第七章-線粒體

第七章線粒體自養(yǎng)生物通過光合作用將無機物(如CO2和H2O2)，轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨砝玫挠袡C物；異養(yǎng)生物以自養(yǎng)生物合成的有機物為營養(yǎng)獲得能量，這一過程又是怎樣？第一節(jié)線粒體的基本特征一、線粒體的形態(tài)、數(shù)量①線粒體的形態(tài)、數(shù)量與細(xì)胞的類型和生理狀態(tài)有關(guān)。②光鏡下呈線狀、粒狀、或桿狀等。二、線粒體的結(jié)構(gòu)由雙層單位膜套疊而成的封閉膜囊結(jié)構(gòu)。⒈外膜：最外層包繞的一層單位膜；1/2脂類，1/2蛋白質(zhì)；含多種轉(zhuǎn)運蛋白構(gòu)成小孔，允許分子量10KD以下的物質(zhì)通過。⒉內(nèi)膜：單位膜；20%脂類，80%蛋白質(zhì)；通透性性很小，大于150D的物質(zhì)不能通過。①內(nèi)膜將線粒體的空間分為兩部分：由內(nèi)膜直接包繞的空間稱內(nèi)腔或基質(zhì)腔，腔內(nèi)含有基質(zhì)；內(nèi)外膜之間的空間稱外腔或膜間腔。②內(nèi)膜向腔內(nèi)突起的折疊形成嵴，嵴與嵴之間的內(nèi)腔部分稱嵴間腔，由于嵴向內(nèi)腔突進造成的外腔向內(nèi)伸入的部分稱嵴內(nèi)空間。③內(nèi)膜(包括嵴)的內(nèi)表面附著許多突出內(nèi)腔的顆粒稱為基粒，化學(xué)本質(zhì)為ATP合酶復(fù)合體。⒊內(nèi)外膜轉(zhuǎn)位接觸點3內(nèi)外膜間隙變狹窄，期間分布有通道蛋白和特異性受體，是蛋白質(zhì)等進出線粒體的通道，分別由內(nèi)膜轉(zhuǎn)位子和外膜轉(zhuǎn)位子構(gòu)成。⒋基質(zhì)由可溶性蛋白及脂肪構(gòu)成，包括①酶類：催化三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白質(zhì)合成等；②獨特的雙鏈環(huán)狀DNA，一個或多個拷貝；③核糖體。⒌基粒5.基粒ATP合酶復(fù)合體，又稱F0F1ATP合酶，在形態(tài)結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為基粒，由頭部和基片二部分組成。頭部：又稱偶聯(lián)因子F1,由αβγδε五種亞基構(gòu)成，可被F1抑制蛋白所抑制，合成ATP；基片：又稱偶聯(lián)因子F0，由abc三種亞基構(gòu)成，質(zhì)子流向F1的穿膜通道。ThestructureofthebacterialATPsynthase三、化學(xué)組成主要成分是蛋白質(zhì)，多數(shù)分布于內(nèi)膜和基質(zhì)；脂類大部分是磷脂；是細(xì)胞中含酶最多的細(xì)胞器；含有DNA和完整的的遺傳系統(tǒng)。四、遺傳體系①線粒體DNA構(gòu)成了線粒體基因組：DNA是裸露的；1至數(shù)個；主要編碼線粒體的tRNA、rRNA及一些蛋白質(zhì)；基因組為一條雙鏈環(huán)狀DNA，一條為重連，一條為輕鏈；非編碼序列少。②線粒體DNA的兩條鏈有各自的復(fù)制起點。③重連和輕鏈各有一個啟動子啟動基因的轉(zhuǎn)錄：mRNA不含內(nèi)含子，無帽結(jié)構(gòu)；線粒體mRNA的翻譯在線粒體的核糖體上進行。④線粒體的蛋白合成與原核細(xì)胞相似：轉(zhuǎn)錄和翻譯幾乎同時進行；蛋白質(zhì)合成的起始tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA四、核編碼蛋白質(zhì)向線粒體的轉(zhuǎn)運線粒體大約有1000個基因產(chǎn)物，僅37個有其自身基因組編碼。⒈核編碼蛋白質(zhì)向線粒體基質(zhì)中的轉(zhuǎn)運：①前體蛋白在線粒體外保持非折疊狀態(tài)，與眾多分子伴侶結(jié)合；②進入線粒體時需分子伴侶協(xié)助，N端含基質(zhì)導(dǎo)入序列(matrix-targetingsequenceMTS)；③線粒體內(nèi)外膜存在膜受體，構(gòu)成轉(zhuǎn)運通道；④分子運動產(chǎn)生的動力(mthsp70變構(gòu)產(chǎn)生拖力)協(xié)助多肽穿越；⑤基質(zhì)導(dǎo)入序列移除，多肽重新折疊形成有活性蛋白。⒉核編碼蛋白向線粒體其他部位轉(zhuǎn)運：①蛋白質(zhì)向線粒體膜間腔轉(zhuǎn)運—蛋白出具有MTS外，還具有膜間腔導(dǎo)入序列；此外還可通過直接擴散從胞漿通過外膜進入膜間腔。②蛋白向線粒體外膜的轉(zhuǎn)運—外膜上存在類孔蛋白。③蛋白向線粒體內(nèi)膜的轉(zhuǎn)運—機制不清楚。線粒體的半自主性線粒體有獨立的遺傳系統(tǒng)1.mtDNA是環(huán)狀，裸露，信息量較小，有獨立的編碼系統(tǒng),和細(xì)菌DNA相似。2.mtDNA可進行自我復(fù)制，轉(zhuǎn)錄自己的mRNA、tRNA、rRNA3.有自己的核糖體，能獨立合成線粒體蛋白質(zhì)（電子傳遞鏈酶復(fù)合體中的亞基：細(xì)胞色素C氧化酶、ATP酶復(fù)合體F0的亞基等）4.mtDNA所用遺傳密碼和“通用”的遺傳密碼不完全相同。線粒體遺傳系統(tǒng)受核遺傳系統(tǒng)的制約1.mtDNA復(fù)制所需的DNA聚合酶是由核DNA編碼的，線粒體的遺傳系統(tǒng)受控于細(xì)胞核遺傳系統(tǒng)2.90%的線粒體蛋白質(zhì)由核DNA編碼3.線粒體的生長和增殖受兩套系統(tǒng)控制第二節(jié)細(xì)胞呼吸與能量轉(zhuǎn)換一、細(xì)胞呼吸定義：在細(xì)胞內(nèi)特定的細(xì)胞器主要是線粒體，在O2的參與下分解大分子物質(zhì)，分解代謝所釋放的能量儲存于ATP中。特點：①本質(zhì)是酶催化的氧化還原反應(yīng)；②釋放的能量儲存于ATP的高能磷酸鍵中；③反應(yīng)分步進行，能量逐級釋放；④反應(yīng)在恒溫恒壓下進行；⑤需水參與。二、細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換⒈細(xì)胞能量的轉(zhuǎn)換分子ATP：A—P～P～PA—P～P+Pi+能量⒉ATP中攜帶的能量來源于糖、氨基酸和脂肪，這些物質(zhì)的氧化到ATP的生成是一個復(fù)雜的過程，以葡萄糖為例大致包括三個步驟①糖酵解(gly-colysis)②三羧酸循環(huán)(tricarboxylicacidcycleTAC)③氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)去磷酸化磷酸化Anoverviewofcarbohydratemetabolismineukaryoticcells⒈葡萄糖在細(xì)胞質(zhì)中的糖酵解：1分子葡萄糖凈生成2分子ATP。底物水平磷酸化：由高能底物水解放能，使ADP磷酸化生成ATP的作用⒉線粒體基質(zhì)中的三羧酸循環(huán)：1分子葡萄糖凈生成2分子GTP(可轉(zhuǎn)變?yōu)?分子ATP)。⒊線粒體氧化磷酸化偶聯(lián)與ATP形成氧化磷酸化：NADH和FADH2所攜帶的電子，經(jīng)線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈逐級定向傳遞給O2,在此過程中釋放的能量被F0F1ATP酶復(fù)合體用來催化ADP磷酸化而合成ATP。偶聯(lián)：在正常情況下，沒有磷酸化就不能進行電子傳遞。⑴呼吸鏈和ATP合酶復(fù)合體是氧化磷酸化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)①呼吸鏈又稱電子傳遞鏈，是由一系列能可逆接受和釋放氫質(zhì)子和電子的化學(xué)物質(zhì)組成，分別形成四個脂類蛋白質(zhì)復(fù)合體。Theelectron-transportchainoftheinnermitochondrialmembrane②ATP合酶復(fù)合體，又稱F0F1ATP合酶，在形態(tài)結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為基粒，由頭部和基片二部分組成。頭部：又稱偶聯(lián)因子F1,由αβγδε五種亞基構(gòu)成，可被F1抑制蛋白所抑制，合成ATP；基片：又稱偶聯(lián)因子F0，由abc三種亞基構(gòu)成，質(zhì)子流向F1的穿膜通道。ThestructureofthebacterialATPsynthase⑵氧化過程伴隨磷酸化的偶聯(lián)①電子傳遞時氫質(zhì)子穿膜形成電化學(xué)梯度化學(xué)滲透假說：NADH和FADH2提供1對電子，經(jīng)電子傳遞鏈最終被O2接收；電子傳遞鏈同時起氫泵的作用；線粒體內(nèi)膜對氫質(zhì)子具有不可通透性，氫質(zhì)子的積累形成電化學(xué)梯度；膜間腔中的氫質(zhì)子有順濃度返回基質(zhì)的傾向，通過ATP合酶合成ATP。②電化學(xué)梯度所包含的能量轉(zhuǎn)換成ATP的化學(xué)能ThebindingchangemechanismforATPsynthesis結(jié)合變構(gòu)機制；當(dāng)質(zhì)子穿過F1因子的活性部位是時，可引起F1顆粒構(gòu)象的變化，導(dǎo)致底物(ADP+Pi)同活性部位的緊密結(jié)合及產(chǎn)物(ATP)的釋放；ADP和Pi合成ATP的反應(yīng)不需要能量，而F1因子構(gòu)象的變化需要能量。葡萄糖氧化磷酸化作用：1分子葡萄糖可生成34分子ATP第三節(jié)線粒體與醫(yī)學(xué)一、線粒體與細(xì)胞死亡二、線粒體與疾?、盡itochondrialabnormalitiesinskeletalmuscle.癥狀:awomanwhohadbeensufferingfromlong-standingfatigueandmuscleweaknessandwhoexhibitedanelevatedmetabolicrateandbodytemperature.原因：Themitochondriafromthispatientweresomehowreleasedfromtheirnormalrespiratorycontrol.Normally,whenADPlevelsarelow,isolatedmitochondriastopoxidizingsubstrate.Incontrast,themitochondriafromthispatientcontinuedtooxidizesubstrateatahighrate,evenintheabsenceofADPtophosphorylate,producingheatratherthanmechanicalwork.⒉Apremature-agingphenotypecausedbyincreasedmutationsinmtDNAThephotographshowsa13-month-oldnormalmouseandits“aged”littermatewhosemitochondrialDNAharbor