第七章细胞的能量转换—线粒体和叶绿体.doc

细胞生物学教案 邵邻相 第七章 细胞的能量转换线粒体和叶绿体一 教学目标：1 深刻理解线粒体和叶绿体是真核细胞两种重要的产能细胞器。线粒体广泛存在于各类真核细胞中，而叶绿体仅存在于植物细胞中。2 深刻理解线粒体和叶绿体的超微结构，理解氧化磷酸化和光合磷酸化的特点和不同点。3 深刻理解线粒体和叶绿体都是半自主性的细胞器。深刻理解分子伴娘在跨膜运输蛋白质进入线粒体和叶绿体的过程中所发挥的作用。4 理解线粒体和叶绿体的增殖主要是通过分裂进行的。理解关于线粒体和叶绿体起源的内共生学说和分化学说。二重点：1.线粒体、叶绿体的超微结构；2. 线粒体、叶绿体的自主性3. 线粒体、叶绿体的增殖。三难点：线粒体、叶绿体的超微结构及功能的关系。四授课方式与教学方法：讲授、讨论、多媒体辅助教学。五教学内容:线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。线粒体普遍存在于各类真核细胞中，叶绿体仅存在于植物细胞中。 线粒体和叶绿体都是高效的产生ATP的精密装置，尽管它们最初能量的来源不同，但却有着相似的基本结构，以类似的方式合成ATP。线粒体和叶绿体都有环状DNA及自身转录的RNA与翻译蛋白质的体系。组成线粒体和叶绿体的各种蛋白质成分是由核DNA和线粒体DNA或叶绿体DNA分别编码的，所以线粒体和叶绿体都是半自主性细胞器。 第一节 线粒体与氧化磷酸化一、线粒体形态、大小、数目和分布二、线粒体的超微结构本世纪50年代后，在电镜下观察研究线粒体的结构问题。是由双层单位膜套叠成的所谓“囊中之囊”，在空间结构上人为地划分为四大部分，即外膜、内膜、外室、内室。（一）外膜（outer membrane）指包围在线粒体最外面的一层膜，看上去平整光滑而具有弹性，膜厚约6nm。对各种小分子物质（分子量在10000 doldon以内，如电解质、水、蔗糖等）的通透性较高，有人认为外膜上具有小孔（23nm）。（二）内膜（inner membrane）也是一单位膜，约厚68nm。内膜不同于外膜。首先是在结构上，内膜不是平滑的，而是由许多向线粒体腔内的突起（褶叠或小管），被称为“线粒体嵴”（mitochondria cristae），是线粒体最富有标志性的结构，它的存在大大扩大了内膜的表面积，增加了内膜的代谢效率。（三）外室（outer space）（膜间隙）指内、外膜之间的窄小空隙，宽约68 nm，又称膜间隙（intermembrane space）。（四）内室（mner space）指由内膜包围的空间，其内充满蛋白质性质的物质，称线粒体基质（mitochondria matrix）。三、线粒体的化学组成及定位（chemical composition）（一）蛋白质 外膜含量（60%）低于内膜含量（80%），主要为酶类（约120余种）。外膜：单胺氧化酶（标记酶）、NADH细胞色素C还原酶、脂肪酸辅酶A连接酶等等；内膜：呼吸链酶系（细胞色素氧化酶为标记酶）、ATP合成酶、琥珀酸脱H酶等等；外室：腺苷酸激酶（标记酶）、核苷二磷酸激酶；内室：三羧酸循环酶系（其中苹果酸脱H酶是标记酶）、脂肪酸氧化酶、蛋白质合成酶系等等（二）脂类 外膜中含量（40%）高于内膜中的含量（20%）。其中内膜不含胆固醇，而含心磷脂较多。（三）核酸 基质中有DNA，称mtDNA四、线粒体的功能生物氧化（biological oxidation） 亦称细胞呼吸（cellular respiration），指各类有机物质在细胞内进行氧化分解，最终产生CO2和 H2O，同时释放能量（ATP）的过程。包括TCA环、电子传递和氧化磷酸化三个步骤，分别是在线粒体的不同部位进行的。第二节 叶绿体与光合作用（chloroplast & photosynthesis） 叶绿体是植物细胞特有的双层膜围成的细胞器，它对生物界的存在和进化有着重大贡献（三个最初：一是人类、动物、多数微生物的食物的最初来源；二是人类社会利用的古生物燃料煤、石油、天然气的最初来源；三是地球上氧气的最初来源），主要功能在于：吸收光能，合成碳水化合物，同时产生分子氧，总称为光合作用（photosynthesis）一、叶绿体的形状、大小、数目、分布二、超微结构 近年来，先后有许多学者采用超薄切片、负染色和冰冻蚀刻等先进技术，研究叶绿体的形态和组成，揭示叶绿体囊状膜系统的超微结构。1 叶绿体膜（chl membrane）是两层光滑的单位膜（内、外膜）6-8nm，也称外被（outer envelope），是一个有选择的屏障，控制着叶绿体代谢物质的进入和排出。2 基质（stroma）指叶绿体膜包围的，无结构，呈流动状态的物质。即叶绿体内膜与类囊体之间无定形物质，在基质中存在：（1）叶绿体DNA 环状，每一叶绿体内可含有几十个拷贝；（2）70S核糖体；（3）mRNA、tRNA；（4）酶类；（5）RUBP羧化酶；（6）各种离子。3 类囊体类囊体在基质中有两种形式存在，一种是较小的扁囊，多个530（10100个）相互叠置成一摞，形成的结构称基粒（grana）。每一叶绿体中约含有4080个基粒。组成基粒的类囊体称基粒类囊体（granum-thylakoid）或基粒片层（grana lamella）。另一种是较大的扁囊，贯穿于基粒之间，称基粒间类囊体或基质类囊体（stroma-thylakoid）或基质片层（stroma lamella）。它们顺着叶绿体的纵轴彼此平行排列。其存在意义在于，使膜片层的总面积大大超出叶绿体的面积。三、化学组成四、叶绿体的功能光合作用（photosynthesis） 绿色植物细胞，吸收光能，还原CO2，并利用水提供氢合成碳水化合物，同时放出分子氧的过程，称为光合作用。总过程分为两个阶段：光反应和暗反应。第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器一、线粒体与叶绿体的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 二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成（一） 线粒体的蛋白质合成 线粒体基质中除有DNA外，还有各种RNA、核糖体、氨基酸活化酶等，说明它能合成自我繁殖所需的某些成分，但数量不多，只占线粒体全部蛋白质的10%，约有13种（20个分子）左右。有人估算：10（每周10个核苷酸）=14705对核苷酸，能编码4902个氨基酸（除以3），假设一个蛋白质分子由150个氨基酸组成，则能编码30个左右蛋白质分子，如果除去编码RNA、rRNA、tRNA的信息量（占总信息量的30%），余下的信息量只能编码约20个左右的蛋白质分子。综上所述，线粒体有自身的DNA，有一整套蛋白质合成系统，能够复制和再生，使其一代代传下去，所以具有一定的自主性。（二）叶绿体蛋白质的合成 叶绿体中的蛋白质（酶）一部分是在叶绿体中由它自己的DNA编码，经过mRNA转录和翻译形成的，有一部分则是由核基因编码，在细胞质中形成后转入叶绿体的。还有一部分是由核基因编码，在叶绿体的核糖体上合成。三、对细胞核和细胞质的依赖性大 无论是线粒体还是叶绿体，它们的自主性是有限的，下面以线粒体为例说明之。核质蛋白质合成系统通过合成某些酶类来调节线粒体的蛋白质合成系统。在有氯霉素存在的条件下培养链孢霉细胞，这时线粒体的蛋白质合成受抑制，但线粒体的三羧酸循环酶类、电子传递链中的NADH脱氢酶、CytC、以及DNA-Poly-merase、RNA-Polymerase、核糖体蛋白质、各种氨基酸活化酶等有关线粒体DNA复制和基因表达的酶类依然存在。而这些酶是由核基因编码，在细胞质中合成，然后转移到线粒体的。这说明细胞质的蛋白质合成系统（或者说核质蛋白质合成系统）通过合成某些酶类来调节线粒体的蛋白质合成系统。 又：在有放线菌酮存在下培养链孢霉细胞，由于细胞质蛋白质合成系统受抑制，结果培养一段时间后，线粒体的合成活性也显著下降。这足以说明线粒体对细胞核和其他细胞质部分有很大依赖性。实际上也是这样，线粒体DNA所编码的蛋白质只有它自身全部蛋白质的10%，绝大部分是由核DNA编码的。 从上述看出，线粒体的生长增殖是受核基因组和线粒体基因组两套遗传系统的共同控制，故称线粒体为半自主性细胞器。四、物质进出线粒体的穿膜机制 细胞质中合成的蛋白质运送至线粒体，大多数以前体的形式存在，而且是需能过程。前体蛋白质包括有功能的“成熟”形式和氨基未端引伸出的一段导肽（引肽，Leader seguences，在叶绿体特称为“转运肽”）共同组成。导肽约含2080个氨基酸，又叫氨基末端指导肽。进入线粒体的过程大致为：1带有N-末端导肽的前体蛋白质首先与外膜上受体结合；2蛋白质横跨外、内膜；3N-末端导肽被基质中的蛋白酶切制；4活化的成熟蛋白质进入基质。五、线粒体、叶绿体的增殖与起源一、线粒体和叶绿体的增殖线粒体的增殖：由原来的线粒体分裂或出芽而来。 叶绿体的发育和增殖：个体发育：由前质体（proplastid）分化而来。增殖：分裂增殖二、 线粒体和叶绿体的起源内共生起源学说（endosymbiosis hypothesis)叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻：线粒体源于细胞内共生的细菌。 生物的蓝细菌（Cyanobacteria），即蓝藻。内共生起源学说的主要论据：基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质，蛋白质合成机制有 很多类似细菌而不同于真核生物。两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，内膜与细菌 质膜相似。以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。能在异源细胞内长期生存，说明线粒体和叶绿体具有的自主性与共生性 的特征。线粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌。发现介于胞内共生蓝藻与叶绿体之间的结构-蓝小体，其特征在很多方面 可作为原始蓝藻向叶绿体演化的佐证。不足之处：从进化角度，如何解释在代谢上明显占优势的共生体反而 将大量的遗传信息转移到宿主细胞中？不能解释细胞核是如何进化来的，即原核细胞如何演化为 真核细胞？ 线粒体和叶绿体的基因组中存在内含子，而真细菌原核生物基因组中不存在内含子，如果同意内共生起源学说的观点，那么线粒体和叶绿体基因组中的内含子从何发生？非共生起源学说主要内容：真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌。它比典型的原核细胞大，这样就要增加逐渐具有呼吸功能的膜表面，开始是通过细菌细胞膜的内陷、扩张和分化，后逐渐形成线粒体和叶绿体的雏形。在进化的最初基因组复制并不伴随细胞分裂，然后基因组附近质膜内陷形成双层膜而包围基因组形成原始的线粒体和叶绿体及细胞核等细胞器。后来在进化中进一步分化，如线粒体和叶绿体一部分基因丢失而细胞核高度发展，逐渐形成现在的真核细胞。成功之处：解释了真核细胞核被膜的形成与演化的渐进过程。不足之处不足之处实验证据不多无法解释为何线粒体、叶绿体与细菌在DNA分子结构和蛋白质合成性能上有那么多相似之处对线粒体和叶绿体的DNA酶、RNA酶和核糖体的来源也很难解释。真核细胞的细胞核能否起源于细菌的核区？五课堂小结：线粒体主要功能是呼吸作用，内含DNA和核糖体，分裂增殖，具有自主性，起源于细菌。叶绿体主要功能是光合作用，内含DNA和核糖体，分裂增殖，具有自主性，起源于蓝细菌。1 一节应掌握线粒体的超微结构，理解氧化磷酸化发生的场所及其反应过程2 第二节应掌握叶绿体的超微结构，了解光合作用发生的场所及其各步反应的特点。3 第三节应深刻理解线粒体和叶绿体是半自主性的细胞器，虽有环状DNA和蛋白质合成的全套机构，但其自身合成的蛋白质种类是十分有限的。细胞质中合成的蛋白质在分子伴娘的协助下跨膜运送进入线粒体和叶绿体，与其自身合成的蛋白质共同组装成呼吸链和酶。4 第四节应理解线粒体和叶绿体的增殖主要是通过分裂进行的。掌握关于线粒体和叶绿体起源的内共生学说和分化学说。 教学内容与考核要求第一节 线粒体与氧化磷酸化1线粒体的形态结构 （1）线粒体的数量、分布和超微结构（识记）（2）线粒体的化学组成和酶的定位2线粒体的功能（领会）（1） 氧化磷酸化的分子结构基础（2） 氧化磷酸化的耦联机制3线粒体与疾病第二节 叶绿体与光合作用