第六章 细胞的能量转换--线粒体和叶绿体

1、一一 线粒体与线粒体与氧化磷酸化氧化磷酸化二二 叶绿体与叶绿体与光合磷酸化光合磷酸化三三 线粒体和叶绿体是线粒体和叶绿体是半自主性细胞器半自主性细胞器四四 线粒体和叶绿体的线粒体和叶绿体的增殖与起源增殖与起源（一）线粒体的（一）线粒体的形态结构形态结构（二）线粒体的化学组成及（二）线粒体的化学组成及酶的定位酶的定位（三）（三）氧化磷酸化氧化磷酸化（四）（四）线粒体与疾病线粒体与疾病1 线粒体的形态、大小、数量与分布2 线粒体的超微结构 1）外 膜：含孔蛋白(porin)，通透性较高。 2）内 膜：高度不通透性，向内折叠形成嵴。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合成酶

2、； 线粒体内 膜转运蛋白）。 3）膜间隙：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。 4）基 质：含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶 系等以及线粒体DNA, RNA，核糖体。外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。线粒体不同部位标志酶： 1 外 膜标志酶：单胺氧化酶。 2 内 膜标志酶：细胞色素氧化酶。 3 膜间隙标志酶：腺苷酸激酶。 4 基 质标志酶：苹果酸脱氢酶。1 线粒体的主要功能氧化磷酸化。2 有机物氧化、呼吸链（电子传递链）与ATP产生之间的关系。3 呼吸链怎样在传递电子（氧化）的过程中将H+泵入膜间隙 。4 基粒中的ATP合成酶怎样利用H+梯度合成ATP（工作原理)。 糖、脂肪和氨基酸彻底分解（

3、线粒体基质） 产生NADH和FADH2（还原型）（三羧酸循环） NAD+电、FAD+(氧化型）、H+和电子电子沿电子传递链传递（内膜） 最终将电子交给分子氧，而释放的能量将线粒体基质中的H+泵入膜间隙从而造成内膜内外氢离子浓度梯度差内膜上的ATP合成酶利用H+浓度差将ADP磷酸化形成ATP分子。 其中电子传递过程称为氧化，而ADP磷酸化为ATP称为磷酸化，这就是氧化磷酸化。有机物分解 由NADH和FADH2联系电子传递 由H+跨膜浓度梯度联系（化学渗透假说）ATP 产 生 位于线粒体内膜上的呼吸链有4个酶复合物，即复合物、和，其中CoQ和Heme c不属于任何一种复合物。复合物-NADH脱氢酶

4、。作用：转移电子,NADH FMN FeS CoQ,同时将基质中的H+跨膜转移到内外膜间隙。复合物-琥珀酸脱氢酶 。作用：转移电子, FADH2 FeS CoQ, 但不能跨膜转移质子。复合物-细胞色素c还原酶。作用：转移电子，CoQ Heme b FeS Heme c1 Heme c, 同时将基质中的H+ 跨膜转移到内外膜间隙。复合物-细胞色素c氧化酶 。作用：转移电子，Heme c Heme a Heme a3 O2, 同时将基质中的H+跨膜转移到 内外膜间隙.1) ATP合成酶的组成 ATP合成酶又可称为F1Fo-ATP酶或H+-ATP酶,广泛存在于线粒体、叶绿体、异养菌和光合细菌中，是生

5、物体能量转换的核心酶。在跨膜质子动力势的推动下催化合成ATP。其分子结构由突出于膜外的F1头部和嵌于膜内的Fo基部两部分组成。 F1（偶联因子（偶联因子F1）：为水溶性球蛋白，由3、3、1、1、和1等9个不同的5种亚基组成。3个亚基和3个亚基交替排列，形成一个“橘瓣”状结构。与亚基有很强的亲和力，结合在一起形成“转子”，位于33的中央 Fo（偶联因子（偶联因子Fo）：疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道。是由1a、2b和12c三种亚基组成的15聚体，c亚基在膜中形成运动环结构，a亚基在c亚基的旁边，是质子运输通道，允许质子跨膜运输，b亚基穿过柄部与头部的亚基连接组成“定子”，在侧面将33与Fo

6、连接起来。 ATP合成酶据认为是通过结合变化和旋转催化的机制来合成ATP的。F1中的亚基有三种构型： 紧密结合态（T态）：可与ADP和Pi的结合很紧，能生成ATP,并能与 ATP牢牢结合。 松散结合态（L态）：同ADP和Pi的结合较强。 空置状态（O态）： 几乎不与ATP、ADP和Pi结合。结合变化的观点认为在催化循环的任一时刻，3个亚基处于不同的构象状态，其中在一个状态下，ADP和Pi与亚基结合，在较少能量变化下，形成ATP，当33亚基相对于“转子”的亚基旋转120时，亚基随即发生构象改变，使亚基对ATP，ADP和Pi的亲和力产生变化，从而引起ATP从亚基上释放出来，空出的结合位点又可与新的

7、ADP和Pi结合。由此可以看出，亚基的构象变化由转子的转动实现，而转子的转动由跨膜的质子流来驱动，Fo的作用之一就是将跨膜质子动力势转换成扭力矩，推动转子在33亚基中间逆时针方向旋转，使亚基发生一定的构象变化，结果使ADP和Pi合成ATP分子并释放出来。这就是旋转催化假说。 线粒体是细胞内最易受损伤的一个敏感细胞器，功能或结构异常会引起人类的疾病。线粒体是细胞内自由基的源泉，它们是决定细胞衰老的生物钟。线粒体还与细胞凋亡有关，可引发细胞进入凋亡。（一）叶绿体的超微结构（二）光合磷酸化光合作用叶绿体由三部分组成：1 叶绿体膜：包括外膜，内膜和膜间隙。2 类囊体： 包括基粒类囊体和基质类囊体。3

8、基质： 主要成分是核酮糖1，5二磷 酸羧化/加氧酶（RuBPase） 叶绿体的的主要功能是进行光合作用，即吸收光能利用二氧化碳和水合成糖类等有机物质，同时放出氧的过程。光合作用包括很多复杂的反应，主要发生在基粒类囊体和基质中。其中包括 原初反应，电子传递和光合磷酸化，碳同化。其过程大体为： 光能使叶绿体色素分子激发释放电子电子传递和光合磷酸化产生ATP和NADPH2通过卡尔文循环CO2和H2O被ATP和NADPH2还原为糖类物质。 1 光反应包括原初反应、电子传递和光合磷酸化。2 暗反应即碳同化。 原初反应是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、传递与转换，即

9、光能被捕光色素分子吸收，并传至反应中心，在反应中心发生最初的光化学反应，使电荷分离从而将光能转换为电能的过程。（1）捕光色素：包括大部分叶绿素a，叶绿素b，胡萝卜素和叶黄 素等。叶绿素吸收的光主要是蓝色和红色而不是 绿色光。（2）反应中心色素：由一种特殊状态的叶绿素a分子组成，可分为 P700(P的中心色素)和P680（P的中心色素).（3）反应中心：由一个中心色素分子和一个原初电子供体D及一个 原初电子受体A组成。（4）光合作用单位：由捕光色素和反应中心构成。由光照引起的电子传递与磷酸化作用偶联而生成ATP的过程，称为光合磷酸化。电子传递组分及质子跨膜浓度梯度的建立： 光系统光系统（PS）：

10、）：由捕光色素、反应中心色素（P680）、原初电子受体脱镁叶绿素（Ph褐藻素，pheophytin）、两个多肽D1和D2（分别可结合质体醌QA和QB）以及四个锰原子。PS的功能是利用从光中吸收的能量将水裂解，并将其释放的电子传递给结合的质体醌QA。 游离质体醌（游离质体醌（PQ）：来自结合质体醌QA的电子传给另一结合态的QB，QB接受电子并吸收基质中的H+形成游离的PQH2，PQH2然后转至膜内侧向类囊体腔内释放出质子，而电子同时传给细胞色素b6。PQH2是一种脂溶性的分子，可在脂双层中扩散移动。 细胞色素细胞色素b6/f：接受来自PQH2的电子。色素b6与色素f被FeS联系起来。 质体蓝素质

11、体蓝素PC：接受来自细胞色素b6/ f的电子。是一种含铜的水溶性蛋白质，位于类囊体膜腔面，氧化型呈蓝色，还原型为无色。传递电子时靠Cu2+Cu+的状态循环。 光系统光系统(PS)：由捕光色素、反应中心色素（P700）、A0（一种叶绿素a，原初电子受体）、A1（叶绿醌，或维生素K1）、一系列FeS以及Fd（铁氧还蛋白）。PS的功能是将电子从质体蓝素传递给铁氧还蛋白一种与类囊体膜表面松散结合的小分子蛋白。电子从质体蓝素传递给铁氧还蛋白在热力学上是不利的，需要光能来驱动。 NADP+还原酶还原酶：以FAD为辅酶，催化电子从铁氧还蛋白传递给NADP+,使之成为NADPH（还原型辅酶）。光合磷酸化分为非

12、循环式和循环式两种类型。非循环式电子的传递是：H2OPS(MnTyrP680PhQA)PQ(QB)PQH2Cytb6/f(b6FeSf)PC(Cu2+)PS(P700A0K1FeSXFeSAFeSBFd)NADP+NADPH。产生ATP和NADPH。循环式的电子传递途径是：PS(P700A0K1FeSXFeSAFeSBFd)PQCytb6/f(b6FeSf)PCPS。不产生氧，也不产生NADPH，只产生ATP。光合磷酸化的结果是产生ATP和NADPH。1） 电子传递与H+浓度梯度的建立。 类囊体腔中，水光解时放出的H+。 PQH2给Cytb6/f传递电子时，放出的H+。 NADP+还原成NAD

13、PH时吸收基质中的H+。2） ATP合成酶（与线粒体中的相似)。3） NADP+还原酶。利用光反应产生的ATP 和NADPH，使CO2还原为糖类等有机物，即将活跃的化学能最后转换为稳定的化学能，积存于有机物中。这一过程不直接需要光(在叶绿体基质中进行)。 1) C3途径（卡尔文循环） 3) C4途径 2) 景天科酸代谢 ATP NADPHCO2 + RuBP 3-PGA 1,3-BPG 3-GAP RuBP的再生 合成淀粉或其它糖草酰乙酸 苹果酸 CO2（维管束鞘细胞） CO2（叶肉细胞） 卡尔文循环 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸干旱地区的景天科等肉质植物（如景天树、垂盆草及瓦松等）的叶子，气孔白

14、天关闭，夜间开放，因而夜间吸收CO2，与C4植物相似，在夜间将CO2先固定为苹果酸，贮存于液泡中，白天苹果酸从液泡中释放出来经脱羧产生CO2再被卡尔文循环反应固定。 （一）线粒体和叶绿体（一）线粒体和叶绿体DNA（二）线粒体和叶绿体（二）线粒体和叶绿体蛋白质合成蛋白质合成（三）核基因编码的线粒体和叶绿体蛋白的跨膜（三）核基因编码的线粒体和叶绿体蛋白的跨膜 转运转运1 均为双链环状，与细菌的相似，但基因数量很少。2 均为半保留式复制。mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期及G2期，ctDNA复制的时间在G1期。3 复制仍受核控制。1 线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限。2 线粒体或叶绿体蛋

15、白质合成体系对核基因组具有依赖性。3 不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异。4 参加叶绿体组成的蛋白质来源有种情况：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。1 线粒体蛋白质的跨膜运送 1）定位于线粒体基质的蛋白质运送 2）定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送2 叶绿体蛋白质的跨膜运送（一）线粒体和叶绿体的增殖（二）线粒体和叶绿体的起源1 线粒体的增殖：由原来的线粒体分裂或出芽而来。2 叶绿体的发育和增殖 1）个体发育：由前质体分化而来。 2）增殖： 分裂增殖。1 内共生起源学说2 非共生起源

16、学说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通过大量资料分析后，提出线粒体的祖先-原线粒体是一种革兰氏阴性细菌：叶绿体的祖先是原核生物的蓝细菌，即蓝藻。内共生起源学说的主要论据和不足之处1 基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。2 有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质，蛋白质 合成 机制有很多类似细菌而不同于真核生物。3 两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似， 内膜与细菌质膜相似。4 以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。5 能在异源细胞内长期生存，说明线粒体和叶绿体具有的自主 性与 共生性的特征。6 线粒体的祖先很可能

17、来自反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌。7 发现介于胞内共生蓝藻与叶绿体之间的结构-蓝小体，其特征 在 很多方面可作为原始蓝藻向叶绿体演化的佐证。1）从进化角度，如何解释在代谢上明显占优势的共生 体反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞中？2）不能解释细胞核是如何进化来的，即原核细胞如何 演化为真核细胞？3）线粒体和叶绿体的基因组中存在内含子，而真细菌 原核生物基因组中不存在内含子，如果同意内共生 起源学说的观点，那么线粒体和叶绿体基因组中的 内含子从何发生？主要内容：真核细胞的前身是一个进化上比较 高等的好氧细菌。其基因组附近的 质膜内陷形成双层膜，分别将基因 组包围在这些双层膜中，从而形成 了原始的线粒体、叶绿体和细胞核 等细胞器。成功之处：解释了真核细胞核被膜的形成与演 化的渐进过程。1 实验证据不多。2 无法解释为何线