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1、CHR 7 MITOCHONDRION AND PEROXISOM 1 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 2 7.1 线粒体的形态 3 Organization and Function of Mitochondria 4 线粒体的发现与功能研究 1885年,Rudolph Klliker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 Hoge
2、boom等采用蔗糖介 质分离有活性的线粒体 5 7.2 线粒体结构与化学组成 6 外膜(outer menbrane) 标志酶:单胺氧化酶; 外膜含有较大的通道蛋白:孔蛋白; 内膜(inner membrane) 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 7 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: 8 细 菌 外 膜 中
3、 的 孔 蛋 白 9 线粒体膜通透性实验 10 线 粒 体 组 分 的 分 离 11 线 粒 体 内 外 膜 的 分 离 ? 12 线 粒 体 膜 的 运 输 系 统13 线 粒 体 的 钙 调 节 作 用 14 线粒体各部分的蛋白 质来自何方? 定位机理如何? 7.3 前导肽与线粒体蛋白定位 15 不同类型核糖体合成的蛋白质 16 九九 年诺 贝尔 医学 奖得 主-布 洛贝 尔 17 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 r
4、ibosomes)。 18 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) 19 细胞 质核 糖体 的蛋 白质 合成 与去 向 20 游离核糖体合成蛋白质的去向 21 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) 22 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
5、(既亲水又疏水 )螺旋的倾向。 23 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 24 双导向序列 25 如何证明前导肽引导 蛋白质进入线粒体? 26 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 27 线粒体蛋白定位的实验 28 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 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 29 mitoc
6、hondrial matrix protein 30 线粒体膜间间隙蛋白保护性寻靶 31 线粒体膜间间隙蛋白非保护性寻靶 32 线粒体膜间间隙蛋白寻靶新说 33 线粒体内膜蛋白定位的三种途径 ? 34 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。 35 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 36 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
7、为糖酵解(glycolysis)。 37 糖的酵解与氧化 38 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 。 39 乙酰辅酶A的生成 40 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 氧化途径(-oxidation pathway)循环 氧化生成乙酰辅酶A。 41 氧 化 42 三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle, TCA) 又叫Krebs循环、柠檬酸循环。 43 三 羧 酸 循 环 ? 44 7.4.
8、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 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? 45 几 种 辅 酶 的 结 构 46 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 47 The Electron Transport Chain 48 Complex I NA
9、DH-coenzyme Q reductase Complex succinate-coenzyme Q oxidoreductase) or succinate dehydrogenase Complex (Cytochrome bcl) UQH2-cytochromes oxidoreductase Complex cytochrome c-O2 oxidase 49 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。 50 Types of Electron Carriers 铁硫蛋白(Iron-sulfur protein
10、s) 黄素蛋白(Flavoproteins) 细胞色素(Cytochromes) 泛醌(Ubiquinone) 。 51 泛 醌 的 氧 化 与 还 原 52 主次电子传递链 主呼吸链 复合物、和构成主呼吸链，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、构成次呼吸链，来自 FADH2的电子不经过。 53 线粒 体内 膜主 次呼 吸链 54 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。 55 线粒体内膜电化学梯度的建立 Electrochemical g
11、radient 质子梯度 内膜两侧电位差 proton-motive force(质子动势) 56 THE ESTABLISHMENTOF A PROTON-MOTIVE FORCE 57 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。 58 线 粒 体 内 膜 重 建 实 验59 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 )。 60 Structure of ATP synthase 61 结构 Head sect
12、ion:即F1, 由5种多肽组成九聚体 ,含有3个催化ATP合成的位点,每个亚基一 个。 Stalk section:由F1的亚基和亚基构成 ,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(1a2b12c)。 c亚基: b亚基: a亚基: 62 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。 63 化学渗透学说 64 Q 循 环
13、65 F1和旋转实验示意图 66 7.6 peroxisome Peroxisomes are simple, membrane-bound vesicles (or microbodies, as they are also called) A diameter of 0.1 to 1.0 m that often contain a dense, crystalline core of oxidative enzymes Peroxisomes are multifunctional organelles, containing more than 50 enzymes involved
14、in such diverse activities glyoxysome :specialized type of peroxisome, present in plants. 67 电 镜 下 的 过 氧 化 物 酶 体 68 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 69 酶释放实验 70 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 71 过氧化氢酶(catalase) 是过氧化物酶体的标志
15、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 72 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 73 氧浓度对过氧化物酶体 和线粒体呼吸作用的影响 74 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。 75 过氧 化物 酶体 的增 殖 76 过氧 化物 酶体 生物 发生 77
