细胞生物学翟中和第四版 06 线粒体与叶绿体

第六章线粒体和叶绿体 第一节线粒体 1890 Altaman首次发现 命名为生命小体 bioblast 1898 vonBenda将之命名为线粒体mitochondrion 1904 Michaelis发现线粒体具有氧化作用 1948 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 动 植物细胞中均可观察到频繁的线粒体融合与分裂现象 这被认为是线粒体形态调控的基本方式 也是线粒体数目调控的基础 细胞中所有的线粒体构成一个不连续的动态整体 一 线粒体的融合与分裂 线粒体融合与分裂的分子基础 融合与分裂依赖于特定的基因和蛋白质的调控 融合所必需的基因最早发现于果蝇 取名Fzo fuzzyonion模糊洋葱头 Fzo基因编码一跨膜的GTPase 鸟苷三磷酸酶 定位在线粒体外膜上 介导线粒体的融合 线粒体融合与分裂的分子及细胞生物学基础 分裂的分子生物学基础 线粒体分裂依赖特定的基因和蛋白质来调控 线粒体分裂需要发动蛋白 dynamin dynamin类蛋白是一类大分子GTPase 鸟苷三磷酸酶 发动蛋白 dynamin 组装和驱动线粒体分裂的模式图 线粒体融合与分裂的分子及细胞生物学基础 线粒体分裂环 mitochondrialdivisionring 分裂的三个阶段 早期 中期 后期 NishidaKetal PNAS2003 100 2146 2151 发动蛋白 二 结构及分布 一 形态颗粒状或杆状或短线状 直径0 3 1 0 m 长1 5 3 0 m 胰外分泌细胞中可达10 20 m 称巨线粒体 肝细胞约1300个线粒体 占细胞体积的20 人类红细胞无线粒体 AnTEMimageofmitochondrion 人淋巴细胞线粒体 A 拟南芥幼叶线粒体 B 的超微结构及超微结构模式图 立体结构 二 分布 线粒体在细胞内的分布与细胞内能量需求密切相关 多分布在细胞功能旺盛的区域 可向这些区域迁移 微管是其导轨 马达蛋白提供动力 心肌细胞 靠近收缩器 精子 位于尾部 围绕活动鞭毛 三 超微结构 分为外膜 内膜 膜间隙和基质四部分 Schematicviewofmitochondrion 1 外膜 outmembrane 平展 起界膜作用 厚约6nm 外膜像筛子一样 具有孔蛋白构成的亲水通道 允许小分子物质 分子量5000以下 通过 2 内膜 innermembrane 类似细胞质膜 对离子和大多数小分子是不可通透的 除非有膜转运蛋白提供通道 心磷脂含量高 达20 缺乏胆固醇 通透性很低 2 内膜 innermembrane 高度折曲 形成一系列的内褶 称为嵴 能扩大表面积 5 10倍 分两种 板层状 管状 嵴上有基粒 即为ATP合酶 内膜是氧化磷酸化的关键场所 内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶 Lamellarcristae板层状嵴 Tubularcristae管状嵴 3 膜间隙 是内外膜之间的腔隙 宽约6 8nm 膜间隙内的液态介质含有可溶性的酶 底物和辅助因子 标志酶为腺苷酸激酶 可催化ATP生成ADP Modelsofmitochondrialmembranestructures 4 基质 matrix 富含可溶性蛋白质的胶状物质 催化重要生化反应 含三羧酸循环 脂肪酸 丙酮酸和氨基酸氧化等的酶类 还含有DNA RNA 核糖体及转录翻译所需重要分子 标志酶为苹果酸脱氢酶 三 氧化磷酸化 动物细胞80 的ATP来源于线粒体 人95 线粒体为细胞的 动力工厂 一 ATP合酶 ATPsynthase F型质子泵 分为球形的F1 头部 和嵌入膜中的F0 基部 F1 3 3 复合体 5种类型9个亚基组成 具有3个ATP合成的催化位点 每个 亚基1个 F0 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 ATP合酶分子结构模式图 ATP合酶的分子由球形的头部和基部组成 头部朝向线粒体基质 规则性地排布在内膜下并以基部与内膜相连 一 ATP合酶 ATPsynthase ATP合酶的头部被称为偶联因子1 F1 由5种类型的9个亚基组成 形成一个 橘瓣 状结构 其中只有 亚基具有催化ATP合成或水解的活性 F1的功能是催化ATP合成 亚基的一个结构域构成穿过F1的中央轴 亚基协助 亚基附着到ATP合酶的基部结构F0上 与 亚基结合形成 转子 旋转于 3 3的中央 调节3个 亚基催化位点的开放和关闭 ATP合酶的基部结构被称作F0 F0是一个疏水性的蛋白复合体 嵌合于线粒体内膜 由a b c3种亚基组成跨膜的质子通道 多拷贝的c亚基形成一个环状结构 a亚基和b亚基形成的二聚体位于环的外侧 同时 a亚基 b亚基及F1的 亚基共同组成 定子 也称外周柄 结合变构机制 质子驱动ATP合成的过程 1979年Boyer提出结合变构机制 bindingchangemechanism 其要点如下 质子梯度的作用是使ATP从酶分子上解脱下来 ATP合酶上3个 催化亚基以3种不同的构象存在 从而使它们对核苷酸具有不同的亲和性 ATP通过旋转催化而生成 旋转的动力来自于F0质子通道中的质子跨膜运动 二 质子驱动力 线粒体内膜上的电子传递为膜间隙与基质间的质子电化学梯度提供了基础 质子则借助高能电子释放的能量被不断地定向转运到膜间隙 ATP合酶在质子流的推动下实现分子内 转子 的转动 驱动ATP的生成 F1 F0 丙酮酸 脂肪酸 乙酰CoA 乙酰CoA 乙酰辅酶A 柠檬酸循环 电子传递链 高能电子 质子梯度驱动ATP合酶生成ATP 膜间隙 线粒体产能ATP 三 电子传递链 电子载体 electroncarrier 在电子传递的过程中 接受和释放电子的分子和原子 电子传递链 electrontransportchain 由电子载体组成的固定电子传递序列 也称为呼吸链 5种电子载体 黄素蛋白 细胞色素 泛醌 铁硫蛋白 铜原子共同点 具有氧化还原作用 四 电子传递复合物 复合物 NADH CoQ还原酶 NADH脱氢酶 复合物 琥珀酸 CoQ还原酶 琥珀酸脱氢酶 复合物III 细胞色素还原酶 复合物 Cytc 细胞色素 氧化酶 在医学上 由线粒体功能障碍引起的疾病被称为线粒体病 mitochondrialdisease 已知的人类线粒体病有100多种 常见的有脑坏死 心肌病 肿瘤 不育 帕金森综合征等 克山病亦称地方性心肌病 因缺硒引起 硒是谷胱甘肽过氧化物酶的一个组成成份 该酶的主要作用是还原脂质过氧化物 清除氧自由基从而保护了细胞膜的完整性 线粒体基因突变导致的线粒体病呈单纯的母系遗传 农业生产中广为利用细胞质的雄性不育 四 线粒体与疾病 第二节叶绿体 光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉 绿色植物年产干物质达1014公斤 一 叶绿体的基本形态及动态特征 在高等植物的叶肉细胞中 叶绿体呈凸透镜或铁饼状 直径为5 10 m 厚2 4 m 分布在细胞质膜与液泡间薄层的细胞质中 呈平层排列 通常情况下 高等植物的叶肉细胞含20 200个叶绿体 一 叶绿体的形态 分布及数目 一 叶绿体的形态 分布及数目 叶绿体通过位移避开强光的行为称为躲避响应在光照较弱的情况下 叶绿体会汇集到细胞的受光面 这种行为称作积聚响应叶绿体在细胞内位置和分布受到动态的调控称为叶绿体定位 光照强度对叶绿体分布及位置响应的示意图 野生型 WT 拟南芥叶片呈深绿色 对叶片的一部分 整体遮光 中部留出一条缝 强光照射1h后 被照射的部分变成浅绿色 这是由于细胞叶绿体位置和分布发生了变化 以减少强光的伤害 在叶绿体定位异常的突变体 chup1 中 光照对叶绿体的位置与分布失去影响 细胞内的叶绿体仍呈现动态特征 叶绿体在细胞内的位置与分布受光照影响 且叶绿体定位借助微丝骨架的作用 微丝结合蛋白CHUP1为叶绿体正常定位所必需 二 叶绿体的分化与去分化 叶绿体分化于幼叶的形成和生长阶段 在形态上表现为体积的增大 内膜的形成和叶绿色的积累 而在生化与分子生物学上 则体现为叶绿体功能必需的酶 蛋白质 大分子的合成 运输及定位 拟南芥编码叶绿体蛋白酶的基因 var1和var2 发生突变后 叶绿体发育异常 叶片出现白斑 白化叶或叶白化部分的质体形成白色体 叶绿体是原质体的一种分化方式 原质体 proplastid 亦称为前质体 原色素体 为叶绿体 白色体 有色体等质体的前身 或前驱 结构 仅由内膜和外膜构成 膜内是少量的基质和DNA 但是没有叶绿素和电子传递系统 在特定情况下 叶绿体的分化是可逆的 叶绿体可去分化再次形成原质体 叶绿体通过分裂而实现增殖 叶绿体的分裂与线粒体分裂具有相同的细胞动力学机制 也由外环与内环组成 分裂环的缢缩是叶绿体分裂的细胞动力学基础 三 叶绿体的分裂 叶绿体分裂必需的dynamin相关蛋白被称为ARC5 蛋白出现于缢陷处 推动叶绿体分裂 a b 红藻的叶绿体分裂环 c 被子植物天竺葵的叶绿体分裂环 二 叶绿体的超微结构 外膜 内膜和膜间隙构成 外膜通透性大 含有孔蛋白 允许相对分子质量高达104的分子通过 而内膜则通透性较低 仅允许O2 CO2和H2O分子自由通过 叶绿体内膜上有很多转运蛋白 选择性转运较大分子 一 叶绿体膜 叶绿体内部由内膜衍生而来的封闭的扁平膜囊 称类囊体 类囊体囊内的空间称为类囊体腔 thylakoidlumen 在叶绿体中 许多圆饼状的类囊体有序叠置成基粒 grana 该膜囊系统独立于基质 在电化学梯度的建立和ATP的合成中起重要作用 类囊体膜富含具有半乳糖的糖脂和极少的磷脂 糖脂中的脂肪酸主要是不饱和的亚麻酸质双分子层流动性非常大 二 类囊体 叶绿体内膜与类囊体之间的液态胶体物质 称为叶绿体基质 基质的主要成分是可溶性蛋白质和其他代谢活跃物质 其中丰度最高的蛋白质为核酮糖 1 5 二磷酸羧化酶 加氧酶 ribulose 1 5 biphosphatecarboxylase oxygenase 简称Rubisco Rubisco是光合作用中的一个重要的酶系统 亦是自然界含量最丰富的蛋白质 基质中还存在叶绿体DNA 核糖体 脂滴 植物铁蛋白和淀粉粒等物质 三 叶绿体基质 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合酶都位于类 囊体膜上 三 光合作用 光反应在类囊体膜上进行 原初反应 电子传递和光合磷酸化 固碳反应在叶绿体基质中进行 光反应产物 ATP和NADPH 驱动CO2还原成糖的分子反应过程 两步反应协同完成 依赖光的反应或称 光反应 和碳同化反应或称固碳反应 一 原初反应捕获光能是光合作用的初始步骤 光合色素分子被光能激发而引起第一个光化学反应的过程 1 光合色素 吸光 叶绿素 类胡萝卜素和藻胆素2 光化学反应光化学反应是指反应中心色素分子吸收光能而引发的氧化还原反应 光合作用原初反应的能量吸收 传递与转换光能转变为电能 二 电子传递和光合磷酸化1 电子传递 光系统 photosystem PS 指光合作用中光吸收的功能单位 由叶绿素 类胡萝卜素 脂质和蛋白质组成 PS 和PSI 叶绿体的类囊体膜上存在的两个不同的光系统 它们的反应中心相继催化光驱动的电子从H2O到NADP 的流动 1 电子传递光合电子传递链 photosyntheticelectrontransferchain 由一系列的电子载体构成 电子载体包括细胞色素 黄素蛋白 醌 铁氧还蛋白 分别组装在膜蛋白复合物PS PS Cytb6f复合物 1 PSII的结构与功能PS 由反应中心复合物和捕光复合物 LHC 组成 其功能是利用光能在类囊体膜腔面一侧裂解水并在基质侧还原质体醌 使类囊体膜的两侧形成质子梯度 2 Cytb6f复合物结构 含有一个Cytb6 一个Fe S和一个Cytf功能 将电子从PS 传递到PS 引起H 的跨膜转移 内囊体腔 基质 3 PSI的结构与功能PS 由反应中心复合物和捕光复合物 LHC 组成 其功能是利用吸收的光能或传递来的激发能在类囊体膜的基质侧将NADP 还原为NADPH 2 光合磷酸化photophosphorilation 定义 由光照所引起的的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程称为光合磷酸化CF0 CF1ATP合酶光合磷酸化的类型依电子传递的方式不同分为 非循环光合磷酸化Noncyclicphotophosphorylation循环光合磷酸化cyclicphotophosphorylation 循环光合磷酸化 非循环光合磷酸化 叶绿体类囊体膜中进行的电子传递和H 跨膜转移 光合磷酸化的作用机制 电子传递形成质子梯度 H 经电化学梯度穿越ATP合酶 驱动ADP磷酸化成ATP 三 光合碳同化本质 将光反应产物ATP和NADPH中的活跃化学能转换为糖分子中高稳定型化学能的过程 这一过程不直接需要光 在叶绿体基质中进行 类型 高等植物中有3条途径 1 卡尔文循环 C3途径 C3途径是所有植物进行光合碳同化所共有的基本途径 包括3个主要阶段 1 羧化阶段 CO2的受体为核酮糖 1 5 二磷酸 ribulose 1 5 biphosphate RuBP RuBP CO2 RuBP羧化酶 加氧酶 2甘油酸 3 磷酸 2 还原阶段 甘油酸 3 磷酸 甘油酸 3 磷酸激酶 甘油酸 1 3 二磷酸 NADPHNADP 甘油酸 1 3 二磷酸 甘油醛 3 磷酸脱氢酶 甘油醛 3 磷酸 淀粉或蔗糖 2 C4植物的碳同化 C4途径 存在于一些热带或亚热带起源的植物 C4植物 中 如甘蔗 玉米 高粱等 该途径固定CO2的最初产物为草酰乙酸 四碳化合物 因而被称为C4途径 与C3不同 CO2在叶肉细胞中与磷酸烯醇式丙酮酸PEP反应生成草酰乙酸 在PEP羧化酶作用下 草酰乙酸不稳定 迅速被还原为苹果酸 被转运到维管束鞘细胞 苹果酸被分解释放出CO2 进入卡尔文循环 C4途径 又称哈奇 斯莱克 Hatch Slack 途径 CO2受体为PEP 磷酸烯醇式丙酮酸 最初产物为草酰乙酸 OAA 叶肉细胞 维管束鞘细胞 2 C4植物的碳同化 C4途径 http plantphys info plant physiology c4cam shtml 3 景天酸代谢途径 CAM途径 CAM途径 多见于景天科 仙人掌科 凤梨科 兰科 由于环境干旱 气孔白天关闭 CO2只能夜间进入 夜间固定CO2产生苹果酸 白天苹果酸脱羧释放CO2 进入卡尔文循环 第三节线粒体和叶绿体的半自主性及其起源 半自主性细胞器 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 一 线粒体和叶绿体的半自主性 semiautonomous 一 线粒体和叶绿体DNA绝大多数真核细胞的线粒体DNA mitochondrialNA mtDNA 呈双链环状 线粒体需要通过频繁的融合与分裂共享细胞内的遗传信息 被子植物的mtDNA呈现出丰富的分子多态性 叶绿体DNA cpDNA 或称质体DNA ptDNA 亦呈环状 分子大小依物种的不同呈现较大差异 在200 2500kb之间 mtDNA和cpDNA均以半保留方式进行复制 其复制受细胞核的控制 复制所需的DNA聚合酶 解旋酶等均由核基因组编码 二 线粒体和叶绿体中的蛋白质mtDNA和cpDNA也称为线粒体基因组 mito chondrialgenome 和叶绿体基因组 chloroplastgenome 借助自身的酶系统 被转录和翻译成相应的物质 线粒体和叶绿体基因组编码的蛋白质在线粒体和叶绿体的生命活动中是重要和不可缺少的 但这些蛋白质还远远不足以支撑线粒体和叶绿体的基本功能 更多的蛋白质来源于核基因组