質(zhì)子動力勢ATP。二、氧化磷酸化機制二、氧化磷酸化機制氧化磷酸化的偶聯(lián)機制氧化磷酸化的偶聯(lián)機制 化學滲透學化學滲透學說說(Chemiosmotic Hypothesis，Mithchell，1961)

10、ATP合成機制合成機制 結(jié)合變構(gòu)機制及結(jié)合變構(gòu)機制及旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)催化模型催化模型（Boyer，1979)化學滲透學說化學滲透學說 當電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵當電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵至膜間隙，由于線粒體內(nèi)膜對離子是高度不通透的，從而使膜間隙至膜間隙，由于線粒體內(nèi)膜對離子是高度不通透的，從而使膜間隙的質(zhì)子濃度高于基質(zhì)，在內(nèi)膜的兩側(cè)形成的質(zhì)子濃度高于基質(zhì)，在內(nèi)膜的兩側(cè)形成pH梯度（梯度（pH）及及電位梯電位梯度（度（），兩者共同構(gòu)成，兩者共同構(gòu)成電化學梯度，即質(zhì)子動力勢（電化學梯度，即質(zhì)子動力勢（P）。 質(zhì)子沿電化學梯度穿過內(nèi)膜上的質(zhì)子沿電化學梯

11、度穿過內(nèi)膜上的ATP酶復合物流回基質(zhì)，使酶復合物流回基質(zhì)，使ATP酶的構(gòu)象發(fā)生改變，將酶的構(gòu)象發(fā)生改變，將ADP和和Pi合成合成ATP。 v1ATP酶利用質(zhì)子動力勢，發(fā)生構(gòu)象改變，改變與底物酶利用質(zhì)子動力勢，發(fā)生構(gòu)象改變，改變與底物的親和力，催化的親和力，催化ADP與與Pi形成形成ATP。v2F1具有三個催化位點，在特定的時間，三個催化位點具有三個催化位點，在特定的時間，三個催化位點的構(gòu)象不同（的構(gòu)象不同（L、T、O），與核苷酸的親和力不同。），與核苷酸的親和力不同。v3質(zhì)子通過質(zhì)子通過F0時，引起時，引起c亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，從而帶動亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，從而帶動亞基旋轉(zhuǎn)，由于亞基旋轉(zhuǎn)，由于亞基的

12、端部是高度不對稱的，它的旋轉(zhuǎn)亞基的端部是高度不對稱的，它的旋轉(zhuǎn)引起引起亞基亞基3個催化位點構(gòu)象的周期性變化（個催化位點構(gòu)象的周期性變化（L、T、O），），不斷將不斷將ADP和和Pi加合在一起，形成加合在一起，形成ATP并釋放。并釋放。第一個第一個亞基（亞基（TP）結(jié)合）結(jié)合 ATP 類似物類似物 (tight)第二個第二個亞基（亞基（DP）結(jié)合）結(jié)合ADP (loose)第三個第三個亞基（亞基（E）處于空的狀態(tài)）處于空的狀態(tài) (open)牛心線粒體牛心線粒體F1的晶體結(jié)構(gòu)（的晶體結(jié)構(gòu)（John Walker等，等，1994） Walker等利用核苷酸底物類似物，觀察等利用核苷酸底物類似物，觀察

13、ATP合成酶的合成酶的3個催化亞個催化亞基結(jié)合核苷酸底物類似物后晶體構(gòu)象的變化，發(fā)現(xiàn)它們由于結(jié)合不同基結(jié)合核苷酸底物類似物后晶體構(gòu)象的變化，發(fā)現(xiàn)它們由于結(jié)合不同的底物類似物而呈現(xiàn)不同的構(gòu)象，有力地支持了的底物類似物而呈現(xiàn)不同的構(gòu)象，有力地支持了Boyer提出的結(jié)合變提出的結(jié)合變構(gòu)機制，證明在催化循環(huán)的任一時刻，構(gòu)機制，證明在催化循環(huán)的任一時刻，3個催化亞基處于不同的構(gòu)象個催化亞基處于不同的構(gòu)象狀態(tài)，構(gòu)象的變化與位于狀態(tài)，構(gòu)象的變化與位于33中央的中央的亞基的轉(zhuǎn)動相關(guān)。亞基的轉(zhuǎn)動相關(guān)。 ATP合酶三合酶三種構(gòu)種構(gòu)象（象（ L、T 、O ）的交替改）的交替改變變ATPATP松散松散 (loose)

14、 構(gòu)象，活性部位松散的結(jié)合構(gòu)象，活性部位松散的結(jié)合ADP和和Pi；緊密緊密 (tight) 構(gòu)象，活性部位緊密結(jié)合底物并形成構(gòu)象，活性部位緊密結(jié)合底物并形成ATP；開放開放 (open) 構(gòu)象，形成的構(gòu)象，形成的ATP從活性部位釋放。從活性部位釋放。旋轉(zhuǎn)催化模型的要點旋轉(zhuǎn)催化模型的要點ATPATP 亞基旋轉(zhuǎn)的觀察（亞基旋轉(zhuǎn)的觀察（Noji等，等，1997） 亞基與熒光標記的肌動蛋亞基與熒光標記的肌動蛋白纖維相連；白纖維相連； 亞基被固定在載玻片上；亞基被固定在載玻片上； 供給供給ATP時，肌動蛋白纖維時，肌動蛋白纖維發(fā)生旋轉(zhuǎn)。發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 結(jié)果表明，結(jié)果表明，亞基在亞基在33形成的圓筒中轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)

15、動是形成的圓筒中轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動是單方向反時針進行的。轉(zhuǎn)動使中心的單方向反時針進行的。轉(zhuǎn)動使中心的亞基能夠與三個亞基能夠與三個亞亞基按順序與基按順序與O、L、T位點接觸，這個實驗使我們清楚地看位點接觸，這個實驗使我們清楚地看到到F1-ATP酶確實是一個分子馬達，證明了旋轉(zhuǎn)催化模型的酶確實是一個分子馬達，證明了旋轉(zhuǎn)催化模型的正確性。正確性。 Rotation of relative to & 最近的研究表明最近的研究表明ATP誘導的旋轉(zhuǎn)以誘導的旋轉(zhuǎn)以120o為步驟進行，中為步驟進行，中間有停頓。另有研究表明，每個間有停頓。另有研究表明，每個120o 步驟又含步驟又含90o & 30o 的的小步驟，中間

16、也有停頓。這些小的步驟可能與反應循環(huán)的特小步驟，中間也有停頓。這些小的步驟可能與反應循環(huán)的特定階段有關(guān)，如定階段有關(guān)，如 ADP結(jié)合或結(jié)合或ATP釋放。釋放。成就成就: 表彰他們在研究身體細胞是如何儲存和傳遞能量方面所取得的成果。表彰他們在研究身體細胞是如何儲存和傳遞能量方面所取得的成果。第三節(jié)第三節(jié) 線粒體的半自主性線粒體的半自主性 線粒體線粒體mtDNA的結(jié)構(gòu)及遺傳特點的結(jié)構(gòu)及遺傳特點v1.1.裸露的環(huán)狀雙鏈分子裸露的環(huán)狀雙鏈分子 人人mtDNA：16569bp，含，含37個結(jié)構(gòu)基因，個結(jié)構(gòu)基因，稱劍橋序列稱劍橋序列(Anderson等，等，1981)。 22個個tRNA gene 2個個

17、rRNA gene 13個蛋白質(zhì)個蛋白質(zhì)gene：均為氧化磷酸化復合酶體系的亞基。均為氧化磷酸化復合酶體系的亞基。牛肝細胞牛肝細胞mtDNA分子鋪展的透射電鏡照片分子鋪展的透射電鏡照片v2.除除D環(huán)區(qū)外，基因排列緊湊，不含內(nèi)含子。環(huán)區(qū)外，基因排列緊湊，不含內(nèi)含子。v3.兩條鏈的編碼不對稱，兩條鏈的編碼不對稱，L鏈產(chǎn)生鏈產(chǎn)生8種種tRNA分子及分子及1種蛋白質(zhì)，其余都在種蛋白質(zhì)，其余都在H鏈上。鏈上。v4.與與“通用密碼子通用密碼子”不同。不同。 (p149，表，表12-3)v5.突變頻率高，為突變頻率高，為 nDNA的的10倍以上。倍以上。v6.遺傳方式：遺傳方式：母系遺傳。母系遺傳。v7.遺

18、傳的異質(zhì)性、閾值效應、廣譜性。遺傳的異質(zhì)性、閾值效應、廣譜性。 隨著時間的推移，線粒體基因積累的突變越來越隨著時間的推移，線粒體基因積累的突變越來越多，后代個體之間線粒體基因序列的差異也就越大。多，后代個體之間線粒體基因序列的差異也就越大。一般說來，兩位個體之間線粒體基因序列差別越大，一般說來，兩位個體之間線粒體基因序列差別越大，表明他們與共同祖先分離的時間越長，親緣越疏，表明他們與共同祖先分離的時間越長，親緣越疏，反之則越近。反之則越近。 通過追蹤線粒體基因通過追蹤線粒體基因的譜系，發(fā)現(xiàn)在大約的譜系，發(fā)現(xiàn)在大約1414萬萬年前出現(xiàn)了交叉點，表明年前出現(xiàn)了交叉點，表明現(xiàn)存所有人的線粒體基因現(xiàn)存

19、所有人的線粒體基因都傳自都傳自1414萬年前的一名女萬年前的一名女性。她被形象地稱為性。她被形象地稱為“線線粒體夏娃粒體夏娃”。 細胞核中決細胞核中決定男性性別的定男性性別的Y染色體也是單性遺傳的，染色體也是單性遺傳的，只不過它是只不過它是父系遺傳父系遺傳，由父親傳給兒子。通過比較，由父親傳給兒子。通過比較各個個體之間各個個體之間Y染色體序列的差異，我們也可以計染色體序列的差異，我們也可以計算出現(xiàn)在所有人的算出現(xiàn)在所有人的Y染色體都來自大約染色體都來自大約6萬年前的一萬年前的一名男性。他被稱為名男性。他被稱為“Y染色染色體亞當體亞當”。 X染色體與染色體與Y染色體染色體 第四節(jié)第四節(jié) 線粒體的

20、生物發(fā)生線粒體的生物發(fā)生 線粒體的增殖：通過已有線粒體分裂線粒體的增殖：通過已有線粒體分裂增增殖殖，包括出芽、間壁分離、收縮后分離。，包括出芽、間壁分離、收縮后分離。主要表現(xiàn)在腦主要表現(xiàn)在腦-神經(jīng)神經(jīng)-骨骼肌方面的異常。骨骼肌方面的異常。mtDNA突變類型：突變類型： 、缺失、插缺失、插入突變?nèi)胪蛔?；拷貝?shù)異?？截悢?shù)異常。第五節(jié)第五節(jié) mtDNA突變與疾病突變與疾病 1.1.Leber遺傳性視神經(jīng)病遺傳性視神經(jīng)病 Leber醫(yī)生首次報道，醫(yī)生首次報道，ND4基因基因nt 11778 GA (Wallace突變突變，1987)ND4的第的第340位精氨酸被組位精氨酸被組氨酸取代，而這一位點的精氨酸取代