第四講-線粒體

第四講線粒體

(Mitochondria,Mi)

細(xì)胞生物學(xué)系劉羿男第四講線粒體第一節(jié)線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和組成第二節(jié)呼吸鏈與ATP合酶第三節(jié)線粒體DNA和線粒體病第四節(jié)線粒體蛋白質(zhì)的輸入第五節(jié)線粒體的增殖和起源一、線粒體的形狀、大小、數(shù)目和分布二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)和組成(一)外膜(outermembrane)

(二)內(nèi)膜(innermembrane)(三)膜間隙(intermembranespace)

(四)基質(zhì)(matrix)第一節(jié)線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和組成形狀：光鏡下，線粒體多為桿狀或棒狀。大?。阂话阒睆綖?.5~1.0

m，長(zhǎng)為1.5~3.0

m；數(shù)目：依細(xì)胞種類不同差異很大，新陳代謝旺盛的細(xì)胞中，線粒體數(shù)目多，反之，則少。分布：多分布于生理功能旺盛的區(qū)域和需要能量較多的部位。一、線粒體的形狀、大小、數(shù)目和分布在電鏡下，線粒體是由兩層單位膜套疊而成的封閉性囊狀結(jié)構(gòu)，主要由外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)腔組成。二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)和組成(一)外膜(Outermembrane)膜厚約6

7nm。用磷鎢酸負(fù)染，外膜有排列整齊的筒狀圓柱體。中央有孔，孔徑為2nm，稱為孔蛋白(porin)。允許分子量小于6kDa的分子通過。外膜特征性酶是單胺氧化酶。內(nèi)膜外膜孔蛋白(二)內(nèi)膜(innermembrane)厚約5nm。內(nèi)膜向線粒體內(nèi)室突出形成嵴(cristae)。嵴的形成增加了內(nèi)膜的表面積。內(nèi)膜含有三類不同功能的蛋白質(zhì)呼吸鏈的酶復(fù)合體ATP合酶(ATPsynthase)復(fù)合體特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)內(nèi)膜富含心磷脂(cardiolipin)，使內(nèi)膜具有對(duì)離子不能滲透的性質(zhì)。內(nèi)膜和嵴的基質(zhì)面有許多帶柄的小體稱為基粒(elementaryparticle)或稱F1顆粒(F1particle)。形似棒糖，分頭、柄和基部三部分組成。頭柄基部(F1顆粒)(F0顆粒)F0F1ATP酶或ATP酶復(fù)合體(二)內(nèi)膜(innermembrane)大鼠肝細(xì)胞的基粒牛心臟細(xì)胞的基粒(二)內(nèi)膜(innermembrane)線粒體的結(jié)構(gòu)變化主要是嵴的變化。嵴的形狀和排列的方式不同，嵴有兩種類型：板層狀：哺乳動(dòng)物多數(shù)細(xì)胞是板層狀嵴，多垂直于長(zhǎng)軸，少數(shù)與長(zhǎng)軸平行。管泡狀：少數(shù)細(xì)胞的線粒體嵴是小管狀或管泡狀。(二)內(nèi)膜(innermembrane)垂直排列的板層狀嵴如：胰腺泡細(xì)胞和腎小管上皮細(xì)胞

平行排列的板層狀嵴如：神經(jīng)細(xì)胞管泡狀嵴如：腎上腺皮質(zhì)細(xì)胞

(二)內(nèi)膜(innermembrane)是外膜與內(nèi)膜之間的狹窄的腔隙，寬約6~8nm。由于外膜的通透性大，膜間隙內(nèi)的基本成分與胞液相同。腺苷酸激酶為特征酶。在膜間隙中存在與內(nèi)膜疏松結(jié)合的細(xì)胞色素C。一旦細(xì)胞色素C釋放到細(xì)胞質(zhì)中，則參與細(xì)胞凋亡的的啟動(dòng)作用。(三)膜間隙(intermembranespace)(四)基質(zhì)(matrix)嵴之間形成的間隙，內(nèi)含很多蛋白質(zhì)和脂類。含有許多重要的酶系三羧酸循環(huán)酶系、脂肪酸氧化酶系、蛋白質(zhì)和核酸合成的酶系等；含有DNA、核糖核蛋白體等。第二節(jié)呼吸鏈與ATP合酶線粒體內(nèi)膜主要存在兩個(gè)重要的體系呼吸鏈：電子傳遞體系，它們按一定的順序排列在內(nèi)膜上；基粒：又稱為ATP合酶，是磷酸化體系，起著催化ADP和Pi生成ATP的作用。呼吸鏈的氧化作用和磷酸化耦聯(lián)才能產(chǎn)生ATP。氧化磷酸化是生成ATP一種主要方式，是細(xì)胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的主要環(huán)節(jié)。

二、ATP合酶(ATPSynthase)ATP合酶：又稱F0-F1ATP酶，是大的跨膜復(fù)合體；F1

由5個(gè)不同的亞單位組成——33111。與

交替環(huán)狀排列，形成球形頭部；X射線晶體衍射分析左：側(cè)面觀，右：頂面觀

亞單位具有與ATP、ADP結(jié)合位點(diǎn)，催化ADP和Pi合成ATP；

與

亞基有很強(qiáng)的親和力，結(jié)合在一起形成“轉(zhuǎn)子”(rotor)，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)3個(gè)

亞單位催化位點(diǎn)的開放和關(guān)閉。二、ATP合酶(ATPSynthase)F1部分還有一個(gè)10kDa的多肽，稱為ATP酶的抑制多肽，可能具有調(diào)節(jié)酶活性的作用。F0是嵌合在內(nèi)膜上的疏水蛋白復(fù)合體，形成一個(gè)跨膜質(zhì)子通道。

細(xì)菌的F0已被確定，由a、b、c三種亞單位組成；數(shù)量關(guān)系為a1b2c9-12。二、ATP合酶(ATPSynthase)a、b和F1的

亞單位共同組成“定子”，以防止

亞單位頂上的、六聚體轉(zhuǎn)動(dòng)。第三節(jié)線粒體DNA與線粒體病線粒體是具有一定自主性的細(xì)胞器，它含有自己的DNA(mtDNA)和核糖體具有獨(dú)立編碼、合成蛋白質(zhì)的能力。

mtDNA位于線粒體基質(zhì)內(nèi)，有時(shí)可見它附著于內(nèi)膜，是一個(gè)封閉的雙鏈環(huán)狀分子。不同種屬mtDNA的大小不同。哺乳類mtDNA是核DNA(nDNA)大小的10-5(遺傳信息量小)。mtDNA編碼的蛋白質(zhì)是呼吸鏈與ATP合酶的主要組成成分，定位線粒體內(nèi)膜中，多為疏水性蛋白質(zhì)。一、線粒體DNAmtDNA復(fù)制的特點(diǎn)：mtDNA的復(fù)制所需要的mtDNA聚合酶、mtRNA聚合酶(催化合成RNA引物)等，都是由核基因組所編碼的。mtDNA復(fù)制不受細(xì)胞周期的影響，在細(xì)胞周期的各個(gè)階段都能復(fù)制。

一、線粒體DNAmtDNA編碼蛋白質(zhì)的特點(diǎn)蛋白質(zhì)合成的起始氨基酸一細(xì)菌的一樣，是甲酰蛋氨酸(f-met)。

放線菌酮可選擇性地抑制細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)合成，但不影響線粒體中的蛋白質(zhì)合成。氯霉素、紅霉素和四環(huán)素可抑制線粒體中的蛋白質(zhì)合成，而對(duì)細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)合成沒有影響或影響很小。一、線粒體DNA線粒體與人的疾病、衰老和細(xì)胞凋亡有關(guān)，線粒體異常會(huì)影響整個(gè)細(xì)胞的正常功能，從而導(dǎo)致在病變的細(xì)胞內(nèi)較早出現(xiàn)線粒體明顯的、異常的病理變化，稱為線粒體病(mitochondrialdiseases,MD)。目前已知的100多種人類線粒體疾病，其發(fā)病機(jī)制都是mtDNA異常引起的遺傳性疾病。主要分三種類型：mtDNA缺失或插入mtDNA點(diǎn)突變nDNA異常所致mtDNA改變二、線粒體病Kearns-Sayre綜合征(KSS)：病人表現(xiàn)為眼外肌癱瘓、視網(wǎng)膜色素變性和心臟傳導(dǎo)阻滯三聯(lián)征。1.mtDNA大片段缺失不完全型KSS：以進(jìn)行性眼外肌癱瘓為特征，具有三聯(lián)征中的兩項(xiàng)或一項(xiàng)。2.mtDNA點(diǎn)突變Leber遺傳性視神經(jīng)病(Leber’shereditaryopticneuropathy，LHON)：母系遺傳，通過線粒體傳遞。成年期發(fā)病，表現(xiàn)急性或亞急性視力減退。雙眼中心視力出現(xiàn)暗點(diǎn)或失明。mtDNA比nDNA突變率高5

10倍。mtDNA缺少組蛋白的保護(hù)；線粒體內(nèi)無損傷修復(fù)能力。線粒體是氧自由基的主要來源，氧自由基的累積會(huì)導(dǎo)致mtDNA損傷。3.nDNA異常所致mtDNA改變nDNA缺陷引起的mtDNA缺失或數(shù)量減少，可引發(fā)多種疾病。家族性慢性眼外肌癱瘓是mtDNA多處缺失、常染色體顯性遺傳。4.老年性退行性疾病老年性退行性疾?。喝鏟arkinson病(PD)、Alzheimer病(AD)、Huntington舞蹈病(HD)、肌萎縮側(cè)索硬化癥、心肌病、動(dòng)脈硬化和糖尿病。由于氧自由基對(duì)mtDNA分子的損傷所導(dǎo)致的呼吸鏈組分缺失，使氧化磷酸化能力降低或線粒體數(shù)量減少，致使腦內(nèi)神經(jīng)元死亡。第四節(jié)線粒體蛋白質(zhì)的輸入線粒體的半自主性線粒體含有自己的DNA(mtDNA)和核糖體，能夠自主進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成，但只有少數(shù)蛋白質(zhì)是由mtDNA編碼，在線粒體的核糖體上合成，大多數(shù)蛋白質(zhì)是由核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)游離核糖體合成后再輸入到線粒體，因此線粒體是一個(gè)半自主性細(xì)胞器。一、核基因編碼的蛋白質(zhì)向線粒體

輸入的共同特點(diǎn)1.以前體形式運(yùn)輸，蛋白質(zhì)前體向線粒體輸入需要靶向序列(targetingsequence)(亦稱導(dǎo)肽或信號(hào)肽)引導(dǎo)和/或錨定。導(dǎo)肽成熟的Pr導(dǎo)肽：蛋白質(zhì)前體的N端或近N端具有一個(gè)或數(shù)個(gè)由20～50個(gè)aa殘基組成的靶向序列，稱之為導(dǎo)肽。特點(diǎn)：當(dāng)形成

-螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)，一側(cè)帶正電荷的堿性氨基酸殘基(Arg,Lys),另一側(cè)為疏水性氨基酸殘基。一、核基因編碼的蛋白質(zhì)向線粒體

輸入的共同特點(diǎn)細(xì)胞色素氧化酶線粒體蛋白輸入的信號(hào)序列IV亞單位信號(hào)序列(18aa)當(dāng)信號(hào)序列形成

螺旋時(shí)，帶正電荷的aa殘基(red)位于一側(cè)，而疏水性(yellow)位于另一側(cè)。一、核基因編碼的蛋白質(zhì)向線粒體

輸入的共同特點(diǎn)導(dǎo)肽的作用：引導(dǎo)蛋白質(zhì)前體與線粒體外膜的受體特異性結(jié)合并穿過線粒體外膜；使肽鏈的穿膜移行停止并作為錨定在膜中的序列。有的導(dǎo)肽被剪切，有的則不被剪切。一、核基因編碼的蛋白質(zhì)向線粒體

輸入的共同特點(diǎn)2.蛋白質(zhì)前體進(jìn)入線粒體一般通過內(nèi)外膜的接觸點(diǎn)形成的貫穿的跨膜通道來完成，即線粒體蛋白轉(zhuǎn)位子(translocon)來完成。受體和外膜上的轉(zhuǎn)位子總稱為外膜轉(zhuǎn)位子(transloconoftheoutermembrane,Tom)；內(nèi)膜轉(zhuǎn)位子

(transloconoftheinnermembrane，Tim)。一、核基因編碼的蛋白質(zhì)向線粒體

輸入的共同特點(diǎn)TOMcomplexTIMcomplexOXAcomplex一、核基因編碼的蛋白質(zhì)向線粒體

輸入的共同特點(diǎn)3.蛋白質(zhì)前體以解折疊狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)輸在運(yùn)輸過程中，蛋白質(zhì)必需以解折疊的狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)；當(dāng)?shù)诌_(dá)目的地后再折疊為最后的活性構(gòu)象。解折疊及再折疊分別需要胞液中及基質(zhì)中的分子伴侶(Hsp70,Hsp60等)協(xié)助。

一、核基因編碼的蛋白質(zhì)向線粒體

輸入的共同特點(diǎn)4.線粒體蛋白質(zhì)的輸入需要消耗能量能量來自于ATP的水解胞液中的及基質(zhì)中的Hsp70兼有ATP酶活性一、核基因編碼的蛋白質(zhì)向線粒體

輸入的共同特點(diǎn)二、蛋白質(zhì)輸入線粒體的途徑(一)蛋白質(zhì)輸入到基質(zhì)中的途徑(二)蛋白質(zhì)輸入到內(nèi)膜中的途徑(三)蛋白質(zhì)輸入到膜間隙中的途徑(四)蛋白質(zhì)輸入到外膜中的途徑(一)蛋白質(zhì)輸入到基質(zhì)中的途徑蛋白質(zhì)前體與胞液中的Hsp70結(jié)合呈解折疊狀態(tài)；N端的基質(zhì)靶向序列與其特異性受體相結(jié)合并在內(nèi)外膜接觸點(diǎn)同時(shí)穿過對(duì)接的Tom和Tim轉(zhuǎn)位子直接進(jìn)入線粒體基質(zhì)；(一)蛋白質(zhì)輸入到基質(zhì)中的途徑經(jīng)基質(zhì)蛋白酶切除N端的基質(zhì)靶向序列；在基質(zhì)中mHsp60的協(xié)助下重新折疊為有功能的蛋白質(zhì)。(二)蛋白質(zhì)輸入到內(nèi)膜中的途徑蛋白質(zhì)前體具有一個(gè)N端基質(zhì)靶向序列和一個(gè)相隔不遠(yuǎn)的肽鏈內(nèi)的停止移行序列；基質(zhì)靶向序列穿過內(nèi)外膜接觸點(diǎn)進(jìn)入基質(zhì)中，然后被切除；(二)蛋白質(zhì)輸入到內(nèi)膜中的途徑當(dāng)其疏水性的停止移行序列穿入Tim通道時(shí)，肽鏈的移行被中止并錨定于內(nèi)膜中，從而使肽鏈的C端保留在膜間隙；隨后跨膜序列側(cè)向移至內(nèi)膜的雙分子層中，成為錨定于內(nèi)膜中的蛋白質(zhì)。(三)蛋白質(zhì)輸入到膜間隙中的途徑

輸入到膜間隙中的蛋白質(zhì)前體定位信號(hào)：PathA：含有一個(gè)N端的基質(zhì)靶向序列及一個(gè)相隔不遠(yuǎn)的膜間隙靶向序列，均被剪切。(三)蛋白質(zhì)輸入到膜間隙中的途徑

PathB：無N端的基質(zhì)靶向序列，只含有導(dǎo)向膜間隙的靶向序列，是直接穿過外膜的總輸入孔進(jìn)入膜間隙。

第五節(jié) 線粒體的增殖和起源一、線粒體的增殖二、線粒體的起源

一、線粒體的增殖增殖：目前認(rèn)為是由原來的線粒體分裂或出芽形成線粒體增殖有幾種方式:間壁分離收縮后分裂出芽分裂肝細(xì)胞中的線粒體

(二)線粒體的起源被人們普遍接受的學(xué)說是內(nèi)共生起源學(xué)說(1970):細(xì)胞的祖先是一種