醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件

第七章線粒體醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)第七章線粒體醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)第一節(jié)線粒體的基本特征（一）形態(tài)結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成

（二）半自主性（三）線粒體的發(fā)生與起源第二節(jié)線粒體與能量代謝（一）細(xì)胞呼吸（二）功能物質(zhì)的分解代謝（三）ATP與能量轉(zhuǎn)換（四）氧化磷酸化第三節(jié)線粒體與細(xì)胞死亡第一節(jié)線粒體的基本特征線粒體的基本特征線粒體的基本特征3一、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成（一）超微結(jié)構(gòu)：兩層單位膜套疊形成的封閉膜囊結(jié)構(gòu)1.外膜(outermembrane)2.內(nèi)膜(innermemebrane)3.膜間隙(intermembranespace)4.基質(zhì)(matrix)外膜內(nèi)膜膜間隙嵴基質(zhì)一、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成（一）超微結(jié)構(gòu)：兩層單位膜套疊1.外膜最外圍，厚約6nm通透性很高，孔蛋白(porin)形成親水通道相對(duì)分子量小于1000的分子可自由穿過(guò)，如ATP、NAD+、CoA等。相對(duì)分子量達(dá)5000的分子可選擇性通過(guò)。脂質(zhì)和蛋白質(zhì)各占50%。含有參與脂肪酸鏈延長(zhǎng)、色氨酸降解、腎上腺素氧化、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解等酶類。標(biāo)志酶是單胺氧化酶(MAO)1.外膜2.內(nèi)膜(innermemebrane)單層封閉性單位膜，厚約6nm～8nm向內(nèi)延伸折疊形成嵴(cristae)

蛋白質(zhì)含量高達(dá)80%脂類占20%，缺乏膽固醇，但富含心磷脂（與內(nèi)膜高度不通透性有關(guān)）高度不通透性，允許150以下的非極性分子自由通過(guò)內(nèi)膜上有基粒和呼吸鏈標(biāo)志酶是細(xì)胞色素氧化酶。2.內(nèi)膜(innermemebrane)基粒

(elemetaryparticle)

頭部(偶聯(lián)因子F1)：圓球形，突入內(nèi)腔，

具有酶活性，催化ADP→ATP

柄部：連接頭部和基部，調(diào)控質(zhì)子通道

對(duì)寡霉素敏感,與其結(jié)合抑制ATP合成

基部(F0偶聯(lián)因子)：嵌于內(nèi)膜中，有物種差異，

質(zhì)子流向F1的穿膜通道基粒(elemetaryparticle)

頭部3.膜間隙(intermembranespace)線粒體內(nèi)、外膜之間的約6nm～8nm腔隙。細(xì)胞呼吸旺盛時(shí)可顯著擴(kuò)大。pH和部分化學(xué)組成和細(xì)胞質(zhì)相似。充滿液態(tài)介質(zhì)（可溶性酶類、底物和其它輔助因子。標(biāo)志酶為腺苷酸激酶。部分區(qū)域膜間隙非常狹窄（轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)）3.膜間隙(intermembranespace)

在線粒體的內(nèi)、外膜上存在的一些內(nèi)膜與外膜相互接觸的地方，此處膜間隙變狹窄，稱為轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)。

內(nèi)膜轉(zhuǎn)位子（Tim）——通道蛋白

外膜轉(zhuǎn)位子（Tom）——受體蛋白功能：蛋白質(zhì)等物質(zhì)進(jìn)出線粒體的通道。黑色箭頭所指為轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)；紅色箭頭所指為通過(guò)轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)。

在線粒體的內(nèi)、外膜上存在的一些內(nèi)膜與外膜相互接觸的4.基質(zhì)(matrix)線粒體內(nèi)膜包圍的封閉空間。富含高濃度的水溶性蛋白質(zhì)，呈凝膠狀。含有閉環(huán)雙鏈DNA、RNA聚合酶、核糖體和tRNA。參與三羧酸循環(huán)、氨基酸分解、脂肪酸氧化等過(guò)程的酶類及相關(guān)底物和中間產(chǎn)物標(biāo)志酶是蘋果酸脫氫酶。4.基質(zhì)(matrix)（二）線粒體的動(dòng)態(tài)變化1．線粒體的形狀、大小、數(shù)目、分布形狀——一般呈粒狀、短桿狀或線狀等，不同的生理環(huán)境和發(fā)育階段，線粒體形態(tài)顯著不同。伸長(zhǎng)為線狀（高滲），膨大如泡狀（低滲）數(shù)目——低等生物少，高等動(dòng)物多代謝旺盛細(xì)胞多骨骼肌受到重復(fù)性收縮刺激時(shí)，或甲亢患者肌肉中明顯增多分布——能量需求旺盛的區(qū)域（二）線粒體的動(dòng)態(tài)變化病理狀態(tài)下的線粒體中毒、感染、輻射、缺氧——腫脹破裂肝癌——數(shù)量減少；液泡狀維生素C缺乏病（壞血?。€粒體球缺血——基質(zhì)腔變小，可見(jiàn)不規(guī)則絮狀物膜間腔擴(kuò)大。病理狀態(tài)下的線粒體中毒、感染、輻射、缺氧——腫脹破裂細(xì)胞狀態(tài)也影響線粒體的分布。線粒體常附著于微管呈鏈狀排列，在微管動(dòng)力蛋白和微管驅(qū)動(dòng)蛋白的的幫助下快速完成細(xì)胞內(nèi)的重分布。醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件2．線粒體的融合與分裂動(dòng)、植物細(xì)胞頻繁發(fā)生的多個(gè)顆粒狀的線粒體融合為較大的線粒體，稱為線粒體融合。1個(gè)線粒體也可以分裂成多個(gè)較小的顆粒狀線粒體，稱為線粒體分裂。2．線粒體的融合與分裂3.線粒體自噬選擇性降解受損線粒體的機(jī)制稱為線粒體自噬。2005年，Lemasters報(bào)道線粒體膜電位的降低和線粒體通透性膜孔開(kāi)放可引起線粒體自噬。3.線粒體自噬二、線粒體的半自主性線粒體具有較完整的遺傳系統(tǒng)，含有DNA聚合酶、RNA聚合酶、RNA(mRNA、tRNA、rRNA)、核糖體、氨基酸活化酶等成分，表現(xiàn)出自主性的一面。線粒體的生長(zhǎng)、增殖等活動(dòng)受到細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)的嚴(yán)格控制，其自主性是有限的。線粒體基因組僅編碼非常有限，約占線粒體蛋白質(zhì)種類的1%。大部分線粒體蛋白質(zhì)是核基因組編碼，并在細(xì)胞質(zhì)合成后轉(zhuǎn)運(yùn)而來(lái)，包括線粒體遺傳系統(tǒng)中的線粒體的DNA聚合酶、RNA聚合酶、核糖體蛋白、氨酰tRNA合成酶重要組份。 所以，線粒體受到線粒體基因組和核基因組兩套遺傳系統(tǒng)的控制，稱為半自主性細(xì)胞器(semiautonomousorganelle)二、線粒體的半自主性(一)mtDNA的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)高等動(dòng)物線粒體含1個(gè)或數(shù)個(gè)mtDNA。mtDNA呈雙鏈閉合環(huán)狀，不含組蛋白。線粒體基因組排列緊湊，無(wú)內(nèi)含子序列，少有非編碼區(qū)。接近細(xì)菌基因組的特點(diǎn)。CsCl溶液密度梯度離心呈現(xiàn)不同的兩條鏈密度大的重鏈(H鏈)密度較小輕鏈(L鏈)(一)mtDNA的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)高等動(dòng)物線粒體含1個(gè)或數(shù)個(gè)m1981年，Anderson等首次測(cè)定了人類線粒體基因組全序列，稱為“劍橋參考序列”

。含16569bp，共編碼37個(gè)基因產(chǎn)物。1981年，Anderson等首次測(cè)定了人類線粒體基因組全序H鏈編碼大部分基因：12種蛋白質(zhì)亞基、2種rRNA基因、14種tRNA。L鏈僅編碼一種ND6蛋白質(zhì)亞基，和其它8種tRNA。13種蛋白質(zhì)分別定位于線粒體內(nèi)膜中的復(fù)合物I、復(fù)合物III、復(fù)合物IV和ATP合酶F0

醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件人類線粒體基因組存在基因片段部分重疊的現(xiàn)象。醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件1.mtDNA的復(fù)制輕鏈的復(fù)制要晚于重鏈；合成方向:重鏈——順時(shí)針輕鏈——逆時(shí)針

復(fù)制基本不受細(xì)胞周期影響復(fù)制時(shí)間：約持續(xù)2個(gè)小時(shí)。D環(huán)復(fù)制(D-loopreplication)

(二)mtDNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄1.mtDNA的復(fù)制(二)mtDNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄2.mtDNA的轉(zhuǎn)錄和加工從H2和L轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，分別轉(zhuǎn)錄出一條幾乎覆蓋mtDNA全長(zhǎng)鏈初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。H1轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)轉(zhuǎn)錄出只包括tRNAphe、tRNAval、12SrRNA、16SrRNA的多順?lè)醋?，多順?lè)醋蛹羟袨楦骰虻腞NA。mRNA在polyA聚合酶作用下加polyA。2.mtDNA的轉(zhuǎn)錄和加工啟動(dòng)子：重鏈啟動(dòng)子（HSP），輕鏈啟動(dòng)子（LSP)。轉(zhuǎn)錄因子與其結(jié)合，在mtRNA聚合酶的作用下啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄過(guò)程：線粒體基因的轉(zhuǎn)錄類似原核生物的轉(zhuǎn)錄，即產(chǎn)生一個(gè)多順?lè)醋?，包括mRNA和tRNA。重鏈形成兩個(gè)初級(jí)轉(zhuǎn)錄物：

初級(jí)轉(zhuǎn)錄物Ⅰ：tRNAphe、tRNAval、12SrRNA和16SrRNA

初級(jí)轉(zhuǎn)錄物Ⅱ：mRNA和tRNA重鏈形成兩個(gè)初級(jí)轉(zhuǎn)錄物：2.mRNA合成不含內(nèi)含子，也很少有非翻譯區(qū)。起始密碼為AUG（或AUA），終止密碼為UAA。3’端有多聚A的尾部，5’端沒(méi)有細(xì)胞核mRNA加工時(shí)的帽結(jié)構(gòu)。2.mRNA合成（三）線粒體的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)與細(xì)胞質(zhì)差異明顯，與原核細(xì)胞相似。表現(xiàn)在：1.可被氯霉素、紅霉素、鏈霉素等藥物抑制。2.

RNA的轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)合成具有時(shí)空交聯(lián)的特點(diǎn)。3.

rRNA在線粒體核糖體所占比例介于真核和原核細(xì)胞之間。4.蛋白質(zhì)的翻譯起始密碼子與原核生物類似。5.線粒體的遺傳密碼子和通用密碼子有差異。（三）線粒體的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)與細(xì)胞質(zhì)差異明顯，與原核細(xì)胞相似編碼含義核密碼子線粒體密碼子甲硫氨酸(起始)AUGAUGAUA異亮氨酸AUUAUCAUAAUC色氨酸UGGUGGUGA終止密碼UAAUAGUGAUAAUAGAGAAGG精氨酸CGUCGCCGACGGAGAAGGCGUCGCCGACGG編碼含義核密碼子線粒體密碼子甲硫氨酸(起始)AUGAUGA線粒體合成的蛋白質(zhì)數(shù)量有限，但是線粒體功能活動(dòng)的關(guān)鍵酶。它們?cè)诰€粒體的核糖體上進(jìn)行翻譯。所需的tRNA、mRNA和核糖體是自身專用。所有tRNA都是由mtDNA編碼。構(gòu)成線粒體核糖體的蛋白質(zhì)由細(xì)胞質(zhì)運(yùn)入線粒體內(nèi)ATPase8和ATPase6亞基翻譯重疊框架線粒體合成的蛋白質(zhì)數(shù)量有限，但是線粒體功能活動(dòng)的關(guān)鍵酶。它們(四)

線粒體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)人線粒體中蛋白質(zhì)：99%為核基因組編碼。1%線粒體自身合成。核基因編碼的線粒體蛋白在細(xì)胞質(zhì)合成轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體通常含有信號(hào)序列基質(zhì)導(dǎo)入序列(MTS)膜間隙導(dǎo)入序列(ISTS)(四)線粒體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)人線粒體中蛋白質(zhì)：99%為核基因組醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件MTS：線粒體蛋白前體N端的一段特殊氨基酸序列富含精、賴、絲和蘇氨酸，少有天冬和谷氨酸可被TOM復(fù)合體和TIM復(fù)合體識(shí)別引導(dǎo)線粒體蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到線粒體MTS隨后被信號(hào)肽酶切除。ISTS：部分線粒體蛋白質(zhì)的MTS后的一段序列富含疏水性氨基酸殘基信號(hào)序列可被OXA蛋白質(zhì)復(fù)合體識(shí)別，隨后插入線粒體內(nèi)膜最后被異二聚體內(nèi)膜蛋白酶(impl1/impl2)切除MTS：線粒體蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體主要包括3個(gè)步驟。1.線粒體蛋白質(zhì)前體與分子伴侶結(jié)合2.蛋白質(zhì)前體復(fù)合體穿越線粒體膜(1)熱棘齒模型

(2)橫橋鎖止扣模型3.線粒體蛋白的再折疊線粒體蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體主要包括3個(gè)步驟。線粒體核編碼蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)

(一)核編碼蛋白向線粒體基質(zhì)中的轉(zhuǎn)運(yùn)1.需要條件⑴基質(zhì)導(dǎo)入序列（MTS）⑵分子伴侶：保持前體蛋白在線粒體外的非折疊狀態(tài)NAC：與少數(shù)前體蛋白相互作用，增加蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的準(zhǔn)確性。hsp70：和絕大多數(shù)的前體蛋白結(jié)合，使前體蛋白打開(kāi)折疊，防止已松弛的前體蛋白聚集。線粒體核編碼蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)(一)核編碼蛋白向線粒體基質(zhì)中的轉(zhuǎn)⑴前體蛋白與受體結(jié)合。⑵mthsp70可與進(jìn)入線粒體腔的前導(dǎo)肽鏈交聯(lián)，防止了前導(dǎo)肽鏈退回細(xì)胞質(zhì)。⑶基質(zhì)作用蛋白酶MPP：定位于線粒體內(nèi)膜上，切除大多數(shù)蛋白的基質(zhì)導(dǎo)入序列。2.轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程⑴前體蛋白與受體結(jié)合。2.轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程蛋白質(zhì)向線粒體基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖蛋白質(zhì)向線粒體基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖(二)核編碼蛋白向線粒體其他部位的轉(zhuǎn)運(yùn)(自學(xué))

1.蛋白質(zhì)向線粒體膜間腔的轉(zhuǎn)運(yùn)⑴信號(hào)序列基質(zhì)導(dǎo)入序列MTS：引導(dǎo)前體蛋白進(jìn)入基質(zhì)。膜間腔導(dǎo)入序列ISTS：引導(dǎo)前體蛋白進(jìn)入膜間腔。

(二)核編碼蛋白向線粒體其他部位的轉(zhuǎn)運(yùn)(自學(xué))1.蛋白質(zhì)向⑵轉(zhuǎn)運(yùn)方式整個(gè)蛋白進(jìn)入基質(zhì)，第2個(gè)信號(hào)序列ISTS引導(dǎo)多肽鏈通過(guò)內(nèi)膜上的通道進(jìn)入膜間腔。第2個(gè)信號(hào)序列ISTS起轉(zhuǎn)移終止序列的作用，阻止前體蛋白向基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，并固定于內(nèi)膜上，切去位于內(nèi)膜上的ISTS部分后，進(jìn)入膜間腔。通過(guò)直接擴(kuò)散從胞漿通過(guò)外膜而進(jìn)入膜間腔。⑵轉(zhuǎn)運(yùn)方式整個(gè)蛋白進(jìn)入基質(zhì)，第2個(gè)信號(hào)序列ISTS引導(dǎo)多肽蛋白質(zhì)向線粒體膜間腔轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖蛋白質(zhì)向線粒體膜間腔轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖2.蛋白質(zhì)向線粒體外膜和內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)在外膜蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)中，類孔蛋白P70的研究最多。事實(shí)上在P70的MTS后有一段長(zhǎng)的疏水序列，也起著轉(zhuǎn)移終止序列的作用，而使之固定于外膜上。內(nèi)膜上的蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制尚不完全清楚。2.蛋白質(zhì)向線粒體外膜和內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)在外膜蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)中，類孔蛋(五)線粒體遺傳系統(tǒng)和細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)的關(guān)系線粒體獨(dú)立性是相對(duì)的，細(xì)胞核仍然是真核細(xì)胞遺傳信息的中心。線粒體的中間代謝產(chǎn)物或信號(hào)分子也可以反饋至核遺傳系統(tǒng)，調(diào)控相關(guān)核基因的表達(dá)。線粒體和細(xì)胞核中的遺傳物質(zhì)存在相互轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。(五)線粒體遺傳系統(tǒng)和細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)的關(guān)系醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件三、線粒體的起源與發(fā)生(一)線粒體的增殖①收縮分裂②出芽分裂③間壁分裂三、線粒體的起源與發(fā)生(一)線粒體的增殖(二)線粒體的起源1.內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)(endosymbiosistheory)原始真核細(xì)胞是一種具吞噬能力、通過(guò)糖酵解獲取能量的巨大厭氧細(xì)胞。線粒體祖先是一種可分解丙酮酸，具有三羧酸循環(huán)酶系和呼吸鏈系統(tǒng)的革蘭氏陰性菌。偶然，這種細(xì)菌被原始真核細(xì)胞吞噬后，與宿主細(xì)胞形成互利共生關(guān)系。(二)線粒體的起源主要證據(jù)如下：1)線粒體具有遺傳系統(tǒng)。2)線粒體基因組與細(xì)菌相似。3)線粒體具備完整的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。4)線粒體內(nèi)膜和細(xì)菌相似。5)線粒體分裂增殖方式與細(xì)菌類似。6)線粒體的磷脂組份、Cytc蛋白質(zhì)序列和呼吸方式等與反硝化副球菌或紫色非硫光合細(xì)菌更接近。主要證據(jù)如下：2.非內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)(non-endosymbiosistheory)

1974年，T.Uzzell等認(rèn)為真核細(xì)胞祖先是一種體積較大的好氧細(xì)菌，通過(guò)細(xì)胞膜的內(nèi)褶、擴(kuò)張和分化逐漸演化出具有氧化磷酸化功能的線粒體。2.非內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)(non-endosymbiosis目錄1第一節(jié)線粒體的基本特征

23第二節(jié)線粒體與能量代謝第三節(jié)線粒體與細(xì)胞死亡目錄1第一節(jié)線粒體的基本特征23第二節(jié)線粒體與能一、細(xì)胞呼吸細(xì)胞呼吸(cellularrespiration)：細(xì)胞氧化消耗O2，生成CO2和H2O的過(guò)程。包括2個(gè)階段供能物質(zhì)的分解代謝氧化磷酸化。一、細(xì)胞呼吸二、功能物質(zhì)的分解代謝1.消化作用

消化酶將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中的大分子分解成基本單位，如單糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等。細(xì)胞外消化和細(xì)胞內(nèi)消化兩種方式。該階段所釋放的能量很少。通常以熱能的形式散失。二、功能物質(zhì)的分解代謝1.消化作用2.乙酰CoA的生成

經(jīng)消化作用產(chǎn)生的小分子進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)繼續(xù)分解，部分中間代謝產(chǎn)物進(jìn)入線粒體，生成乙酰CoA。以葡萄糖為例，乙酰CoA的生成包含2個(gè)步驟：糖酵解和乙酰CoA的生成。

2.乙酰CoA的生成(1)糖酵解(glycolysis)

在細(xì)胞質(zhì)糖酵解酶系的作用下，葡萄糖分子分解成2分子的丙酮酸，釋放出部分能量，并儲(chǔ)存于ATP和NADH活性載體分子，

(2)乙酰CoA的生成

丙酮酸被轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體基質(zhì)。在丙酮酸脫氫酶系作用下生成乙酰CoA。(1)糖酵解(glycolysis)3.三羧酸循環(huán)每分子乙酰CoA生成1分子GTP、3分子NADH和1分子FADH2。3.三羧酸循環(huán)（一）三磷酸腺苷分子的特點(diǎn)ATP分子較小，可以快速轉(zhuǎn)運(yùn)或擴(kuò)散到需能區(qū)域。ATP分子含有高能磷酸鍵，儲(chǔ)存或者釋放能量。ATP末端的磷酸基團(tuán)極易轉(zhuǎn)移。（二）ATP的生成底物磷酸化氧化磷酸化三、ATP與能量轉(zhuǎn)換（一）三磷酸腺苷分子的特點(diǎn)三、ATP與能量轉(zhuǎn)換四、氧化磷酸化(一)通過(guò)呼吸鏈建立H+梯度在氧化磷酸化過(guò)程中，電子載體在線粒體內(nèi)膜上組成的電子傳遞序列被稱為電子傳遞鏈，也稱為呼吸鏈。包括復(fù)合物I、復(fù)合物II、復(fù)合物III和復(fù)合物IV、CoQ、Cytc。四、氧化磷酸化(一)通過(guò)呼吸鏈建立H+梯度四、氧化磷酸化5.呼吸鏈I四、氧化磷酸化5.呼吸鏈I四、氧化磷酸化6.呼吸鏈II四、氧化磷酸化6.呼吸鏈IINADH和FADH2中的高能電子分別經(jīng)呼吸鏈I和呼吸鏈II傳給O2，生成H2O。電子在傳遞過(guò)程中逐步釋放能量，復(fù)合物I、III、IV利用這些能量把基質(zhì)中的H+泵到膜間隙，在線粒體內(nèi)膜兩側(cè)形成H+濃度梯度和外正內(nèi)負(fù)的電位。線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的H+梯度(或pH梯度)和膜電位形成的驅(qū)使H+回流的合力，稱為H+電化學(xué)梯度。NADH和FADH2中的高能電子分別經(jīng)呼吸鏈I和呼吸鏈II傳(二)ATP合酶合成ATP1.化學(xué)滲透假說(shuō)(chemiosmotichypothesis)1961年，英國(guó)化學(xué)家P.Mitchell提出內(nèi)容：呼吸鏈各組分在線粒體內(nèi)膜呈不對(duì)稱性分布，電子在呼吸鏈傳遞過(guò)程中，內(nèi)室的質(zhì)子被泵至膜間隙。在線粒體內(nèi)膜完整時(shí)，內(nèi)膜兩側(cè)形成H+梯度和膜電位。在電化學(xué)梯度的驅(qū)動(dòng)下，H+回流到基質(zhì)時(shí)，驅(qū)動(dòng)ATP合酶生成ATP。(二)ATP合酶合成ATPATP合酶分子結(jié)構(gòu)ATP合酶(ATPsynthase)，屬F型質(zhì)子泵。主要包括F1、F0兩部分。ATP合酶的多肽鏈分別組裝成“轉(zhuǎn)子”和“定子”兩部分。膜間隙的H+通過(guò)a亞基回流時(shí)，驅(qū)動(dòng)ATP合酶的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件2.結(jié)合變構(gòu)機(jī)制(bindingchangemechanism)1979年，美國(guó)科學(xué)家P.Boyer提出了結(jié)合變構(gòu)機(jī)制(bindingchangemechanism。直至1994年，英國(guó)科學(xué)家J.Walker等發(fā)表了牛心線粒體F1頭部0.28nm分辨率的晶體結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)學(xué)上為結(jié)合變構(gòu)機(jī)制提供了重要支持，該假說(shuō)隨后被大多數(shù)人普遍接受。鑒于P.Boyer和J.Walker對(duì)ATP合酶生成ATP機(jī)制的研究成果，兩位科學(xué)家分享了1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。PaulD.BoyerJohnE.WalkerPaulD.BoyerJohn結(jié)合變構(gòu)機(jī)制假說(shuō)：①H+回流到線粒體基質(zhì)時(shí)不直接驅(qū)動(dòng)ADP磷酸化為ATP，而是從活性位點(diǎn)釋放ATP分子。②在任何時(shí)刻，ATP合酶中3個(gè)β亞基催化位點(diǎn)分別以L、T和O3種構(gòu)象存在，對(duì)核苷酸有不同的親和性。③ATP通過(guò)旋轉(zhuǎn)催化作用合成。ATP合酶F1頭部相對(duì)于中央軸的γ亞基旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致β亞基催化位點(diǎn)的構(gòu)象沿著L→T→O順序依次變換，催化ATP生成。醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件四、氧化磷酸化4.結(jié)合變構(gòu)機(jī)制的證據(jù)J．Walker發(fā)表的牛心線粒體ATP合酶F1頭部高分辨率晶體結(jié)構(gòu)：①在靜態(tài)ATP合酶中，鑒定出3個(gè)β亞基催化位點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)L、T和O構(gòu)象，而且這3種構(gòu)象對(duì)核苷酸的親和性不同。②ATP合酶γ亞基所處的位置，把F0基部和F1催化位點(diǎn)構(gòu)象改變聯(lián)系起來(lái)。③γ亞基頂端高度不對(duì)稱，3個(gè)β亞基因與γ亞基不同部位接觸而分別處于L、T和O構(gòu)象。四、氧化磷酸化4.結(jié)合變構(gòu)機(jī)制的證據(jù)ATP合酶F1頭部高分辨率晶體結(jié)構(gòu)ATP合酶F1頭部高分辨率晶體結(jié)構(gòu)以葡萄糖為例，細(xì)胞呼吸過(guò)程示意圖以葡萄糖為例，細(xì)胞呼吸過(guò)程示意圖目錄1第一節(jié)線粒體的基本特征

23第二節(jié)線粒體與能量代謝第三節(jié)線粒體與細(xì)胞死亡目錄1第一節(jié)線粒體的基本特征23第二節(jié)線粒體與能線粒體與細(xì)胞死亡有關(guān)的證據(jù)1994年，Newmeyer等發(fā)現(xiàn)線粒體提取物可以使體外游離細(xì)胞核的染色質(zhì)凝集。1996年，Liu等證實(shí)Cytc是細(xì)胞凋亡因子之一。在研究細(xì)胞死亡過(guò)程時(shí)，觀察到線粒體膜通透性增加的現(xiàn)象，稱之為線粒體通透性改變（mPT）。mPT是細(xì)胞死亡的早期事件，已成為預(yù)測(cè)細(xì)胞死亡的有效指標(biāo)。2001年，Li等從線粒體上清蛋白液中鑒定出一種不依賴caspase介導(dǎo)DNA片段化的核酸內(nèi)切酶G（EndoG）。線粒體與細(xì)胞死亡有關(guān)的證據(jù)線粒體控制細(xì)胞死亡的假說(shuō)線粒體前期線粒體期線粒體后期線粒體控制細(xì)胞死亡的假說(shuō)一、疾病過(guò)程中的線粒體變化二、mtDNA突變與疾病三、線粒體融合和分裂異常相關(guān)的疾病四、線粒體疾病的治療

線粒體與疾病一、疾病過(guò)程中的線粒體變化線粒體與疾病一、疾病過(guò)程中的線粒體變化

線粒體對(duì)外界環(huán)境因素的變化很敏感，一些環(huán)境因素的影響可直接造成線粒體功能的異常。隨著年齡的增長(zhǎng)，線粒體的氧化磷酸化能力下降。一、疾病過(guò)程中的線粒體變化線粒體對(duì)外界環(huán)境因素的變化很敏感二、mtDNA突變與疾病

線粒體含有自身獨(dú)特的環(huán)狀DNA，但其DNA是裸露的，易發(fā)生突變且很少能修復(fù)。以線粒體結(jié)構(gòu)和功能缺陷為主要疾病原因的疾病常稱為線粒體疾病（mitochondrialdisorders）。二、mtDNA突變與疾病線粒體含有自身獨(dú)特的環(huán)狀DNA，但

1.高突變率

mtDNA缺少組蛋白的保護(hù),且無(wú)DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)

2.多質(zhì)性

mtDNA突變→異質(zhì)性線粒體

3.母系遺傳

受精卵的mtDNA都來(lái)自卵子

4.閾值效應(yīng)

突變的mtDNA達(dá)到一定的比例時(shí),才有受損表型出現(xiàn)線粒體疾病的特征線粒體疾病的特征三、線粒體融合和分裂異常相關(guān)的疾病

線粒體融合和分裂異?；蛘呔幋a參與線粒體融合和分裂蛋白的基因發(fā)生突變，就可能導(dǎo)致疾病的發(fā)生。參與線粒體分裂的Drp1基因發(fā)生突變時(shí)，導(dǎo)致嬰兒出生后大腦發(fā)育障礙、視神經(jīng)萎縮同時(shí)并伴有其他一些嚴(yán)重的并發(fā)癥三、線粒體融合和分裂異常相關(guān)的疾病線粒體融合和分裂當(dāng)線粒體分裂被擾亂時(shí)，會(huì)導(dǎo)致一些常見(jiàn)的線粒體功能失常，如線粒體膜電位缺失，ROS增高以及線粒體DNA丟失等。介導(dǎo)細(xì)胞融合的蛋白Opa1和Mfn2的突變會(huì)引起Kjer’s?。ǔＨ旧w顯性視神經(jīng)萎縮癥）和2A型腓骨肌萎縮癥。當(dāng)線粒體分裂被擾亂時(shí)，會(huì)導(dǎo)致一些常見(jiàn)的線粒體功能失常，如線粒四、線粒體疾病的治療目前線粒體疾病治療的基本措施包括：補(bǔ)充療法給患者添加呼吸鏈所需的輔酶。2.選擇療法選用一些能促進(jìn)細(xì)胞排斥突變線粒體的藥物對(duì)患者進(jìn)行治療以增加異質(zhì)體細(xì)胞中正常線粒體的比例，從而將細(xì)胞的氧化磷酸化水平升高至閾值以3.基因療法將正常的線粒體基因轉(zhuǎn)入患者體內(nèi)以替代缺陷mtDNA發(fā)揮作用。四、線粒體疾病的治療目前線粒體疾病治療的基本措施包括：第七章線粒體醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)第七章線粒體醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)第一節(jié)線粒體的基本特征（一）形態(tài)結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成

（二）半自主性（三）線粒體的發(fā)生與起源第二節(jié)線粒體與能量代謝（一）細(xì)胞呼吸（二）功能物質(zhì)的分解代謝（三）ATP與能量轉(zhuǎn)換（四）氧化磷酸化第三節(jié)線粒體與細(xì)胞死亡第一節(jié)線粒體的基本特征線粒體的基本特征線粒體的基本特征75一、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成（一）超微結(jié)構(gòu)：兩層單位膜套疊形成的封閉膜囊結(jié)構(gòu)1.外膜(outermembrane)2.內(nèi)膜(innermemebrane)3.膜間隙(intermembranespace)4.基質(zhì)(matrix)外膜內(nèi)膜膜間隙嵴基質(zhì)一、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成（一）超微結(jié)構(gòu)：兩層單位膜套疊1.外膜最外圍，厚約6nm通透性很高，孔蛋白(porin)形成親水通道相對(duì)分子量小于1000的分子可自由穿過(guò)，如ATP、NAD+、CoA等。相對(duì)分子量達(dá)5000的分子可選擇性通過(guò)。脂質(zhì)和蛋白質(zhì)各占50%。含有參與脂肪酸鏈延長(zhǎng)、色氨酸降解、腎上腺素氧化、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解等酶類。標(biāo)志酶是單胺氧化酶(MAO)1.外膜2.內(nèi)膜(innermemebrane)單層封閉性單位膜，厚約6nm～8nm向內(nèi)延伸折疊形成嵴(cristae)

蛋白質(zhì)含量高達(dá)80%脂類占20%，缺乏膽固醇，但富含心磷脂（與內(nèi)膜高度不通透性有關(guān)）高度不通透性，允許150以下的非極性分子自由通過(guò)內(nèi)膜上有基粒和呼吸鏈標(biāo)志酶是細(xì)胞色素氧化酶。2.內(nèi)膜(innermemebrane)基粒

(elemetaryparticle)

頭部(偶聯(lián)因子F1)：圓球形，突入內(nèi)腔，

具有酶活性，催化ADP→ATP

柄部：連接頭部和基部，調(diào)控質(zhì)子通道

對(duì)寡霉素敏感,與其結(jié)合抑制ATP合成

基部(F0偶聯(lián)因子)：嵌于內(nèi)膜中，有物種差異，

質(zhì)子流向F1的穿膜通道基粒(elemetaryparticle)

頭部3.膜間隙(intermembranespace)線粒體內(nèi)、外膜之間的約6nm～8nm腔隙。細(xì)胞呼吸旺盛時(shí)可顯著擴(kuò)大。pH和部分化學(xué)組成和細(xì)胞質(zhì)相似。充滿液態(tài)介質(zhì)（可溶性酶類、底物和其它輔助因子。標(biāo)志酶為腺苷酸激酶。部分區(qū)域膜間隙非常狹窄（轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)）3.膜間隙(intermembranespace)

在線粒體的內(nèi)、外膜上存在的一些內(nèi)膜與外膜相互接觸的地方，此處膜間隙變狹窄，稱為轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)。

內(nèi)膜轉(zhuǎn)位子（Tim）——通道蛋白

外膜轉(zhuǎn)位子（Tom）——受體蛋白功能：蛋白質(zhì)等物質(zhì)進(jìn)出線粒體的通道。黑色箭頭所指為轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)；紅色箭頭所指為通過(guò)轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)的物質(zhì)。

在線粒體的內(nèi)、外膜上存在的一些內(nèi)膜與外膜相互接觸的4.基質(zhì)(matrix)線粒體內(nèi)膜包圍的封閉空間。富含高濃度的水溶性蛋白質(zhì)，呈凝膠狀。含有閉環(huán)雙鏈DNA、RNA聚合酶、核糖體和tRNA。參與三羧酸循環(huán)、氨基酸分解、脂肪酸氧化等過(guò)程的酶類及相關(guān)底物和中間產(chǎn)物標(biāo)志酶是蘋果酸脫氫酶。4.基質(zhì)(matrix)（二）線粒體的動(dòng)態(tài)變化1．線粒體的形狀、大小、數(shù)目、分布形狀——一般呈粒狀、短桿狀或線狀等，不同的生理環(huán)境和發(fā)育階段，線粒體形態(tài)顯著不同。伸長(zhǎng)為線狀（高滲），膨大如泡狀（低滲）數(shù)目——低等生物少，高等動(dòng)物多代謝旺盛細(xì)胞多骨骼肌受到重復(fù)性收縮刺激時(shí)，或甲亢患者肌肉中明顯增多分布——能量需求旺盛的區(qū)域（二）線粒體的動(dòng)態(tài)變化病理狀態(tài)下的線粒體中毒、感染、輻射、缺氧——腫脹破裂肝癌——數(shù)量減少；液泡狀維生素C缺乏?。▔难。€粒體球缺血——基質(zhì)腔變小，可見(jiàn)不規(guī)則絮狀物膜間腔擴(kuò)大。病理狀態(tài)下的線粒體中毒、感染、輻射、缺氧——腫脹破裂細(xì)胞狀態(tài)也影響線粒體的分布。線粒體常附著于微管呈鏈狀排列，在微管動(dòng)力蛋白和微管驅(qū)動(dòng)蛋白的的幫助下快速完成細(xì)胞內(nèi)的重分布。醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件2．線粒體的融合與分裂動(dòng)、植物細(xì)胞頻繁發(fā)生的多個(gè)顆粒狀的線粒體融合為較大的線粒體，稱為線粒體融合。1個(gè)線粒體也可以分裂成多個(gè)較小的顆粒狀線粒體，稱為線粒體分裂。2．線粒體的融合與分裂3.線粒體自噬選擇性降解受損線粒體的機(jī)制稱為線粒體自噬。2005年，Lemasters報(bào)道線粒體膜電位的降低和線粒體通透性膜孔開(kāi)放可引起線粒體自噬。3.線粒體自噬二、線粒體的半自主性線粒體具有較完整的遺傳系統(tǒng)，含有DNA聚合酶、RNA聚合酶、RNA(mRNA、tRNA、rRNA)、核糖體、氨基酸活化酶等成分，表現(xiàn)出自主性的一面。線粒體的生長(zhǎng)、增殖等活動(dòng)受到細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)的嚴(yán)格控制，其自主性是有限的。線粒體基因組僅編碼非常有限，約占線粒體蛋白質(zhì)種類的1%。大部分線粒體蛋白質(zhì)是核基因組編碼，并在細(xì)胞質(zhì)合成后轉(zhuǎn)運(yùn)而來(lái)，包括線粒體遺傳系統(tǒng)中的線粒體的DNA聚合酶、RNA聚合酶、核糖體蛋白、氨酰tRNA合成酶重要組份。 所以，線粒體受到線粒體基因組和核基因組兩套遺傳系統(tǒng)的控制，稱為半自主性細(xì)胞器(semiautonomousorganelle)二、線粒體的半自主性(一)mtDNA的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)高等動(dòng)物線粒體含1個(gè)或數(shù)個(gè)mtDNA。mtDNA呈雙鏈閉合環(huán)狀，不含組蛋白。線粒體基因組排列緊湊，無(wú)內(nèi)含子序列，少有非編碼區(qū)。接近細(xì)菌基因組的特點(diǎn)。CsCl溶液密度梯度離心呈現(xiàn)不同的兩條鏈密度大的重鏈(H鏈)密度較小輕鏈(L鏈)(一)mtDNA的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)高等動(dòng)物線粒體含1個(gè)或數(shù)個(gè)m1981年，Anderson等首次測(cè)定了人類線粒體基因組全序列，稱為“劍橋參考序列”

。含16569bp，共編碼37個(gè)基因產(chǎn)物。1981年，Anderson等首次測(cè)定了人類線粒體基因組全序H鏈編碼大部分基因：12種蛋白質(zhì)亞基、2種rRNA基因、14種tRNA。L鏈僅編碼一種ND6蛋白質(zhì)亞基，和其它8種tRNA。13種蛋白質(zhì)分別定位于線粒體內(nèi)膜中的復(fù)合物I、復(fù)合物III、復(fù)合物IV和ATP合酶F0

醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件人類線粒體基因組存在基因片段部分重疊的現(xiàn)象。醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件1.mtDNA的復(fù)制輕鏈的復(fù)制要晚于重鏈；合成方向:重鏈——順時(shí)針輕鏈——逆時(shí)針

復(fù)制基本不受細(xì)胞周期影響復(fù)制時(shí)間：約持續(xù)2個(gè)小時(shí)。D環(huán)復(fù)制(D-loopreplication)

(二)mtDNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄1.mtDNA的復(fù)制(二)mtDNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄2.mtDNA的轉(zhuǎn)錄和加工從H2和L轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，分別轉(zhuǎn)錄出一條幾乎覆蓋mtDNA全長(zhǎng)鏈初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。H1轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)轉(zhuǎn)錄出只包括tRNAphe、tRNAval、12SrRNA、16SrRNA的多順?lè)醋?，多順?lè)醋蛹羟袨楦骰虻腞NA。mRNA在polyA聚合酶作用下加polyA。2.mtDNA的轉(zhuǎn)錄和加工啟動(dòng)子：重鏈啟動(dòng)子（HSP），輕鏈啟動(dòng)子（LSP)。轉(zhuǎn)錄因子與其結(jié)合，在mtRNA聚合酶的作用下啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄過(guò)程：線粒體基因的轉(zhuǎn)錄類似原核生物的轉(zhuǎn)錄，即產(chǎn)生一個(gè)多順?lè)醋樱╩RNA和tRNA。重鏈形成兩個(gè)初級(jí)轉(zhuǎn)錄物：

初級(jí)轉(zhuǎn)錄物Ⅰ：tRNAphe、tRNAval、12SrRNA和16SrRNA

初級(jí)轉(zhuǎn)錄物Ⅱ：mRNA和tRNA重鏈形成兩個(gè)初級(jí)轉(zhuǎn)錄物：2.mRNA合成不含內(nèi)含子，也很少有非翻譯區(qū)。起始密碼為AUG（或AUA），終止密碼為UAA。3’端有多聚A的尾部，5’端沒(méi)有細(xì)胞核mRNA加工時(shí)的帽結(jié)構(gòu)。2.mRNA合成（三）線粒體的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)與細(xì)胞質(zhì)差異明顯，與原核細(xì)胞相似。表現(xiàn)在：1.可被氯霉素、紅霉素、鏈霉素等藥物抑制。2.

RNA的轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)合成具有時(shí)空交聯(lián)的特點(diǎn)。3.

rRNA在線粒體核糖體所占比例介于真核和原核細(xì)胞之間。4.蛋白質(zhì)的翻譯起始密碼子與原核生物類似。5.線粒體的遺傳密碼子和通用密碼子有差異。（三）線粒體的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)與細(xì)胞質(zhì)差異明顯，與原核細(xì)胞相似編碼含義核密碼子線粒體密碼子甲硫氨酸(起始)AUGAUGAUA異亮氨酸AUUAUCAUAAUC色氨酸UGGUGGUGA終止密碼UAAUAGUGAUAAUAGAGAAGG精氨酸CGUCGCCGACGGAGAAGGCGUCGCCGACGG編碼含義核密碼子線粒體密碼子甲硫氨酸(起始)AUGAUGA線粒體合成的蛋白質(zhì)數(shù)量有限，但是線粒體功能活動(dòng)的關(guān)鍵酶。它們?cè)诰€粒體的核糖體上進(jìn)行翻譯。所需的tRNA、mRNA和核糖體是自身專用。所有tRNA都是由mtDNA編碼。構(gòu)成線粒體核糖體的蛋白質(zhì)由細(xì)胞質(zhì)運(yùn)入線粒體內(nèi)ATPase8和ATPase6亞基翻譯重疊框架線粒體合成的蛋白質(zhì)數(shù)量有限，但是線粒體功能活動(dòng)的關(guān)鍵酶。它們(四)

線粒體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)人線粒體中蛋白質(zhì)：99%為核基因組編碼。1%線粒體自身合成。核基因編碼的線粒體蛋白在細(xì)胞質(zhì)合成轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體通常含有信號(hào)序列基質(zhì)導(dǎo)入序列(MTS)膜間隙導(dǎo)入序列(ISTS)(四)線粒體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)人線粒體中蛋白質(zhì)：99%為核基因組醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件MTS：線粒體蛋白前體N端的一段特殊氨基酸序列富含精、賴、絲和蘇氨酸，少有天冬和谷氨酸可被TOM復(fù)合體和TIM復(fù)合體識(shí)別引導(dǎo)線粒體蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到線粒體MTS隨后被信號(hào)肽酶切除。ISTS：部分線粒體蛋白質(zhì)的MTS后的一段序列富含疏水性氨基酸殘基信號(hào)序列可被OXA蛋白質(zhì)復(fù)合體識(shí)別，隨后插入線粒體內(nèi)膜最后被異二聚體內(nèi)膜蛋白酶(impl1/impl2)切除MTS：線粒體蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體主要包括3個(gè)步驟。1.線粒體蛋白質(zhì)前體與分子伴侶結(jié)合2.蛋白質(zhì)前體復(fù)合體穿越線粒體膜(1)熱棘齒模型

(2)橫橋鎖止扣模型3.線粒體蛋白的再折疊線粒體蛋白質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體主要包括3個(gè)步驟。線粒體核編碼蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)

(一)核編碼蛋白向線粒體基質(zhì)中的轉(zhuǎn)運(yùn)1.需要條件⑴基質(zhì)導(dǎo)入序列（MTS）⑵分子伴侶：保持前體蛋白在線粒體外的非折疊狀態(tài)NAC：與少數(shù)前體蛋白相互作用，增加蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的準(zhǔn)確性。hsp70：和絕大多數(shù)的前體蛋白結(jié)合，使前體蛋白打開(kāi)折疊，防止已松弛的前體蛋白聚集。線粒體核編碼蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)(一)核編碼蛋白向線粒體基質(zhì)中的轉(zhuǎn)⑴前體蛋白與受體結(jié)合。⑵mthsp70可與進(jìn)入線粒體腔的前導(dǎo)肽鏈交聯(lián)，防止了前導(dǎo)肽鏈退回細(xì)胞質(zhì)。⑶基質(zhì)作用蛋白酶MPP：定位于線粒體內(nèi)膜上，切除大多數(shù)蛋白的基質(zhì)導(dǎo)入序列。2.轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程⑴前體蛋白與受體結(jié)合。2.轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程蛋白質(zhì)向線粒體基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖蛋白質(zhì)向線粒體基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖(二)核編碼蛋白向線粒體其他部位的轉(zhuǎn)運(yùn)(自學(xué))

1.蛋白質(zhì)向線粒體膜間腔的轉(zhuǎn)運(yùn)⑴信號(hào)序列基質(zhì)導(dǎo)入序列MTS：引導(dǎo)前體蛋白進(jìn)入基質(zhì)。膜間腔導(dǎo)入序列ISTS：引導(dǎo)前體蛋白進(jìn)入膜間腔。

(二)核編碼蛋白向線粒體其他部位的轉(zhuǎn)運(yùn)(自學(xué))1.蛋白質(zhì)向⑵轉(zhuǎn)運(yùn)方式整個(gè)蛋白進(jìn)入基質(zhì)，第2個(gè)信號(hào)序列ISTS引導(dǎo)多肽鏈通過(guò)內(nèi)膜上的通道進(jìn)入膜間腔。第2個(gè)信號(hào)序列ISTS起轉(zhuǎn)移終止序列的作用，阻止前體蛋白向基質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，并固定于內(nèi)膜上，切去位于內(nèi)膜上的ISTS部分后，進(jìn)入膜間腔。通過(guò)直接擴(kuò)散從胞漿通過(guò)外膜而進(jìn)入膜間腔。⑵轉(zhuǎn)運(yùn)方式整個(gè)蛋白進(jìn)入基質(zhì)，第2個(gè)信號(hào)序列ISTS引導(dǎo)多肽蛋白質(zhì)向線粒體膜間腔轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖蛋白質(zhì)向線粒體膜間腔轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖2.蛋白質(zhì)向線粒體外膜和內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)在外膜蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)中，類孔蛋白P70的研究最多。事實(shí)上在P70的MTS后有一段長(zhǎng)的疏水序列，也起著轉(zhuǎn)移終止序列的作用，而使之固定于外膜上。內(nèi)膜上的蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制尚不完全清楚。2.蛋白質(zhì)向線粒體外膜和內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運(yùn)在外膜蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)中，類孔蛋(五)線粒體遺傳系統(tǒng)和細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)的關(guān)系線粒體獨(dú)立性是相對(duì)的，細(xì)胞核仍然是真核細(xì)胞遺傳信息的中心。線粒體的中間代謝產(chǎn)物或信號(hào)分子也可以反饋至核遺傳系統(tǒng)，調(diào)控相關(guān)核基因的表達(dá)。線粒體和細(xì)胞核中的遺傳物質(zhì)存在相互轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。(五)線粒體遺傳系統(tǒng)和細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)的關(guān)系醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件三、線粒體的起源與發(fā)生(一)線粒體的增殖①收縮分裂②出芽分裂③間壁分裂三、線粒體的起源與發(fā)生(一)線粒體的增殖(二)線粒體的起源1.內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)(endosymbiosistheory)原始真核細(xì)胞是一種具吞噬能力、通過(guò)糖酵解獲取能量的巨大厭氧細(xì)胞。線粒體祖先是一種可分解丙酮酸，具有三羧酸循環(huán)酶系和呼吸鏈系統(tǒng)的革蘭氏陰性菌。偶然，這種細(xì)菌被原始真核細(xì)胞吞噬后，與宿主細(xì)胞形成互利共生關(guān)系。(二)線粒體的起源主要證據(jù)如下：1)線粒體具有遺傳系統(tǒng)。2)線粒體基因組與細(xì)菌相似。3)線粒體具備完整的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。4)線粒體內(nèi)膜和細(xì)菌相似。5)線粒體分裂增殖方式與細(xì)菌類似。6)線粒體的磷脂組份、Cytc蛋白質(zhì)序列和呼吸方式等與反硝化副球菌或紫色非硫光合細(xì)菌更接近。主要證據(jù)如下：2.非內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)(non-endosymbiosistheory)

1974年，T.Uzzell等認(rèn)為真核細(xì)胞祖先是一種體積較大的好氧細(xì)菌，通過(guò)細(xì)胞膜的內(nèi)褶、擴(kuò)張和分化逐漸演化出具有氧化磷酸化功能的線粒體。2.非內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)(non-endosymbiosis目錄1第一節(jié)線粒體的基本特征

23第二節(jié)線粒體與能量代謝第三節(jié)線粒體與細(xì)胞死亡目錄1第一節(jié)線粒體的基本特征23第二節(jié)線粒體與能一、細(xì)胞呼吸細(xì)胞呼吸(cellularrespiration)：細(xì)胞氧化消耗O2，生成CO2和H2O的過(guò)程。包括2個(gè)階段供能物質(zhì)的分解代謝氧化磷酸化。一、細(xì)胞呼吸二、功能物質(zhì)的分解代謝1.消化作用

消化酶將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中的大分子分解成基本單位，如單糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等。細(xì)胞外消化和細(xì)胞內(nèi)消化兩種方式。該階段所釋放的能量很少。通常以熱能的形式散失。二、功能物質(zhì)的分解代謝1.消化作用2.乙酰CoA的生成

經(jīng)消化作用產(chǎn)生的小分子進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)繼續(xù)分解，部分中間代謝產(chǎn)物進(jìn)入線粒體，生成乙酰CoA。以葡萄糖為例，乙酰CoA的生成包含2個(gè)步驟：糖酵解和乙酰CoA的生成。

2.乙酰CoA的生成(1)糖酵解(glycolysis)

在細(xì)胞質(zhì)糖酵解酶系的作用下，葡萄糖分子分解成2分子的丙酮酸，釋放出部分能量，并儲(chǔ)存于ATP和NADH活性載體分子，

(2)乙酰CoA的生成

丙酮酸被轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體基質(zhì)。在丙酮酸脫氫酶系作用下生成乙酰CoA。(1)糖酵解(glycolysis)3.三羧酸循環(huán)每分子乙酰CoA生成1分子GTP、3分子NADH和1分子FADH2。3.三羧酸循環(huán)（一）三磷酸腺苷分子的特點(diǎn)ATP分子較小，可以快速轉(zhuǎn)運(yùn)或擴(kuò)散到需能區(qū)域。ATP分子含有高能磷酸鍵，儲(chǔ)存或者釋放能量。ATP末端的磷酸基團(tuán)極易轉(zhuǎn)移。（二）ATP的生成底物磷酸化氧化磷酸化三、ATP與能量轉(zhuǎn)換（一）三磷酸腺苷分子的特點(diǎn)三、ATP與能量轉(zhuǎn)換四、氧化磷酸化(一)通過(guò)呼吸鏈建立H+梯度在氧化磷酸化過(guò)程中，電子載體在線粒體內(nèi)膜上組成的電子傳遞序列被稱為電子傳遞鏈，也稱為呼吸鏈。包括復(fù)合物I、復(fù)合物II、復(fù)合物III和復(fù)合物IV、CoQ、Cytc。四、氧化磷酸化(一)通過(guò)呼吸鏈建立H+梯度四、氧化磷酸化5.呼吸鏈I四、氧化磷酸化5.呼吸鏈I四、氧化磷酸化6.呼吸鏈II四、氧化磷酸化6.呼吸鏈IINADH和FADH2中的高能電子分別經(jīng)呼吸鏈I和呼吸鏈II傳給O2，生成H2O。電子在傳遞過(guò)程中逐步釋放能量，復(fù)合物I、III、IV利用這些能量把基質(zhì)中的H+泵到膜間隙，在線粒體內(nèi)膜兩側(cè)形成H+濃度梯度和外正內(nèi)負(fù)的電位。線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的H+梯度(或pH梯度)和膜電位形成的驅(qū)使H+回流的合力，稱為H+電化學(xué)梯度。NADH和FADH2中的高能電子分別經(jīng)呼吸鏈I和呼吸鏈II傳(二)ATP合酶合成ATP1.化學(xué)滲透假說(shuō)(chemiosmotichypothesis)1961年，英國(guó)化學(xué)家P.Mitchell提出內(nèi)容：呼吸鏈各組分在線粒體內(nèi)膜呈不對(duì)稱性分布，電子在呼吸鏈傳遞過(guò)程中，內(nèi)室的質(zhì)子被泵至膜間隙。在線粒體內(nèi)膜完整時(shí)，內(nèi)膜兩側(cè)形成H+梯度和膜電位。在電化學(xué)梯度的驅(qū)動(dòng)下，H+回流到基質(zhì)時(shí)，驅(qū)動(dòng)ATP合酶生成ATP。(二)ATP合酶合成ATPATP合酶分子結(jié)構(gòu)ATP合酶(ATPsynthase)，屬F型質(zhì)子泵。主要包括F1、F0兩部分。ATP合酶的多肽鏈分別組裝成“轉(zhuǎn)子”和“定子”兩部分。膜間隙的H+通過(guò)a亞基回流時(shí)，驅(qū)動(dòng)ATP合酶的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)-07章-線粒體課件2.結(jié)合變構(gòu)機(jī)制(bindingchangemechanism)1979年，美國(guó)科學(xué)家P.Boyer提出了結(jié)合變構(gòu)機(jī)制(bindingchangemechanism。直至1994年，英國(guó)科學(xué)家J.Walker等發(fā)表了牛心線粒體F1頭部0.28nm分辨率的晶體結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)學(xué)上為結(jié)合變構(gòu)機(jī)制提供了重要支持，該假說(shuō)隨后被大多數(shù)人普遍接受。鑒于P.Boyer和J.Walker對(duì)ATP合酶生成ATP機(jī)制的研究成果，兩位科學(xué)家分享了1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。PaulD.