细胞的能量转换─线粒体和叶绿体

第六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功能氧化磷酸化线粒体与疾病,线粒体的发现,1894年，Altmann(奥特曼)首次发现，生命小体。1897年，Benda(班达)正式命名为线粒体。1963年，Nass(纳斯)，鸡胚肝细胞线粒体中存在DNA；Schatz(沙茨)，分离到完整的mtDNA。1981年，测定人mtDNA的DNA序列。1987年，Wallace(华勒斯)，mtDNA突变可引起疾病。1988年，首次报道mtDNA突变。,（一）线粒体的形态、大小、数量与分布：形态、大小、数量与分布，在不同细胞内变动很大，就是同一细胞在不同生理状态下也不一样。具有多形性、易变性、运动性和适应性等特点。以线状和颗粒状最常见，在一定条件下线粒体的形状变化是可逆的。线粒体的形状与大小并不是固定的，而是随着代谢条件的不同而改变，它可能反映线粒体处于不同的代谢状态。植物细胞的线粒体数量一般较动物细胞的少。线粒体的数目在不同类型细胞内有很大差别。线粒体的数目还与细胞的生理功能及生理状态有关，在新陈代谢旺盛的细胞中线粒体多。在很多细胞中，线粒体在细胞内的分布是不均匀的，在某些细胞中线粒体往往集中在细胞代谢旺盛的需能部位。根据细胞代谢的需要，线粒体可在细胞质中运动、变形和分裂增殖。线粒体在细胞质中的定位与迁移，往往与微管有关。,一、线粒体的形态结构,一、线粒体的形态结构,（二）线粒体的结构与化学组成：在电镜下观察到线粒体是由内外两层彼此平行的单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。外膜(outermembrane）：线粒体最外面的一层单位膜结构，起界膜作用。厚约6nm，光滑而有弹性，蛋白质和脂质各占50%。含孔蛋白，通透性较高。一些特殊的酶类：标志酶是单胺氧化酶。,一、线粒体的形态结构,（二）线粒体的结构与化学组成：内膜（innermembrane）：是位于外膜的内侧把膜间隙与基质分开的一层单位膜结构，厚约68nm。蛋白质/脂质3:1，缺乏胆固醇，富含心磷脂，高度不通透性。线粒体内膜向基质折叠形成嵴，大大增加了内膜的表面积。在内膜的嵴上有许多排列规则的颗粒，称为线粒体基粒，又称偶联因子1，简称F1（ATP合酶的头部）。内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。,一、线粒体的形态结构,（二）线粒体的结构与化学组成：内膜和外膜将线粒体分割成两个区室：膜间隙：线粒体内外膜之间的腔隙。宽约68nm，含许多可溶性酶、底物及辅助因子。膜间隙的标志酶是腺苷酸激酶，功能是催化ATP分子末端磷酸集团转移到AMP，生成ADP。线粒体基质：内膜所包围的嵴外空间。酶类：含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等。线粒体遗传系统：线粒体DNA,RNA，核糖体和转录、翻译遗传信息所需的各种装置。线粒体基质的标志酶是柠檬酸合成酶。,二、线粒体的功能氧化磷酸化,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。,三、氧化磷酸化,氧化磷酸化的分子结构基础结合变构机制和旋转催化假说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,（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,电子传递链的涵义,电子传递链（呼吸链）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，由一系列能可逆地接受和释放电子或H+的化学物质所组成，在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链或呼吸链。线粒体内膜上的呼吸链是典型的多酶氧化还原体系，参加呼吸链的氧化还原酶有：1、烟酰胺脱氢酶类（以NAD+或NADH+为辅酶）2、黄素脱氢酶类（以黄素单核苷酸FMN或黄素腺嘌呤二核苷酸FAD为辅基）3、铁硫蛋白类（或称铁硫中心，FeS）4、辅酶Q类5、细胞色素类：呼吸链中的细胞色素蛋白至少有5种，即细胞色素b、c、c1、a、a3。,电子传递链的四种复合物,复合物：NADH-CoQ还原酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：25条以上多肽链组成，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个高能电子辅酶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，2个Fe-S中心，1个细胞色素b作用：催化电子从琥珀酸通过FAD和Fe-S传给辅酶Q(无H+泵出)复合物：CoQ-细胞色素c还原酶(既是电子传递体又是质子移位体)组成：由10条多肽链组成，2个细胞色素b，1个细胞色素c1和1个Fe-S蛋白。作用：催化电子从CoQ氧化传给细胞色素c，同时发生质子的跨膜转移。复合物：细胞色素氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：由613条多肽链组成，以二聚体形式存在。细胞色素a和a3和两个铜原子。作用：催化电子从细胞色素c传给氧，同时发生质子的跨膜转移。,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,五种类型电子载体：烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、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位递增的方向传递(NAD+/NADH最低，H2O/O2最高)。高能电子释放的能量驱动线粒体内膜复合物(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合酶,ATP合酶的存在部位ATP合酶的分子结构ATP合酶的工作特点ATP合酶的作用机制,ATP合酶的存在部位,线粒体的内膜叶绿体的类囊体膜好氧细菌的质膜,ATP合酶的分子结构,ATP合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”。球状的F1头部从内膜突出于基质内，水溶性球蛋白，较易从膜上脱落。33嵌于内膜的F0基部嵌合在内膜上的疏水性蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道。亚基类型在不同物种中差别很大。只有细菌的被确定为a1b2c1012。,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,结合变构机制和旋转催化假说(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。旋转是由质子跨膜运动来驱动的。,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合酶流回到基质，其能量促使ADP和Pi合成ATP。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,磷酸化作用与电子传递的偶联,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。NADH呼吸链生成ATP的3个部位是：,NADHCoQ1ATPCytbCytc1ATP3ATPCytaa3O21ATPFADH2呼吸链只生成2个ATP分子：电子从FADH2至辅酶Q间传递所释放的能量不足以形成高能磷酸键。,三、线粒体与疾病,线粒体的异常会影响整个细胞的正常功能，从而导致病变。有人将这一类疾病称为“线粒体病”。克山病就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。患者因缺硒而导致心肌线粒体出现膨胀、嵴稀少和不完整。,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,、叶绿体的形状、大小和数量植物种类差别大不稳定的细胞器：不同的环境条件产生不同适应性变化（光照）高等植物叶绿体：形状：成凸透镜状或香蕉型。大小：宽24nm，长510nm.数量：大多数叶肉细胞含有几十至几百个叶绿体，可占细胞质体积的40%90%。藻类植物只有一个巨大的叶绿体，形态依细胞形态而定。,一、叶绿体的形态结构,叶绿体超微结构,叶绿体膜双层单位膜内膜和外膜组成，每层膜厚68nm。内外膜之间为1020nm宽的腔隙，称为膜间隙。外膜通透性大，含孔蛋白，允许104的分子通过。内膜通透性较差，仅有O2、CO2和H2O分子能自由通过。内膜上有很多转运蛋白。,、叶绿体的结构和化学组成,叶绿体超微结构,类囊体叶绿体内部由内膜发展而来的封闭的扁平膜囊。类囊体内空间称为类囊体腔。在叶绿体的某些部位，许多圆饼状的类囊体有序叠置成垛，称为基粒。,、叶绿体的结构和化学组成,类型,基粒类囊体基质类囊体,叶绿体超微结构,类囊体基粒类囊体：组成基粒的类囊体。1、直径为0.250.8m，厚约0.01m。2、一个基粒由530个基粒类囊体组成，最多可达上百个。基质类囊体：贯穿在两个或两个以上基粒之间没有发生垛叠的片层结构称为基质片层或基质类囊体。1、垛叠是动态的：垛叠和非垛叠可以相互转换。2、类囊体垛叠成基粒高等植物细胞特有的膜结构大大增加膜片层的总面积有效捕获光能加速光反应。3、化学组成：含极少的磷脂和丰富的具有半乳糖的糖脂（主要是不饱和亚麻酸）类囊体的脂双分子层流动性非常大。,、叶绿体的结构和化学组成,叶绿体超微结构,叶绿体基质被叶绿体内膜所包围的除类囊体以外的区域。主要成分：可溶性蛋白质：核酮糖-1.5-二磷酸羧化酶光和作用中一个起重要作用的酶系统。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,二、叶绿体的功能光合作用,(1)依赖光的反应光反应(2)碳同化反应固碳反应光反应：原初反应、电子传递及光合磷酸化固碳反应,Photosynthesis,光合作用：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。,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，并将光能转换为电能，进而转换为活跃化学能，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)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，即光能被补光色素分子吸收，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。,光反应,原初反应（primaryreaction)植物：叶绿素叶绿素a、叶绿素b；类胡萝卜素胡萝卜素、叶黄素在一些细菌和藻类中还有藻胆素和叶绿素c和d等。色素分子按其作用分类：1、捕光色素：具有吸收聚集光能和传递激发能给反应中心的作用，而无光化学活性，故又称天线色素，由全部叶绿素b和大部分叶绿素a、胡萝卜素和叶黄素等所组成。2、反应中心色素：由一种特殊状态的叶绿素a分子组成，具有将光能转换为化学能的特殊功能。按最大吸收峰的不同分类：、吸收峰700nm称P700PS的中心色素、吸收峰680nm称P680PS的中心色素捕光色素及反应中心构成了光合作用单位，它是进行光合作用的最小的结构单位。反应中心：中心色素分子Chl、原初电子供体D、原初电子受体AD.Chl.AD.Chl*.AD.Chl+.A-D+.Chl.A-,h,光反应,电子传递实验证明：光合作用的电子传递是在两个不同的光系统中进行的，即由PS及PS协同完成。1、PS：将电子从低于H2O的能量水平提高到一个中间点。2、PS：把电子从中间点提高到NADP+水平。,光合磷酸化类型,光和磷酸化：由光能所引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程。光和磷酸化类型：按照电子传递的方式分为非循环式光合磷酸化和循环式光合磷酸化两条通路。,光反应,光合磷酸化的作用机制,PQH2转移到膜内侧质子释放到类囊体，电子传给细胞色素bf经PC将电子传给P700P700放出电子传给铁硫蛋白传给铁氧还蛋白电子交给NADP+还原成NADPH。,光反应,P680吸收光量子激发出的电子传至电子受体PQ（质体醌）PQ摄取两个质子还原为PQH2,固碳反应,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，储存于有机物中。这一过程是在叶绿体基质中进行的不需要光（也可在光下）的酶促化学反应。卡尔文循环（Calvincycle）（C3途径）C4途径景天酸代谢途径,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DNA线粒体和叶绿体的蛋白质合成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。mtDNA和ctDNA的复制仍受核控制：复制所需的DNA聚合酶由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成。,MTDNA/CTDNA形状、数量、大小,mtDNA呈双链环状，与细菌的DNA相似。mtDNA大小：动物：周长约5m，16,000bp，相对分子质量108，比核DNA相对分子质量小1,00010,000倍。酵母：周长可达26m，78,000bp，人：16,569bp，含有37个基因，是迄今为止所知最小的mtDNA。,MTDNA/CTDNA形状、数量、大小,ctDNA也呈双链环状ctDNA大小：差异较大，一般周长为40-60m，相对分子质量约为3.8106。叶绿体中DNA分子数明显比线粒体中DNA分子数多：线粒体：6个mtDNA叶绿体：12个ctDNA,三、线粒体和叶绿体的蛋白质合成,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%的叶绿体蛋白质是由核基因编码的例如(RuBPcase),四、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装,线粒体：1.导肽在细胞质中合成的线粒体中的前体蛋白由成熟式的蛋白质和N端的前导肽共同组成。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叶绿体：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。,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：由前质体分化而来。增殖：分裂增殖通常是在叶绿体近中部处向内收缩，最后分开成为两个子叶绿体。叶绿体数目：幼龄叶绿体分裂。,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,内共生起源学说,叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻：Mereschkowsky，1905年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。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。通过细菌细胞膜内陷、扩张和分化，后来逐渐形成线粒体和叶绿体的雏形，又称原生质膜内陷说。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？,本章小结,线粒体与氧化磷酸化一、线粒体的形态结构（一）线粒体的形态、大小、数量与分布（二）线粒体的结构与化学组成：外膜、内膜、膜间隙、线粒体基质二、线粒体的功能氧化磷酸化（一）氧化磷酸化的分子结构基础1、电子传递链：涵义、四种复合物、类型（NADH、FADH2）2、ATP合酶：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）、分子结构（F1颗粒、F0颗粒）、结合变构机制和旋转催化假说。（二）氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说三、线粒体与疾病：克山病种心肌线粒体病,本章小结,叶绿体与光合作用一、叶绿体的形态结构、叶绿体的形状、大小和数量、叶绿体的结构和化学组成：叶绿体膜、类囊体（基粒类囊体、基质类囊体）、叶绿体基质二、叶绿体的功能光合作用光反应：原初反应、电子传递、光合磷酸化（非循环式、循环式光合磷酸化）固碳反应：卡尔文循环、C4途径、景天酸代谢途径,本章小结,线粒体和叶绿体是半自主性细胞器一、半自主性细胞器的概念二、线粒体和叶绿体的DNA形状、数量、大小三、线粒体和叶绿体的蛋白质合成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四、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装,本章小结,线粒体和叶绿体的增殖与起源一、线粒体和叶绿体的增殖线粒体：分裂或出芽叶绿体：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,孔蛋白,是由链形成的桶状结构；中心有直径为23nm的小孔，即内部通道。当孔蛋白通道完全打开时，可以通过相对分子质量高达5103的分子。,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。管状原生动物、低等动物、植物细胞。一般来说，需能多的细胞，不但线粒体多，嵴的数量也多。,球状的F1头部：叶轮：“橘瓣”结构，各亚基分离时无酶活性，结合时有酶活性。和亚基上均有核苷酸结合位点，其中亚基结合位点具有催化ATP合成或水解的活性。与亚基有很强的亲和力，结合在一起形成“转子”，共同旋转以调节三个亚基催化位点的开放和关闭。亚基有抑制酶水解ATP的活性，还有堵塞H+通道、减少H+泄漏的功能,嵌于内膜的F0基部：多拷贝的c亚基形成环状结构；a亚基与b亚基二聚体排列在环状结构的外侧；a亚基、b亚基二聚体和亚基共同组成“定子”；F0中的一个亚基可结合寡霉素，通过亚基调节通过F0的H+流，有可起到保护自身和抵抗外界环境变化的作用。,“转子”和“定子”结合起来，“转子”在通过F0的H+流推动下旋转，依次与3个亚基作用，调节亚基催化位点的构象变化；“定子”在一侧将33与F0连接起来。,结合变构机制和旋转催化假说,非循环式光合磷酸化：由有光驱动的电子从H2O开始，经PS、Cytb6f复合物和PS最后传递给NADP+，电子传递经过两个光系统，在电子传递过程中建立质子梯度驱动ATP形成。循环式光合磷酸化:由有光驱动的电子从PS开始，经A0、A1、Fe-S、和Fd（铁氧还蛋白）,又重新传给Cytb6f（细胞色素bf），再经PC（质体蓝素）回到PS。电子循环流动，释放的能量，通过Cytb6f复合体转移质子建立质子梯度驱动ATP形成。,循环式光合磷酸化整个过程,只有ATP