1、第七章 线粒体医学细胞生物学医学细胞生物学v第一节第一节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征 （一）形态结构及化学组成（一）形态结构及化学组成 （二）半自主性（二）半自主性 （三）线粒体的发生与起源（三）线粒体的发生与起源v第二节第二节 线粒体与线粒体与能量代谢能量代谢 （一）细胞呼吸（一）细胞呼吸 （二）功能物质的分解代谢（二）功能物质的分解代谢 （三）（三）ATP与能量转换与能量转换 （四）氧化磷酸化（四）氧化磷酸化v第三节第三节 线粒体与细胞死亡线粒体与细胞死亡线粒体的基本特征线粒体的基本特征一、线粒体的形态结构及化学组成（一）超微结构：（一）超微结构：两两层单位膜套叠形成的层单位膜套叠形
2、成的封闭封闭膜囊结构膜囊结构 1.外膜外膜(outer membrane)2.内膜内膜(inner memebrane)3.膜间隙膜间隙(intermembrane space)4.基质基质(matrix)外膜外膜内膜内膜膜间隙膜间隙嵴嵴基质基质1.外膜外膜v最外围，厚约最外围，厚约6nmv通透性很高，孔蛋白通透性很高，孔蛋白(porin)形成亲水通道形成亲水通道v相对分子量小于相对分子量小于1000的分子可自由穿过，如的分子可自由穿过，如ATP、NAD+、CoA等。等。相对分子量达相对分子量达5000的分子可选择性通过。的分子可选择性通过。v脂质和蛋白质各占脂质和蛋白质各占50%。v含有参与
3、脂肪酸链延长、色氨酸降解、肾上腺素氧化、含有参与脂肪酸链延长、色氨酸降解、肾上腺素氧化、营养物质分解等酶类。营养物质分解等酶类。v标志酶是单胺氧化酶标志酶是单胺氧化酶(MAO)2.内膜内膜(inner memebrane)v单层封闭性单位膜，厚约单层封闭性单位膜，厚约6 nm8nmv向内延伸折叠形成向内延伸折叠形成嵴嵴(cristae)v蛋白质含量高达蛋白质含量高达80%v脂类占脂类占20%，缺乏胆固醇，但富含，缺乏胆固醇，但富含心磷脂（与内膜心磷脂（与内膜高度不通透性有关）高度不通透性有关）v高度不通透性，允许高度不通透性，允许150以下的非极性分子自由通过以下的非极性分子自由通过v内膜上有
4、基粒和呼吸链内膜上有基粒和呼吸链v标志酶是细胞色素氧化酶。标志酶是细胞色素氧化酶。基粒基粒(elemetary particle)头部头部(偶联因子偶联因子F1)：圆球形，突入内腔，：圆球形，突入内腔，具有酶活性，催化具有酶活性，催化ADPATP 柄柄 部部 ：连接头部和基部，调控质子通道连接头部和基部，调控质子通道 对寡霉素敏感对寡霉素敏感,与其结合抑制与其结合抑制ATP合成合成 基部基部(F0偶联因子偶联因子)：嵌于内膜中，有物种差异，：嵌于内膜中，有物种差异，质子流向质子流向F1的穿膜通道的穿膜通道3.膜间隙膜间隙(intermembrane space)v线粒体内、外膜之间的约线粒体内
5、、外膜之间的约6nm8nm腔隙。腔隙。v细胞呼吸旺盛时可显著扩大。细胞呼吸旺盛时可显著扩大。vpH和部分化学组成和细胞质相似。和部分化学组成和细胞质相似。v充满液态介质（可溶性酶类、底物和其它辅助因子。充满液态介质（可溶性酶类、底物和其它辅助因子。v标志酶为腺苷酸激酶。标志酶为腺苷酸激酶。v部分区域膜间隙非常狭窄（转位接触点）部分区域膜间隙非常狭窄（转位接触点）在线粒体的内、外膜上存在的一些内膜与外膜相互在线粒体的内、外膜上存在的一些内膜与外膜相互接触的地方，此处膜间隙变狭窄，称为接触的地方，此处膜间隙变狭窄，称为转位接触点转位接触点。内膜转位子内膜转位子（Tim）通道蛋白通道蛋白 外膜转位子
6、外膜转位子（Tom）受体蛋白受体蛋白功能：功能：蛋白质等物质进出线粒体的通道。蛋白质等物质进出线粒体的通道。黑色箭头所指为转位接触点；黑色箭头所指为转位接触点；红色箭头所指为通过转位接触红色箭头所指为通过转位接触点转运的物质。点转运的物质。4.基质基质(matrix)v线粒体内膜包围的封闭空间。线粒体内膜包围的封闭空间。v富含高浓度的水溶性蛋白质，呈凝胶状。富含高浓度的水溶性蛋白质，呈凝胶状。v含有闭环双链含有闭环双链DNA、RNA聚合酶、核糖体和聚合酶、核糖体和tRNA。v参与三羧酸循环、氨基酸分解、脂肪酸氧化等过程的参与三羧酸循环、氨基酸分解、脂肪酸氧化等过程的酶类及相关底物和中间产物酶类
7、及相关底物和中间产物v标志酶是苹果酸脱氢酶。标志酶是苹果酸脱氢酶。（二）线粒体的动态变化（二）线粒体的动态变化1线粒体的形状、大小、数目、分布线粒体的形状、大小、数目、分布v 形状形状一般呈粒状、短杆状或线状等，不同的生理环境和发育一般呈粒状、短杆状或线状等，不同的生理环境和发育阶段，线粒体形态显著不同。伸长为线状（高渗），膨大如泡状阶段，线粒体形态显著不同。伸长为线状（高渗），膨大如泡状（低渗）（低渗）v 数目数目低等生物少，高等动物多低等生物少，高等动物多 代谢旺盛细胞多代谢旺盛细胞多 骨骼肌受到重复性收缩刺激时，或甲亢患者肌肉中骨骼肌受到重复性收缩刺激时，或甲亢患者肌肉中 明显增多明显增
8、多v 分布分布能量需求旺盛的区域能量需求旺盛的区域 病理状态下的线粒体v中毒、感染、辐射、缺氧中毒、感染、辐射、缺氧肿胀破裂肿胀破裂v肝癌肝癌数量减少；液泡状数量减少；液泡状v维生素维生素C缺乏病（坏血病）缺乏病（坏血病）线粒体球线粒体球v缺血缺血基质腔变小，可见不规则絮状物基质腔变小，可见不规则絮状物 膜间腔扩大。膜间腔扩大。v细胞状态也影响线粒体的分布。细胞状态也影响线粒体的分布。v线粒体常附着于微管呈链状排列，在微管动力蛋白和微线粒体常附着于微管呈链状排列，在微管动力蛋白和微管驱动蛋白的的帮助下快速完成细胞内的重分布。管驱动蛋白的的帮助下快速完成细胞内的重分布。2线粒体的融合与分裂线粒体
9、的融合与分裂 v动、植物细胞频繁发生的多个颗粒状的线粒体融合为动、植物细胞频繁发生的多个颗粒状的线粒体融合为较大的线粒体，称为线粒体融合。较大的线粒体，称为线粒体融合。v1个线粒体也可以分裂成多个较小的颗粒状线粒体，个线粒体也可以分裂成多个较小的颗粒状线粒体，称为线粒体分裂。称为线粒体分裂。3.线粒体自噬线粒体自噬 v选择性降解受损线粒体的机制称为线粒体自噬。选择性降解受损线粒体的机制称为线粒体自噬。v2005年，年，Lemasters报道线粒体膜电位的降低和报道线粒体膜电位的降低和线粒体通透性膜孔开放可引起线粒体自噬。线粒体通透性膜孔开放可引起线粒体自噬。二、线粒体的半自主性v线粒体具有较完
10、整的遗传系统，含有线粒体具有较完整的遗传系统，含有DNA聚合酶、聚合酶、RNA聚合酶、聚合酶、RNA(mRNA、tRNA、rRNA)、核糖、核糖体、氨基酸活化酶等成分，表现出自主性的一面。体、氨基酸活化酶等成分，表现出自主性的一面。v线粒体的生长、增殖等活动受到细胞核遗传系统的严线粒体的生长、增殖等活动受到细胞核遗传系统的严格控制，其自主性是有限的。线粒体基因组仅编码非格控制，其自主性是有限的。线粒体基因组仅编码非常有限，约占线粒体蛋白质种类的常有限，约占线粒体蛋白质种类的1%。大部分线粒。大部分线粒体蛋白质是核基因组编码，并在细胞质合成后转运而体蛋白质是核基因组编码，并在细胞质合成后转运而来
11、，包括线粒体遗传系统中的线粒体的来，包括线粒体遗传系统中的线粒体的DNA聚合酶、聚合酶、RNA聚合酶、核糖体蛋白、氨酰聚合酶、核糖体蛋白、氨酰tRNA合成酶重要组合成酶重要组份。份。所以，线粒体受到线粒体基因组和核基因组两套遗传所以，线粒体受到线粒体基因组和核基因组两套遗传系统的控制，称为半自主性细胞器系统的控制，称为半自主性细胞器(semiautonomous organelle)(一一)mtDNAmtDNA的结构和特点的结构和特点v高等动物线粒体含高等动物线粒体含1个或数个个或数个mtDNA。vmtDNA呈双链闭合环状，不含组蛋白。呈双链闭合环状，不含组蛋白。v线粒体基因组排列紧凑，无内含
12、子序列，线粒体基因组排列紧凑，无内含子序列，少有非编码区。少有非编码区。v接近细菌基因组的特点。接近细菌基因组的特点。vCsCl溶液密度梯度离心呈现不同的两条链溶液密度梯度离心呈现不同的两条链密度大的重链密度大的重链(H链链)密度较小轻链密度较小轻链(L链链)v1981年，年，Anderson等首次测定了人类线粒体基因等首次测定了人类线粒体基因组全序列，称为组全序列，称为“剑桥参考序列剑桥参考序列”。含。含16569bp，共编码共编码37个基因产物个基因产物。vH链编码大部分基因：链编码大部分基因：12种蛋白质亚基、种蛋白质亚基、2种种rRNA基因、基因、14种种tRNA。vL链仅编码一种链仅
13、编码一种ND6蛋白质亚基，和其它蛋白质亚基，和其它8种种tRNA。v13种蛋白质分别定位于线粒体内膜中的复合物种蛋白质分别定位于线粒体内膜中的复合物I、复合物复合物III、复合物、复合物IV和和ATP合酶合酶F0 v人类线粒体基因组存在基因片段部分重叠的现象。人类线粒体基因组存在基因片段部分重叠的现象。1.mtDNA的复制的复制 轻链的复制要轻链的复制要晚于晚于重链；重链；合成方向合成方向:重链重链顺时针顺时针 轻链轻链逆时针逆时针 复制复制基本不受细胞周期影响基本不受细胞周期影响 复制时间：复制时间：约持续约持续2 2个小时。个小时。D环复制环复制(D-loop replication)(二
14、二)mtDNAmtDNA的复制和转录的复制和转录2.mtDNA的转录和加工的转录和加工v从从H2和和L转录起始位点，分别转录出一条几乎覆盖转录起始位点，分别转录出一条几乎覆盖mtDNA全长链初级转录产物。全长链初级转录产物。vH1转录起始位点转录出只包括转录起始位点转录出只包括tRNAphe、tRNAval、12SrRNA、16SrRNA的多顺反子，的多顺反子，v多顺反子剪切为各基因的多顺反子剪切为各基因的RNA。vmRNA在在polyA聚合酶作用下加聚合酶作用下加polyA。启动子：启动子：重链启动子（重链启动子（HSPHSP），轻链启动子（轻链启动子（LSP)LSP)。转录因子与其结合，在
15、转录因子与其结合，在mtRNAmtRNA聚合酶的作用聚合酶的作用 下启动转录。下启动转录。转录过程：转录过程：线粒体基因的转录类似原核生物的转录，线粒体基因的转录类似原核生物的转录，即即产生一个多顺反子产生一个多顺反子，包括，包括mRNAmRNA和和tRNAtRNA。重链形成两个初级转录物：重链形成两个初级转录物：初级转录物初级转录物：tRNAtRNAphephe、tRNAtRNAvalval、12S 12S rRNArRNA和和16S 16S rRNArRNA 初级转录物初级转录物：mRNAmRNA和和tRNAtRNA 2.mRNA2.mRNA合成合成 不含内含子，也很少有非翻译区。不含内含
16、子，也很少有非翻译区。起始密码为起始密码为AUGAUG（或（或AUAAUA），终止密码为），终止密码为UAAUAA。33端有多聚端有多聚A A的尾部，的尾部，55端没有细胞核端没有细胞核mRNAmRNA加工加工时的帽结构。时的帽结构。（三）线粒体的蛋白质合成系统（三）线粒体的蛋白质合成系统与细胞质差异明显，与原核细胞相似。与细胞质差异明显，与原核细胞相似。表现在：表现在：1.可被氯霉素、红霉素、链霉素等药物抑制。可被氯霉素、红霉素、链霉素等药物抑制。2.RNA的转录、蛋白质合成具有时空交联的特点。的转录、蛋白质合成具有时空交联的特点。3.rRNA在线粒体核糖体所占比例介于真核和原核细胞在线粒体
17、核糖体所占比例介于真核和原核细胞之间。之间。4.蛋白质的翻译起始密码子与原核生物类似。蛋白质的翻译起始密码子与原核生物类似。5.线粒体的遗传密码子和通用密码子有差异。线粒体的遗传密码子和通用密码子有差异。编码含义编码含义核密码子核密码子线粒体密码子线粒体密码子甲硫氨酸甲硫氨酸(起始起始)AUGAUG AUA异亮氨酸异亮氨酸AUU AUC AUAAUC色氨酸色氨酸UGGUGG UGA终止密码终止密码UAA UAG UGAUAA UAG AGA AGG精氨酸精氨酸CGU CGC CGA CGG AGA AGGCGU CGC CGA CGG 线粒体合成的蛋白质数量有限，但是线粒体功能活线粒体合成的蛋
18、白质数量有限，但是线粒体功能活动的关键酶。它们在线粒体的核糖体上进行翻译。动的关键酶。它们在线粒体的核糖体上进行翻译。所需的所需的tRNAtRNA、mRNAmRNA和核糖体是自身专用。所有和核糖体是自身专用。所有tRNAtRNA都是由都是由mtDNAmtDNA编码。编码。构成线粒体核糖体的蛋白质由细胞质运入线粒体内构成线粒体核糖体的蛋白质由细胞质运入线粒体内ATPase8和和ATPase6亚基翻译重叠框架亚基翻译重叠框架(四四)线粒体蛋白质的转运线粒体蛋白质的转运v人线粒体中蛋白质：人线粒体中蛋白质：99%为核基因为核基因组编码。组编码。1%线粒体自身合成。线粒体自身合成。v核基因编码的线粒体
19、蛋白核基因编码的线粒体蛋白 在细胞质合成在细胞质合成 转运到线粒体转运到线粒体 通常含有信号序列通常含有信号序列 基质导入序列基质导入序列(MTS)膜间隙导入序列膜间隙导入序列(ISTS)vMTS：线粒体蛋白前体线粒体蛋白前体N端的一段特殊氨基酸序列端的一段特殊氨基酸序列 富含精、赖、丝和苏氨酸，少有天冬和谷氨酸富含精、赖、丝和苏氨酸，少有天冬和谷氨酸 可被可被TOM复合体和复合体和TIM复合体识别复合体识别 引导线粒体蛋白质从细胞质转移到线粒体引导线粒体蛋白质从细胞质转移到线粒体 MTS随后被信号肽酶切除。随后被信号肽酶切除。vISTS：部分线粒体蛋白质的部分线粒体蛋白质的MTS后的一段序列
20、后的一段序列 富含疏水性氨基酸残基信号序列富含疏水性氨基酸残基信号序列 可被可被OXA蛋白质复合体识别，随后插入线粒体内膜蛋白质复合体识别，随后插入线粒体内膜 最后被异二聚体内膜蛋白酶最后被异二聚体内膜蛋白酶(impl1/impl2)切除切除 线粒体蛋白质从细胞质转运到线粒体主要包括线粒体蛋白质从细胞质转运到线粒体主要包括3个步骤个步骤。1.线粒体蛋白质前体与分子伴侣结合线粒体蛋白质前体与分子伴侣结合 2.蛋白质前体复合体穿越线粒体膜蛋白质前体复合体穿越线粒体膜(1)热棘齿模型热棘齿模型(2)横桥锁止扣模型横桥锁止扣模型3.线粒体蛋白的再折叠线粒体蛋白的再折叠 线粒体线粒体核核编码蛋白质的转运
21、编码蛋白质的转运(一一)核核编码蛋白向线粒体编码蛋白向线粒体基质基质中的转运中的转运 1.1.需要条件需要条件 基质导入序列基质导入序列（MTS）分子伴侣：分子伴侣：保持前体蛋白在线粒体外的非折叠状态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。与少数前体蛋白相互作用，增加蛋白转运的准确性。hsp70：和绝大多数的前体和绝大多数的前体蛋白结合，使前体蛋白打开折叠，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。防止已松弛的前体蛋白聚集。前体蛋白前体蛋白与受体结合。与受体结合。mthsp70mthsp70可与进入线粒体腔的前导肽链交联，防可与进入
22、线粒体腔的前导肽链交联，防止了前导肽链退回细胞质。止了前导肽链退回细胞质。基质作用蛋白酶基质作用蛋白酶MPPMPP：定位于线粒体内膜上，切：定位于线粒体内膜上，切除大多数蛋白的基质导入序列。除大多数蛋白的基质导入序列。2.2.转运过程转运过程蛋白质向线粒体基质转运示意图蛋白质向线粒体基质转运示意图(二二)核编码蛋白向线粒体其他部位的转运核编码蛋白向线粒体其他部位的转运(自学自学)1.1.蛋白质向线粒体蛋白质向线粒体膜间腔膜间腔的转运的转运 信号序列信号序列基质导入序列基质导入序列MTSMTS：引导前体蛋白进入基质。引导前体蛋白进入基质。膜间腔导入序列膜间腔导入序列ISTSISTS：引导前体蛋白
23、进入膜间腔。引导前体蛋白进入膜间腔。转运方式转运方式 整个蛋白进入基质，第整个蛋白进入基质，第2 2个信号序列个信号序列ISTSISTS引导多引导多肽链肽链通过内膜上的通道通过内膜上的通道进入膜间腔进入膜间腔。第第2 2个信号序列个信号序列ISTSISTS起起转移终止转移终止序列的作用，阻序列的作用，阻止前体蛋白向基质转运，并止前体蛋白向基质转运，并固定于内膜固定于内膜上，切去上，切去位于内膜上的位于内膜上的ISTSISTS部分后，进入膜间腔。部分后，进入膜间腔。通过通过直接扩散直接扩散从胞浆通过外膜而进入膜间腔。从胞浆通过外膜而进入膜间腔。蛋白质向线粒体膜间腔转运示意图蛋白质向线粒体膜间腔转
24、运示意图2.2.蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运 在外膜蛋白的转运中，在外膜蛋白的转运中，类孔蛋白类孔蛋白P70P70的研究最多。的研究最多。事实上在事实上在P70P70的的MTSMTS后有一段长的疏水序列，也起着后有一段长的疏水序列，也起着转移终止序列的作用，而使之固定于外膜上。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。内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚。(五五)线粒体遗传系统和细胞核遗传系统的关系线粒体遗传系统和细胞核遗传系统的关系v线粒体独立性是相对的，线粒体独立性是相对的，细胞核仍然是真核细胞遗传信息的中心。细胞核仍然是
25、真核细胞遗传信息的中心。v线粒体的中间代谢产物或信号分子也可以反馈至核线粒体的中间代谢产物或信号分子也可以反馈至核遗传系统，调控相关核基因的表达。遗传系统，调控相关核基因的表达。v线粒体和细胞核中的遗传物质存在相互转移现象。线粒体和细胞核中的遗传物质存在相互转移现象。三、线粒体的起源与发生v(一一)线粒体的增殖线粒体的增殖收缩分裂收缩分裂 出芽分裂出芽分裂 间壁分裂间壁分裂(二二)线粒体的起源线粒体的起源1.内共生起源学说内共生起源学说(endosymbiosis theory)原始真核细胞是一种具吞噬能力、通过糖酵解获取原始真核细胞是一种具吞噬能力、通过糖酵解获取 能量的巨大厌氧细胞。能量的
26、巨大厌氧细胞。线粒体祖先是一种可分解丙酮酸，具有三羧酸循环线粒体祖先是一种可分解丙酮酸，具有三羧酸循环酶系和呼吸链系统的革兰氏阴性菌。酶系和呼吸链系统的革兰氏阴性菌。偶然，这种细菌被原始真核细胞吞噬后，与宿主细偶然，这种细菌被原始真核细胞吞噬后，与宿主细胞形成互利共生关系。胞形成互利共生关系。主要证据如下：主要证据如下：1)线粒体具有遗传系统线粒体具有遗传系统。2)线粒体基因组与细菌相似。线粒体基因组与细菌相似。3)线粒体具备完整的蛋白质合成系统。线粒体具备完整的蛋白质合成系统。4)线粒体内膜和细菌相似。线粒体内膜和细菌相似。5)线粒体分裂增殖方式与细菌类似。线粒体分裂增殖方式与细菌类似。6)
27、线粒体的磷脂组份、线粒体的磷脂组份、Cyt c蛋白质序列和呼吸方式蛋白质序列和呼吸方式等与反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌更接近。等与反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌更接近。2.非内共生起源学说非内共生起源学说(non-endosymbiosis theory)1974年，年，T.Uzzell等等 认为真核细胞祖先是一种体积较大的好氧细菌，通过细认为真核细胞祖先是一种体积较大的好氧细菌，通过细胞膜的内褶、扩张和分化逐渐演化出具有氧化磷酸化功胞膜的内褶、扩张和分化逐渐演化出具有氧化磷酸化功能的线粒体。能的线粒体。目 录1第一节第一节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征 23第二节第二节 线粒体与能量代
28、谢线粒体与能量代谢第三节第三节 线粒体与细胞死亡线粒体与细胞死亡一、细胞呼吸v细胞呼吸细胞呼吸(cellular respiration)：细胞氧化消耗：细胞氧化消耗O2，生成，生成CO2和和H2O的过程。的过程。v包括包括2个阶段个阶段 供能物质的分解代谢供能物质的分解代谢 氧化磷酸化。氧化磷酸化。二、功能物质的分解代谢1.消化作用消化作用 消化酶将营养物质中的大分子分解成基本单位，消化酶将营养物质中的大分子分解成基本单位，如单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等。如单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等。细胞外消化和细胞内消化两种方式。细胞外消化和细胞内消化两种方式。该阶段所释放的能量很少。该阶段所释放的能量
29、很少。通常以热能的形式散失。通常以热能的形式散失。2.乙酰乙酰CoA的生成的生成 v 经消化作用产生的小分子进入细胞质继续分解，部分中间代谢经消化作用产生的小分子进入细胞质继续分解，部分中间代谢产物进入线粒体，生成乙酰产物进入线粒体，生成乙酰CoA。v 以葡萄糖为例，乙酰以葡萄糖为例，乙酰CoA的生成包含的生成包含2个步骤：个步骤：糖酵解和乙酰糖酵解和乙酰CoA的生成。的生成。v(1)糖酵解糖酵解(glycolysis)在细胞质糖酵解酶系的作用下，葡萄糖分子分解成在细胞质糖酵解酶系的作用下，葡萄糖分子分解成2分子的丙酮酸，释放出部分能量，并储存于分子的丙酮酸，释放出部分能量，并储存于ATP和和
30、NADH活性载体分子，活性载体分子，v(2)乙酰乙酰CoA的生成的生成 丙酮酸被转运至线粒体基质。在丙酮酸脱氢酶系作丙酮酸被转运至线粒体基质。在丙酮酸脱氢酶系作用下生成乙酰用下生成乙酰CoA。v3.三羧酸循环三羧酸循环 v 每分子乙酰每分子乙酰CoA生成生成1分子分子GTP、3分子分子NADH和和1分子分子FADH2。三羧酸循环酶系（一）三磷酸腺苷分子的特点（一）三磷酸腺苷分子的特点vATP分子较小，可以快速转运或扩散到需能区域。分子较小，可以快速转运或扩散到需能区域。vATP分子含有高能磷酸键，储存或者释放能量。分子含有高能磷酸键，储存或者释放能量。vATP末端的磷酸基团极易转移。末端的磷酸
31、基团极易转移。（二）（二）ATP的生成的生成 底物磷酸化底物磷酸化 氧化磷酸化氧化磷酸化 三、ATP与能量转换四、氧化磷酸化(一一)通过呼吸链建立通过呼吸链建立H+梯度梯度v 在氧化磷酸化过程中，电子载体在线粒体内膜上组成的电子传递在氧化磷酸化过程中，电子载体在线粒体内膜上组成的电子传递序列被称为电子传递链，也称为呼吸链。包括复合物序列被称为电子传递链，也称为呼吸链。包括复合物I、复合物、复合物II、复合物、复合物III和复合物和复合物IV、CoQ、Cyt c。四、氧化磷酸化5.呼吸链呼吸链I四、氧化磷酸化6.呼吸链呼吸链IIvNADH和和FADH2中的高能电子分别经呼吸链中的高能电子分别经呼
32、吸链I和呼吸和呼吸链链II传给传给O2，生成，生成H2O。v电子在传递过程中逐步释放能量，复合物电子在传递过程中逐步释放能量，复合物I、III、IV利用这些能量把基质中的利用这些能量把基质中的H+泵到膜间隙，在线粒泵到膜间隙，在线粒体内膜两侧形成体内膜两侧形成H+浓度梯度和外正内负的电位。浓度梯度和外正内负的电位。v线粒体内膜两侧的线粒体内膜两侧的H+梯度梯度(或或pH梯度梯度)和膜电位形成和膜电位形成的驱使的驱使H+回流的合力，称为回流的合力，称为H+电化学梯度。电化学梯度。(二二)ATP合酶合成合酶合成ATP1.化学渗透假说化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis)v1
33、961年，英国化学家年，英国化学家P.Mitchell提出提出 内容：呼吸链各组分在线粒体内膜呈不对称性分布，电内容：呼吸链各组分在线粒体内膜呈不对称性分布，电子在呼吸链传递过程中，内室的质子被泵至膜间隙。在子在呼吸链传递过程中，内室的质子被泵至膜间隙。在线粒体内膜完整时，内膜两侧形成线粒体内膜完整时，内膜两侧形成H+梯度和膜电位。在梯度和膜电位。在电化学梯度的驱动下，电化学梯度的驱动下，H+回流到基质时，驱动回流到基质时，驱动ATP合酶合酶生成生成ATP。vATP合酶分子结构合酶分子结构 vATP合酶合酶(ATP synthase)，属，属F型质子泵。主要包括型质子泵。主要包括F1、F0两部
34、分。两部分。vATP合酶的多肽链分别组装成合酶的多肽链分别组装成“转子转子”和和“定子定子”两部两部分。膜间隙的分。膜间隙的H+通过通过a亚基回流时，驱动亚基回流时，驱动ATP合酶的转合酶的转子旋转。子旋转。v2.结合变构机制结合变构机制(binding change mechanism)1979年，美国科学家年，美国科学家P.Boyer提出了结合变构机制提出了结合变构机制(binding change mechanism。直至。直至1994年，英年，英国科学家国科学家J.Walker等发表了牛心线粒体等发表了牛心线粒体F1头部头部0.28nm分辨率的晶体结构，从结构学上为结合变构分辨率的晶体
35、结构，从结构学上为结合变构机制提供了重要支持，该假说随后被大多数人普遍接机制提供了重要支持，该假说随后被大多数人普遍接受。鉴于受。鉴于P.Boyer和和J.Walker对对ATP合酶生成合酶生成ATP机制的研究成果，两位科学家分享了机制的研究成果，两位科学家分享了1997年诺贝尔化年诺贝尔化学奖。学奖。Paul D.Boyer John E.Walkerv结合变构机制假说：结合变构机制假说：vH+回流到线粒体基质时不直接驱动回流到线粒体基质时不直接驱动ADP磷酸化为磷酸化为ATP，而是从活性位点释放，而是从活性位点释放ATP分子。分子。v在任何时刻，在任何时刻，ATP合酶中合酶中3个个亚基催化
36、位点分别以亚基催化位点分别以L、T和和O3种构象存在，对核苷酸有不同的亲和性。种构象存在，对核苷酸有不同的亲和性。vATP通过旋转催化作用合成。通过旋转催化作用合成。ATP合酶合酶F1头部相对于头部相对于中央轴的中央轴的亚基旋转，导致亚基旋转，导致亚基催化位点的构象沿着亚基催化位点的构象沿着LTO顺序依次变换，催化顺序依次变换，催化ATP生成。生成。四、氧化磷酸化4.结合变构机制的证据结合变构机制的证据JWalker发表的牛心线粒体ATP合酶F1头部高分辨率晶体结构：v在静态ATP合酶中，鉴定出3个亚基催化位点分别对应L、T和O构象，而且这3种构象对核苷酸的亲和性不同。vATP合酶亚基所处的位
37、置，把F0基部和F1催化位点构象改变联系起来。v亚基顶端高度不对称，3个亚基因与亚基不同部位接触而分别处于L、T和O构象。F1 ATPase PDB 1E79 side view base view ATP合酶F1头部高分辨率晶体结构v 以葡萄糖为例，细胞呼吸过程示意图以葡萄糖为例，细胞呼吸过程示意图目 录1第一节第一节 线粒体的基本特征线粒体的基本特征 23第二节第二节 线粒体与能量代谢线粒体与能量代谢第三节第三节 线粒体与细胞死亡线粒体与细胞死亡线粒体与细胞死亡有关的证据v1994年，年，Newmeyer等发现线粒体提取物可以使等发现线粒体提取物可以使体外游离细胞核的染色质凝集。体外游离细
38、胞核的染色质凝集。v1996年，年，Liu等证实等证实Cyt c是细胞凋亡因子之一。是细胞凋亡因子之一。v在研究细胞死亡过程时，观察到线粒体膜通透性增在研究细胞死亡过程时，观察到线粒体膜通透性增加的现象，称之为线粒体通透性改变（加的现象，称之为线粒体通透性改变（mPT）。）。mPT是细胞死亡的早期事件，已成为预测细胞死亡是细胞死亡的早期事件，已成为预测细胞死亡的有效指标。的有效指标。v2001年，年，Li等从线粒体上清蛋白液中鉴定出一种不等从线粒体上清蛋白液中鉴定出一种不依赖依赖caspase介导介导DNA片段化的核酸内切酶片段化的核酸内切酶G（EndoG）。）。线粒体控制细胞死亡的假说v线粒
39、体前期线粒体前期v线粒体期线粒体期v线粒体后期线粒体后期一、疾病过程中的线粒体变化一、疾病过程中的线粒体变化二、二、mtDNAmtDNA突变与疾病突变与疾病三、线粒体融合和分裂异常相关的疾病三、线粒体融合和分裂异常相关的疾病 四、线粒体疾病的治疗四、线粒体疾病的治疗线粒体与疾病线粒体与疾病一、疾病过程中的线粒体变化一、疾病过程中的线粒体变化 线粒体对外界环境因素线粒体对外界环境因素的变化很敏感，一些的变化很敏感，一些环环境因素的影响境因素的影响可直接造可直接造成线粒体功能的异常。成线粒体功能的异常。随着随着年龄的增长年龄的增长，线粒，线粒体的氧化磷酸化能力下体的氧化磷酸化能力下降。降。二、二、
40、mtDNAmtDNA突变与疾病突变与疾病 线粒体含有自身独特的环状线粒体含有自身独特的环状DNA，但其，但其DNA是是裸露裸露的，的，易发生突变易发生突变且很少能修复。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以线粒体结构和功能缺陷为主要疾病原因的疾病常称为常称为线粒体疾病（线粒体疾病（mitochondrial disorders）。1.1.高突变率高突变率 mtDNAmtDNA缺少组蛋白的保护缺少组蛋白的保护,且无且无DNADNA损伤修复系统损伤修复系统 2.2.多质性多质性 mtDNAmtDNA突变突变 异质性线粒体异质性线粒体 3.3.母系遗传母系遗传 受精卵的受精卵的m
41、tDNAmtDNA都来自卵子都来自卵子 4.4.阈值效应阈值效应 突变的突变的mtDNAmtDNA达到一定的比例时达到一定的比例时,才有受损表型出现才有受损表型出现 线粒体疾病的特征线粒体疾病的特征三、线粒体融合和分裂异常相关的疾病三、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。分裂蛋白的基因发生突变，就可能导致疾病的发生。参与线粒体分裂的参与线粒体分裂的Drp1基因发生突变时，导致婴儿基因发生突变时，导致婴儿出生后出生后大脑发育障碍、视神经萎缩大脑发育障碍、视神经萎缩同时
42、并伴有其他同时并伴有其他一些严重的并发症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，如体功能失常，如线粒体膜电位缺失，线粒体膜电位缺失，ROS增高以增高以及线粒体及线粒体DNA丢失丢失等。等。介导细胞融合的蛋白介导细胞融合的蛋白Opa1和和Mfn2的突变会引起的突变会引起Kjers病病（常染色体显性视神经萎缩症）和（常染色体显性视神经萎缩症）和2A型型腓骨肌萎缩症。腓骨肌萎缩症。四、线粒体疾病的治疗四、线粒体疾病的治疗目前目前线粒体疾病治疗的基本措施线粒体疾病治疗的基本措施包括：包括：1.1.补充疗法补充疗法 给患者添加呼吸链所需的辅酶。给患者添加呼吸链所需的辅酶。2.2.选择疗法选择疗法 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的氧化磷酸化水平升高至阈值以3.3.基因疗法基因疗法 将正常的线粒体基因转入患者体内以替代缺陷将正常的线粒体基因转入患者体内以替代缺陷 mtDNAmtDNA发发挥作用。挥作用。
