第六章 细胞的能量转换.doc

一、章（节、目）授课计划 第 页授课章节名称第六章 细胞的能量转换-线粒体和叶绿体授课时数3教学目的1、使学生掌握线粒体的结构与功能2、使学生掌握叶绿体的结构与功能3、使学生能理解线粒体和叶绿体是半自主性细胞器教学要求1、掌握线粒体的结构与功能2、掌握叶绿体的结构与功能3、理解线粒体和叶绿体是半自主性细胞器4、掌握呼吸链、氧化磷酸化和光合作用过程教学重点1、线粒体的功能2、叶绿体的功能3、线粒体和叶绿体是半自主性细胞器教学难点1、呼吸链传递电子和氧化磷酸化过程2、光合作用过程3、ATP合酶的结构及作用教学方法与手段讲授法、师生互动法作业与思考题课后作业阅读书目或参考资料1、细胞生物学（第3版）(翟中和等)(高等教育出版社)（2009）2、细胞生物学进展（郑国錩等）（高等教育出版社）（1994）3、分子细胞生物学（韩贻仁）（高等教育出版社）（2007）教学后记二、课时教学内容 第 页教 学 内 容小结线粒体和叶绿体是细胞内的两种能量转换细胞器。它们能高效地将能量转换成ATP。线粒体广泛存在于各种真核细胞，而叶绿体仅存在于植物细胞中。线粒体和叶绿体的共性：呈封闭的双层膜结构，内膜都演化为极其扩增的特化结构，并在能量转换中起主要作用； 高效产生ATP的精密装置； 均具有环状DNA及自身转录与翻译系统； 半自主性的细胞器。第一节 线粒体与氧化磷酸化一、线粒体的发现 1890年德国生物学家R. Altaman在动物细胞中首次发现线粒体，命名为bioblast（生命小体），以为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌。 1897年Benda首次将这种颗粒命名为mitochondrionmaitkndrin 。1900年，L. Michaelis用Janus Green B染色，发现线粒体具有氧化作用;1948年，Green，1949，Kennedy和Lehninger分别发现三羧酸循环和脂肪酸氧化是在线粒体内完成的。二、线粒体的形态结构（一）、线粒体的形态、大小、数目及分布线粒体的外形多种多样，有椭圆形、哑铃形、环形、园柱形、棒状，有的呈蛇形，如在高压电镜下看到的蜗牛上皮细胞的线粒体，呈“蛇形”细长弯曲，这种变化与细胞类型及所处生理条件密切相关。但在大多数细胞中，最常见的是呈线状或颗粒状，比如在相差显微镜下观察活的成纤维细胞时，既可看到线状的，又可看到颗粒状的。线粒体的大小随细胞类型不同而各异。一般直径0.51.0um，长23um，有的线粒体较大，直径23um，长达710um，被称为“巨大线粒体”，教 学 内 容小结常见于一些骨髓肌细胞中。线粒体的数目与细胞的生理状态有关。比如哺乳动物的心肌、肝脏细胞，飞翔鸟类的胸肌细胞中需能较多，线粒体的数目也就较多。在细胞中线粒体经常分布在需能较多的区域，例如在蛋白质合成活跃的细胞中，它们被包围在糙面内质网中。（二）、线粒体的超微结构1、外膜 外膜是包围在线粒体最外面的一层膜，平整光滑，厚约6nm，外膜中脂类和蛋白质各占50%，具有孔蛋白（porin）构成的亲水通道。标志酶为单胺氧化酶。外膜的特点是：通透性较大，含酶蛋白较少。 2、内膜 内膜较外膜稍厚，在68nm。它的特点是：（1）通透性小，含酶Pr较多，蛋白质和脂类的比例高于3:1，缺乏胆固醇，富含心磷脂，大量的心磷脂造成了内膜的通透屏障，使H、ATP、丙酮酸不能透过内膜，因此，内膜通透性很低。（2）内膜内陷褶叠成嵴，扩大了线粒体能量传换的表面积，在高等动物中脊一般排列成板层状，与线粒体长轴垂直。（3）内膜上有许多颗粒，称为线粒体基粒（带柄的小球ATP合酶），基粒由F1头部和F0 尾部组成，球形头部直径9nm。（4）线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。3、膜间隙 内外膜之间的空隙为膜间隙，宽度68nm，间隙中充满无定形的液体，内含许多可溶性酶、底物和辅助因子。嵴内间隙与膜间隙相通。标志酶为腺苷酸激酶。4、基质 为内膜和嵴包围的空间。除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。催化三羧酸循环，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中。标志酶为苹果酸脱氢酶。基质是内膜所包围的空间，充满蛋白胶状物，包括有 TCA环、脂肪酸、丙酮酸氧化酶类；具有一套完整的转录和翻译体系。包括线粒体DNA（mtDNA），70S型核糖体，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。教 学 内 容小结线粒体的结构模型三、线粒体化学组成及酶的定位1、化学组成蛋白质占65-70，脂质25-30（磷脂）；与脂蛋白质的比值，内膜为0.3:1，外膜为1:1；基质中含有DNA、RNA、核糖体、致密颗粒和上百种酶。2、酶的定位 140余种，37氧化还原酶，10合成酶，9水解酶，标志酶30余种，主要在内膜和基质中。教 学 内 容小结四、线粒体的功能线粒体的主要功能进行氧化磷酸化产生ATP。（一）、线粒体的氧化代谢细胞中，线粒体是氧化代谢的中心，是糖类、脂质、蛋白质最终氧化释能地场所。蛋白质、糖类、脂质消化水解为各自的构件分子氨基酸、葡萄糖、甘油、脂肪酸等，然后进一步水解为共同产物乙酰辅酶A（CoA）后，进入三羧酸循环（TCA循环），是物质氧化的最终共同途径。三羧酸循环脱下来的氢经线粒体内膜上的电子传递链（呼吸链），最后传递给氧，生成水。在此过程中能量水平较高的电子，经过电子传递降到较低水平，所释放的能量通过ADP的磷酸化，生成高能磷酸键ATP（二）、电子传递链和电子传递在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物，它们是传递电子的酶体系，由一系列可逆地接受和释放电子或H+的化学物质组成，在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链（electron-transport chain）或呼吸链（respiratory chain）。细胞内有两条典型的呼吸链，即NADH呼吸链和FADH2呼吸链。1、电子载体电子传递链是由一系列特殊的电子载体构成的，在电子传递过程中，与释放的电子结合并将电子传递下去的化合物，称为电子载体。呼吸链上进行电子传递的载体主要有：NAD、黄素蛋白、细胞色素、辅酶Q、铁硫蛋白、铜原子等。（1） NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide），是体内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链，其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。（2）黄素蛋白：含FMN（黄素腺嘌呤单核苷酸）或FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子，2个质子。呼吸链上具有以FMN为辅基的NADH脱氢酶和以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。教 学 内 容小结（4）辅酶Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。能够接受1个电子称为半醌自由基（QH*）或者接受2个电子称为氢醌（QH2）。泛醌体积小且疏水，所以能够在线粒体内膜的脂双分子层中自由扩散；（5）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Fe2+、Fe3+互变进行电子传递。（6）铜原子：位于线粒体内膜的一个蛋白质上，形成类似于铁硫蛋白的结构，通过Cu2+、Cu+的变化传递电子。2、电子载体排列顺序 实验证明，呼吸链中的电子载体有严格的排列顺序和方向。它们是按氧化还原电位从低到高排列，NAD+/NADH的氧化还原电位最低，O2/H2O最高。每一个载体从呼吸链前一个载体会的电子被还原，随后将电子传递给相邻的下一个载体被氧化。这样电子就从一个载体传向下一个载体，电子沿着呼吸链传递的同时也伴随着能量的释放。呼吸链的最终受体是氧，氧接受电子后与H+结合生成水。3、电子转运复合物 利用脱氧胆酸（deoxycholate）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物、和，辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜、细胞色素C位于线粒体内膜的C侧，属于膜的外周蛋白。 （1）复合物即NADH-CoQ还原酶，又称NADH脱氢酶，哺乳动物的复合物由42条肽链组成，含有一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。作用是催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。电子传递的方向为：NADHFMNFe-SQ。总的反应结果为：NADH + 5H+（M） + QNAD+ + QH2 + 4H+（C） （2）复合物 即琥珀酸CoQ还原酶，又称琥珀酸脱氢酶，至少由4条肽链组成，含有一个FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸），2个铁硫蛋白。作用是催化电子从琥教 学 内 容小结珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ。反应结果为： 琥珀酸+Q延胡索酸+QH2（3）复合物 即CoQ-细胞色素c还原酶，又称细胞色素还原酶、细胞色素bc1复合物，由至少11条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。作用是催化电子从辅酶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个来自UQ，2个来自基质跨膜）。总的反应结果为： 2还原态cyt c1 + QH2 + 2 H+（M）2氧化态cyt c1 + Q+ 4H+（C）复合物的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关（如图）。辅酶Q能在膜中自由扩散，每个辅酶Q自复合物中的细胞色素b获得1个电子，并从基质中摄取1个H，而被还原为半醌（QH）， QH再接受从复合物或传递来的1个电子，同时又从基质中摄取1个H，形成氢醌（ QH 2）。 QH 2通过构象改变移动到内膜外侧时，先后向膜间隙释放2个H，同时QH 2的2个电子中的1个先交还给细胞色素b；另外1个电子经FeS传给细胞色素c1，细胞色素c1又将电子传递给内膜外缘的细胞色素c，辅酶Q则从内膜外侧回到内侧，完成Q循环（ Q cycle ）。电子通过复合物途径的Q循环教 学 内 容小结（4）复合物 即细胞色素c氧化酶，以二聚体形式存在。作用是将从细胞色素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。线粒体内膜呼吸链电子传递示意图教 学 内 容小结4、两条主要的呼吸链 NADH呼吸链，由复合物、组成，传递氧化NADH释放的电子。FADH2呼吸链，由复合物、组成，传递氧化FADH2的电子。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。呼吸链各组分有序，使电子按氧化还原电位从低向高传递，能量逐级释放，呼吸链中的复合物、都是质子泵，可将质子有机质转移到膜间隙，形成质子动力势（proton-motive force），驱动ATP的合成。当NADH中的一对电子传递到O2时，有10个H+被泵出，而FADH2中的一对电子传递有6个H+被泵出。驱动合成一个ATP所需要的H+数的实验值是4。由此推算，以NADH为电子供体，P/O比值（是指物质氧化时，每消耗 1摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数，即生成ATP的摩尔数）为2.5，而以FADH2电子供体时P/O比值是1.5。P/O比值可以看做是一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATP。（二）、ATP形成机制氧化磷酸化ADP变为ATP是一个磷酸化的过程，其有两条途径：一是底物水平磷酸化，由相关的酶将底物分子上的磷酸集团直接转移到ADP分子上，生成ATP；二是氧化磷酸化，指在呼吸链上与电子传递相偶联的由ADP被磷酸化形成ATP的酶促过程。其中氧化磷酸化是需氧细胞生命活动的主要能量来源，是ATP生成的主要途径。呼吸链中的复合物、都是电子传递链与氧化磷酸化偶联的3个位点。ATP的合成是由ATP合酶或称复合物来完成的。1、ATP合酶的结构 ATP合成酶（ATP synthetase），分子量500KD，状如蘑菇。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子。每个肝细胞线粒体通常含15000个ATP合酶、每个酶每秒钟可产生100个ATP。 F1由5种多肽9个亚基组成33复合体，具有三个ATP教 学 内 容小结合成的催化位点（每个亚基具有一个）。和单位交替排列，状如桔瓣。贯穿复合体，并与F0接触，帮助与F0结合，和有很强的亲和力，结合在一起形成“转子”。F0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。a亚基、b亚基二聚体和F1的亚基共同组成“定子”，或称为外周柄。线粒体ATP合酶的结构教 学 内 容小结2、氧化磷酸化的偶联机制当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化。关于氧化磷酸化的偶联机制一直是研究的热点，曾有许多假说来解释这一问题，如化学渗透学说，结合变构机制等。（1）化学渗透假说Mitchell P.1961提出“化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis)”，70年代关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说，Mitchell本人也因此获得1978年诺贝尔化学奖。 根据“化学渗透假说”， 电子传递链各组分在线粒体内膜中呈不对称分布，当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（胞质侧或C侧），由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度及电位梯度，两者共同构成电化学梯度，即质子动力势。 质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。（2）结合变构机制 (Boyer 1979)）质子梯度的作用并不是用于形成ATP，而是使ATP从酶分子上解脱下来；ATP合酶上的3个亚基的氨基酸序列是相同的，但它们的构象却不同，即在任意时刻，3个催化亚基以3种不同构象存在，与核苷酸具有不同的亲和性；ATP通过旋转催化而合成，在此过程中，通过F0“通道”的质子流引起c亚基环和附着于其上的亚基纵轴在33的中央进行旋转，旋转是由F0质子通道所进行的质子跨膜运动来驱动的。五、线粒体与疾病 线粒体是细胞内最易受损伤的一个敏感的细胞器线粒体病是指那些在病变细胞内较早出现的线粒体极为明显异常的病理变化。克山病是一种心肌线粒体病。它是以心肌损伤为主要病变的地方性心肌病，因营养缺乏（缺硒）而引起。硒对线粒体膜有稳定作用，患者因缺硒而导教 学 内 容小结致心肌线粒体出现膨胀、嵴稀少和不完整等。人体细胞中线粒体数量随年龄增长而减少，体积随年龄增长而增大。线粒体是细胞内自由基的源泉, 是决定细胞衰老的生物钟。 线粒体通过释放细胞色素c参与细胞凋亡。第二节 叶绿体与光合作用植物细胞与动物细胞的主要差别之一是植物细胞具有自身特有的细胞器质体。质体通常分为叶绿体、有色体和白色体3大类。 叶绿体是植物细胞所特有的能量转换细胞器，其主要功能是进行光合作用。一、叶绿体的形态结构（一）、叶绿体的大小、形态、数量 在高等植物中叶绿体象双凸或平凸透镜状，长径510um，短径24um，厚23um。高等植物的叶肉细胞一般含50200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。 在藻类中叶绿体形状多样，有网状、带状、裂片状和星形等等，而且体积巨大，可达100um。（二）、叶绿体的结构和化学组成叶绿体由叶绿体外被（chloroplast envelope）、类囊体（thylakoid）和基质（stroma）3部分组成，叶绿体含有3种不同的膜：外膜、内膜、类囊体膜和3种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔。1、叶绿体膜 叶绿体外被由双层膜组成，膜间隙为1020。外膜的渗透性大，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。 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、C5糖双磷酸酯，C糖磷酸酯，NADP+及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（translator）才能通过内膜。教