线粒体与细胞的能量转换ppt课件.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六章 线粒体与细胞的能量转换,Mitochondria and Energy,Conversion,学习目的与要求,掌握线粒体的基本结构、功能,熟悉线粒体相关的临床意义,了解线粒体的发生及其研究方法,第一节,第二节,第三节,中英文,退 出,Mitochondria and Energy Conversion,第六章 线粒体与细胞的能量转换,第一节 线粒体的基本特征,一、线粒体的形态、数量和结构,二、,线粒体的化学组成,三、,线粒体的遗传体系,四,、线粒体核编码蛋白质的转运,五、线粒体的起源,六、线粒体的分裂与融合,七、线粒体的功能,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,一、线粒体的形态、数量和结构,(,一,),线粒体的形态、数量,不同类型或不同生理状态的细胞，线粒体的形态、大小、数目及排列分布并不相同。,形态：,光镜下呈,线状,、,粒状,或,杆状,等。,数量：,因细胞种类而不同，最少的细胞只含,1,个线粒体，最多,的达,50,万个。代谢旺盛时，线粒体数量较多，反之线,粒体的数量则较少。,线粒体形态,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,线粒体形态结构（荧光染色）,中国仓鼠细胞,罗丹明（,Rhodamine 123,）染色（红色颗,粒）,线粒体形态结构（铁苏木精染色）,肾小管细胞,图中箭头所示颗粒状线粒体,三、线粒体的结构,外膜,(out membrane),内膜,(inner membrane):,脊（,cristae,）,膜间腔,(intermembrane),基质,(matrix),线粒体的超微结构,(,一）,外膜（,outer membrane),内膜（,inner membrane),嵴（,cristae),与基粒（,elementary particle),基质（,matrix),线粒体的超微结构,(,二）,线粒体内膜向内突伸形成嵴（,Cristae),线粒体的超微结构,(,三）,线粒体的嵴（,Cristae),及其上的基粒（,Elementary Particle,）,线粒体的超微结构模式图,基粒实质是,ATP,合成酶复合体,基质内含核糖体、,DNA,、基质颗粒及多种酶系,基粒（,ATP,合成酶复合体）,F1(,头部，,a,3,b,3,gde）：,有,ATP,合成的的催化位点,F0,（,ab,2,c,12,）,:,基片，偶联因子,转位接触点（,translocation contact site,）,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,转位接触点,。,内膜转位子（,Tim,）,通道蛋白,外膜转位子（,Tom,）,受体蛋白,功能：,蛋白质等物质进出线粒体的通道。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,3.,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点转运的物质,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,一、线粒体的形态、数量和结构,(,二,),线粒体的超微结构,第六章 线粒体与细胞的能量转换,tom,和,tim,受体系统,tom,和,tim,受体系统参与核基因组编码多肽链通过膜进入线粒体的过程,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,三、线粒体的遗传体系,(,一,),线粒体,DNA,特点：,通常是,裸露,的，不与组蛋白结合。,存在部位：,线粒体的,基质,内或依附于线粒体,内膜,。,数量：,一个线粒体内往往有,1,至数个,mtDNA,分子，,平均为,510,个。,编码产物：,线粒体的,tRNA,、,rRNA,及一些线粒体,蛋白质。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(,一,),线粒体,DNA,基因组结构：,为一条双链环状的,DNA,分子，双链中一为,重链（,H,），,一为,轻链（,L,），,重链和轻链上的编码产物各不相同。与核基因组相比，线粒体基因组有很少非编码的序列。,人类线粒体基因组共编码,37,个基因。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,人线粒体环状,DNA,分子及其转录产物,呼吸链蛋白质的组成,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(,二,),线粒体基因的转录,1.,转录,启动子：,线粒体基因组的转录是从两个主要的启动子处开始的，分别为,重链启动子（,HSP,）,和,轻链启动子（,LSP),。转录因子与其结合，在,mtRNA,聚合酶的作用下启动转录。,转录过程：,线粒体基因的转录类似原核生物的转录，即,产生一个多顺反子,，包括,mRNA,和,tRNA,。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,三、线粒体的遗传体系,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(,二,),线粒体基因的转录,1.,转录,重链形成两个初级转录物：,初级转录物,tRNA,phe,、,tRNA,val,、,12S rRNA,和,16S rRNA,初级转录物,mRNA,和,tRNA,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,三、线粒体的遗传体系,第六章 线粒体与细胞的能量转换,2.mRNA,合成,不含内含子，也很少有非翻译区。,起始密码为,AUG,（或,AUA,），终止密码为,UAA,。,3,端有多聚,A,的尾部，,5,端没有细胞核,mRNA,加工时的帽结构。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,三、线粒体的遗传体系,(,二,),线粒体基因的转录,第六章 线粒体与细胞的能量转换,3.,蛋白质翻译,在线粒体内并在线粒体的核糖体上进行翻译。,构成线粒体核糖体的蛋白质由细胞质运入线粒体内。,用于蛋白质合成的所有,tRNA,都是由,mtDNA,编码。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,三、线粒体的遗传体系,(,二,),线粒体基因的转录,第六章 线粒体与细胞的能量转换,ATPase8,和,ATPase6,亚基翻译重叠框架,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,三、线粒体的遗传体系,(,二,),线粒体基因的转录,第六章 线粒体与细胞的能量转换,线粒体的遗传密码也与核基因不完全相同,密码子,核密码子编码氨基酸,线粒体密码子编码氨基酸,哺乳动物,果,蝇,链孢酶菌,酵,母,植,物,UGA,终止密码子,色氨酸,色氨酸,色氨酸,色氨酸,终止密码子,AGA,AGG,精氨酸,终止密码子,丝氨酸,精氨酸,精氨酸,精氨酸,AUA,异亮氨酸,甲硫氨酸,甲硫氨酸,异亮氨酸,异亮氨酸,异亮氨酸,AUU,异亮氨酸,异亮氨酸,甲硫氨酸,甲硫氨酸,甲硫氨酸,异亮氨酸,CUU,CUC,CUA,CUG,亮氨酸,亮氨酸,亮氨酸,亮氨酸,苏氨酸,亮氨酸,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(,三,),线粒体,DNA,的复制,类似于原核细胞的,DNA,复制。,一个,重链复制起始点,：控制重链自我复制,一个,轻链复制起始点,：控制轻链自我复制,复制起始,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,三、线粒体的遗传体系,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(,三,),线粒体,DNA,的复制,复制特点：,轻链的复制要晚于重链；,重链的合成方向是顺时针的；轻链的合成方向是逆时针的；,复制不受细胞周期的影响，可以越过细胞周期的静止期或间期，甚至可分布在整个细胞周期。,复制时间：,整个复制过程约持续,2,个小时。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,三、线粒体的遗传体系,第六章 线粒体与细胞的能量转换,线粒体,DNA,的复制,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,四、线粒体核编码蛋白质的转运,线粒体中有大约有,1000,个基因产物，其中仅,37,个基因产物由线粒体基因组编码，其他均由核编码。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,四、线粒体核编码蛋白质的转运,(,一,),核编码蛋白向线粒体基质中的转运,1.,需要条件,基质导入序列,（,matrix-targeting sequence,，,MTS,）。,分子伴侣：,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。,hsc70,：,和绝大多数的前体蛋白结合，使前体蛋白打开折叠，,防止已松弛的前体蛋白聚集。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,前体蛋白,与受体结合。,mthsp70,可与进入线粒体腔的前导肽链交联，防止了前导肽链退回细胞质。,基质作用蛋白酶,MPP,：定位于线粒体内膜上，切除大多数蛋白的基质导入序列。,2.,转运过程,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,四、线粒体核编码蛋白质的转运,(,一,),核编码蛋白向线粒体基质中的转运,第六章 线粒体与细胞的能量转换,2.,转运过程,线粒体蛋白穿膜转运的布朗棘轮模型示意图,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,四、线粒体核编码蛋白质的转运,(,一,),核编码蛋白向线粒体基质中的转运,第六章 线粒体与细胞的能量转换,蛋白质向线粒体基质转运示意图,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(,二,),核编码蛋白向线粒体其他部位的转运,1.,蛋白质向线粒体膜间腔的转运,信号序列,基质导入序列,MTS,：,引导前体蛋白进入基质。,膜间腔导入序列,ISTS,：,引导前体蛋白进入膜间腔。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,四、线粒体核编码蛋白质的转运,第六章 线粒体与细胞的能量转换,(,二,),核编码蛋白向线粒体其他部位的转运,1.,蛋白质向线粒体膜间腔的转运,转运方式,整个蛋白进入基质，第,2,个信号序列,ISTS,引导多肽链,通过内膜上的通道,进入膜间腔,。,第,2,个信号序列,ISTS,起,转移终止,序列的作用，阻止前体蛋白向基质转运，并,固定于内膜,上，切去位于内膜上的,ISTS,部分后，进入膜间腔。,通过,直接扩散,从胞浆通过外膜而进入膜间腔。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,四、线粒体核编码蛋白质的转运,第六章 线粒体与细胞的能量转换,蛋白质向线粒体膜间腔转运示意图,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,2.,蛋白质向线粒体外膜和内膜的转运,在外膜蛋白的转运中，,类孔蛋白,P70,的研究最多。事实上在,P70,的,MTS,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。,内膜上的蛋白质的转运机制尚不完全清楚。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,四、线粒体核编码蛋白质的转运,第六章 线粒体与细胞的能量转换,七、线粒体的功能,1.,氧化磷酸化,营养物质在线粒体内氧化并与磷酸化耦联,生成,ATP,是线粒体的主要功能。,2.,摄取和释放,Ca,2+,线粒体还在,摄取,Ca,2+,和释放,Ca,2+,中起着重要的作用，线粒体和内质网一起共同调节胞质中的,Ca2+,浓度，从而调节细胞的生理活动。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,3.,参与细胞死亡,在某些情况下，线粒体是,细胞死亡,的启动环节；而在另一些情况下，线粒体则仅仅是细胞死亡的一条“通路”。,细胞呼吸的概念,在特定细胞器（主要是线粒体）内，在,O,2,的参与下，分解各种大分子物质，产生,CO,2,；与此同时，分解代谢所释放出的能量储存于,ATP,中的过程，称为,细胞呼吸（,cellular respiration,），,也称,生物氧化（,biological oxidation,）或细胞氧化（,cellular oxidation,）,。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,细胞呼吸的过程和发生场所,以糖的有氧氧化为例,糖的有氧氧化分为四个阶段,葡萄糖,-,丙酮酸（胞质）,丙酮酸氧化脱羧（线粒体基质）,TAC,（线粒体基质）,电子传递（线粒体内膜）,细胞呼吸的特点,本质上是在线粒体中进行的一系列由酶系所催化的,氧化还原反应,；,所产生的,能量储存于,ATP,的高能磷酸键中；,整个反应过程是,分步进行,的，能量也是逐步释放的；,反应是在,恒温,(37),和恒压,条件下进行的；,反应过程中需要,H,2,O,的参与。,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,ATP,中所携带的能量来源于,糖、氨基酸和脂肪酸等的氧化,，这些物质的氧化是能量转换的前提。,从糖酵解到,ATP,的形成是一个极其复杂的过程，,分为三个步骤：,糖酵解（,glycolysis,）,三羧酸循环（,TAC,）,氧化磷酸化,（,oxidative phosphorylation,）,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,ATP synthase complex,biological oxidation,cellular oxidation,cellular respiration,chemiosmotic coupling hypothesis,cristae,elementary particle,glycolysis,inner membrane,intercristae space,intermembrane space,intracristae space,matrix,matrix space,matrix-targeting sequence,，,MTS,ATP,合酶复合体,生物氧化,细胞氧化,细胞呼吸,化学渗透假说,嵴,基粒,糖酵解,内膜,嵴间腔,膜间腔,嵴内空间,基质,基质腔,基质导入序列,中英文关键词对照,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,mitochondrial disorders,mitochondrial phase,outer membrane,oxidative phosphorylation,postmitochondrial phase,premitochondrial phase,reactive oxygen species,ROS,substrate-level phosphorylation,translocation contact site,translocon of the inner membrane,，,Tim,translocon of the outer membrane,，,Tom,tricarboxylic acid cycle,，,TCA cycle,线粒体疾病,线粒体期,外膜,氧化磷酸化,线粒体后期,线粒体前期,活性氧,底物水平磷酸化,转位接触点,内膜转位子,外膜转位子,三羧酸循环,Mitochondria and Energy Conversion,退 出,首 页,第六章 线粒体与细胞的能量转换,