线粒体与细胞的能量转换课件

第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换Mitochondria and Energy Conversion 学习目的与要求学习目的与要求1.掌握线粒体的基本结构、功能2.熟悉线粒体相关的临床意义 3.了解线粒体的发生及其研究方法 第一节第一节第二节第二节第三节第三节中英文中英文退退 出出Mitochondria and Energy Conversion第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换 第第一一节节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征 一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构 二、二、线粒体的化学组成线粒体的化学组成三、三、线粒体的遗传体系线粒体的遗传体系 四四、线粒体核编码蛋白质的转运、线粒体核编码蛋白质的转运五、线粒体的起源五、线粒体的起源六、线粒体的分裂与融合六、线粒体的分裂与融合 七、线粒体的功能七、线粒体的功能 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换 一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构(一一)线粒体的形态、数量线粒体的形态、数量不同类型或不同生理状态的细胞，线粒体的形态、大不同类型或不同生理状态的细胞，线粒体的形态、大小、数目及排列分布并不相同。小、数目及排列分布并不相同。形态：形态：光镜下呈光镜下呈线状线状、粒状粒状或或杆状杆状等。等。数量：数量：因细胞种类而不同，最少的细胞只含因细胞种类而不同，最少的细胞只含1个线粒体，最多个线粒体，最多 的达的达50万个。代谢旺盛时，线粒体数量较多，反之线万个。代谢旺盛时，线粒体数量较多，反之线 粒体的数量则较少。粒体的数量则较少。线粒体形态线粒体形态Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换线粒体形态结构（荧光染色）线粒体形态结构（荧光染色）中国仓鼠细胞中国仓鼠细胞罗丹明罗丹明（Rhodamine Rhodamine 123123）染色（红色）染色（红色颗颗粒）粒）线粒体形态结构（铁苏木精染色）线粒体形态结构（铁苏木精染色）肾小管细肾小管细胞胞图中箭头图中箭头所示颗粒所示颗粒状线粒体状线粒体三、线粒体的结构三、线粒体的结构外膜外膜(out membrane)(out membrane)内膜内膜(inner membrane):(inner membrane):脊（脊（cristaecristae）膜间腔膜间腔(intermembrane)(intermembrane)基质基质(matrix)(matrix)线粒体的超微结构线粒体的超微结构(一）一）外膜（外膜（outer outer membrane)membrane)内膜（内膜（inner inner membrane)membrane)嵴嵴（cristae)cristae)与基粒与基粒（elementarelementary particle)y particle)基质基质（matrix)matrix)线粒体的超微结构线粒体的超微结构(二）二）线粒体内粒体内膜向内突膜向内突伸形成伸形成嵴（Cristae)线粒体的超微结构线粒体的超微结构(三）三）线粒体的嵴（Cristae)及其上的基粒（Elementary Particle）线粒体的超微结构模式图线粒体的超微结构模式图基粒实质是基粒实质是ATPATP合成酶复合成酶复合体合体基质内含核基质内含核糖体、糖体、DNADNA、基质颗粒及基质颗粒及多种酶系多种酶系基粒（基粒（ATPATP合成酶复合合成酶复合体）体）F1(F1(头部，头部，a a3 3b b3 3gdegde）：）：有有ATPATP合成的的催化合成的的催化位点位点 F0F0（abab2 2c c1212）:基片，偶联因子基片，偶联因子转位接触点（translocation contact site）在线粒体的内、外膜上存在的一些内膜与外膜相互接触的地方，此处膜间隙变狭窄，称为转位接触点。内膜转位子（Tim）通道蛋白外膜转位子（Tom）受体蛋白功能：蛋白质等物质进出线粒体的通道。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换3.转位接触点黑色箭头所指为转位接触点；红色箭黑色箭头所指为转位接触点；红色箭头所指为通过转位接触点转运的物质头所指为通过转位接触点转运的物质 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页一、线粒体的形态、数量和结构一、线粒体的形态、数量和结构(二)线粒体的超微结构第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换tom和tim受体系统 tom和tim受体系统参与核基因组编码多肽链通过膜进入线粒体的过程 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系(一一)线粒体线粒体DNA 特点：通常是裸露的，不与组蛋白结合。存在部位：线粒体的基质内或依附于线粒体内膜。数量：一个线粒体内往往有1至数个mtDNA分子，平均为510个。编码产物：线粒体的tRNA、rRNA及一些线粒体 蛋白质。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(一一)线粒体线粒体DNA 基因组结构：为一条双链环状的DNA分子，双链中一为重链（H），一为轻链（L），重链和轻链上的编码产物各不相同。与核基因组相比，线粒体基因组有很少非编码的序列。人类线粒体基因组共编码37个基因。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换人线粒体环状DNA分子及其转录产物 呼吸链蛋白质的组成呼吸链蛋白质的组成 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(二二)线粒体基因的转录线粒体基因的转录1.转录启动子：线粒体基因组的转录是从两个主要的启动子处开始的，分别为重链启动子（HSP）和轻链启动子（LSP)。转录因子与其结合，在mtRNA聚合酶的作用下启动转录。转录过程：线粒体基因的转录类似原核生物的转录，即产生一个多顺反子，包括mRNA和tRNA。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(二二)线粒体基因的转录线粒体基因的转录1.转录重链形成两个初级转录物：初级转录物tRNAphe、tRNAval、12S rRNA和 16S rRNA 初级转录物mRNA和tRNA Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换2.mRNA合成不含内含子，也很少有非翻译区。起始密码为AUG（或AUA），终止密码为UAA。3端有多聚A的尾部，5端没有细胞核mRNA加工时的帽结构。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系(二)线粒体基因的转录第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换3.蛋白质翻译在线粒体内并在线粒体的核糖体上进行翻译。构成线粒体核糖体的蛋白质由细胞质运入线粒体内。用于蛋白质合成的所有tRNA都是由mtDNA编码。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系(二)线粒体基因的转录第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换ATPase8和ATPase6亚基翻译重叠框架 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系(二)线粒体基因的转录第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换线粒体的遗传密码也与核基因不完全相同线粒体的遗传密码也与核基因不完全相同 密码子核密码子编码氨基酸线粒体密码子编码氨基酸哺乳动物果 蝇链孢酶菌酵 母植 物 UGA终止密码子色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸终止密码子 AGA AGG精氨酸终止密码子丝氨酸精氨酸精氨酸精氨酸 AUA异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸 异亮氨酸异亮氨酸 AUU异亮氨酸异亮氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸CUUCUCCUACUG亮氨酸亮氨酸亮氨酸亮氨酸苏氨酸 亮氨酸Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(三三)线粒体线粒体DNA的复制的复制 类似于原核细胞的类似于原核细胞的DNA复制。复制。一个一个重链复制起始点重链复制起始点：控制重链自我复制：控制重链自我复制 一个一个轻链复制起始点轻链复制起始点：控制轻链自我复制：控制轻链自我复制复制起始复制起始Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(三三)线粒体线粒体DNA的复制的复制 复制特点：复制特点：轻链的复制要晚于重链；轻链的复制要晚于重链；重链的合成方向是顺时针的；轻链的合成方向是逆重链的合成方向是顺时针的；轻链的合成方向是逆时针的；时针的；复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期的静复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期的静止期或间期，甚至可分布在整个细胞周期。止期或间期，甚至可分布在整个细胞周期。复制时间：复制时间：整个复制过程约持续整个复制过程约持续2个小时。个小时。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页三、线粒体的遗传体系三、线粒体的遗传体系 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换线粒体DNA的复制Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换四、线粒体核编码蛋白质的转运四、线粒体核编码蛋白质的转运 线粒体中有大约有线粒体中有大约有1000个基因产物，其中仅个基因产物，其中仅37个基个基因产物由线粒体基因组编码，其他均由核编码。因产物由线粒体基因组编码，其他均由核编码。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换四、线粒体核编码蛋白质的转运四、线粒体核编码蛋白质的转运 (一)核编码蛋白向线粒体基质中的转运 1.需要条件 基质导入序列（matrix-targeting sequence，MTS）。分子伴侣：保持前体蛋白在线粒体外的非折叠状态NAC：与少数前体蛋白相互作用，增加蛋白转运的准确性。hsc70：和绝大多数的前体蛋白结合，使前体蛋白打开折叠，防止已松弛的前体蛋白聚集。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换 前体蛋白前体蛋白与受体结合。与受体结合。mthsp70可与进入线粒体腔的前导肽链交联，防可与进入线粒体腔的前导肽链交联，防止了前导肽链退回细胞质。止了前导肽链退回细胞质。基质作用蛋白酶基质作用蛋白酶MPP：定位于线粒体内膜上：定位于线粒体内膜上，切，切除大多数蛋白的基质导入序列。除大多数蛋白的基质导入序列。2.转运过程Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页四、线粒体核编码蛋白质的转运四、线粒体核编码蛋白质的转运 (一)核编码蛋白向线粒体基质中的转运 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换2.转运过程线粒体蛋白穿膜转运的布朗棘轮模型示意图线粒体蛋白穿膜转运的布朗棘轮模型示意图 Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页四、线粒体核编码蛋白质的转运四、线粒体核编码蛋白质的转运 (一)核编码蛋白向线粒体基质中的转运 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换蛋白质向线粒体基质转运示意图蛋白质向线粒体基质转运示意图Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(二)核编码蛋白向线粒体其他部位的转运 1.蛋白质向线粒体膜间腔的转运 信号序列基质导入序列MTS：引导前体蛋白进入基质。膜间腔导入序列ISTS：引导前体蛋白进入膜间腔。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页四、线粒体核编码蛋白质的转运 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换(二)核编码蛋白向线粒体其他部位的转运 1.蛋白质向线粒体膜间腔的转运 转运方式整个蛋白进入基质，第2个信号序列ISTS引导多肽链通过内膜上的通道进入膜间腔。第2个信号序列ISTS起转移终止序列的作用，阻止前体蛋白向基质转运，并固定于内膜上，切去位于内膜上的ISTS部分后，进入膜间腔。通过直接扩散从胞浆通过外膜而进入膜间腔。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页四、线粒体核编码蛋白质的转运 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换蛋白质向线粒体膜间腔转运示意图蛋白质向线粒体膜间腔转运示意图Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换2.蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运在外膜蛋白的转运中，类孔蛋白P70的研究最多。事实上在P70的MTS后有一段长的疏水序列，也起着转移终止序列的作用，而使之固定于外膜上。内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页四、线粒体核编码蛋白质的转运 第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换七、线粒体的功能七、线粒体的功能1.氧化磷酸化营养物质在线粒体内氧化并与磷酸化耦联生成ATP是线粒体的主要功能。2.摄取和释放Ca2+线粒体还在摄取Ca2+和释放Ca2+中起着重要的作用，线粒体和内质网一起共同调节胞质中的Ca2+浓度，从而调节细胞的生理活动。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换3.参与细胞死亡在某些情况下，线粒体是细胞死亡的启动环节；而在另一些情况下，线粒体则仅仅是细胞死亡的一条“通路”。细胞呼吸的概念在特定细胞器（主要是线粒体）内，在O2的参与下，分解各种大分子物质，产生CO2；与此同时，分解代谢所释放出的能量储存于ATP中的过程，称为细胞呼吸（cellular respiration），也称生物氧化（biological oxidation）或细胞氧化（cellular oxidation）。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换细胞呼吸的过程和发生场所细胞呼吸的过程和发生场所以糖的有氧氧化为例以糖的有氧氧化为例糖的有氧氧化分为四个阶段糖的有氧氧化分为四个阶段葡萄糖葡萄糖-丙酮酸（胞质）丙酮酸（胞质）丙酮酸氧化脱羧（线粒体基质）丙酮酸氧化脱羧（线粒体基质）TAC TAC（线粒体基质）（线粒体基质）电子传递（线粒体内膜）电子传递（线粒体内膜）细胞呼吸的特点本质上是在线粒体中进行的一系列由酶系所催化的氧化还原反应；所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中；整个反应过程是分步进行的，能量也是逐步释放的；反应是在恒温(37)和恒压条件下进行的；反应过程中需要H2O的参与。Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换ATP中所携带的能量来源于中所携带的能量来源于糖、氨基糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化酸和脂肪酸等的氧化，这些物质的，这些物质的氧化是能量转换的前提。氧化是能量转换的前提。从糖酵解到从糖酵解到ATP的形成是一个极其复的形成是一个极其复杂的过程，杂的过程，分为三个步骤：分为三个步骤：糖酵解（糖酵解（glycolysis）三羧酸循环（三羧酸循环（TAC）氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换ATP synthase complexbiological oxidationcellular oxidationcellular respirationchemiosmotic coupling hypothesiscristaeelementary particleglycolysisinner membraneintercristae space intermembrane spaceintracristae spacematrixmatrix spacematrix-targeting sequence，MTSATP合酶复合体生物氧化细胞氧化细胞呼吸化学渗透假说嵴基粒糖酵解内膜嵴间腔膜间腔嵴内空间基质基质腔基质导入序列中英文关键词对照中英文关键词对照Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换mitochondrial disordersmitochondrial phaseouter membraneoxidative phosphorylationpostmitochondrial phasepremitochondrial phasereactive oxygen species,ROSsubstrate-level phosphorylationtranslocation contact sitetranslocon of the inner membrane，Timtranslocon of the outer membrane，Tomtricarboxylic acid cycle，TCA cycle 线粒体疾病线粒体疾病线粒体期线粒体期外膜外膜氧化磷酸化氧化磷酸化线粒体后期线粒体后期线粒体前期线粒体前期活性氧活性氧底物水平磷酸化底物水平磷酸化转位接触点转位接触点内膜转位子内膜转位子外膜转位子外膜转位子三羧酸循环三羧酸循环Mitochondria and Energy Conversion退退 出出首首 页页第六章第六章 线粒体与细胞的能量转换线粒体与细胞的能量转换