细胞生物学第六章.pptx

一）核糖体的成分含40%的蛋白质、60%的RNA，由两个亚单体构成。分为70S和80S两种类型。由大小两个亚基构成，只在以mRNA为模板合成蛋白质时才结合在一起，肽链合成终止后，大小亚单位又解离。核糖体并不是单独工作的，而是由多个甚至几十个串 连 在 一 条 mRNA分 子 上，称 多 聚 核 糖 体（polyribosome）。第六章 核糖体ribosome核糖体的组成60S结 构大亚基大亚基小亚基小亚基柄中心突中心突嵴嵴平台平台头部头部裂沟裂沟基部基部50S30SmRNA40SmRNAtRNA多肽多肽中央管中央管5，3，mRNA A部部位位 P部部位位G因因子子T因子因子核核糖糖体体的的四四个个活活性性部部位位(二)核糖体的结构 mRNA结合位点 供体部位，肽酰-tRNA结合部位，也称P位。受体部位，氨酰-tRNA 结合部位，也称A位。转肽酶活性部位（T因子）形成肽键。GTP酶活性部位（G因子）使肽酰-tRNA由A位转到P位 E出口,脱氨酰tRNA离开A位点P 离开核糖体 活性部位Protein SynthesisAP（三）核糖体组装rRNA基因是重复的多拷贝基因。人的一个细胞中约有200个拷贝，rDNA没有组蛋白核心，是裸露的DNA节段，相邻基因之间为非转录的间隔DNA。转录时，RNA聚合酶沿DNA分子排列，此酶由基因头端向末端移动，转录好的rRNA分子从聚合酶处伸出，愈近末端愈长，从左右两侧均可伸出，呈羽毛状。rRNA首先出现在纤维部，而后转向颗粒部。纤维部的纤维状物质是新合成的45SrRNA，它与蛋白质形成RNP复合体。45SrRNA甲基化以后经RNA酶裂解形成18s、28s、5.8srRNA。成熟的rRNA仅为45srRNA的一半，丢失的大部分是非甲基化和GC含量较高的区域。5SrRNA通常定位在常染色体，合成后被转运至核仁区参与大亚基的装配。MITOCHONGDRION AND CHLOROPASTMITOCHONGDRION AND CHLOROPAST本章内容提要本章内容提要一、结构二、氧化磷酸化的分子基础三、氧化磷酸化的作用机理四、线粒体的半自主性五、线粒体的增殖管状嵴线粒体第一节 线粒体的形态、数量与分布（一）形态:多种多样：线状、粒状或杆状。直径0.51m，长1.53.0m，在胰脏外分泌细胞中可长达1020m，称巨线粒体。肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%，许多哺乳动物成熟的红细胞无线粒体。通常分布在细胞功能旺盛的区域。在肾细胞中靠近微血管，在精子中分布在鞭毛中区。线粒体可以向细胞功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。（二）数量分布Structures of the mitochondrion第二节 超微结构一、分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。1、外膜(out membrane)含40%的脂类和60%的蛋白，具有porin构成的亲水通道，允许分子量5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。2、内膜（inner membrane）含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌质膜。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过。（孔蛋白）氧化磷酸化的电子传递链位于内膜。标志酶为细胞色素C氧化酶。内膜向线粒体内室褶入形成嵴（cristae），能扩大内膜表面积（达510倍），嵴有两种：板层状、管状。嵴上覆有基粒。基粒由头部（F1）和基部（F0）构成（后面讲）。3、膜间隙(intermembrane space)：是内外膜之间的腔隙，宽约6-8nm。标志酶为腺苷酸激酶。4、基质（matrix）为内膜和嵴包围的空间。含有：催化三羧酸循环，脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶类。标志酶为苹果酸脱氢酶。线粒体DNA（mtDNA），及线粒体特有的核糖体，tRNAs、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。小鼠肾曲管上皮细胞冰冻蚀刻小鼠肾曲管上皮细胞冰冻蚀刻二、线粒体的化学组成（一）主要化学成分蛋白质、脂类和水分子蛋白占干重的65-70%，脂类占25-30%。（二）酶的定位分布（三）电子载体（三）电子载体NAD、黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q等。1、NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide），连接三羧酸循环和呼吸链，将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。2、黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白，可接受2个电子2个质子。黄素相关的脱氢酶类主要有：以FMN为辅基的NADH脱氢酶。以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。NAD NADPFlavin mononucleotide(FMN)&Flavin adenine dinucleotide3、细胞色素：、细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中形式变化传递电子，呼吸链中有有5类，即：细胞色素类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中其中a、a3含含有铜原子。有铜原子。4、铁铁硫硫蛋蛋白白：在在其其分分子子结结构构中中每每个个铁铁原原子子和和4个个硫硫原原子子结结合合，通通过过Fe2+、Fe3+互互变变进进行行电电子子传传递递，有有2Fe-2S和和4Fe-4S两种类型。两种类型。5、辅酶、辅酶Q：是脂溶性小分子量醌类化合物，通过氧化：是脂溶性小分子量醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有和还原传递电子。有3种氧化还原形式，即：种氧化还原形式，即：氧化型醌氧化型醌Q，还原型氢醌（，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基和介于两者之者的自由基半半醌（醌（QH）。（四）呼吸链的复合物（四）呼吸链的复合物呼吸链组分按氧化还原呼吸链组分按氧化还原电位电位由低向高由低向高的方向的方向排列。排列。利用利用deoxycholate处处理线粒体内膜、分离理线粒体内膜、分离出呼吸链的出呼吸链的4种复合物种复合物。辅酶辅酶Q和细胞色素和细胞色素C不不属于任何一种复合物。属于任何一种复合物。1、复合物I：NADH脱氢酶。组成：42条肽链组成，呈L型，含一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。作用：催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。NADHFMNFe-SQNADH5H+M+QNAD+QH2+4H+C2、复合物II：琥珀酸脱氢酶组成：至少由4条肽链，含有一个FAD，2个铁硫蛋白。作用：催化琥珀酸的低能量电子转至辅酶Q，但不转移质子。琥珀酸FADFe-SQ。琥珀酸+Q延胡索酸+QH2 3、复合物III：细胞色素c还原酶。组成：至少11条不同肽链，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个铁硫蛋白和一个细胞色素c1。作用：催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。2还原态cyt c1+QH2+2 H+M2氧化态cyt c1+Q+4H+C复合物的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关 4、复合物IV：细胞色素c氧化酶组成：为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚单位。作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。cyt cCuAheme aa3-CuBO24还原态cyt c+8 H+M+O24氧化态cyt c+4H+C+2H2O由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。由复合物II、III、IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。对应于每个复合物，大约需要3个复合物，7个复合物，任何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而是由辅酶Q和细胞色素c这样的可扩散性分子连接。（四）两条主要的呼吸链Transport of electrons from NADHTransport of electrons from FADH2两条呼吸链鱼藤酮、阿米妥鱼藤酮、阿米妥抗霉素抗霉素ACN、CO呼吸链组分及ATP酶在线粒体内膜上呈不对称分布。可用亚线粒体颗粒和冰冻蚀刻技术呼吸链组分的分布。用超声波破碎线粒体，形成颗粒朝外的小膜泡，称亚线粒体颗粒，具有正常的电子传递和磷酸化的功能。用细胞色素c的抗体能够抑制完整线粒体的氧化磷酸化，但不能抑制亚线粒体颗粒的氧化磷酸化，为什么？Chemiosmotic Theory状如蘑菇，属F型质子泵。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部）。F1由5种多肽组成33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个亚基具有一个）。F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道。（五）ATP合酶（ATP synthetase）ATP 合酶1979年Boyer P提出构象耦联假说。其要点如下：1ATP酶利用质子动力势，发生构象改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。2F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同（L、T、O），与核苷酸的亲和力不同。3质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。支持构象耦联假说的实验：ATP synthase as a reversible coupling device第三节 线粒体的功能一、线粒体的各部分功能（P89）二、线粒体的能量转换机制在在有氧有氧环境中，细胞消耗环境中，细胞消耗氧氧气气来分解来分解葡萄糖葡萄糖并获得并获得能量能量，同时产生同时产生二氧化碳和水的过程二氧化碳和水的过程（38ATP38ATP）。）。细胞呼吸的个阶段：细胞呼吸的个阶段：即糖酵解途径：葡萄糖-丙酮酸、丙酮酸乙酰辅酶、三羧酸循环、电子传递与ATP的合成。（一）糖酵解途径：丙酮酸生成 （glycolytic pathway）：淀粉、葡萄糖或其它六碳糖在无氧条件下分解成丙酮酸的过程，通称为糖酵解途径。它是一种在不需要氧气供应的条件下，产生ATP 的一种供能方式；糖酵解途径过程由葡萄糖到所有的中间产物都是以磷酸化合物的形式来实现的。糖酵解发生在细胞质中糖酵解发生在细胞质中的的1010步反应，前步反应，前5 5步为准步为准备阶段，需要消耗备阶段，需要消耗2 2分子分子ATPATP来启动，后来启动，后5 5步为产生步为产生ATPATP的贮能阶段，共产出的贮能阶段，共产出4 4分子分子ATPATP，还形成还原当，还形成还原当量量NADHNADH 。糖酵解途径将六碳的葡萄糖酵解途径将六碳的葡萄糖分解成糖分解成2 2个个三碳的三碳的丙酮丙酮酸酸，净产生净产生2 2个个ATPATP，生成，生成2 2分子分子NADHNADH。（二）乙酰辅酶的生成三羧酸循环发生在线粒体中，但丙酮酸需先转变成乙酰辅酶A后才进入三羧酸循环。辅酶丙酮酸乙酸 乙酰辅酶CO2辅酶NAD+NADH三羧酸循环包括8个步骤；该过程中的关键化合物为柠檬酸；循环的最后产物是草酰乙酸。分解1分子丙酮酸形成3分子CO2（其中1个是来自于丙酮酸需转变成乙酰辅酶A的过程，2个来自于三羧酸循环）、4个H+、4分子NADH和1分子FADH2及1分子ATP。NADHNADH和FADHFADH2 2再经过一系列呼吸链的传递释放能量。n (三）羧酸循环，Tricarboxylic acid cycle,TCA)n rebs循环(1937,Hans.Krebs,1953诺贝尔奖)(三羧酸循环，Tricarboxylic acid cycle,TCA)电子传递链又称呼吸链，主要成分是线粒体内膜上的蛋白复合物，这些复合物进行电子传递、H+的传递及氧的利用，产生H2O和ATP。(FMN(FMNFe-S)Fe-S)(FMN(FMNFe-S)Fe-S)(Cytc(CytcCytbCytbFe-S)Fe-S)(Cyta(CytaCyta3Cyta32 22 22 2（四）电子传递偶联氧化磷酸化 电子传递链就是通过一系列的氧化还原反应，将高能电子从NADH 或FADH2最终传递给分子氧，生成水。同时随着电子能量水平的逐步下降，高能电子所释放的化学能就通过氧化磷酸化途径贮存到ATP分子中。氧化磷酸化：由于线粒体内膜上发生的氧化作用与磷酸化作用密切偶联，所以被称为氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）。底物水平的磷酸化：在磷酸化过程中，相关的酶将底物分子上的磷酸基团直接转移到ADP分子上。1961年，英国科学家Mitchell提出了化学渗透学说，由此荣获1978年的诺贝尔奖。P91ATP的合成：是由一个酶的复合体系完成的，这个复合体系称为ATP合成酶（ATP synthase），由两个主要的单元构成，起质子通道作用的单元称为F0和催化ATP合成的单元F1。因此，ATP合成酶又被称为F0F1-ATP酶（F0F1-ATPase）F1Fo糖酵解的酶是在细胞质的可溶部分，细胞质是糖酵解进行的场所；三羧酸循环的酶大部分在线粒体基质中，三羧酸循环发生在线粒体的基质中；线粒体的内膜上含有电子传递链及ATP酶复合体，电子传递过程发生在线粒体的内膜上及ATP的合成发生在线粒体的基粒中。它们彼此非常严格有序的排列着，有条不紊地进行连锁反应，这就是结构与功能相适应的表现。对于有氧呼吸来说，包括三个阶段，即糖酵解途径、三羧酸循环以及电子传递与ATP的合成。n 细胞呼吸的功能定位第四节、线粒体的半自主性1963年M.&S.Nass发现线粒体DNA。线粒体类似于细菌的特征：环形DNA；70S核糖体；RNA聚合酶被溴化乙锭抑制，不被放线菌素D所抑制；tRNA和氨酰基-tRNA合成酶不同于细胞质中的；蛋白质合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA；对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。mtDNA的遗传密码与通用的遗传密码的区别：1.UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码。2.多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码；起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四个密码子编码；3.AGA,AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，因而，在线粒体密码系统中的4个终止密码子（UAA，UAG，AGA，AGG）。第五节、线粒体的增殖线粒体来源于已有的线粒体的分裂。1.间壁分离：分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分为两个，常见于鼠肝和植物分生组织中。2.收缩后分离：通过中部缢缩分裂为两个。3.出芽：见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。1.线粒体分裂线粒体分裂2.狗心肌细胞线粒体狗心肌细胞线粒体3.新生鼠肝细胞线粒体新生鼠肝细胞线粒体213Peroxisome of hepatocyte第六节、过氧化物酶体Rhodin 1954发现于鼠肾小管上皮细胞。一、过氧化物酶体是含酶的膜性细胞器是一种具有异质性的细胞器。直径通常0.5um，呈圆形，椭圆形或哑呤形不等，由单层膜围绕而成。烟草叶肉细胞的过氧化物酶体（中央具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心）特征：1.尿酸氧化酶结晶；2.在界膜内有一条高电子致密度条带状结构（边缘板）。二、过氧化物酶体主要含三种酶类1.氧化酶类：（已发现40多种氧化酶）是一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶，共性是将底物氧化后生成过氧化氢。RH2+O2R+H2O2 2.过氧化氢酶（标志酶）类：过氧化氢酶利用H2O2去氧化其它底物。2H2O2 2H2O+O23.过氧化物酶类：仅存在于少数几种类型的过氧化物酶体中三、过氧化物酶体的功能P94 、四、过氧化物酶体的主要生理功能在动物中：参与脂肪酸的-氧化；具有解毒作用，过氧化氢酶利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精1/4是在微体中氧化为乙醛。在植物中：参与光呼吸，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢，在萌发的种子中，进行脂肪的-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体。四、过氧化物酶体的形成微体中所有的酶都由核基因编码，在细胞质基质中合成，在信号肽的引导下，进入过氧化物酶体。引导蛋白质进入微体的信号序列是-Ser-Lys-Leu-COO-。膜脂在内质网上合成后，通过磷脂转移蛋白PTP转移而来。已有的过氧化物酶体在细胞分裂时，以分裂方式传给子代细胞。再进行进一步的装配。内膜系统定义：在结构、功能和发生上相关的内膜形成的细胞结构称为细胞内膜系统，如核被膜、内质网、高尔基体等。功能：区隔化；增加内表面积，提高代谢和调节能力。从系统发生来看内膜系统起源于质膜的内陷和内共生。从个体发生来看新细胞的内膜系统来源于原有内膜系统的分裂，具有核外遗传的特性。