细胞生物学第六章 线粒体与细胞的能量转换

• 精子的线粒体定位在中段，围绕鞭毛的近轴部分。
• 肠上皮细胞线粒体聚集于顶部和基底部，呈两极 分布。
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第六章 线粒体与细胞的能量转换
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线粒体的形态——短杆状
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第六章 线粒体与细胞的能量转换
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线粒体的形态——线状、粒状
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第六章 线粒体与细胞的能量转换
孔蛋白 转运蛋白
选线外细革
择粒膜胞兰
性体中壁氏
的外有的阴
孔膜孔一性
蛋中蛋部菌
白也白分在
外膜
通发，。质
孔 道 现 允 膜 蛋 。 许 许 外
白 肽聚糖
多大 还 具小 有
有合 含
质膜
大适 脂
小的 的
不物 外
一质 膜
和通 作
过为
。
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（二）内膜
• 内膜(inner membrane)厚约4.5nm，深度 折叠形成嵴( cristae )。
• 24个基因编码两种rRNA和22种tRNA分子
电子传递链组分
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ND1, ND2, ND3, ND4L, ND4, ND5 & ND6
A6,A8
呼
Cyt b
吸
链
蛋
白
质
COXⅠ
的
COX Ⅱ COX Ⅲ
组 成
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线粒体长棒状。
• 大小：光镜下直径0.5～1.0㎛，长1～2㎛
– 大鼠肝细胞线粒体长5㎛ – 胰腺分泌细胞线粒体长10~20㎛ – 人类成纤维细胞线粒体长达40㎛
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• 数量：与细胞的生理功能和状态有关 – 数个～50万个。最多时占细胞总体积的25%。
线粒体主要酶的分布
• 外膜
– 单胺氧化酶 – NADH-Cyt c还原酶 – 酰基CoA合成酶
• 内膜
• 膜间腔
– 腺苷酸激酶 – 二磷酸激酶 – 核苷酸激酶
• 基质
– 柠檬酸合成酶、苹果酸脱氢酶
– Cyt b,c,c1,a,a3 – ATP合成酶系
– 延胡索酸酶、异柠檬酸脱氢酶 – 顺乌头酸酶、谷氨酸脱氢酶
• 膜上有转运蛋白，含有多种转运系统。
– 几乎所有分子和离子都需要特异的膜蛋白转运。
• 内膜有电子传递链和基粒。
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线粒体基粒
• 又称ATP合酶 • 分头部、丙部和基片
• 头部：具有酶活性，催化ADP磷酸化成ATP • 丙部：连接头部与基片 • 基片：嵌入内膜
– 仅含少量酶蛋白
– 整合膜蛋白包括多种转运蛋 白——孔蛋白(porin)
• 由β片层形成的筒状结构， 包绕成一直径2～3nm的内 部通道。
• 分子量5×103以下的物质 可自由通过。
– ATP, 辅酶A等（分子 量低于103）
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– 小分子多肽第六章 线粒体与细胞的能量转换
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第六章 线粒体与细胞的能量转换
主要内容
• 线粒体的基本特征 • 细胞呼吸与能量转换 • 线粒体与疾病
第一节 线粒体的基本特征
一、线粒体的形态、数量、分布和结构
• 形态：线状、粒状或杆状
– 低渗，线粒体泡状；高渗，线粒体线状。 – 酸性，线粒体膨胀；碱性，线粒体粒状。 – 人胚胎肝细胞发育早期，线粒体短棒状；发育晚期，
类 线 粒
螺旋DNA。
体
– 一条重链
基 因
– 一条轻链
组
编
码
• 人类线粒体基因组共
图
编码37个基因
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人类线粒体基因组共编码37个基因
• 重链编码（28个）
– 12S rRNA、16S rRNA – NADH-CoQ 氧化还原酶 1
(NADH-CoQ oxidoreductase 1, ND1)、ND2、ND3、 ND4L、ND4 & ND5 – 细胞色素C氧化酶Ⅰ (cytochrome C oxidaseⅠ, COXⅠ)、COX Ⅱ & COX Ⅲ – 细胞色素b 的亚基 – ATP 合酶的第6亚基和第8亚 基( A6, A8 ) – 14个 tRNA
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人类线粒体基因组共编码37个基因
• 13个基因编码蛋白质； • 2个基因编码两种rRNA分子； • 22个基因编码22种tRNA分子； • 线粒体基因组经济，紧凑；没有内含子，很少非
编码序列。
– 人类核基因组约2%为编码序列。 – 洋葱基因组是人类基因组的12倍大，阿米巴变形虫的
基因组是人类基因组的200倍大！
四、核编码蛋白的线粒体转运
• 线粒体的4个蛋白质输送亚区域，进入不同部 位的蛋白具有不同的转运途径。
1. 线粒体外膜(outer mitochondrial membrane, OMM )
2. 线粒体内膜(inner mitochondrial membrane, IMM )
3. 膜间腔(intermembrane space) 4. 基质(matrix)
（四）基质( matrix )
• 富含可溶性蛋白
– 含有催化TCA cycle、脂肪酸β-氧化、氨基酸分解、蛋 白质合成等多种酶。
– 大量可溶性代谢中间产物。 – 线粒体DNA, RNA, 核糖体。形成自身遗传体系。
二、线粒体的主要化学成分
• 蛋白质
– 占线粒体干重的65%～70%,主要分布在内膜和基质。 • 大鼠肝细胞线粒体蛋白质分布：基质占67%，内膜 占21%，外膜和膜间腔各占 6%。
– 可溶性蛋白：基质中的酶、膜外周蛋白 • 肝细胞线粒体可溶性蛋白占50%～70%。
– 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）
– 氧化还原酶37%、合成酶10%、水解酶约9%
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• 线粒体不同部位的标志酶
– 外膜 单胺氧化酶 – 膜间腔 腺苷酸激酶 – 内膜 细胞色素氧化酶 – 基质 苹果酸脱氢酶
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（一）核编码蛋白进入线粒体需要分子伴侣 的协助
• 前体蛋白 由核基因编码的将要输入到线粒体的 蛋白。
– 前体蛋白N-端具有基质导入序列(matrix-targeting
sequence, MTS )，由20～80个氨基酸残基组成，富含
– 裸露，不与组蛋白结合，在基质中/依附于线粒体 内膜。
– 每个线粒体含有1～数个 mt DNA，平均 5～10 个。 – 翻译系统的部分密码与核密码编码含义有所不同。
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（二）线粒体基因组是一条双链环状的DNA
人
• Human mt DNA 含 16569 bp，双链闭环超
（三）转位接触点是核编码蛋白进入线粒体的通道
• 内、外膜在某些地方相互接触，使膜间腔变狭窄处， 称为转位接触点( translocation contact site ) 。 – 鼠肝细胞线粒体约有115 个转位接触点。 • 由通道蛋白和特异性受体构成。 • 前体蛋白进出线粒体的通道。
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– 外膜含少量胆固醇 – 内膜富含心磷脂（20%），缺乏胆固醇。
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三、线粒体具有相对独立的遗传体系
（一）线粒体有自己的遗传系统和蛋白质翻译系统 • 线粒体基因组
– 1963年，Nass首次发现鸡卵母细胞的线粒体 DNA (mitochondrial DNA, mt DNA )
——复合物Ⅰ中的ND4L和ND4 ——复合物Ⅴ中的ATP酶8和ATP酶6
（四）线粒体DNA的复制是一个缓慢而复杂 的过程
• 人mtDNA复制起始点分成两半，一个重链复制起 始点（顶部），一个轻链复制起始点（8点钟处）
• 重链顺时针方向复制，轻链逆时针方向复制 • 轻链的复制晚于重链，整个复制持续2小时 • 复制不受细胞周期的影响
– 板层状嵴 哺乳动物肝细胞、心肌细 胞
– 管状嵴 分泌类固醇激素的细胞
• 肾上腺皮质细胞、黄体细胞、睾丸 间质细胞和白细胞
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内膜特性
• 内膜富含酶蛋白和辅酶，蛋白质/脂类大于3:1。 • 通透性低，分子量 ＞150的物质不能通过。
– 水分子和游离酸型丙酮酸可通过
• 轻链编码（9个）
– ND6、8个 tRNA
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线粒体基因组的37个基因
• 13个是编码蛋白质的基因，以ATG（甲硫氨酸） 为起始密码
——3个为细胞色素C氧化酶（COXⅠ、COXⅡ和COXⅢ） 构成复合体Ⅳ ——2个为ATP合酶复合体Ⅴ（F0）的亚基（A6和A8） ——7个为NADH-CoQ还原酶复合体Ⅰ的亚基（ND1、 ND2、ND3、ND4L、ND4、ND5和ND6） ——1个CoQH2-细胞色素c还原酶复合体Ⅲ中细胞色素b的 亚基
– 琥珀酸脱氢酶
– β-羟丁酸和β-羟丙酸 脱氢酶
– 脂肪酸氧化酶系 – 天冬氨酸转氨酶 – 蛋白质合成酶系
– 肉毒碱酰基转移酶 – 丙酮酸氧化酶