CHAPTER 7 MITOCHONDRION AND PEROXISOM

OUTLINE 7.1 线粒体形态 7.2 线粒体结构与化学组成 7.3 导向信号与线粒体蛋白定位 7.4 线粒体功能:氧化磷酸化 7.5 线粒体遗传、增殖和起源 7.6 过氧化物酶体

7.1 线粒体的形态

Organization and Function of Mitochondria

 线粒体的发现与功能研究 ◆1885年,Rudolph KÖlliker的研究工作 ◆1900年，Leonor Michaelis的研究工作 ◆Arbert Claude采用盐法分离技术分离到线粒体 ◆1948年George Hogeboom等采用蔗糖介质分离有活性的线粒体

7.2 线粒体结构与化学组成

外膜(outer menbrane) 内膜(inner membrane) ◆标志酶:单胺氧化酶; ◆外膜含有较大的通道蛋白:孔蛋白; ◆线粒体进行电子传递和氧化磷酸化的部位,通透性差; ? ◆含有大量的心磷脂(cardiolipin), 心磷脂与离子的不可渗透性有关; ◆内膜的标志酶是细胞色素氧化酶; ◆3类酶

膜间隙(intermenbrane space) ◆标志酶:腺苷酸激酶 ◆功能:建立电化学梯度 线粒体基质(matrix) ◆标志酶:苹果酸脱氢酶 ◆功能: ? ●生化角度: ●细胞生物学角度:

细菌外膜中的孔蛋白

线粒体膜通透性实验

线粒体组分的分离

线粒体内外膜的分离 ?

线粒体膜的运输系统

线粒体的钙调节作用

7.3 前导肽与线粒体蛋白定位 ◆线粒体各部分的蛋白 质来自何方? ◆定位机理如何?

不同类型核糖体合成的蛋白质

九九年诺贝尔医学奖得主-布洛贝尔

7.3.1 前导肽(leading peptide) 蛋白质的两种运输方式 ◆细胞质中的核糖体在合成蛋白质时有两种可能的存在状态∶ ●游离核糖体(free ribosome)； ●膜旁核糖体(membranous ribosomes)。

◆蛋白质的两种运输方式 ●翻译后转运 (post-tranlational translocation) ●共翻译转运 (co-translational translocation)

细胞质核糖体的蛋白质合成与去向

游离核糖体合成蛋白质的去向

◆前导肽(leading peptide) 前导肽与信号肽 ◆前导肽(leading peptide) 导向序列、导向信号、转运肽 ◆信号肽(signal peptide)

◆前导肽的性质 ●长约20-80个氨基酸，通常带正电荷的碱性氨基酸(特别是精氨酸和赖氨酸)含量较为丰富; ●序列中不含有或基本不含有带负电荷的酸性氨基酸，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。 ◆前导肽的特异性 ●具有细胞结构的特异性 ●前导肽的不同片段含有不同的信息

双导向序列

◆如何证明前导肽引导 蛋白质进入线粒体?

◆实验设计 ●分离线粒体 ●与具有线粒体基质定 位信号的前体蛋白温育 ●胰蛋白酶处理

线粒体蛋白定位的实验

7.3.2 线粒体蛋白定位 线粒体基质蛋白定位 线粒体膜间间隙蛋白的定位 线粒体内膜蛋白的定位 线粒体外膜蛋白的定位 mitochondrial intermembrane space protein的定位需要两个前导肽、两种方式: ◆保护性寻靶 ◆非保护性寻靶 线粒体内膜蛋白的定位 线粒体外膜蛋白的定位

◆mitochondrial matrix protein

线粒体膜间间隙蛋白保护性寻靶

线粒体膜间间隙蛋白非保护性寻靶

线粒体膜间间隙蛋白寻靶新说

线粒体内膜蛋白定位的三种途径 ?

外膜蛋白的定位 运送到外膜的蛋白质没有导 肽, 它的氨基酸末端延伸部分就 有识别受体的功能,直接插入到外 膜。

7.4 线粒体的功能:氧化磷酸化作用 7.4.1 真核细胞中的氧化作用 糖的有氧氧化(细胞氧化或生物氧化): ◆糖氧化成丙酮酸 ◆丙酮酸脱羧生成乙酰CoA ◆乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化

葡萄糖酵解生成丙酮酸 细胞质中的葡萄糖(或糖原)在一 系列酶的催化下生成丙酮酸的过程成 为糖酵解(glycolysis)。

糖的酵解与氧化

线粒体基质中乙酰辅酶A的生成 ◆丙酮酸跨膜进入线粒体基质； ◆在丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase)作用下氧化成乙酰辅酶A。

乙酰辅酶A的生成

●生物需要能量时首先利用多糖; ●必要时也会利用脂肪: ▲脂肪被水解生成脂肪酸; ▲脂肪酸能够进入线粒体基质，通过β氧化途径(β-oxidation pathway)循环氧化生成乙酰辅酶A。

β氧化

三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle, TCA) 又叫Krebs循环、柠檬酸循环。

三羧酸循环 ?

7.4.2 呼吸链与电子传递 线粒体能量转换策略 ? ◆三羧酸循环中的能量转换 NAD+ → NADH FAD+ → FADH2 线粒体能量转换策略 ? ◆三羧酸循环中的能量转换 NAD+ → NADH FAD+ → FADH2 ◆NADH和FADH2必须被氧化才能维持三羧酸循环 NADH + 1/2 O2 → NAD+ + 能量 FADH2 + 1/2 O2 → FAD+ + 能量 ◆NADH和FADH2被氧化时释放的H+、电子和能量如何安置?

几种辅酶的结构

呼吸链(respiratory chain) ◆又称电子传递链,是四种复合物组成的复合体 ◆功能是参与对还原型辅酶的氧化 ●H+的传递 ●电子传递

The Electron Transport Chain

●Complex I NADH-coenzyme Q reductase ●Complex Ⅱ succinate-coenzyme Q oxidoreductase) or succinate dehydrogenase ●Complex Ⅲ(Cytochrome bcl) UQH2-cytochromes oxidoreductase ●Complex Ⅳ cytochrome c-O2 oxidase

递电子体与递氢体 ◆递电子体 ◆递氢体 ◆电子传递、氢质子传递方式 ◆电子载体类型∶铁硫蛋白、黄素蛋白、细胞色素和辅酶Q。

Types of Electron Carriers ◆铁硫蛋白(Iron-sulfur proteins) ◆黄素蛋白(Flavoproteins) ◆细胞色素(Cytochromes) ◆泛醌(Ubiquinone) 。

泛醌的氧化与还原

主次电子传递链 ◆主呼吸链∶ 复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ构成主呼吸链，从NADH来的电子依次经过这三个复合物, 进行传递。 ◆次呼吸链∶ 复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ构成次呼吸链，来自FADH2的电子不经过Ⅰ。

线粒体内膜主次呼吸链

7.4.3 电子传递与氧化磷酸化 ◆Oxidative phosphorylation 活细胞中伴随着呼吸链的氧化作用所发生的能量转换和ATP的形成过程。

线粒体内膜电化学梯度的建立 ◆Electrochemical gradient ●质子梯度 ●内膜两侧电位差 ◆proton-motive force(质子动势)

THE ESTABLISHMENTOF A PROTON-MOTIVE FORCE

F1-F0 复合物是ATP合成部位 通过线粒体内膜重建实验证 明位于内膜上的F1-F0颗粒是呼吸 链中ATP合成的部位。

线粒体内膜重建实验

 F0-F1颗粒的结构和功能 ◆酶活性:两种酶活性 ●ATP水解酶的活性 ●ATP合成酶的活性 故F0-F1颗粒又称为ATP合酶(ATP synthase )。

Structure of ATP synthase

◆结构 ●Head section:即F1, 由5种多肽组成九聚体,含有3个催化ATP合成的位点,每个β亚基一个。 ●Stalk section:由F1的γ亚基和ε亚基构成,γ亚基穿过头部作为头部旋转的轴。 ●Membrane section:即F0, 由3种不同的亚基组成的十五聚体(1a∶2b∶12c)。 c亚基: b亚基: a亚基:

The Mechanism of Oxidative Phosphorylation 英国生物化学家P.Mitchell 1961年提出了化学渗透假说(chemiosomotic compling hypothesis)解释氧化磷酸化的偶联机理。

化学渗透学说

Q 循 环

F1和γ旋转实验示意图

7.6 peroxisome ◆Peroxisomes are simple, membrane-bound vesicles (or microbodies, as they are also called) ◆A diameter of 0.1 to 1.0 μm that often contain a dense, crystalline core of oxidative enzymes ◆Peroxisomes are multifunctional organelles, containing more than 50 enzymes involved in such diverse activities ◆glyoxysome :specialized type of peroxisome, present in plants.

电镜下的过氧化物酶体

过氧化物酶体的发现 ◆尿酸氧化酶(urate oxidase)的发现 ◆密度梯度离心 ◆去垢剂注射实验 ◆酶释放实验

酶释放实验

7.6.1 过氧化物酶体的酶类 ◆氧化酶(oxidases) ●约占过氧化物酶体酶总量的一半 ●各种氧化酶作用于不同的底物 ●将氧还原成过氧化氢。 RH2 + O2 → R + H2O2

◆过氧化氢酶(catalase) ●是过氧化物酶体的标志酶 ●约占过氧化物酶体酶总量的40% ●作用是将过氧化氢还原成水 RH2 +H2O2 → R + 2H2O

7.6.2 基本功能 ◆Peroxisomes are the site of synthesis and degradation of hydrogen peroxide (H202) ◆与衰老相关 ? ◆对氧浓度的调节作用

氧浓度对过氧化物酶体 和线粒体呼吸作用的影响 氧浓度对过氧化物酶体 和线粒体呼吸作用的影响

7.6.3 过氧化物酶体生物发生 ◆过氧化物酶体通过二裂法进行增殖; ◆所有的酶和蛋白都是由核基因编码并在细胞质中的游离核糖体上合成,通过导肽运送而来； ◆过氧化物酶体的脂类都是由内质网合成并通过胞质溶胶中的磷脂交换蛋白输送的； ◆在过氧化物酶体酶蛋白的羧基端有一个三肽序列∶Ser-Lys-Leu 起引导作用。

过氧化物酶体的增殖

过氧化物酶体生物发生