醫(yī)學-細胞生物學-線粒體-公開課課件

Part07線粒體Mitochondrion線粒體作為細胞內(nèi)重要的能量產(chǎn)生基地，它是如何工作的，哪些結構參與了這一過程？細胞的動力工廠煤發(fā)電廠電食物線粒體

ATP

ATP95％概述1890年，Altman首次在動物細胞中發(fā)現(xiàn)，并稱之為“bioblast”（“生命小體”）；1897年，Benda依其在光學顯微鏡下的形態(tài)學特征而命名為線粒體(mitochondria)，被沿用至今；1900年，Michaelis用詹納斯綠B（JanusgreenB）活體染色，發(fā)現(xiàn)線粒體含有大量細胞色素氧化酶系，推斷進行氧化還原反應；概述1912年，Kingsbury首先提出線粒體是細胞內(nèi)氧化還原反應的場所；1963年，Nass發(fā)現(xiàn)線粒體中存在DNA，奠定線粒體遺傳和線粒體遺傳病研究的基礎。Hatefi等（1976）純化了呼吸鏈四個獨立的復合體。Mitchell（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化學偶聯(lián)學說。1981年Anderson等公布了完整的人線粒體DNA序列。第一節(jié)線粒體的形態(tài)結構Structureofmitochondrion一、線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量及分布光鏡結構：短線狀、粒狀或桿狀。細胞在爬片培養(yǎng)后用4%多聚甲醛固定后，通過免疫熒光染色后用FV1000共聚焦掃描顯微鏡成像。

紅色:微管蛋白;

藍色:細胞核

綠色:anti-calnexin(內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上表達)

紫色:線粒體

大?。弘S細胞不同差異較大。肝細胞內(nèi)線粒體形態(tài)大小隨細胞環(huán)境改變而改變數(shù)量：因細胞種類不同而異。分布：在細胞內(nèi)分布不均，一般聚集在細胞功能旺盛，需要能量供應的區(qū)域。電鏡結構：線粒體是由兩層單位膜圍成的封閉膜性結構，其內(nèi)膜和外膜套疊構成囊中囊，內(nèi)囊與外囊不相通。二、線粒體的亞微結構是包圍整個線粒體外面的一層單位膜，厚度約6nm，光滑富彈性、封閉成囊。膜上含有孔蛋白（porin），其中央有小孔，可通過分子量1kDa以下的分子，是線粒體外膜物質(zhì)轉運的通道，因此，外膜通透性較高。(一）外膜（outermembrane）位于外膜內(nèi)側，由一層平均厚度為4.5nm的單位膜組成，通透性較外膜小，僅允許小的不帶電荷的分子進入，大分子、離子則需特殊的轉運蛋白幫助才能進行跨膜運輸。內(nèi)膜向內(nèi)褶疊形成嵴（cristae）(二）內(nèi)膜（innermembrane）內(nèi)膜和嵴上有許多基本微粒（基粒）外膜(outermembrane)厚約6nm蛋白質(zhì):脂類＝1:1通透性高。孔蛋白成規(guī)則排列，內(nèi)有孔膜表面光滑平整。內(nèi)膜（innermembrane）厚約4.5nm蛋白質(zhì):脂類＝3.8:1通透性很低。具運輸?shù)鞍祝D移小分子；膜向內(nèi)折疊成嵴，上有大量基粒又稱為外室（outerchamber）,是線粒體內(nèi)、外膜之間的腔隙，與嵴內(nèi)腔相通。(三）膜間隙（intermembranespace）又稱內(nèi)室（innerchamber），是線粒體內(nèi)膜封閉形成的，嵴和嵴之間的腔隙，也叫嵴間腔或內(nèi)腔。其內(nèi)充滿了液態(tài)的無定形膠質(zhì)溶液，內(nèi)含蛋白質(zhì)、脂類、DNA、RNA、核糖體、多種酶、基質(zhì)顆粒等，稱為基質(zhì)。由于內(nèi)膜的選擇性通透作用，使細胞質(zhì)與基質(zhì)之間的物質(zhì)交換受到控制。(四）基質(zhì)（matrix）在內(nèi)膜或嵴膜上存在許多與膜面垂直的帶柄的球形小體，由頭、柄、基片三部分組成。又稱為ATP酶復合體，是線粒體功能發(fā)揮的關鍵結構。(五）基粒（elementaryparticle）頭部：化學本質(zhì)是水溶性ATP酶系，又稱F1因子或F1-ATPase。純化的F1因子催化ATP水解，當頭部通過柄部與基片相連時催化ATP合成。在內(nèi)膜或嵴膜上存在許多與膜面垂直的帶柄的球形小體，由頭、柄、基片三部分組成。又稱為ATP酶復合體，是線粒體功能發(fā)揮的關鍵結構。(五）基粒（elementaryparticle）柄部：連接頭部（F1）和基片（F0）的結構。有對寡霉素敏感的蛋白（OSCP），作用是使F1因子對寡霉素敏感，從而抑制ATP合成。在內(nèi)膜或嵴膜上存在許多與膜面垂直的帶柄的球形小體，由頭、柄、基片三部分組成。又稱為ATP酶復合體，是線粒體功能發(fā)揮的關鍵結構。(五）基粒（elementaryparticle）基片：又稱F0因子或F0-ATPase，是鑲嵌于內(nèi)膜（嵴）脂雙分子層中的疏水蛋白復合體，由多亞基組成，形成一個跨膜的質(zhì)子通道。其周圍有呼吸鏈。是將氧化過程中所釋放的能量傳遞到頭部催化ADP磷酸化生成ATP的中轉站。ATP酶結構和結構模型ATP酶的結構模型Β亞基的結合位點具有催化ATP合成或水解的作用，γ和ε結合形成轉子，ε有抑制酶水解ATP的活性，同時有減少H+泄漏的功能TheNobelPrizeinChemistry1997

"fortheirelucidationoftheenzymaticmechanismunderlyingthesynthesisofadenosinetriphosphate(ATP)"PaulD.BoyerJohnE.WalkerATP合成和水解示意圖IntercristalspaceDNAATPsynthaseInnermembraneRibosomeCristaeMatrixMatricalgranuleOutermembraneIntermembranespace

OuterchamberInnerchamber第二節(jié)線粒體的化學組成及酶定位Chemicalcompositionandenzymesofmitochondrion主要成分是蛋白質(zhì)和脂類，尤以蛋白質(zhì)為多。1、蛋白質(zhì)線粒體干重的65%-70%，內(nèi)膜含量較多。分為可溶性蛋白和不溶性蛋白兩大類?？扇苄缘鞍踪|(zhì)指線粒體基質(zhì)中的酶和線粒體膜上的外周蛋白；不溶性蛋白質(zhì)指線粒體膜上的鑲嵌蛋白和酶。一、線粒體的化學組成(Chemicalcomposition）線粒體組分的分離方法2、脂質(zhì)占線粒體干重的25%-30%，不同來源線粒體的脂質(zhì)組成成分有差異，但均以磷脂為主。線粒體脂質(zhì)與蛋白質(zhì)的比例在外膜為1：1，而在內(nèi)膜為1：4，此外，線粒體內(nèi)外膜所含脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的種類也有差異。3、水、無機鹽離子及其他二、線粒體中酶的定位分布（Localizationofenzymes）線粒體是細胞質(zhì)中含酶最多的細胞器之一。140余種，37％氧化還原酶，10％合成酶，9％水解酶，標志酶30余種，主要在內(nèi)膜和基質(zhì)中。三羧酸循環(huán)酶類：線粒體基質(zhì)中。呼吸鏈酶類：線粒體內(nèi)膜上。ATP酶復合體（基粒）：線粒體內(nèi)膜上。線粒體功能部位的標志酶:外膜——單胺氧化酶內(nèi)膜——細胞色素氧化酶膜間腔——腺苷酸激酶基質(zhì)——蘋果酸脫氫酶第三節(jié)線粒體的功能Functionofmitochondrion線粒體是細胞氧化的中心和動力站。其主要功能是氧化磷酸化，合成ATP。通過對三大營養(yǎng)物質(zhì)（糖、脂肪、氨基酸）有氧氧化釋放能量，并將能量通過ADP磷酸化，儲存于ATP中，以ATP形式提供細胞生命活動所需能量的95%以上。食物﹛糖脂肪蛋白質(zhì)脂肪酸+甘油單糖氨基酸消化道內(nèi)丙酮酸細胞內(nèi)糖酵解線粒體ATP細胞氧化：生物體從外界吸收O2，將細胞內(nèi)各種能源物質(zhì)氧化分解，放出CO2和H2O，釋放能量，供生命活動的需要，又稱細胞呼吸。細胞氧化及其基本過程(Celloxidationanditsbasicprocess)糖酵解乙酰CoA生成三羧酸循環(huán)電子傳遞和偶聯(lián)的氧化磷酸化基本過程生物氧化產(chǎn)生ATP的統(tǒng)計一個葡萄糖分子經(jīng)過細胞呼吸全過程產(chǎn)生多少ATP？

糖酵解：底物水平磷酸化產(chǎn)生4ATP（細胞質(zhì)）己糖分子活化消耗2ATP（細胞質(zhì)）

產(chǎn)生2NADH，經(jīng)電子傳遞產(chǎn)生3或5ATP

（線粒體）凈積累5或7ATP

丙酮酸氧化脫羧：產(chǎn)生2NADH（線粒體），生成5ATP

三羧酸循環(huán)：底物水平的磷酸化產(chǎn)生（線粒體）2ATP；

產(chǎn)生6NADH（線粒體），生成15ATP；

產(chǎn)生2FADH2（線粒體），生成3ATP

總計生成30或32ATP第四節(jié)線粒體的半自主性Semiautonomousofmitochondrion線粒體具有自身的遺傳體系（mtDNA、tRNA、核糖體，氨基酸活化酶等），mtDNA能自主復制轉錄和翻譯。但由于其遺傳信息量小，只能合成13種線粒體蛋白，線粒體90％以上的蛋白由核基因編碼，因此線粒體是一個半自主性的細胞器（semiautonomousorganelle）。MithavetheirowngeneticsystemsMitisorganellessemiautocephaly.Thesynthesisofmitproteinsiscoordinated.mtDNA被稱為是真核細胞的第二遺傳系統(tǒng)。存在于線粒體基質(zhì)中，多為裸露的閉合雙鏈環(huán)狀結構，所含堿基對少，可自我復制。其含量僅為全細胞DNA含量的1%。一、mtDNA人mtDNA的結構：16569bp，由兩條鏈組成的閉合環(huán)狀分子，共編碼2種rRNA，22種tRNA，13種蛋白質(zhì)。外環(huán)為重鏈（H鏈），內(nèi)環(huán)為輕鏈（L鏈）。GenesinmtDNAencoderRNAs,tRNAs,andsomemitochondrialproteinsHumanmtDNA:16,569bp2rRNAs,22tRNAs,13polypeptides:NADHreductase.7sub.Ctyb-c1complex.1cytbCytoxidase.3subunitsATPsynthase:2F0sub

ProductsofmtgenesarenotexportedmtDNA表現(xiàn)為母系遺傳。其突變率高于核DNA，并且缺乏修復能力。有些遺傳病，如Leber遺傳性視神經(jīng)病，肌陣攣性癲癇等均與線粒體基因突變有關。線粒體蛋白質(zhì)跨膜轉運的特點：1.線粒體蛋白質(zhì)前體由細胞質(zhì)內(nèi)的游離核糖體合成后，再轉運至線粒體內(nèi)，即屬于后轉移形式單向跨膜運輸。三、蛋白質(zhì)跨線粒體膜的運送2.線粒體蛋白質(zhì)的轉運需要特定的蛋白質(zhì)分選信號（導肽）引導。前導序列能識別線粒體表面的受體。線粒體蛋白通過其內(nèi)外膜的接觸點進入線粒體內(nèi)。這一過程需要線粒體外膜的GIP(generalinsertionprotein)蛋白的幫助。前導序列水解酶和前導序列水解激活酶。3.線粒體蛋白質(zhì)前體在跨膜運送前后，需經(jīng)歷一個解折疊與重折疊的成熟過程。該過程中，需分子伴侶的幫助。第六節(jié)線粒體與疾病MitochondrialanddiseasemtDNA突變→線粒體病線粒體病常常表現(xiàn)為肌病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病，因為心肌、骨骼肌和神經(jīng)系統(tǒng)是耗能多的器官的組織，依賴氧化磷酸化的程度高。典型的線粒體病是Leber′s遺傳性視神經(jīng)病。視神經(jīng)進行性變，急性視覺喪失，通常在20歲左右發(fā)病。一、mtDNA突變與疾病Laber’s遺傳性視神經(jīng)病雙胞胎患病兄弟視乳頭盤血管膨脹、視神經(jīng)萎縮癌變細胞線粒體數(shù)量為何減少癌細胞的線粒體有功能障礙并主要由糖酵解獲得能量線粒體的減少也是細胞未成熟和（或）去分化的表現(xiàn)。二、線粒體與腫瘤機體組織缺血，胞內(nèi)氧分壓下降等，可立即引起線粒體功能的減弱以至停止。三、線粒體對代謝變化的反應甲狀腺素、磷化物等可使線粒體發(fā)生腫脹而破裂；氰化物、疊氮鈉及CO等毒物可阻斷呼吸鏈，使氧化磷酸化中斷，ATP合成受阻。四、藥物和毒素對線粒體的影響用線粒體的一些特殊組分來治療疾病，已越來越多地受到人們的關注。例：細胞色素C－CO中毒、新生兒窒息、肺功能不全、高山缺氧、心肌炎及心絞痛的急救和輔助用藥；輔酶（NAD＋）－進行性肌肉萎縮、和肝炎；CoQ－心肌炎、牙周病、高血壓、肌肉萎縮及急性黃膽性肝炎等。五、線粒體某些組分的治療作用小結掌握：線粒體的電鏡結構（包括ATP合成酶即基本微粒的形態(tài)結構）；理解其半自主性。熟悉：線粒體酶的定位分布（主要是標志酶）；蛋白質(zhì)被運送到線粒體的特點。復習思考題線粒體的形態(tài)結構及其功能是什么？為什么說線粒體具有半自主性？如果某種疾病的發(fā)生與線粒體有關，你會如何著手開展相關的研究？Part08核糖體Ribosome核糖體作為蛋白質(zhì)合成的場所，是如何參與蛋白質(zhì)合成的？TheNobelPrizeinChemistry2009wasawardedtoVenkatramanRamakrishnan,ThomasA.SteitzandAdaE.Yonathfordeterminingthedetailedstructureandmechanismoftheribosome.概述核糖體(ribosome)是細胞內(nèi)一種核糖核蛋白顆粒(ribonucleoproteinparticle)，是一種非膜性顆粒狀的細胞器。是蛋白質(zhì)合成的中心場所，存在于幾乎所有類型的活細胞中，是細胞最基本的不可缺少的重要結構，被稱為生命活動的基本粒子。第一節(jié)核糖體的形態(tài)結構與存在形式MorphologicalstructureandexistenceformofRibosome電鏡結構：核糖體由大、小兩個亞基組成。大亞基：略呈圓錐形；中央部位有一條管道（中央管道），是新合成的多肽鏈釋放的通道。小亞基：長條狀，呈略微彎曲的葫蘆形。大小亞基結合時在其結合面上形成一條隧道，這是mRNA穿過的通道。一、核糖體的形態(tài)結構（morphologicalstructureofribosome）核糖體的大小亞基二、核糖體的存在形式（existentialformofribosome）游離大、小亞基不合成蛋白質(zhì)時核糖體單體多聚核糖體解聚、脫離合成蛋白質(zhì)時完成合成任務附著核糖體游離核糖體多核糖體（polyribosome）：蛋白質(zhì)合成過程中，多個核糖體單體被mRNA串聯(lián)在一起。合成蛋白質(zhì)時真核生物細胞質(zhì)核糖體的存在形式：附著核糖體（fixedribosome）：附著于RER和核膜的核糖體；負責合成輸出性分泌蛋白質(zhì)。這種附著是臨時性功能性附著。游離核糖體（freeribosome）：游離于細胞質(zhì)中的核糖體；負責合成結構性蛋白質(zhì)。Mg2+濃度對大小亞基的聚合和解離的影響:70S核糖體在Mg2+的濃度小于1mm/L的溶液中易解離;當Mg2+濃度大于10mm/L,兩個核糖體通常形成100S的二聚體。第二節(jié)核糖體的基本類型與化學成分ThetypeandchemicalcompositionofRibosome一、核糖體的基本類型（ThebasictypesofRibosome）根據(jù)核糖體來源的生物類群的不同分類：原核生物核糖體真核生物核糖體細胞質(zhì)核糖體細胞器核糖體線粒體核糖體（動物）葉綠體核糖體（植物）核糖體的化學成分是：rRNA和核糖體蛋白質(zhì)（ribosomeprotein,rP）。

rRNA位于核糖體內(nèi)部，而蛋白質(zhì)則主要分布在核糖體表面，二者靠非共價鍵結合。不同類型的核糖體在大小及化學成分上有差異。二、核糖體的化學組成（ThechemicalcompositionofRibosome）兩種基本類型70S的核糖體（50S+30S），主要存在于原核細胞。大亞基（50S）：23S、5SrRNA+34種蛋白質(zhì)

小亞基（30S）：16SrRNA+21種蛋白質(zhì)80S的核糖體（60S+40S），存在于所有真核細胞細胞質(zhì)。大亞基（60S）：5S、5.8S、28SrRNA+49種蛋白質(zhì)

小亞基（40S）：18srRNA+33種蛋白質(zhì)第三節(jié)核糖體的功能TheFunctionoftheRibosome核糖體上具有一系列與蛋白質(zhì)合成有關的結合位點與催化位點一、核糖體的功能位點（Thefunctionalsiteofribosome）核糖體的功能位點mRNA結合位點：位于小亞基上。氨?；Y合位點，又稱A位(Asite)或受位(entrysite)：主要位于大亞基上，是與新?lián)饺氲陌滨?tRNA相結合的部位。肽酰基結合位點，又稱P位(Psite)或供位(donorsite)：主要位于大亞基上，是與延伸中的肽?；?tRNA結合的部位。核糖體的功能位點tRNA結合位點，又稱E位（exitsite）：位于大亞基上，是肽酰-tRNA移交肽鏈后tRNA的暫時?？奎c。肽?；D移酶位：位于大亞基上，是與肽酰-tRNA從A位點轉移到P位點有關的轉移酶（即延伸因子EF-G）的結合位點。同時，此位點還可能與催化氨基酸之間形成肽鍵和水解GTP為肽酰-tRNA的轉移提供能量有關。多聚核糖體：由mRNA分子和多個核糖體形成的聚合體，是蛋白質(zhì)合成的功能基團。多聚核糖體所含核糖體的數(shù)量是由mRNA分子的長度決定的。一般情況下，mRNA分子越長，核糖體的個數(shù)就越多。二、蛋白質(zhì)合成的基本過程（Thebasicprocessofproteinsynthesis）結構性蛋白質(zhì)（內(nèi)源性蛋白質(zhì)）：主要由游離于細胞質(zhì)中的游離