細胞生物學__線粒體與細胞的能量轉換

1、第六章第六章 線粒體與細胞的能量轉換線粒體與細胞的能量轉換 生物的各種活動都需要能量生物的各種活動都需要能量能量的能量的80-95%80-95%由線粒體提供由線粒體提供動力工廠動力工廠存在于除紅細胞以外的一切真核細胞中存在于除紅細胞以外的一切真核細胞中 第一節(jié)第一節(jié) 線粒體的基本特征線粒體的基本特征 一一線粒體的形態(tài)結構和數(shù)量線粒體的形態(tài)結構和數(shù)量 光鏡下：光鏡下： 線狀線狀、粒狀粒狀或或桿狀桿狀 不同生理條件下不同生理條件下 形狀、大小、數(shù)目形狀、大小、數(shù)目 及分布不一及分布不一 電鏡下（超微結構）：電鏡下（超微結構）：外膜外膜內膜內膜膜間腔膜間腔基質腔基質腔（一）（一） 外膜外膜 (out

2、 membrane)： 一層單位膜一層單位膜 7nm， 脂類和蛋白各脂類和蛋白各1/2, 含直徑含直徑1-3nm通道通道 的孔的孔 蛋白蛋白, 可通過可通過10000以下分子量的物質以下分子量的物質 （二）內膜和內部空間（二）內膜和內部空間 內膜內膜 (inner membrane)：一層單位膜一層單位膜 4.5nm， 蛋白占蛋白占80%, 高度的選擇通透性高度的選擇通透性, 大于大于150分子量的物質不能自由分子量的物質不能自由 通通 過過 嵴嵴(cristae)：內膜上向內腔突起的折疊，增加內膜面積內膜上向內腔突起的折疊，增加內膜面積 基粒基粒 (elemetary particle) （

3、ATP合酶合酶/ F0F1ATP酶）酶） 頭部頭部 (偶聯(lián)因子偶聯(lián)因子F1)：圓球形，突入內腔，圓球形，突入內腔， 具有酶活性，催化具有酶活性，催化ADPATP 柄柄 部：部： 連接頭部和基部，調控質子通道連接頭部和基部，調控質子通道 基部基部 (F0偶聯(lián)因子偶聯(lián)因子) ：嵌于內膜中，有物種差異，連接嵌于內膜中，有物種差異，連接 F1和內膜，質子流向和內膜，質子流向F1的穿膜通道的穿膜通道（三）（三）膜間腔（外室）膜間腔（外室）(intermembrane space / out chamber)： 內外膜之間內外膜之間 包括嵴內腔包括嵴內腔 含多種可溶性酶，含多種可溶性酶， 含底物和含底物和

4、 輔助因子輔助因子 轉位接觸點：內外膜相互接觸部位，蛋白進出通道轉位接觸點：內外膜相互接觸部位，蛋白進出通道（四）基質腔（內室（四）基質腔（內室 / 嵴間腔）嵴間腔） (matrix space / inner chamber) ：內膜包圍的空間，內膜包圍的空間， 三羧酸循環(huán)的重要場所三羧酸循環(huán)的重要場所 基質基質(matrix)： 含多種酶含多種酶 ，雙鏈環(huán)狀，雙鏈環(huán)狀DNADNA、RNA,RNA,核糖體核糖體 二線粒體的化學組成二線粒體的化學組成 蛋白質蛋白質 脂類脂類 DNA/RNA/核糖體核糖體 輔酶：如輔酶：如CoQ , FMN, FAD, NAD+ 維生素維生素 無機離子：無機離子

5、：Na+, K+, Mg2+, Zn2+ (一一)蛋白質：蛋白質： 占占65%-70%65%-70%，分布在內膜和基質中，分布在內膜和基質中 可溶性蛋白：基質中的酶和膜外周蛋白可溶性蛋白：基質中的酶和膜外周蛋白 不溶性蛋白：膜結構蛋白和部分酶不溶性蛋白：膜結構蛋白和部分酶 120多種酶：多種酶：是是細胞中含酶最多的細胞器細胞中含酶最多的細胞器 內膜內膜細胞色素氧化酶，琥珀酸脫氫酶細胞色素氧化酶，琥珀酸脫氫酶 標志酶：標志酶： 外膜外膜單胺氧化酶單胺氧化酶 基質基質蘋果酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶 膜間腔膜間腔腺苷酸激酶腺苷酸激酶 （二）脂類（二）脂類 ： 占占25%-30%25%-30%， 主要是磷脂

6、主要是磷脂( (卵卵/ /腦腦/ /心磷脂心磷脂),),少量膽固醇少量膽固醇 外膜所含磷脂比內膜多（卵磷脂、腦磷脂）外膜所含磷脂比內膜多（卵磷脂、腦磷脂） 膽固醇含量比內膜多膽固醇含量比內膜多 內膜主要是心磷脂，膽固醇含量較少內膜主要是心磷脂，膽固醇含量較少 三、三、 線粒體的半自主性線粒體的半自主性 （一）線粒體具有自身的遺傳系統(tǒng)（一）線粒體具有自身的遺傳系統(tǒng) 1. 線粒體線粒體DNA（mtDNA）: 2. 線粒體蛋白質合成線粒體蛋白質合成:（二）（二） 核編碼蛋白質向線粒體轉運核編碼蛋白質向線粒體轉運（三）（三） 線粒體遺傳系統(tǒng)與細胞核遺傳系統(tǒng)的相互關系線粒體遺傳系統(tǒng)與細胞核遺傳系統(tǒng)的相互

7、關系: :1. 線粒體線粒體DNA（mtDNA）基因組的結構）基因組的結構: 是動物細胞除核以外唯一含有是動物細胞除核以外唯一含有DNADNA的細胞器的細胞器 線粒體基因組：線粒體基因組： 一條雙鏈環(huán)狀一條雙鏈環(huán)狀DNADNA分子分子 16569bp,16569bp,重鏈，輕鏈重鏈，輕鏈 編碼線粒體編碼線粒體 2222種種tRNA tRNA 2 2種種rRNArRNA 13 13種蛋白質種蛋白質 人類線粒體基因組特點：人類線粒體基因組特點：（1 1） mtDNA mtDNA 結構緊密結構緊密 無內含子，無或少量非編碼序列無內含子，無或少量非編碼序列（2 2） mtDNAmtDNA沒有蛋白包繞，

8、兩條鏈編碼不對稱沒有蛋白包繞，兩條鏈編碼不對稱 L L鏈鏈9 9個，個，H H鏈鏈2828個個（3 3） 不嚴格的密碼子配對不嚴格的密碼子配對 tRNA tRNA 識別密碼子的前兩個堿基識別密碼子的前兩個堿基（4 4） 密碼子的意義有所不同密碼子的意義有所不同 4 4個密碼子不同與通用密碼子個密碼子不同與通用密碼子 2.mtDNA2.mtDNA能進行半保留復制能進行半保留復制 含兩個單向復制叉（含兩個單向復制叉（H H、L L合成方向相反）合成方向相反） 復制可分布整個細胞周期復制可分布整個細胞周期 所需酶由核基因組提供所需酶由核基因組提供3.mtDNA3.mtDNA的轉錄的轉錄 核基因組提供

9、核基因組提供mtRNAmtRNA聚合酶、轉錄因子聚合酶、轉錄因子2. 線粒體蛋白質合成線粒體蛋白質合成: 有自己的蛋白質翻譯系統(tǒng)有自己的蛋白質翻譯系統(tǒng): : ( 1) ( 1)蛋白質的合成與蛋白質的合成與mRNAmRNA的轉錄幾乎同時完成的轉錄幾乎同時完成 （2 2）起始密碼子（）起始密碼子（AUAAUA）與胞質不同（）與胞質不同（AUGAUG） （3 3）與胞質蛋白合成對藥物的敏感性不同）與胞質蛋白合成對藥物的敏感性不同 （4 4）線粒體合成蛋白數(shù)量有限，但是線粒體功能活）線粒體合成蛋白數(shù)量有限，但是線粒體功能活 動的關鍵酶動的關鍵酶 （5 5）所需的）所需的tRNAtRNA、mRNAmRN

10、A和核糖體是自身專用的。和核糖體是自身專用的。 所編碼的所編碼的RNARNA和蛋白質并不運出線粒體外和蛋白質并不運出線粒體外二二 . 核編碼蛋白質的線粒體轉運核編碼蛋白質的線粒體轉運 1.前體蛋白在分子伴侶的作用下在線粒體外去折疊前體蛋白在分子伴侶的作用下在線粒體外去折疊: 與線粒體膜上受體結合與線粒體膜上受體結合 2.在導肽的幫助下穿越線粒體膜：在導肽的幫助下穿越線粒體膜： 膜上通道（轉位接觸點）膜上通道（轉位接觸點） 導肽導肽(leader sequence) : 3.在線粒體基質內重新折疊在線粒體基質內重新折疊: 水解導肽，分子伴侶協(xié)助水解導肽，分子伴侶協(xié)助核核編編碼碼蛋蛋白白質質的的線

11、線粒粒體體轉轉運運 三三 線粒體遺傳系統(tǒng)與細胞核遺傳系統(tǒng)的相互關系線粒體遺傳系統(tǒng)與細胞核遺傳系統(tǒng)的相互關系: : 線粒體中由自身合成的蛋白質僅占線粒體中由自身合成的蛋白質僅占10%,10%,其余其余均為細胞核基因組編碼均為細胞核基因組編碼. . 因此因此, ,線粒體有自己的線粒體有自己的DNADNA和蛋白質合成體系和蛋白質合成體系, ,即獨立的遺傳系統(tǒng)即獨立的遺傳系統(tǒng), ,但又受核基因組遺傳系統(tǒng)的控但又受核基因組遺傳系統(tǒng)的控制制, ,故為半自主性細胞器故為半自主性細胞器. . 第二節(jié)第二節(jié) 細胞呼吸與能量轉換細胞呼吸與能量轉換一細胞呼吸（一細胞呼吸（cellular respiration）概

12、念：概念：線粒體內，在氧的參與下分解大分子物質，產(chǎn)線粒體內，在氧的參與下分解大分子物質，產(chǎn)生生 COCO2 2、釋放能量并儲存于、釋放能量并儲存于ATPATP中的過程，又稱中的過程，又稱細胞氧化（細胞氧化（cellular oxidationcellular oxidation）二細胞能量轉換分子二細胞能量轉換分子 釋放能量：釋放能量：ADP+PiATPADP+PiATP（儲存）（儲存） 需要能量：需要能量：ATP-PiADPATP-PiADP（釋放（釋放） ATPATP既是細胞內能量轉換的中間攜帶者既是細胞內能量轉換的中間攜帶者“能量貨幣能量貨幣” 又是細胞生命活動的直接供能者又是細胞生命活

13、動的直接供能者細胞的氧化過程細胞的氧化過程 包括四個階段包括四個階段:糖酵解：細胞質中進行，無需氧糖酵解：細胞質中進行，無需氧 乙酰輔酶乙酰輔酶A A生成：線粒體內膜和生成：線粒體內膜和 基質中基質中三羧酸循環(huán)：基質中三羧酸循環(huán)：基質中電子傳遞的氧化磷酸化偶聯(lián)：電子傳遞的氧化磷酸化偶聯(lián)： 線粒體內膜呼吸鏈和基粒線粒體內膜呼吸鏈和基粒 電子傳遞鏈電子傳遞鏈/ /呼吸鏈：按一定順序組成排列在線粒體內呼吸鏈：按一定順序組成排列在線粒體內 膜上的遞氫和遞電子酶體系稱為電子傳遞鏈，由于該膜上的遞氫和遞電子酶體系稱為電子傳遞鏈，由于該 體系最終以氧作為電子受體，與細胞攝取氧有關，所體系最終以氧作為電子受體

14、，與細胞攝取氧有關，所 以又稱呼吸鏈以又稱呼吸鏈 mtDNA mtDNA 裸露，無組蛋白包被，在整個細胞周期都可裸露，無組蛋白包被，在整個細胞周期都可復制，故易受各種理化因素的影響，易突變，線粒復制，故易受各種理化因素的影響，易突變，線粒體內膜缺損，體內膜缺損， mtDNAmtDNA片段游離于細胞質，整合至核片段游離于細胞質，整合至核基因組中，引起細胞癌變?；蚪M中，引起細胞癌變。 嵴減少或消失嵴減少或消失腫瘤細胞內線粒體結構異常：腫脹腫瘤細胞內線粒體結構異常：腫脹 內膜缺損內膜缺損 基質密度降低基質密度降低線粒體與癌癥線粒體與癌癥 第五節(jié)線粒體與醫(yī)學第五節(jié)線粒體與醫(yī)學一一 線粒體疾病的特征線

15、粒體疾病的特征 是細胞病變、損傷時最敏感的指標之一是細胞病變、損傷時最敏感的指標之一 1 .1 .高突變率高突變率 mtDNAmtDNA缺少組蛋白的保護缺少組蛋白的保護, ,且無且無DNADNA損傷修復系統(tǒng)損傷修復系統(tǒng) 2 .2 .多質性多質性 mtDNAmtDNA突變突變 異質性線粒體異質性線粒體 3 .3 .母系遺傳母系遺傳 受精卵的受精卵的mtDNAmtDNA都來自卵子都來自卵子 4 .4 .閾值效應閾值效應 突變的突變的mtDNAmtDNA達到一定的比例時達到一定的比例時, , 才有受損表型出現(xiàn)才有受損表型出現(xiàn) 線粒體的生物發(fā)生線粒體的生物發(fā)生 目前普遍接受的觀點：以分裂的方式增殖目前普遍接受的觀點：以分裂的方式增殖 分兩個階段：線粒體膜生長、復制分兩個階段：線粒體膜生長、復制 線粒體本身分化線粒體本身分化 分化和生長分別接受細胞核與線粒體兩個獨立的遺分化和生長分別接受細胞核與線粒體兩個獨立的遺傳系統(tǒng)控制傳系統(tǒng)控制思考題思考題為什么說線粒體是半自主性細胞器？為什么說線粒體是半自主性細胞器？試述線粒體