第七章 线粒体与叶绿体(下).ppt

1,细胞生物学,生命科学系张雁,第三节线粒体和叶绿体是半自主性细胞器,思考：为什么说线粒体和叶绿体是半自主性细胞器1、线粒化和叶绿体中含有DNA，各种RNA（mRNA,tRNA,rRNA）、核糖体、氨基酸活化酶等，这两种细胞器均有自我繁殖所必需的基本成分，具有独立进行转录和翻译的功能。,2、但线粒体和叶绿体基因组仅能编码少量的蛋白质，而参与组成线粒体和叶绿体的蛋白质各有上千种之多，说明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，然后转移至线粒体或叶绿体内。这些蛋白质与线粒体或叶绿体DNA编码的蛋白质协同作用。,3、线粒体和叶绿体的自主程度是有限的，它们对核遗传系统有很大的依赖性，因此，线粒体和叶绿体的生长和增殖是受核基因及其自身的基因组两套遗传系统的控制，所以称为半自主性细胞器（semiautonomousorganelle）.,一、线粒体和叶绿体的DNA,线粒体DNA（mtRNA）呈双链环状，与细菌的DNA相似。一个线粒体中可有1个或几个DNA分子（常为6个）。叶绿体DNA（ctDNA）也是呈双链环状。每个线粒体中的含6个mtRNA分子，每个叶绿体中约含12个ctDNA。mtDNA和ctDNA均可自我复制，其复制也是半保留方式进行的。,二、线粒体的蛋白质合成,线粒体和叶绿体虽能合成蛋白质，但其种类十分有限。如mtDNA编码的RNA和多肽有：线粒体核糖体中2种rRNA（12S及16S），22种tRNA,13种多肽。线粒体蛋白合成有两条途径：1、mtDNA编码，线粒体中核糖体合成2、核基因编码，细胞质基质合成,酵母线粒体的主要酶复合物的生物合成,不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异。,三、叶绿体的蛋白质合成,1、由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成2、由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成3、由核DNA编码，在叶绿体核糖体上合成由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。组成叶绿体的大多数蛋白质都是来自细胞质，估计至少70%的叶绿体蛋白质是由核基因组编码的。,四、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与装配,由核基因编码，在细胞质核糖体上合成的线粒体和叶绿体蛋白，需运送到线粒体和叶绿体各自的功能部位上进行更新或装配。,1、线粒体蛋白的运输,核基因编码的蛋白向线粒体跨膜运送与糙面内质网合成的分泌蛋白不同，前者先合成前体形式，然后通过后转移运输到线粒体内，而后者则是通过边翻译边转移的共转移方式实现跨膜运输的。,前体蛋白由成熟形式（matureform）的蛋白和N端的一段称为导肽（leadersequences,leaderpeptide,precursorchain）的序列共同组成。导肽的结构特征是含有丰富的带正电荷的碱性氨基酸，特别是精氨酸。羟基氨基酸如丝氨酸含量也较高。几乎不含带负电荷的酸性氨基酸可形成既具亲水性又具疏水性的螺旋结构，此用有利于穿越线粒体的双层膜。,含导肽的前体蛋白在跨膜运送时，首先被线粒体表面的受体识别，同时还需要位于外膜上的GIP蛋白（generalinsertionprotein）的参与，它能促进线粒体前体蛋白从内外膜的接点通过内膜。前体蛋白在通过内膜之后，其导肽即被基质中的线粒体导肽水解酶（mitochondrialprocessingpeptidase,MPP）与导肽水解激活酶（processingenhancingprotein,PEP）水解，并同时重新卷曲折叠为成熟的蛋白质分子。,跨膜运送的蛋白质在解折叠（unfolding）与重折叠（refolding）的过程中都需要“分子伴侣”（molecularchaperone）的分子参与。分子伴侣大多属于热休克蛋白（heatshockprotein,Hsp）,它具有解折叠酶（unfoldase）的功能，并能识别蛋白质解折叠之后暴露出的疏水面并与之结合，防止相互作用产生凝集或错误折叠，同时还参与蛋白质跨膜运送后分子的重折叠及装配(assembly)的过程。,不同的导肽片段含有不同的定位信息，如有的导肽能使蛋白定位于内膜或膜间隙中。在跨膜转运时，前体蛋白先在细胞质Hsp70的参与下解折叠为伸展状态，然后与膜受体结合并在接触点处通过线粒体进入基质，其导肽即被基质中的蛋白水解酶水解，成为成熟的蛋白质。,2、叶绿体蛋白质的运送及装配,叶绿体蛋白质的运送及装配与线粒体有许多类同之处。细胞质中合成的叶绿体前体蛋白，在N端也含有一个额外的氨基酸序列，称为转运肽（transitpeptides,ortransitsequences）。它不仅能牵引叶绿体蛋白，而且能牵引外源蛋白。如捕光色素蛋白前体，它的转运肽（含35个氨基酸残基），能引导其穿过叶绿体膜进入基质，在基质中由特异的蛋白酶加工切去转运肽成分成熟蛋白质。,第四节线粒体与叶绿体的增殖与起源,一、线粒体和叶绿体的增殖(一)线粒体电镜及同位素示踪实验表明：线粒体来源于已有线粒体的分裂。增殖方式有三种：1.间壁分离2.收缩后分离。3.出芽,(二)叶绿体在个体发育中叶绿体由前质体发育而来。在有光条件下前质体的小泡数目增加并融合形成片层，发育为基粒，形成叶绿体。幼小叶绿体能靠分裂而增殖。成熟叶绿体一般不再分裂。,关于线粒体和叶绿体的起源，现在主要存在两种截然相反的观点：内共生起源学说与非共生起源学说（或分化学说）。两个学说各有其实验证据和支持者。近10多年由于古细菌的发现与研究，以及古细菌可能是真核生物起源的祖先的论断，十分有利于线粒体和叶绿体内共生起源学说的巩固和发展。,（一）内共生起源学说许多科学家认为，线粒体和叶绿体分别起源于原始真核细胞内共生的细菌和蓝藻。1970年Margulis在分析了大量资料的基础上提出了一种设想，认为真核细胞的祖先是一种体积巨大的、不需氧的、具有吞噬能力的细胞，能将吞噬所得的糖类进行酵解取得能量。而线粒体的祖先原线粒体则是一种革兰氏阴性菌，含有三羧酸循环所需的酶系和电子传递链，故它可利用氧气把糖酵解的产物丙酮酸进一步分解，获得比酵解更多的能量。当这种细菌被原始真核细胞吞噬后，即与宿主细胞间形成互利的共生关系，原始真核细胞利用这种细菌（原线粒体）充分供给能量，而原线粒体从宿主细胞获得更多的原料。,线粒体和叶绿体起源于古代细菌内共生的证据如下：线粒体和叶绿体都含有DNA，这些DNA与细胞核中的很不同，却类似细菌的DNA（环状及其大小）。线粒体具有和真核宿主细胞不同的遗传密码，这些密码与细菌和古菌中的很类似。它们被两层或更多的膜所包被，其中最里面一层的成分与细胞中其它膜的都不同，而更接近于原核生物的细胞膜。新的线粒体和叶绿体只能通过类似二分分裂的过程形成。在一些藻类中，如眼虫(Euglena)，可以用药物或长时间缺乏光照来破坏叶绿体而同时不影响细胞。这种情况下，叶绿体不能够再生。叶绿体的很多内部结构和生物化学特征，如类囊体的存在和某些叶绿素和蓝藻很接近。对细菌、叶绿体和真核生物基因组构件的系统发生树同样支持了叶绿体与蓝藻更接近。DNA序列分析和系统发生学表明了核DNA包含了一些可能来源于叶绿体的基因。一些核中编码的蛋白被转运到细胞器中，而线粒体和叶绿体的基因组相对于其它生物来说都小得多。这和内共生物形成后越来越依赖真核生物宿主相一致。叶绿体存在于很多完全不同的原生生物中，这些生物普遍和不包含叶绿体的原生生物更接近。这表明了，如果叶绿体起源于细胞的一个部分，很难解释他们多次起源而互相又非常接近。细胞器的大小与细菌相当。细胞器的核糖体和细菌相似，都是70S。,（二）非共生起源学说该学说的支持者提出一种线粒体和叶绿体起源的设想，认为真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌，它比典型的原核细胞大，这样就要逐渐增加具有呼吸功能的膜表面，开始是通过细菌的细胞膜内陷、扩张和分化，后逐渐形成了线粒体和叶绿体的雏形。根据1974年Uzzell等人的观点，在进化的最