线粒体与细胞的能量转换

第六章线粒体与细胞的能量转换第一节线粒体的基本特征一、线粒体的形态、数量和结构（一）线粒体的形态、数量与细胞的类型和生理状态有关（细胞类型、生理状态、代谢需求）1.光镜下的线粒体成线状、粒状或杆状。

2.在低渗环境下，线粒体膨胀如泡状，在高渗环境下，线粒体又伸长为线状3.酸性时线粒体膨胀，碱性时线粒体为粒状（二）线粒体是由双层单位膜套叠而成的封闭性膜囊结构1.外膜是线粒体外层单位膜在组成上，外模的1/2为脂类，1/2位蛋白质，外膜上镶嵌的蛋白质包括多种转运蛋白，允许通过分子量在10000以下的物质（通透性大）2.内膜的内表面附着许多颗粒①内膜直接包围的空间称内腔，含有基质，也称基质腔；内膜与外膜之间的空间称为外腔，或膜间腔。

②嵴的形成大大扩大了内膜的面积，提高了内膜的代谢效率③内膜的化学组成中20%是脂类（心磷脂占20%），80%是蛋白质④内膜的通透性很小，但内膜有高度的选择通透性⑤基粒分为头部、柄部、基片三部分，由多种蛋白质亚基组成。

机理头部具有酶活性，能催化ADP磷酸化生成ATP，因此，基粒又称ATP合成酶或ATP合酶复合体3.内外膜相互接近所形成的转为接触点是物质转运到线粒体的临时性结构线粒体的内外膜上存在着一些内膜与外模相互接触的地方，在这些地方膜间隙变狭窄，称为转位接触点4.基质是氧化代谢的场所线粒体中催化三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸分解、蛋白质合成等有关的酶都在基质中，参与物质的代谢5.基粒的化学本质是ATP合成酶二、线粒体的化学组成1.线粒体的主要成分是蛋白质，且多数分布于内膜和基质，分为两类：可溶性蛋白和不可溶性蛋白或膜镶嵌酶蛋白（线粒体是细胞中含酶最多的细胞器）2.线粒体内外膜的标志酶分别是细胞色素氧化酶和单胺氧化酶等；基质和膜间腔的标志酶分别为苹果酸脱氢酶和腺苷酸激酶三．线粒体的遗传体系（一）线粒体DNA构成了线粒体基因组1.线粒体基因组序列（也称剑桥序列）共16569个碱基对，为一条裸露的，不与组蛋白结合的双链环状的DNA分子。

线粒体与细胞的能量转换名词解释:1.基粒:线粒体内膜的内表面上突起的圆球形颗粒.2.细胞呼吸:在细胞内特定的细胞器内,在氧气的参与下,分解各种大分子物质,产生二氧化碳; 与此同时,分解代谢所释放出的能量储存于ATP中.3.转位接触点:在线粒体的内外膜上存在一些内外膜相互接触的地方,此处膜间隙变狭窄.4.ATP合酶复合体:这种物质就是基粒,是线粒体内膜内表面上突起的圆球形颗粒.5.热休克蛋白70:与大多数前体蛋白结合,使前体蛋白打开折叠,防止已松弛的前体蛋白聚集.6.基质导入序列(MTS):一种N端具有一段富含有精氨酸,赖氨酸,丝氨酸,苏氨酸的氨基酸序列,介导在细胞质中合成的前体蛋白输入到线粒体基质的信号.问答:1.线粒体的标志酶内膜标志酶为细胞色素氧化酶,外膜标志酶为单胺氧化酶,基质的标志酶为苹果酸脱氢酶, 膜间腔的标志酶为腺苷酸激酶.2.线粒体基质蛋白的转运条件及过程(1)需要条件:基质导入序列和分子伴侣NAC和Hsp70(2)转运过程：a.前体蛋白与受体结合b.mthsp70可与进入线粒体腔的前导肽链交联，防止了前导肽链退回细胞质.c.定位于线粒体内膜上,切除大多数蛋白的基质导入序列.d.多肽链需在线粒体基质内在分子伴侣的帮助下,重新折叠并成熟形成其天然构象,以行使其功能,形成有活性的蛋白质.e.跨膜运输是单向的,需水解ATP提供能量.3.细胞内葡萄糖彻底氧化转变为能量的反应部位和主要过程a.葡萄糖在细胞质中进行糖酵解产生丙酮酸和NADH,丙酮酸在线粒体基质中氧化脱羧生成乙酰CoA.b. 乙酰CoA在线粒体基质中进行三羧酸循环产生NADH和FADH2.c.在线粒体内膜进行的氧化磷酸化偶联是能量转换的关键.4.基粒的结构和功能结构有头部,柄部和基片;功能有催化ADP磷酸化生成ATP，控制质子流和基粒是氧化磷酸化作用的关键装置.5.试述线粒体的超微结构基础外膜:外膜是一层包围在线粒体表面的单位膜,厚约6nm，仅含少量酶蛋白.内膜:约4.5nm,折叠形成嵴,富含各种酶蛋白,内膜上有电子传递链和基粒,有转运蛋白和各种转运系统.膜间腔:内外膜之间空隙组成的空间,宽约6~8nm,富含可溶性酶,底物和辅助因子.基质:含有线粒体DNA,RNA,各种酶蛋白和核糖体.基粒:每个线粒体大约有10000~100000个,在基粒的头部具有酶活性.6.简述线粒体的化学组成特点a.蛋白质:线粒体的主要成分,多分布于内膜和基质,又分为可溶性和不溶性,又有很多酶系.b.脂类:占线粒体干重较多,大部分为磷脂.c. DNA和完整的遗传系统.d.多种辅酶.e.含有维生素和各类无机离子.7.简述线粒体的结构与主要功能a.外膜,外膜蛋白质含有多种转运蛋白,使外膜出现小孔可以让一些小分子多肽通过.b.内膜,膜上含有电子传递链酶系, ATP合成酶系,特异转运蛋白,控制物质交换,保持活性物质代谢.c.特位接触点,蛋白质等物质进出线粒体的通道.d.基质,酶类可完成氨基酸的分解和蛋白质合成,又有环状DNA,核糖体, RNA,可以独立编码合成蛋白质.e.基粒,催化ADP磷酸化生成ATP,可以控制质子流.8.简述为什么线粒体是半自主性细胞器组成的蛋白是由两个分开的遗传系统编码的:绝大部分蛋白是由核基因组编码的,只有少部分蛋白是由线粒体基因组编码的,因此,线粒体的自主程序有限,在很大程度上依赖于核遗传系统,其生长和繁殖受核基因组和其自身基因组两套遗传系统的控制,所以说线粒体是半自主性细胞器.细胞骨架名词解释:1.细胞骨架(cytoskeleton):真核细胞质的蛋白质纤维网架体系,对于细胞的形状,运动,物质的运输,染色体分离,细胞分裂等有重要作用.2.微管组织中心:微观形成的核心位点,微管的组装由此开始.3.微管结合蛋白:与微管结合的辅助蛋白,并与微管并存,参与微管装配.4.马达蛋白:介导细胞内物质或膜性小泡规则地沿细胞骨架运输的蛋白.5.收缩环:有丝分裂的动物细胞有微丝与肌球蛋白-Ⅱ丝形成的腰带状束.6.γ-TuRC:微管蛋白环形复合体,是一含有10-13个γ-微管蛋白分子的环形结构,与微管直径相同.7.肌小节:骨骼肌收缩的基本结构单位.8.中间纤维:广泛存在于真核细胞中,最早在平滑肌细胞内发现,由于其介于肌肉细胞actin细丝与肌球蛋白粗丝之间而得名“中间”，中间纤维是三类细胞骨架纤维中结构最复杂的. 问答:1.什么叫微管组织中心有哪些结构可起微管组织中心的作用微观形成的核心位点,微管的组装由此开始.中心体和纤毛的基体可起微管组织中心的作用.2.微丝的主要功能有哪些a.构成细胞的支架并维持细胞的形态.b.参与细胞的运动.c.参与细胞的分裂.d.参与肌肉的收缩.e.参与细胞内物质的运输.f.参与细胞内信号的传递.3.影响微丝装配的因素有哪些G-肌动蛋白和临界浓度, ATP,Ca2+,Na+,K+浓度和药物，微丝结合蛋白的影响.4.影响微管装配的因素有哪些GTP浓度,温度,压力,PH值,离子浓度,微观蛋白临界浓度,药物(秋水仙素,长春新碱,紫杉醇)等.5.中心体的组成简述中心体的功能中心体由两个彼此互相垂直的中心粒和中心旁物质组成.功能:它是细胞中决定微管形成的一种细胞器,它与细胞的有丝分裂与染色体分离关系密切,主要参与纺锤体的形成.6.中间纤维的主要生物学功能a.在细胞内形成一个完整的网状骨架系统.b.为细胞提供机械强度支持.c.参与细胞连接.d.参与细胞内信息传递及物质运输.e.维持细胞核膜稳定.f.参与细胞分化.7.药物紫杉醇和秋水仙素皆用作抗癌症药物,它们的作用机制有何不同秋水仙素结合和稳定游离的微管蛋白,紫杉醇和微管紧密结合,防止微管蛋白亚基的解聚.8.微管的主要功能有哪些a.支持维持细胞形态.b.参与中心粒,纤毛和鞭毛的形成.c.参与细胞内物质的运输.d.维持细胞内细胞器的定位和分布.e.参与染色体的运动,调节细胞分裂.f.参与细胞内信号的传导.9.试述纤毛和鞭毛的结构与功能及运动机制纤毛和鞭毛都有运动功能,用来划动其表面的液体,是细胞表面的特化结构.纤毛短而多,鞭毛长而少,纤毛和鞭毛都是以微管为主要成分构成的,并有特殊结构.属于9+2类型且都有中央微管和中央鞘,外周以9组二联管围绕,两两之间以微管连接蛋白相连,二联管和中央鞘间有放射辐条连接,且都有基体.运动机制是由滑动运动到弯曲运动.细胞核1.核孔复合体(NPC):由多个蛋白质颗粒以特定的方式排列而成的蛋白分子复合物,是核-质间物质交换的双向选择性亲水通道.2.核定位信号:存在于亲核蛋白内的特殊氨基酸序列,可引导蛋白质通过核孔复合体被转运至核内.3.核纤层:附着于内核膜下的纤维蛋白网.4.常染色质:间期核内碱性染料染色时着色较浅,螺旋化程度较低,处于伸展状态的染色质细丝,含有基因转录活跃部位.5.异染色质:间期核中处于凝缩状态,结构致密,无转录活性,用碱性染料染色时着色较深,无转录活性,为遗传惰性区.6.染色质:间期细胞遗传物质的存在形式,由DNA,组蛋白,非组蛋白及少量RNA等成的细丝状复合结构,形态不规则,弥散分布于细胞核内.7.核仁组织区:含有rRNA基因的一段染色体区域,该部位rRNA基因转录活跃,凝集程度低,表现为浅染的次缢痕,与核仁形成有关.8.亲核蛋白:一类在细胞中合成,需要或能够进入细胞核发挥功能的蛋白质.9.核小体: DNA片段缠绕组蛋白八聚体形成的染色体的基本结构单位.10.核仁:真核细胞间期细胞核中最明显的结构,光镜下为均匀海绵状的球体.11.螺线管:在组蛋白H1协助下,由核小体串珠结构盘旋而成的中空结构.问答:1. 核孔复合体的结构和功能核孔复合体由胞质环,核质环,辐,中央栓组成;功能:核孔复合体介导核-质间物质交换,它是核-质间物质交换的双向选择性亲水通道.2.核纤层的结构和功能核纤层由核纤层蛋白构成.功能:(1)在细胞核中起支架作用.(2)核纤层与核膜重建及染色质凝集关系密切.(3)参与细胞核构建与DNA复制.3.染色质与染色体在概念上的差异染色质间期细胞遗传物质的存在形式,由DNA,组蛋白,非组蛋白及少量RNA等成的细丝状复合结构;染色体是指细胞在有丝或减数分裂中,染色质经复制后反复缠绕凝聚而成的条状或棒状结构.4.染色质DNA的三类功能序列主要特点及作用(1)端粒序列：存在于真核生物染色体末端的一个富含G的简单重复序列.维持DNA分子两末端复制完整,维持染色体稳定.(2)着丝粒序列:复制完成的两姐妹染色单体的连接部位.维持了遗传的稳定性.(3)复制源序列:真核细胞多个,细菌质粒1个,细胞进行DNA复制的起始点.维持染色体在世代传递中的连续性.6.简述核小体结构模型核小体蛋白H2A,H2B,H3,H4各两分子组成八聚体,146bp的DNA分子盘绕组蛋白八聚体1.75圈,形成核小体.7.试述染色质包装的多级螺旋化模型及染色体骨架-放射环模型(1)多级螺旋化模型:一级结构核小体:由DNA,组蛋白, H1压缩7倍包装成10nm的核小体串珠结构.二级结构螺线管:30nm染色质纤维.三级结构超螺线管:由螺线管进一步螺旋化形成的圆筒状结构.四级结构染色单体:超螺线管进一步螺旋折叠形成.(2) 染色体骨架-放射环模型:一级结构核小体.二级结构螺线管:30nm染色质纤维.高级结构:袢环结构和染色单体.( 袢环沿染色体纵轴由中央向周围伸出,形成放射环,每18 个袢环呈放射状排列成微带,约1000000个微带沿纵轴排列成染色单体.)8.核仁的电镜结构基本组分特点和功能纤维中心:包埋于颗粒组分内部的一个或几个低电子密度的圆形结构体.致密纤维组分:核仁内电子密度最高区域,由致密的纤维构成环形或半月形结构.颗粒成分:呈致密颗粒,位于核仁的外周.功能:(1)细胞核中rRNA合成的中心.(2) rRNA加工成熟的区域.(3)核糖体大小亚基装配工厂.9.比较组成型异染色质与兼性异染色质组成型异染色质在所有细胞类型及各个发育阶段中均处于凝集状态,在细胞周期中始终维持压缩,主要由高度重复的DNA序列构成,而兼性异染色质是在某些细胞或一定的发育阶段,原有的常染色质凝聚并丧失转录活性后转变而成.10.染色质的组成成分DNA和组蛋白, 少量RNA和非组蛋白.细胞分裂与细胞周期名词解释:1.有丝分裂器:中期细胞中,由染色体,星体,中心粒,纺锤体组成的结构.2.细胞周期蛋白:真核细胞中随细胞周期进程周期性地出现及现实的一类蛋白.3.细胞周期:细胞从上次分裂结束开始到下次分裂结束完成所经历的规律性变化.4.细胞周期蛋白依赖性激酶(Cdk): Cdk是一类必须与细胞周期蛋白结合才具有激活性的蛋白激酶.5.成熟促进因子:对核膜破裂,染色体凝集有重要作用,可以启动细胞从G2期向M期转移的蛋白激酶.6.纺锤体:一种出现于前末期,对细胞分裂及染色体分离有重要作用的临时性细胞器,由星体微管,动粒微管,重叠微管纵向排列构成,呈现纺锤样外观.7.收缩环:当细胞分裂进入后期末或末期末,在中部质膜的下方,出现了由大量肌动蛋白和肌球蛋白聚集形成的环状结构.8.限制点(restriction point): G1期细胞一旦通过此点,便能完成随后的细胞周期进程.9.染色体超前凝集:与M期细胞融合的间期细胞发生了形态各异的染色体凝集.10.G0期细胞:暂时脱离细胞周期不进行DNA复制和分裂,一般情况下不增殖,必须在需要替换损伤或死亡的细胞时才出现分裂,又重新进入细胞周期的细胞.问答:1.简述G1期主要特点RNA合成活跃,蛋白质合成活跃,细胞体积显着增大,蛋白质磷酸化,细胞膜对物质的转运作用增强.2.有丝分裂器的组成和作用有丝分裂器由染色体,星体,中心粒,纺锤体组成.它在中期以后发生的染色体分离,向两极迁移,平均分配到两个子细胞中起重要作用.3.细胞周期包括哪些时期分为分裂间期和分裂期,间期可分为G1, G2,S期,分裂期可分为胞质分裂和核分裂,核分裂分为前中后末期.4.分裂间期包括哪些时期,各时期的主要特点间期可分为G1, G2,S期G1期: RNA合成活跃,蛋白质合成活跃,细胞体积显着增大,蛋白质磷酸化,细胞膜对物质的转运作用增强.G2期:大量合成RNA,ATP及一些与M期结构功能相关的蛋白质,中心粒的体积逐渐增大, 开始分离并移向细胞两极.S期:进行大量DNA复制,合成组蛋白及非组蛋白,组蛋白持续磷酸化,中心粒复制.5.有丝分裂包括哪些时期,各时期的主要特点有丝分裂分为前,中,后,末期.前期:染色质凝集,分裂极确定,核仁缩小消失,纺锤体形成.中期:染色体达到最大程度凝集,非随机排列在细胞中央赤道面上.后期:姐妹染色单体分离并移向细胞两极.末期:子代细胞的核重新形成,胞质分裂.6.在细胞分裂期,核纤层蛋白如何变化影响核纤层和核膜在MPF作用下,因核纤层蛋白与多肽链的多个位点发生磷酸化,致使核纤层解体,随之核膜破裂,形成许多断片及小泡分散于胞质中.7. MPF的主要功能有哪些(1)使组蛋白H1磷酸化,促进染色质凝集,启动有丝分裂.(2)使核纤层蛋白磷酸化, 致使核纤层解体, 核膜破裂成小泡.(3)使核仁蛋白磷酸化,致使核仁解体.(4)使微管结合蛋白磷酸化,调节细胞周期中微管的动力学变化.(5)使原癌基因磷酸化,产生一系列与细胞分裂有关的生物学效应.细胞分化名词解释:1.转分化:在高度分化的动物细胞中,存在另一种现象即从一种分化状态转化为另一种分化状态.2.细胞全能性:细胞经分裂和分化后,仍具有产生完整有机体的特性或潜能.3.管家基因:维持细胞最低限度功能所不可缺少的基因.4.细胞决定:在个体发育过程中,细胞在发生可识别的分化特征之前就已经确定了未来的发育命运,只能向特定方向分化的状态.5.细胞分化:这些由单个受精卵产生的细胞,在形态结构,生化组成,功能等方面均有明显差异, 将个体发育中形成这种稳定性的差异过程叫做细胞分化.6.去分化:某些条件下,分化了的细胞也不稳定,基因活动模式也可发生可逆性变化而又回到分化状态的过程.7.全能细胞:一定条件下,能够分化发育成完整个体的细胞.8.胚胎诱导:胚胎发育过程中,一部分细胞对邻近细胞产生影响并决定其分化方向的现象.9.奢侈基因:编码组织细胞特异性蛋白的基因.10.基因的差异表达:多细胞生物个体发育和细胞分化过程中,其基因组DNA并不完全表达,而呈现选择性表达,它们按一定的时-空间顺序,在不同或相同细胞的不同细胞相异被活化的现象.问答:1.什么是DNA甲基化甲基化的DNA序列有什么结构特征DNA甲基化对真核细胞基因表达调控有什么作用(1)在甲基转移酶催化下, DNA中胞嘧啶转化成5-甲基胞嘧啶.(2)结构特征:甲基化常见于富含CG二核苷酸的CpG岛.(3)作用:阻碍转录因子结合,甲基化程度越高.2.以眼的发生为例说明胚胎诱导对细胞分化的作用眼的发生是胚胎诱导的典型例证:中胚层脊索诱导其表面覆盖的原肠胚的外胚层形成神经板,是初级诱导;神经板卷成神经管后,其前端进一步膨大形成原脑,原脑两侧突出的视杯诱导其外表面覆盖的外胚层形成晶状体,是次级诱导;晶状体又诱导覆盖在其外表面的外胚层形成角膜,是三级诱导.这样通过多级诱导,形成眼球.3.何谓基因的差异表达有何意义基因的差异表达:多细胞生物个体发育和细胞分化过程中,其基因组DNA并不完全表达,而呈现选择性表达,它们按一定的时-空间顺序,在不同或相同细胞的不同细胞相异被活化的现象. 意义:通过基因的差异表达,形成不同的细胞产物,由于产物不同,细胞形态功能出现差异,形成不同类型的分化细胞,因此决定细胞特性的基因的差异性表达是细胞分化的根本原因.4.什么是细胞的全能性,哪些细胞有全能性请举处一项研究证明已分化体细胞的细胞核仍具有全能性细胞全能性:细胞经分裂和分化后,仍具有产生完整有机体的特性或潜能.受精卵,早期的胚胎细胞卵裂球,植物细胞具有全能性.例:(1)爪蟾核移植实验(2)哺乳动物核移植试验5.细胞分裂与细胞分化的联系(1)通常细胞在分裂基础上进行分化.(2)细胞分化发生于细胞分裂的G1期,当G1期很短或几乎无G1期时,细胞分化减慢.(3)细胞分裂旺盛时,分化变慢,分化较高时,分裂速度减慢,是个体生长发育的一般规律.细胞衰老与细胞死亡名词解释:1.坏死(necrosis):在外来治病因子作用下，细胞生命活动被强行终止所致的病理性，被动性的死亡过程.2.细胞衰老(cell senescence):细胞在正常条件下发生的生理功能衰退和增殖能力减弱以及形态发生改变并趋向死亡的现象.3.细胞凋亡(apoptosis):在特定信号诱导下,细胞的死亡级联反应被触发所致的生理或病理性, 主动性的死亡过程.4.Hayflick界限：体外培养细胞所具有增殖分裂的极限.5.凋亡小体(apoptotic body):凋亡细胞内聚集的染色质块，形成核碎片后，整个细胞通过发芽，起泡等方式，形成一个球形的突起，并在根部绞窄脱落，形成一些大小不等，内含胞质，细胞器以及核碎片的膜包小体.6.DNA ladders:细胞凋亡时,内源性核酸内切酶活化,特异地在相邻核小体的连接区切断DNA 链,形成长度为180到200bp整数倍的寡聚核苷酸片段,在进行琼脂糖凝胶电泳时,凋亡细胞表现出特征性的DNA梯状条带.问答:2.试述细胞衰老有哪些特征生物化学改变(1) DNA:复制与转录受到抑制,有个别基因异常激活,端粒DNA丢失, mtDNA特异性缺失, DNA 氧化,断裂,缺失交联,甲基化程度降低.(2) RNA:mRNA和tRNA含量降低。