线粒体与细胞的能量转换

这是一个关于线粒体与细胞的能量转换的思维导图，包含线粒体的基本特征、 线粒体的遗传体系、线粒体的起源、 线粒体的分裂与融合等。

线粒体与细胞的能量转换

• 概述
  • 异养生物具有线粒体
  • 细胞生命活动80%的能量由线粒体提供
  • 除哺乳动物成熟红细胞外的所有真核细胞中都具有
  • 是细胞进行生物氧化和能量转换的主要场所
• 线粒体的基本特征
  • 形态、数量和结构
    • 形态
      • 呈杆状、线状或粒状
      • 形态与环境有关：在低渗环境下呈泡状，高渗呈线状
      • 形态与发育阶段有关：以人胚肝细胞为例，早期为短棒状，晚期为长棒状
      • 与细胞所处环境有关：渗透压和pH
    • 数量
      • 因细胞不同存在差异最少一个，最多50万个
      • 总体积占细胞的25%
      • 与细胞代谢活动有关，代谢旺盛，线粒体多
    • 结构
      • 由双层单位膜套叠而成的封闭性囊膜
      • 外膜
        • 厚度5~7纳米
        • 组成
          • 一半是脂类，一半是蛋白质
        • 含有转运蛋白
      • 内膜
        • 厚度比外膜稍薄约4.5纳米
        • 结构
          • 将内部空间分为两部分：基质和膜间腔
          • 内膜上有大量向内腔突起的褶皱—嵴
          • 嵴与嵴之间的内腔部分为嵴间腔
          • 嵴上附着有许多颗粒，称为基粒
            • 头部
            • 柄部
            • 基片
        • 化学组成
          • 20%脂质，80%是蛋白质
            • 含有各种酶：ATP合成酶
        • 内膜通透性小，分子量大于150的物质不便于通过，且具有高度选择性
          • 低通透性有助于线粒体内膜两侧质子电化学梯度的建立
    • 各部分结构作用
      • 内外膜
        • 内外膜相互接近所形成的转位接触点是物质转运到线粒体的临时结构
        • 分子有蛋白质等物质进出线粒体的通道蛋白和特异性受体，即内膜转运子和外膜转运子
      • 基质
        • 是氧化代谢的主要场所
          • 三羧酸循环，脂肪酸氧化，氨基酸分解，蛋白质合成
        • 还有独特的双链环状DNA，核糖体
          • 进行遗传信息的复制，转录和翻译
  • 化学组成
    • 蛋白质
      • 约占65%～70%
      • 多数位于内膜和基质
      • 分类
        • 可溶性
          • 基质中的酶和膜外周蛋白
        • 不溶性
          • 膜结构蛋白或膜镶嵌蛋白
    • 脂类
      • 约占25%~30%
    • 含有DNA和完整的遗传系统，多种辅酶
      • 标志性酶是苹果酸脱氢酶和腺苷酸激酶
• 线粒体的遗传体系
  • 线粒体DNA构成的线粒体基因组
    • DNA是裸露的，附着在线粒体内膜或线粒体基质
    • 由一条重链H和一条轻链L构成
      • 重链和轻链各含有一个启动子线粒体基因的转录
        • 从两个启动子开始：重链启动子HSP和轻链启动子LSP
        • 线粒体转录因子1mtTFA参与了线粒体基因的转录调节
          • 作用：可在HSP和LSP上游的DNA特定序列结合，并在酶的作用下启动转录过程
        • 所有mtRNA编码的蛋白质也是在线粒体内并在线粒体的核糖体上进行翻译的
        • 编码的蛋白质和RNA不运出线粒体外
        • 翻译的起始氨基酸为甲酰甲硫氨酸，与原核生物相似
    • 含有很少的非编码序列
  • 重链和轻链各含有一个启动子线粒体基因的转录
  • 线粒体DNA的两条链有各自的复制起始点
    • 需要DNA聚合酶也需要RNA聚合酶
    • mtDNA的复制起始点被分为两半，一个是在重链上，一个是在轻链上
    • 重链
      • 复制起始点
        • 位于环顶部
        • 控制重链子链DNA的自我复制
    • 轻链
      • 复制起始点
        • 位于环的8:00位置
    • 需要RNA引物作为DNA合成的起点
• 线粒体核编码蛋白质的运输
  • 核编码蛋白向线粒体基质中的运输
    • 核编码蛋白进入线粒体需要信号运输
      • 基质导入序列MTS
        • 富含精氨酸，赖氨酸，丝氨酸和苏氨酸
        • 少见天冬氨酸，谷氨酸
        • 线粒体内外膜上的受体能识别并结合序列不同但具有相似结构的MTS
    • 前体蛋白在线粒体外保持非折叠状态
      • 当线粒体蛋白可溶性前体在核糖体形成后，少数前体蛋白与一种称为新生多肽相关复合物的分子伴侣相互作用，防止前体蛋白形成不可解开的构像
    • 分子运动产生的动力协助多肽链穿过线粒体膜
      • 多肽链做布朗运动摇摆不定
      • 前体链进入线粒体，立即有一分子mthsp70连接上去，防止前导肽链退回细胞质，同时，mthsp70通过边沟产生拉力，促使进入
      • 转运需要ATP功能
    • 多肽链需要在线粒体基质内重新折叠才能形成有活性的蛋白质
• 线粒体的起源
  • 可能源于古老真核细胞共生的早期细菌
  • 线粒体起源的内共生学说
• 线粒体的分裂与融合
  • 动态的细胞器，持续不断的进行分裂与融合
  • 线粒体动力学
    • 线粒体可以相互融合连续形成网络状结构，也可以分裂形成彼此分散存在的个体
  • 线粒体是通过分裂的方式实现增殖
    • 第1阶段
      • 线粒体进行分裂增殖
    • 第二阶段
      • 线粒体自身的分化过程建立能够使氧化磷酸化功能的结构
    • 三种分裂方式
      • 出芽分裂
      • 间壁分裂
      • 收缩分裂
      • 都不是均等分裂，且受细胞分裂的影响
  • mtDNA随机的，不均等的被分配到新的性体重
  • 线粒体融合也是由一系列相关蛋白介导的过程
• 线粒体的功能
  • 氧化磷酸化
  • 摄取和释放钙离子
  • 参与细胞死亡
• 细胞呼吸与能量转换
  • 葡萄糖在细胞质中的糖酵解
  • 线粒体基质中的3羧酸循环
    • 复合物I
      • 具有电子传递和质子跨膜传递功能
      • 催化NADH将电子传递到辅酶Q，同时将质子由线粒体基质转移至膜间隙
    • 复合物II
      • 催化电子从琥珀酸转移至辅酶Q
    • 复合物III
      • 与复合物I功能相同
      • 催化电子从辅酶Q传至细胞色素C，同时将质子由线粒体基质转移至膜间隙
    • 复合物IV
      • 与复合物I功能相同
      • 将细胞色素C接受的电子传给O，同时转移质子至膜间腔
  • 氧化磷酸化耦联与ATP形成
    • 呼吸链和ATP合酶复合体是氧化磷酸化的结构基础
      • 呼吸链是一系列能够可逆的接受和释放氢离子和电子的酶体系
      • ATP合酶复合体催化ATP的合成
    • 氧化过程伴随磷酸化的耦联
    • 电子传递是氢离子传膜形成电化学梯度
    • 电化学梯度所包含的能量转化成ATP的化学能
• 线粒体与疾病
  • 疾病过程中线粒体的变化
  • mtDNA突变与疾病
    • 易发生突变且难以修复
    • 当线粒体DNA进行异常复制时，希望为了将突变的线粒体迅速分散到子细胞中去，即以加快分裂的方式对抗这种状态以减轻对细胞的损害，但持续的损害将导致疾病的发生
  • 线粒体融合和分裂异常相关的疾病
  • 线粒体疾病的治疗
    • 补充疗法
    • 选择疗法
    • 基因疗法
• 化学渗透假说
  • 论点
    • 形成泪膜内外两侧的电化学质子梯度
  • 特点
    • 强调了线粒体膜结构的完整性与功能的统一
    • 强调线粒体定向的化学反应
• 可看作质子泵
• 半自主性细胞器
• 形成较大的水通道