醫(yī)學(xué)-細(xì)胞生物學(xué)-線粒體-公開(kāi)課課件

Part07線粒體Mitochondrion線粒體作為細(xì)胞內(nèi)重要的能量產(chǎn)生基地，它是如何工作的，哪些結(jié)構(gòu)參與了這一過(guò)程？細(xì)胞的動(dòng)力工廠煤發(fā)電廠電食物線粒體

ATP

ATP95％概述1890年，Altman首次在動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，并稱(chēng)之為“bioblast”（“生命小體”）；1897年，Benda依其在光學(xué)顯微鏡下的形態(tài)學(xué)特征而命名為線粒體(mitochondria)，被沿用至今；1900年，Michaelis用詹納斯綠B（JanusgreenB）活體染色，發(fā)現(xiàn)線粒體含有大量細(xì)胞色素氧化酶系，推斷進(jìn)行氧化還原反應(yīng)；概述1912年，Kingsbury首先提出線粒體是細(xì)胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)的場(chǎng)所；1963年，Nass發(fā)現(xiàn)線粒體中存在DNA，奠定線粒體遺傳和線粒體遺傳病研究的基礎(chǔ)。Hatefi等（1976）純化了呼吸鏈四個(gè)獨(dú)立的復(fù)合體。Mitchell（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說(shuō)。1981年Anderson等公布了完整的人線粒體DNA序列。第一節(jié)線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)Structureofmitochondrion一、線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量及分布光鏡結(jié)構(gòu)：短線狀、粒狀或桿狀。細(xì)胞在爬片培養(yǎng)后用4%多聚甲醛固定后，通過(guò)免疫熒光染色后用FV1000共聚焦掃描顯微鏡成像。

紅色:微管蛋白;

藍(lán)色:細(xì)胞核

綠色:anti-calnexin(內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上表達(dá))

紫色:線粒體

大?。弘S細(xì)胞不同差異較大。肝細(xì)胞內(nèi)線粒體形態(tài)大小隨細(xì)胞環(huán)境改變而改變數(shù)量：因細(xì)胞種類(lèi)不同而異。分布：在細(xì)胞內(nèi)分布不均，一般聚集在細(xì)胞功能旺盛，需要能量供應(yīng)的區(qū)域。電鏡結(jié)構(gòu)：線粒體是由兩層單位膜圍成的封閉膜性結(jié)構(gòu)，其內(nèi)膜和外膜套疊構(gòu)成囊中囊，內(nèi)囊與外囊不相通。二、線粒體的亞微結(jié)構(gòu)是包圍整個(gè)線粒體外面的一層單位膜，厚度約6nm，光滑富彈性、封閉成囊。膜上含有孔蛋白（porin），其中央有小孔，可通過(guò)分子量1kDa以下的分子，是線粒體外膜物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的通道，因此，外膜通透性較高。(一）外膜（outermembrane）位于外膜內(nèi)側(cè)，由一層平均厚度為4.5nm的單位膜組成，通透性較外膜小，僅允許小的不帶電荷的分子進(jìn)入，大分子、離子則需特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白幫助才能進(jìn)行跨膜運(yùn)輸。內(nèi)膜向內(nèi)褶疊形成嵴（cristae）(二）內(nèi)膜（innermembrane）內(nèi)膜和嵴上有許多基本微粒（基粒）外膜(outermembrane)厚約6nm蛋白質(zhì):脂類(lèi)＝1:1通透性高。孔蛋白成規(guī)則排列，內(nèi)有孔膜表面光滑平整。內(nèi)膜（innermembrane）厚約4.5nm蛋白質(zhì):脂類(lèi)＝3.8:1通透性很低。具運(yùn)輸?shù)鞍?，轉(zhuǎn)移小分子；膜向內(nèi)折疊成嵴，上有大量基粒又稱(chēng)為外室（outerchamber）,是線粒體內(nèi)、外膜之間的腔隙，與嵴內(nèi)腔相通。(三）膜間隙（intermembranespace）又稱(chēng)內(nèi)室（innerchamber），是線粒體內(nèi)膜封閉形成的，嵴和嵴之間的腔隙，也叫嵴間腔或內(nèi)腔。其內(nèi)充滿了液態(tài)的無(wú)定形膠質(zhì)溶液，內(nèi)含蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、DNA、RNA、核糖體、多種酶、基質(zhì)顆粒等，稱(chēng)為基質(zhì)。由于內(nèi)膜的選擇性通透作用，使細(xì)胞質(zhì)與基質(zhì)之間的物質(zhì)交換受到控制。(四）基質(zhì)（matrix）在內(nèi)膜或嵴膜上存在許多與膜面垂直的帶柄的球形小體，由頭、柄、基片三部分組成。又稱(chēng)為ATP酶復(fù)合體，是線粒體功能發(fā)揮的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。(五）基粒（elementaryparticle）頭部：化學(xué)本質(zhì)是水溶性ATP酶系，又稱(chēng)F1因子或F1-ATPase。純化的F1因子催化ATP水解，當(dāng)頭部通過(guò)柄部與基片相連時(shí)催化ATP合成。在內(nèi)膜或嵴膜上存在許多與膜面垂直的帶柄的球形小體，由頭、柄、基片三部分組成。又稱(chēng)為ATP酶復(fù)合體，是線粒體功能發(fā)揮的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。(五）基粒（elementaryparticle）柄部：連接頭部（F1）和基片（F0）的結(jié)構(gòu)。有對(duì)寡霉素敏感的蛋白（OSCP），作用是使F1因子對(duì)寡霉素敏感，從而抑制ATP合成。在內(nèi)膜或嵴膜上存在許多與膜面垂直的帶柄的球形小體，由頭、柄、基片三部分組成。又稱(chēng)為ATP酶復(fù)合體，是線粒體功能發(fā)揮的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。(五）基粒（elementaryparticle）基片：又稱(chēng)F0因子或F0-ATPase，是鑲嵌于內(nèi)膜（嵴）脂雙分子層中的疏水蛋白復(fù)合體，由多亞基組成，形成一個(gè)跨膜的質(zhì)子通道。其周?chē)泻粑?。是將氧化過(guò)程中所釋放的能量傳遞到頭部催化ADP磷酸化生成ATP的中轉(zhuǎn)站。ATP酶結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)模型ATP酶的結(jié)構(gòu)模型Β亞基的結(jié)合位點(diǎn)具有催化ATP合成或水解的作用，γ和ε結(jié)合形成轉(zhuǎn)子，ε有抑制酶水解ATP的活性，同時(shí)有減少H+泄漏的功能TheNobelPrizeinChemistry1997

"fortheirelucidationoftheenzymaticmechanismunderlyingthesynthesisofadenosinetriphosphate(ATP)"PaulD.BoyerJohnE.WalkerATP合成和水解示意圖IntercristalspaceDNAATPsynthaseInnermembraneRibosomeCristaeMatrixMatricalgranuleOutermembraneIntermembranespace

OuterchamberInnerchamber第二節(jié)線粒體的化學(xué)組成及酶定位Chemicalcompositionandenzymesofmitochondrion主要成分是蛋白質(zhì)和脂類(lèi)，尤以蛋白質(zhì)為多。1、蛋白質(zhì)線粒體干重的65%-70%，內(nèi)膜含量較多。分為可溶性蛋白和不溶性蛋白兩大類(lèi)?？扇苄缘鞍踪|(zhì)指線粒體基質(zhì)中的酶和線粒體膜上的外周蛋白；不溶性蛋白質(zhì)指線粒體膜上的鑲嵌蛋白和酶。一、線粒體的化學(xué)組成(Chemicalcomposition）線粒體組分的分離方法2、脂質(zhì)占線粒體干重的25%-30%，不同來(lái)源線粒體的脂質(zhì)組成成分有差異，但均以磷脂為主。線粒體脂質(zhì)與蛋白質(zhì)的比例在外膜為1：1，而在內(nèi)膜為1：4，此外，線粒體內(nèi)外膜所含脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的種類(lèi)也有差異。3、水、無(wú)機(jī)鹽離子及其他二、線粒體中酶的定位分布（Localizationofenzymes）線粒體是細(xì)胞質(zhì)中含酶最多的細(xì)胞器之一。140余種，37％氧化還原酶，10％合成酶，9％水解酶，標(biāo)志酶30余種，主要在內(nèi)膜和基質(zhì)中。三羧酸循環(huán)酶類(lèi)：線粒體基質(zhì)中。呼吸鏈酶類(lèi)：線粒體內(nèi)膜上。ATP酶復(fù)合體（基粒）：線粒體內(nèi)膜上。線粒體功能部位的標(biāo)志酶:外膜——單胺氧化酶內(nèi)膜——細(xì)胞色素氧化酶膜間腔——腺苷酸激酶基質(zhì)——蘋(píng)果酸脫氫酶第三節(jié)線粒體的功能Functionofmitochondrion線粒體是細(xì)胞氧化的中心和動(dòng)力站。其主要功能是氧化磷酸化，合成ATP。通過(guò)對(duì)三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（糖、脂肪、氨基酸）有氧氧化釋放能量，并將能量通過(guò)ADP磷酸化，儲(chǔ)存于ATP中，以ATP形式提供細(xì)胞生命活動(dòng)所需能量的95%以上。食物﹛糖脂肪蛋白質(zhì)脂肪酸+甘油單糖氨基酸消化道內(nèi)丙酮酸細(xì)胞內(nèi)糖酵解線粒體ATP細(xì)胞氧化：生物體從外界吸收O2，將細(xì)胞內(nèi)各種能源物質(zhì)氧化分解，放出CO2和H2O，釋放能量，供生命活動(dòng)的需要，又稱(chēng)細(xì)胞呼吸。細(xì)胞氧化及其基本過(guò)程(Celloxidationanditsbasicprocess)糖酵解乙酰CoA生成三羧酸循環(huán)電子傳遞和偶聯(lián)的氧化磷酸化基本過(guò)程生物氧化產(chǎn)生ATP的統(tǒng)計(jì)一個(gè)葡萄糖分子經(jīng)過(guò)細(xì)胞呼吸全過(guò)程產(chǎn)生多少ATP？

糖酵解：底物水平磷酸化產(chǎn)生4ATP（細(xì)胞質(zhì)）己糖分子活化消耗2ATP（細(xì)胞質(zhì)）

產(chǎn)生2NADH，經(jīng)電子傳遞產(chǎn)生3或5ATP

（線粒體）凈積累5或7ATP

丙酮酸氧化脫羧：產(chǎn)生2NADH（線粒體），生成5ATP

三羧酸循環(huán)：底物水平的磷酸化產(chǎn)生（線粒體）2ATP；

產(chǎn)生6NADH（線粒體），生成15ATP；

產(chǎn)生2FADH2（線粒體），生成3ATP

總計(jì)生成30或32ATP第四節(jié)線粒體的半自主性Semiautonomousofmitochondrion線粒體具有自身的遺傳體系（mtDNA、tRNA、核糖體，氨基酸活化酶等），mtDNA能自主復(fù)制轉(zhuǎn)錄和翻譯。但由于其遺傳信息量小，只能合成13種線粒體蛋白，線粒體90％以上的蛋白由核基因編碼，因此線粒體是一個(gè)半自主性的細(xì)胞器（semiautonomousorganelle）。MithavetheirowngeneticsystemsMitisorganellessemiautocephaly.Thesynthesisofmitproteinsiscoordinated.mtDNA被稱(chēng)為是真核細(xì)胞的第二遺傳系統(tǒng)。存在于線粒體基質(zhì)中，多為裸露的閉合雙鏈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所含堿基對(duì)少，可自我復(fù)制。其含量?jī)H為全細(xì)胞DNA含量的1%。一、mtDNA人mtDNA的結(jié)構(gòu)：16569bp，由兩條鏈組成的閉合環(huán)狀分子，共編碼2種rRNA，22種tRNA，13種蛋白質(zhì)。外環(huán)為重鏈（H鏈），內(nèi)環(huán)為輕鏈（L鏈）。GenesinmtDNAencoderRNAs,tRNAs,andsomemitochondrialproteinsHumanmtDNA:16,569bp2rRNAs,22tRNAs,13polypeptides:NADHreductase.7sub.Ctyb-c1complex.1cytbCytoxidase.3subunitsATPsynthase:2F0sub

ProductsofmtgenesarenotexportedmtDNA表現(xiàn)為母系遺傳。其突變率高于核DNA，并且缺乏修復(fù)能力。有些遺傳病，如Leber遺傳性視神經(jīng)病，肌陣攣性癲癇等均與線粒體基因突變有關(guān)。線粒體蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的特點(diǎn)：1.線粒體蛋白質(zhì)前體由細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的游離核糖體合成后，再轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體內(nèi)，即屬于后轉(zhuǎn)移形式單向跨膜運(yùn)輸。三、蛋白質(zhì)跨線粒體膜的運(yùn)送2.線粒體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)需要特定的蛋白質(zhì)分選信號(hào)（導(dǎo)肽）引導(dǎo)。前導(dǎo)序列能識(shí)別線粒體表面的受體。線粒體蛋白通過(guò)其內(nèi)外膜的接觸點(diǎn)進(jìn)入線粒體內(nèi)。這一過(guò)程需要線粒體外膜的GIP(generalinsertionprotein)蛋白的幫助。前導(dǎo)序列水解酶和前導(dǎo)序列水解激活酶。3.線粒體蛋白質(zhì)前體在跨膜運(yùn)送前后，需經(jīng)歷一個(gè)解折疊與重折疊的成熟過(guò)程。該過(guò)程中，需分子伴侶的幫助。第六節(jié)線粒體與疾病MitochondrialanddiseasemtDNA突變→線粒體病線粒體病常常表現(xiàn)為肌病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，因?yàn)樾募?、骨骼肌和神?jīng)系統(tǒng)是耗能多的器官的組織，依賴(lài)氧化磷酸化的程度高。典型的線粒體病是Leber′s遺傳性視神經(jīng)病。視神經(jīng)進(jìn)行性變，急性視覺(jué)喪失，通常在20歲左右發(fā)病。一、mtDNA突變與疾病Laber’s遺傳性視神經(jīng)病雙胞胎患病兄弟視乳頭盤(pán)血管膨脹、視神經(jīng)萎縮癌變細(xì)胞線粒體數(shù)量為何減少癌細(xì)胞的線粒體有功能障礙并主要由糖酵解獲得能量線粒體的減少也是細(xì)胞未成熟和（或）去分化的表現(xiàn)。二、線粒體與腫瘤機(jī)體組織缺血，胞內(nèi)氧分壓下降等，可立即引起線粒體功能的減弱以至停止。三、線粒體對(duì)代謝變化的反應(yīng)甲狀腺素、磷化物等可使線粒體發(fā)生腫脹而破裂；氰化物、疊氮鈉及CO等毒物可阻斷呼吸鏈，使氧化磷酸化中斷，ATP合成受阻。四、藥物和毒素對(duì)線粒體的影響用線粒體的一些特殊組分來(lái)治療疾病，已越來(lái)越多地受到人們的關(guān)注。例：細(xì)胞色素C－CO中毒、新生兒窒息、肺功能不全、高山缺氧、心肌炎及心絞痛的急救和輔助用藥；輔酶（NAD＋）－進(jìn)行性肌肉萎縮、和肝炎；CoQ－心肌炎、牙周病、高血壓、肌肉萎縮及急性黃膽性肝炎等。五、線粒體某些組分的治療作用小結(jié)掌握：線粒體的電鏡結(jié)構(gòu)（包括ATP合成酶即基本微粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)）；理解其半自主性。熟悉：線粒體酶的定位分布（主要是標(biāo)志酶）；蛋白質(zhì)被運(yùn)送到線粒體的特點(diǎn)。復(fù)習(xí)思考題線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其功能是什么？為什么說(shuō)線粒體具有半自主性？如果某種疾病的發(fā)生與線粒體有關(guān)，你會(huì)如何著手開(kāi)展相關(guān)的研究？Part08核糖體Ribosome核糖體作為蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所，是如何參與蛋白質(zhì)合成的？TheNobelPrizeinChemistry2009wasawardedtoVenkatramanRamakrishnan,ThomasA.SteitzandAdaE.Yonathfordeterminingthedetailedstructureandmechanismoftheribosome.概述核糖體(ribosome)是細(xì)胞內(nèi)一種核糖核蛋白顆粒(ribonucleoproteinparticle)，是一種非膜性顆粒狀的細(xì)胞器。是蛋白質(zhì)合成的中心場(chǎng)所，存在于幾乎所有類(lèi)型的活細(xì)胞中，是細(xì)胞最基本的不可缺少的重要結(jié)構(gòu)，被稱(chēng)為生命活動(dòng)的基本粒子。第一節(jié)核糖體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與存在形式MorphologicalstructureandexistenceformofRibosome電鏡結(jié)構(gòu)：核糖體由大、小兩個(gè)亞基組成。大亞基：略呈圓錐形；中央部位有一條管道（中央管道），是新合成的多肽鏈釋放的通道。小亞基：長(zhǎng)條狀，呈略微彎曲的葫蘆形。大小亞基結(jié)合時(shí)在其結(jié)合面上形成一條隧道，這是mRNA穿過(guò)的通道。一、核糖體的形態(tài)結(jié)構(gòu)（morphologicalstructureofribosome）核糖體的大小亞基二、核糖體的存在形式（existentialformofribosome）游離大、小亞基不合成蛋白質(zhì)時(shí)核糖體單體多聚核糖體解聚、脫離合成蛋白質(zhì)時(shí)完成合成任務(wù)附著核糖體游離核糖體多核糖體（polyribosome）：蛋白質(zhì)合成過(guò)程中，多個(gè)核糖體單體被mRNA串聯(lián)在一起。合成蛋白質(zhì)時(shí)真核生物細(xì)胞質(zhì)核糖體的存在形式：附著核糖體（fixedribosome）：附著于RER和核膜的核糖體；負(fù)責(zé)合成輸出性分泌蛋白質(zhì)。這種附著是臨時(shí)性功能性附著。游離核糖體（freeribosome）：游離于細(xì)胞質(zhì)中的核糖體；負(fù)責(zé)合成結(jié)構(gòu)性蛋白質(zhì)。Mg2+濃度對(duì)大小亞基的聚合和解離的影響:70S核糖體在Mg2+的濃度小于1mm/L的溶液中易解離;當(dāng)Mg2+濃度大于10mm/L,兩個(gè)核糖體通常形成100S的二聚體。第二節(jié)核糖體的基本類(lèi)型與化學(xué)成分ThetypeandchemicalcompositionofRibosome一、核糖體的基本類(lèi)型（ThebasictypesofRibosome）根據(jù)核糖體來(lái)源的生物類(lèi)群的不同分類(lèi)：原核生物核糖體真核生物核糖體細(xì)胞質(zhì)核糖體細(xì)胞器核糖體線粒體核糖體（動(dòng)物）葉綠體核糖體（植物）核糖體的化學(xué)成分是：rRNA和核糖體蛋白質(zhì)（ribosomeprotein,rP）。

rRNA位于核糖體內(nèi)部，而蛋白質(zhì)則主要分布在核糖體表面，二者靠非共價(jià)鍵結(jié)合。不同類(lèi)型的核糖體在大小及化學(xué)成分上有差異。二、核糖體的化學(xué)組成（ThechemicalcompositionofRibosome）兩種基本類(lèi)型70S的核糖體（50S+30S），主要存在于原核細(xì)胞。大亞基（50S）：23S、5SrRNA+34種蛋白質(zhì)

小亞基（30S）：16SrRNA+21種蛋白質(zhì)80S的核糖體（60S+40S），存在于所有真核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)。大亞基（60S）：5S、5.8S、28SrRNA+49種蛋白質(zhì)

小亞基（40S）：18srRNA+33種蛋白質(zhì)第三節(jié)核糖體的功能TheFunctionoftheRibosome核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的結(jié)合位點(diǎn)與催化位點(diǎn)一、核糖體的功能位點(diǎn)（Thefunctionalsiteofribosome）核糖體的功能位點(diǎn)mRNA結(jié)合位點(diǎn)：位于小亞基上。氨?；Y(jié)合位點(diǎn)，又稱(chēng)A位(Asite)或受位(entrysite)：主要位于大亞基上，是與新?lián)饺氲陌滨?tRNA相結(jié)合的部位。肽?；Y(jié)合位點(diǎn)，又稱(chēng)P位(Psite)或供位(donorsite)：主要位于大亞基上，是與延伸中的肽?；?tRNA結(jié)合的部位。核糖體的功能位點(diǎn)tRNA結(jié)合位點(diǎn)，又稱(chēng)E位（exitsite）：位于大亞基上，是肽酰-tRNA移交肽鏈后tRNA的暫時(shí)停靠點(diǎn)。肽?；D(zhuǎn)移酶位：位于大亞基上，是與肽酰-tRNA從A位點(diǎn)轉(zhuǎn)移到P位點(diǎn)有關(guān)的轉(zhuǎn)移酶（即延伸因子EF-G）的結(jié)合位點(diǎn)。同時(shí)，此位點(diǎn)還可能與催化氨基酸之間形成肽鍵和水解GTP為肽酰-tRNA的轉(zhuǎn)移提供能量有關(guān)。多聚核糖體：由mRNA分子和多個(gè)核糖體形成的聚合體，是蛋白質(zhì)合成的功能基團(tuán)。多聚核糖體所含核糖體的數(shù)量是由mRNA分子的長(zhǎng)度決定的。一般情況下，mRNA分子越長(zhǎng)，核糖體的個(gè)數(shù)就越多。二、蛋白質(zhì)合成的基本過(guò)程（Thebasicprocessofproteinsynthesis）結(jié)構(gòu)性蛋白質(zhì)（內(nèi)源性蛋白質(zhì)）：主要由游離于細(xì)胞質(zhì)中的游離