细胞生物学-06细胞的能量转换

第六章细胞的能量转换线粒体和叶绿体,线粒体和叶绿体是细胞内两个能量转换细胞器，它们能高效地将能量转换成ATP。线粒体广泛存在于各种真核细胞，而叶绿体仅存在于植物细胞中。它们的形态结构都呈封闭的双层结构，内膜都演化为极其扩增的特化结构，并在能量转换中起主要作用。线粒体和叶绿体以类似的方式合成ATP。线料体和叶绿体都是半自主性细胞器。,1890年R.Altaman首次发现线粒体，命名为bioblast，以为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌。1898年Benda首次将这种颗粒命名为mitochondrion。1900年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。Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体。Mitchell（19611980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。,第一节线粒体与氧化磷酸化,一、线粒体的形态结构线粒体的形态、大小、数量与分布动态细胞器，具有多形性、易变性、运动性和适应性等特点。,形状多样：以线状和粒状为主。一般直径为0.5-1.0um，长1.5-3.0um。主要以单个形式存在，有时连接成网状（酵母和培养的哺乳类动物细胞），动态状态存在。数目相差很大。不同类型、同一类型细胞。植物、动物。分布：均匀，某些细胞中常集中在细胞代谢旺盛的需能部位。线粒体在细胞质中运动、变形、融合和分裂增殖。,线粒体的超微结构线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭囊状结构，由外膜、内膜、膜间隙及基质4部分构成。外膜：厚约6nm，通透性高，含孔蛋白。内膜：厚约68nm，通透性低，只有不带电荷的小分子才能通过。内膜向内褶叠形成嵴。(内膜和嵴的基质面上有许多排列规则的基粒，基粒由头部和基部组成，头部又叫F1，基部又叫F0)。含有与能量转换相关的蛋白。通透性屏障。嵴的形成大大地增加了内膜的表面积。,孔蛋白,线粒体的电镜照片,管状脊线粒体,膜间隙：内外膜之间宽8nm的空隙，它延伸到嵴的轴心部（嵴内隙），内含许多可溶性酶类、底物和辅助因子。基质（内室）：内膜和嵴包围的空间，内含可溶性蛋白质的胶状物质，具有一定的pH和渗透压。酶类最多。含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系、脂肪酸氧化、氨基酸降解等以及线粒体DNA,RNA，核糖体；及较大的致密颗粒，这些颗粒的作用主要是贮存Ca2+。,心肌细胞和精子尾部的线粒体,外膜,内膜,膜间隙,（膜间腔、外室）,嵴,嵴间隙,（嵴间腔、内室）内含基质,二、线粒体的化学组成及酶定位线粒体的化学组成线粒体的化学成分主要是蛋白质和脂类。线粒体的蛋白可分为可溶性与不溶性两类，蛋白质(线粒体干重的6570)脂类(线粒体干重的2530)：其中磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。线粒体脂类和蛋白质的比值:0.3:1（内膜）；1:1（外膜）,可溶性蛋白质大多数是基质中的酶和膜外周蛋白；不溶性蛋白是膜的镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白。线粒体脂类主要成分是磷脂。线粒体内外膜在化学组成上根本不同是脂类和蛋白质的比值不同。内膜的脂类与蛋白质的比值低，外膜中比值较高。线粒体酶的定位线粒体约有140种酶，分布在各个结构组分中，有的可作为某一部位所特有的标志酶，如外膜的单胺氧化酶，膜间隙的腺苷酸激酶，内膜的细胞色素氧化酶，基质中的苹果酸脱氢酶。,线粒体主要酶的分布,三、线粒体的功能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、脂肪、和氨基酸最终释能的场所。糖和脂肪等营养物质在细胞质中经过酵解作用产生丙酮酸和脂肪酸。这些物质选择性地从细胞质进入线粒体基质中，经过一系列分解代谢形成乙酰CoA，即可进入三羧酸循环。三羧酸循环脱下来的氢经线粒体内膜上的电子传递链（呼吸链），最后传递给氧，生成水。,在此过程中能量水平较高的电子，经过电子传递降到较低水平，所释放的能量通过ADP的磷酸化，生成高能磷酸键ATP，从能量转换的角度，线粒体内膜起着主要作用。,真核细胞线粒体中代谢反应图解,生命活动中95%的能量来自线粒体细胞的动力工厂。,细胞氧化：在酶的催化下，氧将细胞内各种供能物质氧化而释放能量的过程。,由于细胞氧化过程中，要消耗O2释放CO2和H2O所以又称细胞呼吸。,细胞氧化的基本过程,酵解,乙酰辅酶A生成,三羧酸循环,电子传递和氧化磷酸化,：在细胞质内进行，反应过程不需要氧无氧酵解。,葡萄糖（C6H12O6）,2丙酮酸（C3H4O3)+2H+2ATP,:线粒体基质或内膜上进行。,C3H4O3+辅酶A(CoA)+2NAD,乙酰-CoA+2NADH+2H+CO2,:在线粒体基质内进行。,:在线粒体内膜上进行。,在细胞质中，脂肪和葡萄糖降解生成丙酮酸进入线粒体基质,糖酵解,在线粒体基质中，在丙酮脱氢酶体系作用下，丙酮酸进一步分解为乙酰辅酶A，NAD+作为受氢体被还原。丙酮酸+辅酶A+2NAD+2乙酰辅酶A+CO2+2NADH+2H+乙酰辅酶A与草酰乙酸结合生成柠檬酸,三羧酸循环,三羧酸循环,葡萄糖,丙酮酸,NAD,NADH2,CO2,乙酸,CoA,乙酰CoA,草酰乙酸,三羧酸循环（柠檬酸循环）,柠檬酸,顺乌头酸,异柠檬酸,NAD,NADH2,CO2,-酮戊二酸,NAD,NADH2,CO2,琥珀酸,FAD,FADH2,延胡索酸,苹果酸,NAD,NADH2,1,2,3,1,注：NAD（辅酶I）:尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸FAD（黄酶）:黄素腺嘌呤二核苷酸,其意义：提供了氧化反应所需的氢离子，通过递氢体NAD+、FAD将其传递到呼吸链氧化磷酸化。,三羧酸循环开始。总反应式：2乙酰辅酶A+6NAD+2FAD+2ADP+2Pi+6H2O4CO2+6NADH+6H+2FADH2+2辅酶A+2ATP,氧化磷酸化的分子结构基础氧化磷酸化是有氧呼吸中同电子传递相耦联的ATP合成。氧化（放能）和磷酸化（贮能）是同时进行并密切耦联在一起的，但却是两个不同的结构系统。电子传递链的各种组分均存在于线粒体内膜中，而基粒则是ATP合成的关键结构。,电子传递链（呼吸链）由一系列能可逆地接受和释放电子或H的脂蛋白复合物所组成，它们是传递电子的酶体系，在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链。细胞内有两条典型的呼吸链，即NADH呼吸链和FADH2呼吸链。,从线粒体内膜可分离出4种脂蛋白复合物。复合物如下(哺乳类)：复合物：是NADHCoQ还原酶，又称NADH脱氢酶。即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FeS中心和1个黄素蛋白。作用：催化NADH氧化，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中作用：催化2低能电子FADFe-S辅酶Q(无H+泵出),复合物：是CoQ细胞色素c还原酶。即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：是细胞色素氧化酶。即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。,线粒体内膜呼吸链电子传递示意图,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,各组分的排列顺序也即电子流的路径为：NADHFMNCoQbc1caa3O2ATP合成酶的分子结构与组成ATP合成酶或F1F0ATP酶，是从线粒体上分离出的第五种复合物，能利用电子传递过程中释放的能量合成ATP。它由头部（F1因子）和基部(F2因子）组成。F1（偶联因子F1）：为水溶性球蛋白，牛心线粒体ATP酶的F1部分，由3、3、1、1、1等9个亚基组成。F0（偶联因子F0）：是嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道。F0各亚基的数量关系只有细菌的被确定为a1b2c1012。,氧化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：NADH至辅酶Q；细胞色素b至细胞色素c；细胞色素aa3至氧之间。但FADH2呼吸链只生成2个ATP分子。,ATP合成酶(磷酸化的分子基础),分子结构线粒体ATP合成系统的解离与重建实验证明电子传递与ATP合成是由两个不同的结构体系执行,F1颗粒具有ATP酶活性工作特点：可逆性复合酶，即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ATP合成机制BandingChangeMechanism(Boyer1979)亚单位相对于亚单位旋转的直接实验证据,线粒体的ATP合成酶的基本结构,氧化磷酸化的偶联机制主要有：构象偶联假说、化学渗透假说等。化学偶联假说为氧化磷酸化机制中最为流行的一种假说。,MitchellP.1961提出“化学渗透假说”，20世纪70年代关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说，Mitchell本人也因此获得1978年诺贝尔化学奖。根据“化学渗透假说”，当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（胞质侧或C侧），由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（pH）及电位梯度（），两者共同构成电化学梯度，即质子动力势（P）。质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。,1979年代BoyerP提出构象耦联假说，一些有力的实验证据使这一学说得到广泛的认可。其要点如下：ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。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、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象（loose），ADP、Pi与酶疏松结合在一起；在T构象（tight）底物（ADP、Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。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。,四、线粒体与疾病线粒体与人的疾病、衰老和细胞凋亡有关。线粒体的异常会影响整个细胞的正常功能，从而导致病变。有人将这一类疾病称为“线粒体病”(MD)。克山病就是一种心肌线粒体病，因营养缺乏（缺硒）而引起。,线粒体与疾病,Leber遗传性视神经病(LHON)LHON是青少年早期发病的由眼神经炎引起的视神经萎缩，表现为急性的视力减退，眼底早期有视乳头轻度充血，边缘不清，此后遗留视乳头颞侧苍白。,第二节叶绿体与光合作用,叶绿体是植物细胞所特有的能量转换器，其主要功能是进行光合作用，即利用光能同化CO2和H2O合成糖，同时产生O2。一、叶绿体的形态结构叶绿体的形状、大小和数目高等植物的叶绿体大多数呈香蕉形或凸透镜状。一般宽24m，长510m。叶绿体的结构和化学组成叶绿体由叶绿体膜（被膜）、类囊体和基质3部分构成。,叶绿体的电子显微图,叶绿体膜双层单位膜即内膜和外膜组成，内外两层膜之间为膜间隙，外膜通透性大,许多化合物如核苷、无机磷、磷酸衍生物等均可透过，因此，细胞质中的大多数营养分子可以自由进入膜间隙。,叶绿体膜,内膜对物质透过的选择性较强，是细胞质和叶绿体的功能屏障。CO2、O2、Pi、H2O、磷酸甘油酸、丙糖磷酸，双羧酸和双羧酸氨基酸可以透过内膜，ADP、ATP已糖磷酸，葡萄糖及果糖等透过内膜较慢。蔗糖、C5糖双磷酸酯，C糖磷酸酯，NADP+及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体才能通过内膜。叶绿体的主要成分是蛋白质和脂类。,类囊体类囊体的结构在叶绿体基质中，有许多由单位膜封闭形成扁平小囊，称为类囊体。类囊体沿叶绿体长轴平行排列，在某些部位，许多圆盘状类囊体叠置成垛，称为基粒。组成基粒的类囊体称为基粒类囊体。基粒之间的没有发生叠垛的类囊体叫基质类囊体。类囊体膜结构的形成，大大增加了膜片层的总面积，更有效地收集光能，加速光反应。,在类囊体膜中镶嵌有大量和光合作用有关的叶绿素蛋白质复合物颗粒，集中了光合作用能量转换功能的全部组分。它们分别装配在光系统（PS）和光系统（PS）、细胞色素b6f、CF0CF1ATP酶等主要的膜蛋白复合物中。色素蛋白复合物在类囊体中呈不对称分布。在基粒与基质接触区和基质类囊体膜中含有直径为1013nm的小颗粒，具有PS的活性；在基粒与基质非接触区膜中富含直径1018nm的大颗粒，具有PS的活性；细胞色素b6f复合物在类囊体上较均匀；ATP合成酶位于基粒与基质接触区及基质类囊体的膜中。,类囊体的化学组成类囊体膜的主要成分是蛋白质和脂质，还有色素（叶绿素、类胡萝卜素）、醌化合物等。基质叶绿体膜（内膜）与类囊体之间充满无定型的物质称为基质。基质中含有核糖体、环状DNA、RNA、脂滴或称嗜锇滴、淀粉粒、植物铁蛋白以及大量的RUBP羧化酶（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶）等。RUBP羧化酶全酶由8个大亚基和8个小亚基组成，大亚基是叶绿体基因编码，而小亚基是由核基因组编码。基质中还含有参与CO2固定反应的所有酶类，故基质是光合作用固定CO2的场所。,二、叶绿体的主要功能叶绿体的主要功能是进行光合作用。光合作用是叶绿体吸收光能，使之转变为化学能，利用水和二氧化碳合成糖类等有机物并产出氧的过程。光合作用过程很复杂，一般分为光反应和暗反应两个阶段。光反应在类囊体上进行，它是通过叶绿体等分子吸收、传递光能，形成ATP和NADP的过程，在此过程中水分子被光解放出氧。暗反应在叶绿体基质中进行,叶绿体利用光反应产生的NADPH和ATP，使CO2还原合成糖。,光合作用光合作用是能量及物质的转化过程。首先光能转化成电能，经电子传递产生ATP和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。光合色素光合色素类囊体中含两类色素：叶绿素和类胡萝卜素，通常比例约为3:1，chla与chlb也约为3:l，全部叶绿素和几乎所有的类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中，与蛋白质以非共价键结合，一条肽链上可以结合若干色素分子，各色素分子间的距离和取向固定，有利于能量传递。,叶绿素分子结构,集光复合体（lightharvestingcomplex）由大约200-300个叶绿素分子和一些肽链构成。大部分色素分子起捕获光能的作用，并将光能以诱导共振方式传递到反应中心色素。叶绿体中全部叶绿素b和大部分叶绿素a都是天线色素。另外类胡萝卜素和叶黄素分子也起捕获光能的作用，叫做辅助色素。光合单位中只有一对特殊的叶绿素a具有将光能转换成化学能的特殊功能：反应中心色素,光系统（PS）吸收高峰为波长680nm处，又称P680。至少包括12条多肽链。位于基粒与基质非接触区域的类囊体膜上。包括一个集光复合体（LHC）、一个反应中心和一个含锰原子的放氧复合体。光系统（PSI）能被波长700nm的光激发，又称P700。包含多条肽链，位于基粒与基质接触区和基质类囊体膜中。由集光复合体和作用中心构成。结合100个左右叶绿素分子、除了几个特殊的叶绿素为中心色素外，其它叶绿素都是天线色素。三种电子载体分别为A0（一个chla分子)、A1(为维生素K1)及3个不同的4Fe-4S。,细胞色素b6f复合物(Cytb6fcomplex)可能以二聚体形成存在，每个单体含有四个不同的亚基。细胞色素b6、细胞色素f、铁硫蛋白以及亚基（被认为是质体醌的结合蛋白）。在电子传递过程中，细胞色素b6f复合物将PS和PS联结在一起。由PS进行光反应产生的还原型PQBH2是一种可移动的脂溶性分子，从D1蛋白上解离下来后，电子从PQBH2经过Cytb6f复合物传递到质体蓝素（PC），最终到过PS中P700+,从而将其还原。,叶绿体类囊体膜的结构图解,（二）光合作用（原初反应，电子传递和光合磷酸化，暗反应）原初反应光能被捕光色素分子吸收、传递至反应中心、光化学反应、电荷分离（光能转变为电能）。,DChlADChl*ADChl+A-D+ChlA-,光,光能转变成电能，D被氧化而A被还原。,电子传递和光合磷酸化电子传递P680接受能量后，由基态变为激发态（P680*），然后将电子传递给去镁叶绿素（原初电子受体），P680*带正电荷，从原初电子供体Z得到电子而还原；Z+再从放氧复合体上获取电子；氧化态的放氧复合体从水中获取电子，使水光解。2H2OO2+4H+4e-同时去镁叶绿素将电子传给D2上结合的质体醌PQA，QA又迅速将电子传给D1上的质体醌PQB，还原型的质体醌从光系统复合体上游离下来，另一个氧化态的质体醌占据其位置形成新的QB。质体醌将电子传给细胞色素b6f复合体，同时将质子由基质转移到类囊体腔（PS催化电子从水传递给质体醌，并建立了质子梯度）。电子接着传递给位于类囊体腔一侧的含铜蛋白质体蓝素(PC)中的Cu2+，再将电子传递到光系统。,P700被光能激发后释放出来的高能电子沿着A0A14Fe-4S的方向依次传递，由类囊体腔一侧传向类囊体基质一侧的铁氧还蛋白（FD）。最后在铁氧还蛋白-NADP还原酶的作用下，将电子传给NADP+，形成NADPH。失去电子的P700从PC处获取电子而还原。最终完成了从H2O到NADP+的电子传递。,捕捉光能同时将光能转换为电能,光系统,光系统,光合磷酸化（循环式和非循环式两种）一对电子从P680经P700传至NADP+，在类囊体腔中增加4个H+，2个来源于H2O光解，2个由PQ从基质转移而来，在基质外一个H+又被用于还原NADP+，所以类囊体腔内有较高的H+（pH5，基质pH8），形成质子动力势，H+经ATP合成酶，渗入基质、推动ADP和Pi结合形成ATP。机制：ATP合成酶，即CF1-F0偶联因子，结构类似于线粒体ATP合酶。CF1同样由5种亚基组成33的结构。CF0嵌在膜中，由4种亚基构成，是质子通过类囊体膜的通道。,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+（非循环光合磷酸化）。电子传递链中唯一的H+-pump是cytb6f复合物。类囊体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，分为非循环光合磷酸化和循环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、不产生O2，不形成NADPH，只产生H+跨膜梯度，合成ATP。,叶绿体类囊体膜中进行光合磷酸化的图解,电子传递与光合磷酸化,循环光合磷酸化,第三节线粒体和叶绿体是半自主性细胞器,一、线粒体和叶绿体的DNA60年代初期分别在叶绿体和线粒体中发现并分离出DNA。线粒体DNA(mtDNA)呈双链环状，各种生物的mtDNA大小不一样，每个线粒体中约含6个mtDNA，叶绿体DNA(ctDNA)也呈双链环状，其大小差异较大。每个叶绿体中约含12个ctDNA分子，mtDNA和ctDNA均以半保留方式自我复制，mtDNA在S期和G2期复制，ctDNA在G1期复制。,二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成除DNA外，线粒体和叶绿体中还有RNA、核糖体、氨基酸活化酶等，说明这两类细胞器具有自我繁殖所必需的基本成分，具有独立转录和转译的功能。,现已知线粒体仅能编码13种多肽并在线粒体核糖体上合成；叶绿体仅有60多种特有的蛋白质是在叶绿体内合成。而参与线粒体与叶绿体的蛋白质各有上千种之多，可见线粒体和叶绿体的绝大多数蛋白质是由核基因编码，在细胞质核糖体上合成。这就是说，线粒体和叶绿体的自主成分是有限的，对核质遗传系统有很大的依赖性。由此可见，线粒体和叶绿体的生长和增殖是受核基因组及其自身的基因组两套遗传系统的共同控制，所以称为半自主性细胞器。,mtDNA编码的RNA和多肽有：线粒体核糖体中的2种rRNA（12S及16S），22种tRNA，13种多肽。这些多肽分布在线粒体内膜上的复合物中。ctDNA编码的RNA和多肽有：叶绿体核糖体中的4种rRNA（23S、16S、4.5S及5S），30种或31种tRNA，约90种多肽。目前在各植物的叶绿体中已确定了20个基因：编码RuBP羧化酶的大亚基，PS的2个亚基，PS的8个亚基，AT