細胞生物學(xué)：第六章細胞質(zhì)和細胞器-2

第四節(jié)線粒體1894年——Altmann——光鏡——生命小體(bioblast)1897年——Benda——線粒體(mitochondria)一.線粒體的生理形態(tài)、數(shù)量及存在形式形態(tài)：光鏡：線狀、粒狀、桿狀大?。狠^大，直徑：0.5—1.0μm；長度：3μm數(shù)目：正常細胞中：1000—2000個，不同類型的細胞中差異較大分布：一般呈彌散均勻分布狀態(tài),在細胞生理功能旺盛、需要能量較多的部位更為集中線粒體的形狀、大小、數(shù)目和分布在不同類型細胞或不同生理狀態(tài)下差別較大二.線粒體的亞微結(jié)構(gòu)電鏡下觀察線粒體是由兩層單位膜圍成的封閉膜囊結(jié)構(gòu)包括：外膜、內(nèi)膜、膜間腔、基質(zhì)四個功能區(qū)1.外膜（outermembrane）厚5—7nm，含有多種轉(zhuǎn)運蛋白圍成的水相通道，形成直徑2-3nm的小孔，允許分子量為10000以內(nèi)的物質(zhì)可以自由通過2.內(nèi)膜（innermembrane）平均厚4.5nm，通透性小，有高度選擇性，要借助轉(zhuǎn)運蛋白控制內(nèi)外腔物質(zhì)的交換嵴（cristae）：內(nèi)膜向內(nèi)突起形成，可增加內(nèi)膜的表面積基粒(elementaryparticle)★★①內(nèi)膜基質(zhì)面附著許多突出于內(nèi)腔的顆粒②由多種蛋白質(zhì)亞基組成，分為頭部、柄部、基片三部分③化學(xué)本質(zhì)是ATP合酶復(fù)合體，是將呼吸鏈傳遞過程中釋放的能量用于使ADP

磷酸化生成ATP的關(guān)鍵裝置基粒(elementaryparticle)★★2.內(nèi)膜（innermembrane）F1由5種多肽組成α3β3γδε復(fù)合體，具有三個ATP合成的催化位點（每個β亞基具有一個）。F0由三種多肽組成ab2c12復(fù)合體，嵌入內(nèi)膜，12個c亞基組成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)子通道。3.內(nèi)外膜轉(zhuǎn)位接觸點（translocationcontactsite）內(nèi)外膜相互接觸的地方，膜間隙變狹窄，稱為轉(zhuǎn)位接觸點，外膜受體和輸入裝置位于接觸點附近，是蛋白質(zhì)等物質(zhì)進出線粒體的通道4.基質(zhì)（matrix）位于內(nèi)腔中，充滿電子密度較低的物質(zhì)，含有：脂類蛋白質(zhì)酶類線粒體DNA線粒體mRNA線粒體tRNA線粒體核糖體三.線粒體的化學(xué)組成蛋白質(zhì):約占65-70%，多分布在內(nèi)膜和基質(zhì)。脂類:約占25-30%，大部分是磷脂。DNA和完整的遺傳系統(tǒng)水、輔酶、維生素、金屬離子等線粒體含有眾多酶系，目前已確認的有120種，是細胞中含酶最多的細胞器。有些酶可作為線粒體不同部位的標志酶：內(nèi)膜：細胞色素氧化酶外膜：單胺氧化酶基質(zhì)：蘋果酸脫氫酶膜間腔：腺苷酸激酶四.線粒體的功能線粒體的主要功能是氧化磷酸化，合成ATP，為細胞的生命活動提供能量參與細胞死亡的控制作用1、細胞呼吸：細胞呼吸的特點：⑴是在線粒體中進行的由一系列酶系所催化的氧化還原反應(yīng)。⑵所產(chǎn)生的能量貯存于ATP的高能磷酸鍵中；⑶整個反應(yīng)過程是分步進行的，能量也是逐步釋放的。⑷反應(yīng)在恒溫和恒壓條件下進行的,需要水的參與。在細胞特定的細胞器內(nèi)，在O2的參與下，分解各種大分子物質(zhì)，產(chǎn)生CO2同時分解代謝所釋放的能量貯存于ATP中。這一過程成為細胞呼吸，也稱為生物氧化或細胞氧化。（一）參與細胞能量代謝2.細胞能量轉(zhuǎn)換分子：ATP——高能磷酸化合物，通過高能磷酸鍵放能、貯能，反應(yīng)簡式：A-P~P~P去磷酸化磷酸化A-P~P+Pi+1.72KJ3．細胞氧化的基本過程：⑴糖酵解⑵三羧酸循環(huán)⑶電子傳遞和氧化磷酸化1分子葡萄糖徹底氧化生成38個ATP糖酵解：2個線粒體內(nèi)：36個三羧酸循環(huán)：2個內(nèi)膜氧化磷酸化：34個4．ATP的合成（一）參與細胞能量代謝糖、脂肪細胞質(zhì)丙酮酸和脂肪酸線粒體乙酰coA（三羧酸循環(huán)）氫通過電子傳遞鏈到達氧生成水，同時ADP磷酸化生成ATP（二）參與細胞死亡細胞死亡的研究已經(jīng)從細胞核控制死亡的過程的研究部分地轉(zhuǎn)移到線粒體控制死亡過程地研究上來。線粒體是決定細胞死亡的又一“戰(zhàn)場”。線粒體在能量代謝和自由基代謝中占據(jù)十分重要的地位，代謝過程中產(chǎn)生大量超氧陰離子，形成活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS)，當(dāng)ROS水平較高時，損傷線粒體膜，啟動一系列促使細胞死亡的級聯(lián)反應(yīng)發(fā)生，最終導(dǎo)致細胞死亡。五.線粒體的遺傳體系（一）線粒體基因組mtDNA:雙鏈環(huán)狀的DNA分子，裸露不與組蛋白結(jié)合,分散在線粒體基質(zhì)中，分子量小,含16569個堿基對。37個基因2種編碼rRNA(12S和16S）基因22種編碼tRNA基因13種編碼蛋白質(zhì)基因總之：mtDNA

排列緊湊、高效利用、可自我復(fù)制但其遺傳密碼與“通用”的遺傳密碼表也不完全相同如:UGA色氨酸而不是終止密碼?！锞€粒體的半自主性

①線粒體有自己的DNA分子和蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，即有獨立的遺傳系統(tǒng)，

故有一定的自主性。

②mtDNA

分子量小、基因數(shù)目少，只編碼線粒體蛋白質(zhì)的10%，而絕大多數(shù)線粒體蛋白質(zhì)（90%）是由核基因編碼，在細胞質(zhì)中合成后轉(zhuǎn)運到線粒體中的。

③線粒體遺傳系統(tǒng)受控于細胞核遺傳系統(tǒng)。因此，線粒體為半自主性細胞器(semiautonomousorganelle)★

（二）核編碼蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運輸入線粒體的蛋白大多是在細胞質(zhì)中合成后再運送的，蛋白質(zhì)分子以前體形式存在。

蛋白質(zhì)N端有一段20-80氨基酸組成的基質(zhì)導(dǎo)入序列(matrix-targetingsequence,MTS)，在線粒體內(nèi)膜和外膜上有其相應(yīng)的受體。導(dǎo)肽具有牽引、識別、將蛋白質(zhì)導(dǎo)入線粒體的作用。絕大多數(shù)前體蛋白都要和一種稱之為熱休克蛋白70（heatshockprotein70，hsp70）的分子伴侶結(jié)合，從而防止前體蛋白行成不可解開的構(gòu)象。這種前體蛋白質(zhì)與線粒體內(nèi)的成熟蛋白質(zhì)相比，具有兩個明顯特征：

①前體蛋白質(zhì)的空間構(gòu)型是以解折疊狀態(tài)存在。

②前體的N-末端含有一稱為導(dǎo)肽的前導(dǎo)序列。1、前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài)2、多肽鏈穿越線粒體膜前體蛋白一旦和受體結(jié)合后，就和外膜和內(nèi)膜上的膜通道發(fā)生作用進入線粒體。前體蛋白進入線粒體基質(zhì)后，mthsp70一個接一個的結(jié)合在蛋白質(zhì)線性分子上，像齒輪一樣將蛋白質(zhì)“鉸進（handoverhand）”基質(zhì)，這一過程也需要消耗ATP。3.多肽鏈進入線粒體基質(zhì)的再折疊蛋白質(zhì)進入線粒體基質(zhì)后，必須恢復(fù)其天然構(gòu)象以行使功能。在mthsp70和Hsp60的幫助下，前體蛋白進行正確折疊。由轉(zhuǎn)運肽酶切除導(dǎo)肽，成為成熟的線粒體基質(zhì)蛋白。布朗棘輪模型核編碼蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運六.線粒體的生物發(fā)生（一）線粒體的增殖1、間壁分裂2、收縮分裂（二）線粒體的起源3、出芽分裂內(nèi)共生起源學(xué)說

認為線粒體來源于細菌，即細菌被真核生物吞噬后，在長期的共生過程中，通過演變，形成了線粒體

非共生起源學(xué)說認為線粒體的發(fā)生是質(zhì)膜內(nèi)陷的結(jié)果第五節(jié)細胞骨架細胞骨架是由蛋白纖維交織而成的立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，它充滿整個細胞質(zhì)的空間，與外側(cè)的細胞膜和內(nèi)側(cè)的核膜存在一定的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，以保持細胞特有的形狀并與細胞運動有關(guān)。細胞骨架類型細胞骨架類型一、微管(microtubule，MT)(一)微管的結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成化學(xué)組成——微管蛋白-微管蛋白-微管蛋白——微管結(jié)合蛋白微管相關(guān)蛋白微管聚合蛋白形態(tài)結(jié)構(gòu)中空的圓柱狀結(jié)構(gòu)，橫斷面上看是由13根原纖維呈縱向平行排列而成，具有極性。一、微管(microtubule，MT)(一)微管的結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成一、微管(microtubule，MT)(二)微管的存在類型微管的三種存在形式12345678910111213單管

AB二聯(lián)管

ABC三聯(lián)管一、微管(microtubule，MT)(三)微管的組裝微管的體外組裝影響微管聚合與解聚的因素1、溫度：溫度超過20℃有利于組裝，低于4℃引起分解。2、藥物：秋水仙素和長春花堿引起分解，紫杉酚促進組裝。3、離子：Ca2+低時促進組裝，高時引起分解。一、微管(microtubule，MT)(三)微管的組裝微管的體內(nèi)組裝微管的體內(nèi)組裝嚴格的時間和空間的控制時間控制細胞生命活動的特殊時刻（紡錘絲微管的聚合與解聚發(fā)生在細胞分裂期）空間控制微管聚合從特異性的核心形成位點開始，主要是中心體和纖毛的基體，稱微管組織中心（microtubuleorganizingcenter,MTOC)一、微管(microtubule，MT)(四)微管的功能構(gòu)成細胞的網(wǎng)狀支架，維持細胞的形態(tài)，并固定和支持細胞器在細胞中的位置。構(gòu)成纖毛、鞭毛和中心粒，參與細胞運動；參與細胞器的位移、細胞分裂過程中染色體的運動；參與細胞內(nèi)物質(zhì)運輸，特別是大分子和顆粒物質(zhì)的運輸；參與細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。1、微管的主要功能微管參與細胞器的定位1、微管的主要功能深綠：微管淺蘭：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)黃色：高爾基體上圖：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)抗體染色下圖：微管抗體染色上圖：高爾基抗體染色下圖：微管抗體染色1、微管的主要功能參與細胞內(nèi)的物質(zhì)運輸·神經(jīng)元軸突運輸?shù)哪Ｊ饺旧w的分離一、微管(microtubule，MT)(四)微管的功能2、微管與其他細胞結(jié)構(gòu)的關(guān)系微管常密集地分布于細胞膜內(nèi)側(cè)，控制膜內(nèi)在蛋白的位置。游離核糖體可能附著于微管與微絲的交叉點上；有些微管可直接連于GC小泡上，提示微管可能于小泡物質(zhì)運輸有關(guān)；線粒體周圍，?？梢娕c其長軸平行的微管分布；細胞核周圍，微管分布特別緊密，并存在接觸聯(lián)系，核孔的生理功能也與微管有聯(lián)系。一、微管(microtubule，MT)(五)微管組成的細胞結(jié)構(gòu)1.中心粒（centriole）光鏡：中心粒連同周圍物質(zhì)呈球狀小顆粒橫切面上，其圓柱狀小體的壁有9組三聯(lián)管斜向排列呈風(fēng)車狀。功能在細胞中起微管組織中心的作用，參與有絲分裂。一、微管(microtubule，MT)(五)微管組成的細胞結(jié)構(gòu)2.纖毛和鞭毛伸出細胞表面并能運動的特化結(jié)構(gòu)在來源和結(jié)構(gòu)上基本相同，細胞膜包繞一根軸絲少而長的叫鞭毛；多而短的叫纖毛結(jié)構(gòu)圖式：

9X3+0

二、微絲(microfilament,MF)（一）微絲的結(jié)構(gòu)和分子組成在電鏡下，單根的微絲呈雙螺旋結(jié)構(gòu)，每14個球狀肌動蛋白分子旋轉(zhuǎn)一圈1、肌動蛋白(actin)——基本單位微絲具有極性，一端有氨基和羧基的暴露，稱為正端，另一端則稱為負端存在方式：球狀肌動蛋白(肌動蛋白單體G-actin)纖維狀肌動蛋白(肌動蛋白聚合體F-actin)一類由蛋白纖維組成的實心纖維細絲，5-9nm，長短不一，廣泛存在于所有真核細胞中，以束狀、網(wǎng)狀或纖維狀分散分布于細胞質(zhì)的特定空間位置上：在細胞膜內(nèi)側(cè)的細胞皮質(zhì)區(qū)比較集中二、微絲(microfilament,MF)（一）微絲的結(jié)構(gòu)和分子組成2、肌動蛋白結(jié)合蛋白對肌動蛋白絲具有調(diào)節(jié)作用主要包括四類：原肌球蛋白：調(diào)節(jié)肌動蛋白與肌球蛋白頭部的結(jié)合肌球蛋白：特殊的ATP酶，能水解ATP引起構(gòu)象改變而沿微絲移動肌鈣蛋白：可同時結(jié)合原肌球蛋白和Ca++，抑制肌球蛋白ATP酶的活性非肌細胞中肌動蛋白結(jié)合蛋白：與微絲組裝和微絲功能密切相關(guān)從不同的水平調(diào)控微絲的組裝，影響微絲的穩(wěn)定性、長度和構(gòu)型，控制微絲的形成、交聯(lián)、蓋帽和截斷，并可移動細胞中的微絲。二、微絲(microfilament,MF)（二）微絲的組裝G-actin三聚體核心F-actin適當(dāng)?shù)柠}濃度下肌動蛋白的踏車行為微絲組裝的動態(tài)調(diào)節(jié)ATP是調(diào)節(jié)微絲組裝的動力學(xué)不穩(wěn)定性行為的主要因素。肌動蛋白結(jié)合蛋白對微絲的組裝也具有調(diào)控作用。影響微絲聚合與解聚的特異性藥物：細胞松弛素：特異性的破壞微絲組裝。鬼筆環(huán)肽：穩(wěn)定微絲、促進微絲聚合。二、微絲(microfilament,MF)（三）微絲的分布類型張力絲：上皮深層細胞，參與構(gòu)成橋粒，起支架作用肌絲：肌肉細胞，起收縮作用神經(jīng)絲：神經(jīng)細胞，起支架作用，參與物質(zhì)運輸（四）微絲的主要功能（一）構(gòu)成細胞的支架，維持細胞的形態(tài)（二）作為肌纖維的組成成分，參與肌肉收縮（三）參與細胞分裂（四）參與細胞運動（五）參與細胞內(nèi)物質(zhì)運輸（六）參與細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)三、中間絲（intermediatefilament）直徑介與微管與微絲之間，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沒有極性（一）中間絲蛋白及其結(jié)合蛋白中間絲蛋白（IF）-螺旋桿狀區(qū)：310個氨基酸

非螺旋區(qū)：頭部（N-端）、尾部（C-端）中間絲蛋白類型與分布結(jié)構(gòu)三、中間絲（intermediatefilament）（一）中間絲蛋白及其結(jié)合蛋白中間絲相關(guān)蛋白（IFAP）凝聚素：可在中間絲與微絲、微管間形成橫橋絲連蛋白：在非神經(jīng)細胞中與波形蛋白結(jié)合中間絲相關(guān)蛋白300：把中間絲錨定于橋粒上BPAG1蛋白：維持角蛋白纖維與橋粒的連接絲聚蛋白：使角蛋白纖維聚集共同特點：

具有IF特異性表達有細胞專一性，且與細胞的功能發(fā)育狀態(tài)有關(guān)不同的IFAP可存在于同一細胞中與不同的IF組織狀態(tài)相聯(lián)系

三、中間絲（intermediatefilament）（二）中間絲的分子結(jié)構(gòu)和組裝中間纖維蛋白X2平行對齊雙股超螺旋二聚體反向平行四聚體（基本亞基）半分子長度交錯X2八聚體原纖維X4中間纖維組裝過程：三、中間絲（intermediatefilament）（三）中間絲的功能支持作用，特別是對細胞核的定位和固定。參與物質(zhì)的定向運輸。在細胞癌變過程中具有一定作用。與mＲＮＡ胞內(nèi)定位和運輸有關(guān)。參與胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。胞質(zhì)骨架三種組分的比較四、細胞的運動及其機制細胞的位置移動細胞形態(tài)的改變鞭毛、纖毛的擺動阿米巴樣運動褶皺運動細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的運動細胞質(zhì)流動膜泡運輸軸突運輸染色體分離（細胞蠕動）細胞運動形式鞭毛、纖毛的擺動機制纖毛和鞭毛的擺動是通過動位蛋白臂水解ATP釋放能量，促使動位蛋白沿相鄰的B