第六章 线粒体的结构及生物功能 线粒体

通过本章的学习，同学们应该掌握下述内容： 线粒体是真核生物细胞内的动力工厂 2. 线粒体的特殊结构决定了它们能够给细胞提供生物能量 3. 线粒体是一种‘半自主性’的细胞器 4. 线粒体与生命活动的关系 1）没有生物能量就没有生命 2）线粒体直接参与了细胞凋亡的信号途径 5. 线粒体异常与疾病

通过本章的学习，同学们应该掌握下述内容： 线粒体是真核生物细胞内的动力工厂 2. 线粒体的特殊结构决定了它们能够给细胞提供生物能量 3. 线粒体是一种‘半自主性’的细胞器 4. 线粒体与生命活动的关系 1）没有生物能量就没有生命 2）线粒体直接参与了细胞凋亡的信号途径 5. 线粒体异常与疾病

线粒体的结构与功能：线粒体是含有双层膜结构的膜式细胞器

生化反应（燃烧燃料）

电子传递， 能量转换 生化反应（燃烧燃料）

化学渗透假说

ATP合成酶的结构组成

ATP合成的机理

外膜 内膜：呼吸链，ATP合成酶 线粒体结构 基质 内外膜转位接触点 Tim, Tom 内外膜之间的空间 mtDNA 三羧酸循环，脂肪酸氧化的酶系

线粒体是一种‘半自主性’的细胞器

线粒体的遗传体系 （一）线粒体基因组 特点： 人mtDNA 1. mtDNA裸露，不与组蛋白结合； 2. mtDNA双链编码不对称； 主要编码线粒体的tRNA、rRNA、某些线粒体蛋白质 3. mtDNA结构紧密，很少非编码序列，无内含子，高效、经济，复制快； 4.复制不受细胞周期限制，重链先于轻链复制。 人mtDNA 细胞生物学

mtDNA很多基因没有完整的终止密码， 而仅以T或TA 结尾，mRNA的终止信号是在转录后加工时加上去的。 mRNA：起始密码：AUG、AUA；终止密码：UAA、U；有3‘poly(A)无5’帽；起始氨基酸为甲酰甲硫氨酸； tRNA、rRNA：为mtDNA编码； 核糖体：核糖体蛋白为核编码； 密码子：与通用密码子有所不同. 细胞生物学

人mtDNA基因组编码序列 mtDNA全长16569bp， 13个编码蛋白质 共有37个基因 2个rRNA gene， 22个tRNA gene 13个蛋白质基因中，1个编码细胞色素b亚基，3个编码COⅥ复合体催化活性中心的亚单位CoⅠ, CoⅡ, CoⅢ, 7个为NADH－CoQ还原酶复合体的亚基，即ND1、ND2、ND4、ND4L、ND5、ND6、ND7。 H链编码：2个rRNA，14个tRNA，12个蛋白质 L链编码：8个tRNA，1个蛋白质。 细胞生物学

（二）mtDNA转录的特点 （三）mtDNA复制的特点 H链、L链各有复制起始点 重链启动子（heavy-strand promoter，HSP） 轻链启动子（light-strand promoter，LSP） mtRNA直接在线粒体的核糖体上合成蛋白质 所有线粒体tRNA都是mtDNA编码 （三）mtDNA复制的特点 H链、L链各有复制起始点 一正在复制的动物细胞的mtDNA 细胞生物学

总结：线粒体的半自主性 半自主性细胞器：自身含有遗传表达系统(自主性)；但编码的遗传信息十分有限，其RNA转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息(自主性有限)。 核基因：编码线粒体90%的蛋白质和酶，如核糖体蛋白质、RNA和DNA聚合酶、 RNA加工酶、氨酰tRNA合成酶、蛋白质调节因子、膜蛋白、基质酶与结构蛋白等，mtDNA的复制、转录和线粒体编码的蛋白质表达都离不开核基因。 mtDNA：编码自身rRNA、tRNA和部分蛋白质（部分细胞色素氧化酶亚基和ATP合酶亚基）。 细胞生物学

核编码蛋白质向线粒体的转运 （一）核编码蛋白质向线粒体基质中的转运 基质导入顺序与分子伴侣 蛋白质在转运进入线粒体时的重要分子 2. 前体蛋白的非折叠状态 可溶性前体蛋白质在胞质合成后处于折叠状态，但在转运进入线粒体时要解折叠 3. 分子运动产生跨膜转运动力 前体蛋白在转运进入线粒体时可能需要外力帮助 4. 多肽链在线粒体基质内的再折叠 前体蛋白进入线粒体成为具功能活性的蛋白质 细胞生物学

1. 重要分子： 基质导入序列（matrix-targeting sequence，MTS）：长约20-80个氨基酸 ◆特异性 富含正电荷氨基酸(特别是精氨酸、赖氨酸)和羟基氨基酸，不含有或基本不含有带负电荷的酸性氨基酸； 序列中并且有形成两性(既亲水又疏水)α螺旋的倾向。 需要消耗能量; 需要分子伴侣； 只决定运输方向，不具有特异性。 ◆特异性 具有细胞结构的特异性 不同片段含有不同的信息 细胞生物学

分子伴侣： 热休克蛋白70 （Hsp70） 线粒体基质hsp70 （ mtHsp70 ） 热休克蛋白60 （Hsp60） 细胞生物学

2.前体蛋白在线粒体外去折叠： ①在胞质中合成的前体蛋白， 与分子伴侣NAC和hsp70 结合形成复合物； ② 胞浆中的PBF、MSF和 Ydjlp等因子与复合物结 合，从而协助前体蛋白 的转运和解聚； 细胞生物学

3.多肽链穿越线粒体膜： 进入线粒体； ② mtHsp70先与进入线粒体的前导肽链结合，拖拽 着线粒体蛋白进入腔内； ① 解聚的前体蛋白与膜输入受体结合，跨越膜通道 进入线粒体； ② mtHsp70先与进入线粒体的前导肽链结合，拖拽 着线粒体蛋白进入腔内； 细胞生物学

4.多肽链在线粒体基质内重新折叠： 分子伴侣（如hsp70、hsp60、 hsp10）的协助下，输入的 多肽链又折叠为天然构象而 行使功能。 在线粒体基质中的一些 分子伴侣（如hsp70、hsp60、 hsp10）的协助下，输入的 多肽链又折叠为天然构象而 行使功能。 MTS与MPP 细胞生物学

细胞生物学

核编码蛋白向线粒体其他部位的转运 1. 定位于线粒体膜间腔的蛋白质： 膜间腔导入序列（ISTS）与MTS：二种方式 直接从胞质扩散方式 2. 定位于线粒体内外膜的蛋白质 细胞生物学

线粒体的起源与生物发生 （一）线粒体的增殖 由原来的线粒体分裂而来。 出芽分裂：酵母细胞、苔藓 收缩分裂：类似于无丝分裂 间壁分裂：从内膜开始收缩后分裂 DNA随机地、不均等的被分配到新的线粒体中 细胞生物学

细胞生物学

（二）线粒体的起源 1. 内共生起源学说 （endosymbiosis hypothesis) ◆Margulis，1970年：线粒 体的祖先--原线粒体是一种革兰氏阴性细菌。 细胞生物学

◆内共生起源学说的主要论据 基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。 有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质，蛋 白质合成机制有很多类似细菌而不同于真核生物。 两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相 似，内膜与细菌质膜相似。 以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。 能在异源细胞内长期生存，说明线粒体具有的自主性 与共生性的特征。 线粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色非硫光合 细菌。 细胞生物学

◆不足之处 从进化角度，如何解释在代谢上明显占优势的共生 体反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞中？ 不能解释细胞核是如何进化来的，即原核细胞如何 演化为真核细胞？ 线粒体的基因组中存在内含子，而真细菌原核生物基因组中不存在内含子，如果同意内共生起源学说的观点，那么线粒体基因组中的内含子从何发生？ 细胞生物学

2. 非共生起源学说 ◆主要内容：真核细胞的前身是一个进化上比较高等 的好氧细菌。 ◆成功之处：解释了真核细胞核被膜的形成与演化的 渐进过程。 ◆不足之处 实验证据不多 无法解释为何线粒体与细菌在DNA分子结构和蛋白质合成性能上有那么多相似之处 对线粒体的DNA酶、RNA酶和核糖体的来源也很难解释。 真核细胞的细胞核能否起源于细菌的核区？ 细胞生物学

线粒体与生命活动的关系 1）没有生物能量就没有生命 2）线粒体直接参与了细胞凋亡的信号途径

细胞凋亡的信号转导通路主要由死亡受体和线粒体介导 tbid

线粒体异常与疾病

线粒体与医学 一、疾病过程中的线粒体变化 1.正常的心肌、骨骼肌细胞在功能亢进时，可见线粒体增生； 　线粒体与医学 一、疾病过程中的线粒体变化 1.正常的心肌、骨骼肌细胞在功能亢进时，可见线粒体增生； 2.有害物质的渗入、病毒入侵等可引起线粒体肿胀甚至破裂； 3.缺血性损伤时，线粒体凝集、肿胀； 4.线粒体内异常物质的大量累积，多见于缺血时，可致功能改变； 6.随年龄增长数目减少，体积增加 细胞生物学

二、mtDNA突变与疾病 ◆ mtDNA的突变率要比核DNA高10倍。 原因是： ① mtDNA对发生突变有高度的易向性； ③ 线粒体呼吸链产生大量的氧自由基。 线粒体呼吸构成机体耗氧量的90％以上，因此氧自由基产额高。相对说来自由基清除系统薄弱。 ◆ 线粒体具有一定修复mtDNA损伤的能力。 如 DNA损伤的直接恢复(direct reversal)有关酶的发现、错误配对的修复。 细胞生物学

◆线粒体疾病与线粒体医学的概念 定义：以线粒体结构和功能缺陷为主要疾病原因的疾病常称 为线粒体疾病（ mitochondrial disorders）。 研究史有 40 余年。 a. 1959 年发现第一位线粒体病人。 b. 迄今已发现 130 多种由 mtDNA 异常引起的疾病。 c. 特点：母系遗传。 细胞生物学

线粒体疾病主要影响神经、肌肉系统。如 线粒体心肌病（克山病）：缺乏硒引起线粒体膜不稳定，心肌线粒体膨胀、缺嵴、嵴不完整，电子传递链酶及ATP合酶活性下降，膜流动性下降，电子传递和氧化磷酸化受抑。 细胞生物学

细胞生物学

mtDNA-nDNA突变交互作用引起的疾病 细胞生物学

对射线和微波的反应：线粒体出现缺嵴、粘连、空化、紊乱等现象； 总结：线粒体是敏感性细胞器 对射线和微波的反应：线粒体出现缺嵴、粘连、空化、紊乱等现象； 对缺血的反应：膜通透性改变，ATP合酶活性下降，外腔扩大，内腔浓缩、体积增加，线粒体肿胀、凝集、基质蛋白变性，基质絮状变，线粒体解体； 对药物、毒物的反应：畸形变——巨大线粒体、功能受损； 甲状腺素：如甲亢，活化胞膜Na+-K+-ATP酶，促使ATP分解，ADP大量进入线粒体，氧化磷酸化作用加强，产热耗氧增加； 呼吸抑制剂：鱼藤酮、抗霉素A、CN-、CO等； 疾病治疗：细胞色素C、辅酶Q、辅酶I，用于治疗缺氧、急救、肿瘤、肌肉萎缩症等。 细胞生物学 46