细胞生物学第六章线粒体与叶绿体

,第六章细胞的能量转换线粒体和叶绿体,线粒体与叶绿体的共性：1、二者都是进行能量转换的细胞器。2、都是双层膜包围的细胞器，内膜折叠特化，表面积很大，很多酶位于内膜，提供了重要的反应场所。3、都具有高效产生ATP的精密装置ATP合酶。4、都是半自主性细胞器，具环状DNA及转录、翻译体系。,第一节线粒体和氧化磷酸化第二节叶绿体与光合作用第三节线粒体与叶绿体是半自主性细胞器第四节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,线粒体的认识过程:-1890年德国生物学家Altmann在动物细胞中发现bioblast（生命小体）-1897年Benda命名它为mitochondrion即线粒体-1900年Michaelis证实线粒体可进行氧化还原反应-1913年Engelhardt证明磷酸化和氧化作用相偶联-1962年发现线粒体中存在DNA,第一节线粒体与氧化磷酸化,一、线粒体的形态结构（一）线粒体的形态与分布多形性、易变性、运动性、适应性（二）、线粒体的结构与化学组成1、外膜：厚约6nm，蛋白质：脂质=1:1，有孔蛋白排列，通透性高。标志酶为单胺氧化酶。,2、内膜：厚约6-8nm，蛋白质：脂质3：1，含大量心磷脂，透性很低。内膜向内室褶叠成嵴，使内膜表面积增大，嵴有板层状和管状两种类型，一般与线粒体长轴垂直。内膜和嵴上分布着基粒。含有与能量转换相关的蛋白：执行氧化反应的电子传递链、ATP合酶、线粒体内膜转运蛋白。内膜标志酶为细胞色素氧化酶。,3、膜间隙：内膜和外膜之间的封闭腔隙，宽约68nm，内含许多可溶性酶、底物、辅助因子。嵴内间隙与膜间隙相通，标志酶为腺苷酸激酶。4、基质：内膜所包围的嵴外空间，含三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA,RNA，核糖体。,二、线粒体的功能,线粒体的主要功能是进行三羧酸循环及氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量。线粒体是糖类、脂肪、氨基酸最终氧化释能的场所。线粒体的其它功能：氧自由基生成、调控细胞凋亡、Ca2+等离子的稳态平衡等。,线粒体的钙调节作用,（一）线粒体中的氧化代谢糖类：在细胞质基质中经酵解产生丙酮酸-丙酮酸脱羧生成乙酰CoA-乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化。脂肪：脂肪酸在线粒体基质中进行-氧化产生乙酰辅酶A，进入三羧酸循环。蛋白质：氨基酸通过转变成乙酰辅酶A、-酮戊二酸、琥珀酰辅酶A、延胡索酸、草酰乙酸进入三羧酸循环。,真核细胞中糖类的氧化代谢,线粒体中的氧化磷酸化,三羧酸循环产生的NADH和FADH2中的电子，经线粒体内膜上的电子传递链，传递给氧，生成水，释放的能量生成ATP。动物线粒体内膜中的NADH脱氢酶只能接受来自线粒体基质中的NADH上的电子.糖酵解产生的NADH的电子通过两条穿梭途径进入线粒体：1.苹果酸-天冬氨酸穿梭途径,进入线粒体基质的电子传递给NAD+生成NADH，NADH直接将电子传递到呼吸链.2.甘油-3-磷酸穿梭途径,进入线粒体基质中的电子转移给FAD,使还原为FADH。P/O比：当一对电子通过呼吸链传递至氧所产生的ATP数。一分子葡萄糖完全氧化产生多少个ATP？,氧化磷酸化的分子基础,氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程，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，密切偶连，分别由两个不同的结构体系执行电子传递链(electron-transportchain）的四种复合物，组成两种呼吸链：NADH呼吸链,FADH2呼吸链ATP合成酶（ATPsynthase）(磷酸化的分子基础),（二）电子传递链与电子传递,电子传递链：在线粒体内膜上存在传递电子的一组酶复合体，由一系列能可逆接受和释放电子或H+的化学物质组成。它们在线粒体内膜上相互关联地有序排列。1、电子载体在电子传递过程中，与释放的电子结合并将电子传递下去的复合物称为电子载体。电子载体主要有5种：黄素蛋白、细胞色素、泛醌、铁硫蛋白和铜原子。,黄素蛋白:NADH脱氢酶,琥珀酸脱氢酶.接受和传递2个电子和质子。细胞色素:含铁血红素,细胞色素b,c,c1,a和a3,传递单个电子.靠Fe3+-Fe2+的变换传递单个电子。泛醌(辅酶Q):可携带电子和质子。铁硫蛋白:含非红素铁的蛋白质.靠Fe3+-Fe2+的变换传递电子。铜原子:通过Cu2+和Cu+的变换传递电子。,（二）电子传递链与电子传递,2、电子载体排列顺序呼吸链中的电子载体严格按氧化还原电位从低向高排列。NAD+/NADH最低,O2/H2O最高。3、电子转运复合物线粒体内膜分布着呼吸链的4种复合物，即复合物、和。辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜，细胞色素C位于线粒体内膜的C侧，属于膜的外周蛋白。,复合物NADH-辅酶Q还原酶，又称NADH脱氢酶，由42条不同的多肽链组成，含有一个带FMN的黄素蛋白和至少6个铁硫中心。作用是催化NHDH的2个电子传递至辅酶Q，伴随4个质子由线粒体基质转移至膜间隙。复合物琥珀酸-辅酶Q还原酶，又称琥珀酸脱氢酶，含有一个黄素蛋白，1个铁硫蛋白和两个穿膜蛋白（CybL、Cybs）作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q。电子传递不伴随质子转移。,复合物：辅酶Q-细胞色素c还原酶，又称细胞色素还原酶。含一个细胞色素b、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。催化电子从辅酶Q传给细胞色素c（Q循环），每转移1对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。复合物：细胞色素氧化酶，又称细胞色素c氧化酶。13条多肽链组成。将细胞色素c接受的电子传给氧，生成H2O。每转移1对电子，在基质侧消耗2个质子用于H2O的生成，同时转移2个质子至膜间隙。,Q循环,复合物IV,两条主要的呼吸链,根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，分为NADH呼吸链和FADH2呼吸链。复合物、组成NADH呼吸链，催化NADH的脱氢氧化，复合物、组成FADH2呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化。呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从低向高传递。,（三）质子转移与质子驱动力的形成,在电子沿呼吸链传递的过程中，复合物I、III、IV都能利用电子传递所释放的自由能将线粒体基质中的H+转移到膜间隙，形成了膜两侧的质子浓度差（包括浓度差和电位差）。这种电化学梯度可以用质子驱动力或质子动力势表示。P=-2.3RT/FPH质子转移的过程。,33,THEESTABLISHMENTOFAPROTON-MOTIVEFORCE,（四）ATP形成机制氧化磷酸化,氧化磷酸化：在呼吸链上与电子传递相耦联的由ADP被磷酸化生成ATP的酶促过程。呼吸链上有三个部位是氧化还原放能与ADP磷酸化生成ATP偶联的部位。这三个部位有较大的自由能变化，足以使ADP与无机磷结合形成ATP。部位在NADH至CoQ之间。部位在细胞色素b和细胞色素c之间。部位在细胞色素a和氧之间。,1、ATP合酶的结构与组成又称F1-F0ATP酶、H+-ATP酶。分布在线粒体内膜、类囊体膜或细菌质膜上，参与氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜质子动力势推动下催化合成ATP。,分子结构由突出于膜外的F1头部和嵌于膜内的F0基部组成。F1是由9个亚基组成的33复合体，和单位交替排列成桔瓣状结构。贯穿复合体，发挥转子的作用来调节三个亚基催化位点的开放和关闭，并与F0接触，帮助与F0结合。与F0的两个b亚基形成固定复合体的结构（相当于定子）。F0由a、b、c三种亚基组成，多拷贝的c亚基形成环状结构。,ATP合酶的结构,分子量500KD，状如蘑菇。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子,2、氧化磷酸化的耦联机制1961年，英国生物化学家Mitchell提出化学渗透假说。化学渗透假说的内容：呼吸链各组分在线粒体内膜中的分布是不对称的，当高能电子在膜中沿呼吸链传递时，所释放的能量将H+从内膜基质侧泵至膜间隙，由于膜对H+是不透的，从而使膜间隙的H+浓度高于基质，因而在内膜两侧形成电化学质子梯度，在这个梯度驱动下，H+穿过内膜上的ATP合酶流回到基质，其能量促使ADP合成ATP。,3、ATP合酶的作用机制美国生物化学家Boyer1979年提出ATP合酶的结合变化机制。ATP合酶是自然界最小的分子马达。H+通过F0时a、b、c三个亚基参与，推动转动120。，引起亚基构象变化，合成ATP。,1979年代BoyerP提出构象偶联假说，其要点如下：1ATP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。2F1具有三个催化位点，同一时间，三个催化位点的构象不同，与核苷酸的亲和力也不同。在L构象（loose），ADP、Pi与酶疏松结合；在T构象（tight）底物（ADP、Pi）与酶紧密结合在一起，并形成ATP；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。3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。,ATP合酶的“结合变构模型,三、线粒体与疾病,1、线粒体病：属母系遗传，如克山病、Leber遗传性视神经病、肌阵挛性癫痫2、线粒体与衰老数目与体积的变化mtDNA的损伤、缺失线粒体是细胞内自由基的主要来源3、线粒体与细胞凋亡,第二节叶绿体与光合作用,一、叶绿体的形态、大小和数目不同植物种类之间有很大差异。一般形态为香蕉形，或者称为透镜形。宽2-4um，长5-10um。叶肉细胞含50-200个叶绿体。二、叶绿体的结构和化学组成（一）叶绿体被膜双层单位膜，6-8nm，之间为10-20nm的膜间隙。外膜有孔蛋白，通透性大。,第二节叶绿体与光合作用,内膜通透性低。内膜上有特殊的转运载体，如磷酸交换载体、二羧酸交换载体，都属于被动运输。内膜上有与糖脂、磷脂合成有关的酶类。因此，叶绿体被膜不仅是叶绿体脂合成的场所，也是整个植物细胞脂合成的主要场所。,（二）类囊体1、类囊体的结构叶绿体基质中由单位膜包围形成的扁平小囊称为类囊体。基粒、基粒类囊体、基质类囊体。一个叶绿体的全部类囊体是一个完整连续的封闭膜囊。含有丰富的具半乳糖的糖脂。流动性很大。类囊体膜上的成分有：PSI、PSII、细胞色素bf、CF0-CF1ATP酶。其分布不对称。,PSI,PSII,（三）基质内膜与类囊体之间。成分：可溶性蛋白、环状DNA、RNA、核糖体、脂滴、植物铁蛋白（年幼正在分化的质体中）、嗜锇颗粒、淀粉粒。自然界含量最丰富的蛋白质：RUBP羧化酶，占叶片可溶性蛋白的50%。由8个大亚基和8个小亚基组成。,三、叶绿体的主要功能光合作用,（一）原初反应（二）电子传递和光合磷酸化（三）碳同化,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、传递和转换。即光能被聚光色素分子吸收,并传递至作用中心,在作用中心发生最初的光化学反应,使电荷分离从而将光能转化为电能的过程。,（一）原初反应,1、光合色素(pigment)叶绿素：叶绿素a、叶绿素b类胡萝卜素：-胡萝卜素、叶黄素藻胆素光合单位：由捕光色素（250300个色素分子）和反应中心色素（特殊叶绿素a）组成。,（一）原初反应,叶绿素分子结构,叶绿素吸收光谱,类胡萝卜素吸收光谱,（一）原初反应,光能吸收,激发能传递,DChlA,hv,DChl*A,DChl+A_,D+ChlA_,2、光化学反应：反应中心色素分子吸收光能所引起的氧化还原反应。,(二）电子传递和光合磷酸化,1、电子传递通过光合作用电子传递链传递的。该传递链是由一系列的电子载体构成的，同线粒体呼吸链中电子载体的作用基本相似。电子传递在两个不同的光系统中进行。电子传递体有细胞色素、黄素蛋白、醌、铁氧还蛋白等，组装成膜蛋白复合物。伴随着电子传递，把类囊体膜外的H+不断转运到类囊体腔中，使膜内外形成H+浓度差。并伴随水的光解和NADPH的生成。,(二）电子传递和光合磷酸化,光系统：光合作用中光吸收的功能单位，是由叶绿素、类胡萝卜素、脂和蛋白质组成的复合物。由捕光复合物和反应中心复合物构成。分为光系统I（PSI）和光系统II（PSII）。催化光驱动的电子从H2O到NADP+的流动。,(二）电子传递和光合磷酸化,光系统II,反应中心复合物：20多种多肽和叶绿素组成的复合物，D1和D2是核心多肽，结合P680、去镁叶绿素、质体醌,捕光复合物LHCII：蛋白质、叶绿素、类胡萝卜素和脂质分子组成的膜蛋白复合物,放氧复合体,PSII的功能：利用吸收的光能在类囊体膜腔面一侧裂解水，在基质侧还原质体醌，在类囊体膜两侧建立质子梯度。,PSII,(二）电子传递和光合磷酸化,光系统I,反应中心复合物：多蛋白复合体，包含P700、电子受体A0、A1、Fe-S,捕光复合物LHCI：天线色素和多肽组成,PSI功能：利用吸收的光能或传递来的激发能在类囊体膜的基质侧还原NADP+形成NADPH,PSI,(二）电子传递和光合磷酸化,细胞色素b6f复合物：含有一个Cytb6、一个Fe-S、一个Cytf。连接PSII和PSI，将PQBH2的电子传至PC，同时引起H+的跨膜转运。LHCII在PSII和PSI之间激发能分配的调节作用。,原初反应与电子传递,P680接受能量后，由基态变为激发态（P680*），然后将电子传递给ph（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。在另一个方向上去镁叶绿素将电子QA，QA又迅速将电子传给QB。质体醌将电子传给细胞色素bf，同时将质子由基质转移到类囊体腔。电子接着传递质体蓝素(PC)，再将电子传递到光系统1的P700+。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。,2、光合磷酸化由光照引起的电子传递与磷酸化作用相偶连而生成ATP的过程称为光合磷酸化。（1）CF0-CF1ATP合成酶位于类囊体膜外表面朝向基质一侧。结构与线粒体ATP合成酶类似，合成ATP机制也相同。,（2）光合磷酸化的类型非循环式光合磷酸化：由光驱动的电子从H2O开始，经PSII、Cytb6f复合物和PSI，最后传递给NADP+。产物是ATP、NADPH和O2循环式光合磷酸化：由光驱动的电子从PSI开始，经A0、A1、Fe-S和Fd，又重新传给Cytb6f，经PC回到PSI。只产生ATP。植物缺乏NADP+时发生循环式光合磷酸化。,（3）光合磷酸化的作用机制（化学渗透假说）电子传递过程中由H2O的裂解和Cytb6f质子泵的作用，形成类囊体膜内外两侧的H+浓度差，在质子动力势的推动下，H+通过类囊体膜中的CF0而到CF1发生磷酸化作用，生成ATP，ATP释放入叶绿体基质中。,碳同化是将光反应生成的ATP和NADPH中的活跃的化学能转换为贮存在糖类中稳定的化学能的过程。碳同化的途径有：卡尔文本森循环、C4途径、景天科酸代谢途径。,三、光合碳同化,第三节线粒体和叶绿体是半自主性细胞器,为什么说线粒体和叶绿体是半自主性的细胞器？1、线粒体与叶绿体中含有DNA、RNA、核糖体、氨基酸活化酶等，说明二者具备自我繁殖的基本组分，具有独立转录和翻译的功能。2、参与组成线粒体和叶绿体的蛋白有上千种，但只有少部分在线粒体和叶绿体中合成，绝大多数蛋白质是由核基因编码，在细胞质基质的核糖体上合成，然后转移到线粒体或叶绿体内。所以说线粒体和叶绿体的自主程度是有限的，其生长和增殖受核基因及自身基因两套遗传系统的控制，是半自主性细胞器。,一、线粒体和叶绿体的DNA,1、线粒体DNA（mtDNA、M染色体）双链环状，不与组蛋白结合，各种生物的mtDNA大小不一，一般周长5um，16000bp,相对分子质量100000103，平均每个线粒体含6个拷贝。半保留复制，在细胞周期的S期和G2期复制。1981年，Anderson完成了人线粒体DNA的全序列测定。含16569bp，37个结构基因(两种rRNA、22种tRNA、13种蛋白质）,一、线粒体和叶绿体的DNA,2、叶绿体DNA（ctDNA)双链环状，大小差异较大（2000002500000bp），周长约40-60um，相对分子质量约150000103，每个叶绿体中平均含12个ctDNA分子。半保留复制，在细胞周期的G1期复制。,二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成,（一）线粒体蛋白质的合成线粒体只能合成少数蛋白质。大部分蛋白质都是由核基因编码，在细胞质基质中的核糖体上合成，然后转运到线粒体。由mtDNA编码的RNA和多肽有：12SrRNA、16SrRNA、22种tRNA、13种多肽（复合物I中7个亚基、复合物III中1个亚基、复合物IV中3个亚基、F0中2个亚基）不同来源的mtDNA表达产物既有共性又有差异。,二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成,（二）叶绿体蛋白质的合成参与叶绿体组成的蛋白质来源有3种：1、由核基因编码，在细胞质核糖体上合成。至少70%叶绿体内的蛋白质是由核基因编码的。2、由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成。3、由核DNA编码，在叶绿体核糖体上合成线粒体、叶绿体、细胞核之间有遗传物质的转移。,三线粒体和叶绿体蛋白质的运送与装配,（一）线粒体蛋白质的运送与装配1、导肽的结构特征：含2080个氨基酸残基；富含带正电荷的碱性氨基酸如精氨酸；几乎不含带负电荷的酸性氨基酸；丝氨酸含量较高；可形成既具亲水性又具疏水性的螺旋。2、跨膜转运的过程（1）线粒体基质蛋白的转运（2）膜间隙蛋白的转运,前体蛋白在细胞质基质中合成,分子伴侣,ATP,解折叠,与线粒体膜上的受体结合,ATP,蛋白质通过接触点，以布朗棘轮模型进入线粒体腔,分子伴侣,ATP,蛋白质重新折叠,切除导肽,成熟蛋白质,线粒体膜间隙蛋白的保守分选机制模型,线粒体膜间隙蛋白非保守分选机制模型,四线粒体和叶绿体蛋白质的运送与装配,（二）叶绿体蛋白的跨膜转运转运肽牵引叶绿体蛋白跨膜