课件：第章酶工程.ppt

第六章 细胞的能量转换线粒体和叶绿体,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,第一节 线粒体与氧化磷酸化,线粒体的基本形态及动态特征 线粒体的功能 线粒体与疾病,一.线粒体的形态、大小、数量与分布,1. 粒状或杆状。蛋白占干重的65-70%，脂类占25-30%。直径0.51m，长1.53.0m，在胰脏外分泌细胞中可长达1020m，称巨线粒体。 2. 肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%，许多哺乳动物成熟的红细胞无线粒体。,3. 通常分布在细胞功能旺盛的区域。可向细胞功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。,二、线粒体的动态特征,（一）线粒体的融合与分裂 是线粒体形态调控的基本方式，也是线粒体数目调节器控的基础。目前认为线粒体数目和形态调控的生物学意义在于：体积较小的颗粒状线粒体易于依赖细胞骨架的动态运输，而体积较大的线粒体则适合于在细胞特定的区域呈现相对动态的分布。 植物细胞中线粒体DNA的拷贝数远小于线粒体数目，频繁的融合与分裂可能是线粒体间共享遗传信息的重要途径。,（二）线粒体融合与分裂 的分子及细胞生物学基础,1、线粒体融合与分裂 的分子生物学基础 线粒体融合与分裂均依赖于特定的基因和蛋白质的调控。调控线粒体融合的基因最早发现于果蝇，取名为Fzo（fuzzy onion,模糊 的葱头），决定果蝇精细胞线粒体融合的基因（Fzo）编码一个跨膜 的GTPase大分子，定位于线粒体外膜上，介导线粒体融合。,跨膜 GTPase大分子的模式图,与Fzo具有高度同源的基因家族广泛存在于酵母和哺乳动物的基因组中。这些基因编码结构类似的大分子GTPase，基核心功能也是介导线粒体融合。哺乳动物中GTPase被称作线粒体融合素，而编码线粒体融合素的Fzo同源基因被称作Mfin .,线粒体分裂必需基因（如酵母中Dnm1、大鼠中的Drp1）的产物定位。 Dnm1和Drp1属发动蛋白，同样是一类大分子GTPase。,2、线粒体融合与分裂 的细胞生物学基础,线粒体的分裂表现为线粒体内外膜同时发生内陷并最终在内陷处被子分断的过程： （1）早期：线粒体分裂的准备阶段，膜内陷尚未发生； （2）中期：线粒呈现环形内陷并逐渐加深； （3）后期：线粒体膜被分断，线粒体一分为二。,三、线粒体的超微结构 功能区隔: 分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。,Schematic view of mitochondrion,人体淋巴细胞线粒体,拟南芥幼叶线粒体,模式图,1. 外膜 (out membrane) 含40%的脂类和60%的蛋白，具有孔蛋白(porin)构成的亲水通道，允许分子量5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶（终止胺神经递质的作用）。,(1) ATP、NAD、辅酶A等的分子质量都小于1KD，能自由通过外膜。 (2) 外膜通透性非常高，使得膜间隙环境几乎与胞质溶胶相似。 (3) 外膜含有一些特殊的酶类，如参与色氨酸降解、脂肪酸链延伸的酶。参与膜磷脂的合成，并将进入线粒体基质内进行彻底氧化的物质先行初步分解。,2、内膜 （inner membrane） (1) 含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌质膜。 (2) 通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过。 (3) 氧化磷酸化的电子传递链位于内膜。标志酶为细胞色素C氧化酶。,(4) 内膜向线粒体内室褶入形成嵴（cristae），能扩大内膜表面积（达510倍），嵴有两种：层状、管状。 (5) 嵴上有许多排列规则的颗粒称线粒体基粒。基粒由头部（F1）和基部（F0）构成 ，是ATP合成酶，又叫F0F1ATP酶复合体。 执行氧化反应的电子传递链 ATP合成酶,ATP合酶的负染电子显微构型,ATP合酶的分子结构模式图,3.膜间隙（intermembrane space）：含许多可溶性酶、 底物及辅助因子。是内外膜之间的腔隙，宽约6-8nm。标志酶为腺苷酸激酶。 4. 基质（matrix）：含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA, RNA，核糖体。 标志酶为苹果酸脱氢酶。DNA聚合酶、氨基酸活化酶等, 纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。,四、线粒体的化学组成及酶的定位,线粒体组分分离方法 线粒体的化学组成 线粒体酶的定位,线粒体组分分离方法,线粒体的化学组成,蛋白质(线粒体干重的6570) 脂类(线粒体干重的2530)： 磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。 线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1（内膜）；1:1（外膜）,线粒体各部的功能及主要酶的定位,1. 外膜 主要酶类: 单胺氧化酶(标志酶)，NADH-细胞色素c还原酶(对鱼藤酮敏感)，核苷二磷酸激酶， 磷酸甘油酰基转移酶。 功 能: 磷脂的合成，脂肪酸链去饱和脂肪酸链延长。,2. 内膜 主要酶类: NADH脱氢酶(对鱼藤酮敏感), 琥珀酸脱氢酶, 细胞色素b、c、c1、a、a3 细胞色素氧化酶(标志酶), ATP合酶, 肉毒碱酰基转移酶, 丙酮酸氧化酶。 功 能: 电子传递, 氧化磷酸化, 代谢物质运输。,另外还有：运输酶类（代谢、中间产物），运载体（磷酸、钙离子，核苷酸，谷氨酸等），合成酶 类（DNA、RNA和蛋白质）,3. 膜间隙 主要酶类: 腺苷酸激酶 (标志酶) ，核苷酸激酶， 二磷酸激酶 ，单磷酸激酶。 功能: 核苷的磷酸化。,4. 基质 主要酶类: 三羧酸循环酶系(其中苹果酸脱氢酶为标志酶), 脂肪酸氧化酶, 谷氨酸脱氢酶, 天冬氨酸转氨酶,蛋白质和核酸合成酶系, 丙酮酸脱氢酶复合。 功 能: 三羧酸循环, 脂肪酸氧化, 蛋白质合成, DNA复制, RNA合成,五、氧化磷酸化,线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。,主要内容,氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)的分子基础 氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说 (Chemiosmotic Hypothesis, Mithchell,1961) 质子动力势的其他作用 线粒体能量转换过程,1、氧化磷酸化的分子基础,(1)氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程， 即有机分子中储藏的能量高能电子质子动力势ATP (2) 氧化(电子传递、消耗氧, 放能)与磷酸化(ADP+PiATP，储能)同时进行，密切偶联，分别由两个不同的结构体系执行。,2、电子传递链的四种复合物(哺乳类),呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列。 利用脱氧胆酸(盐)处理线粒体内膜, 分离出呼吸链的4种复合物。辅酶Q不属于任何一种复合物。,电子传递链的四种复合物(哺乳类),1、复合物I：NADH脱氢酶。 组成：42条肽链，呈L型，含一个FMN(黄素单核苷酸）和至少6个铁硫蛋白，分子量约1MD，以二聚体形式存在。 作用：催化NADH的2个电子传递至辅酶Q (CoQ)，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。 NADHFMNFe-SQ NADH + 5H+M + QNAD+ + QH2 + 4H+C,2、复合物II：琥珀酸脱氢酶 组成：至少由4条肽链，含有一个FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸），2个铁硫蛋白。 作用：催化琥珀酸的低能 电子至辅酶Q，但不转移质子。 琥珀酸FADFe-SQ 琥珀酸+Q延胡索酸+QH2,3、复合物III：细胞色素还原酶。 组成：至少11条不同肽链，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（ b566 、 b562）、一个铁硫蛋白和一个细胞色素c1 。 作用：催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。 2还原态cyt c1 + QH2 + 2 H+M2氧化态cyt c1 + Q+ 4H+C,4、复合物IV：细胞色素氧化酶 组成：为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚单位。 作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。 cyt cCuACyt a Cyt a3- CuBO2 4还原态Cyt c + 8 H+M + O24氧化态cyt c + 4H+C + 2H2O,电子载体,1、NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸，连接三羧酸循环和呼吸链，将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。 2、黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白，可接受2个电子2个质子。黄素相关的脱氢酶类有：以FMN为辅基的NADH脱氢酶。以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。,3、细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。 4、铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe3+ 、 Fe2+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。,5、辅酶Q：是脂溶性小分子量醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式，即：氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。,两条主要的呼吸链,由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。 由复合物II、III、IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。 对应于每个复合物，大约需要3个复合物，7个复合物，任何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而是由辅酶Q和细胞色素c这样的可扩散性分子连接。,线粒体内膜电子传递复合物的排列及电子传递示意图,呼吸链由4种含有电子载体的复合物和2种独立存在于膜上的电子载体（UQ和Cytc）组成。进入呼吸链的电子来自NADH或FADH2。电子从复合物或复合物传递给UQ，然后进一步传递给复合物，经由Cytc传递给复合物，最后传递给O2，生成H2O。,在电子传递过程中，有几点需要说明,四种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素(含血红素辅基)、 Fe-S中心、辅酶Q。前三种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性醌。 电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形成高能电子(能量转化)， 终止于O2形成水。 电子传递方向按氧化还原电位从低向高传递(NAD+/NADH最低，O2/ H2O最高),高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物(H+-泵)将H+从基质侧泵到膜间隙， 形成跨线粒体内膜H+梯度(能量转化) 电子传递链各组分在膜上不对称分布。,3、ATP合成酶(磷酸化的分子基础),（1）ATP合酶，属F型质子泵。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部）。是一个多组分的结构。在分离状态下具有ATP水解酶的活性，在膜结合状态下具有ATP合成酶 恬性。 （2）除了线粒体中有ATP合酶外，植物叶绿体的类囊体和好氧细菌都有ATP 合酶 的同源物。,线粒体ATP合酶的分子组成和主要特点,头部(head section) : 头部即F1，细菌和线粒体ATP合酶的F1都是水溶性的蛋白质，结构相似，由5种多肽（、和）组成的九聚体（ 33 ），亚基和亚基构成一种球形的排列，头含有3个催化ATP合成的位点，每个亚基含有一个。,柄部（stalk section）: 由F1的亚基和亚基构成柄 部，将头部与基部连接起来。亚基穿过头部作为头部旋转的轴。构成基部的b亚基向外延伸成为柄部的构成部分。,膜部(memebrane section): 即F0，是由镶嵌在线粒体内膜的疏水性蛋白质所组成，由3种不同的亚基组成的15聚体。其中c亚在膜 中形成物质运动的环，b亚基穿过柄部将F1固定，由a、b、c3种亚基按照ab2c10-12的比例组成一个跨膜的质子通道，允许质子跨膜运输。,线粒体ATP合成系统的解离与重建实验证明电子传递与ATP合成是由两个 不 同的结构体系执行, F1颗粒具有ATP酶活性,工作特点：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,ATP合成机制结合变化机制 (Boyer 1979),构象耦联假说（Boyer P，1979） 认为： 1、ATP酶利用质子动力势，发生构象改变，改 变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。 2、F1具有三个催化位点，在特定的时间，三个 催化位点的构象不同（L、T、O），与核苷 酸 的亲和力不同。,3、质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。,结合变构模型(引自Lodish at al.,1999),O型（-空缺）: 几乎不与ATP、ADP和Pi结合 L型（-ADP）: 同ADP和Pi结合较强 T型(-ATP): 与ADP和Pi的结合很紧密，能生成ATP，并能与ATP牢牢结合。当亚基旋转并将复合物转变成O型则会释放ATP,O型（-空缺）: 几乎不与ATP、ADP和Pi结合，开放构象。 L型（-ADP）: 同ADP和Pi结合较弱 ，松弛构象。 T型(-ATP): 与ADP和Pi的结合很紧密，能生成ATP，并能与ATP牢牢结合。当亚基旋转并将复合物转变成O型则会释放ATP ，紧密构象。, 亚单位相对于亚单位旋转的直接实验证据,Noji等利用线粒体F1-ATP酶的晶体结构研究的结果，采用荧光显微镜摄像技术，展示出亚基的转动运动。,亚基在33形成的圆筒中按单方向反时针进行转动，转动使中心的亚基能够与一个不同的亚基相接触，这个顺序正好与预言的ATP水解反应从ATPADP空位点的转动顺序一致。证明了旋转催化假说的正确性。,氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说,化学渗透假说（P. Mitchell，1961）内容： 电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，形成H+电化学梯度。在这个梯度驱使下，H+穿过ATP合成酶回到基质，同时合成ATP,电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。,质子动力势(proton motive force),化学渗透假说认为，电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧（M侧）泵至膜间隙（C侧），形成质子动力势。,质子动力势的其他作用,物质转运,产热：冬眠动物与新生儿的 Brown Fat Cell线粒体产生大量热量,支持化学渗透假说的实验证据该实验表明： 质子动力势为ATP合成的动力 膜应具有完整性 电子传递与ATP合成是两件相关而又不同的事,盐细菌紫膜光驱动ATP合成机制示意图,由盐细菌紫膜与牛心线粒体ATP合成酶装配成的人工小泡,在光照下,紫膜 向小泡内泵入质子,ATP合成酶利用该电化学梯度势能合成ATP.,线粒体能量转换过程略图,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),一、叶绿体(Chloroplast)的形态结构,叶绿体与线粒体形态结构比较 叶绿体内膜并不向内折叠成嵴；内膜不含电子传递链；除了膜间隙、基质外，还有类囊体；捕光系统、电子传递链和ATP合成酶都位于类囊体膜上。,叶绿体与线粒体形态结构比较,叶绿体超微结构,叶绿体外被,1) 外膜的渗透性大。 2) 内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O、等可以透过内膜，ADP、ATP 、 NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（translocator）才能通过内膜。 3) 双层膜组成，膜间为1020nm的间隙。,类囊体,1) 是膜围成的扁平囊。主要成分是蛋白质和脂类（60：40），不饱含脂肪酸含量高（约87%），膜流动性高。 2) 基粒：扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含4060个。 3) 基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。 4) 膜的内在蛋白主要有：细胞色素b6f复合体、捕光复合物（LHC）、质体醌（PQ）、质体蓝素（PC）、铁氧化还原蛋白（FD）、黄素蛋白、光系统I、II复合物等。,光合作用单位和反应中心,光合作用单位：即进行光合作用的功能单位，是由叶绿素、类胡萝卜素、脂和蛋白质组成的复合物，即光系统。 每个光系统含有两个主要成分：捕光复合物和反应中心复合物。,1、光合作用色素（天线色素） 功能：吸收聚集光能，无光化学活性。 包括：叶绿素、类胡萝卜素，比例约为3:1。 叶绿素分为a、b，比例约为3:1。 全部叶绿素和几乎所有的类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中，与蛋白质以非共价键结合形 成捕光复合物。,2捕光复合物（LHC） 由几百个叶绿素分子、数量不等但都和蛋白质连接在一起的类胡萝卜分子所组成。 功能：吸收光能及传递光能到作用中心。,3、反应中心复合物：是由几种与叶绿素相关的多肽以及一些与脂相连的蛋白质所构成，其作用是作为电子供体和受体。 光系统中的光吸收色素的功能像是一种天线，将捕获的光能传递给中心的一对叶绿素a，由叶绿素a激发一个电子，并进入光合作用的电子传递链。,4光系统（PS）：P680 至少包括12条多肽链。位于基粒与基质非接 触区域的类囊体膜上。包括一个集光复合体 、一个反应中心和一个含锰原子的放氧复合 体（oxygen evolving complex）。,功能：利用从光中吸收的能量将水裂解，并将其释放的电子传递给质体醌，同时通过对水的氧化和PQB2-的还原在类囊体膜两侧建立H+质子梯度。,5细胞色素b6/f复合体(cyt b6/f complex) 是类囊体膜上可分离出来的复合物，它由4个多肽组成，即细胞色素f、细胞色素b6、一个铁硫蛋白和一个分子质为17kDa的多肽，前3 个都是电子载体。 细胞色素b6/f复合体的功能是参与电子传递。,6光系统（PSI）：P700 包含多条肽链，位于基粒与基质接触区和基质类囊体膜中。由集光复合体I和作用中心构成。 PSI的功能是将电子从质体蓝素传递给铁氧还蛋（Fd，一种与类囊膜表面松散结合的小分子蛋白）。 电子从质体蓝素传递给铁氧还蛋白在热力学上是不利的，需要光能去驱动。,二、叶绿体的功能光合作用,光合作用(Photosynthesis): (1) 光合电子传递反应光反应(Light Reaction) (2) 碳固定反应暗反应(Dark Reaction) 光反应 暗反应(碳固定) 光合作用与有氧呼吸的关系图,光反应,在类囊体膜上由光引起的光化学反应，通过叶绿素等光合色素分子吸收、传递光能，水光解，并将光能转换为电能（生成高能电子），进而通过电子传递与光合磷酸化将电能转换为活跃化学能， 形成ATP 和NADPH并放出 O2 的过程。包括原初反应、电子传递和光合磷酸化。,原初反应（primary reaction) 光能的吸收、传递与转换，形成高能电子 (由光系统复合物完成，光合作用单位的概念) 电子传递与光合磷酸化,光合作用,光反应,原初反应（primary reaction),在PS中， D为质体蓝素（PC），Chl为P680，A为A0（一种特殊状态的Chla单分子体） 在PS中 ， D为D1多肽上的Tyr-161，Chl为P700，A为去镁叶绿素（pheo） 光合作用单位= 捕光色素+反应中心,D.Chl.A D.Chl.*A D.Chl+.A- D+.Chl.A-,电子传递与光合磷酸化,电子沿光合电子传递链传递时，分为非循环式光合磷酸化和 循环式光合磷酸化两条通路。,Noncyclic photophosphorylation,在这种方式中，电子从水开始，经PS、质体Q、复合物b6/f、PC、PSI 、Fd，最后传递给NADP+，这种方式又称为线性电子流，或Z形路线。,线性电子流分为4个阶段,（1）电子从的PS的P680传递给PQ，生成PQH2； （2）水光解释放的电子经传递给PS的P680+； （3）电子从PQH2经复合物b6/f传递给质体蓝素（PC），即电子从PS传递给 PSI； （4）电子经P700+传递给铁氧还蛋白（Fd），最后在铁氧还蛋白-NADP+还原酶的作用下，电子被NADP+接收。,Cyclic photophosphorylation,在循环式电子传递途中，被传递的电子经PSI传递给Fd之后，不是进一步传递给NADP+，而是重新传递给Cytb6/f复合物，再经PC又回到PSI ，形成了闭路循环。,主要原因：NADP+的浓度不足，或者说NADPH的浓度过高，所以Fd只能将电子传回给Cytb6/f。调节光反应中合成的ATP与还原的NADPH的比值。,光合磷酸化,1) 一对电子从P680经P700传至NADP+，在类囊体腔中增加4个H+。2个来源于H2O光解，2个由PQ从基质转移而来，在基质中一个H+又被用于还原NADP+，所以类囊体腔内有较高的H+（pH5，基质pH8），形成质子动力势。 2) H+经ATP合酶，渗入基质、推动ADP和Pi结合形成ATP。 ATP合酶，即CF1-F0偶联因子，结构类似于线粒体ATP合酶。,电子传递与光合磷酸化需说明以下几点：,1、最初电子供体是H2O，最终电子受体是 NADP+。 2、电子传递链中唯一的H+-pump是cytb6f复合物。类囊体腔的质子浓度比叶绿体基质高，该浓度梯度产生的原因归于：H2O光解、cytb6f 的H+-pump、NADPH的形成。 3、ATP、 NADPH在叶绿体基质中形成。,4、电子沿光合电子传递链传递时，分为非循环式光合磷酸化和循环式光合磷酸化两条通路。循环式传递的高能电子在PS被光能激发后经cytb6f复合物回到PS。结果是不裂解H2O、 产生O2，不形成NADPH，只产生H+跨膜梯度，合成ATP 。,暗反应(碳固定),利用光反应产生的ATP 和NADPH，使CO2还原为糖类等有机物，即将活跃的化学能最后转换为稳定的化学能，积存于有机物中。这一过程不直接需要光(在叶绿体基质中进行)。 卡尔文循环（Calvin cycle）（C3途径） C4途径或 Hatch-Slack循环 景天科酸代谢途径,光合作用暗反应中的C3循环途径图解 净消耗9分子ATP、6分子NADPH,将3分子CO2固定在1分子3-磷酸甘油醛中糖,脂, 氨基酸等.,CO2在PEP羧化酶的催化下，和PEP发生反应，形成草酰乙酸，后者进一步降解为苹果酸和天冬氨酸，苹果酸在酶作用下，分解和游离出CO2和丙酮酸。丙酮酸再利用ATP的分解，形成PEP，PEP再次重新进入CO2反应，形成C4产物。而游离出的CO2为C3循环的RuBP羧化酶系统所接受，参加C3循环。,光合作用与有氧呼吸的关系图,线粒体与叶绿体基本结构比较,氧化磷酸化与光合磷化的比较,第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器,半自主性细胞器的概念： 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)。 线粒体和叶绿体的DNA 线粒体和叶绿体的蛋白质合成 线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装,一、线粒体和叶绿体的DNA, mtDNA /ctDNA形状、数量、大小 mtDNA和ctDNA均以半保留方式进行自我复制。 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。,mtDNA /ctDNA形状、数量、大小,双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA) mtDNA大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大, 高等植物: 120 kbp 200kbp； 人mtDNA：16,569bp，37个基因(编码12S, 16S rRNA；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),二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成, 线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限,酵母线粒体主要酶复合物的生物合成,线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性,不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异 参加叶绿体组成的蛋白质来源有3种情况： 由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成； 由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成； 由核DNA编码，在叶绿体核糖体上合成。,三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装,线粒体蛋白质的运送与组装 定位于线粒体基质的蛋白质的运送,转运肽,前体蛋白解折叠,线粒体前体蛋白,解折叠的前体蛋白与受体结合并穿过两层膜,蛋白折叠/装配,部分折叠的蛋白质,切除转运肽,成熟的蛋白质,蛋白质输入线粒体基质,定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送,转运肽,转运序列,叶绿体蛋白质的运送及组装,类囊体导向序列,基质导向序列,类囊体腔,线粒体的半自主性,线粒体类似于细菌的特征： 环形DNA； 70S核糖体； RNA聚合酶可被利福平、链霉素等抑制 ； tRNA和氨酰基-tRNA合成酶不同于细胞质中的； 蛋白质合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA；对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。,叶绿体的半自主性,叶绿体与线粒体的相似性： 均由两层膜包被，内外膜的性质、结构有显著的差异。 均为半自主性细胞器，具有自身的DNA及转译体系。因此绿色植物细胞内存在3个遗传系统。 叶绿体的ctDNA不足以编码叶绿体所需的全部蛋白质，因此必须依靠于核基因来编