细胞分子生物学_8_.ppt

第八章细胞的能量转换 线粒体和叶绿体 第一节线粒体与氧化磷酸化第二节叶绿体与光合作用 本章内容摘要 第一节线粒体与氧化磷酸化一 结构二 线粒体的功能三 线粒体与疾病 第二节叶绿体与光合作用一 形态与结构二 光合磷酸化作用机理 第一节线粒体与氧化磷酸化 1890年R Altaman首次发现 命名为生命小体 bioblast 1898年vonBenda提出线粒体 mitochondrion 1900年L Michaelis用詹姆斯绿 JanusGreen B染色 发现线粒体具有氧化作用 Green 1948 证实线粒体含所有三羧酸循环的酶 Kennedy和Lehninger 1949 发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的 一 线粒体的结构 第一节线粒体与氧化磷酸化 一 形态 粒状或杆状 蛋白占干重的65 70 脂类占25 30 直径0 5 1 m 长1 5 3 0 m 在胰脏外分泌细胞中可长达10 20 m 称巨线粒体 肝细胞约1700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 一 线粒体的结构 第一节线粒体与氧化磷酸化 二 分布 通常分布在细胞功能旺盛的区域 在肾细胞中靠近微血管 在精子中分布在鞭毛中区 线粒体可以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 一 线粒体的结构 第一节线粒体与氧化磷酸化 三 超微结构 电镜下有两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构 分为外膜 内膜 膜间隙和基质或内室四部分 Structuresofthemitochondrion 三 超微结构 第一节线粒体与氧化磷酸化一 线粒体的结构 1 外膜 outmembrane 含40 的脂类和60 的蛋白 具有孔蛋白构成的亲水通道 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 2 内膜 innermembrane 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 通透性很低 仅允许不带电荷的小分子物质通过 三 超微结构 第一节线粒体与氧化磷酸化一 线粒体的结构 2 内膜 innermembrane 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 内膜向线粒体内室褶入形成嵴 cristae 能扩大内膜表面积 达5 10倍 嵴有两种 板层状 管状 嵴上覆有基粒 基粒由头部 F1 和基部 F0 构成 3 膜间隙 intermembranespace 是内外膜之间的腔隙 宽约6 8nm 标志酶为腺苷酸激酶 三 超微结构 第一节线粒体与氧化磷酸化一 线粒体的结构 4 基质 matrix 为内膜和嵴包围的空间 含有 催化三羧酸循环 脂肪酸 丙酮酸和氨基酸氧化的酶类 标志酶为苹果酸脱氢酶 线粒体DNA mtDNA 及线粒体特有的核糖体 tRNAs rRNA 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 管状嵴线粒体 二 线粒体的功能 第一节线粒体与氧化磷酸化 线粒体的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 线粒体是糖类 脂肪和氨基酸最终氧化释能的场所 氧化磷酸化是细胞获得能量的主要途径 一 氧化磷酸化的分子基础 第一节线粒体与氧化磷酸化 动物细胞中80 的ATP来源于线粒体 糖 脂肪和氨基酸彻底氧化 电子经过一系列的传递 传至氧分子 逐级释放能量 合成ATP 一 氧化磷酸化的分子基础 第一节线粒体与氧化磷酸化 氧化 放能 和磷酸化 贮能 是同时进行并且密切偶联在一起的 将线粒体用超声波破碎 线粒体内膜碎片可自然卷成颗粒朝外的小膜泡 这种小膜泡称为亚线粒体小泡或亚线粒体颗粒 这些亚线粒体小泡具有电子传递和磷酸化的功能 I电子传递链 呼吸链 第一节线粒体与氧化磷酸化 1 定义 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 在内膜上相互有关连地有序排列 称之为电子传递链或呼吸链 2 分类 NADH呼吸链 FADH2呼吸链 I电子传递链 呼吸链 第一节线粒体与氧化磷酸化 3 线粒体内膜上呼吸链的多酶氧化还原体系的组分 1 NAD 2 黄素蛋白 3 细胞色素 4 铁硫蛋白 5 辅酶Q等 1 NAD 即烟酰胺嘌呤二核苷酸 nicotinamideadeninedinucleotide 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 黄素腺嘌呤单核苷酸 或FAD 黄素腺嘌呤二核苷酸 的蛋白 可接受2个电子2个质子 黄素相关的脱氢酶类主要有 以FMN为辅基的NADH脱氢酶 以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶 I电子传递链 呼吸链 第一节线粒体与氧化磷酸化 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Fe2 Fe3 互变进行电子传递 有2Fe 2S和4Fe 4S两种类型 I电子传递链 呼吸链 第一节线粒体与氧化磷酸化 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 I电子传递链 呼吸链 第一节线粒体与氧化磷酸化 4 呼吸链的复合物 呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列 Green等人将呼吸链拆离出4种复合物以及辅酶Q和细胞色素C I电子传递链 呼吸链 第一节线粒体与氧化磷酸化 1 复合物I NADH CoQ还原酶 又称NADH脱氢酶 组成 25条以上肽链组成 呈L型 含一个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 催化NADH的2个电子传递至辅酶Q 同时将1对质子由线粒体基质 M侧 转移至膜间隙 C侧 复合物I既是电子传递体又是质子移位体NADH FMN Fe S QNADH 5H M Q NAD QH2 4H C I电子传递链 呼吸链 第一节线粒体与氧化磷酸化 2 复合物II 琥珀酸 CoQ还原酶 又称琥珀酸脱氢酶组成 至少由4条肽链 含有一个FAD 2个铁硫蛋白 1个细胞色素b 作用 催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传给辅酶Q 但不转移质子 琥珀酸 FAD Fe S Q 琥珀酸 Q 延胡索酸 QH2 I电子传递链 呼吸链 第一节线粒体与氧化磷酸化 3 复合物III CoQ 细胞色素c还原酶 组成 至少10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 b562 b566 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1对质子由线粒体基质泵至膜间隙 复合物III既是电子传递体又是质子移位体2还原态cytc1 QH2 2H M 2氧化态cytc1 Q 4H C I电子传递链 呼吸链 第一节线粒体与氧化磷酸化 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 每个单体含有细胞色素a和a3及2个铜原子 CUA CUB 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 复合物IV既是电子传递体又是质子移位体cytc CUA hemea a3 CUB O24还原态cytc 8H M O2 4氧化态cytc 4H C 2H2O I电子传递链 呼吸链 第一节线粒体与氧化磷酸化 5 两条主要的呼吸链 由复合物I III IV组成NADH呼吸链 催化NADH的脱氢氧化 由复合物II III IV组成FADH2呼吸链 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 TransportofelectronsfromNADH TransportofelectronsfromFADH2 两条呼吸链 鱼藤酮 阿米妥 抗霉素A CN CO II氧化磷酸化与电子传递的偶联 第一节线粒体与氧化磷酸化 氧化还原的本质是电子的转移 氢原子的转移其本质也是电子转移 H原子可分解为H 和e 氧化磷酸化 当电子从NADH或FADH2传递给氧形成水时 同时伴有ADP磷酸化形成ATP的过程即为氧化磷酸化 NADH呼吸链生成ATP的3个部位 1 NADH至辅酶Q 2 细胞色素b至细胞色素c 3 细胞色素aa3至氧之间 氧化磷酸化的偶联机制 第一节线粒体与氧化磷酸化 各种假说 化学偶联假说 构象偶联假说 化学渗透假说 实验证明 偶联机制在生化上来说是向量的 在功能上来说是渗透的 化学渗透假说已成为氧化磷酸化机制研究中最为流行的一种假说 化学渗透假说 第一节线粒体与氧化磷酸化 P Mitchell 1961 提出 化学渗透假说 认为 呼吸链组分及ATP酶在线粒体内膜上呈不对称分布 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 P P 2 3RT F pH其中 pH pH梯度 电位梯度 T 绝对温度 R 气体常数 F为法拉第常数 当温度为25 时 P的值为220mV左右 在这个梯度驱动下 H 穿过内膜上的ATP合成酶流回到基质 其能量促使ADP和Pi合成ATP ChemiosmoticTheory IIIATP合酶 ATPsynthetase 第一节线粒体与氧化磷酸化 是生物体能量转换的核心酶 分别位于线粒体内膜 类囊体膜或质膜上 参与氧化磷酸化和光合磷酸化 在跨膜质子动力势的作用下催化合成ATP ATP合成酶是线粒体氧化磷酸化和叶绿体光合磷酸化偶联的关键装置 也是合成能源物质ATP的关键装置 IIIATP合酶 ATPsynthetase 第一节线粒体与氧化磷酸化 状如蘑菇 属F型质子泵 分为球形的F1 头部 和嵌入膜中的F0 基部 F1由5种多肽组成 3 3 复合体 具有三个ATP合成的催化位点 每个 亚基具有一个 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 F0的一个亚基可结合寡霉素 通过该亚基可调节通过F0的H 流 如当质子动力势很小时 它可防止ATP水解 又可起到保护自身和抵抗外界环境变化的作用 ATP合酶 ATP合酶的作用机制 第一节线粒体与氧化磷酸化 1979年代BoyerP提出构象耦联假说 结合变构机制 其要点如下 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 但在特定的时间 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 二 氧化磷酸化抑制剂 第一节线粒体与氧化磷酸化 1 电子传递抑制剂抑制NADH CoQ的电子传递 阿米妥 鱼藤酮 抑制复合物III 抗霉素A 抑制复合物IV 如 CO CN NaN3 H2S 电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序 当呼吸链某一特定部位被抑制后 底物一侧均为还原状态 氧一侧均为氧化态 可用分光光度计检测 二 氧化磷酸化抑制剂 第一节线粒体与氧化磷酸化 2 磷酸化抑制剂与F0结合结合 阻断H 通道 如 寡霉素 3 解偶联剂 uncoupler 解偶联蛋白 uncouplingproteins UCPs 位于动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体 与维持体温有关 质子载体 质子通道 增温素 thermogenin 其它离子载体 如缬氨霉素 某些药物 如过量的阿斯匹林 三 线粒体与疾病 第一节线粒体与氧化磷酸化 1 线粒体与人的疾病 衰老和细胞调亡有关 线粒体的异常会影响整个细胞的正常功能 从而导致病变 2 硒对线粒体膜有稳定作用 患者缺硒而导致心肌线粒体出现膨胀 嵴稀少和不完整 琥珀酸脱氢酶 细胞色素氧化酶和ATP合成酶活性及其对寡霉素的敏感性都有明显降低 膜电位下降 膜流动性减低 对电子传递和氧化磷酸化偶联均有明显影响 3 克山病就是一种心肌线粒体病 患者线粒体硒含量明显降低 第二节叶绿体与光合作用 绿色植物通过叶绿体 Chloroplast 完成能量转换 利用光能同化二氧化碳和水 合成糖 同时产生氧 绿色植物年产干物质达1014公斤 光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉 一 叶绿体形态与结构 第二节叶绿体与光合作用 植物细胞与动物细胞的一个重要差别 是它具有自己独特的质体细胞器 质体分为 叶绿体 有色体和白色体 一 叶绿体形态与结构 第二节叶绿体与光合作用 1 形态 象双凸或平凸透镜 长径5 10um 短径2 4um 厚2 3um 叶肉细胞一般含50 200个叶绿体 占细胞质的40 2 结构 由叶绿体膜或称叶绿体被膜 chloroplastmembrane 类囊体 thylakoid 和基质 stroma 3部分组成 含有3种不同的膜 外膜 内膜 类囊体膜 3种彼此分开的腔 膜间隙 基质和类囊体腔 Chloroplast 一 叶绿体膜或称叶绿体被膜 第二节叶绿体与光合作用 双层单位膜组成 每层膜厚约6 8nm 膜间为10 20nm的间隙 外膜的渗透性大 内膜对通过物质的选择性很强 是细胞质和叶绿体基质间的功能屏障 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 translator 才能通过内膜 二 类囊体 第二节叶绿体与光合作用 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 基粒 扁平小囊堆叠而成 每个叶绿体含40 60个 基质类囊体 连接基粒的没有堆叠的类囊体 类囊体膜上颗粒组分 捕光色素 天线色素 两个光反应中心 各种电子载体 合成ATP的系统和从水中抽取电子的系统等 膜的内在蛋白主要有 细胞色素b6 f复合体 集光复合体 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 膜的内在蛋白 三 基质 第二节叶绿体与光合作用 是内膜与类囊体之间的空间 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 cpDNA 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 二 叶绿体的主要功能 光合作用 第二节叶绿体与光合作用 基本概念 1 光合作用 photosynthesis 绿色植物叶肉细胞的叶绿体吸收光能 利用水和二氧化碳合成糖类等有机化合物 同时放出氧的过程 2 光合作用的过程 原初反应 电子传递和光合磷酸化 碳同化 二 叶绿体的主要功能 光合作用 第二节叶绿体与光合作用 基本概念 3 光反应 包括 原初反应 电子传递和光合磷酸化两步 它是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 并将光能转变为电能 进而转换为活跃的化学能 形成ATP和NADPH的过程 4 暗反应 在叶绿体基质中进行的不需光 也可在光下 的酶促化学反应 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 一 光合磷酸化 第二节叶绿体与光合作用二 叶绿体的主要功能 光合作用 首先光能转化成电能 经电子传递产生ATP以及NADPH形式的不稳定化学能 最终转化成稳定的化学能储存在糖类化合物中 分为光反应和暗反应 前者需要光 涉及水的光解和光合磷酸化 后者不需要光 涉及CO2的固定 分为C3和C4两类 一 光合磷酸化 第二节叶绿体与光合作用二 叶绿体的主要功能 光合作用 I 原初反应和光合系统 第二节叶绿体与光合作用二 叶绿体的主要功能 光合作用 1 原初反应 就是捕获吸收光能并形成高能电子的反应 具体而言 是指叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反应为止的过程 包括光能的吸收 传递与转换 即光能被捕光分子吸收 并传递至反应中心 在反应中心发生最初的光化学反应 使电荷分离从而将光能转换为电能的过程 I 原初反应和光合系统 第二节叶绿体与光合作用二 叶绿体的主要功能 光合作用 2 光合系统 2 1吸收光能的主要分子是叶绿素 a和b 另一类色素分子是类胡萝卜素 胡萝卜素和叶黄素 2 2色素分子按其作用可分为两类 一类是捕光色素或称天线色素 另一类属反应中心色素 I 原初反应和光合系统 第二节叶绿体与光合作用二 叶绿体的主要功能 光合作用 2 光合系统 2 3捕光色素 全部叶绿素b和