线粒体精讲

2.除D环区外，基因排列紧凑，不含内含子。 3.两条链的编码不对称，L链产生8种tRNA分 子及1种蛋白质，其余都在H链上。


4.与“通用密码子”不同。 (p149，表12-3)
5.突变频率高，为 nDNA的10倍以上。
6.遗传方式： 母系遗传及不完全母系遗传。原因是某些突 变的线粒体基因组不能够通过遗传瓶颈。
(p149)




导肽：大部分线粒体蛋白质在细胞质核糖体上 合成时，其N端都带有的一肽段，内含定向运 往线粒体的信息。 导肽的长短与被引导的蛋白质定位在线粒体的 不同部位有一定的关系。定位于基质中的蛋白 质一般具有较短的导肽。 导肽没有共同的保守序列，但有一些共有的结 构特点：带较多的正电荷氨基酸，尤其是精氨 酸；有形成两亲性结构的倾向，这有利于它穿 越线粒体的双层膜。 有的线粒体蛋白质在合成时并没有导肽，如外 膜蛋白质的孔蛋白、内膜蛋白质ADP/ATP载 体、内膜外侧的细胞色素c等。
内
膜
基
质
第二节 线粒体的功能
一、细胞呼吸(细胞氧化)及其基本过程
1.大分子供能物质的降解及乙酰CoA的生成
脂肪 脂肪酸
多糖 葡萄糖
无氧糖酵解
蛋白质 氨基酸
丙酮酸
丙酮酸脱氢酶系
乙酰CoA
糖酵解
2.三羧酸循环
乙酰CoA
三羧酸循环酶系
2CO 2＋4(2H)＋GTP
3.电子传递偶联磷酸化
2H(2H++ 2e) + 1/2O2 （有氧氧化） ADP + Pi + 能量 （磷酸化） H2O + 能量 ATP
两条呼吸链： NADH呼吸链、FADH2呼吸链
NADH(2H) 复合物Ⅰ
如CO、CN、NaN3、H2S
辅酶Q
cyt c 复合物III 复合物Ⅳ
-
FADH2(2H) 复合物 Ⅱ
1/2O2
能量释放及ATP合成偶联部位
H2O + 能量
② ATP合成酶 （复合物Ｖ、基粒、F0F1颗粒 ）
头：F1 (ATPase)，α3β3γδε，每个β亚基具有一

Rotation of relative to &
最近的研究表明ATP诱导的旋转以120o为步骤进行，中 间有停顿。另有研究表明，每个120o 步骤又含90o & 30o 的 小步骤，中间也有停顿。这些小的步骤可能与反应循环的特 定阶段有关，如 ADP结合或ATP释放。
base view
γ 亚基在α和β 亚基之间 形成一个支柱。
工作特点：可逆性复合酶
线粒体、叶绿体、细菌中的ATP合成酶
（三）线粒体内外膜转位接触点
线粒体蛋白质分别定位于外 膜、内膜、基质以及内外膜间隙。 它们的运送途径不尽相同。 定位于基质的蛋白质的运送 途径，即多肽链穿越线粒体双层 膜的过程：导肽(leader sequence)引导，与线粒体膜受 体分子识别结合，即通过外膜及 内膜蛋白转运体进入线粒体基质。 分子伴侣蛋白协同作用。
嵴与上面的基粒
ATP合成酶(基粒)的电镜照片
牛心脏线粒体的负染电镜照片 可见球形颗粒通过小柄附着在线粒体内膜嵴上
F1 ATPase
PDB 1E79


F1 in cross section
从膜平面看，α和β亚 基交替排列，形成一个 环状结构。
side view
线粒体蛋白质的运送与组装
TOM复合体
TIM23复合体
微体
翻译后转运
共翻译转运
（四）基质
包括丙酮酸脱氢酶系、三羧酸循环 酶系、蛋白质及核酸合成酶系、线粒体 核糖体、mtDNA 、线粒体RNA等。
（p140、表12-1）
线粒体主要酶的分布
部 位 酶 的 名 称
外
膜 间
膜
隙
单胺氧化酶、犬尿氨酸羟化酶、NADH-细胞色素C还原酶 特征酶：单胺氧化酶 腺苷酸激酶、核苷酸激酶、二磷酸激酶 特征酶：腺苷酸激酶 细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶、NADH脱氢酶、肉毒碱酰 基转移酶、-羟丁酸和 -羟丙酸脱氢酶、丙酮酸氧化酶、 ATP合成酶系、腺嘌呤核苷酸载体 特征酶：细胞色素氧化酶 柠檬酸合成酶、乌头酸酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢 酶、延胡索酸酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶复合体、 天冬氨酸氨基转移酶、蛋白质和核酸合成酶系、脂肪酸氧 化酶系 特征酶：苹果酸脱氢酶
Boyer 结合变构机制假说的要点

1．ATP酶利用质子动力势，发生构象改变，催化ATP形成。 2．F1具有β亚基三个催化位点，在特定的时间，三个催化位 点的构象不同（分别为L、T、O），与核苷酸的亲和力各不
相同。

3．H+通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋 转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β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并释放。
线粒体形态及分布
线粒体的分布多集中在细胞的需能部位，有利于其能量供应
线粒体的分布
线粒体与微管分布的关系
二、线粒体的亚微结构
“两层膜、三个腔、环状DNA在中央。”
嵴内腔
（外室、膜间腔） （内室、嵴间腔、基质腔）
基质颗粒
透射电镜下蝙蝠胰细胞的线粒体
扫 描 电 镜 照 片 ， 示 线 粒 体 内 部 结 构
成就: 表彰他们在研究身体细胞是如何储存和传递能量方面所取得的成果。
第三节 线粒体的半自主性
线粒体的结构和功能既受核基因控 制，又受自身基因调节的特性。
●mtDNA的结构及遗传特点

1.裸露的环状双链分子 人mtDNA：16569bp，共37个结构基因。 （剑桥序列， Anderson等，1981）
线粒体
（Mitochondrion,Mit,mt）
细胞生物学及遗传学教研室 蒲淑萍
细胞内各种供能物质的氧化中心 及细胞能量(ATP)产生、储存和供应 中心——氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHS）。 Mit还与细胞中氧自由基的生成、 细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内 多种离子(如Ca2+)的跨膜转运及电解 质稳态平衡的调控有关。 （p147）
牛心线粒体F1的晶体结构（John Walker等，1994）
旋转催化模型要点
ATP ATP
ATP
ATP
ATP合酶三种构象（ L、T、O ）的交替改变 松散 (loose)构象，活性部位松散的结合ADP和Pi； 紧密 (tight)构象，活性部位紧密结合底物并形成ATP； 开放 (open)构象，形成的ATP从活性部位释放。
化学渗透学说
当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙， 由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质， 在内膜的两侧形成pH梯度（△pH）及电位梯度（Ψ），两者共同构成电化 学梯度，即质子动力势（△P）。 质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使ATP酶的构 象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。
■
γ亚基与荧光标记的肌动蛋 白纤维相连； 亚基被固定在载玻片上；
■ ■
供给ATP时，肌动蛋白纤维 发生旋转。
结果表明，γ亚基在α3β3形成的圆筒中转动，转动是 单方向反时针进行的，转动使中心的γ亚基能够与三个β亚 基按顺序与O、L、T位点接触。这个实验使我们清楚地看 到F1-ATP酶确实是一个分子马达，证明了旋转催化模型的 正确性。 γ亚基旋转的观察（Noji等，1997）
管状嵴线粒体（草履虫）
(一）外膜
1.通透பைடு நூலகம்大
孔蛋白(porin)：形成孔径为2～３nm 的亲水通道，允许<5kＤ的分子选择性通过， 允许<1kＤ的分子自由通过。
2.蛋白质和脂类的比值为1。
（二）内膜
1.通透性低，借助载体蛋白跨膜运输。
2.蛋白质和脂类的比值为3.2，富含心磷脂(双磷脂
酰甘油)。
简单说，呼吸链是由一系列电子载体构成的， 是从NADH或FADH2向氧传递电子的系统，以 及把氧化能转变为质子动力势的质子泵系统。
电子传递链的四种复合物(哺乳类)
◆复合物Ⅰ(NADH脱氢酶) 组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白FMN 作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电子辅酶Q； 泵出4H+ ◆复合物Ⅱ(琥珀酸脱氢酶) 组成：含FAD辅基，2Fe-S中心 作用：催化2低能电子FADFe-S辅酶Q
3.形成嵴，膜上含与氧化磷酸化有关的酶，称氧化
磷酸化复合酶体系。
线粒体内膜的氧化磷酸化复合酶体系： ①呼吸链（respiratory chain）(电子传递 链，electron transport chain) Mit内膜上一组规则排布的膜蛋白，它 们传递供能物质氧化反应中所脱下的H+的e 给O2生成H2O，并释放能量。包括复合物 Ｉ、 II、III 、IV ，以及辅酶Q和cyt c，其 中Ｉ、 III 、 IV为H+泵。 （p142）
■第一个β亚基（βTP）结合 ATP 类似物 (tight) ■第二个β亚基（βDP）结合ADP (loose) ■第三个β亚基（βE）处于空的状态 (open) Walker等利用核苷酸底物类似物，观察ATP合成酶的3个催化亚基 结合核苷酸底物类似物后晶体构象的变化，发现它们由于结合不同的底 物类似物而呈现不同的构象，有力地支持了Boyer提出的结合变构机制， 证明在催化循环的任一时刻，3个催化亚基处于不同的构象状态，构象 的变化与位于α3β3中央的γ亚基的转动相关。
Contents
线粒体的形态结构及酶的定位 线粒体的功能 线粒体的半自主性 线粒体与医学
第一节 形态结构及酶的定位分布
一、光镜结构
呈线状、杆状、粒状等。 其形状、大小、数量、分布因细胞种类和生理 状况不同而异。
在光学显微镜下观察小鼠小肠柱状上皮 细胞中线粒体的形态及分布情况
细胞核
线粒体
啮齿类动物的精子
◆复合物Ⅲ (细胞色素b、c1复合物)
组成：包括1cyt c1、1cyt b、1Fe-S蛋白 作用：催化电子从UQH2cyt c；泵出4H+(2个来自UQ，2个来自基质)
◆复合物Ⅳ (细胞色素C氧化酶)
组成： 二聚体，每一单体含13个亚基， 三维构象包括cyt a, cyt a3 ,Cu, Fe 作用：催化电子从cyt c分子O2 形成水，2H+泵出， 另2H+ 参与形成水
个ATP合成或水解的催化位点。ε可抑制ATP酶水 解ATP，并堵塞H+通道。 柄：含OSCP (对寡霉素敏感的蛋白质。寡霉素为
磷酸化抑制剂，可抑制ATP合成)，调控H+通道。
基片：F0，在细菌为ab2c10-12 ，a亚基有H+通道。
ATP合酶的结构 转子： cγε 定子： ab2δ a亚基形成一个跨 膜质子通道，其作用 之一就是将跨膜质子 动力势转换成扭力矩， 进而推动转子旋转。
遗传瓶颈：卵细胞形成过程中线粒体数量急 剧减少(10万到少于100个)的过程。这使得只 有少数线粒体真正传给后代，也是造成子代 差异的原因。如果通过遗传瓶颈保留的一个 线粒体携带一种突变，这种突变就会在个体 中占有一定的数量。 7.遗传的异质性、阈值效应、广谱性。
mtDNA的母系遗传

随着时间的推移，线粒体基因积累的突变越来越多， 后代个体之间线粒体基因序列的差异也就越大。一 般说来，两位个体之间线粒体基因序列差别越大， 表明他们与共同祖先分离的时间越长，亲缘越疏， 反之则越近。 通过追踪线粒体基因 的谱系，发现在大约14万 年前出现了交叉点，表明 现存所有人的线粒体基因 都传自14万年前的一名女 性。她被形象地称为“线 粒体夏娃” 。
氧化磷酸化：氧化和磷酸化作用偶联进行的过程。 实际上是能量转换过程，即供能有机分子中储 藏的能量高能电子质子动力势ATP。
二、氧化磷酸化机制
◆氧化磷酸化的偶联机制 —— 化学渗透学 说(Chemiosmotic Hypothesis， Mithchell，1961) ◆ATP合成机制 —— 结合变构机制、旋转 催化模型（Boyer，1979)

细胞核中决定男性性别的Y染色体也是单性遗传的， 只不过它是父系遗传，由父亲传给儿子。通过比较 各个个体之间Y染色体序列的差异，我们也可以计 算出现在所有人的Y染色体都来自大约6万年前的一 名男性，他被称为“Y染色体亚当” 。
22种tRNA gene 2种rRNA gene 12S rRNA 16S rRNA ND1-6、4L 13种蛋白质gene cyt b COⅠ、Ⅱ、Ⅲ ATPase 6、8
（复合物Ⅰ） （Ⅲ） （Ⅳ） （Ⅴ）
牛肝细胞mtDNA分子铺展的透射电镜照片， 测量其长度为16.3kb。
mtDNA分子超螺旋