1、细胞生物学11课程名称：细胞生物学课 型：理论课授课章节：授课内容：授课地点：授课时间：教学手段：多媒体教学时数：教材及参考书目：医学细胞生物学 宋今丹主编 一、教学目的与要求：1.掌握线粒体的结构、化学组成；掌握线粒体基因组的特点，了解线粒体的生物发生。2.掌握细胞呼吸、ATP是细胞能量转换分子；熟悉细胞呼吸的基本过程及细胞定位。线粒体的半自主性3.了解化学渗透假说，ATP合成机制。5.熟悉细胞的能量转换与医学的关系二、教学用具：三、重点、难点、关键点：线粒体的结构、化学组成；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线粒体的半自主性四、教学内容：第十一章 线粒体 （Mitoc
2、hondrion）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 (out membrane) 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 (inner membrane)： 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
3、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 (elemetary particle)：（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ADPATP 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）(intermembrane space / out chamber)： 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
4、 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
5、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
6、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(leader sequence) ：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
7、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（cellular respiration） 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（cellular oxidation）二细胞能量转换分子 释放能量：ADP+PiATP（储存） 需要能量：ATP-PiADP（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
8、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
9、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：Mitochondria occupy a substantial fraction of the cytoplasm of all eucaryotic cells. For instance, each hepatocyte
10、 contains 1K to 2K mitochondria, which in total occupy 1/5 of the cell volume. They can convert energy to the forms that can be used to drive cellular reactions. Their specialized function is reflected in the morphological feature containing a large amount of internal membrane. This membrane plays t
11、wo crucial roles in the function of these energy-converting organelle: 1) providing framework （框架）for electron-transport process used to convert the energy of oxidation reactions to more useful forms ATP and 2) it encloses a large internal compartment （内部空间）containing enzymes that catalyze other cel
12、lular reactions.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。General features of mitochondriaShape: stiff, elongated cylinde
13、r （筒状物）but constantly changing the shape;Size: 0.5-1.0um, resembling bacteria;Distribution: in cytoplasm; often associated with microtubules for unique orientation and distribution in some type of cells, while in others they remain fixed in one position where they provide ATP directly to a site with
14、 high ATP consumption.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。Structures and their functionsMatrix. Contains a highly concentrated mixture of hundreds of enzymes, including those required for the oxidation of pyruvate, fatty acid
15、s and citric acid cycle. It also contains mitochondrial DNA genome, special ribosomes, tRNAs and various enzymes for expression of mitochondrial genes.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。Inner membrane: It is folded into numerous cristae (嵴) for i
16、ncreasing its total surface area. It contains proteins with three types of functions: (1) carry out oxidation reactions of the respiratory chain, (2) an enzyme complex called ATP synthetase that makes ATP in the matrix, (3) specific transport proteins that regulate the passage of metabolites into an
17、d out of the matrix. 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。Outer membrane: It contains a large amount of channel-forming proteins (called porin). It is permeable to all molecules of 10Kda or less. Other proteins in this membrane include enzym
18、es involved in mitochondrial lipid synthesis and enzymes that convert lipid substrates into forms that are subsequently metabolized in the matrix.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: a series of infolding structures in the matrix space formed by
19、 the highly convoluted inner membrane. It constitutes about 1/3 of total membrane of the cell. It is the site for ATP formation, and therefore the cristae number in cardiac cells is 3 times higher than that in liver cells because of the greater demand for ATP in heart cells. Additionally, there are
20、substantial differences in the mitochondrial enzymes of different cell types.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. The Genome of MitochondrionMitochondria are never made de novo. Growth and division maintain the number of m
21、itochondria in a cell. mDNA molecules are relatively small, simple and circular. Many mDNA molecules are about the same size as viral DNAs. In mammals, the m-genome is a DNA circle of about 16,500 bps, encoding 2 ribosomal RNAs, 22 transfer RNAs and 13 different polypeptide chains that are important
22、 components in construction of respiratory chain and oxidation-phosphorylation. Within the mitochondrial genome, the genes are compactly arranged with little intermission between the genes and, in most cases, without intron inside each of the genes. By these ways, m-genome gives the limited space/se
23、quences a full use.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：
