细胞生物学教学课件第6章细胞的能量转换

第六章细胞的能量转换,Chapter10Cellularenergetics,第一节线粒体概述,形态：粒状和棒状大小：直径0.5-1.0m,长1.5-3.0m,线粒体的数量因细胞类型不同而有很大差别,一般随机均匀分布,在代谢旺盛的需能部位比较集中,线粒体在细胞质中的分布和迁移与微管有关！,线粒体的三维结构：外膜、膜间隙、内膜和基质,6nm;比较光滑;有孔蛋白(porin)，较高的通透性。,1、线粒体外膜,孔蛋白通道是一个动态结构，可开关物质可允许小于1000的物质通过。外膜上有一些特殊的酶类（肾上腺素氧化、色氨酸降解和脂肪酸链延长）。,厚68nm；通透性很低(0.110.15kDa不带电荷的小分子)内膜的蛋白质/脂质很高，富含心磷脂（与离子的不可渗透性有关）,2、线粒体内膜,内膜表面不光滑：,嵴(cristae)：扩大内膜面积，增加了内膜的代谢效率,嵴的数量与线粒体氧化活性的强弱程度有关！,(a)板层状:多数高等动物细胞中，嵴呈板层状,且多垂直于线粒体的长轴；,不同类型的细胞中,嵴的形状与排列方式也不同:,(b)管状:多数原生动物和大多数植物细胞中，嵴呈管状；,电镜照片,(c)同心圆状:如在SP2/0-Ag14骨髓瘤细胞中，嵴呈同心圆状,模式图解,无定形液体,3、膜间隙,4、线粒体基质,蛋白质,有形成分,均质的胶状物质,丝状物质(环状DNA和RNA),致密颗粒状物质(含Ca2+、Mg2+或Zn2+等),三羧酸循环的有关酶类,脂肪酸氧化的有关酶类,丙酮酸氧化的有关酶类,核糖体,脂类,线粒体中各种酶的定位,第二节线粒体的功能与氧化磷酸化,一线粒体的氧化代谢,第一阶段:大分子分解为简单亚基；第二阶段:利用乙酰CoA,产生有限的ATP和NADH；第三阶段:乙酰CoA完全氧化为H2O和CO2，产生大量NADH和ATP。,有氧呼吸的三个阶段,第三阶段,第二阶段,第一阶段,能源物质的分解,三羧酸循环,电子传递与,氧化磷酸化,线粒体内膜,线粒体基质,线粒体,二、电子传递链(呼吸链),复合物:(NADH-Q-还原酶)(FMNFe-Sn)；复合物:(琥珀酸-Q-还原酶)(FADFe-S)；复合物:(QH2-细胞色素c还原酶)(bFe-Sc1)；复合物:(细胞色素氧化酶)(aa3-Cu2+1/2O2)。,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,三、质子转移与质子驱动力的形成有备注,线粒体内膜上的呼吸链是质子泵，在将电子传递给氧的过程中。把基质的质子泵至膜间腔。NADH至FMN，提供2个电子和一对质子FMNH2经Fe-S将电子传至2个泛醌（UQ），把一对质子释放到膜间腔每个UQ自细胞色素b获得1个电子，并从基质摄取一个质子成为UQHUQH接受复合物I的一个电子，并从基质摄取一个质子成为UQH2UQH2变构移至内膜的外侧，释放一对质子到膜间腔，并将1个电子交给细胞色素b，另一个电子经Fe-S至细胞色素c1,细胞色素c1又将电子传给细胞色素c,UQ从内膜外侧回内侧细胞色素c将电子经细胞色素氧化酶传递给氧，将氧还原为水内膜两侧质子的浓度梯度和电化学梯度形成。,电子传递(氧化)与磷酸化的偶联机制图解有备注,电子传递系统,ATP合成,五、ATP的合成-氧化磷酸化,氧化磷酸化：在呼吸链上与电子传递相藕联的由ADP被磷酸化形成ATP的过程。复合物I、III和IV是藕联的3个位点。由复合物V即ATP合成酶完成ATP的合成。1.ATP合酶的结构与组成F1（藕联因子F1）：33具有催化ATP合成或水解的活性与形成所谓的“转子”便于F1和F0的连接,F0：嵌合在内膜上的复合物，a、b、c亚基构成质子通道。,ATP合成酶催化ADP和Pi合成ATP的转动模型,H+流动与ATP合成偶联的具体过程：(1)F0的a亚基Arg210和c亚基Asp61产生瞬间盐桥，此时，Asp61pKa从高态转为低态；H+与c亚基Asp61结合，c亚基构象变化，顶部极性环逆时针旋转300，同时与结合；（2）a亚基与c亚基解聚，Asp61重回高位pKa,H+释放，同时与解离，当F0上的H+的转运积累到足够的扭力矩时，驱动在33中央旋转120，导致-ATP亚基释放一个ATP分子。,F0和旋转的验证试验,Walker等（1994）发表了牛心线粒体F1-ATP酶的结晶体结构,高等植物中：,第三节叶绿体概述,光镜：椭圆形或梭形的绿色颗粒;电镜：扁平的椭圆形或卵圆形,低等植物(藻类)中：,各个物种的叶绿体形状差别大,因植物种类、细胞种类和生理状态不同而差异很大,叶绿体的数目,叶绿体的大小,高等植物：平均直径为410m,厚24m,叶绿体的分布,通常分布在细胞核周围/近细胞壁处/均匀分布,叶绿体的超微结构,叶绿体膜由双层膜组成，膜间为1020nm的间隙。外膜含有孔蛋白，渗透性大。内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O等可以透过，ADP、ATP、NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透过，需要特殊的转运体（translator）。内膜含有转运蛋白：磷酸交换载体二羧酸交换载体,类囊体是膜围成的扁平囊。主要成分是蛋白质和脂类（60：40），不饱和脂肪酸含量高（约87%），膜流动性高。基粒：扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含4060个。基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。类囊体膜的内在蛋白主要有：细胞色素b6f复合体集光复合体（LHC）质体醌（PQ）质体蓝素（PC）铁氧化还原蛋白（FD）黄素蛋白光系统I光系统II复合物CF0-CF1ATP合成酶,叶绿体基质内膜与类囊体之间的空间。主要成分包括：碳同化相关的酶类：如RuBP羧化酶占基质可溶性蛋白总量的60%。叶绿体DNA、蛋白质合成体系：如，ctDNA、各类RNA、核糖体等。一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。,一、光合作用的基本过程,二、光反应,三、暗反应,光合作用(photosythesis),第四节叶绿体的功能,一、光合作用的基本过程,叶绿体中光合作用的两个反应过程图解,光反应,暗反应,叶绿体中光合作用两个反应的定位及其关系图解,ATP,NADPH,H2O,O2,(CH2O)n,二、光反应有备注,能吸收光能,但没有光化学活性(天线色素),有光化学活性，由一种特殊状态的叶绿素a分子组成(P700和P680),类囊体膜中光合反应中心的原初反应过程图解,（一）原初反应,PSI反应中心有备注,PSII反应中心,类囊体膜,类囊体腔,质体蓝素,铁氧化还原蛋白,电化学质子梯度,光系统II,光系统I,NADP还原酶,B6-f复合物,质体醌,光,光,天线复合物,水裂解酶,基质,类囊体膜中电子传递链组分的结构与分布图解,（二）电子传递,PSI和PSII复合物的结构图解(a)PSI复合物:由12个不同的多肽链亚基组成,其中亚基A和B组成了反应中心(自Y.P.Abrol)；,光合作用中两个光系统的电子传递途径及主要变化图解,非循环式光合磷酸化,循环式光合磷酸化有备注,（三）光合磷酸化有备注,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，在基质中一个H+又被用于还原ADP+，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合酶，渗入基质、推动ADP和Pi结合形成ATP。,ATP合酶，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。叶绿体ATP合酶活性需要SH和Mg2+,暗反应中的C3循环途径图解,三、暗反应有备注,（一）暗反应的C3途径,某些植物中CO2被还原的C4循环辅助途径,（二）暗反应的C4途径有备注,某些植物中CO2被还原的C4循环辅助途径,C3循环,C4循环,C4循环,C3循环,气孔,线粒体环状DNA：mtDNA复制时间是G2期到细胞质分裂,第五节线粒体和叶绿体的半自主性有备注,生长和增殖受核基因组和自身基因组两套遗传系统的共同控制半自主性的细胞器,叶绿体类核(nucleoid)区：多个环状DNA(每套编码均相同),酵母几种主要线粒体酶复合物的生物合成,线粒体的半自主性图解有备注,叶绿体的半自主性图解,四、线粒体和叶绿体蛋白质的转运,N-端信号序列：导肽(leadingpeptide)含有丰富的碱性氨基酸，Arg羟基氨基酸Ser含量较高几乎不含酸性氨基酸可行成螺旋结构蛋白质进入线粒体由导肽所含的信息决定，并非所有的线粒体蛋白都含有导肽。,被线粒体表面的受体识别，需要GIP（generalinse