第六章-线粒体与细胞的能量转换PPT课件.ppt

线粒体与细胞的能量转换1.第一第一节节 线线粒体的基本特征粒体的基本特征一、一、线线粒体的形粒体的形态态、数量和、数量和结结构构（一）（一）线线粒体的形粒体的形态态、数量与、数量与细细胞的胞的类类型和生理状型和生理状态态有关有关v形形态态：线线状、粒状或杆状状、粒状或杆状人胚胎肝人胚胎肝细细胞胞发发育早期，育早期，线线粒体短棒状；粒体短棒状；发发育晚期，育晚期，线线粒体粒体长长棒状。棒状。v大小：截面直径大小：截面直径0.21.0，长长14大鼠肝大鼠肝细细胞胞线线粒体粒体长长5胰腺分泌胰腺分泌细细胞胞线线粒体粒体长长1020人人类类成成纤维细纤维细胞胞线线粒体粒体长长达达402.v数量：与数量：与细细胞的生理功能和状胞的生理功能和状态态有关有关1个个50万个。最多万个。最多时时占占细细胞胞总总体体积积的的25%。哺乳哺乳动动物心肌、骨骼肌、小物心肌、骨骼肌、小肠细肠细胞胞线线粒体极丰富。粒体极丰富。v分布：需能分布：需能较较多的区域，可沿微管向功能旺盛的多的区域，可沿微管向功能旺盛的区域迁移区域迁移线线粒体粒体微管微管3.（二）（二）线线粒体的超微粒体的超微结结构构v线线粒体是由两粒体是由两层单层单位膜套叠位膜套叠而成的封而成的封闭闭囊泡状囊泡状结结构。构。1.外膜外膜(outer membrane)v包包围围在在线线粒体表面的一粒体表面的一层单层单位膜，厚位膜，厚6nm，光滑平整。，光滑平整。仅仅含少量含少量酶酶蛋白，蛋白蛋白，蛋白质质/脂脂类为类为1:1。v整合膜蛋白包括多种整合膜蛋白包括多种转转运蛋运蛋白白孔蛋白孔蛋白分子量分子量5103以下的物以下的物质质可自可自由通由通过过。4.（二）（二）线线粒体的超微粒体的超微结结构构1.外膜外膜(outer membrane)v包包围围在在线线粒体表面的一粒体表面的一层单层单位膜，厚位膜，厚6nm，光滑，光滑平整。平整。仅仅含少量含少量酶酶蛋白，蛋白蛋白，蛋白质质/脂脂类为类为1:1。v整合膜蛋白包括多种整合膜蛋白包括多种转转运蛋白运蛋白孔蛋白孔蛋白由由片片层形成的筒状形成的筒状结构，包构，包绕成一直径成一直径23nm的内部的内部通道。通道。分子量分子量5103以下的物以下的物质质可自由通可自由通过过。5.（二）（二）线线粒体的超微粒体的超微结结构构2.内膜内膜(inner membrane)v内膜厚内膜厚约约4.5nm，深度折叠形成，深度折叠形成嵴嵴(cristae)。v富含富含酶酶蛋白和蛋白和辅辅酶酶，蛋白，蛋白质质/脂脂类类大于大于3:1。内膜有内膜有电电子子传递链传递链和基粒。和基粒。v通透性低，分子量通透性低，分子量 150的物的物质质不能通不能通过过。水分子和游离酸型丙水分子和游离酸型丙酮酮酸可通酸可通过过v膜上有膜上有转转运蛋白，包含多种运蛋白，包含多种转转运系运系统统。6.（二）（二）线线粒体的超微粒体的超微结结构构3.膜膜间间腔腔(inter membrane space)v线线粒体内外膜之粒体内外膜之间间封封闭闭的腔隙，的腔隙，宽约宽约68nm。嵴嵴内腔内腔(intracristae space)是膜是膜间间腔的延伸。腔的延伸。v含可溶性含可溶性酶酶、底物和、底物和辅辅助因子助因子v转转位接触点位接触点(translocation contact site)图图 128页页内、外膜在某些地方相互接触，使膜内、外膜在某些地方相互接触，使膜间间腔腔变变狭窄狭窄处处。v由通道蛋白和特异性受体构成。由通道蛋白和特异性受体构成。7.（二）（二）线线粒体的超微粒体的超微结结构构4.基基质质腔腔(matrix space)v内膜包内膜包围围的的嵴嵴外空外空间间嵴间嵴间腔腔 内膜折叠形成的两内膜折叠形成的两层嵴层嵴之之间间的的间间隙隙v基基质质(matrix)富含可溶性蛋白富含可溶性蛋白 v如催化如催化TCA cycle、脂肪酸、脂肪酸-氧化、氨基酸分解、蛋白氧化、氨基酸分解、蛋白质质合成等多种合成等多种酶酶。可溶性代可溶性代谢谢中中间产间产物物线线粒体粒体 DNA,RNA,核糖体核糖体8.二、二、线线粒体的化学粒体的化学组组成成v蛋白蛋白质质占占线线粒体干重粒体干重65%70%,主要分布在内膜和基主要分布在内膜和基质质。可溶性蛋白可溶性蛋白 基基质质中的中的酶酶、膜外周蛋白、膜外周蛋白不溶性蛋白不溶性蛋白 膜膜结结构蛋白、膜构蛋白、膜镶镶嵌嵌酶酶蛋白蛋白线线粒体含有粒体含有120余种余种酶酶（酶酶系）系）v氧化氧化还还原原酶酶37%、合成、合成酶酶10%、水解、水解酶酶约约9%外膜外膜标标志志酶酶：单单胺氧化胺氧化酶酶内膜内膜标标志志酶酶：Cyt b,c,cCyt b,c,c1 1,a,a,a,a3 3膜膜间间腔腔标标志志酶酶：腺苷酸激：腺苷酸激酶酶基基质质标标志志酶酶：苹果酸脱苹果酸脱氢氢酶酶9.二、二、线线粒体的化学粒体的化学组组成成v脂类占干重的25%30%（75%以上是磷脂）v主要为磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、心磷脂v其余为磷脂酰肌醇、胆固醇外膜含少量胆固醇内膜富含心磷脂（20%），缺乏胆固醇。10.三、三、线线粒体的粒体的遗传遗传体系体系v线线粒体由两套粒体由两套遗传遗传系系统统控制，是具有半自主性的控制，是具有半自主性的细细胞器。胞器。核基因核基因组组线线粒体基因粒体基因组组（一）（一）线线粒体粒体 DNA 结结构构vHuman mt DNA 含含16 569 bp，双，双链环链环状状DNA分子。分子。裸露，不与裸露，不与组组蛋白蛋白结结合，在基合，在基质质中或附着在内膜上。中或附着在内膜上。每个每个线线粒体含有粒体含有1数个数个 mt DNA.平均平均 510 个。个。v人人类线类线粒体基因粒体基因组编码图组编码图 图图 129页页v人人类线类线粒体基因粒体基因组组共共编码编码37个基因个基因 130页页11.电电子子传递链组传递链组分分ND1,ND2,ND3,ND4L,ND4,ND5&ND6Cyt bCOXCOX COX 12.三、三、线线粒体的粒体的遗传遗传体系体系（二）重（二）重链链和和轻链轻链各有一个启各有一个启动动子启子启动线动线粒体基因的粒体基因的转录转录（略）（略）（三）（三）线线粒体粒体DNA的两条的两条链链由各自的复制起始点（略）由各自的复制起始点（略）13.四、核四、核编码编码蛋白的蛋白的线线粒体粒体转转运运v线线粒体的粒体的4个蛋白个蛋白质输质输送送亚亚区域区域1.线线粒体外膜粒体外膜(outer mitochondrial membrane,OMM)2.线线粒体内膜粒体内膜(inner mitochondrial membrane,IMM)3.膜膜间间腔腔4.基基质质14.（一）核（一）核编码编码蛋白向蛋白向线线粒体基粒体基质质的的转转运运1.核核编码编码蛋白蛋白进进入入线线粒体需要分子伴粒体需要分子伴侣侣蛋白的蛋白的协协助助v前体蛋白前体蛋白由核基因由核基因编码编码的将要的将要输入到入到线粒体的蛋白。粒体的蛋白。前体蛋白前体蛋白 N-端具有基端具有基质导质导入序列入序列(matrix-targeting sequence,MTS)，由由2080个氨基酸残基个氨基酸残基组组成，富含成，富含 Arg,Lys,Ser&Thr,少少见见 Asp&Glu.vMTS 包含了所有介包含了所有介导导前体蛋白前体蛋白输输入入线线粒体基粒体基质质的信号。的信号。v完成完成转转运后，运后，MTS 被信号被信号肽肽酶酶(signal peptidase)切除。切除。15.（一）核（一）核编码编码蛋白向蛋白向线线粒体基粒体基质质的的转转运运2.前体蛋白在前体蛋白在线线粒体外保持非折叠状粒体外保持非折叠状态态v分子伴分子伴侣侣 识别识别前体蛋白解折叠后暴露的疏水基前体蛋白解折叠后暴露的疏水基团团并与之并与之结结合，防止其聚集；合，防止其聚集；协协助跨膜助跨膜转转运后的运后的多多肽肽折叠和折叠和组组装。装。新生多新生多肽肽相关复合物相关复合物 热热休克蛋白休克蛋白 热热休克同源蛋白休克同源蛋白胞胞质质hsc70 协协助前体蛋白解折叠，到达助前体蛋白解折叠，到达线线粒体表面后，粒体表面后，ATP提供能量使其解离。提供能量使其解离。Mthsc70 维维持前体蛋白解折叠，把多持前体蛋白解折叠，把多肽肽“铰进铰进”基基质质后后使其重新折叠。使其重新折叠。16.前体蛋白前体蛋白结结合因子合因子(pre-sequence binding factor,PBF)线线粒体粒体输输入刺激因子入刺激因子(mitochondrial import stimulatory factor,MSF)v多数与多数与 hsp70 结结合的前体蛋白直接和合的前体蛋白直接和 Tom 20&Tom22 结结合，再与外膜上的通道蛋白合，再与外膜上的通道蛋白 Tom 40 偶偶联联，Tom 40 与内膜与内膜转转位接触点共同构成越膜通道，蛋位接触点共同构成越膜通道，蛋白白质进质进入基入基质质。17.3.分子伴分子伴侣侣运运动产动产生的生的动动力力协协助多助多肽肽穿越穿越线线粒体膜粒体膜v蛋白蛋白质质首先通首先通过过 TOM 复合体复合体进进入膜入膜间间隙，然后通隙，然后通过过 TIM 复合体复合体进进入基入基质质。v蛋白蛋白质质通通过转过转位接触点直接位接触点直接进进入基入基质质在接触点上在接触点上 TOM 与与 TIM 协协同作用，多同作用，多肽肽靶向基靶向基质质。v布朗棘布朗棘轮轮模型模型(Brownian ratchet model)图图 133页页4.多多肽链肽链在在线线粒体基粒体基质质内重新折叠内重新折叠v基基质导质导入序列入序列(MTS)被被线线粒体加工蛋白粒体加工蛋白酶酶移除；移除；vmthsc70 作作为为折叠因子折叠因子协协助多助多肽肽折叠；折叠；vmthsc60 完成最后折叠。完成最后折叠。18.19.（二）核（二）核编码编码蛋白向蛋白向线线粒体其他部位的粒体其他部位的转转运运（了解）（了解）1.蛋白蛋白质质向膜向膜间间腔的腔的转转运运v前体蛋白具有两个信号序列前体蛋白具有两个信号序列前体蛋白前体蛋白 N-端携端携带带 MTS 靶向基靶向基质质，MTS 被被 MPP 移除。移除。前体蛋白携前体蛋白携带带膜膜间间腔腔导导入序列入序列(intermembrane space-targeting sequence,ISTS)，靶向膜，靶向膜间间腔。根据腔。根据 ISTS 的不的不同，有同，有2种种转转运方式。运方式。2.蛋白蛋白质质向向线线粒体外膜和内膜的粒体外膜和内膜的转转运运 教材 134页20.五、五、线线粒体的起源与粒体的起源与发发生生（一）分裂增殖（一）分裂增殖1.出出芽芽：见见于于酵酵母母和和藓藓类类植植物物，线线粒粒体体出出芽芽、长长大大，脱脱离离原原线线粒体，粒体，发发育育为为新的新的线线粒体。粒体。2.收收缩缩分裂：分裂：线线粒体在中部粒体在中部缢缩缢缩分裂分裂为为两个。两个。3.间间壁壁分分裂裂：线线粒粒体体内内膜膜向向中中心心皱皱褶褶，形形成成间间壁壁，将将其其一一分分为为二，常二，常见见于鼠肝和植物分生于鼠肝和植物分生组织组织。21.五、五、线线粒体的起源与粒体的起源与发发生生（二）mtDNA 随机分配到新的线粒体中v线粒体可以含有正常的（即野生型）和突变的mtDNA 混合物，称为异质性。线粒体分裂时随机分配v细胞内存在野生型和突变型线粒体细胞分裂时随机分配v随机分配导致 mtDNA 异质性变化的过程称为复制分离。22.五、五、线线粒体的起源与粒体的起源与发发生生（三）线粒体可能起源于共生的早期细菌v线粒体在形态、染色反应、化学组成、物理性质、活动状态、遗传体系等方面类似于细菌，推测线粒体起源于内共生。需氧细菌被原始真核细胞吞噬后，在长期互利共生中演变为线粒体。在进化过程中，需氧细菌逐步丧失其独立性，并将大量遗传信息整合到宿主细胞中，形成了线粒体的半自主性。23.线线粒体起源的内共生假粒体起源的内共生假说说24.第二第二节节 细细胞呼吸与能量胞呼吸与能量转换转换一、细胞呼吸v糖、脂肪和蛋白质等营养物质在细胞内彻底氧化生成 CO2 和 H2O，释放能量的过程称为细胞氧化(cellular oxidation)。此过程需消耗O2、放出CO2，又称为细胞呼吸(cellular respiration)。v细胞呼吸的特点25.第二第二节节 细细胞呼吸与能量胞呼吸与能量转换转换二、细胞能量的转换分子ATP26.第三第三节节 细细胞的能量胞的能量转换转换v葡萄糖氧化的三个步骤第1阶段 糖酵解(glycolysis)第2阶段 三羧酸循环(tri-carboxylic acid cycle，TCA cycle)第3阶段 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)27.一、糖酵解（一、糖酵解（细细胞胞质质基基质质）C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 酵解酶系 进入有氧氧化 2CH3COCOOH+2NADH+2H+2ATP 丙酮酸 2CH3CHOHCOOH+2NAD+2ATP 完成无氧酵解 乳 酸 2CH3CH2OH+2CO2+2NAD+2ATP 乙 醇vNAD+(nicotinamide adenine dinucleotide,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，带正电荷的离子)电子受体28.一、糖酵解（一、糖酵解（细细胞胞质质基基质质）v丙酮酸与 NADH+H+进入线粒体有氧氧化丙酮酸以其自身的脂溶性通过内膜2CH3COCOOH+2HSCoA+2NAD+2CH3COSCoA+2CO2+2NADH+2H+NADH+H+借助于内膜上的特异性穿梭系统进入基质v苹果酸-天冬氨酸穿梭 教材 138页v-磷酸甘油穿梭29.二二、线线粒粒体体基基质质中中的的 TCA cycle柠柠檬酸檬酸 6C异异柠柠檬酸檬酸 6C-酮酮戊二酸戊二酸5C琥珀琥珀酰酰CoA 4C NAD+NADH+H+123456789NAD+NADH+H+NAD+NADH+H+NADH+H+NAD+FADH2FAD丙丙酮酮酸酸 3C乙乙酰酰CoA 2C草草酰酰乙酸乙酸 4C苹果酸苹果酸 4C延胡索酸延胡索酸 4C琥珀酸琥珀酸 4CGTPGDP葡萄糖、氨基酸、脂肪酸、甘油等葡萄糖、氨基酸、脂肪酸、甘油等CO2PiCO2CO230.二、二、线线粒体基粒体基质质中的中的 TCA cyclev三羧酸循环要点TCA 循环将丙酮酸氧化为CO2和H2O，并产生能量。TCA 循环共有8个步骤。循环一次，氧化1个乙酰基。vTCA 循环总反应式 CH3COCoA+2H2O+FAD+3NAD+GDP+Pi 2CO2+FADH2+3NADH+3H+GTP+HS-CoAv能量产生每循环一次产生 1GTP、3NADH 和 1FADH2 v 2！31.三、三、线线粒体氧化磷酸化偶粒体氧化磷酸化偶联联与与ATP形成形成vNADH 和 FADH2 携带的电子经呼吸链逐级定向传递给O2，本身被氧化。电子传递过程中释放的能量被 ATP 合酶用来催化 ADP 磷酸化合成 ATP。v氧化（放能）磷酸化（贮能）由两个不同的结构系统同时进行并偶联在一起。32.（一）呼吸（一）呼吸链链和和 ATP 合合酶酶是氧化磷酸化的是氧化磷酸化的结结构基构基础础1.呼吸链（电子传递链）v位于线粒体内膜上，由一系列电子载体构成，能够可逆地接受和释放H+和电子。呼吸链上的最终电子受体是分子氧。v电子传递体：只传递电子的酶和辅酶（泛醌、Cytc）v递氢体：既传递电子又传递质子的酶和辅酶v电子载体的类型 根据接收代谢物上脱下的 H 的原初受体，分为vNADH 呼吸链vFADH2 呼吸链33.电电子子转转运复合物运复合物v线粒体内膜崩解时，电子载体以4种不同的跨膜蛋白复合物被分离出来，均为整合膜蛋白。复合体复合体复合体 复合体泛醌和细胞色素C不属于任何一种复合物34.v复合体（或NADH脱氢酶）催化一对电子从NADH转移到泛醌(UQ)上形成氢醌(UQH2)。每传递一对电子，伴随4H+从基质侧被转移到膜间腔，既是电子传递体又是质子移位体。v复合体（或琥珀酸脱氢酶）提供了将来自琥珀酸的电子传到FAD再转移到泛醌生成氢醌的途径。电子传递不伴随质子的跨膜转移。v复合体(或 Cyt b,c1)催化电子从氢醌转移到 Cyt c。每转移一对电子，有4H+从基质侧被泵到膜间腔。v其中2H+是从进入复合物的还原态的UQH2 中获得的；另外2H+来自基质，并作为第二个UQH2 的部分被跨膜转移到膜间腔中。v复合体(或 Cyt c 氧化酶)电子连续地从还原态的 Cyt c 传给氧。35.v反应如下：2 Cytc2+2H+1/2O2 2Cytc3+H2Ov还原1个O2分子反应如下：4 Cytc2+4H+O2 4Cytc3+2H2O36.2.ATP 合合酶酶复合体复合体v基粒(elementary particle)排列在内膜和嵴上基质腔一侧的颗粒状凸起。基粒间距为10。37.2.ATP合合酶酶复合体复合体vATP synthase 包含F1和F0两个主要组分头部 又称 F1偶联因子，由5种亚基以3:3:组成。v亚基呈螺旋结构位于“橘子”中央，上段与,有限接触；下段与有很强的亲和力，结合在一起形成“转子”。v亚基协助亚基附着到 F0。38.2.ATP合合酶酶复合体复合体F0基部包埋在膜中，由3种亚基以1a:2b:12c组成。vc亚基在膜上形成一个可动环；v成对的b亚基和 F1头部的亚基组成一个外周柄，固定/亚基的位置；va亚基有跨膜转运的质子通道，将 H+从膜间腔转运到基质。39.（二）氧化（二）氧化过过程伴随磷酸化的偶程伴随磷酸化的偶联联v还原性辅酶NADH&FADH2怎样被利用而生成ATP?高能电子从FADH2和NADH转移到电子传递链的第一个载体上。质子通过ATP合酶返跨膜的运动，为ADP磷酸化生成ATP提供必需的能量。40.（二）氧化（二）氧化过过程伴随磷酸化的偶程伴随磷酸化的偶联联v根据实验测定，各组分在链上的顺序与其得失电子的趋势有关，电子总是从低氧化还原电位向高氧化还原电位流动。v氧化还原电位值愈低的组分供电子的倾向愈大v呼吸链3个能量释放偶联ATP生成的部位，见图。NADH2.5 ATPFADH21.5 ATP41.生物氧化生物氧化产产生生ATP的的统计统计糖酵解（以葡萄糖为例）底物水平磷酸化 4 ATP细胞质基质己糖分子活化 2 ATP细胞质基质2分子 NADH 3 ATP(or 5ATP)*进入线粒体*丙酮酸氧化脱羧2分子 NADH 5 ATP线 粒 体TCA 循环底物水平磷酸化 2 ATP线 粒 体6分子 NADH 15 ATP线 粒 体2分子 FADH2 3 ATP线 粒 体总计生成 30 ATP(or 32ATP)*42.（三）（三）电电子子传递时传递时 H+穿膜形成穿膜形成电电化学梯度化学梯度v化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis)英国 P.Mitchell，1961 v电子传递释放的能量将 H+从基质泵出内膜，形成跨膜电化学质子梯度；然后，H+顺浓度梯度穿过位于内膜的 ATP 合酶回流到基质，释放的能量驱动 ATP 合成。43.电电化学化学质质子梯度如何子梯度如何驱动驱动ATP合合酶酶生成生成ATP?vF1具有3个催化位点，但在特定的时间，3个催化位点的构象不同(L,T,O)，与核苷酸的亲和力不同。v质子的“下坡”跨膜运动驱动c环转动，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部高度不对称，其旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化：LTO,不断将 ADP 和 Pi 加合生成 ATP。44.（四）（四）电电化学梯度所包含的能量化学梯度所包含的能量转换转换成成ATP的化学能的化学能v结结合合变变构机制构机制(binding-change mechanism)v3个亚基的构象怎么会发生交替变化呢？每个亚基具有松弛(L)、紧密(T)和开放(O)的状态。vADP+Pi 与松弛状态的亚基结合，当其构象转变为紧密状态时，ADP+Pi 自发形成 ATP；v随后，当亚基转变为开放状态时，ATP 被释放进入基质。45.第四第四节节 线线粒体与粒体与细细胞死亡胞死亡v自学v了解46.第五第五节节 线线粒体与医学（略）粒体与医学（略）v线粒体疾病是mtDNA和/nDNA编码线粒体蛋白的基因变异，导致线粒体结构损伤和氧化磷酸化功能下降而引起的疾病。表现为ATP能量减少、活性氧自由基增多和乳酸中毒等，造成细胞损伤或细胞凋亡等。可发生在身体某一部位或多个部位，形成多系统疾病，患者常有两种或更多病症的综合表现，形成综合症。47.第五第五节节 线线粒体与医学（略）粒体与医学（略）v线粒体疾病的特征母系遗传 人类胚胎细胞中的线粒体专一来自于卵细胞。高突变率 比核DNA高10倍以上。vmtDNA裸露，没有组蛋白保护，容易受到侵害；缺乏有效的修复系统；复制时不对称；复制频率较nDNA高。复制分离线粒体含有正常的和突变的mtDNA 混合物，分裂时，它们被随机分配到子代线粒体。阈值效应突变mtDNA达到一定阈值，细胞表现变异表型。v含高百分比突变线粒体的个体所患疾病将更加严重。48.第五第五节节 线线粒体与医学（略）粒体与医学（略）一、疾病过程中的线粒体变化v中毒、感染氰化物、CO能阻断呼吸链的电子传递，中断氧化磷酸化过程。病毒感染，线粒体肿胀、破裂。v原发性肝癌线粒体嵴数量减少，呈液泡状。v缺血性损伤线粒体肿胀、凝集。v坏血病23个线粒体发生融合。v衰老从老人身上获得的细胞与从年青人身上获得的同类细胞相比，前者的mtDNA突变明显增多。v氧化磷酸化能力下降49.第五第五节节 线线粒体与医学粒体与医学二、mtDNA 突变与疾病v线粒体突变特别可能在神经和肌肉组织细胞中积累，因为这些细胞在体内长期存活。癫痫、亨廷顿氏舞蹈病等退行性病变均与mtDNA碱基缺失有关。帕金森病(Parkinsons disease,PD)vmtDNA 4 977bp 缺失。线粒体功能退行性变化。v患者脑部黒质区细胞呼吸链复合体活性明显下降。v行动迟缓、姿势异常、手脚震颤。丙酮酸脱氢酶缺陷v线粒体能量代谢缺陷丙酮酸乙酰辅酶A的关键步骤受阻，导致乳酸积聚、中毒，影响脑组织细胞代谢，引起脑损伤。50.线粒体的形态短杆状51.