南师大细胞生物学考研课件+线粒体和叶绿体

1、线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化叶绿体与光合作用叶绿体与光合作用线粒体和叶绿体是半自线粒体和叶绿体是半自主性细胞器主性细胞器线粒体和叶绿体的增殖线粒体和叶绿体的增殖与起源与起源p1850年，德国生物学家年，德国生物学家Rudolph Klliker第一个发现第一个发现线粒体，线粒体， 并推测这种颗粒是由半透性的膜包被的。并推测这种颗粒是由半透性的膜包被的。p1898年对线粒体进行命名。年对线粒体进行命名。p1900年，年，Leonor Michaelis用染料用染料Janus green对肝对肝细胞进行染色，发现细胞消耗氧之后，线粒体的颜色逐细胞进行染色，发现细胞消耗氧之后，线粒体的颜色逐

2、渐消失了，从而提示线粒体具有氧化还原反应的作用。渐消失了，从而提示线粒体具有氧化还原反应的作用。p1948 Green证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，1949 Kennedy和和Lehninger发现脂肪酸氧化为发现脂肪酸氧化为CO2的过程是的过程是在线粒体内完成的，在线粒体内完成的，1976 Hatefi等纯化了呼吸链四个独等纯化了呼吸链四个独立的复合体，立的复合体，Mitchell（19611980）提出了氧化磷酸）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说，从而证明了线粒体是真核生物进行化的化学偶联学说，从而证明了线粒体是真核生物进行能量转换的主要部位。能量转换的主要

3、部位。 形态形态：环形、哑铃形、：环形、哑铃形、线状线状大小大小：直径为：直径为0.51.0微微米，长度米，长度1.53.0微米微米 二、线粒体的超微结构二、线粒体的超微结构 在电镜下观察，在电镜下观察，线粒体是由两层线粒体是由两层单位膜围成的封单位膜围成的封闭的囊状结构。闭的囊状结构。主要由外膜、内主要由外膜、内膜、膜间腔和基膜、膜间腔和基质组成。质组成。 包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚包围在线粒体外表面的一层单位膜，厚67nm，平整光滑，平整光滑,与内膜不连接。与内膜不连接。含有多套运输蛋白含有多套运输蛋白-孔蛋白，它们构成脂类双孔蛋白，它们构成脂类双分子层上水溶性物质可以穿过的通道，

4、所以外分子层上水溶性物质可以穿过的通道，所以外膜的通透性非常高，使得膜间隙中的环境几乎膜的通透性非常高，使得膜间隙中的环境几乎与胞质溶胶相似。与胞质溶胶相似。外膜含有一些特殊的酶类，如外膜含有一些特殊的酶类，如单胺氧化酶单胺氧化酶，这，这种酶能够终止胺神经递质，如降肾上腺素和多种酶能够终止胺神经递质，如降肾上腺素和多巴胺的作用。巴胺的作用。 。 内膜含内膜含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷。心磷脂含量高（达脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，）、缺乏胆固醇，类似于细菌。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过，大

5、分子和离子通过内膜时仅允许不带电荷的小分子物质通过，大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。需要特殊的转运系统。 糖酵解产生的糖酵解产生的NADH必须进入电子传递链参与有氧氧化；必须进入电子传递链参与有氧氧化； 线粒体产生的代谢物质如草酰辅酶线粒体产生的代谢物质如草酰辅酶A和乙酰辅酶和乙酰辅酶A必须运输必须运输到细胞质中，它们分别是细胞质中葡萄糖和脂肪酸的前体物质到细胞质中，它们分别是细胞质中葡萄糖和脂肪酸的前体物质; 线粒体产生的线粒体产生的ATP必须进入到胞质溶胶，以便供给细胞反应必须进入到胞质溶胶，以便供给细胞反应所需的能量，同时，所需的能量，同时，ATP水解形成的水解形成的ADP和和

6、Pi又要被运入线粒又要被运入线粒体作为氧化磷酸化的底物。体作为氧化磷酸化的底物。 利用膜间隙形成的利用膜间隙形成的H+梯度协同运输。梯度协同运输。线粒体定位线粒体定位 蛋白质蛋白质线粒体基质线粒体基质F1ATPase: 亚基亚基(植物除外植物除外)、，亚基、亚基、亚基亚基(某些真菌某些真菌) RNA聚合酶、聚合酶、DNA聚合酶、核糖体蛋白、柠檬酸合成酶、聚合酶、核糖体蛋白、柠檬酸合成酶、TCA酶系、乙醇脱氢酶酶系、乙醇脱氢酶(酵母酵母)、鸟氨酸氨基转移酶、鸟氨酸氨基转移酶(哺乳动物哺乳动物) 内膜内膜DP-ATP逆向运输蛋白、磷酸逆向运输蛋白、磷酸-OH-逆向运输蛋白、细胞色素逆向运输蛋白、细

7、胞色素c氧氧 化酶亚基化酶亚基4，5，6，7、F0 ATPase的蛋白质、的蛋白质、CoQH2-细细胞色素胞色素c 还原酶复合物亚基还原酶复合物亚基1，2，5(Fe-S)，6，7，8膜间隙膜间隙细胞色素细胞色素c、细胞色素、细胞色素c过氧化物酶、细胞色素过氧化物酶、细胞色素b2、CoQH2-细胞细胞 色素色素c还原酶复合物亚基还原酶复合物亚基4(细胞色素细胞色素c1)外膜外膜线粒体孔蛋白线粒体孔蛋白 头部含有可溶性头部含有可溶性ATP酶，酶，功能是合成功能是合成ATP。在头。在头部还有一个多肽，称为部还有一个多肽，称为ATP酶复合体抑制多肽，酶复合体抑制多肽，可能具有调节酶活性的可能具有调节酶

8、活性的作用。作用。 柄部是对寡霉素敏感的蛋白，作用是调控质子柄部是对寡霉素敏感的蛋白，作用是调控质子通道。通道。基片为疏水蛋白，是调控磷酸化作用的部位基片为疏水蛋白，是调控磷酸化作用的部位。 在二十世纪七十年代初，在二十世纪七十年代初，Humberto-Fernandez Moran 用负染技术检查分离用负染技术检查分离的线粒体时发现：线粒体内膜的基质一的线粒体时发现：线粒体内膜的基质一侧的表面附着一层球形颗粒，球形颗粒侧的表面附着一层球形颗粒，球形颗粒通过柄与内膜相连。几年后，通过柄与内膜相连。几年后，Efraim Racker分离到内膜上的颗粒，称为偶联分离到内膜上的颗粒，称为偶联因子因子

9、1，简称，简称F1。 4、膜间隙膜间隙 5、基质、基质 化学渗透假说化学渗透假说简介：简介： 呼吸链的各组分在线粒体内膜中的分布是呼吸链的各组分在线粒体内膜中的分布是不对称不对称的，的，当高能电子在膜中沿呼吸链传递时，所释放的能量将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，由于膜对从内膜基质侧泵至膜间隙，由于膜对H+是不通透的，从是不通透的，从而使而使膜间隙的膜间隙的H+浓度高于基质浓度高于基质，因而在内膜的两侧形成，因而在内膜的两侧形成电化学质子梯度电化学质子梯度，也称为质子动力势。在这个梯度驱动，也称为质子动力势。在这个梯度驱动下，下，H+通过内膜上的通过内

10、膜上的ATP合成酶流回到基质，其能量合成酶流回到基质，其能量促促使使ADP和和Pi合成合成ATP。化学渗透假说有两个特点：一是强调线粒体膜结构的完化学渗透假说有两个特点：一是强调线粒体膜结构的完整性。二是定向的化学反应。整性。二是定向的化学反应。ATP合成的反应也是定向合成的反应也是定向的。的。可以把线粒体内膜中的呼吸链看作是可以把线粒体内膜中的呼吸链看作是质子泵质子泵，在电子经，在电子经呼吸链传递给氧的过程中，可把基质中的呼吸链传递给氧的过程中，可把基质中的H+泵至膜间隙。泵至膜间隙。四、线粒体与疾病线粒体是细胞内最易受损伤的一个敏感的细胞器，它可显示细线粒体是细胞内最易受损伤的一个敏感的细

11、胞器，它可显示细胞受损伤的程度。胞受损伤的程度。线粒体病是指那些在病变细胞内较早出现的线粒体极为明显异线粒体病是指那些在病变细胞内较早出现的线粒体极为明显异常的病理变化。常的病理变化。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。硒对线粒体膜有地方性心肌病，因营养缺乏（缺硒）而引起。硒对线粒体膜有稳定作用，患者因缺硒而导致心肌线粒体出现膨胀、嵴稀少和稳定作用，患者因缺硒而导致心肌线粒体出现膨胀、嵴稀少和不完整等。不完整等。随着研究的不断深入，发现人的细胞中线粒体的数量随年龄增随着研究的不断深入

12、，发现人的细胞中线粒体的数量随年龄增长而减少，而体积却随年龄增长而增大。长而减少，而体积却随年龄增长而增大。有些学者认为，线粒体是细胞内自由基的源泉，他们是决定细有些学者认为，线粒体是细胞内自由基的源泉，他们是决定细胞衰老的生物钟。胞衰老的生物钟。线粒体通过释放细胞色素线粒体通过释放细胞色素c参与细胞凋亡。参与细胞凋亡。第二节叶绿体与光合作用叶绿体的形态结构叶绿体的化学组成叶绿体的主要功能光合作用叶绿体的形态结构形状、大小和数目：形状、大小和数目：椭圆形或卵圆形，直径：椭圆形或卵圆形，直径：46微米微米 高等植物每个叶肉高等植物每个叶肉cell含有含有50200个个叶绿体的结构和化学组成叶绿体

13、的结构和化学组成 叶绿体膜叶绿体膜 叶绿体膜具有控制代谢物进出叶绿体的功能叶绿体膜具有控制代谢物进出叶绿体的功能 内膜对物质透过的选择性强，是细胞质和叶绿体基质间的内膜对物质透过的选择性强，是细胞质和叶绿体基质间的功能屏障功能屏障 内膜有特殊载体内膜有特殊载体转运体转运体 化学组成：化学组成：蛋白质和磷脂为主、酶类有蛋白质和磷脂为主、酶类有ATP酶等酶等 类囊体类囊体（基质类囊体和基粒类囊体）（基质类囊体和基粒类囊体） 类囊体的垛叠是动态的，即垛叠与非垛叠是可逆发生的类囊体的垛叠是动态的，即垛叠与非垛叠是可逆发生的 相邻基粒经网管状或扁平状的基质类囊体相连，使类囊体腔彼相邻基粒经网管状或扁平状

14、的基质类囊体相连，使类囊体腔彼此相通。此相通。类囊体膜集中了光合作用能量转换功能的全部组分。类囊体膜集中了光合作用能量转换功能的全部组分。包括：捕光色素（天线色素）、两个光反应中心、各包括：捕光色素（天线色素）、两个光反应中心、各种电子载体、合成种电子载体、合成ATP的系统和从水中抽取电子的系的系统和从水中抽取电子的系统。分别装配在光系统统。分别装配在光系统（PSPS）、光系统）、光系统（PS PS ）、细胞色素）、细胞色素bfbf、CFCF0 0-CF-CF1 1ATPATP酶等重要的膜蛋白复酶等重要的膜蛋白复合物中。合物中。 CFCF0 0-CF-CF1 1ATPATP酶酶是由跨膜的是由跨

15、膜的H H+ +通道通道CFCF0 0和在类囊体膜基和在类囊体膜基质侧起催化作用的质侧起催化作用的CFCF1 1两部分组成。叶绿体的两部分组成。叶绿体的CFCF1 1激活激活需有需有-SH-SH基化合物，同时需要基化合物，同时需要MgMg2+2+, ,寡霉素对寡霉素对CFCF1 1无抑制无抑制作用。作用。 这些复合物在内囊体膜中这些复合物在内囊体膜中呈不对称分布呈不对称分布。见图。见图 化学组成：化学组成：蛋白质和脂类蛋白质和脂类 CF1是一种外在蛋白是一种外在蛋白 两两种叶绿素种叶绿素-蛋白质复合物（蛋白质复合物（CP CP ）是内在蛋白质是内在蛋白质 基质（含有RNA和DNA）基质的化学组

16、成基质的化学组成 可溶性蛋白和其他代谢活跃物质。可溶性蛋白和其他代谢活跃物质。其中其中RuBP羧化酶占类囊体可溶蛋白的羧化酶占类囊体可溶蛋白的80% 环状环状RuBP羧化酶羧化酶由由8个大亚基（个大亚基（LSU）和）和8个小亚基个小亚基(SSU）组成，酶的活性中心位于大亚基上，小亚基只具有组成，酶的活性中心位于大亚基上，小亚基只具有调节功能。调节功能。大亚基是由叶绿体基因组编码，小亚基大亚基是由叶绿体基因组编码，小亚基是由核基因组编码是由核基因组编码。 基质中还含有环状基质中还含有环状DNA 、RNA（rRNA、tRNA、mRNA）、核糖体、脂滴、植物铁蛋白和淀粉粒等。）、核糖体、脂滴、植物铁

17、蛋白和淀粉粒等。 叶绿体的主要功能进行光合作用 光反应 ： 1、原初反应 2、光合作用中的电子传递 3、光合磷酸化 暗反应：羧化阶段、还原阶段、RuBP再生阶段叶绿体中ATP合成的机制与线粒体十分相似。不同点：叶绿体中，每3个H+穿过CF1-CF0ATP酶，生成1个ATP分子；在线粒体中，每2个H+穿过F1-F0ATP酶，生成1个ATP分子第三节线粒体和叶绿体是半自主性细胞器一、线粒体和叶绿体的一、线粒体和叶绿体的DNA 1、线粒体、线粒体DNA和叶绿体和叶绿体DNA都呈双链环状。都呈双链环状。 2、分子量或长度有差异、分子量或长度有差异 人人mtDNA有有16569bp,是迄今为止是迄今为止

18、所知最小的所知最小的mtDNA,其一级结构含有其一级结构含有37个结构基因个结构基因 每个线粒体中含有每个线粒体中含有6个个mtDNA,每个叶绿体中含有每个叶绿体中含有12个个ctDNA. 3、同种动物同一个线粒体中、同种动物同一个线粒体中DNA分子核苷酸序列相同。分子核苷酸序列相同。 4、mtDNA and ctDNA均可自我复制。均可自我复制。 mtDNA 复制的时间复制的时间在在S期及期及G2期，期，ctDNA复制的时间在复制的时间在G1期他们的复制仍受核的期他们的复制仍受核的控制，复制所需的控制，复制所需的DNA聚合酶是由核聚合酶是由核DNA编码，在细胞质核编码，在细胞质核糖体上合成。

19、糖体上合成。二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成线粒体基因编码产物线粒体基因编码产物1、编码二种、编码二种rRNA：12s和和16s 22种种tRNA2、编码、编码13种多肽（每种约含种多肽（每种约含50个个Aa残基）残基） 复合物复合物(7(7个亚基个亚基),),(1(1个个),),(3(3个个),),(ATPATP酶酶,2,2个个) )。 叶绿体基因编码产物叶绿体基因编码产物1、叶绿体组成的蛋白质有、叶绿体组成的蛋白质有3种来源种来源（1）由）由ctDNA编码，在叶编码，在叶绿体核糖体上合成；（绿体核糖体上合成；（2）由核）由核DNA 编码，在细胞质核糖体上编码，在

20、细胞质核糖体上合成；（合成；（3）由核）由核DNA 编码，在叶绿体核糖体上合成。编码，在叶绿体核糖体上合成。2、ctDNA编码的编码的RNA 叶绿体中叶绿体中4种种rRNA：23s,16s,4.5s,5s， 30种（烟草）、种（烟草）、31种（地钱）种（地钱）tRNA。3、约编码、约编码90种多肽，主要位于类囊体种多肽，主要位于类囊体（其中近一半由（其中近一半由ctDNA编码，叶绿体核糖体蛋白中约编码，叶绿体核糖体蛋白中约1/3有有ctDNA编码。编码。线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装由核基因编码，在细胞质核糖体上合成的线粒体和叶由核基因编码，在细胞质核糖体上合

21、成的线粒体和叶绿体蛋白，需运送至线粒体和叶绿体的功能部位上进绿体蛋白，需运送至线粒体和叶绿体的功能部位上进行更新或装配。行更新或装配。核基因编码的蛋白质向线粒体跨膜运送需先合成前体核基因编码的蛋白质向线粒体跨膜运送需先合成前体蛋白，然后通过后转移运送到线粒体。蛋白，然后通过后转移运送到线粒体。前体蛋白由成熟形式的蛋白和前体蛋白由成熟形式的蛋白和N端的一段导肽的序列端的一段导肽的序列共同组成。共同组成。导肽导肽结构的特征结构的特征 1、含有丰富的带正电荷的碱性氨基酸、含有丰富的带正电荷的碱性氨基酸 2、羟基氨基酸如丝氨酸含量也较高、羟基氨基酸如丝氨酸含量也较高 3、几乎不含带负电荷的酸性氨基酸、

22、几乎不含带负电荷的酸性氨基酸 4、可形成既具有亲水性又具疏水性的、可形成既具有亲水性又具疏水性的-螺旋结构螺旋结构三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装过程三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装过程1、导肽被线粒体表面的受体识别：导肽的不同片段、导肽被线粒体表面的受体识别：导肽的不同片段含有不同的导向信息，不同的导肽所含的信息不同，含有不同的导向信息，不同的导肽所含的信息不同，可使不同的线粒体蛋白质运送至线粒体的基质中，或可使不同的线粒体蛋白质运送至线粒体的基质中，或定位于内膜或膜间隙。定位于内膜或膜间隙。 蛋白质进入线粒体的部位是由其导肽所含信息决蛋白质进入线粒体的部位是由其导肽所含信息决定的。

23、定的。2、外膜上的、外膜上的GIP蛋白蛋白的参与的参与3、跨膜、跨膜 位点：位点：内外膜接触点内外膜接触点4、动力：内膜两侧的、动力：内膜两侧的膜电位膜电位5、前体蛋白跨膜运送之前需、前体蛋白跨膜运送之前需解折叠解折叠6、导肽的水解导肽的水解 线粒体导肽水解酶（线粒体导肽水解酶（MPP）导肽水）导肽水解激活酶（解激活酶（PEP）7、解折叠与重折叠过程中需、解折叠与重折叠过程中需分子伴侣分子伴侣的参与的参与 基本的特征：基本的特征： 蛋白质在细蛋白质在细胞质基质中合成以胞质基质中合成以后再转移到这些细后再转移到这些细胞器中，称胞器中，称后转移后转移（post translocation）。）。

24、蛋白质跨膜转蛋白质跨膜转移过程需要移过程需要ATP使使多肽去折叠，还需多肽去折叠，还需要一些蛋白质的帮要一些蛋白质的帮助（如热休克蛋白助（如热休克蛋白Hsp70）使其能够）使其能够正确地折叠成有功正确地折叠成有功能的蛋白。能的蛋白。 分子伴侣（molecular chaperone）1、分子伴侣具有解折叠酶的功能。、分子伴侣具有解折叠酶的功能。2、参与蛋白质跨膜运送后分子的重折叠以及、参与蛋白质跨膜运送后分子的重折叠以及装配过程。装配过程。3、分子伴侣没有专一性。、分子伴侣没有专一性。4、属于热休克蛋白（、属于热休克蛋白（Hsp），在进化上十分），在进化上十分保守。保守。叶绿体蛋白质的运送及组

25、装叶绿体前体蛋白叶绿体前体蛋白N-末端含有一个额外的氨基酸序列，称为末端含有一个额外的氨基酸序列，称为转运转运肽肽。类囊体膜和类囊体腔中蛋白质的运送过程：类囊体膜和类囊体腔中蛋白质的运送过程： 如：如：1、捕光色素蛋白：转运肽含、捕光色素蛋白：转运肽含35个氨基酸残基，引导其穿个氨基酸残基，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为成熟蛋白质。成为成熟蛋白质。 成熟的捕光色素蛋白插入类囊体膜上的信息是在成熟蛋白成熟的捕光色素蛋白插入类囊体膜上的信息是在成熟蛋白C端的跨膜区域。端的跨膜区域。 2、定位于类囊体中的蛋

26、白，其前体蛋白、定位于类囊体中的蛋白，其前体蛋白N端含有导向基质的序端含有导向基质的序列，引导其穿过叶绿体膜上孔蛋白通道进入基质；列，引导其穿过叶绿体膜上孔蛋白通道进入基质；C端含有导向端含有导向类囊体的序列，引导进入类囊体腔。因此转运肽经历两次水解。类囊体的序列，引导进入类囊体腔。因此转运肽经历两次水解。3、定位于基质中的蛋白质，前体、定位于基质中的蛋白质，前体N端仅具有导向基质的序列端仅具有导向基质的序列4、由叶绿体基因编码并在类囊体核糖体上合成的一些蛋白质，、由叶绿体基因编码并在类囊体核糖体上合成的一些蛋白质，则结合与类囊体膜上。则结合与类囊体膜上。最后，运入的蛋白质和叶绿体自身合成的蛋白质共同组成复合物。最后，运入的蛋白质和叶绿体自身合成的蛋白质共同组成复合物。叶绿体蛋白跨膜转运过程图解一、线粒体和叶绿体的增殖一、线粒体和叶绿体的增殖1、线粒体的增殖：分裂或出芽、线粒体的增殖：分裂或出芽 分裂方式：间壁或隔膜分裂分裂方式：间壁或隔膜分裂 内膜内褶，内膜内褶，或形成贯通嵴后分裂。或形成贯通嵴后分裂。 收缩分裂：