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线粒体基因组的特点

细胞呼吸概念

细胞呼吸基本过程的细胞定位

四、教学内容：

第十一章线粒体（Mitochondrion）

生物的各种活动都需要能量，能量的80-95%由线粒体提供，线粒体存在于除红细胞以外的一切真核细胞中。

第一节线粒体结构及其化学组成

一．线粒体的结构

◆光镜下：

线状、粒状或杆状；

不同生理条件下形状、大小、数目及分布不一。

◆电镜下：

线粒体为双层膜包裹的细胞器，结构为

外膜

内膜

膜间腔

基质腔

（一）外膜（outmembrane）

一层单位膜7nm，

脂类和蛋白各1/2,

含直径1-3nm通道的孔蛋白,

可通过5000以下分子量的物质。

（二）内膜和内部空间

1.内膜（innermembrane）：

一层单位膜5nm，

蛋白占76%,

高度的选择通透性,大于150分子量的物质不能自由通过。

2.嵴（cristae）：

内膜上向内腔突起的折叠，增加内膜面积。

3.基粒（elemetaryparticle）：

（ATP合酶/F0F1ATP酶）

头部（偶联因子F1）：

圆球形，突入内

腔，具有酶活性，催化ADP→ATP

柄部：

连接头部和基部，调控质子通道

基部（F0偶联因子）：

嵌于内膜中，有物

种差异，连接F1和内膜，质子流向

F1的穿膜通道。

（三）膜间腔（外室）（intermembranespace/outchamber）：

内外膜之间；

包括嵴内腔；

含多种可溶性酶，底物和辅助因子

转位接触点：

内外膜相互接触部位，蛋白进出通道

二．线粒体的化学组成

（一）蛋白

Ø

占65%-70%，分布在内膜和基质中，分为

可溶性蛋白：

基质中的酶和膜外周蛋白

不溶性蛋白：

膜结构蛋白和部分酶

120多种酶：

是细胞中含酶最多的细胞器

内膜——细胞色素氧化酶，琥珀酸脱氢酶

标志酶：

外膜——单胺氧化酶

基质——苹果酸脱氢酶

膜间腔——腺苷酸激酶

（二）脂类

占25%-30%，

主要是磷脂（卵/脑/心磷脂）,少量胆固醇

（三）DNA/RNA/核糖体

（四）辅酶：

如CoQ,FMN,FAD,NAD+

（五）维生素

（六）无机离子：

Na+,K+,Mg2+,Zn2+

第二节线粒体的半自主性

一．线粒体具有自身的遗传系统

（一）线粒体DNA（mtDNA）:

是动物细胞除核以外唯一含有DNA的细胞器

线粒体基因组：

一条双链环状DNA分子

编码：

22种tRNA；

2种rRNA；

13种蛋白质

能进行半保留复制；

复制可分布整个细胞周期

人类线粒体基因组特点（与核基因组相比）：

（1）mtDNA结构紧密：

无内含子，无或少量非编码序列

（2）mtDNA没有蛋白包绕，两条链编码不对称：

L链9个，H链28个

（3）不严格的密码子配对：

tRNA识别密码子的前两个碱基

（4）密码子的意义有所不同：

4个密码子不同与通用密码子

（二）线粒体蛋白质合成:

（1）蛋白质的合成与mRNA的转录几乎同时完成；

（2）起始密码子（AUA）与胞质不同（AUG）；

（3）与胞质蛋白合成对药物的敏感性不同；

（4）线粒体合成的蛋白质数量有限，但均为线粒体

功能活动的关键酶；

（5）线粒体编码的RNA及蛋白质为自身专用，编码的RNA和蛋白质并不运出线粒体外。

二.核编码蛋白质向线粒体转运

1.前体蛋白在分子伴侣的作用下在线粒体外去折叠:

与线粒体膜上受体结合

2.在导肽的帮助下穿越线粒体膜：

部位：

膜上通道（转位接触点）

导肽（leadersequence）：

是游离核糖体上合成的新生肽的N-端一段氨基酸序列,其组成特点是含有较多的碱性氨基酸、基本不含酸性氨基酸,具有识别牵引作用，可将蛋白质准确导入线粒体的一定部位

3.在线粒体基质内重新折叠:

分子伴侣协助；

水解导肽

三线粒体遗传系统与细胞核遗传系统的相互关系:

线粒体中由自身合成的蛋白质仅占10%,其余均为细胞核基因组编码.

因此,线粒体有自己的DNA和蛋白质合成体系,即独立的遗传系统,但又受核基因组遗传系统的控制,故为半自主性细胞器.

第三节线粒体与氧化磷酸化

一．细胞呼吸（cellularrespiration）

概念：

线粒体内，在氧的参与下分解大分子物质，产生CO2、释放能量并储存于ATP中的过程，又称细胞氧化（cellularoxidation）

二．细胞能量转换分子

释放能量：

ADP+Pi→ATP（储存）

需要能量：

ATP-Pi→ADP（释放）

ATP既是细胞内能量转换的中间携带者——“能量货币”；

又是细胞生命活动的直接供能者。

三.细胞的氧化过程

包括四个阶段:

糖酵解：

细胞质中进行，无需氧

乙酰辅酶A生成：

线粒体内膜和基质中

三羧酸循环：

基质中

电子传递的氧化磷酸化偶联：

线粒体内膜呼吸链和基粒

电子传递链/呼吸链：

按一定顺序组成排列在线粒体内膜上的递氢和递电子酶体系称为电子传递链，由于该体系最终以氧作为电子受体，与细胞摄取氧有关，所以又称呼吸链。

第四节细胞的能量转换（自学）

第五节　线粒体与疾病

一、线粒体疾病的特征

是细胞病变、损伤时最敏感的指标之一

1.高突变率

mtDNA缺少组蛋白的保护,且无DNA损伤修复系统

2.多质性

mtDNA突变→异质性线粒体

3.母系遗传

受精卵的mtDNA都来自卵子

4.阈值效应

突变的mtDNA达到一定的比例时,才有受损表型出现

二、线粒体与癌症

嵴减少或消失

肿瘤细胞内线粒体结构异常：

肿胀

内膜缺损

基质密度降低

三.、线粒体与细胞凋亡

[补充内容]线粒体的生物发生

目前普遍接受的观点：

以分裂的方式增殖

分两个阶段：

线粒体膜生长、复制

线粒体本身分化脂肪细胞中正在分裂的线粒体电镜照片

分化和生长分别接受细胞核与线粒体两个独立的遗传系统控制。

五、小结：

Mitochondriaoccupyasubstantialfractionofthecytoplasmofalleucaryoticcells.Forinstance,eachhepatocytecontains1Kto2Kmitochondria,whichintotaloccupy1/5ofthecellvolume.Theycanconvertenergytotheformsthatcanbeusedtodrivecellularreactions.Theirspecializedfunctionisreflectedinthemorphologicalfeature–containingalargeamountofinternalmembrane.Thismembraneplaystwocrucialrolesinthefunctionoftheseenergy-convertingorganelle:

1）providingframework（框架）forelectron-transportprocessusedtoconverttheenergyofoxidationreactionstomoreusefulforms–ATPand2）itenclosesalargeinternalcompartment（内部空间）containingenzymesthatcatalyzeothercellularreactions.

线粒体和线粒体基因组

线粒体在所有的真核细胞胞浆中占有重要的位置。

例如，每个肝细胞含有1000-2000个线粒体，约占细胞体积的1/5。

这些线粒体可以把能量转换为驱动细胞反应可利用的能量形式。

线粒体的特殊功能可在其形态学方面得到反映-含有大量的内膜。

这种膜在细胞器的能量转换过程中有两种重要的功能：

1）为电子传递过程提供依托，而电子传递过程可把氧化反应释放的能量转变为更加有用的ATP形式；

2）可形成较大的内部空间，包含有催化其它细胞反应的酶。

Generalfeaturesofmitochondria

Shape:

stiff,elongatedcylinder（筒状物）butconstantlychangingtheshape;

Size:

0.5-1.0um,resemblingbacteria;

Distribution:

incytoplasm;

oftenassociatedwithmicrotubulesforuniqueorientationanddistributioninsometypeofcells,whileinotherstheyremainfixedinonepositionwheretheyprovideATPdirectlytoasitewithhighATPconsumption.

线粒体的一般特点

形状：

呈杆状，但经常发生改变；

大小：

直径0.5-1.0um，类似细菌；

分布：

位于胞浆中；

在一些细胞中，和微管相连形成独特的定位和分布，而在另一些细胞中，线粒体保持固定的位置，以满足大量消耗ATP位点的需求。

Structuresandtheirfunctions

Matrix.Containsahighlyconcentratedmixtureofhundredsofenzymes,includingthoserequiredfortheoxidationofpyruvate,fattyacidsandcitricacidcycle.ItalsocontainsmitochondrialDNAgenome,specialribosomes,tRNAsandvariousenzymesforexpressionofmitochondrialgenes.

2．线粒体的结构及其功能

基质：

含有高浓度的数百种酶混合物，包括在丙酮酸、脂肪酸及柠檬酸氧化过程中所需要的酶。

也含有线粒体基因组、特定核糖体、tRNAs及线粒体基因表达所需的各种酶。

Innermembrane:

Itisfoldedintonumerouscristae（嵴）forincreasingitstotalsurfacearea.Itcontainsproteinswiththreetypesoffunctions:

（1）carryoutoxidationreactionsoftherespiratorychain,

（2）anenzymecomplexcalledATPsynthetasethatmakesATPinthematrix,（3）specifictransportproteinsthatregulatethepassageofmetabolitesintoandoutofthematrix.

内膜：

向内腔折叠形成的大量嵴增加了内膜的表面积。

含有的蛋白质具有三种功能：

（1）执行呼吸链的氧化反应,

（2）ATP合成酶能催化基质中ATP的生成，（3）特定的转运蛋白可调节代谢产物出入基质。

Outermembrane:

Itcontainsalargeamountofchannel-formingproteins（calledporin）.Itispermeabletoallmoleculesof10Kdaorless.Otherproteinsinthismembraneincludeenzymesinvolvedinmitochondriallipidsynthesisandenzymesthatconvertlipidsubstratesintoformsthataresubsequentlymetabolizedinthematrix.

外膜：

含有大量的通道形成蛋白（又称为孔蛋白）。

可通过分子量在10Kda以下的物质。

膜上的其它蛋白还包括脂类合成所需的酶及把脂类底物转换成在基质中可代谢的物质所需的酶。

Cristae:

aseriesofinfoldingstructuresinthematrixspaceformedbythehighlyconvolutedinnermembrane.Itconstitutesabout1/3oftotalmembraneofthecell.ItisthesiteforATPformation,andthereforethecristaenumberincardiaccellsis3timeshigherthanthatinlivercellsbecauseofthegreaterdemandforATPinheartcells.Additionally,therearesubstantialdifferencesinthemitochondrialenzymesofdifferentcelltypes.

嵴：

内膜上有大量向内腔突起的折叠，形成嵴。

它构成细胞整个膜性结构的1/3左右。

它是ATP合成的位点，因为心肌细胞对ATP的需求量大，所以心肌细胞中嵴的数量是肝细胞中的三倍。

另外，不同类型细胞中线粒体含有的酶具有实质上的不同。

3.TheGenomeofMitochondrion

Mitochondriaarenevermadedenovo.Growthanddivisionmaintainthenumberofmitochondriainacell.mDNAmoleculesarerelativelysmall,simpleandcircular.ManymDNAmoleculesareaboutthesamesizeasviralDNAs.Inmammals,them-genomeisaDNAcircleofabout16,500bps,encoding2ribosomalRNAs,22transferRNAsand13differentpolypeptidechainsthatareimportantcomponentsinconstructionofrespiratorychainandoxidation-phosphorylation.Withinthemitochondrialgenome,thegenesarecompactlyarrangedwithlittleintermissionbetweenthegenesand,inmostcases,withoutintroninsideeachofthegenes.Bytheseways,m-genomegivesthelimitedspace/sequencesafulluse.

3．线粒体基因组

线粒体不能重新合成。

增殖和分裂保持细胞中线粒体的数量。

线粒体DNA分子为相对简单的小的环状分子。

许多线粒体DNA分子和病毒DNA分子大小相似。

在哺乳动物中，线粒体基因组为含有16,500

个碱基对的环状DNA分子，可编码2种rRNAs、22种tRNAs和13种不同的多肽链（是呼吸链和氧化磷酸化的重要成分）。

在线粒体基因组中，基因的结构紧凑，基因之间很少有间隔，大多数情况下，基因中无内含子。

通过上述方式，线粒体基因组可使有限的空间得到充分的利用。

六、复习思考题：

为什么说线粒体是半自主性细胞器？

试述线粒体的结构及各部分的标志酶？

简述人类线粒体基因组与核基因组相比有何特点？

七、参考资料：

《细胞生物学》翟中和科学出版社2000

《细胞生物学》凌诒萍人民卫生出版社2001

八、其它：