Basics of Cytobiology and Mitochondria


学习材料

  • 主要教材:翟中和, 王喜忠, & 丁明孝. (2011). 细胞生物学, 第四版.

细胞生物学概论

  1. 根本性问题
  • 基因组是如何在时间和空间上有序表达
  • 基因表达的产物逐级自组装成为行使生命活动的基本结构体系和细胞器的调控程序调控机制
  • 基因及其表达的产物(特别是信号分子和活性因子),是如何调节细胞的增殖,分化,衰老与凋亡等最重要的生命活动过程
  1. 主要研究内容
  • 生物膜与细胞器,细胞信号转导,细胞骨架体系,细胞核、染色体及基因表达,细胞增殖及其调控,细胞分化及干细胞生物学,细胞死亡,细胞衰老,细胞的起源与进化

线粒体

  1. 基本特征。
  • 外膜
    • 高通透性,有孔蛋白构成的通道。
    • 蛋白质:脂质=1:1。分布着一些特殊酶类,标志酶是单胺氧化酶
  • 内膜
    • 不透性:缺乏胆固醇,富含心磷脂。这是质子电化学梯度和 ATP 合成必须的。
    • 内膜向内延伸成嵴,存在大量 ATP 合酶(早称线粒体基粒)。
    • 标志酶是细胞色素氧化酶
  • 膜间隙
    • 标志酶是腺苷酸激酶,功能为催化 ATP 分子末端磷酸基团转移刀 AMP,生成 ADP。
  • 线粒体基质
    • 富含催化三羧酸循环,脂肪酸氧化,氨基酸降解等相关的酶,也含有 DNA,RNA,核糖体等。
  • 动态特征:频繁融合与分裂。
  • 半自主性:人类线粒体 DNA 控制 13 个关键蛋白质的合成。植物线粒体 DNA 则编码更多数量的蛋白质(拟南芥:122)
  1. 功能
  • 氧化磷酸化(生成 ATP)
  • 细胞氧化还原电位的调节
  • 信号转导
  • 细胞凋亡
  • 细胞电解质平衡
  1. 线粒体在细胞中的数目动态变化并接受调控,分布与细胞内的能量需求密切相关(时刻依赖细胞骨架和马达蛋白)。
  2. 已知的绝大多数线粒体疾病来源于线粒体 DNA 编码的蛋白质缺失或缺陷。

融合与分裂

  1. 线粒体频繁融合与分裂,是一个动态整体(较小颗粒状<->线条状或片层状)。植物中线粒体 DNA 数量远小于线粒体数量。
  2. 融合与分裂
  • 融合的分子学基础
    • 果蝇:由 Fzo 基因编码的跨膜大分子 GTPase,定位在线粒体外膜上,介导线粒体融合。
    • 哺乳动物:由 Mfn 基因(Fzo 的同源基因)编码的线粒体融合素(mitofusin)。
    • 植物尚未发现相关基因组。
  • 分裂的分子学基础
    • 发动蛋白(同样是大分子 GTPase)。发动蛋白类基因在酵母、动物、植物中呈现同源性。
      • 在分裂时,发动蛋白不具有膜定位能力,Fis1 和 Mdv1,Drp1(或 Dnm1,Dlp1)蛋白质为其定位。此外还需要 endophilin B1,Mff 和 GDAP1 等。
  • 分裂的生物学基础
    • 线粒体分裂环(mitochondrial division ring)。内外膜同时内陷并最终分断。

氧化磷酸化

ATP 合酶,质子驱动力,电子传递链,电子传递复合物

图:线粒体中的电子传递链是真核生物进行氧化磷酸化的场所。三羧酸循环中产生的 NADH 和琥珀酸被氧化,释放的能量供给 ATP 合酶。
tu

  • 复合物 I(质子泵)即 NADH 脱氢酶,或称 NADH-辅酶 Q 还原酶,以黄素单核苷酸和铁硫簇为辅酶,用 NADH 将辅酶 Q 还原为 QH2,同时泵出质子。
  • 复合物 II 即琥珀酸-辅酶 Q 还原酶,是个跨膜蛋白复合物,是三羧酸循环的一部分,用琥珀酸以共价结合的 FAD 为辅酶将辅酶 Q 还原为 QH2,不泵出质子。
  • 复合物 III(质子泵) 即辅酶 Q-细胞色素 c 还原酶。细胞色素 c 是重要的电子载体,在复合物 Ⅲ 和 Ⅳ 之间传递电子。
  • 复合物 IV(质子泵) 即细胞色素 c 氧化酶。复合物 IV 是电子传递链的终点,氧气在此被还原生成水。

ATP 合酶,氧化磷酸化途径中的终点酶
ATPase结构

  • 结构(F 型 ATP 合酶,存在于各种生物中)
    • 亚基,膜内(跨膜的),疏水蛋白复合体,分子通道
      • a、b、c 三种主要亚基,此外还有 d, e, f, g, F6, 和 8 (或 A6L)六个亚基。
      • a、b 及亚基形成定子。
    • 亚基,线粒体基质内
      • 九个亚基
      • 3 个和 3 个亚基橘瓣状交替排列。
      • 结合成为转子,旋转于中央
      • 亚基连接
      • α 和 β 亚基都可与核苷酸结合,但只有 β 亚基可催化 ATP 的合成反应
  • 结合变构机制:
    当质子穿过 ATP 合酶基底的通道跨膜时,FO 上的质子驱动马达随之旋转。转动的原因可能是由于 c 亚基环上的氨基酸电离变化,引起静电相互作用,从而推动 c 亚基环旋转。旋转的环反过来驱动 α 和 β 亚基内的中心轴(γ 亚基柄)旋转。作为定子的 a 和 b 亚基被侧臂固定以防止自身发生旋转。在由 α 和 β 亚基组成的球内,γ 亚基顶部的运动为 β 亚基的活性部位提供了能量,使其周期性地产生并释放 ATP。
    此 ATP 的合成反应称为结合能力机制,其中涉及 β 亚基活性位点在三种状态之间的循环。在“空置”态,ADP 和磷酸根进入活性位点(图中棕色所示)。然后蛋白质包围这些分子,并与之松散结合——是为“疏松结合”态(红色所示)。随后,酶再次改变形状,迫使这些分子结合在一起,在随后的“紧密结合”态(粉色所示)中,活性位点与新产生的极高亲和力 ATP 分子结合。最后,活性位点循环回空置态,释放出 ATP 并再次结合 ADP 和磷酸根,准备下一个循环。
    图:ATP 合酶的机制。ATP 为红色,ADP 和磷酸为粉色,旋转的 γ 亚基为黑色。
    atp合成

电子传递链
许多生化代谢过程,如糖酵解、三羧酸循环和 β 氧化,都会产生还原型辅酶 NADH。此辅酶含有高电极电势的电子;也就是说,它们将在氧化时释放出大量的能量。然而,细胞不会一次性释放完全部的能量,因为在这种情况下,反应将无法控制。相反,电子从 NADH 释放出来,并通过一系列的酶传递给氧气,其中每步只释放少量的能量。由复合体 I 到 IV 组成的这组酶称为电子传递链,存在于线粒体内膜中。

电子传递复合物

  • 复合物 I:NADH-CoQ 还原酶,又称“NADH 脱氢酶”或“复合体 I”,是电子传递链中的第一个蛋白[16]。它是一个巨大的酶,在哺乳动物中该复合体由 46 亚基组成,有 1000 千道尔顿(kDa)。此酶催化的反应为 NADH 被辅酶 Q10,即线粒体膜上的一种脂溶性醌类“泛醌”(在下面公式中写作 Q)所氧化,同时转移两个电子:

这个反应乃至于整个电子链,是从 NADH 分子与复合体 I 结合及放出两个电子而开始。电子通过附着在其上的黄素单核苷酸(FMN)辅基进入复合体 I。电子的加入使 FMN 转换为它的还原形式,FMNH2。电子随后通过一系列存在于复合体中的第二种辅基铁硫簇转移。复合体 I 中存在两种铁硫簇,[2Fe-2S]和[4Fe-4S]。电子穿过复合体时,有4 个质子从基质泵入膜间隙编码单个蛋白质的基因同时包含在细胞核和线粒体基因组中,许多线粒体酶都是这种情况。
fuheti1

  • 复合物 II:琥珀酸-Q 氧化还原酶。唯一一个既属于三羧酸循环、又属于电子传递链的酶。复合体 II 包含四个蛋白质亚基,一个附着的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)辅因子,铁硫簇,和一个不参与将电子转移到辅酶 Q、但被认为在降低氧化物活性上起重要作用的血红素基团。它将琥珀酸氧化为延胡索酸,将泛醌还原。该反应释放的能量比氧化 NADH 少,因此复合体 II 不运输质子穿过膜,不会影响质子梯度。
    fu2
  • 复合物 III:电子传递黄素蛋白-泛醌氧化还原酶(ETF-Q 氧化还原酶),又称“电子传递-黄素蛋白脱氢酶”。它接收线粒体基质中电子传递黄素蛋白的电子,并用这些电子还原泛醌。这种酶包含一个黄素和一个[4Fe-4S]簇,但不像其它的呼吸链复合体,它只附着在膜的表面,不跨越脂质双分子层。
    fu3
  • 复合物 IV:细胞色素 c 氧化酶,是在电子传递链的最后一个蛋白质复合体。哺乳动物的酶有极其复杂的结构,包含 13 个亚基,2 个血红素基团,以及多种金属离子辅因子——总计 3 个铜原子,1 个镁原子和 1 个锌原子。这种酶承载了电子传递链的最终反应,在跨膜泵送质子时将电子转移到氧上。这一步,氧作为最终电子受体,也称“末端电子受体”,被还原为水。直接泵送的质子和在氧的还原中消耗的基质中质子都能影响质子梯度。
    fu4

生物化学基础

  1. 生物酶
  • 激酶是一类从高能供体分子(如 ATP)转移磷酸基团到特定靶分子(受质)的酶;这一过程谓之磷酸化(增加能量)。所有的激酶都需要存在一个二价金属离子(如 Mg2+或 Mn2+),该离子起稳定供体分子高能键的作用,且为磷酸化的发生提供可能性。
  • NADH(Nicotinamide adenine dinucleotide)是一种化学物质,是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的还原态,还原型辅酶 Ⅰ。N 指烟酰胺,A 指腺嘌呤,D 是二核苷酸。
  • 乙酰辅酶 A(英语:acetyl-CoA)是激活了的乙酸,由乙酰基(CH3CO-)与辅酶 A 的巯基以高能的硫酯键相连。乙酰辅酶 A 是脂肪酸的 β-氧化及糖酵解后产生的丙酮酸脱羧后的产物。
    在三羧酸循环的第一步,乙酰基转移到草酰乙酸中,生成柠檬酸,因此这个循环也称作“三羧酸循环”。乙酰辅酶 A 是人体内重要的化学物质。首先,它是丙酮酸脱羧、脂肪酸 β-氧化的产物。当丙酮酸激进入线粒体的基质后,它会被丙酮酸脱氢酶复合体转化为乙酰辅酶 A,因为在此过程中,丙酮酸会被氧化(氢原子转移到 NAD+生成 NADH)及其羧基会以二氧化碳的形式离开,故此过程被称为“丙酮酸脱羧”。同时,它是脂肪酸合成、胆固醇合成和生酮作用的碳来源。三大营养物质的彻底氧化殊途同归,都会生成乙酰辅酶 A 以进入三羧酸循环。
  1. GTPase:三磷酸鸟苷合酶。
  2. 核苷酸的结构: 核苷酸的结构

caspases 非依赖性的细胞凋亡

  1. 线粒体能够向细胞质释放多个凋亡相关因子,诱发 caspases 非依赖的细胞凋亡。
  • 凋亡诱导因子 AIF,位于线粒体外膜。凋亡中从线粒体释放刀细胞质基质中,进而进入细胞核一年期 DNA 凝集和断裂。
  • 限制性内切核酸酶 G,在线粒体中的主要功能是线粒体 DNA 的修复和复制。受到凋亡信号刺激后,进入细胞核对核 DNA 进行切割,产生以核小体为单位的 DNA 片段。

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CRYSTALLOGRAPHic studies of the mitochondrial fission protein fis1

MA Gorman, D Stojanovski, MT Ryan, JM Gulbis

The system can’t perform the operation now. Try again later.


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