线粒体与细胞的能量转换.ppt

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1、 ATP是生命活动的直 接供能者。 线粒体通过氧化磷酸 化合成生物体所需能 量 (ATP)的 90%以上。 生命活动需要能量 线粒体如何通过氧化磷酸化合成 ATP? 线粒体与细胞 的能量转换 Mitochondria and Energy Conversion 主要内容： 线粒体的形态结构与酶的定位 线粒体蛋白质穿膜进入线粒体 线粒体的功能 线粒体的半自主性 线粒体的增殖 线粒体与医学 电镜下观察：线粒体是由两层单位膜 围成的封闭的囊状结构。 外 膜 内 膜 膜间腔 （外室） 嵴 嵴间腔 （内室 ） 内含基质 第一节 线粒体的基本特征 目前已确认有 120余种，是细胞中含酶最多的细 胞器。这些

2、酶分别位于线粒体的不同部位，在线 粒体行使细胞氧化功能时起重要的作用。 内膜标志酶 细胞色素氧化酶； 外膜标志酶 单胺氧化酶； 基质标志酶 苹果酸脱氢酶； 膜间腔的标志酶 腺苷酸激酶。 一、线粒体含有众多参与能量代谢的酶系 蛋白质： 是线粒体的主要成分 ， 约占 65%-70%， 多 分布于内膜和基质 。 脂类： 占线粒体干重的 25%-30%，大部分是磷脂。 此外 ， 还含有 DNA和完整的遗传系统 ， 多种 辅酶 （ 如 CoQ、 FMN、 FAD和 NAD等 ） 、 维生素和 各类无机离子 。 可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白 不溶性蛋白：构成膜的镶嵌蛋白、结构蛋白 和部分酶蛋白。

3、二、线粒体的形态、数量和分布 1.形态 光镜下 : 线状、粒状、短杆状等 形态可逆性 在一定条件下可改变， 低渗时 ，膨胀呈泡状； 高渗时 ，伸长呈线状。 2.大小 骨骼肌细胞 8 10 m 胰腺外分泌细胞 10 20 m 成纤维细胞 40 m 细胞中较大的细胞器 ， 与细胞种 类 、 生 理 状 况 有 关 ， 一 般 直 径 ： 0.5-1.0 m；长度： 1.5-3.0 m。 3.数 目 不同类型细胞中差异较大。 哺乳动物 : 肝细胞中 2000个左右 肾细胞中 300个左右 精子中 25个左右 代谢旺盛时 ， 线粒体数量较多 ， 反之线粒体 的数量则较少 。 心肌细胞 精子尾部 4.分

4、布： 通常分布于细胞生理功能旺盛 区域和需要能量多的部位。 三、线粒体的结构 包围在线粒体外 表面的一层单位膜。 厚 6 7nm，平整、光 滑。 外 膜 封闭结构使之 在细胞质中相对隔 绝，保证了线粒体 能够不受干扰地进 行物质氧化分解。 (一 ) 线粒体外膜 厚约 6nm，通透性很 低，但有高度的选择通透 性，借助载体蛋白控制内 外物质的交换。 内 膜 集中了电子传递体 和氧化磷酸化酶系 ,ATP 合成酶系，是物质氧化 分解和 ATP合成的场所。 (二 ) 线粒体内膜 嵴 嵴的形态和排列方式主要有两种类型： 板层状 （大多数高等动物细胞中） 小管状 （原生动物和一些较低等 动物细胞中） 嵴：

5、内膜向内室折叠形成，增加 了内膜的表面积。 板层状嵴 小管状嵴 外膜 内膜 膜间隙 嵴间腔 嵴内腔 嵴 基 粒 基粒（ ATP合酶）： 内膜和嵴膜基质面上 带柄的小颗粒。与膜面 垂直而规律排列。 基粒 （内室） （外室） 基粒 ATP合酶 线粒体主要酶的分布 部 位 外 膜 脂类代谢有关的酶 特征酶：单胺氧化酶 膜 间 腔 腺苷酸激酶、核苷酸激酶 特征酶：腺苷酸激酶 内 膜 呼吸链氧化反应的酶系、 ATP合成酶系 特征酶：细胞色素（ c）氧化酶 嵴 间 腔 三羧酸循环反应、丙酮酸与脂肪酸氧化 的酶系 、蛋白质和核酸合成酶系 特征酶：苹果酸脱氢酶 (三 )蛋白质穿膜进入线粒体的通道 线粒体膜上的

6、转位接触点 膜间隙变窄 嵴内腔 基粒（ ATP酶） （四）基质 (内室 ) 内膜和嵴围成的腔。 线粒体 DNA 线粒体 DNA 线粒体 mRNA 线粒体 tRNA 线粒体核糖体 线粒体核糖体 基质颗粒 基质颗粒 三羧酸循环的场所；线粒体内 DNA、蛋白质合成的场所。 四、线粒体的遗传体系 (一 )线粒体 DNA 特点： 通常是 裸露 的，不与组蛋白结合。 存在部位： 线粒体的 基质 内或依附于线粒体 内膜 。 数量： 一个线粒体内往往有 1至数个 mtDNA分子， 平均为 5-10个。 编码产物： 线粒体的 tRNA、 rRNA及一些线粒体 蛋白质。 为一条双链环状的 DNA分子，双链中一为

7、重 链（ H）， 一为 轻链（ L）， 重链和轻链上的编码产物 各不相同。与核基因组相 比，线粒体基因组有很少 非编码的序列。 人类线粒体基因组共编码 37个基因。 (二 )线粒体基因组结构 (三 )线粒体基因的转录 1.转录 启动子： 线粒体基因组的转录是从两个主要的启动 子处开始的，分别为 重链启动子（ HSP） 和 轻链启 动子（ LSP)。转录因子与其结合，在 mtRNA聚合酶 的作用下启动转录。 转录过程： 线粒体基因的转录类似原核生物的转录， 即 产生一个多顺反子 ，包括 mRNA和 tRNA。 重链形成两个初级转录物： 初级转录物 tRNAphe、 tRNAval、 12SrRN

8、A和 16S rRNA 初级转录物 mRNA和 tRNA 2.mRNA合成 不含内含子，也很少有非翻译区。 起始密码为 AUG（或 AUA），终止密码为 UAA。 3端有多聚 A的尾部， 5端没有细胞核 mRNA加工时的 帽结构 。 3.蛋白质翻译 在线粒体内并在线粒体的核糖体上进行翻译。 构成线粒体核糖体的蛋白质由细胞质运入线粒体内。 用于蛋白质合成的所有 tRNA都是由 mtDNA编码。 线粒体的遗传密码与核基因不完全相同 密码子 核密码子编 码氨基酸 线粒体密码子编码氨基酸 哺乳动物 果 蝇 链孢酶菌 酵 母 植 物 UGA 终止密码子 色氨酸 色氨酸 色氨酸 色氨酸 终止密码子 AGA

9、 AGG 精氨酸 终止密码子 丝氨酸 精氨酸 精氨酸 精氨酸 AUA 异亮氨酸 甲硫氨酸 甲硫氨酸 异亮氨酸 异亮氨酸 异亮氨酸 AUU 异亮氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸 甲硫氨酸 甲硫氨酸 异亮氨酸 CUU CUC CUA CUG 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 苏氨酸 亮氨酸 线粒体蛋白质合成系统 MtDNA RNA前体 切割加工 13种 mt-mRNA 22种 mt-tRNA 2种 mt-rRNA(12S,16S) 转录 1. 线粒体 RNA 2.特点： （与胞质蛋白质合成相比） 1) 各种 RNA是线粒体所独有的 RNA聚合酶的抑制剂 线粒体：菲啶溴红（ E.B.） 类似原 核细胞 真核细

10、胞：放线菌素 D、 a 鹅膏覃碱 2 ）核糖体对药物的敏感性不一样 线粒体： 氯霉素、红霉素 真核细胞胞质：放线菌酮 (3) 遗传密码与通用密码有差异 （ 2） 起始 tRNA不同 线粒体： N 甲酰甲硫氨酰 tRNA 真核细胞胞质： 甲硫氨酰 tRNA 3 ) 蛋白质合成过程不同 （ 1） 转录、翻译在同一时间和地 点进行 密码子 线粒体密码 通用遗传密码 UGA AUA AGG 色氨酸 蛋氨酸 终止子 终止子 异亮氨酸 精氨酸 通用遗传密码与线粒体遗传密码的差别 线 粒 体 遗 传 系 统 与 核 遗 传 系 统 的 相 互 关 系 (三 )线粒体 DNA的复制 类似于原核细胞的 DNA复

11、制。 一个重链复制起始点：控制重链自我复制 一个轻链复制起始点：控制轻链自我复制 复制特点 ： 轻链的 复制要晚 于重链； 重链的合成方向是顺时针的；轻链的合成方向是逆时针的； 复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期的静止期或 间期，甚至可分布在整个细胞周期。 复制时间 ：整个复制过程约持续 2个小时。 五、线粒体靶序列引导核编码 蛋白向线粒体运输 1.去折叠 2.穿线粒体膜 3.重折叠 （一）需要分子伴侣的协助 运送之前，蛋白质大多以 前体 形式存在。 线粒体中的蛋白质绝大多数由核基因编码 ， 在 细胞质中的游离核糖体合成 ， 称 前体蛋白 ， 将定向 转运至线粒体 。 基质导入序列 （

12、matrix-targeting sequence， MTS） 基质导入序列（导肽） N 末端引伸出 的一段含线粒体靶序列的肽链。 折叠 解折叠 重新折叠 分子伴侣 分子伴侣 前体蛋白与受体结合。 mthsp70可与进入线粒体腔的前导肽链交联，防 止了前导肽链退回细胞质。 分子伴侣： 保持前体蛋白在线粒体外的非折叠状态 NAC： 与少数前体蛋白相互作用，增加蛋白转运的准确性。 hsc70： 和绝大多数的前体蛋白结合，使前体蛋白打开折叠， 防止已松弛的前体蛋白聚集。 （二）前体蛋白在线粒体外保持非折叠 线粒体内外膜之间存在接触点，蛋白 质 通过此处的 TOM和 TIM复合体，进一步进入基质。 线

13、粒体蛋白穿膜转运的布朗棘轮模型示意图 （三）分子伴侣运动产生的动力协助多 肽穿越线粒体膜 （四）多肽链需在线粒体基质内重新折 叠才能形成有活性的蛋白质 基质作用蛋白酶 MPP：定位于线粒体内膜 上 ， 切除大多数蛋白的基质导入序列 。 mtHsp70、 Hsc60、 Hsp1等协助折叠 导肽与线粒体外膜上的受体结合 内、外膜之间的接触点 插入到内膜 进入线粒体基质后，蛋白质重新折叠， 形成成熟的蛋白质；导肽被水解 (五 )核编码蛋白向线粒体其他部位的转运 1.蛋白质向线粒体膜间腔的转运 信号序列 基质导入序列 MTS： 引导前体蛋白进入基质。 膜间腔导入序列 ISTS： 引导前体蛋白进入膜间腔

14、。 转运方式 整个蛋白进入基质，第 2个信号序列 ISTS引导多肽链 通过 内膜上的通道 进入膜间腔 。 第 2个信号序列 ISTS起 转移终止 序列的作用，阻止前体蛋 白向基质转运，并 固定于内膜 上，切去位于内膜上的 ISTS 部分后，进入膜间腔。 通过 直接扩散 从胞浆通过外膜而进入膜间腔。 2.蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运 在外膜蛋白的转运中， 类孔蛋白 P70的研究最 多。 在 P70的 MTS后有一段长的疏水序列，起着 转移 终止序列 的作用，而使之固定于外膜上。 内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚。 六、线粒体介导的细胞死亡 目前普遍接受的线粒体起源假说为 内共生学说 ，该学

15、说认 为线粒体可能起源于与古老厌氧真核细胞共生的早期细菌。 七、线粒体的起源与发生 线粒体是通过分裂方式实现增殖的 目前普遍接受的观点认为：线粒体的生物发生是通 过原有线粒体分裂完成的。 线粒体的生物发生过程： 第一阶段 线粒体进行 分裂增殖 ； 第二阶段 线粒体本身的分化过程，建成能够 行使 氧化磷酸化 功能的机构。 1. 线粒体分裂 2. 狗心肌细胞线粒体 3. 新生鼠肝细胞线粒体 2 1 3 线 粒 体 的 增 殖 间壁分离 : 收缩分离 : 出芽分裂 : 线粒体的内膜向中心内褶形成间壁， 或某一个嵴的延伸。当延伸到对侧 内膜时，线粒体一分为二。 线粒体中央部分收缩并向两端 拉长，中央形

16、成很细的颈，整 个线粒体成哑铃形，最后断裂 成两个新线粒体。 先从线粒体上长出小芽，然后 小芽与母线粒体分离，经过不 断长大，形成新的线粒体。 间壁分离 收缩分离 出芽分离 线粒体三种分裂方式： 出芽分裂 收缩分裂 间壁分裂 线粒体的分裂都不是绝对均等的 。 在同一线粒体中 ， 可能存在有不同类型的 mtDNA， 随机地分配 到新的线 粒体中 。 另一方面线粒体分裂还 受到细胞分裂的影响 。 生命活动中的大部分能量来 自于线粒体 细胞动力工厂 第二节 细胞呼吸与能量转换 慢跑，细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同 时产生 二氧化碳 和水。 快跑，细胞将葡萄糖分解成 乳酸 和二氧化碳。 在特定

17、细胞器（主要是线粒体）内，在 O2的参与下，分 解各种大分子物质，产生 CO2；与此同时，分解代谢所释 放出的能量储存于 ATP中的过程，称为 细胞呼吸 （ cellular respiration）， 也称 生物氧化 （ biological oxidation）或细胞氧化（ cellular oxidation） 。 细胞呼吸的概念 细胞呼吸的特点 本质上是在线粒体中进行的一系列由酶系所催化的 氧 化还原反应 ； 所产生的 能量储存于 ATP的高能磷酸键中； 整个反应过程是 分步进行 的，能量也是逐步释放的； 反应是在 恒温 (37) 和恒压 条件下进行的； 反应过程中需要 H2O的参与。

18、 ATP是一种高能磷酸化合物 细胞呼吸时，释放的能量可通过 ADP的 磷酸化 而及时储存于 ATP的高能磷酸键中作为备用； 当细胞进行各种活动需要能量时，又可 去磷酸 化 ，断裂一个高能磷酸键以释放能量来满足机 体需要。 ATP的放能、储能反应简式 A-P P P A-P P + Pi + 能量 去磷酸化 磷酸化 细胞呼吸所产生的能量储存于细胞能量转换分子 ATP中 第三节 细胞的能量转换 ATP中所携带的能量来源于 糖、氨基 酸和脂肪酸等的氧化 ，这些物质的 氧化是能量转换的前提。 从糖酵解到 ATP的形成是一个极其复 杂的过程，分为 三个步骤 ： 糖酵解（ glycolysis） 三羧酸循

19、环（ TAC） 氧化磷酸化 （ oxidative phosphorylation） 酵 解： 在细胞质内进行，反应过程中不需要氧 无氧酵解。 2丙酮酸 + 2H+ + 2ATP+2NADH （ C3H4O3) +2H2O 葡萄糖 +2Pi+2ADP+2NAD+ （ C6H12O6） 特点 ： （ 1） 不需氧 ，细胞质基质中进行 （ 2）净生成 2个 ATP，能量储藏在 丙酮酸 中。 一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解 1.葡萄糖在细胞质中经糖酵解途径分解成丙酮酸 底物水平磷酸化（ substrate-level phosphorylation）：由 高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移

20、到 ADP上， 使 ADP磷酸化生成 ATP的作用。 NADH+H+通过穿梭机制进入线粒体 糖酵解过程产生的还原当量（ NADH+H+）本身不能透过 线粒体内膜，必须借助线粒体内膜上 特异性穿梭系统 进入线粒体。 苹果酸 天冬氨酸穿梭 -酮戊二酸穿梭 乙酰辅酶 A生成 特点 ： （ 1） 线粒体 基质 中进行 （ 2） 3C的丙酮酸变成活泼的 2C乙酰辅酶 A （ 3） 无 ATP形成 在线粒体基质中丙酮酸脱氢酶体系作用下，丙酮酸 进一步分解为乙酰 CoA， NAD+作为受氢体被还原， 具体反应式 ： 2CH3COCOOH + 2HSCoA + 2NAD+ 2CH 3CO-ScoA + 2CO

21、2 + 2NADH + 2H+ 葡萄糖 丙酮酸 NAD NADH2 CO2 乙 酸 CoA 乙酰 CoA 草酰乙酸 三羧酸循环 （柠檬酸循环 ） 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 NAD NADH2 CO2 -酮戊二酸 NAD NADH2 CO2 琥珀酸 FAD FADH2 延胡索酸 苹果酸 NAD NADH2 1 2 3 1 注： NAD（辅酶 I） :尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 FAD（黄酶） : 黄素腺嘌呤二核苷酸 在线粒体 基质 中 ， 乙酰 CoA与草酰 乙酸结合成柠檬酸而进入 三羧酸循 环 （ tricarboxylic acid cycle， TAC） ， 经过一系列的代谢反应 ， 乙酰基

22、被氧化分解 ， 草酰乙酸再生 。 三羧酸循环是三大营 养素的最终代谢通路 。 糖、脂肪、氨基酸在 体内进行生物氧化都 将产生 乙酰 CoA，然后 进入三羧酸循环进入 降解。 二、 三 羧 酸 循 环 三羧酸循环 乙酰辅酶 A+草酰乙酸 （ 2C） （ 4C） 柠檬酸（ 6C） 3对以 NAD为氢受体 四对氢原子 （ NAD+ NADH） 1对以 FAD为氢受体 （ FAD FDAH2） 2个 CO2 特点： （ 1） 反应在线粒体基质中进行 （ 2） 7次连续反应为一次循环 （ 3） 生成一分子 GTP 7 个 连 续 反 应 (一 )呼吸链和 ATP合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础 1.呼吸

23、链 代谢物脱下的 成对氢原子 通过多种酶和辅酶所催化的 连锁反应 逐步传递，最后 与氧结合生成水 ，此传递过 程称为 呼吸链 。参加呼吸链的酶及辅酶按一定顺序在 线粒体内膜上排列， 进行氢和电子的传递 ，故又称为 电子传递链 。 三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键 复合体 酶活性 分子量 辅基 NADH-CoQ氧化还原酶 85 000 FMN 、 FeS 琥珀酸 -CoQ氧化还原酶 97 000 FAD、 FeS CoQH2-细胞色素 c氧化还 原酶 280 000 血红素 b、 FeS 血红素 c1 细胞色素 c氧化酶 200 000 血红素 a Cu 血红素 a3 呼吸链传递氢和电子的功能

24、由四种酶复合体完成 呼吸链蛋白质组成 每个复合体都由多条多肽链（大部分由核基因组编码，少部分由线粒体基因组编码）组成 线粒体内膜（包括嵴）的内表面附着的 圆球形基粒。 将呼吸链电子传递过程中释放的能量用于使 ADP磷 酸化生成 ATP的关键装置。 化学本质是 ATP合酶复合体 ，也称 F0F1ATP合酶 。 2.ATP合酶复合体 转子： C1211 定子： a1b2133 磷酸化的结构基础： ATP合酶 1979年 Boyer提出 结合变构模型 。其要点 : ATP合酶利用质子动力势，催化 ATP合成。 ATP合酶的头部有 3个催化位点 ( 亚基 )，催化位 点有 3种构象。 质子通过 a亚基

25、时，引起 c亚基构成的环旋转，带 动 亚基旋转， 亚基端部高度不对称，引起 亚基 3个催化位点构象的周期性变化（ L、 T、 O）， 将 ADP和 Pi加合在一起，形成 ATP。 1994年 Walker通过牛心线粒体晶体结构证明了 该模型。 电子传递过程中释放出的能量被 F0F1ATP合酶用来催化 ADP磷酸化而合成 ATP， ATP生成部位 即是氧化磷酸化 偶联部位。 (二 )氧化磷酸化耦联 Mitchell(1961，英国 )提出，该学说认 为： 电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将 质子 从内膜基质侧泵至膜间隙，形成质 子动力势。 以这种势能作为动力，驱动磷酸化反应， 合成 ATP。 （

26、三）化学渗透偶联假说 ATP形成的偶联部位 呼吸链上有 3个主要的放能部位 NAD 黄酶（ FMN） 辅酶 Q 细胞色素 b c1 c a a3 O2 ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP ADP+Pi ATP FADH2 AT P ADP+Pi 四、 ATP合酶变构合成机制 第四节 线粒体与医学 一、疾病过程中的线粒体变化 线粒体对外界环境因 素的变化很敏感，一 些 环境因素 的影响可 直接造成线粒体功能 的异常。 随着 年龄 的增长，线 粒体的氧化磷酸化能 力下降。 二、 mtDNA突变与疾病 线粒体含有自身独特的环状 DNA，但其 DNA是 裸露 的，易发生突变且很少能修复。 以线

27、粒体结构和功能缺陷为主要疾病原因的疾病 常称为 线粒体疾病 （ mitochondrial disorders） 三、线粒体融合和分裂异常相关的疾病 线粒体融合和分裂异常或者编码参与线粒体融合和 分裂蛋白的基因发生突变，就可能导致疾病的发生。 参与线粒体分裂的 Drp1基因发生突变时，导致婴 儿出生后大脑发育障碍、视神经萎缩同时并伴有其他 一些严重的并发症 当线粒体分裂被扰乱时，会导致一些常见的线粒 体功能失常，如 线粒体膜电位缺失， ROS增高以及 线粒体 DNA丢失 等。 介导细胞融合的蛋白 Opa1和 Mfn2的突变会引起 Kjers病 （常染色体显性视神经萎缩症）和 2A型腓 骨肌萎缩

28、症 。 疾 病 线粒体改变 线粒体肌病（遗传病） 骨骼肌线粒体缺少某些酶，氧 化磷酸化、呼吸链障碍 克山病（心肌线粒体病） 线粒体结构损伤，琥珀酸脱 氢酶、细胞色素氧化酶、 ATP 酶活性，寡霉素敏感性下降 肿 瘤 线粒体数目、嵴、电子传递链 酶系、 ATP量减少 缺 血 性 损 伤 内膜通透性改变， ATP酶性活 下降，内膜浓缩、外腔扩大， 线粒体功能由减弱到停止 线粒体与疾病治疗 成 分 应 用 细胞色素 C 缺氧急救和辅助药。如 CO中毒、 新生儿窒息、高山缺氧、肺功 能不全 辅酶 Q 治疗肌肉萎缩症、牙周病、高 血压、肿瘤；急性黄疸肝炎辅 助药 辅酶 I（ NAD+） 治疗进行性肌肉萎缩症、肝病 四、线粒体疾病的治疗 目前 线粒体疾病治疗的基本措施 包括： 1. 补充疗法 给患者添加呼吸链所需的辅酶。 2.选择疗法 选用一些能促进细胞排斥突变线粒体的药物 对患者进行治疗以增加异质体细胞中正常线粒 体的比例，从而将细胞的氧化磷酸化水平升高 至阈值以上。 3.基因疗法 将正常的线粒体基因转入患者体内以替代缺 陷 mtDNA发挥作用。 Thanks