第六章 线粒体与细胞的能量转换-1

第六章 线粒体与细胞的能量转换
第一节 线粒体的基本特征
一、线粒体的形态、数量和结构 线粒体的形态、 （一）线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状 线粒体的形态、 态有关 • 形态：线状、粒状或杆状 形态：线状、
– 人胚胎肝细胞发育早期，线粒体短棒状；发育晚期， 人胚胎肝细胞发育早期，线粒体短棒状；发育晚期， 线粒体长棒状。 线粒体长棒状。
3. 分子伴侣运动产生的动力协助多肽穿越线粒体膜 • 蛋白质首先通过 TOM 复合体进入膜间隙，然后通 复合体进入膜间隙， 复合体进入基质。 过 TIM 复合体进入基质。 • 蛋白质通过转位接触点直接进入基质
– 在接触点上 TOM 与 TIM 协同作用，多肽靶向基质。 协同作用，多肽靶向基质。
• 布朗棘轮模型 ( Brownian ratchet model ) 图 133页 页 4. 多肽链在线粒体基质内重新折叠 • 基质导入序列 (MTS) 被线粒体加工蛋白酶移除； 被线粒体加工蛋白酶移除； • mthsc70 作为折叠因子协助多肽折叠； 作为折叠因子协助多肽折叠； 折叠因子协助多肽折叠 • mthsc60 完成最后折叠。 完成最后折叠。
– 核基因组 – 线粒体基因组
（一）线粒体 DNA 结构 • Human mt DNA 含16 569 bp，双链环状 分子。 ，双链环状DNA分子。 分子
– 裸露，不与组蛋白结合，在基质中或附着在内膜上。 裸露，不ห้องสมุดไป่ตู้组蛋白结合，在基质中或附着在内膜上。 – 每个线粒体含有1～数个 mt DNA. 平均 5～10 个。 每个线粒体含有 ～ ～
（一）核编码蛋白向线粒体基质的转运
2. 前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态 • 分子伴侣 识别前体蛋白解折叠后暴露的疏水基 团并与之结合，防止其聚集； 团并与之结合，防止其聚集；协助跨膜转运后的 多肽折叠和组装。 多肽折叠和组装。 ⑴新生多肽相关复合物 ⑵ 热休克蛋白 ⁄ 热休克同源蛋白
– 胞质 胞质hsc70 协助前体蛋白解折叠，到达线粒体表面后， 协助前体蛋白解折叠，到达线粒体表面后， ATP提供能量使其解离。 提供能量使其解离。 提供能量使其解离 – Mthsc70 维持前体蛋白解折叠，把多肽“铰进”基质 维持前体蛋白解折叠，把多肽“铰进” 后使其重新折叠。 后使其重新折叠。
（二）核编码蛋白向线粒体其他部位的转运（了解） 核编码蛋白向线粒体其他部位的转运（了解） 1.蛋白质向膜间腔的转运 蛋白质向膜间腔的转运 • 前体蛋白具有两个信号序列
– 前体蛋白 N-端携带 MTS 靶向基质，MTS 被 MPP 移除。 靶向基质， 移除。 端携带 – 前体蛋白携带膜间腔导入序列 intermembrane space前体蛋白携带膜间腔导入序列( 膜间腔导入序列 targeting sequence, ISTS )，靶向膜间腔。根据 ISTS 的不 ，靶向膜间腔。 种转运方式。 同，有2种转运方式。 种转运方式
二、线粒体的化学组成
• 脂类
– 占干重的25%～30%（75%以上是磷脂） • 主要为磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、心磷脂 • 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。
三、线粒体的遗传体系
• 线粒体由两套遗传系统控制，是具有半自主性的 线粒体由两套遗传系统控制， 细胞器。 细胞器。
– 由β片层形成的筒状结构，包绕成一直径 ～3nm的内 片层形成的筒状结构， 片层形成的筒状结构 包绕成一直径2～ 的内 部通道。 部通道。 – 分子量 ×103以下的物质可自由通过。 分子量5× 以下的物质可自由通过。
（二）线粒体的超微结构 2. 内膜 inner membrane ) 内膜( • 内膜厚约 内膜厚约4.5nm，深度折叠形成嵴( cristae )。 ，深度折叠形成嵴 。 • 富含酶蛋白和辅酶，蛋白质/脂类大于3:1。 富含酶蛋白和辅酶，蛋白质/脂类大于 。 内膜有电子传递链和基粒。 内膜有电子传递链和基粒。 • 通透性低，分子量 ＞150的物质不能通过。 通透性低， 的物质不能通过。 的物质不能通过
（二）线粒体的超微结构
4. 基质腔 matrix space ) 基质腔(
• 内膜包围的嵴外空间
– 嵴间腔 内膜折叠形成的两层嵴之间的间隙
• 基质 matrix ) 基质( – 富含可溶性蛋白
• 如催化 如催化TCA cycle、脂肪酸 氧化、氨基酸分解、蛋白 氧化、 、脂肪酸β-氧化 氨基酸分解、 质合成等多种酶 等多种酶。 质合成等多种酶。
– 分子量 ×103以下的物质可 分子量5× 自由通过。 自由通过。
（二）线粒体的超微结构
1. 外膜 outer membrane ) 外膜( • 包围在线粒体表面的一层单位膜，厚6nm，光滑 包围在线粒体表面的一层单位膜， ， 平整。仅含少量酶蛋白，蛋白质/脂类为 脂类为1:1。 平整。仅含少量酶蛋白，蛋白质 脂类为 。 • 整合膜蛋白包括多种转运蛋白 整合膜蛋白包括多种转运蛋白——孔蛋白 孔蛋白
– 1个～50万个。最多时占细胞总体积的 万个。 个 万个 最多时占细胞总体积的25%。 。 – 哺乳动物心肌、骨骼肌、小肠细胞线粒体极丰富。 哺乳动物心肌、骨骼肌、小肠细胞线粒体极丰富。
• 分布：需能较多的区域，可沿微管向功能旺盛的 分布：需能较多的区域， 区域迁移
线粒体 微管
（二）线粒体的超微结构
四、核编码蛋白的线粒体转运
• 线粒体的 个蛋白质输送亚区域 线粒体的4个蛋白质输送亚区域 1. 线粒体外膜 线粒体外膜(outer mitochondrial membrane, OMM) 2. 线粒体内膜 线粒体内膜(inner mitochondrial membrane, IMM) 3. 膜间腔 4. 基质
• 氧化还原酶 氧化还原酶37%、合成酶 、合成酶10%、水解酶约 、水解酶约9% – 外膜标志酶：单胺氧化酶 外膜标志酶： –内膜标志酶：Cyt b,c,c1,a,a3 内膜标志酶： 内膜标志酶 –膜间腔标志酶：腺苷酸激酶 膜间腔标志酶： 膜间腔标志酶 – 基质标志酶：苹果酸脱氢酶 基质标志酶 标志酶：
• 人类线粒体基因组编码图 图 129页 页 • 人类线粒体基因组共编码37个基因 130页 人类线粒体基因组共编码 个基因 页
电子传递链组分
ND1, ND2, ND3, ND4L, ND4, ND5 & ND6
Cyt b
COXⅠ Ⅰ COX Ⅱ COX Ⅲ
三、线粒体的遗传体系
（二）重链和轻链各有一个启动子启动线粒体基因的转录（略） 重链和轻链各有一个启动子启动线粒体基因的转录（ 的两条链由各自的复制起始点（ （三）线粒体DNA的两条链由各自的复制起始点（略） 线粒体 的两条链由各自的复制起始点
– 可溶性代谢中间产物 – 线粒体 DNA, RNA, 核糖体
二、线粒体的化学组成
• 蛋白质
– – – – 占线粒体干重65%～70%,主要分布在内膜和基质。 ～ 主要分布在内膜和基质。 占线粒体干重 主要分布在内膜和基质 基质中的酶、 可溶性蛋白 基质中的酶、膜外周蛋白 膜结构蛋白、 不溶性蛋白 膜结构蛋白、膜镶嵌酶蛋白 线粒体含有120余种酶（酶系） 余种酶（ 线粒体含有 余种酶 酶系）
– 水分子和游离酸型丙酮酸可通过
• 膜上有转运蛋白，包含多种转运系统。 膜上有转运蛋白，包含多种转运系统。
（二）线粒体的超微结构
3. 膜间腔 inter membrane space ) 膜间腔( • 线粒体内外膜之间封闭的腔隙，宽约 ～8nm。 线粒体内外膜之间封闭的腔隙，宽约6～ 。
– 嵴内腔 intracristae space )是膜间腔的延伸。 嵴内腔( 是膜间腔的延伸。 是膜间腔的延伸
2. 蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运 教材 134页
五、线粒体的起源与发生
（一）分裂增殖 1. 出芽 ：见于酵母和藓类植物，线粒体出芽、长大， 脱离 出芽：见于酵母和藓类植物，线粒体出芽、长大， 原线粒体，发育为新的线粒体。 原线粒体，发育为新的线粒体。 2. 收缩分裂：线粒体在中部缢缩分裂为两个。 收缩分裂：线粒体在中部缢缩分裂为两个。 3. 间壁分裂：线粒体内膜向中心皱褶，形成间壁 ，将其一 间壁分裂：线粒体内膜向中心皱褶，形成间壁， 分为二，常见于鼠肝和植物分生组织。 分为二，常见于鼠肝和植物分生组织。
• 含可溶性酶、底物和辅助因子 可溶性酶、
• 转位接触点 translocation contact site ) 图 128页 转位接触点( 页
– 内、外膜在某些地方相互接触，使膜间腔变狭窄处。 外膜在某些地方相互接触，使膜间腔变狭窄处。 • 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。
线粒体起源的内共生假说
第二节 细胞呼吸与能量转换
一、细胞呼吸
• 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) 。 • 细胞呼吸的特点
• 大小：截面直径0.2～1.0㎛，长1～4㎛ 大小：截面直径 ～ ㎛ ～ ㎛
– 大鼠肝细胞线粒体长 ㎛ 大鼠肝细胞线粒体长5㎛ – 胰腺分泌细胞线粒体长 胰腺分泌细胞线粒体长10~20㎛ ㎛ – 人类成纤维细胞线粒体长达 ㎛ 人类成纤维细胞线粒体长达40㎛
• 数量：与细胞的生理功能和状态有关 数量：
• 线粒体是由两层单位膜套 叠而成的封闭囊泡状结构。 叠而成的封闭囊泡状结构。 1. 外膜( outer membrane ) 外膜 • 包围在线粒体表面的一层 单位膜， 单位膜，厚6nm，光滑平 ， 仅含少量酶蛋白， 整。仅含少量酶蛋白，蛋 白质/脂类为 脂类为1:1。 白质 脂类为 。 • 整合膜蛋白包括多种转运 蛋白——孔蛋白 蛋白 孔蛋白
前体蛋白结合因子( ⑶ 前体蛋白结合因子 pre-sequence binding factor, PBF ) 线粒体输入刺激因子( ⑷ 线粒体输入刺激因子 mitochondrial import stimulatory factor, MSF ) • 多数与 hsp70 结合的前体蛋白直接和 Tom 20 & Tom22 结合，再与外膜上的通道蛋白 Tom 40 偶 结合， 联，Tom 40 与内膜转位接触点共同构成越膜通道， 与内膜转位接触点共同构成越膜通道， 蛋白质进入基质。 蛋白质进入基质。