线粒体与细胞能量转换

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ATP,是生命活动的直,接供能者。,线粒体通过氧化磷酸,化合成生物体所需能,量,(ATP),的,90%,以上。,生命活动需要能量,线粒体如何通过氧化磷酸化合成,ATP?,线粒体与细胞的能量转换,Mitochondria and Energy Conversion,主要内容：,线粒体的形态结构与酶的定位,线粒体蛋白质穿膜进入线粒体,线粒体的功能,线粒体的半自主性,线粒体的增殖,线粒体与医学,电镜下观察：线粒体是由两层单位膜围成的封闭的囊状结构。,外 膜,内 膜,膜间腔,（外室）,嵴,嵴间腔,（内室 ）,内含基质,第一节 线粒体的基本特征,目前已确认有,120,余种，是细胞中含酶最多的细胞器。这些酶分别位于线粒体的不同部位，在线粒体行使细胞氧化功能时起重要的作用。,内膜标志酶,细胞色素氧化酶；,外膜标志酶,单胺氧化酶；,基质标志酶,苹果酸脱氢酶；,膜间腔的标志酶,腺苷酸激酶。,一、线粒体含有众多参与能量代谢的酶系,蛋白质：,是线粒体的主要成分，约占,65%-70%,，多,分布于内膜和基质,。,脂类：,占线粒体干重的,25%-30%,，大部分是磷脂。,此外，还含有,DNA,和完整的遗传系统，多种辅酶（如,CoQ,、,FMN,、,FAD,和,NAD,等）、维生素和各类无机离子。,可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白,不溶性蛋白：构成膜的镶嵌蛋白、结构蛋白,和部分酶蛋白。,二、线粒体的形态、数量和分布,1.,形态,光镜下,:,线状、粒状、短杆状等,形态可逆性,在一定条件下可改变，,低渗时,，膨胀呈泡状；,高渗时,，伸长呈线状。,2.,大小,细胞中较大的细胞器，与细胞种类、生理状况有关，一般直径：,0.5-1.0 m,；长度：,1.5-3.0 m,。,3.,数 目,不同类型细胞中差异较大。,哺乳动物,:,肝细胞中,2000,个左右,肾细胞中,300,个左右,精子中,25,个左右,代谢旺盛时，线粒体数量较多，反之线粒体的数量则较少。,心肌细胞,精子尾部,4.,分布：,通常分布于细胞生理功能旺盛区域和需要能量多的部位。,三、线粒体的结构,包围在线粒体外表面的一层单位膜。厚,67nm,，平整、光滑。,外 膜,封闭结构使之在细胞质中相对隔绝，保证了线粒体能够不受干扰地进行物质氧化分解。,(,一,),线粒体外膜,厚约,6nm,，通透性很低，但有高度的选择通透性，借助载体蛋白控制内外物质的交换。,内 膜,集中了电子传递体,和氧化磷酸化酶系,ATP,合成酶系，是物质氧化,分解和,ATP,合成的场所。,(,二,),线粒体内膜,嵴,嵴的形态和排列方式主要有两种类型：,板层状,（大多数高等动物细胞中）,小管状,（原生动物和一些较低等,动物细胞中）,嵴：内膜向内室折叠形成，增加了内膜的表面积。,板层状嵴,小管状嵴,外膜,内膜,膜间隙,嵴间腔,嵴内腔,嵴,基 粒,基粒（,ATP,合酶）：,内膜和嵴膜基质面上带柄的小颗粒。与膜面垂直而规律排列。,基粒,（内室）,（外室）,基粒,ATP,合酶,线粒体主要酶的分布,部 位,外 膜,脂类代谢有关的酶,特征酶：单胺氧化酶,膜 间 腔,腺苷酸激酶、核苷酸激酶,特征酶：腺苷酸激酶,内 膜,呼吸链氧化反应的酶系、,ATP,合成酶系,特征酶：细胞色素（,c,）氧化酶,嵴 间 腔,三羧酸循环反应、丙酮酸与脂肪酸氧化,的酶系 、蛋白质和核酸合成酶系,特征酶：苹果酸脱氢酶,(,三,),蛋白质穿膜进入线粒体的通道,线粒体膜上的转位接触点,膜间隙变窄,嵴内腔,基粒,（,ATP,酶）,（四）基质,(,内室,),内膜和嵴围成的腔。,线粒体,DNA,线粒体,DNA,线粒体,mRNA,线粒体,tRNA,线粒体核糖体,线粒体核糖体,基质颗粒,基质颗粒,三羧酸循环的场所；线粒体内,DNA,、蛋白质合成的场所。,四、线粒体的遗传体系,(,一,),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,5-10,个。,编码产物：,线粒体的,tRNA,、,rRNA,及一些线粒体,蛋白质。,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。,(,二,),线粒体基因组结构,(,三,),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,。,重链形成两个初级转录物：,初级转录物,tRNA,phe,、,tRNA,val,、,12SrRNA,和,16S rRNA,初级转录物,mRNA,和,tRNA,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 。,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。,线粒体的遗传密码与核基因不完全相同,线粒体蛋白质合成系统,MtDNA,RNA,前体,切割加工,13,种,mt-mRNA,22,种,mt-tRNA,2,种,mt-rRNA(12S,16S),转录,1.,线粒体,RNA,2.,特点：,（与胞质蛋白质合成相比）,1),各种,RNA,是线粒体所独有的,RNA,聚合酶的抑制剂,线粒体：菲啶溴红（,E.B.,） 类似原,核细胞,真核细胞：放线菌素,D,、,a,鹅膏覃碱,2,）核糖体对药物的敏感性不一样,线粒体： 氯霉素、红霉素,真核细胞胞质：放线菌酮,(3),遗传密码与通用密码有差异,（,2,） 起始,tRNA,不同,线粒体：,N,甲酰甲硫氨酰,tRNA,真核细胞胞质：,甲硫氨酰,tRNA,3 ),蛋白质合成过程不同,（,1,） 转录、翻译在同一时间和地,点进行,密码子,线粒体密码,通用遗传密码,UGA,AUA,AGG,色氨酸,蛋氨酸,终止子,终止子,异亮氨酸,精氨酸,通用遗传密码与线粒体遗传密码的差别,线 粒 体 遗 传 系 统 与 核 遗 传 系 统 的 相 互关系,(,三,),线粒体,DNA,的复制,类似于原核细胞的,DNA,复制。,一个重链复制起始点：控制重链自我复制,一个轻链复制起始点：控制轻链自我复制,复制特点,：,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时针的；,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。,复制时间,：整个复制过程约持续,2,个小时。,五、线粒体靶序列引导核编码蛋白向线粒体运输,1.,去折叠,2.,穿线粒体膜,3.,重折叠,（一）需要分子伴侣的协助,运送之前，蛋白质大多以,前体,形式存在。,线粒体中的蛋白质绝大多数由核基因编码，在细胞质中的游离核糖体合成，称,前体蛋白,，将定向转运至线粒体。,基质导入序列（matrix-targeting sequence，MTS）,基质导入序列（导肽）,N,末端引伸出的一段含线粒体靶序列的肽链。,折叠,解折叠,重新折叠,分子伴侣,分子伴侣,前体蛋白与受体结合。,mthsp70,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。,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。,（二）前体蛋白在线粒体外保持非折叠,线粒体内外膜之间存在接触点，蛋白,质,通过此处的,TOM,和,TIM,复合体，进一步进入基质。,线粒体蛋白穿膜转运的布朗棘轮模型示意图,（三）分子伴侣运动产生的动力协助多肽穿越线粒体膜,（四）多肽链需在线粒体基质内重新折叠才能形成有活性的蛋白质,基质作用蛋白酶,MPP,：定位于线粒体内膜上，切除大多数蛋白的基质导入序列。,mtHsp70,、,Hsc60,、,Hsp1,等协助折叠,导肽与线粒体外膜上的受体结合,内、外膜之间的接触点,插入到内膜,进入线粒体基质后，蛋白质重新折叠，形成成熟的蛋白质；导肽被水解,(,五,),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。,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。,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。,在,P70,的,MTS,后有一段长的疏水序列，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。,六、线粒体介导的细胞死亡,目前普遍接受的线粒体起源假说为,内共生学说,，该学说认为线粒体可能起源于与古老厌氧真核细胞共生的早期细菌。,七、线粒体的起源与发生,线粒体是通过分裂方式实现增殖的,目前普遍接受的观点认为：线粒体的生物发生是通,过原有线粒体分裂完成的。,线粒体的生物发生过程：,第一阶段,线粒体进行,分裂增殖,；,第二阶段,线粒体本身的分化过程，建成能够行使,氧化磷酸化,功能的机构。,线粒体分裂,狗心肌细胞线粒体,新生鼠肝细胞线粒体,2,1,3,线粒体的增殖,间壁分离,:,收缩分离,:,出芽分裂,:,线粒体的内膜向中心内褶形成间壁，或某一个嵴的延伸。当延伸到对侧内膜时，线粒体一分为二。,线粒体中央部分收缩并向两端拉长，中央形成很细的颈，整个线粒体成哑铃形，最后断裂成两个新线粒体。,先从线粒体上长出小芽，然后小芽与母线粒体分离，经过不断长大，形成新的线粒体。,间壁分离,收缩分离,出芽分离,线粒体三种分裂方式：,出芽分裂,收缩分裂,间壁分裂,线粒体的分裂都不是绝对均等的。在同一线粒体中，可能存在有不同类型的,mtDNA,，,随机地分配,到新的线粒体中。,另一方面线粒体分裂还,受到细胞分裂的影响,。,生命活动中的大部分能量来自于线粒体,细胞动力工厂,第二节 细胞呼吸与能量转换,慢跑，细胞消耗氧气来分解葡萄糖并获得能量，同时产生,二氧化碳,和水。,快跑，细胞将葡萄糖分解成,乳酸,和二氧化碳。,在特定细胞器（主要是线粒体）内，在,O,2,的参与下，分解各种大分子物质，产生,CO,2,；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,）,。,细胞呼吸的概念,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,H,2,O,的参与。,ATP,是一种高能磷酸化合物,细胞呼吸时，释放的能量可通过,ADP,的,磷酸化,而及时储存于,ATP,的高能磷酸键中作为备用；,当细胞进行各种活动需要能量时，又可,去磷酸化,，断裂一个高能磷酸键以释放能量来满足机体需要。,ATP,的放能、储能反应简式,A-P,P,P,A-P,P + Pi +,能量,去磷酸化,磷酸化,细胞呼吸所产生的能量储存于细胞能量转换分子,ATP,中,第三节 细胞的能量转换,ATP,中所携带的能量来源于,糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化,，这些物质的氧化是能量转换的前提。,从糖酵解到,ATP,的形成是一个极其复杂的过程，分为,三个步骤,：,糖酵解（,glycolysis,）,三羧酸循环（,TAC,）,氧化磷酸化,（,oxidative phosphorylation,）,酵 解：,在细胞质内进行，反应过程中不需要氧,无氧酵解。,2,丙酮酸,+ 2H,+,+ 2ATP+2NADH,（,C,3,H,4,O,3,),+2H,2,O,葡萄糖,+2Pi+2ADP+2NAD,+,（,C,6,H,12,O,6,）,特点,：,（,1,）,不需氧,，细胞质基质中进行,（,2,）净生成,2,个,ATP,，能量储藏在,丙酮酸,中。,一、葡萄糖在细胞质中进行糖酵解,1.,葡萄糖在细胞质中经糖酵解途径分解成丙酮酸,底物水平磷酸化（,substrate-level phosphorylation,）：由高能底物水解放能，直接将高能磷酸键从底物转移到,ADP,上，使,ADP,磷酸化生成,ATP,的作用。,NADH+H,+,通过穿梭机制进入线粒体,糖酵解过程产生的还原当量（,NADH+H,+,）,本身不能透过线粒体内膜，必须借助线粒体内膜上,特异性穿梭系统,进入线粒体。,苹果酸天冬氨酸穿梭,-,酮戊二酸穿梭,乙酰辅酶,A,生成,特点,：,（,1,） 线粒体,基质,中进行,（,2,）,3C,的丙酮酸变成活泼的,2C,乙酰辅酶,A,（,3,）,无,ATP,形成,在线粒体基质中丙酮酸脱氢酶体系作用下，丙酮酸进一步分解为乙酰,CoA,，,NAD,+,作为受氢体被还原，具体反应式,：,2CH,3,COCOOH + 2HSCoA + 2NAD,+, 2CH,3,CO-ScoA + 2CO,2,+ 2NADH + 2H,+,葡萄糖,丙酮酸,NAD,NADH,2,CO,2,乙 酸,CoA,乙酰,CoA,草酰乙酸,三羧酸循环,（柠檬酸循环,）,柠檬酸,顺乌头酸,异柠檬酸,NAD,NADH,2,CO,2,-,酮戊二酸,NAD,NADH,2,CO,2,琥珀酸,FAD,FADH,2,延胡索酸,苹果酸,NAD,NADH,2,1,2,3,1,注：,NAD,（辅酶,I,）,:,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸,FAD,（黄酶）,:,黄素腺嘌呤二核苷酸,在线粒体,基质,中，乙酰,CoA,与草酰乙酸结合成柠檬酸而进入,三羧酸循环（,tricarboxylic acid cycle,，,TAC,），,经过一系列的代谢反应，乙酰基被氧化分解，草酰乙酸再生。,三羧酸循环是三大营养素的最终代谢通路,。糖、脂肪、氨基酸在体内进行生物氧化都将产生,乙酰,CoA,，然后进入三羧酸循环进入降解。,二、三羧酸循环,三羧酸循环,乙酰辅酶,A+,草酰乙酸,（,2C,） （,4C,）,柠檬酸（,6C,）,3,对以,NAD,为氢受体,四对氢原子 （,NAD,+,NADH,）,1,对以,FAD,为氢受体,（,FAD FDAH,2,）,2,个,CO,2,特点：,（,1,） 反应在线粒体基质中进行,（,2,）,7,次连续反应为一次循环,（,3,） 生成一分子,GTP,7,个连续反应,(,一,),呼吸链和,ATP,合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础,1.,呼吸链,代谢物脱下的,成对氢原子,通过多种酶和辅酶所催化的,连锁反应,逐步传递，最后,与氧结合生成水,，此传递过程称为,呼吸链,。参加呼吸链的酶及辅酶按一定顺序在线粒体内膜上排列，,进行氢和电子的传递,，故又称为,电子传递链,。,三、氧化磷酸化耦联是能量转换的关键,呼吸链传递氢和电子的功能由四种酶复合体完成,呼吸链蛋白质组成,每个复合体都由多条多肽链（大部分由核基因组编码，少部分由线粒体基因组编码）组成,线粒体内膜（包括嵴）的内表面附着的,圆球形基粒。,将呼吸链电子传递过程中释放的能量用于使,ADP,磷酸化生成,ATP,的关键装置。,化学本质是,ATP,合酶复合体,，也称,F,0,F,1,ATP,合酶,。,合酶复合体,转子：,C12,1,1,定子：,a1b2,1,3,3,磷酸化的结构基础：,ATP,合酶,1979年Boyer提出,结合变构模型,。其要点:,ATP合酶利用质子动力势，催化ATP合成。,ATP合酶的头部有3个催化位点(亚基)，催化位点有3种构象。,质子通过a亚基时，引起c亚基构成的环旋转，带动亚基旋转，亚基端部高度不对称，引起亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。,1994年Walker通过牛心线粒体晶体结构证明了该模型。,电子传递过程中释放出的能量被,F,0,F,1,ATP,合酶用来催化,ADP,磷酸化而合成,ATP,，,ATP,生成部位,即是氧化磷酸化偶联部位。,(,二,),氧化磷酸化耦联,Mitchell(1961，英国)提出，该学说认为：,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，形成质子动力势。,以这种势能作为动力，驱动磷酸化反应，合成ATP。,（三）化学渗透偶联假说,ATP形成的偶联部位,呼吸链上有3个主要的放能部位,NAD,黄酶（,FMN,）,辅酶,Q,细胞色素,b,c,1,c,a,a,3,O,2,ADP+Pi,ATP,ADP+Pi,ATP,ADP+Pi,ATP,FADH,2,ATP,ADP+Pi,四、,ATP,合酶变构合成机制,第四节 线粒体与医学,一、疾病过程中的线粒体变化,线粒体对外界环境因素的变化很敏感，一些,环境因素,的影响可直接造成线粒体功能的异常。,随着,年龄,的增长，线粒体的氧化磷酸化能力下降。,二、,mtDNA,突变与疾病,线粒体含有自身独特的环状,DNA,，但其,DNA,是,裸露,的，易发生突变且很少能修复。,以线粒体结构和功能缺陷为主要疾病原因的疾病常称为,线粒体疾病,（,mitochondrial disorders,）,三、线粒体融合和分裂异常相关的疾病,线粒体融合和分裂异常或者编码参与线粒体融合和分裂蛋白的基因发生突变，就可能导致疾病的发生。,参与线粒体分裂的,Drp1,基因发生突变时，导致婴儿出生后大脑发育障碍、视神经萎缩同时并伴有其他一些严重的并发症,当线粒体分裂被扰乱时，会导致一些常见的线粒体功能失常，如,线粒体膜电位缺失，,ROS,增高以及线粒体,DNA,丢失,等。,介导细胞融合的蛋白,Opa1,和,Mfn2,的突变会引起,Kjers,病,（常染色体显性视神经萎缩症）和,2A,型腓骨肌萎缩症,。,线粒体与疾病治疗,成 分 应 用,细胞色素,C,缺氧急救和辅助药。如,CO,中毒、,新生儿窒息、高山缺氧、肺功,能不全,辅酶,Q,治疗肌肉萎缩症、牙周病、高,血压、肿瘤；急性黄疸肝炎辅,助药,辅酶,I,（,NAD,+,） 治疗进行性肌肉萎缩症、肝病,四、线粒体疾病的治疗,目前,线粒体疾病治疗的基本措施,包括：,补充疗法,给患者添加呼吸链所需的辅酶。,2.,选择疗法,选用一些能促进细胞排斥突变线粒体的药物对患者进行治疗以增加异质体细胞中正常线粒体的比例，从而将细胞的氧化磷酸化水平升高至阈值以上。,3.,基因疗法,将正常的线粒体基因转入患者体内以替代缺陷,mtDNA,发挥作用。,Thanks,