线粒体的结构功能与遗传.ppt

线粒体 mitochondria 1890 R Altman 亚特曼 在动物细胞中首次发现线粒体 命名为 生命小体 bioblast 1897 Von Benda 命名为线粒体 Mitochondrion 1900 L Michaelis 米凯利斯 用詹姆斯绿B对线粒体进 行活体染色 发现线粒体存在大量的细胞色素氧 化酶系 1913 Engelhardt 恩格尔哈特 证明细胞内ATP磷酸化与 细胞内氧消耗相偶联 1943 1950 Kennedy等证明糖最终氧化场所粒体 线粒体的研究历史 1952 1953 Palade 帕拉登 等用电镜观察线粒体的形 态结构 1976 Hatefi等纯化呼吸链四个独立的复合体 1961 1980 Mitchell 米切尔 氧化磷酸化的化学渗透 假说 1963年 Nass首次发现线粒体存在DNA 线粒体的形态结构 线粒体的化学组成及酶的定位 线粒体的功能 线粒体的半自主性 线粒体的生物发生 自学 Contents 第一节 线粒体的形态结构 一 光镜下线粒体形态 大小 数量及分布 一 形态 大小 光镜下常见线粒体呈线状和颗粒状 也可呈环 形 哑铃形 分枝状等 随细胞生理状况而变 一般直径0 5 1 0 m 长1 5 3 0 m 不同细胞线粒体大小变动很大 大鼠肝细胞线粒体长 5 m 胰腺外分泌细胞线粒体长10 20 m 人成纤 维细胞线粒体长40 m 线粒体形态 大小因细胞种类和生理状况不同 而异 光镜下 线状 杆状 粒状 二 数量 u 依细胞类型而异 动物细胞一般数百到数千个 利什曼原虫 一个巨大的线粒体 海胆卵母细胞 30多万个 u 随细胞生理功能及生理状态变化 需能细胞 线粒体数目多 如哺乳动物心肌 小 肠 肝等内脏细胞 飞翔鸟类胸肌细胞 线粒体数目比不飞翔鸟多 运动员肌细胞 线粒体数目比不常运动人的多 三 分布 分布 不均 细胞代谢旺盛的需能部位比较集中 肌细胞 线粒体沿肌原纤维规则排列 精子细胞 线粒体集中在鞭毛中区 分泌细胞 线粒体聚集在分泌物合成的区域 肾细胞 线粒体靠近微血管 呈平行或栅状列 线粒体的分布多集中在细胞的需能部位 有利 于细胞需能部位的能量供应 线粒体的分布 三重染色 二 线粒体的亚微结构 a 扫描电镜照片 示线粒体立体结构 b 透射电镜照片 示线粒体内部结构 包围粒体外表面的一层单位膜 厚6 7nm 平整 光滑 封闭成囊 外膜含运输蛋白 通道蛋白 形态上为排列 整齐的筒状小体 中央有孔 孔径1 3nm 允许分 子量1KD以内的物质自由通过 构成外膜的亲水通道 一 外膜 Outer membrane 二 内膜 inner membrane 结构特征 u高度特化的单位膜 厚4 5nm 膜上蛋白质占膜总重量 76 u通透性小 具通透屏蔽作用 许多物质不能自由透过 例如 H ATP 丙酮酸等 物质透过必须借助膜上 的载体或通透酶 u向内褶叠形成嵴 嵴的存在增大线粒体内膜的表面积 u两种类型的嵴 板层状 高等动物细胞线粒体嵴 管 状 原生动物和低等动物细胞线粒体嵴 也称膜间腔 外膜与内膜之间的腔隙 与嵴内 腔相通 宽约20nm 含多种酶 底物及辅助因子 三 外室 outer chamber 四 内室 inner chamber 内膜封裹形成的囊腔 或称嵴间腔 是线粒 体细胞氧化中进行三羧酸循环的场所 基质包括了催化三羧酸循环 脂肪酸氧化 核酸与蛋白质合成的各种酶系及线粒体DNA 线 粒体RNA 线粒体核糖体等 五 基粒 质子泵ATP合成酶 与线粒体内膜内表面及嵴膜基质面垂直排列 形 态上分为 头部 可溶性ATP酶 F1 水溶性球蛋白 从内 膜突出于基质内 易从膜表面脱落 柄部 对寡酶素敏感的蛋白质 OSCP 调控质子 通道 基片 F0 疏水蛋白 HP 横跨内膜 质子通道 基片 横跨内膜 头部 4nm 柄 基片 9nm 7 5nm ATP合成酶形态结构示意图 第二节 线粒体的化学组成及酶的定位 一 线粒体的化学组成 化学成分 蛋白质 脂类 一 蛋 白 质 占线粒体干重的65 70 可溶性蛋白 不溶性蛋白 二 脂 类 占线粒体干重的25 30 90 为磷脂 胆固醇含量极少 二 线粒体中酶的定位分布 140多种酶 外膜 合成线粒体脂类的酶 内膜 呼吸链酶系 ATP合成酶系 基质 三羧酸循环反应酶系 丙酮酸与脂肪酸氧 化酶系 蛋白质与核酸合成酶系 半自主性 线 粒 体 中 酶 的 定 位 分 布 线粒体主要酶的分布 部 位酶 的 名 称 外 膜 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 膜 间 隙 腺苷酸激酶 核苷酸激酶 二磷酸激酶 特征酶 腺苷酸激酶 内 膜 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 基 质 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 第三节 线粒体的功能 线粒体功能 氧化磷酸化 合成ATP 通过对营养物质 糖 脂肪 氨基酸等 氧化 放能 与ADP磷 酸化 储能 的偶联反应完成能量转换 合成ATP 直接提供细 胞生命活动所需能量的95 以上 包括 细胞氧化 细胞呼吸 ADP磷酸化 一 细胞氧化及基本过程 1 细胞氧化 2 基本过程 1 糖酵解 生成丙酮酸和脂肪酸 2 乙酰辅酶A生成 3 三羧酸循环 产生H e CO2 4 电子传递和偶联的氧化磷酸化 传递H e 形成H 2O 合成ATP 二 氧化磷酸化的分子基础 一 呼吸链 呼吸链 指一系列能够可逆地接受及释放电子或 H 的脂蛋 白质复合体 存在于线粒体内膜 形成相互关联 有序 排列的功能结构体系 一组酶系 并以此偶联线粒体 中的氧化磷酸化过程 称之为呼吸链 respiratory chain 或电子传递链 electron transport chain 电子传递链 呼吸链 的组成 由四种酶复合体及辅酶Q CoQ 和细胞色素C Cytc 组成 1 复合体 NADH CoQ还原酶 2 复合体 琥珀酸 CoQ还原酶 3 复合体 CoQ 细胞色素C还原酶 4 复合体 细胞色素C氧化酶 两条典型的呼吸链 NADH呼吸链 由复合体 及CoQ Cytc组成 FADH2呼吸链 由复合体 及CoQ Cytc组成 二 线粒体质子泵ATP合成酶 H ATPase 1 形态结构 位于线粒体内膜和嵴的基质面 与膜表面垂直排列 由 头部 柄部 基片构成 嵴 与 上 面 的 基 粒 基粒电镜照片 基粒 ATP合成酶的电镜照片 2 分子结构 Fl蛋白 是球状结构 由5种不 同的多肽链组成 其组分为 3 3 催化ATP合成的 部位在 亚基上 F0质子通道 跨线粒体内膜的 疏水蛋白质 由4种多肽链 组成 F0和Fl之间的柄 包含有两 种蛋白质 一种为寡霉素敏 感蛋白 OSCP 一种为偶 合因子6 F6 1 F1因子 F1 为水溶性球蛋白 从内膜突出于基质内 较 易脱落 由3 3 1 1 和1 等9个亚基组成 3 个 亚基和3个 亚基交替排列 形成一个 桔瓣 状结 构 各亚基分离时无酶活性 结合时有酶活性 从膜平面看 和 亚 基交替排列 形成一个环 状结构 亚基在a 和 亚基之间形成一个支柱 shaft 和 共同形成 转子 2 F0 因子 F0 嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体 形成一个跨膜 质子通道 F0的亚基类型和组成在不同物种中差别 很大 在细菌中 F0由a b c 3种亚基组成 蓝藻 中为a b b c亚基 F0多拷贝的c亚基形成一个环状结构 a亚基与b亚基二聚 体排列在c亚基12聚体形成的环的外侧 a亚基 b亚基二聚体和 亚基共同组成 定子 其中a亚基有跨膜转运的质子通道的 作用 F1和F0通过 转子 和 共同形成 和 定子 将两部分连接起来 在合成或水解ATP的过程中 转子 在 通过F0的H 流推动下旋转 依次与3个 亚基作用 调节 亚基 催化位点的构象变化 定子 在一侧将 3 3与F0连接来 F0 的作用之一 就是将跨膜质子动力势转换成扭力 torgue 推动 转子 旋转 三 线粒体质子泵ATP合成酶的工作机制 问题 ATP合成酶各亚基如何协同作用利用跨膜质子梯度合成 ATP Paul Boyer提出 结合变化机制 假说和 旋转催化模型 a ATP合成酶利用质子动力势产生构象变化 改变与底 物亲和力 催化ADP与Pi形成ATP b F1因子 亚基有三个催化位点 这三个催化位点的 构象不同 L T O 与核苷酸的亲和力不同 在ATP合成 过程中 这三个催化位点构象发生周期变化 每个催化位点 经过三次构象改变合成1个ATP分子 c 质子通过F0时 引起c亚基构成的环旋转 带动 亚基旋 转 亚基的旋转引起 亚基3个催化位点构象发生周期性 变化 L T O 不断将ADP和Pi结合在一起 形成ATP 绿色亚单位按顺序在下列三种状态变化 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 线粒体质子泵ATP合成酶的工作机制的证据 支持证据1 1994年Walker等发表了0 28nm分辨率的牛心线粒 体F1 ATP酶的晶体结构 Walker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ATP合成酶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提出的结合变化机制 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 3 3中央的 亚基的转动 相关 支持证据 1 F1的晶体结构 John Walker MRC Cambridge 1994 w 第一个 亚基 TP 结合 ATP 类似物 tight w 第二个 亚基 DP 结合ADP loose w 第三个 亚基 E 处于空的状态 open 支持证据 2 亚基的旋转 Noji Yasuda Yoshida Kinoshita Japan 1997 亚基被固定在载玻片上 亚基 shaft 与荧光标记 的肌动蛋白纤维相连 供给ATP时 肌动蛋白发 生旋转 每消耗1分子ATP 旋转120 消耗3分子 ATP旋转360 保罗 博耶 约翰 沃克 詹斯 斯科 因在 生命能量通货 三磷酸腺苷ATP 方面的研究而获得 1997年诺贝尔化学奖 氧化磷酸化 供能物质的氧化过程伴随电子传递链所进行 的能量转换和ATP的生成称氧化磷酸化 氧化还原的本质是电子的转移 氢原子的转移其本质也是电 子转移 因为H原子可分解为H 与e 当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时 同时伴 有ADP磷酸化形成ATP 氧化磷酸化是动物细胞生成ATP的一种主要方式 是细胞 内能量转换的主要环节 三 电子传递偶联的氧化磷酸化 四 氧化磷酸化的偶联机制 氧化磷酸化偶联机制一直是研究氧化磷酸化作的 关键 二十多年来提出了各种假说 主要有 化学偶联 假说 chemical coupling hypothesis 构象偶联假说 conformational coupling hypothesis 化学渗透假说 chemiosmotic coupling hypothesis 越来越多的实验证明 偶联机制在生化上来说是向 量的 在功能上来说是渗透性的 化学渗透假说是氧化 磷酸化机制研究中最流行的一种假说 该假说是1961年英国生物化学家Mitchell提出的 他获得1978年诺贝尔化学奖 一 化学渗透假说的主要论点 呼吸链各组分粒体内膜中分布是不对称 的 当高能电子沿呼吸链传递时 所释放的能量 将H 从内膜基质侧泵至膜间隙 由于膜对 H 不通透 从而使膜间隙的 H 浓度高于基质 在 内膜两侧形成电化学质子梯度 electro 。