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线粒体和过氧化物酶体

线粒体和过氧化物酶体. Chapter 7. 纲 要. 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 线粒体的形态结构.  线粒体的发现与功能研究 ◆ 1850 年，德国生物学家 Rudolph Kölliker 第一系统的研究了线粒体。 ( 肌细胞 ) ◆ 1900 年， Leonor Michaelis 氧化还原反应　

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线粒体和过氧化物酶体

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Presentation Transcript

  1. 线粒体和过氧化物酶体 Chapter 7

  2. 纲 要 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

  3. 7.1 线粒体的形态结构 线粒体的发现与功能研究 ◆1850年，德国生物学家Rudolph Kölliker第一系统的研究了线粒体。(肌细胞) ◆ 1900年，Leonor Michaelis 氧化还原反应　 ◆ 1943年，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 能量转换的部位 　　　逐步证明了线粒体具有Krebs循环、电子传递、氧化磷酸化的作用，从而证明了线粒体是真核生物进行能量转换的主要部位。

  4. 7.1 线粒体的形态结构 光镜下形态 大小 线状 直径约0.5~1μm 长度在1.5~3 μ m 颗粒状 故名线粒体

  5. 7.1 线粒体的形态结构

  6. 7.2 线粒体结构与化学组成

  7. 将线粒体放在100 mM蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线粒体的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线粒体内部蔗糖的平均浓度，结果只有50 mM， 比环境中蔗糖的浓度低。据此推测:线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内膜对蔗糖是不通透的 线粒体膜通透性实验

  8. 首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒体质)仍结合在一起，通过离心可将线粒体质分离。用去垢剂Lubrol处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有F1颗粒。首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒体质)仍结合在一起，通过离心可将线粒体质分离。用去垢剂Lubrol处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有F1颗粒。 线粒体组分的分离

  9. 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; 革兰氏阴性细菌外膜中的孔蛋白 ß折叠

  10. 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:细胞色素氧化酶; ◆按作用分3类酶 ①运输酶类 ②合成酶类 ③电子传递和ATP合成的酶类

  11. 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:进行氧化反应， 主要是三羧酸循环

  12. 线粒体膜的运输系统

  13. 线粒体的钙调节作用 系统1是由膜动力势引起的Ca2+离子流向线粒体基质; 系统2是通过与Na+离子的交换将Ca2+离子输出到胞质溶胶。

  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. 7.3.1 蛋白质寻靶与分选 蛋白质的两种运输方式 ●翻译后转运 游离核糖体上合成的蛋白质释放到胞质溶胶后被运送到不同的部位， 即先合成，后运输。在合成释放之后需要自己寻找目的地，又称为蛋白质寻靶。 ●共翻译转运 膜结合核糖体上合成的蛋白质通过定位信号，一边翻译，一边进入内质网，在翻译的同时进行转运定位， 通过信号肽，经过连续的膜系统转运分选才能到达最终的目的地，称为蛋白质分选。

  16. 细胞质核糖体的蛋白质合成与去向 共翻译转运 翻译后转运 分秘泡

  17. 游离核糖体合成蛋白质的去向

  18. 前导肽与信号肽 ◆前导肽(leading peptide) 将游离核糖体上合成的蛋白质的N-端信号称为导向信号，或导向序列，由于这一段序列是氨基酸组成的肽，所以又称为转运肽。 ◆信号肽(signal peptide) 　　　将膜结合核糖体上合成的蛋白质的N-端的序列称为信号序列，将组成该序列的肽称为信号肽。

  19. ◆线粒体前导肽的性质 ●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。 有利于穿过线粒体的双层膜； ●需要消耗能量; ●需要分子伴侣。

  20. ◆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）

  21. 两个导向序列，位于N端最前面的为基质导向序列，其后还有第二个导向序列，即膜间隙导向序列，功能是将蛋白质定位于内膜或膜间隙两个导向序列，位于N端最前面的为基质导向序列，其后还有第二个导向序列，即膜间隙导向序列，功能是将蛋白质定位于内膜或膜间隙 双导向序列 基质导向序列 膜间隙导向序列

  22. ◆如何证明前导肽引导 蛋白质进入线粒体? P274

  23. ◆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

  24. 线粒体蛋白定位的实验

  25. 7.3.2 线粒体蛋白定位

  26. 线粒体基质蛋白定位 线粒体膜间间隙蛋白的定位 需要两个前导肽、两种方式: ◆保守性寻靶 ◆非保守性寻靶 线粒体内膜蛋白的定位 线粒体外膜蛋白的定位

  27. 线粒体基质蛋白定位 前导肽 前导肽酶

  28. 前体蛋白在游离核糖体合成释放之后，在细胞质分子伴侣 Hsp70的帮助下解折叠， • 然后通过N-端的前导肽同线粒体外膜上的受体蛋白识别， • 并在受体(或附近)的内外膜接触点(contact site)处利用ATP水解产生的能量进入转运蛋白的运输通道， • 然后由电化学梯度驱动穿过内膜，进入线粒体基质 • 在基质中， 由线粒体分子伴侣Hsp70(mHsp70)继续维持前体蛋白的解折叠状态。 • 接着在Hsp60的帮助下， 进行正确折叠， • 最后由前导肽酶切除导向序列，成为成熟的线粒体基质蛋白。

  29. 线粒体膜间间隙蛋白保守性寻靶 膜间隙导向序列 基质导向序列 前导肽酶

  30. ◆线粒体膜间间隙蛋白的转运 定位需要两个导向序列，基质导向序列和膜间隙导向序列。这类蛋白有两种转运定位方式。 保守性寻靶 前体蛋白在N-端的基质导向序列引导下采用与线粒体基质蛋白同样的运输方式，将前体蛋白转运到线粒体基质， 在基质中由前导肽酶切除基质导向序列后， 膜间隙导向序列就成了N端的导向序列， 它能够识别内膜的受体和转运通道蛋白，引导蛋白质穿过内膜，进入线粒体膜间隙，然后由线粒体膜间隙中的前导肽酶将膜间隙导向序列切除。

  31. 线粒体膜间间隙蛋白非保守性寻靶 膜间隙导向序列 基质导向序列 前导肽酶 膜间隙导向序列作为停止转运序列锚定在内膜上

  32. ● 非保守性寻靶 在线粒体基质导向序列的引导下，通过线粒体的外膜和内膜，但是疏水的膜间隙导向序列作为停止转运序列锚定在内膜上，从而阻止了蛋白质的C-末端穿过内膜进入线粒体基质； 然后通过蛋白质的扩散作用，锚定在内膜上的蛋白逐渐离开转运通道，最后在前导肽酶的作用下，将膜间隙导向序列切除，蛋白质释放到膜间隙。

  33. 线粒体外膜、内膜蛋白的定位 只需一个前导肽，引导外膜和内膜蛋白穿膜，前导肽后面一段疏水的停止转运序列阻止转运蛋白进一步穿膜， 外膜蛋白：停止转运序列与外膜转运酶结合 P274 内膜蛋白：停止转运序列与内膜转运酶结合

  34. 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): 葡萄糖(或糖原)在正常有氧的条件下， 氧化后产生CO2和水，分为三个阶段 ◆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

  35. 葡萄糖酵解生成丙酮酸 糖酵解(glycolysis)：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。 • 细胞质中 • 不耗氧

  36. 糖的酵解与氧化 糖酵解 丙酮酸

  37. 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。

  38. 乙酰辅酶A的生成 丙酮酸脱氢酶 丙酮酸

  39. ●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。

  40. β氧化

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

  42. 三羧酸循环

  43. 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 　◆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?

  44. 几种辅酶的结构

  45. ■ 电子载体(electron carriers) 在电子传递过程中与释放的电子结合并将电子传递下去的物质 电子载体类型 除了辅酶Q以外，接受和提供电子的氧化还原中心都是与蛋白相连的辅基

  46. ◆黄素蛋白 一条多肽结合1个辅基组成的酶类，结合的辅基可以是FAD或FMN 两个质子和电子 ◆细胞色素 血红素辅基Fe3+和 Fe2+ 单个的电子 ◆铁硫蛋白 细胞色素类蛋白 铁-硫中心 Fe3+和 Fe2+ ◆泛醌或称辅酶Q 一种脂溶性的分子 两个电子和质子 部分还原的称为半醌，完全还原的称为全醌

  47. 泛醌的氧化与还原

  48. 呼吸链(respiratory chain) ◆又称电子传递链，是线粒体内膜上的一组酶的复合体 ◆功能 ●电子传递 ●H+的传递 ●利用氧，产生水和ATP

  49. 电子传递链

  50. ●复合物I (Complex I) 又称NADH 脱氢酶或NADH-CoQ 还原酶复合物， 功能：催化一对电子从NADH传递给CoQ，伴随着4个质子被传递到膜间隙。 ●复合物Ⅱ (Complex Ⅱ) 又称为琥珀酸脱氢酶或琥珀酸-CoQ 酶复合物， 功能：催化电子从琥珀酸传递给辅酶Q， 不伴随氢的传递。

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