线粒体DNA的结构和功能特征
第一节线粒体DNA的结构和功能特征
一、mtDNA的结构特征
mtDNA是惟一存在于人类细胞质中的DNA分子，独立于细胞核染色体外的基因组，具有自我复制、转录和编码功能。人mtDNA由16 569bp组成，双链闭合环状，其中外环DNA单链由于含G较多，C较少，使整个外环DNA分子量较大，称为重链（heavy chain）或H链；而内环DNA单链则C含量高，G含量低，故分子量小，称为轻链（light chain）或L链。mtDNA的两条链都有编码功能，除与复制及转录有关的一小段D环区（displacement loop）无编码基因外，基因间无内含子序列；部分基因有重叠现象，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相重叠(图6-1)。因此，mtDNA的任何突变都会累及到基因组中的一个重要功能区域。mtDNA含有37个基因，其中两个rRNA基因（16SrRNA,12SrRNA），22个tRNA基因，13个蛋白质基因（包括1个细胞色素b基因，2个ATP酶亚单位的基因。
图6-1 人线粒体基因图谱
Figure 6-1 Map of the human mitochondrial genome
Box 6.1 The limited autonomy of the mitochondrial genome
Encoded by Encoded by
Mitochondrial nuclear
genome genome
Components of oxidative phosphorylation system ⅠNADH dehydrogenase
ⅡSuccinate CoQ reductase
ⅢCytochrome b-c1 complex
ⅣCytochrome c oxidase complex 13 subunits
7 subunits
0 subunits
1 subunits
3 subunits
>80 subunits
>41 subunits
4subunits
10 subunits
10 subunits
ⅤATP synthase complex Components of protein synthesis apparatus tRNA components
rRNA components
Ribosomal proteins
Other mitochondrial proteins 2 subunits
24
22 tRNAs
2 rRNAs
None
None
14 subunits
~80
None
None
~80
All, e.g. mitochondrial
enzymes and proteins
和7个呼吸链脱氢酶亚单位的基因）。位于D环区的HSP（heavy strand promoter）和LSP(light strand promoter)是线粒体基因组转录的两个主要启动子（图6-1）。
mtDNA是裸露的，不与组蛋白结合，存在于线粒体基质内或黏附于线粒体内膜。在一个线粒体内往往有一至数个mtDNA（图6－2）。mtDNA的自我复制也是以半保留复制方式进行。复制先从重链开始，形成一个约680个碱基的7sDNA，称D环。在对鼠细胞研究中发现，大多数的mtDNA均为D环的结构，只有一小部分mtDNA从D环开始合成完整的新生链。轻链的复制要晚于重链，等重链合成过OL之后才开始合成。研究发现mtDNA的复制可以越过静止期或间期，甚至可以分布在细胞整个周期。mtDNA的自我转录很似原核生物，即产生一个多顺反子，其中包括多个mRNA和散布于其中的tRNA，剪切位置往往发生在tRNA处，从而使不同的mRNA和tRNA被分离和释放。
图6－2 线粒体内的DNA
二、mtDNA的遗传学特征
1.半自主性线粒体DNA能够编码自己的mRNA、rRNA和tRNA，合成一部分自身所需的蛋白质，线粒体的这一功能称为线粒体的半自主性。线粒体中的大多数蛋白质是核基因编码的，在细胞质中合成。因此，线粒体的生长繁殖是核-质两套遗传系统共同控制的结果（表6－1）。
表6－1 呼吸酶复合体示mtDNA具有半自主性Complex Subunits Nuclear mtDNA
Ⅰ ⅡⅢⅣⅤ41
4
11
13
14
34
4
10
10
12
7
1
3
2
2.母系遗传（maternal inheritance）由于线粒体存在于细胞质中，受精过程中仅精子的细胞核与卵子融合，产生的合子从卵子的细胞质中得到线粒体和相关的mtDNA。即母亲将她的mtDNA传递给儿子和女儿，再由女儿将其传递给下一代，父亲从不将其mtDNA传递给后代。由此导致了线粒体遗传病的传递模式与经典孟德尔性状的传递模式不同（图6－3）。如果家族中发现一些男女成员具有相同的临床症状，而且是从受累的女性传递下来，家系分析又不符合XD遗传，就应考虑可能是由于线粒体DNA突变造成的。
图6－3 线粒体DNA的母系遗传
3.异质性与纯质性异质性（heteroplasmy）表示一个细胞或组织既含有野生型线粒体基因组又含有突变型线粒体基因组。当异质性细胞经过有丝分裂和减数分裂时，随机分离到两个子细胞中的突变型和野生型mtDNA的比例发生改变，mtDNA基因型分别向纯合突变型和纯合野生型漂变，经过无数次分裂后，细胞中的mtDNA达到纯合型，即纯质性（homoplasmy）。纯质性是指一个细胞或组织中所有的线粒体DNA具有相同的基因型。或者都是野生型序列，或者都是携带一个基因突变的序列（图6－4）。
图6－4 mtDNA的复制分离
4.阈值效应在杂质性细胞中，突变型与野生型线粒体的比例确定了细胞是否能量短缺，即当突变达到一定的比例时，才有受损表型出现。如果携带突变型线粒体数量很少，则产能不会受到明显的影响。相反，在含有大量突变型线粒体基因组的组织细胞中，产生的能量可能不足以维持细胞的正常功能，这就会出现异常性状，即线粒体病（图6－5）。换句话说，对于线粒体病，存在着表型表达的阈值。这种线粒体基因突变产生有害影响的阈值明显地依赖于特定细胞或组织对能量的需求。因此，那些高需能的组织，如脑、骨骼肌、心脏和肝，非常容易受到线粒体DNA突变的影响。
图6－5 mtDNA的阈值效应
5.遗传密码的特性基因的表达需要遗传密码，不同生物种类核基因的遗传密码是通用的，然而线粒体所携带的遗传密码与真核细胞的通用密码不完全相同。例如线粒体系统使用的起始密码是AUA和AUU，而不是AUG。AUA和AUU在核基因的通用密码中为异亮氨酸，而在线粒体中不用于编码异亮氨酸。其终止密码也不相同，线粒体使用的是AGA或者AGG，而不用此编码精氨酸，通用的终止密码子UGA在线粒体内编码色氨酸，而不作为终止信号。
6.突变率极高mtDNA缺乏修复系统及组蛋白保护，易受活性氧等自由基侵害，突变率高于核DNA 10～20倍。mtDNA的高突变率造成个体及群体中其序列差异较大。任何两个人，
平均每1 000个碱基对就有4个碱基不同。人群中含有多种中性到中度有害的突变，且高度有害的突变不断增多。但有害的突变会通过选择而消除，故线粒体遗传病表型尽管不常见，突变的mtDNA基因必然很普遍。
线粒体DNA的结构和功能特征
第一节 线粒体DNA的结构和功能特征 一、mtDNA的结构特征 mtDNA是惟一存在于人类细胞质中的DNA分子，独立于细胞核染色体外的基因组，具有自我复制、转录和编码功能。人mtDNA由16 569bp组成，双链闭合环状，其中外环DNA单链由于含G较多，C较少，使整个外环DNA分子量较大，称为重链（heavy chain）或H链；而内环DNA单链则C含量高，G含量低，故分子量小，称为轻链（light chain）或L链。mtDNA的两条链都有编码功能，除与复制及转录有关的一小段D环区（displacement loop）无编码基因外，基因间无内含子序列；部分基因有重叠现象，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相重叠(图6-1)。因此，mtDNA的任何突变都会累及到基因组中的一个重要功能区域。mtDNA含有37个基因，其中两个rRNA基因 （16SrRNA,12SrRNA），22个tRNA基因，13个蛋白质基因（包括1个细胞色素b基因，2个ATP酶亚单位的基因。 图6-1 人线粒体基因图谱 Figure 6-1 Map of the human mitochondrial genome Box 6.1 The limited autonomy of the mitochondrial genome Encoded by Encoded by Mitochondrial nuclear
genome genome Components of oxidative phosphorylation system Ⅰ NADH dehydrogenase Ⅱ Succinate CoQ reductase Ⅲ Cytochrome b-c1 complex Ⅳ Cytochrome c oxidase complex Ⅴ ATP synthase complex Components of protein synthesis apparatus tRNA components rRNA components Ribosomal proteins Other mitochondrial proteins 13 subunits 7 subunits 0 subunits 1 subunits 3 subunits 2 subunits 24 22 tRNAs 2 rRNAs None None >80 subunits >41 subunits 4subunits 10 subunits 10 subunits 14 subunits ~80 None None ~80 All, e.g. mitochondrial enzymes and proteins 和7个呼吸链脱氢酶亚单位的基因）。位于D环区的HSP（heavy strand promoter）和LSP(light strand promoter)是线粒体基因组转录的两个主要启动子（图6-1）。 mtDNA是裸露的，不与组蛋白结合，存在于线粒体基质内或黏附于线粒体内膜。在一个线粒体内往往有一至数个mtDNA（图6－2）。mtDNA的自我复制也是以半保留复制方式进行。复制先从重链开始，形成一个约680个碱基的7sDNA，称D环。在对鼠细胞研究中发现，大多数的mtDNA均为D环的结构，只有一小部分mtDNA从D环开始合成完整的新生链。轻链的复制要晚于重链，等重链合成过OL之后才开始合成。研究发现mtDNA 的复制可以越过静止期或间期，甚至可以分布在细胞整个周期。mtDNA 的自我转录很似原核生物，即产生一个多顺反子，其中包括多个mRNA和散布于其中的tRNA，剪切位置往往发生在tRNA处，从而使不同的mRNA和tRNA被分离和释放。
线粒体的结构与功能.
线粒体的结构与功能 生命科学与食品工程系，050601030, 易永洁 摘要：线粒体是细胞质中重要的细胞器之一，普遍存在于真核细胞中。它是生物氧化和能量转换的主要场所，以氧化磷酸化(OXPHOS)方式将食物内蕴藏的能量转变为可被机体直接利用的ATP高能磷酸键。细胞生命活动所需能量的80％来源于线粒体，因此线粒体在细胞的生长代谢和人类的遗传中都有重要的作用。 关键词：线粒体；；结构；功能；遗传病；mtDNA 自1890年Altaman首次发现线粒体以来，生物学家就一直以极大的热情给予关注，到目前为止，其结构和功能方面的研究已经越来越深入明了。 1线粒体的结构 1.1外膜(out membrane) 含40%的脂类和60%的蛋白质，具有孔蛋白（porin）构成的亲水通道，允许分子量为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。 1.2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。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。如：丙酮酸和焦磷酸是利用H+梯度协同运输。 线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，因此从能量转换角度来说，内膜起主要的作用。内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。 内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达5~10倍），嵴有两种类型：①板层状、②管状，但多呈板层状。 1.3膜间隙(intermembrane space) 是内外膜之间的腔隙，延伸至嵴的轴心部，腔隙宽约6-8nm。由于外膜具有大量亲水孔道与细胞质相通，因此膜间隙的pH值与细胞质的相似。标志酶为腺苷酸激酶。 1.4基质（matrix） 为内膜和嵴包围的空间。除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。催化三羧酸循环，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中，其标志酶为苹果酸脱氢酶。
线粒体结构与功能
线粒体 （mitochondria） 线粒体的研究历史 1890: R.Altman（亚特曼）在动物细胞中首次发现线粒体,命名为生命小体(bioblast)。 1897: Von Benda 命名为线粒体(Mitochondrion) 1900：L.Michaelis（米凯利斯) 用詹姆斯绿B对线粒体进行活体染色，发现线粒体存在大量的细胞色素氧 化酶系。 1913：Engelhardt（恩格尔哈特）证明细胞内ATP磷酸化与细胞内氧消耗相偶联。 1943-1950：Kennedy等证明糖最终氧化场所在线粒体。1952-1953：Palade（帕拉登）等用电镜观察线粒体的形 态结构。 1976：Hatefi等纯化呼吸链四个独立的复合体。
1961-1980：Mitchell（米切尔）氧化磷酸化的化学渗透 假说。 1963年：Nass首次发现线粒体存在DNA。 Contents 线粒体的形态结构 线粒体的化学组成及酶的定位 线粒体的功能 线粒体的半自主性 线粒体的生物发生（自学） 第一节线粒体的形态结构 一、光镜下线粒体形态、大小、数量及分布 （一）形态、大小 光镜下常见线粒体呈线状和颗粒状，也可呈环形、哑铃形、分枝状等，随细胞生理状况而变。 一般直径0.5～1.0μm，长1.5～3.0μm。不同细胞线粒体大小变动很大，大鼠肝细胞线粒体长5μm; 胰腺外分泌细胞线粒体长10～20μm，人成纤维细胞线粒体长40μm。 线粒体形态、大小因细胞种类和生理状况不同而异。 光镜下:线状、杆状、粒状 二）数量 依细胞类型而异，动物细胞一般数百到数千个。
利什曼原虫:一个巨大的线粒体； 海胆卵母细胞：30多万个。 随细胞生理功能及生理状态变化 需能细胞：线粒体数目多，如哺乳动物心肌、小 肠、肝等内脏细胞； 飞翔鸟类胸肌细胞：线粒体数目比不飞翔鸟多； 运动员肌细胞：线粒体数目比不常运动人的多。 （三）分布 分布: 不均，细胞代谢旺盛的需能部位比较集中。 肌细胞: 线粒体沿肌原纤维规则排列； 精子细胞: 线粒体集中在鞭毛中区； 分泌细胞：线粒体聚集在分泌物合成的区域； 肾细胞：线粒体靠近微血管，呈平行或栅状列。 线粒体的分布多集中在细胞的需能部位，有利 于细胞需能部位的能量供应。 二、线粒体的亚微结构 (一) 外膜Outer membrane 包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚6-7nm，平整、光滑，封闭成囊。 外膜含运输蛋白（通道蛋白），形态上为排列 整齐的筒状小体，中央有孔，孔径1-3nm，允许分 子量1KD以内的物质自由通过，构成外膜的亲水通道。
线粒体教学设计
精品文档 线粒体、叶绿体的结构和功能 1.学生自学看书并思考讨论，然后进行交流。 2.学生交流后进行归纳。 问题1 :什么是线粒体？什么是叶绿体? 【活动步骤】 师生共同讨论复习归纳线粒体和叶绿体的形态、结构及功能的知识。 1、线粒体的概念、结构和功能 线粒体，有氧呼吸产生能量的主要场所。植物细胞的能量转换器是叶绿体和线粒体线粒体能将细胞中的一些有机物当燃料，使这些与氧结合，经过复杂的过程，转变为二氧化碳和水，同时将有机物中的化学能释放出来，供细胞利用由于线粒体的作用，生物组织内有机物能在氧的参与下转变成无机物，如二氧化碳和水，并为生物组织和细胞提供进行生命活动所需的能量或 ATPo线粒体主要由蛋白质和脂类组成，其中蛋白质占线粒体干重的一半以 上。此外还有少量的DNA RNA辅酶等。线粒体含有许多种酶类，其中有的酶是线粒体某一结构特有的（标记酶）， 比如线粒体外膜的标记酶为单胺氧化酶，内膜为细胞色素氧化酶，膜间隙为腺苷酸激酶，线粒体基质的为苹果酸脱氢酶。在大多数情况下，线粒体呈圆形、近似圆形、棒状或线状。 2、显微镜下面的线粒体 在电子显微镜下，线粒体为内外两层单位膜构成的封闭的囊状结构。可分为四个部分：外膜为一个单位膜，膜中蛋白质与脂类含量几乎均等。物质通透性较高。内膜也是一个单位膜，膜蛋白质含量高，占整个膜的80%左右。内膜对物质有高度地选择通透性。部分内膜向线粒体腔内突出形成嵴。同时内膜内表面排列着一些颗粒状的结构， 称为基粒。基粒包括三个部分：头部（F1因子，为水溶性蛋白质，具有ATP酶活性）、腹部（F?0因子，由疏水性 蛋白质组成）、柄部（位于F1与F0之间）。 3、叶绿体的概念、结构和功能 叶绿体主要在绿色植物的叶肉细胞中扁平的椭球形或球形双层膜、基粒、基质绿色植物进行光合作用的场所 然后分析：线粒体和叶绿体都有外膜、内膜、基质等，但名称虽相同，其组成或结构有差别。它们在组成、结构和功能上相同之处主要表现在：①都是有少量DNA和RNA②都有双层膜结构；③都与细胞内的能量转换有关。 不同之处主要表现在：①叶绿体含有多种色素，线粒体则没有；②增大膜面积的方式不同：线粒体通过内膜折叠 成嵴而增大膜面积，叶绿体通过片层结构重叠成的基粒来增大膜面积；③线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所，
线粒体-1
线粒体 线粒体(mitochondrion)[1]是一种存在于大多数细胞中的由两层膜包被的细胞器，是细胞中制造能量的结构，是细胞进行有氧呼吸的主要场所，被称为“power house”。其直径在0.5到10微米左右。 除了溶组织内阿米巴、篮氏贾第鞭毛虫以及几种微孢子虫外，大多数真核细胞或多或少都拥有线粒体，但它们各自拥有的线粒体在大小、数量及外观等方面上都有所不同。 线粒体拥有自身的遗传物质和遗传体系，但其基因组大小有限，是一种半自主细胞器。除了为细胞供能外，线粒体还参与诸如细胞分化、细胞信息传递和细胞凋亡等过程，并拥有调控细胞生长和细胞周期的能力。 大小 线粒体是一些大小不一的球状、棒状或细丝状颗粒，一般为0.5-1.0μm，长1-2μm，在光学显微镜下，需用特殊的染色，才能加以辨别。在动物细胞中，线粒体大小受细胞代谢水平限制。不同组织在不同条件下可能产生体积异常膨大的线粒体，称为“巨线粒体”（megamitochondria）：胰脏外分泌细胞中可长达10-20μm；神经元胞体中的线粒体尺寸差异很大，有的也可能长达10μm；人类成纤维细胞的线粒体则更长，可达40μm。有研究表明在低氧气分压的环境中，某些如烟草的植物的线粒体能可逆地变为巨线粒体，长度可达80μm，并形成网络。 形状 线粒体一般呈短棒状或圆球状，但因生物种类和生理状态而异，还可呈环状、线状、哑铃状、分杈状、扁盘状或其它形状。成型蛋白（shape-forming protein）介导线粒体以不同方式与周围的细胞骨架接触或在线粒体的两层膜间形成不同的连接可能是线粒体在不同细胞中呈现出不同形态的原因。 数量 不同生物的不同组织中线粒体数量的差异是巨大的。有许多细胞只拥有多达数千个的线粒体（如肝脏细胞中有1000-2000个线粒体），而一些细胞则只有一个线粒体（如酵母菌细胞的大型分支线粒体）。大多数哺乳动物的成熟红细胞不具有线粒体。一般来说，细胞中线粒体数量取决于该细胞的代谢水平，代谢活动越旺盛的细胞线粒体越多。 分布
线粒体结构与功能
mitochondria) 1890: R.AItman 生命小体(bioblast) (Mitochondrion) 1897: Von Benda 1900 L.Michaelis ) 1913 Engelhardt ATP 1943-1950 Kennedy 1952-1953 Palade 1976：Hatefi 等纯化呼吸链四个独立的复1961-1980 Mitchell 1963年：Nass DNA Contents word
线粒体的形态结构线粒体的化学组成及酶的定位线粒体的功能 线粒体的半自主性线粒体的生物发生（自学） 第一节线粒体的形态结构一、光镜下线粒体形态、大小、数量及分布 （一）形态、大小 光镜下常见线粒体呈线状和颗粒状，也可呈环形、哑铃形、分枝状等，随细胞生理状况而变。 一般直径0.5?1.0阿，长1.5?3.0口。不同细胞线粒体大小变动很大，大鼠肝细胞线粒体长5眄胰腺外分泌细胞线粒体长10?20□，人成纤维细胞线粒体长40阿。 线粒体形态、大小因细胞种类和生理状况不同而异。 光镜下:线状、杆状、粒状 二）数量依细胞类型而异，动物细胞一般数百到数千个。 利什曼原虫:一个巨大的线粒体； 海胆卵母细胞：30多万个。 随细胞生理功能及生理状态变化 需能细胞：线粒体数目多，如哺乳动物心肌、小 肠、肝等内脏细胞； 编辑版word
()Outer membra ne 6-7 nm 1-3 nm 1KD ()inner membra ne 4.5 nm 76% （例如：H+、ATP、丙酮酸等）物质透过必须借助膜上 的载体或通透酶。 word
线粒体的结构和功能
线粒体的结构和功能 线粒体是一种普遍存在于真核细胞中的细胞器，各种生命活动所需的能量大部分都是靠线粒体中合成的ATP提供的，因此有细胞的“动力工厂”之称。 线粒体主要由蛋白质和脂类组成，其中蛋白质占线粒体干重的一半以上。此外还有少量的DNA、RNA、辅酶等。线粒体含有许多种酶类，其中有的酶是线粒体某一结构特有的（标记酶），比如线粒体外膜的标记酶为单胺氧化酶，内膜为细胞色素氧化酶，膜间隙为腺苷酸激酶，线粒体基质的为苹果酸脱氢酶。 在大多数情况下，线粒体呈圆形、近似圆形、棒状或线状。 在电子显微镜下，线粒体为内外两层单位膜构成的封闭的囊状结构。可分为四个部分：外膜为一个单位膜，膜中蛋白质与脂类含量几乎均等。物质通透性较高。 内膜也是一个单位膜，膜蛋白质含量高，占整个膜的80%左右。内膜对物质有高度地选择通透性。部分内膜向线粒体腔内突出形成嵴。同时内膜内表面排列着一些颗粒状的结构，称为基粒。基粒包括三个部分：头部（F1因子，为水溶性蛋白质，具有ATP酶活性）、腹部（F0因子，由疏水性蛋白质组成）、柄部（位于F1与F0之间）。 膜间隙为内外膜之间围成的胜除。其内充满无定形物，主要是可溶性酶、反应底物以及辅助因子等。 基质由内膜封闭形成的空间，其中含有脂类、蛋白质、核糖体、RNA及DNA。 研究表明，内外膜的通透性差别很大。外膜容许电解物质、水、蔗糖和大至10 000道尔顿的分子自由透入。外膜上可能有20?～30 ? 的小孔，便于小分子的通过。内膜与外膜相反，离子各分子的通过要有特殊的载体帮助才能实现。 在线粒体内膜上存在的电子传递键，能将代谢脱下的电子最终传给氧并生成水，同时释放能量，这种电子传送链又称呼吸键。它的各组分多以分子复合物形式存在于线粒体内膜中。在线粒体内膜中，各组分按严格的排列顺序和方向（氧还电位由低到高），参与电子传递。 糖、脂肪、氨基酸的中间代谢产物在线粒体基质中经三羧酸循环进行最终氧化分解。在氧化分解过程中，产生NADH和FADH2两种高还原性的电子载体。在有氧条件下，经线粒体内膜上呼吸键的电子传递作用，将O2还原为H2O；同时利用电子传递过程中释放的能量将ADP合成ATP。 关于ATP形成，即氧化磷酸化作用的机制，目前，最为公认的是化学渗透假说。它认为，电子在线粒体内膜上传递过程中，释放的能量将质子从线粒体基质转移至膜间隙，在内膜两侧形成质子梯度。利用这一质子梯度，在ATP酶复合体参与下，驱动ADP磷酸化，合成ATP。催化NADH氧化的呼吸链中，每传递两个电子，可产生3个ATP分子；而催化琥珀酸氧化的呼吸链中，每传送两个电子，只产生两个ATP分子。 线粒体中的DNA分子通常与线粒体内膜结合存在，呈环状，和细菌DNA相似。已经证明，在线粒体中有DNA聚合酶，并且离体的线粒体在一定条件下有合成新DNA的能力。线粒体DNA也是按半保留方式进行复制的，其复制时间与核DNA不同，而与线粒体的分裂增殖有关。一般是在核DNA进行复制后，在核分裂前（G2）期，线粒体DNA进行复制，随后线粒体分裂。 在细胞进化过程中，最早的线粒体是如何形成的？这就是线粒体的起源问题。目前，有两种不同的假说，即内共生假说和分化假说。内共生假说认为线粒体是来源于细菌，是被原始的前真核生物吞噬的细菌。这种细菌与前真核生物共生，在长期的共生过程中通过演化变成了线粒体。另一种假说，即分化假说则认为线粒体在进化过程中的发生是由于质膜的内陷，再经过分化后形成的。
线粒体DNA的结构和功能特征
第一节线粒体DNA的结构和功能特征一、mtDNA的结构特征 mtDNA是惟一存在于人类细胞质中的DNA分子，独立于细胞核染色体外的基因组，具有自我复制、转录和编码功能。人mtDNA由16 569bp组成，双链闭合环状，其中外环DNA单链由于含G较多，C较少，使整个外环DNA分子量较大，称为重链（heavy chain）或H链；而内环DNA单链则C 含量高，G含量低，故分子量小，称为轻链（light chain）或L链。mtDNA的两条链都有编码功能，除与复制及转录有关的一小段D环区（displacement loop）无编码基因外，基因间无内含子序列；部分基因有重叠现象，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相重叠(图6-1)。因此，mtDNA的任何突变都会累及到基因组中的一个重要功能区域。mtDNA含有37个基因，其中两个rRNA基因（16SrRNA,12SrRNA），22个tRNA基因，13个蛋白质基因（包括1个细胞色素b基因，2个ATP酶亚单位的基因。 图6-1 人线粒体基因图谱 Figure 6-1 Map of the human mitochondrial genome Box 6.1 The limited autonomy of the mitochondrial genome Encoded byEncoded by nuclearMitochondrial genomegenome13 subunits Components of oxidative phosphorylation system >80 subunits7 subunits>41 subunitsNADH dehydrogenase Ⅰ．4subunits0 subunitsⅡSuccinate CoQ reductase 10 subunits1 subunitsCytochrome b-c1 complex Ⅲ 10 subunits3 subunitsⅣCytochrome c oxidase complex 14 subunits2 subunitsA TP synthase complex Ⅴ ~8024 Components of protein synthesis apparatus None22 tRNAs tRNA components None2 rRNAs rRNA components ~80Ribosomal proteins None All, e.g. mitochondrial Other mitochondrial proteins None and proteins enzymes
线粒体与细胞功能调节
?基础医学? [作者单位]南京军区南京总医院解放军肾脏病研究所 (南京,210002) 线粒体与细胞功能调节 郑敬民 综述 秦卫松 审校 关键词 线粒体 细胞周期调节 信号传导 长期以来,人们对线粒体功能的关注,主要集中 于线粒体在细胞代谢方面的作用。作为细胞的一个主要代谢场所,线粒体在细胞中的重要性是显而易见的:糖酵解产生的丙酮酸在这里彻底分解成二氧化碳和水;长链脂肪酸在这里进行β氧化,产生的乙酰辅酶A 也在这里最后彻底分解;此外,脂肪酸、胆固醇也在这里合成;尤为重要的是,也正是在这里,细胞完成氧化磷酸化,产生各种生命活动所必须的高能化合物———ATP 。因此,细胞的“动力工厂”就成为了线粒体的代名词。但近十多年的研究发现,线粒体的功能远不止这些。作为细胞的一个重要有机组成部分,线粒体还作为细胞功能的一个重要调节者,作为细胞内信号传导的一个重要平台,在细胞的生命活动中发挥重要作用。本文就这方面的研究作一介绍。线粒体的结构特点 在所有的细胞器中,线粒体的结构和功能非常特殊(图1)。它具有独特的双层膜结构,整个细胞器由两层生物膜(外膜和内膜)包裹着,内膜向内凹陷形成膜片层结构,称为嵴;内膜上分布有电子传递链(呼吸链),通过电子传递链,线粒体基质内产生的还原当量物被氧化,同时形成跨线粒体内膜的质子梯度,这种质子梯度是推动氧化磷酸化的动力。内、外膜之间是膜间隙,内膜内则是线粒体基质。线粒体基质是丙酮酸分解成乙酰辅酶A,进而进行三羧酸循环的场所,也是细胞利用乙酰辅酶A 合成脂肪酸和胆固醇的重要场所。在基质中还有原核型的核糖体(70S 的核糖体)和拷贝数不等的线粒体DNA 。因此,线粒体内还能进行蛋白质的合成和 DNA 的复制、转录等生命活动。此外,线粒体内、外 膜的组成成份也与质膜等其它生物膜不同,例如线粒体的内膜的膜脂成份中就含有较多的心磷脂和神经酰胺。正是线粒体组成结构上的特点构成了其特殊功能的物质基础。 图1 线粒体结构示意图 线粒体的形态变化和相关蛋白 在细胞中,线粒体不是一成不变的,其形态、结构、数量和位置都处于一种动态的变化之中。通过 这种变化,线粒体适应着细胞整体生命活动的需要。近年来,通过对线粒体形态变化的大量研究,人们对线粒体在细胞整体生命活动中的作用有了全新的认识。其中线粒体分裂(fissi on )和融合(fussi on )是线粒体形态变化的两个主要方面。据报道,至少有三种GTP 酶(GTPases )对线粒体的融合起着调节作用。它们分别是:M it ofusin 1(Mfn1)、M it ofusin 2(Mfn2)和Opa1。Opa1位于线粒体膜间隙,而Mfn1和Mfn2则是线粒体的外膜蛋白。它们都含有一个GTP 酶功能域(GTPase domain )和一个卷曲2卷曲功能域(coiled 2coil domain )。Mfn1和Mfn2卷曲2卷曲
线粒体结构与功能
. 线粒体 （mitochondria） 线粒体的研究历史 1890: R.Altman（亚特曼）在动物细胞中首次发现线粒体,命名为生命小体(bioblast)。 1897: Von Benda 命名为线粒体(Mitochondrion) 1900：L.Michaelis（米凯利斯) 用詹姆斯绿B对线粒体进 行活体染色，发现线粒体存在大量的细胞色素氧 化酶系。 1913：Engelhardt（恩格尔哈特）证明细胞内ATP磷酸化与 细胞内氧消耗相偶联。 1943-1950：Kennedy等证明糖最终氧化场所在线粒体。 1952-1953：Palade（帕拉登）等用电镜观察线粒体的形 态结构。 1976： Hatefi等纯化呼吸链四个独立的复合体。 1961-1980：Mitchell（米切尔）氧化磷酸化的化学渗透 假说。 1963年：Nass首次发现线粒体存在DNA。 Contents 线粒体的形态结构 线粒体的化学组成及酶的定位 线粒体的功能 线粒体的半自主性 线粒体的生物发生（自学） 第一节线粒体的形态结构 一、光镜下线粒体形态、大小、数量及分布 （一）形态、大小 光镜下常见线粒体呈线状和颗粒状，也可呈环形、哑铃形、分枝状等，随细胞生理状况而变。 一般直径0.5～1.0μm，长1.5～3.0μm。不同细胞线粒体大小变动很大，大鼠肝细胞线粒体长5μm; 胰腺外分泌细胞线粒体长10～20μm，人成纤维细胞线粒体长40μm。
线粒体形态、大小因细胞种类和生理状况不同而异。光镜下:线状、杆状、粒状 二）数量 依细胞类型而异，动物细胞一般数百到数千个。 ..
.利什曼原虫:一个巨大的线粒体； 海胆卵母细胞：30多万个。 随细胞生理功能及生理状态变化 需能细胞：线粒体数目多，如哺乳动物心肌、小 肠、肝等内脏细胞； 飞翔鸟类胸肌细胞：线粒体数目比不飞翔鸟多； 运动员肌细胞：线粒体数目比不常运动人的多。 （三）分布 分布: 不均，细胞代谢旺盛的需能部位比较集中。 肌细胞: 线粒体沿肌原纤维规则排列； 精子细胞: 线粒体集中在鞭毛中区； 分泌细胞：线粒体聚集在分泌物合成的区域； 肾细胞：线粒体靠近微血管，呈平行或栅状列。 线粒体的分布多集中在细胞的需能部位，有利 于细胞需能部位的能量供应。 二、线粒体的亚微结构 (一) 外膜 Outer membrane 包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚6-7nm，平整、光滑，封闭成囊。 外膜含运输蛋白（通道蛋白），形态上为排列 整齐的筒状小体，中央有孔，孔径1-3nm，允许分 子量1KD以内的物质自由通过，构成外膜的亲水通道。 (二) 内膜 inner membrane 结构特征： 高度特化的单位膜，厚4.5nm，膜上蛋白质占膜总重量 76%； 通透性小，具通透屏蔽作用，许多物质不能自由透过； （例如：H+ 、ATP、丙酮酸等）物质透过必须借助膜上 的载体或通透酶。 向内褶叠形成嵴，嵴的存在增大线粒体内膜的表面积； 两种类型的嵴： 板层状: 高等动物细胞线粒体嵴。 管状: 原生动物和低等动物细胞线粒体嵴。 (三) 外室（outer chamber） 也称膜间腔，外膜与内膜之间的腔隙,与嵴内 腔相通,宽约20nm，含多种酶、底物及辅助因子。 (四) 内室（inner chamber）
线粒体DNA的结构和功能特征
第一节线粒体DNA的结构和功能特征 一、mtDNA的结构特征 mtDNA是惟一存在于人类细胞质中的DNA分子，独立于细胞核染色体外的基因组，具有自我复制、转录和编码功能。人mtDNA由16 569bp组成，双链闭合环状，其中外环DNA单链由于含G较多，C较少，使整个外环DNA分子量较大，称为重链（heavy chain）或H链；而内环DNA单链则C含量高，G含量低，故分子量小，称为轻链（light chain）或L链。mtDNA的两条链都有编码功能，除与复制及转录有关的一小段D环区（displacement loop）无编码基因外，基因间无内含子序列；部分基因有重叠现象，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相重叠(图6-1)。因此，mtDNA的任何突变都会累及到基因组中的一个重要功能区域。mtDNA含有37个基因，其中两个rRNA基因（16SrRNA,12SrRNA），22个tRNA基因，13个蛋白质基因（包括1个细胞色素b基因，2个ATP酶亚单位的基因。 图6-1 人线粒体基因图谱 Figure 6-1 Map of the human mitochondrial genome Box 6.1 The limited autonomy of the mitochondrial genome Encoded by Encoded by Mitochondrial nuclear genome genome Components of oxidative phosphorylation system ⅠNADH dehydrogenase ⅡSuccinate CoQ reductase ⅢCytochrome b-c1 complex ⅣCytochrome c oxidase complex 13 subunits 7 subunits 0 subunits 1 subunits 3 subunits >80 subunits >41 subunits 4subunits 10 subunits 10 subunits
线粒体DNA的结构和功能特征
第一节 线粒体DNA 的结构和功能特征 一、mtDNA 的结构特征 mtDNA 是惟一存在于人类细胞质中的DNA 分子，独立于细胞核染色体外的基因组，具有自我复制、转录和编码功能。人mtDNA 由16 569bp 组成，双链闭合环状，其中外环DNA 单链由于含G 较多，C 较少，使整个外环DNA 分子量较大，称为重链（heavy chain ）或H 链；而环DNA 单链则C 含量高，G 含量低，故分子量小，称为轻链（light chain ）或L 链。mtDNA 的两条链都有编码功能，除与复制及转录有关的一小段D 环区（displacement loop ）无编码基因外，基因间无含子序列；部分基因有重叠现象，即前一个基因的最后一段碱基与下一个基因的第一段碱基相重叠(图6-1)。因此，mtDNA 的任何突变都会累及到基因组中的一个重要功能区域。mtDNA 含有37个基因，其中两个rRNA 基因（16SrRNA,12SrRNA ），22个tRNA 基因，13个蛋白质基因（包括1个细胞色素b 基因，2个ATP 酶亚单位的基因。 图6-1 人线粒体基因图谱 Figure 6-1 Map of the human mitochondrial genome Box 6.1 The limited autonomy of the mitochondrial genome Encoded by Encoded by Mitochondrial nuclear genome genome Components of oxidative phosphorylation system Ⅰ NADH dehydrogenase Ⅱ Succinate CoQ reductase Ⅲ Cytochrome b-c1 complex 13 subunits 7 subunits 0 subunits 1 subunits 3 subunits >80 subunits >41 subunits 4subunits 10 subunits 10 subunits
线粒体的结构特点和能量的代谢方式
线粒体的结构特点和能量代谢的基本方式 线粒体是一种普遍存在于真核细胞中的细胞器，各种生命活动所需的能量大部分都是靠线粒体中合成的ATP提供的，因此有细胞的“动力工厂”之称。 线粒体主要由蛋白质和脂类组成，其中蛋白质占线粒体干重的一半以上。此外还有少量的DNA、RNA、辅酶等。线粒体含有许多种酶类，其中有的酶是线粒体某一结构特有的（标记酶），比如线粒体外膜的标记酶为单胺氧化酶，内膜为细胞色素氧化酶，膜间隙为腺苷酸激酶，线粒体基质的为苹果酸脱氢酶。 线粒体的直径一般在0.5～1.0 μm,在长度上变化很大, 一般为1.5～3μm,长的可达10μm ,人的成纤维细胞的线粒体则更长,可达40μm。不同组织在不同条件下有时会出现体积异常膨大的线粒体, 称为巨型线粒体。在多数细胞中,线粒体均匀分布在整个细胞质中,但在某些些细胞中,线粒体的分布是不均一的,有时线粒体聚集在细胞质的边缘。 在细胞质中,线粒体常常集中在代谢活跃的区域,因为这些区域需要较多的ATP,如肌细胞的肌纤维中有很多线粒体。另外, 在精细胞、鞭毛、纤毛和肾小管细胞的基部都是线粒体分布较多的地方。线粒体除了较多分布在需要ATP的区域外,也较为集中的分布在有较多氧化反应底物的区域,如脂肪滴,因为脂肪滴中有许多要被氧化的脂肪。 线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔。在肝细胞线粒体中各功能区隔蛋白质的含量依次为：基质67%，内膜21%，外8%膜，膜间隙4%。 1、外膜含40%的脂类和60%的蛋白质，具有孔蛋白构成的亲水通道，允许分子量为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。它是包围在线粒体外面的一层单位膜结构。厚6nm, 平整光滑, 上面有较大的孔蛋白, 可允许相对分子质量在5kDa左右的分子通过。外膜上还有一些合成脂的酶以及将脂转变成可进一步在基质中代谢的酶。 2、内膜含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。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。如：丙酮酸和焦磷酸是利用H+梯度协同运输。线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，因此从能量转换角度来说，内膜起主要的作用。内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。它是位于外膜内层的一层单位膜结构, 厚约6nm。内膜对物质的通透性很低, 只有不带电的小分子物质才能通过。内膜向内折褶形成许多嵴, 大大增加了内膜的表面积。内膜含有三类功能性蛋白:①呼吸链中进行氧化反应的酶; ②ATP合成酶复合物; ③一些特殊的运输蛋白, 调节基质中代谢代谢物的输出和输入。 3、膜间隙是内外膜之间的腔隙，延伸至嵴的轴心部，腔隙宽约6-8nm。由于外膜具有大量亲水孔道与细胞质相通，因此膜间隙的pH值与细胞质的相似。标志酶为腺苷酸激酶。它是内膜和嵴包围着的线粒体内部空间, 含有很多蛋白质和脂类,催化三羧酸循环中脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类, 也都存在于基质中。此外, 还含有线粒体DNA、线粒体核糖体、tRNAs、rRNAs以及线粒体基因表达的各种酶。基质中的标志酶是苹果酸脱氢酶。 4、基质为内膜和嵴包围的空间。除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。催化三羧酸循环，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中，其标志酶为苹果酸脱氢酶。基质具有一套完整的转录和翻译体系。包括线粒体DNA（mtDNA），70S型核糖体，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸