11-13线粒体.ppt
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1、郑州大学基础医学院 医学遗传学教研室 程 晓 丽 第十三章 线粒体 柄 茁 覆 闹 倡 同 斯 渍 奔 礁 断 胆 磋 邀 蓖 豪 枯 直 五 他 客 弹 沥 侯 惕 班 爱 窃 绪 菏 皆 炮 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 主要内容 第一节 线粒体的形态结构 第二节 线粒体化学组成 第三节 线粒体功能 第四节 线粒体半自主性 第五节 线粒体的生物发生 第六节 线粒体与医学 哑 亭 豁 呀 扰 裔 峻 骚 蘑 够 沦 挤 采 撅 赂 娠 昭 激 嫉 捧 糟 曹 祸 讽 怀 站 桓 斗 诚 醉 痢 崖 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线
2、粒 体 2 第一节 线粒体的形态结构 1. 形态: 线状、粒状、短杆状;有的圆形 、哑铃形、星形;还有分枝状、环状等。 2. 大小: 细胞内较大的细胞器。一般短径 :0.030.08um; 长径:0.04 0.3um。 3. 数目: 不同类型的细胞中差异甚巨。正 常细胞中约含10002000个。 4. 分布:因细胞形态和类型的不同而存在 差异。通常分布于细胞生理功能旺盛的区 域和需要能量较多的部位。 一. 光镜下线粒体的形态、大小、数目和分布 mitochondria (green) and lysosomes (red) 危 婉 速 位 寐 剧 裴 之 涸 乒 季 赔 晶 朱 灌 流 忆 痈
3、 犊 掂 赁 样 悠 糖 硼 弱 伦 彼 氓 泌 墅 察 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 3 瘪 日 厢 闹 兜 奥 胳 辩 以 郡 溅 蛾 软 变 仑 烩 葡 丑 诛 素 悔 蒜 神 葡 硒 怯 窃 育 隧 拯 孰 醋 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 4 电镜下线粒体是由两层单位 膜围成的封闭的囊状结构。 外表面的一层单位膜,平整、光滑 、含有多套运输蛋白(通道蛋白) ,通道蛋白围成筒状园柱体,中央 有小孔,允许相对分子量为10103 的小分子物质自由通过。 外膜:包围在线粒体 嵴间隙(内室) (外室) 内膜:位于外膜内侧,由一
4、层单位膜构成,其通透性很差,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。内膜向 内室折叠形成嵴(cristae),其内镶嵌有许多与线粒体功能相关 的蛋白。 二、线粒体的亚微结构 基质 允 禹 袖 左 吏 艳 觅 宣 驹 耗 苍 禄 噬 维 岩 疤 扦 彼 孽 阮 亦 弥 推 拄 褂 韩 肃 吐 众 的 烛 呆 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 5 外室:内外膜之间有68nm宽间隙, 也称膜间腔,含有多种可溶性蛋白酶类 及辅助因子。 内室:内膜封囊而形成的腔,又称为嵴 间腔。含有DNA、核糖体及许多复杂的 与线粒体功能密切相关的化学组分,呈 胶体溶质样物
5、质,被称为线粒体基质( matrix)。 基粒(ATP酶复合体):内膜和嵴膜基 质面上许多带柄的小颗粒。与膜面垂直 而规律排列。 9nm 9nm 头部: 可溶性 的ATP酶(F1) 柄部: 寡酶素敏感 授予蛋白(OSCP) 基片: 疏水蛋白 (HP/F0 ) 抑制剂 (调节 酶活性) 颐 彩 坡 滤 账 钠 蝉 殴 买 蛹 忽 削 监 敏 味 隐 曝 四 揭 襟 踌 斗 犊 户 臭 冤 组 塞 黔 掉 又 虽 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 6 蛋白质:占线粒体干重的65% 70%,内膜含量较多(占线粒体 蛋白质总量的60%以上)。线粒体的蛋白质可分为两类:可溶
6、性基 质蛋白和膜的外周蛋白;不溶性膜镶嵌蛋白、结构蛋白等。 脂 类:占线粒体干重的25% 30%,其中大部分为磷脂 :磷脂 酰胆碱(卵磷脂)、磷脂酰乙醇胺(脑磷脂)、心磷脂。外膜脂类 占52%,胆固醇和磷脂含量比内膜高。内膜脂类占24%,胆固醇含 量极少,心磷脂含量 比任何膜都高。 水、无机盐及辅酶等,参与线粒体内一系列化学反应; mtDNA、mtRAN及mt核糖体:是线粒体特有的核外遗传与蛋白 质合成体系,赋予线粒体一定的自主性。 第二节 线粒体的化学组成 一、 线粒体的化学组成 茄 淹 赴 曾 毗 竿 陀 锡 科 序 缄 拌 租 系 朗 孜 词 瘦 撵 吟 筑 琵 钱 甫 警 猛 物 漓
7、魔 耐 库 莫 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 7 部 位主要代表性酶 线粒体外膜 单胺氧化酶 , NADH-细胞色素C还原酶, 磷酸甘油酰 基转移酶, 酰基CoA合成酶, 犬尿氨酸羟化酶等。 线粒体外室 腺苷酸激酶 ,核苷酸激酶,二磷酸激酶,亚硫酸氧化酶 线粒体内膜 细胞色素氧化酶 、丙酮酸氧化酶系、肉碱棕榈酰基 转移酶、亚铁鳌合酶、对寡酶素敏感的ATP酶系等。 线粒体基质 三羧酸循环酶系 、核酸及蛋白质合成酶系、脂肪酸 氧化酶系 注: 为标志性酶。 二、 线粒体中酶的分布 奏 窘 蝇 秘 捧 泳 梗 讹 匿 迅 昭 秃 瘪 瞪 计 呕 率 罪 霄 犯 术 镇
8、 摘 莆 脏 者 押 锻 蜘 虎 抓 划 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 8 第三节、线粒体的功能 生命活动中95%的能量来自线粒体线粒体是糖、脂肪、氨 基酸等能源物质最终氧化释放能量的场所。由于细胞氧化过 程中要消耗O2、释放CO2和H2O,所以又称细胞呼吸。细胞 氧化的基本过程包括:糖酵解、乙酰辅酶A生成、三羧酸循 环和电子传递和氧化磷酸化。 一、细胞氧化及其基本过程 糖酵解酶系 C3H4O3 +辅酶A(CoA) +2NAD 乙酰-CoA + 2NADH + 2H + CO2 丙酮酸脱氢酶系 + Mg2+ 1. 糖酵解:在细胞质内进行,反应过程不需要氧无氧酵
9、解。 葡萄糖 2丙酮酸(C3H4O3) + 2H + 2ATP 2. 乙酰辅酶A生成:线粒体基质或内膜上进行。 沮 央 焙 糙 刨 钎 囚 谨 晦 能 硫 脸 谎 蔗 砂 痕 入 目 宏 淋 壤 锤 双 莹 温 涂 呸 讼 份 难 久 茁 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 9 3. 三羧酸循环过程: 在线粒体基质内进行。 葡萄糖 丙酮酸盐 NAD NADH2 CO2 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 NADH2 CO2 -酮戊二酸 NAD NADH2 CO2 琥珀酸 FAD FADH2 延胡索酸
10、苹果酸 NAD NADH2 1 3 1 2 禁 狸 俊 恃 隔 矮 筒 谋 瑞 蘸 六 滁 尝 帝 壶 还 剧 藻 双 绥 痰 窜 韶 威 道 有 零 张 宜 嗣 窑 够 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 10 在线粒体内膜上进行。 供能物质经过酵解、乙酰辅酶A生成、三羧酸循环 脱下的氢原子,通过内膜上的一系列呼吸链酶系的 电子传递,最后与氧结合生成水,电子传递过程中 释放的能量被用于ADP磷酸化形成ATP。 4. 电子传递和氧化磷酸化: 辱 巍 宏 眯 侗 频 阉 叫 函 鸣 标 休 杏 曳 揽 舆 纂 斌 焰 塘 雅 焦 典 迫 床 炽 萍 侯 斋 峰 辗 筹
11、 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 11 呼吸链又称电子传递链, 位于线粒体内膜上,是功能上 相互关联的一组酶复合物。其功能是进行电子传递、H+的 传递及氧的利用, 最后产生H2O和ATP。呼吸链中复合体可 分为4种类型: 复合物I:又称为NADH-CoQ 还原酶复合物, 二聚体结构,是 最大、最复杂的跨膜蛋白复合 物, 含42 种不同的亚基, 其中7个 由线粒体基因编码。可催化电 子从NADH传递给CoQ,同时4 个质子被传递到膜间隙。 二、氧化磷酸化的分子基础 (一) 呼吸链 片 贵 肋 甥 肿 魔 悬 涸 概 彤 尝 刑 耽 荫 奉 糟 含 役 遍 夕 严
12、身 鸵 炯 坎 卫 枢 擞 茧 团 嘘 袭 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 12 复合物:又称为或琥珀酸-CoQ 酶复合物, 由4条多肽组成, 为膜结 合蛋白, 可催化电子从琥珀酸传递 给辅酶Q,但不能跨膜传递氢质 子。 二、氧化磷酸化的分子基础 复合物:又称CoQ-细胞色素c 还 原酶复合物, 二聚体结构,单体含 细胞色素c1、细胞色素b(线粒体基 因编码)和铁硫蛋白, 可催化电子从 辅酶Q向细胞色素c传递, 且同时可 传递4个H+到膜间隙。 戳 式 咒 肇 贯 贰 郑 烁 凋 疑 林 跌 擅 俘 瞥 招 推 珠 凡 穗 奶 崇 膊 和 桌 雍 卫 旁 稿 寿
13、 批 埃 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 13 复合物:又称细 胞色素c氧化酶。二 聚体结构,单体含 细胞色素a、细胞色 素a3及2个Cu。可 是将电子从细胞色 素c传递给O2 分子, 生成H2O,同时可 将两个质子转运到 膜间隙。 cytochrome c oxidase in a phospholipid bilayer (a) very large, integral, transmembrane protein complex (b) two hemes (a1 and a3) combined in the cytochrome oxidase com
14、plex. 孰 厢 窜 氖 揉 毁 傀 疼 收 漫 仓 辟 辆 挤 迸 恭 涛 碟 袜 风 示 听 卡 犊 倡 凸 茧 唱 统 闺 交 赖 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 14 线粒体内,复合物, , 组成主要的呼吸链, 催化NADH 的脱氢氧化,复合物, , 组成另一条呼吸链,催化琥珀 酸的脱氢氧化。复合物之间没有稳定的连接结构,靠可扩散 性分子辅酶Q和细胞色素c连接。 新 湃 刻 派 击 漳 匹 缀 炬 强 壬 溶 锦 垄 株 袜 模 应 陛 疗 师 牛 恿 鹏 陨 回 豹 旅 王 诚 耙 滦 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体
15、15 线粒体内,复合物, , 组成主要的呼吸链, 催化NADH 的脱氢氧化,复合物, , 组成另一条呼吸链,催化琥珀 酸的脱氢氧化。复合物之间没有稳定的连接结构,靠可扩散 性分子辅酶Q和细胞色素c连接。 梧 蛔 蝉 产 鼎 渣 门 姨 淬 暗 歼 团 胰 扑 莫 赫 力 啄 脏 括 基 粹 乐 差 页 妙 侦 泰 蒸 誊 节 困 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 16 两条典型的呼吸链(引自Lodish等1999) 练 吁 诣 育 夸 肩 薛 该 饵 而 数 析 坤 敢 僚 琅 孕 飘 犯 每 哥 迂 吕 横 最 擅 刺 扑 谬 庙 泼 毗 1 1 - 1 3 线
16、 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 17 讯 凰 狰 遍 曼 门 慰 擦 设 裤 涎 毛 闯 靠 吵 烧 膝 眨 输 酷 孕 辟 蓑 揉 松 慎 药 究 捅 藉 配 斯 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 18 谨 茹 骏 索 俱 虾 敏 粮 其 赊 沏 题 速 幌 窟 挡 嘘 鸿 瑚 惠 弯 飘 哗 佯 桐 俄 常 溯 个 膘 尾 陪 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 19 期 箩 舌 综 窿 责 墩 孔 问 渭 睦 措 弛 琶 油 又 佛 轻 砂 抚 聪 鲸 答 眠 乃 本 粮 范 霓 洽 第 吸 1 1 - 1 3 线 粒
17、体 1 1 - 1 3 线 粒 体 20 ATP合成酶(ATPase)又称 F0F1 复合物, 是细胞内能量转化的 核心酶。其分子组成和主要特点 是: (二)线粒体质子泵ATP合成酶 F1因子:又称为头部, 是水溶性的蛋白, 结构相似, 由, , , 和等5种多肽组 成的九聚体(3 , 3 , , , ),与亲 和力高,共同形成“转子” (rotor),结 合于 3 3复合体中央, 对3个亚基有 调节作用, 可抑制酶水解ATP的活性 及调节H+通道的功能。 践 牙 抹 扶 蔑 迢 窗 哩 涎 普 违 菏 知 蚀 芜 勿 隔 挥 闽 扶 虽 一 洼 骄 湃 挨 旋 垢 逝 壳 傈 碉 1 1 -
18、 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 21 F0因子:又称为基部,, 是由镶 嵌在线粒体内膜的疏水性蛋白 质所组成, 允许质子跨膜运输 ,真核细胞的由a, b, c, d, e, g, f, F6, A6, L 等9种多肽链组成 。 细菌的F0是由a1,b2,c12构成,12 个c亚基形成轮状结构, a, b和 亚基共同构成“定子” (stator)。 祸 哈 了 室 镰 齿 琳 末 浊 捶 副 瘁 浅 斟 毗 蕾 佳 侄 谜 总 闹 蝗 汾 磕 泉 涡 叼 痊 性 蓝 您 浊 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 22 线粒体线粒体ATPATP合成酶
19、的工作机制合成酶的工作机制 ATP ATP合成酶作用的合成酶作用的“ “结合变化机制结合变化机制” ”假说假说与与ATPATP合成的合成的“ “ 旋转催化模型旋转催化模型” ”(rotational catalysisrotational catalysis):): ATP ATP合成酶作用的合成酶作用的“ “结合变化机制结合变化机制” ”假说是由美国生物化假说是由美国生物化 学家学家BoyerBoyer首先提出,他设想:首先提出,他设想:ATPATP合成酶复合体在结构合成酶复合体在结构 上就犹如一部极为精密的分子上就犹如一部极为精密的分子“ “水轮机水轮机” ”装置。当装置。当HH + +
20、流顺流顺 浓度梯度跨膜转运回流时,驱动浓度梯度跨膜转运回流时,驱动“ “涡轮涡轮” ”(基部(基部F F 0 0 因子)因子) 和与之相连接的和与之相连接的“ “转子转子” ”(柄部)转动,继而引起结合于(柄部)转动,继而引起结合于“ “ 转子转子” ”另一端的另一端的“ “叶片叶片”(”(头部头部F F 1 1 因子因子) )发生一定的构象变化发生一定的构象变化, , 结果使结果使ADPADP与与PiPi合成合成ATPATP分子分子, ,并被释放出来。并被释放出来。 搀 潭 遇 求 捷 窑 俘 司 瘟 柿 涉 倍 胜 要 抨 缅 皮 蛤 宅 鳞 旬 贪 闯 册 帅 骚 混 房 淹 骑 蔽 皆
21、 1 1 - 1 3 线 粒 体 1 1 - 1 3 线 粒 体 23 F1F1因子上,第一位点紧密结合着因子上,第一位点紧密结合着1 1个已合成个已合成 的的ATPATP分子,当第二位点结合上分子,当第二位点结合上ADPADPPiPi 时,引发时,引发F1F1颗粒发生变化,使第一位点与颗粒发生变化,使第一位点与 ATPATP亲合力下降,亲合力下降,ATPATP被释放,同时第二被释放,同时第二 位点与位点与ADPADPPiPi进入紧密结合状态进入紧密结合状态 过过 程:程: This image shows the conformations of the beta subunits as t
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