細(xì)胞生物學(xué)線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換

細(xì)胞生物學(xué)線粒體與細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換第1頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一節(jié)線粒體的基本特征一．線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和數(shù)量光鏡下：

線狀、粒狀或桿狀

不同生理?xiàng)l件下形狀、大小、數(shù)目及分布不一

第2頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

電鏡下（超微結(jié)構(gòu)）：

外膜內(nèi)膜膜間腔基質(zhì)腔第3頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）外膜(outmembrane)：

一層單位膜7nm，脂類和蛋白各1/2,含直徑1-3nm通道的孔蛋白,可通過10000以下分子量的物質(zhì)

第4頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

（二）內(nèi)膜和內(nèi)部空間

內(nèi)膜

(innermembrane)：

一層單位膜4.5nm，

蛋白占80%,

高度的選擇通透性,

大于150分子量的物質(zhì)不能自由通過

嵴(cristae)：內(nèi)膜上向內(nèi)腔突起的折疊，增加內(nèi)膜面積

第5頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月基粒(elemetaryparticle)

（ATP合酶/F0F1ATP酶）

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

基部(F0偶聯(lián)因子)：嵌于內(nèi)膜中，有物種差異，連接

F1和內(nèi)膜，質(zhì)子流向F1的穿膜通道第6頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）膜間腔（外室）(intermembranespace/outchamber)：

內(nèi)外膜之間包括嵴內(nèi)腔含多種可溶性酶，含底物和輔助因子轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)：內(nèi)外膜相互接觸部位，蛋白進(jìn)出通道第7頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）基質(zhì)腔（內(nèi)室/嵴間腔）

(matrixspace/innerchamber)：內(nèi)膜包圍的空間，三羧酸循環(huán)的重要場所

基質(zhì)(matrix)：含多種酶，雙鏈環(huán)狀DNA、RNA,核糖體第8頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

二．線粒體的化學(xué)組成

蛋白質(zhì)

脂類

DNA/RNA/核糖體輔酶：如CoQ,FMN,FAD,NAD+

維生素?zé)o機(jī)離子：Na+,K+,Mg2+,Zn2+

第9頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)蛋白質(zhì)：

占65%-70%，分布在內(nèi)膜和基質(zhì)中

可溶性蛋白：基質(zhì)中的酶和膜外周蛋白

不溶性蛋白：膜結(jié)構(gòu)蛋白和部分酶

120多種酶：是細(xì)胞中含酶最多的細(xì)胞器

內(nèi)膜——細(xì)胞色素氧化酶，琥珀酸脫氫酶標(biāo)志酶：外膜——單胺氧化酶基質(zhì)——蘋果酸脫氫酶膜間腔——腺苷酸激酶

第10頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

（二）脂類：

占25%-30%，主要是磷脂(卵/腦/心磷脂),少量膽固醇外膜所含磷脂比內(nèi)膜多（卵磷脂、腦磷脂）膽固醇含量比內(nèi)膜多內(nèi)膜主要是心磷脂，膽固醇含量較少

第11頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月三、線粒體的半自主性

（一）線粒體具有自身的遺傳系統(tǒng)

1.線粒體DNA（mtDNA）:

2.

線粒體蛋白質(zhì)合成:（二）核編碼蛋白質(zhì)向線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)（三）線粒體遺傳系統(tǒng)與細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)的相互關(guān)系:第12頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月1.線粒體DNA（mtDNA）基因組的結(jié)構(gòu):

是動(dòng)物細(xì)胞除核以外唯一含有DNA的細(xì)胞器線粒體基因組：一條雙鏈環(huán)狀DNA分子

16569bp,重鏈，輕鏈編碼線粒體22種tRNA2種rRNA13種蛋白質(zhì)

第13頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月人類線粒體基因組特點(diǎn)：（1）mtDNA結(jié)構(gòu)緊密無內(nèi)含子，無或少量非編碼序列（2）mtDNA沒有蛋白包繞，兩條鏈編碼不對稱

L鏈9個(gè)，H鏈28個(gè)（3）不嚴(yán)格的密碼子配對

tRNA識別密碼子的前兩個(gè)堿基（4）密碼子的意義有所不同

4個(gè)密碼子不同與通用密碼子第14頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月2.mtDNA能進(jìn)行半保留復(fù)制含兩個(gè)單向復(fù)制叉（H、L合成方向相反）復(fù)制可分布整個(gè)細(xì)胞周期所需酶由核基因組提供3.mtDNA的轉(zhuǎn)錄核基因組提供mtRNA聚合酶、轉(zhuǎn)錄因子第15頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月2.線粒體蛋白質(zhì)合成:有自己的蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng):(1)蛋白質(zhì)的合成與mRNA的轉(zhuǎn)錄幾乎同時(shí)完成（2）起始密碼子（AUA）與胞質(zhì)不同（AUG）（3）與胞質(zhì)蛋白合成對藥物的敏感性不同（4）線粒體合成蛋白數(shù)量有限，但是線粒體功能活動(dòng)的關(guān)鍵酶（5）所需的tRNA、mRNA和核糖體是自身專用的。所編碼的RNA和蛋白質(zhì)并不運(yùn)出線粒體外第16頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月二.核編碼蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)

1.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(jié)合

2.在導(dǎo)肽的幫助下穿越線粒體膜：

膜上通道（轉(zhuǎn)位接觸點(diǎn)）

導(dǎo)肽(leadersequence):

3.在線粒體基質(zhì)內(nèi)重新折疊:

水解導(dǎo)肽，分子伴侶協(xié)助

第17頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月核編碼蛋白質(zhì)的線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)

第18頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月三線粒體遺傳系統(tǒng)與細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)的相互關(guān)系:

線粒體中由自身合成的蛋白質(zhì)僅占10%,其余均為細(xì)胞核基因組編碼.

因此,線粒體有自己的DNA和蛋白質(zhì)合成體系,即獨(dú)立的遺傳系統(tǒng),但又受核基因組遺傳系統(tǒng)的控制,故為半自主性細(xì)胞器.

第19頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第二節(jié)細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換一．細(xì)胞呼吸（cellularrespiration）概念：線粒體內(nèi)，在氧的參與下分解大分子物質(zhì)，產(chǎn)生

CO2、釋放能量并儲(chǔ)存于ATP中的過程，又稱細(xì)胞氧化（cellularoxidation）第20頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月二．細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換分子釋放能量：ADP+Pi→ATP（儲(chǔ)存）需要能量：ATP-Pi→ADP（釋放）

ATP既是細(xì)胞內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的中間攜帶者——“能量貨幣”又是細(xì)胞生命活動(dòng)的直接供能者第21頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、細(xì)胞的氧化過程

包括四個(gè)階段:

糖酵解：細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，無需氧

乙酰輔酶A生成：線粒體內(nèi)膜和

基質(zhì)中

三羧酸循環(huán)：基質(zhì)中

電子傳遞的氧化磷酸化偶聯(lián)：

線粒體內(nèi)膜呼吸鏈和基粒

第22頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

電子傳遞鏈/呼吸鏈：按一定順序組成排列在線粒體內(nèi)

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(xì)胞攝取氧有關(guān)，所

以又稱呼吸鏈第23頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月mtDNA裸露，無組蛋白包被，在整個(gè)細(xì)胞周期都可復(fù)制，故易受各種理化因素的影響，易突變，線粒體內(nèi)膜缺損，mtDNA片段游離于細(xì)胞質(zhì)，整合至核基因組中，引起細(xì)胞癌變。嵴減少或消失腫瘤細(xì)胞內(nèi)線粒體結(jié)構(gòu)異常：腫脹內(nèi)膜缺損基質(zhì)密度降低線粒體與癌癥第24頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月

第五節(jié)線粒體與醫(yī)學(xué)一線粒體疾病的特征是細(xì)胞病變、損傷時(shí)最敏感的指標(biāo)之一

1.高突變率

mtDNA缺少組蛋白的保護(hù),且無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)第25頁，課件共28頁，創(chuàng)作于2023年2月線粒體的生物發(fā)生

目前普遍接受的觀點(diǎn)：以分裂的方式增殖

分兩個(gè)階段：線粒體膜生長、復(fù)制

線粒體本身分化

分化和生長分別接受細(xì)胞核與線粒體兩個(gè)獨(dú)立的遺傳系統(tǒng)控制