第8章 线粒体和叶绿体-3版

上课了！,同学们好！,细胞生物学,生命科学与技术学院张晓军教授,第八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,线粒体的形态结构线粒体的化学组成及酶的定位线粒体的功能氧化磷酸化线粒体与疾病,一、线粒体的形态结构,（一）线粒体的形态、大小、数量与分布（二）线粒体的超微结构外膜(outermembrane）：含孔蛋白(porin)，通透性较高。内膜（innermembrane）：高度不通透性（心磷脂），向内折叠形成嵴（cristae）。含有与能量转换相关的蛋白膜间隙（intermembranespace）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。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。,孔蛋白,在外膜上整齐排列筒状圆柱体，高56nm，直径6nm其成分为孔蛋白；圆柱体的中央有直径为23nm的小孔。相对分子质量为10KD以下的小分子物质均可通过小孔进入膜间隙。,嵴的类型,板层状高等动物细胞中，绝大部分细胞中的嵴其方向大多与长轴垂直，也有与长轴平的管状原生动物、低等动物、植物细胞中,嵴的数量,执行氧化反应的电子传递链ATP合成酶（基粒）线粒体内膜转运蛋白,二、线粒体的化学组成及酶的定位,线粒体的化学组成线粒体酶的定位线粒体组分分离方法,(一）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蛋白质和脂类的比值内膜3:1外膜1:1,三、线粒体的功能氧化磷酸化(oxidativephosphorylation),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。是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释能的场所。还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。,伴随着生物的氧化（放能）过程，所发生的磷酸化（贮能）作用的过程。,糖丙酮酸CoATCAH2OO2NADH,ATPADP+Pi,e,细胞生命活动,磷酸化,氧化,三、氧化磷酸化,氧化磷酸化的分子结构基础氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说(ChemiosmoticHypothesis,Mithchell,1961)氧化磷酸化的过程质子动力势的其他作用,（一）氧化磷酸化的分子结构基础,氧化(电子传递、消耗氧,放能)与磷酸化(ADP+Pi，储能)同时进行，密切偶联，分别由两个不同的结构体系执行：氧化的分子结构基础电子传递链磷酸化的分子结构基础ATP合成酶磷酸化作用与电子传递的偶联,1.电子传递链(electron-transportchain）,电子传递链的涵义电子传递链的四种复合物电子传递链的类型在电子传递过程中，有几点需要说明,电子传递链的四种复合物(哺乳类),复合物：NADH-CoQ还原酶复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白。作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电子辅酶Q；泵出4H+复合物：琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递体而非质子移位体）组成：含FAD辅基，2Fe-S中心，作用：催化2低能电子FADFe-S辅酶Q(无H+泵出)复合物：细胞色素bc1复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：包括1cytc1、1cytb、1Fe-S蛋白作用：催化电子从UQH2cytc；泵出4H+（2个来自UQ，2个来自基质）复合物：细胞色素C氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：二聚体，每一单体含13个亚基，三维构象，cyta,cyta3,Cu,Fe作用：催化电子从cytc分子O2形成水，2H+泵出，2H+参与形成水,电子传递链的类型,NADH呼吸链,复合物、组成主要的呼吸链，催化NADH的氧化FADH2呼吸链复合物、组成FADH2呼吸链，催化琥珀酸的氧化,4种复合物组成两种呼吸链：,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势递增的方向传递(NAD+/NAD最低，H2O/O2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,2.ATP合成酶（ATPsynthase）,ATP合成酶的存在部位ATP合成酶的分子结构ATP合成酶的工作特点ATP合成酶的作用机制亚单位相对于亚单位旋转的直接实验证据,ATP合成酶的存在部位,线粒体的内膜叶绿体的类囊体膜好氧细菌的质膜,ATP合成酶的分子结构,ATP合成酶的分子结构是由两个部分组成,犹如一部精密的分子“水轮机”（turbine)。F1颗粒从内膜突出于基质内，水溶性球蛋白，F1颗粒具有ATP酶活。33F0颗粒嵌合在内膜上的疏水性蛋白复合体，跨膜质子通道。a1b2c10-12,ATP合成酶的分子结构,水轮机（turbine),叶轮（impeller):33和亚基上均具有核苷酸结合位点，其中亚基上的结合位点具有催化ATP合成的或水解的活性轴(shaft):转子(rotor):c12定子(stator):a1b2,工作特点,可逆性复合酶: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,结合变构机制（BandingChangeMechanism）和旋转催化假说（rotationalcatalysis)(Boyer1979),质子梯度的作用并不是用于形成ATP，而是使ATP从酶的催化位点上解脱下来。ATP合成酶上的3个亚基的氨基酸序列是相同的，但构象不同。对核苷酸的亲和性不同。（疏松L、紧密T、开放O)ATP通过旋转催化而合成。质子跨膜运动来驱动的。结合/分离4个质子c环和亚基旋转120度，F1释放1个新合成的ATP；转移12个质子旋转360度，合成和释放3个ATP.,3.磷酸化作用与电子传递的偶联,2H+NADHFMNFeSQCytbFeSCytC1CytCCytaa3O2H2O,FADFeS,琥珀酸,ADP+PiATP,ADP+PiATP,ADP+PiATP,丙酮酸脂肪酸乙酰CoATCA循环,2e-,复合物,复合物,复合物,复合物,NADHCoQ1ATPCytbCytC1ATP3ATPCytaa3O21ATP,（二）氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说,化学渗透假说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，所释放的能量将质子（H+）从内膜基质侧泵到膜间隙，在内膜的两侧形成电化学质子梯度，也称为质子动力势(protonmotiveforce，P)。在这个梯度驱使下，H+穿过内膜上的ATP合成酶流回到基质，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。化学渗透假说的两个特点强调线粒体膜结构的完整性定向的化学反应支持化学渗透假说的实验证据该实验表明质子动力势乃是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件,支持化学渗透假说的实验证据该实验表明质子动力势乃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件,（三）氧化磷酸化的过程,氧化磷酸化过程实际上是线粒体能量转换过程，即有机分子中储藏的能量高能电子质子动力势ATP。,（四）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BrownFatCell线粒体产生大量热量,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、叶绿体的形态结构,叶绿体的超微结构叶绿体与线粒体形态结构比较,叶绿体超微结构,叶绿体膜类囊体,三膜三腔,外膜内膜膜间隙,类型化学组成结构作用,基粒类囊体基质类囊体,叶绿体超微结构,基质可溶性蛋白质：核酮糖-1.5-二磷酸羧华酶(RuBPcase)环状DNARNA（rRNA、tRNA、mRNA）核糖体脂滴（可能是脂质的储存库）植物铁蛋白（储存铁）淀粉粒,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。,二、叶绿体的功能光合作用(photosynthesis),(1)光合电子传递反应光反应(LightReaction)(2)碳固定反应暗反应(DarkReaction)光反应暗反应光合作用与有氧呼吸的关系图,Photosynthesis,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（primaryreaction)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思考题,电子传递与光合磷酸化,电子传递与光合磷酸化需说明以下几点：最初电子供体是H2O，最终电子受体是NADP+。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。ATP、NADPH在叶绿体基质中形成。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，储存于有机物中。这一过程不直接需要光(在叶绿体基质中进行)。卡尔文循环（Calvincycle）（C3途径）C4途径或Hatch-Slack循环景天科酸代谢途径,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线粒体和叶绿体的自主性装置线粒体和叶绿体的自主性的限制线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装,一、半自主性细胞器的概念semiautonomousorganelle,自身含有遗传信息表达系统(自主性)，但编码的遗传信息量十分有限，其RNA的转录、蛋白质的翻译、自身的构建和功能的发挥等必须依赖于核基因组编码的遗传信息(自主性有限)。,二、线粒体和叶绿体的自主性装置,（一）线粒体和叶绿体的DNAmtDNA/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）RNA：mRNA,tRNA,rRNA（三）核糖体；70S,二、线粒体和叶绿体的自主性装置,（四）氨基酸活化酶和活化装置。与细胞质中的不同。（五）具有独立的ADP和ATP库。不与细胞质中的参与。以上这些结构装置不同于细胞质中的蛋白质合成系统，说明这两种细胞器具有独立的进行转录和翻译的功能，所以它们是自主性的个体；但是自主性是有限的必须依赖于核基因组编码的遗传信息。,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，120kbp200kbp。人mtDNA：16,569bp，37个基因(编码12S,16SrRNA；22种tRNA；13种多肽：NADH脱氢酶7个亚基，cytb-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),三、线粒体和叶绿体的自主性限制,线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性,（一）线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限,1.mtDNA编码的RNA和多肽组成线粒体各部分的蛋白质，绝大多数都是由核DNA编码并在细胞质核糖体上合成后再运送到线粒体各自的功能位点上不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异2.ctDNA编码的RNA和多肽参加叶绿体组成的蛋白质来源有种情况：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。估计至少70%的叶绿体蛋白质由核基因编码的例如(RuBPcase),二、线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性,四、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叶绿体蛋白质的运送及组装,（一）线粒体蛋白质的运送与组装,1.导肽在细胞质中合成的线粒体前体蛋白在其N-末端含有一个前导序列。引导蛋白质进入到线粒体。2.导肽的结构特征3.蛋白质的运送与组装方式（后转移方式）定位于线粒体基质的蛋白质的运送定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送,（二）叶绿体蛋白质的运送及组装,1.转运肽在细胞质中合成的叶绿体前体蛋白在其N-末端含有一个额外的氨基酸序列。引导蛋白质进入到叶绿体。2.叶绿体蛋白质的运送及组装方式（后转移方式）,第四节线粒体和叶绿体的增殖与起源,线粒体和叶绿体的增殖线粒体和叶绿体的起源,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,内共生起源学说非共生起源学说真核细胞的起源,内共生起源学说（endosymbiosishypothesis),Mereschkowsky，1905年：叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻。Margulis，1970年：线粒体的祖先-原线粒体是一种革兰氏阴性细菌；叶绿体的祖先是原核生物的蓝细菌（Cyanobacteria），即蓝藻。内共生起源学说的主要论据不足之处,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而来？,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。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？,肌原纤维