細(xì)胞生物學(xué)線粒體

關(guān)于細(xì)胞生物學(xué)線粒體細(xì)胞生物學(xué)—線粒體線粒體研究歷史1890年R.Altaman首次發(fā)現(xiàn)，命名為bioblast。1898年vonBenda提出mitochondrion。1900年L.Michaelis用JanusGreenB染色，發(fā)現(xiàn)線粒體具有氧化作用。Green（1948）證實(shí)線粒體含所有三羧酸循環(huán)的酶，Kennedy和Lehninger（1949）發(fā)現(xiàn)脂肪酸氧化為CO2的過程是在線粒體內(nèi)完成的。第2頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體

線粒體（mitochondria)是一個(gè)由兩層單位膜包圍的含有100多種酶類的細(xì)胞器，它是細(xì)胞進(jìn)行生物氧化和能量轉(zhuǎn)換的主要埸所。一、結(jié)構(gòu)（一）形態(tài)與分布線粒體一般呈粒狀或桿狀，但因生物種類和生理狀態(tài)而異，可呈環(huán)形，啞鈴形、線狀、分杈狀或其它形狀。一般直徑0.5~1μm，長1.5~3.0μm，在胰臟外分泌細(xì)胞中可長達(dá)10~20μm，稱巨線粒體。數(shù)目一般數(shù)百到數(shù)千個(gè)。第3頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體（二）亞微結(jié)構(gòu)1.外膜(outermembrane)

2.內(nèi)膜(innermembrane)

膜間腔(intermembranespace)

嵴(cristae)

嵴間腔(intercristaespace)

基粒(elementareyparticle）

基粒分頭、柄、基片三部分，頭部突入內(nèi)腔,基片嵌于內(nèi)膜，柄部將頭部和基片相聯(lián)?；Ｊ茄趸姿峄瘓鏊軐DP磷酸化生成ATP。第4頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體二、線粒體的功能：糖酵解：在細(xì)胞質(zhì)中，脂肪和葡萄糖降解生成丙酮酸進(jìn)入線粒體基質(zhì)。三羧酸循環(huán)：

在線粒體基質(zhì)中,在丙酮脫氫酶體系作用下，丙酮酸進(jìn)一步分解為乙酰輔酶A，NAD+作為受氫體被還原。丙酮酸+輔酶A+2NAD+2乙酰輔酶A+CO2+2NADH+2H+

乙酰輔酶A與草酰乙酸結(jié)合生成檸檬酸，三羧酸循環(huán)開始?？偡磻?yīng)式：

2乙酰輔酶A+6NAD++2FAD++2ADP+2Pi+6H2O

4CO2+6NADH+6H++2FADH2+2輔酶A+2ATP第5頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體第6頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體3.電子傳遞和氧化磷酸化一分子葡萄糖經(jīng)無氧氧化，丙酮酸脫氫和TAC循環(huán)共產(chǎn)生6分子CO2和12對(duì)H，這些H必須進(jìn)一步氧化成為水,整個(gè)有氧氧化過程才能完成。但H并不能與O2直接結(jié)合,一般認(rèn)為H必需首先離解為H+和e-,電子經(jīng)過線粒體內(nèi)膜上酶體系的逐級(jí)傳遞最終使1/2O2成為O-，后者再與基質(zhì)中的2個(gè)H+化合生成H2O。這一傳遞電子的酶體系是一系列能夠可逆地接受和釋放H+和e-的化學(xué)物質(zhì)所組成，它們?cè)趦?nèi)膜上有序地排列成相互關(guān)聯(lián)的鏈狀稱為呼吸鏈。

氧化磷酸化：經(jīng)糖酵解和三羧酸循環(huán)產(chǎn)生的NADH和FADH2是兩種還原性的電子載體，它們所攜帶的電子經(jīng)線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈逐級(jí)傳遞給O2并將H+從線粒體基質(zhì)泵入膜間隙，這在膜間隙和基質(zhì)間產(chǎn)生了H+質(zhì)梯度，當(dāng)H+通過ATP合成酶裝置進(jìn)入基質(zhì)時(shí)，可使ADP分子與磷酸基團(tuán)合成ATP。第7頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體

電子呼吸鏈的組成主要包括：黃素蛋白、細(xì)胞色素、銅原子、鐵硫蛋白、輔酶Q等。黃素蛋白含F(xiàn)MN（圖7-4）或FAD的蛋白質(zhì)，每個(gè)FMN或FAD可接受2個(gè)電子2個(gè)質(zhì)子。呼吸鏈上具有FMN為輔基的NADH脫氫酶，以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶。第8頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體

細(xì)胞色素：分子中含有血紅素鐵（圖7-5），以共價(jià)形式與蛋白結(jié)合，通Fe3+、Fe2+形式變化傳遞電子，呼吸鏈中有5類，即：細(xì)胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有銅原子。第9頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體

鐵硫蛋白：在其分子結(jié)構(gòu)中每個(gè)鐵原子和4個(gè)硫原子結(jié)合，通過Fe2+、Fe3+互變進(jìn)行電子傳遞，有2Fe-2S和4Fe-4S兩種類型。第10頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體

輔酶Q：是脂溶性小分子量的醌類化合物，通過氧化和還原傳遞電子。有3種氧化還原形式即氧化型醌Q，還原型氫醌（QH2）和介于兩者之者的自由基半醌（QH）。

呼吸鏈的復(fù)合物呼吸鏈組分按氧化還原電位由低向高的方向排列，電子逐級(jí)傳遞、能量逐漸釋放。呼吸鏈的復(fù)合物包括復(fù)合物I、Ⅱ、ⅡI和IV，輔酶Q和細(xì)胞色素C不屬于任何一種復(fù)合物。輔酶Q溶于內(nèi)膜、細(xì)胞色素C位于線粒體內(nèi)膜的C側(cè)，屬于膜的外周蛋白。第11頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體

復(fù)合物I含有一個(gè)FMN和至少6個(gè)鐵硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚體形式存在，其作用是催化NHDH的2個(gè)電子傳遞至輔酶Q，同時(shí)將4個(gè)質(zhì)子由線粒體基質(zhì)（M側(cè)）轉(zhuǎn)移至膜間隙（C側(cè)）。電子傳遞的方向?yàn)椋篘HDH→FMN→Fe-S→Q，總的反應(yīng)結(jié)果為：

NADH+5H+M+Q→NAD++QH2+4H+C

復(fù)合物Ⅱ?yàn)殓晁崦摎涿福辽儆?條肽鏈組成，含有一個(gè)FAD，2個(gè)鐵硫蛋白，其作用是催化電子從琥珀酸轉(zhuǎn)至輔酶Q，但不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。電子傳遞的方向?yàn)椋虹晁帷鶩AD→Fe-S→Q。

第12頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體

復(fù)合物I含有一個(gè)FMN和至少6個(gè)鐵硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚體形式存在，其作用是催化NHDH的2個(gè)電子傳遞至輔酶Q，同時(shí)將4個(gè)質(zhì)子由線粒體基質(zhì)（M側(cè)）轉(zhuǎn)移至膜間隙（C側(cè)）。電子傳遞的方向?yàn)椋篘HDH→FMN→Fe-S→Q，總的反應(yīng)結(jié)果為：

NADH+5H+M+Q→NAD++QH2+4H+C

復(fù)合物Ⅱ?yàn)殓晁崦摎涿?，至少?條肽鏈組成，含有一個(gè)FAD，2個(gè)鐵硫蛋白，其作用是催化電子從琥珀酸轉(zhuǎn)至輔酶Q，但不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。電子傳遞的方向?yàn)椋虹晁帷鶩AD→Fe-S→Q。

第13頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體

復(fù)合物Ⅲ即細(xì)胞色素c還原酶，由至少11條不同肽鏈組成，以二聚體形式存在，每個(gè)單體包含兩個(gè)細(xì)胞色素b（b562、b566）、一個(gè)細(xì)胞色素c1和一個(gè)鐵硫蛋白。其作用是催化電子從輔酶Q傳給細(xì)胞色素c，每轉(zhuǎn)移一對(duì)電子，同時(shí)將4個(gè)質(zhì)子由線粒體基質(zhì)泵至膜間隙?？偟姆磻?yīng)結(jié)果：

2氧化態(tài)cytc1+QH2+2H+M→2氧化態(tài)cytc1+Q+4H+C

復(fù)合物IV為即細(xì)胞色素c氧化酶，其作用是將從細(xì)胞色素c接受的電子傳給氧，每轉(zhuǎn)移一對(duì)電子，在基質(zhì)側(cè)消耗2個(gè)質(zhì)子，同時(shí)轉(zhuǎn)移2個(gè)質(zhì)子至膜間隙。每個(gè)單體由至少13條不同的肽鏈組成，兩個(gè)血紅素（a1、a3）和一個(gè)銅離子(CuB)，血紅素a3和CuB形成雙核的Fe-Cu中心。電子傳遞的路線為：cytc→CuA→hemea→a3-CuB→O2，總的反應(yīng)結(jié)果為：4還原態(tài)cytc+8H+M+O2→4氧化態(tài)cytc+4H+C+2H2O第14頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體第15頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體第16頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體

氧化磷酸化的作用機(jī)理

質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)

MitchellP.1961提出“化學(xué)滲透假說(ChemiosmoticHypothesis)”，70年代關(guān)于化學(xué)滲透假說取得大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持，成為一種較為流行的假說。第17頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體ATP合酶的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理

ATP合酶（ATPsynthetase）分子量為500KD，狀如蘑菇。分為球形的F1（頭部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)合成ATP，也可以水解ATP，轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子，屬于F型質(zhì)子泵。

F1由5種多肽組成α3β3γδε復(fù)合體，具有三個(gè)ATP合成的催化位點(diǎn)（每個(gè)β亞基具有一個(gè)）。α和β單位交替排列，狀如桔瓣。γ貫穿αβ復(fù)合體（相當(dāng)于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子），并與F0接觸，ε幫助γ與F0結(jié)合。δ與F0的兩個(gè)b亞基形成固定αβ復(fù)合體的結(jié)構(gòu)。第18頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體第19頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體三、線粒體的半自主性線粒體在形態(tài)、染色反應(yīng)、化學(xué)組成、物理性質(zhì)和活動(dòng)狀態(tài)上，都很象細(xì)菌。1963年M.&S.Nass發(fā)現(xiàn)線粒體DNA，后來又發(fā)現(xiàn)了RNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶、tRNA、核糖體、氨基酸活化酶等進(jìn)行DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯的全套裝備。但其遺傳體系具有和細(xì)菌相似的特征如：

1.

DNA為環(huán)形分子；

2.

70S型核糖體；

3.

RNA聚合酶被溴化乙錠抑制不被放線菌素D所抑制；

4.

tRNA、氨?；?tRNA合成酶不同于細(xì)胞質(zhì)中的；

5.

蛋白質(zhì)合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA，對(duì)細(xì)菌蛋白質(zhì)合成抑制劑氯霉素敏感對(duì)細(xì)胞質(zhì)蛋白合成抑制劑放線菌酮不敏感。

第20頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體6.

哺乳動(dòng)物mtDNA的遺傳密碼與通用的遺傳密碼有以下區(qū)別：

1)

UGA不是終止信號(hào)，而是色氨酸的密碼；

2)

多肽內(nèi)部的甲硫氨酸由AUG和AUA兩個(gè)密碼子編碼；起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四個(gè)密碼子編碼；

3)

AGA,AGG不是精氨酸的密碼子，而是終止密碼子，線粒體密碼系統(tǒng)中有4個(gè)終止密碼子（UAA,UAG,AGA,AGG）。四、線粒體的增殖線粒體的增殖是通過已有的線粒體的分裂，有以下幾種形式：1、間壁分離（圖7-14），分裂時(shí)先由內(nèi)膜向中心皺褶，將線粒體分類兩個(gè)，常見于鼠肝和植物產(chǎn)生組織中。第21頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體2、收縮后分離，分裂時(shí)通過線粒體中部縊縮并向兩端不斷拉長然后分裂為兩個(gè)，見于蕨類和酵母線粒體中。3、出芽，見于酵母和蘚類植物，線粒體出現(xiàn)小芽，脫落后長大，發(fā)育為線粒體。第22頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體六、線粒體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)大量線粒體蛋白質(zhì)是在細(xì)胞質(zhì)中合成的。這些蛋白質(zhì)在在運(yùn)輸以前，以未折疊的前體形式存在，與之結(jié)合的分子伴娘（屬hsp70家族）和與信號(hào)肽結(jié)合的蛋白質(zhì)保持前體蛋白質(zhì)處于非折疊狀態(tài)，前體蛋白質(zhì)N端有一段信號(hào)序列稱為導(dǎo)肽或引肽（Leadersequence），完成轉(zhuǎn)運(yùn)后被信號(hào)肽酶（signalpeptidase）切除，就成為成熟蛋白，這種現(xiàn)象就叫做后轉(zhuǎn)譯（posttranslation，圖7-22）。第23頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體第24頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體信號(hào)肽的特點(diǎn)是：信號(hào)肽形成一個(gè)兩性α螺旋，帶正電荷的氨基酸殘基和不帶電荷的疏水氨基酸殘基分別位于螺旋的兩側(cè)。蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)涉及多種蛋白復(fù)合體—轉(zhuǎn)位因子（translocator）第25頁,共28頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞生物學(xué)—線粒體TOM復(fù)合體：負(fù)責(zé)通過外膜，進(jìn)入膜間隙

TIM復(fù)合體：包括TIM23和TIM22復(fù)合體，負(fù)責(zé)通過內(nèi)膜，TOM和TIM復(fù)合體均包括接受蛋白質(zhì)的受體和供蛋白質(zhì)通過的通道。TIM23負(fù)責(zé)將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到基質(zhì)；TIM22負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)