细胞生物学：细胞7

第六章 细胞的能量转换 线粒体和叶绿体线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。 线粒体与氧化磷酸化 叶绿体与光合作用 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 线粒体和叶绿体的增殖与起源1第一节 线粒体与氧化磷酸化线粒体的形态结构线粒体的化学组成及酶的定位氧化磷酸化2一、线粒体的形态结构l 线粒体的形态、大小、数量与分布v 线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状。数目一般数百到数千个，线粒体通常分布在细胞功能旺盛的区域。 l 线粒体的 超微结构 v 外膜 (outer membrane）：含 孔蛋白 (porin)， 通透性较高。v 内膜 （ inner membrane）： 高度不通透性，向内折叠形成嵴（ cristae）， 嵴能显著扩大内膜表面积（达 510倍） 。 含有与能量转换相关的蛋白 （执行氧化反应的电子传递链酶系、 ATP合成酶、 线粒体内膜转运蛋白）。v 膜间隙（ intermembrane space）： 含许多可溶性酶、底物及辅助因子。v 基质（ matrix）： 含三羧酸循环 、脂肪酸和丙酮酸氧化等 酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体 DNA, RNA， 核糖体。345二、线粒体的化学组成及酶的定位l 线粒体的化学组成v蛋白质 (线粒体干重的 65 70 )v脂 类 (线粒体干重的 25 30 )：l 磷脂占 3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。l 线粒体脂类和蛋白质的比值 : 0.3:1（内膜）； 1:1（外膜） l 线粒体酶的定位6ATP合成酶 (磷酸化的分子基础 )l 分子结构v基粒（ elementary particle）， 基粒由头部（ F1偶联因子）和基部（ F偶联因子）构成， F0嵌入线粒体内膜。 vF1由 5种多肽组成 33复合体，具有三个 ATP合成的催化位点（每个亚基具有一个）。 和 单位交替排列，状如桔瓣。 贯穿 复合体（相当于发电机的转子），并与 F0接触， 帮助 与 F0结合。 与 F0的两个 b亚基形成固定 复合体的结构（相当于发电机的定子）。 vF0由三种多肽组成 ab2c12复合体，嵌入内膜， 12个 c亚基组成一个环形结构，具有质子通道 ,可使质子由膜间隙流回基质。 l 工作特点 ：v可逆性复合酶，即既能利用质子电化学梯度储存的能量合成 ATP, 又能水解 ATP将质子从基质泵到膜间隙。 l ATP合成机制 构象耦联假说 (Boyer 1979) v亚单位相对于 亚单位旋转的直接 实验证据78910日本的吉田（ Massasuke Yoshida） 等人将 33固定在玻片上，在 亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有 ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到 亚基带动肌动蛋白纤维旋转。亚基旋转的观察（引自 Lodish等 1999） 11第二节 叶绿体与光合作用叶绿体 (Chloroplast)的形态结构叶绿体的功能 光合作用 (photosynthesis)12一、叶绿体 (Chloroplast)的形态结构l 形态、数目：v在高等植物中叶绿体象双凸或平凸透镜，叶肉细胞一般含 50 200个叶绿体，可占细胞质的 40%，叶绿体的数目因物种细胞类型，生态环境，生理状态而有所不同。l 叶绿体与线粒体 形态结构比较l 叶绿体超微结构131415叶绿体超微结构l 外被（ chloroplast envelope）l 叶绿体外被由双层膜组成，膜间为 1020nm的膜间隙。外膜的渗透性大，如核苷、无机磷、蔗糖等许多细胞质中的营养分子可自由进入膜间隙。 l 内膜对通过物质的选择性很强， ， CO2、 O2、 Pi、 H2O、 磷酸甘油酸、丙糖磷酸，双羧酸和双羧酸氨基酸可以透过内膜 ， ADP、 ATP已糖磷酸，葡萄糖及果糖等透过内膜较慢。蔗糖， NADP+及焦磷酸等不能透过内膜，需要特殊的转运体translator） 才能通过内膜。l 类囊体（ thylakoid）l 是单层膜围成的扁平小囊，沿叶绿体的长轴平行排列。膜上含有光合色素和电子传递链组分，又称 光合膜 。l 许多类囊体象圆盘一样叠在一起，称为 基粒 ，组成基粒的类囊体，叫做 基粒类囊体 ，构成内膜系统的 基粒片层（ grana lamella） 。 基粒由 10100个类囊体组成。l 贯穿在两个或两个以上基粒之间的没有发生垛叠的类囊体称为 基质类囊体 ，它们形成了内膜系统的 基质片层（ stroma lamella） 。l 类囊体膜的内在蛋白主要有 细胞色素 b6/f复合体 、 质体醌（ PQ） 、 质体蓝素（ PC） 、 铁氧化还原蛋白 、 黄素蛋白 、 光系统 、 光系统 复合物 等。l 基质（ stroma）l 主要成分包括：碳同化相关的酶类（如 RuBP羧化酶 占基质可溶性蛋白总量的60%） 、叶绿体 DNA、 蛋白质合成体系：如， ctDNA、 各类 RNA、 核糖体等。一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。16二、叶绿体的功能 光合作用 (photosynthesis)l 光合作用： 绿色植物利用体内的叶绿素吸收光能，把二氧化碳和水转化为有机物，并释放氧气的过程称为光合作用。l Photosynthesis:v(1)光合电子传递反应 光反应 (Light Reaction)v(2)碳固定反应 暗反应 (Dark Reaction)l 光合色素和电子传递链组分l 光反应l 暗反应 (碳固定 )1718第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器l 半自主性细胞器的概念： v自身含有遗传表达系统 (自主 性 )；但编码的遗传信息十分有限， 其RNA转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息 (自主性有限 )。l 线粒体和叶绿体的 DNAl 线粒体和叶绿体的蛋白质合成v线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限v参加叶绿体组成的蛋白质来源有种情况 ：l 由 ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成；l 由核 DNA编码，在细胞质核糖体上合成；l 由核 DNA编码，在叶绿体核糖体上合成。l 线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装v线粒体蛋白质的运送与组装l 定位于线粒体基质的蛋白质的运送l 定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送v叶绿体蛋白质的运送及组装 19一、线粒体和叶绿体的 DNAl mtDNA /ctDNA形状、数量、大小 v双链环状 (除绿藻 mtDNA， 草履虫 mtDNA)vmtDNA大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大，高等植物， 120kbp200kbp；v人 mtDNA： 16,569bp， 37个基因 (编码 12S,16SrRNA； 22种tRNA； 13种多肽： NADH脱氢酶 7个亚基， cyt b-c1复合物中1个 cytb， 细胞色素 C氧化酶 3个亚基， ATP合成酶 2个 Fo亚基)l mtDNA复制的时间主要在细胞周期的 S期及 G2期，DNA先复制，随后线粒体分裂。 ctDNA复制的时间在 G1期。 复制仍受核控制。20二、线粒体与叶绿体蛋白质的合成l 线粒体与叶绿体基因编码合成的l 核基因编码合成的蛋白质l 由两种基因分别编码合成的肽链装配而成的蛋白质组成线粒体和叶绿体的蛋白质主要是后两种21三、线粒体与叶绿体蛋白质的运送与装配22232425第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源一 、 线粒体和叶绿体的增殖v线粒体的增殖 ：由原来的 线粒体分裂 或出芽而来。v叶绿体的发育和增殖l 个体发育：由 前质体（ proplastid） 分化而来。l 增殖：分裂增殖26二、 线粒体和叶绿体的起源l 内共生起源学说 （ endosymbiosis hypothesis)v叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻： ereschkowsky， 1905年vMar