線粒體與細胞的能量轉換zx

MitochondriaandEnergyConversion中南大學生命科學學院細胞生物學系醫(yī)學遺傳學國家重點實驗室夏贊賢第六章線粒體與細胞的能量轉換當前1頁，總共105頁。Mitochondria=Powerhouse當前2頁，總共105頁。線粒體研究的歷史1894年Altmann生命小體(bioblast)1897年Benda線粒體(mitochondria)1900年Michaelis氧化還原反應的場所1913年Engelhardt磷酸化和氧的消耗偶聯在一起當前3頁，總共105頁。20世紀初50年代揭示了線粒體的超微結構與功能之間的關系1963年

在雞卵母細胞中發(fā)現線粒體DNA并分離到完整的線粒體DNA（mtDNA）1981年

發(fā)表了完整的人mtDNA序列1987年

提出mtDNA突變可引起人類的疾病當前4頁，總共105頁。主要內容：一、線粒體的形態(tài)結構二、線粒體化學組成與酶的定位三、線粒體核編碼蛋白質的轉運(重點)四、線粒體的功能五、線粒體的半自主性(重點)六、線粒體的起源七、線粒體的分裂與融合八、線粒體與疾病當前5頁，總共105頁。一、線粒體的形態(tài)結構當前6頁，總共105頁。(一)形態(tài)、大小、數目和分布多形性：線狀、顆粒狀、棒狀、啞鈴型等。線粒體細胞核核仁1.形態(tài)當前7頁，總共105頁。

低滲時，膨脹呈泡狀；高滲時，伸長呈線狀?？赡嫘裕涸谝欢l件下，同一種細胞線粒體形態(tài)是可逆的。當前8頁，總共105頁。

2.大小是細胞中較大的細胞器，與細胞種類、生理狀況有關，一般直徑：0.5-1.0μm；長度：1.5-3.0μm。骨骼肌細胞8～10μm胰腺外分泌細胞10～20μm成纖維細胞40μm當前9頁，總共105頁。不同類型細胞中差異較大。

哺乳動物:

肝細胞中2000個左右腎細胞中300個左右精子中25個左右3.數目與代謝狀態(tài)有關有細胞不含線粒體？

當前10頁，總共105頁。4.分布：通常分布于細胞生理功能旺盛區(qū)域和需要能量多的部位。當前11頁，總共105頁。當前12頁，總共105頁。(二)線粒體的超微結構當前13頁，總共105頁。嵴內膜ATP合成酶顆粒核糖體基質膜間腔(外室)外膜當前14頁，總共105頁。1.外膜：包圍在線粒體外表面的一層單位膜。厚6-7nm，平整、伸展、光滑。封閉結構使之在細胞質中相對隔絕，保證了線粒體能夠不受干擾地進行物質氧化分解。外膜當前15頁，總共105頁。高度的選擇通透性，借助載體蛋白控制內外物質的交換；褶皺向內突起形成——嵴；內膜嵴厚約6nm；2.內膜：集中了電子傳遞體和氧化磷酸化酶系,ATP合成酶系，是物質氧化分解和ATP合成的場所。當前16頁，總共105頁。內膜向內室折疊形成，可增加內膜的表面積。3.嵴:板層狀（大多數高等動物細胞中）小管狀（原生動物和一些較低等動物細胞中）線粒體中形態(tài)變化最大的結構，主要有兩種類型：線粒體嵴的數目與細胞本身的生理活動有關當前17頁，總共105頁。板層狀嵴小管狀嵴當前18頁，總共105頁。線粒體嵴的數目

與細胞本身的生理活動有關當前19頁，總共105頁。外膜內膜膜間隙嵴間腔嵴內腔嵴位置：內膜和嵴膜基質面上帶柄的小顆粒。與膜面垂直而規(guī)律排列。功能：催化ADP磷酸化生成ATP。

基粒（內室）（外室）基粒—ATP合酶4.基粒:當前20頁，總共105頁。當前21頁，總共105頁。當前22頁，總共105頁。當前23頁，總共105頁。9nm

ATP酶復合體抑制多肽10kD（調節(jié)酶活性）對寡霉素敏感蛋白（OSCP)18kD疏水蛋白（HPF0)70kD頭部:合成ATP:調節(jié)質子通道柄部：質子的通道基片可溶性的ATP酶（F1)360kD當前24頁，總共105頁。嵴內腔

基粒（ATP酶）5.基質(內室):內膜和嵴圍成的腔。脂類蛋白質酶類線粒體DNA線粒體DNA線粒體mRNA

線粒體tRNA線粒體核糖體線粒體核糖體三羧酸循環(huán)的場所,線粒體內DNA、蛋白質合成的場所。當前25頁，總共105頁。什么是基粒?位置，組成，本質和功能當前26頁，總共105頁。二、線粒體化學組成與酶的定位當前27頁，總共105頁。（一）

線粒體的化學組成占干重的65%-70%，內膜及基質較多可溶性蛋白：基質中的酶和膜的外周蛋白；不溶性蛋白：構成膜的鑲嵌蛋白、結構蛋白和部分酶蛋白。1.蛋白質當前28頁，總共105頁。2.脂類內膜外膜磷脂酰膽堿低高膽固醇低高心磷脂高低磷質/蛋白質0.270.82當前29頁，總共105頁。3.其他輔酶、維生素、金屬離子等當前30頁，總共105頁。（二）線粒體中酶的分布

線粒體主要酶的分布部位外膜脂類代謝有關的酶特征酶：單胺氧化酶膜間腔腺苷酸激酶、核苷酸激酶特征酶：腺苷酸激酶內膜呼吸鏈氧化反應的酶系、

ATP合成酶系特征酶：細胞色素（c）氧化酶基質(嵴間腔)三羧酸循環(huán)反應、丙酮酸與脂肪酸氧化的酶系、蛋白質和核酸合成酶系特征酶：蘋果酸脫氫酶當前31頁，總共105頁。

三、線粒體核編碼蛋白質的轉運

線粒體中的蛋白質絕大多數由核基因編碼，在細胞質中的游離核糖體合成，稱前體蛋白，將定向轉運至線粒體。當前32頁，總共105頁。(一)蛋白質運送過程的特性當前33頁，總共105頁。1.運送之前，蛋白質大多以前體形式存在。2.蛋白質運送時經去折疊和重新折疊。折疊————去折疊————重新折疊分子伴侶分子伴侶當前34頁，總共105頁。3.外膜有專一性不太強的受體參與作用。4.由內膜進入基質是一種需能的過程。當前35頁，總共105頁。內、外膜之間存在接觸點，蛋白質通過此處的TOM和TIM復合體，進一步進入基質。當前36頁，總共105頁。外膜內膜1、去折疊1.去折疊2.穿線粒體膜3.重折疊當前37頁，總共105頁。

線粒體膜上的轉位接觸點當前38頁，總共105頁。(二)導肽當前39頁，總共105頁。

一)導肽的性質N末端引伸出的一段含20—80個氨基酸的肽鏈。1.含有較多帶正電荷的堿性氨基酸（特別是精氨酸、賴氨酸）；2.缺少或不含帶負電荷的酸性氨基酸；3.含豐富的羥基氨基酸（特別是絲氨酸）；4.能形成兩性分子的螺旋結構，使導肽加強與膜的相互作用，有利于穿膜。當前40頁，總共105頁。二）導肽在線粒體穿膜的作用1.引導跨膜運輸；2.對線粒體蛋白質識別；當前41頁，總共105頁。導肽只決定穿越線粒體，而對被運輸的蛋白質無特異性酵母：（線粒體）細胞色素氧化酶IV導肽基因（CoxIV基因）小鼠：（細胞質）二氫葉酸還原酶基因（DHFR基因）融合基因融合酵母中表達酵母線粒體基質中發(fā)現DHFR蛋白質雜合蛋白（連有CoxIV導肽的DHFR）當前42頁，總共105頁。3.導肽對線粒體蛋白質還具有定位、分選轉運的作用當前43頁，總共105頁。1，蛋白質運送過程的特性；2，什么是導肽，以及導肽的性質。當前44頁，總共105頁。

四、線粒體的功能當前45頁，總共105頁。氧化磷酸化，合成ATP，為細胞生命活動提供直接能量是線粒體的主要功能與氧自由基生成、程序性死亡、信號轉導、離子跨膜轉運以及電解質穩(wěn)態(tài)平衡的調控等有關當前46頁，總共105頁。

依靠酶的催化，利用氧將細胞中的供能物質氧化、分解、釋放能量，并排出CO2和H2O的過程。由于這一過程在細胞內進行，所以又稱為細胞呼吸（cellularrespiration)。一、細胞氧化（cellularoxidation)當前47頁，總共105頁。酵解乙酰輔酶A形成三羧酸循環(huán)(TCAcycle)電子傳遞偶聯氧化磷酸化細胞氧化的主要步驟酵解當前48頁，總共105頁。當前49頁，總共105頁。酵解2丙酮酸（C3H4O3）+2H2O

葡萄糖（C6H12O6）

特點：

（1）不需氧，細胞質基質中進行

（2）凈生成2個ATP，能量儲藏在丙酮酸中2NAD+2NADH+2H+2ADP+2Pi2ATPNAD:煙酰胺腺嘌呤二核苷酸當前50頁，總共105頁。乙酰輔酶A生成乙酰-CoA+CO2C3H4O3+輔酶A(CoA)特點：（1）線粒體基質中進行（2）3C的丙酮酸變成活潑的2C乙酰輔酶A（3）無ATP形成2NAD+2NADH+2H+當前51頁，總共105頁。葡萄糖丙酮酸NADNADH2CO2乙酸CoA乙酰CoA草酰乙酸三羧酸循環(huán)（檸檬酸循環(huán)）檸檬酸順烏頭酸異檸檬酸NADCO2-酮戊二酸NADCO2琥珀酸FADFADH+H+延胡索酸蘋果酸NAD1231乙酰輔酶A+草酰乙酸（2C）（4C）檸檬酸（6C）3對以NAD為氫受體（NAD+NADH）1對以FAD為氫受體（FADFADH2）2個CO2三羧酸循環(huán)(TCACycle)NADH+H+NADH+H+NADH+H+當前52頁，總共105頁。電子傳遞偶聯氧化磷酸化

將物質氧化過程中脫下的氫原子，通過線粒體內膜上一系列呼吸鏈酶系的逐級傳遞，最后與氧結合成水。電子傳遞過程中釋放的能量用于ADP磷酸化為ATP。當前53頁，總共105頁。二.電子傳遞鏈兩條呼吸鏈：NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈NADH-CoQ還原酶琥珀酸-CoQ還原酶細胞色素c及其氧化酶CoQ細胞色素c還原酶(Fe-S)FMNbc1(FeS)a-Cua3-Cu當前54頁，總共105頁。1.電子傳遞鏈的特點NADH-CoQ還原酶琥珀酸-CoQ還原酶細胞色素c及其氧化酶CoQ細胞色素c還原酶(Fe-S)FMNbc1(FeS)a-Cua3-Cu除輔酶Q和細胞色素C外，呼吸鏈組分均以酶復合體嵌入在線粒體內膜上，包括復合體I、II、III、IV。當前55頁，總共105頁。電子傳遞鏈各組分在膜上不對稱分布NADH-CoQ還原酶琥珀酸-CoQ還原酶細胞色素c及其氧化酶CoQ細胞色素c還原酶(Fe-S)FMNbc1(FeS)a-Cua3-Cu當前56頁，總共105頁。NADH-CoQ還原酶琥珀酸-CoQ還原酶細胞色素c及其氧化酶CoQ細胞色素c還原酶(Fe-S)FMNbc1(FeS)a-Cua3-Cu有一定的順序和方向，按氧化還原電勢遞增的方向傳遞，NAD+/NADH最低，O2/H2O最高。當前57頁，總共105頁。能量逐漸釋放。NADH-CoQ還原酶琥珀酸-CoQ還原酶細胞色素c及其氧化酶CoQ細胞色素c還原酶(Fe-S)FMNbc1(FeS)a-Cua3-Cu當前58頁，總共105頁。呼吸鏈中有三個部位有較大的能量釋放足以供給ADP和無機磷形成ATP當前59頁，總共105頁。質子動力勢形成：電子傳遞形成膜電位2.能量釋放當前60頁，總共105頁。2.質子動力勢驅動ATP形成當前61頁，總共105頁。3.質子動力勢的其他功能當前62頁，總共105頁。4.一分子葡萄糖產生ATP的統(tǒng)計:底物水平的磷酸化4ATP(細胞質)

已糖分子活化消耗-2ATP(細胞質)

產生2NADH4ATP(3-磷酸甘油)6ATP(蘋果酸)凈累積:6或8ATP糖酵解當前63頁，總共105頁。

產生2NADH(線粒體)6ATP檸檬酸循環(huán):

底物水平磷酸化(線粒體)2ATP

產生6NADH(線粒體)18ATP

產生2FADH2(線粒體)4ATP總計生成36或38ATP丙酮酸氧化脫羧:當前64頁，總共105頁。五、線粒體的半自主性當前65頁，總共105頁。半自主性細胞器概念

線粒體有自己的遺傳系統(tǒng)和蛋白質合成體系。但線粒體DNA只編碼少量線粒體蛋白質，大多數蛋白質是由核DNA編碼，線粒體基因的復制與表達所需的許多酶，又是由核DNA所提供，所以線粒體是一個半自主性的細胞器。當前66頁，總共105頁。（一）mtDNA的結構特點動物細胞核外唯一含有DNA的細胞器雙鏈閉環(huán)分子，外環(huán)為重(H)鏈，內環(huán)為輕(L)鏈1、mtDNA的結構特點當前67頁，總共105頁。無內含子、基因之間少有間隔無核苷酸結合蛋白，缺少組蛋白的保護無DNA損傷修復系統(tǒng)mtDNA易于突變編碼13種蛋白質、22種tRNA和2種rRNA當前68頁，總共105頁。人mtDNA是一個長為16,569bp的雙鏈閉合環(huán)狀分子當前69頁，總共105頁。2、mtDNA半自主性復制mtDNA能獨立復制、轉錄和翻譯，但又受核DNA的影響附著在線粒體內膜上并以此為復制起點不局限于S期，貫穿細胞整個周期mtDNA聚合酶由核DNA編碼當前70頁，總共105頁。（二）線粒體蛋白質合成系統(tǒng)mtDNARNA前體切割加工13種mt-mRNA22種mt-tRNA2種mt-rRNA(12S,16S)轉錄蛋白質生物合成所必須的各種RNA都是線粒體所特有的。當前71頁，總共105頁。為不同的RNA聚合酶抑制劑：線粒體：菲啶溴紅（E.B.）類似原核細胞真核細胞：放線菌素D

-鵝膏蕈堿(-amanitine)1.RNA聚合酶當前72頁，總共105頁。2.核糖體比胞質核糖體小動物線粒體：50~60S胞質：80S線粒體：氯霉素、紅霉素真核細胞胞質：放線菌酮對藥物的敏感性不一樣當前73頁，總共105頁。(3)遺傳密碼與通用密碼有差異

（2）起始tRNA不同線粒體：N—甲酰甲硫氨酰tRNA

真核細胞胞質：甲硫氨酰tRNA

（1）轉錄和翻譯幾乎同時完成3.蛋白質合成過程當前74頁，總共105頁。通用遺傳密碼與

線粒體遺傳密碼的差別密碼子酵母線粒體編碼哺乳動物線粒體編碼通用遺傳密碼UGA色氨酸色氨酸終止子AUA蛋氨酸蛋氨酸異亮氨酸CUA蘇氨酸亮氨酸亮氨酸AGG精氨酸終止子精氨酸當前75頁，總共105頁。

小結：

(1)有自己的蛋白質翻譯系統(tǒng):

（2）蛋白質的合成與mRNA的轉錄幾乎同時完成（3）遺傳密碼與通用密碼有差異（4）與胞質蛋白合成對藥物的敏感性不同（5）線粒體合成蛋白數量有限，但是線粒體功能活動的關鍵酶（6）所需的tRNA、mRNA和核糖體是自身專用的（7）所編碼的RNA和蛋白質并不運出線粒體外當前76頁，總共105頁。

(三）線粒體遺傳系統(tǒng)與細胞核遺傳系統(tǒng)的相互關系當前77頁，總共105頁。線粒體中由自身合成的蛋白質僅占10%,其余均為細胞核基因組編碼.

因此,線粒體有自己的DNA和蛋白質合成體系,即獨立的遺傳系統(tǒng),但又受核基因組遺傳系統(tǒng)的控制,故為半自主性細胞器.當前78頁，總共105頁。為什么說線粒體是一個半自主性的細胞器？當前79頁，總共105頁。六、線粒體的起源當前80頁，總共105頁。（一）內共生假說（二）非共生假說當前81頁，總共105頁。（一）內共生假說起源于古老厭氧真核細胞共生的需氧細菌在長期進化過程中，兩者共生聯系緊密，共生細菌的大部分遺傳信息轉移到細胞核上，留在線粒體內的遺傳信息減少。endosymbiosishypothesis當前82頁，總共105頁。1.內共生假說的依據基因組在大小、形態(tài)和結構方面與細菌相似；核糖體為70S與細菌相同，而真核細胞為80S；兩層被膜有不同的進化來源，外膜與細胞的內膜系統(tǒng)相似，內膜與細菌質膜相似；有自己完整的蛋白質合成系統(tǒng)，能獨立合成蛋白質，蛋白質合成機制有很多類似細菌而不同于真核生物；當前83頁，總共105頁。線粒體的祖先很可能來自反硝化副球菌或紫色非硫光合細菌。能在異源細胞內長期生存，說明線粒體具有自主性與共生性的特征；以分裂的方式進行繁殖，與細菌的繁殖方式相同；當前84頁，總共105頁。2.疑點不能解釋在代謝上占優(yōu)勢的共生體反而將大量的遺傳信息轉移到宿主細胞中；線粒體細胞色素C與細菌的氨基酸排列順序差異很大。當前85頁，總共105頁。

（二）

非共生假說當前86頁，總共105頁。線粒體的起源比較認同的是內共生假說。當前87頁，總共105頁。七、線粒體的分裂與融合當前88頁，總共105頁。（一）線粒體是通過分裂方式實現增殖的1.關于增殖的三種觀點：1）在胞質中重新形成？2）源于非線粒體的亞細胞結構？3）由原來的線粒體分裂或出芽而產生？當前89頁，總共105頁。增值通過原有線粒體分裂完成的。當前90頁，總共105頁。2.線粒體的生物發(fā)生過程：

第一階段——線粒體進行分裂增殖；

第二階段——線粒體本身的分化過程，建成能夠行使氧化磷酸化功能的機構。當前91頁，總共105頁。間壁分離收縮分離出芽分離3.分裂方式當前92頁，總共105頁。線粒體的增殖間壁分離:收縮分離:出芽分裂:線粒體的內膜向中心內褶形成間壁，或某一個嵴的延伸。當延伸到對側內膜時，線粒體一分為二。線粒體中央部分收縮并向兩端拉長，中央形成很細的頸，整個線粒體成啞鈴形，最后斷裂成兩個新線粒體。先從線粒體上長出小芽，然后小芽與母線粒體分離，經過不斷長大，形成新的線粒體。當前93頁，總共105頁。當前94頁，總共105頁。線粒體分裂狗心肌細胞線粒體新生鼠肝細胞線粒體213當前95頁，總共105頁。（二）mtDNA隨機地、不均等地被分配到新的線粒體中在同一線粒體中，可能存在有不同類型的mtDNA，即野生型和突變型mtDNA。分裂時，野生型和突變型mtDNA發(fā)生分離，隨機地分配到新的線粒體中。當前96頁，總共105頁。（三）線粒體融合是由一系列相關蛋白介導的過程線粒體的融合有利于促進線粒體的相互協(xié)作，可以使不同線粒體之間的信息和物質得到相互交換。線粒體的融合是由一系列蛋白分子精確調控和介導的。

FZO1p/Mfns介導線粒體外膜的融合。

Mgm1p/OPA1介導線粒體內膜的融合。當前97頁，總共105頁。線粒體的分裂方式有幾種？當前98頁，總共105頁。八、線粒體與疾病當前99頁，總共105頁。（一）疾病過程中的線粒體變化

1、線粒體對外界環(huán)境因素的變化很敏感，一些環(huán)境因素的影響