线粒体和叶绿体细胞生物学

关于线粒体和叶绿体细胞生物学第1页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五能量转换光能叶绿体化学能线粒体ATP第2页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五生物膜是ATP产生的场所细菌: ATP产生于细胞质膜真核生物细胞:

细胞质膜: 主要用于物质吸收运输 能量转换细胞器: 产生ATP

线粒体: 几乎所有真核细胞 叶绿体: 植物细胞

第3页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五质子浓度梯度产生ATP食物第一步:电子传递所产生的能量驱动质子的跨膜运转太阳光能高能量电子第二步:由此产生的质子浓度梯度被ATP合酶(ATPsynthase)用来产生ATP低能量电子第4页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五第一节线粒体与氧化磷酸化（P85)1890年，Altaman首次发现，命名为bioblast；1897年，Benda提出mitochondrion；1904年，Meves在植物细胞中也发现了线粒体；1948年，Green，1949年，Kennedy和Lehninger分别发现三羧酸循环和脂肪酸氧化是在线粒体内完成的。第5页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五一、形态结构（一）形态与分布粒状或杆状;直径0.5~1，长1.5~3.0μm；胰外分泌细胞中可达10~20μm，称巨线粒体。第6页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五数量:依细胞类型而变化,每个肝细胞约1000-2000

肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%，人类红细胞无线粒体。形状: 可塑性强,不断运动中

线粒体形状的可塑性第7页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五多分布在细胞功能旺盛的区域，可向这些区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。线粒体通常位于高度需要ATP的细胞部位第8页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五基质膜间隙外膜内膜（二）超微结构与化学组成第9页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五AnTEMimageofmitochondrion

第10页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五Modelsofmitochondrialmembranestructures第11页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五1.外膜:含有许多大型膜通道蛋白“porin”允许分子量小于<5000的物质自由通过标志酶为单胺氧化酶2.内膜:内膜具有嵴，能扩大表面积（5~10倍），分两种：①板层状、②管状；嵴上有基粒。是建立H+

电化学梯度的场所含有双重磷脂分子心磷脂(cardiolipin).心磷脂含有四个脂肪酸,使内膜对离子具有高度的不通透性内膜上的蛋白质包括: --负责电子传递(呼吸链)的酶系统

-ATP合酶（基粒）

--允许代谢物进出基质的转运蛋白心磷脂（Cardiolipin）内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。第12页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五3.膜间间隙(Inter-membranespace):是内外膜之间的腔隙，宽约6-8nm。

含有利用ATP来磷酸化其它核苷酸的酶标志酶为腺苷酸激酶4.基质(Matrix),含有:

线粒体DNA(mt-DNA)

线粒体核糖体,

线粒体tRNAs

数百种酶,包括催化以下反应的酶系统: -- 丙酮酸和脂肪酸的氧化(产生乙酰辅酶A[acetylCoA] -- 柠檬酸循环(产生NADH) -- 线粒体基因的表达（转录、翻译等）标志酶为苹果酸脱氢酶第13页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五二、线粒体的功能主要功能是进行氧化磷酸化，合成，为细胞生命活动提供直接能量（一）线粒体中的氧化代谢(P90)——氧化磷酸化的分子基础第14页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五柠檬酸循环丙酮酸脂肪酸来自胞质溶胶的食物分子电子传递链在充电利用ATPADPATP每个循环的周期大约是一分钟第15页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五（二）、电子传递链与电子传递(P92)概念：1、电子载体：NAD——将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白黄素蛋白——含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子2个质子细胞色素——分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递辅酶Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式第16页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五1.电子载体NAD：连接Kreb循环和呼吸链，将氢交给黄素蛋白。黄素蛋白：含FMN或FAD，可接受2个电子2个质子。相关脱氢酶：①NADH脱氢酶(FMN)；②琥珀酸脱氢酶(FAD)。第17页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五NAD（nicotinamideadeninedinucleotide），＆NADP第18页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五Flavinmononucleotide(FMN)&Flavinadeninedinucleotide第19页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五细胞色素：含血红素铁，通过Fe3+/Fe2+变化传递电子，包括细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。第20页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五辅酶Q：脂溶性小分子醌类化合物，有3种形式，即：氧化型醌Q，还原型氢醌QH2和自由基半醌QH。第21页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五铁硫蛋白：分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe3+/Fe2+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。第22页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五2、电子载体排列顺序FADH2从这里进入泛醌细胞色素cNADH脱氢酶复合体细胞色素b-c1复合体细胞色素氧化酶复合体每个电子的自由能电子传递流向氧化还原势能第23页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五呼吸链的复合物呼吸链组分按氧化还原电位由低向高排列。用脱氧胆酸处理mt内膜、分离出4种呼吸链复合物。第24页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五电子转运复合物(P93)：复合物Ⅰ——NADH脱氢酶，其作用是催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。复合物Ⅱ——琥珀酸脱氢酶，其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。复合物Ⅲ——细胞色素c还原酶，其作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。复合物Ⅳ——细胞色素氧化酶，其作用是将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。第25页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五1、复合物I：NADH脱氢酶。组成：42条肽链，呈L型，含一个FMN和至少6个铁硫蛋白，以二聚体形式存在。作用：催化NADH的2个电子至辅酶Q，同时由M侧转移4个质子至C侧。NADH→FMN→Fe-S→QNADH+5H+M+Q→NAD++QH2+4H+C第26页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五复合物Ⅱ——琥珀酸脱氢酶其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。第27页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五复合物III：细胞色素c还原酶。组成：至少10条肽链，二聚体，含细胞色素b566、b562、1个铁硫蛋白和1个细胞色素c1。作用：催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移1对电子转移4个H＋至C侧。2还原态cytc1+QH2+2H+M→2氧化态cytc1+Q+4H+C第28页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五复合物IV：细胞色素c氧化酶组成：二聚体，每个单体至少13条肽链。作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在M侧消耗2个质子，同时转移2个质子至C侧。cytc→CuA→hemea→a3-CuB→O24还原态cytc+8H+M+O2→4氧化态cytc+4H+C+2H2O第29页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五两条主要的呼吸链①复合物I-III-IV组成，催化NADH的脱氢氧化。②复合物II-III-IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。第30页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五>40多肽链NADHFlavin Q 7铁硫中心>11多肽链

2血红素c1铁硫中心

>13多肽链2血红素O22Cu

电子传递路线内外膜间隙基质线粒体内膜泛醌细胞色素cNADH脱氢酶复合体细胞色素b-c1复合体细胞色素氧化酶复合体NADH呼吸链（三）、质子转移与质子驱动力的形成：第31页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五FADH2呼吸链——复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成，催化琥珀酸的脱氢氧化第32页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五氧化磷酸化的作用机理（一）质子动力势（P91）Mitchell(1961)提出“化学渗透假说”。认为：电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧(M侧)泵至膜间隙(C侧)，形成质子动力势（△P）。△P=Ψ-(2.3RT/F)△pH其中：△pH=pH梯度，Ψ=电位梯度，T=绝对温度，R=气体常数，F为法拉第常数，当温度为25℃时△P的值为220mV左右。第33页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五能量以电化学质子浓度梯度（ElectrochemicalProtonGradient）的形式储存

电子传递过程中，H+

被有关的酶复合体从线粒体基质中排抽到膜间间隙

由此造成:在内膜两侧产生pH梯度（pHgradient，DpH），基质内的pH高于膜间间隙（细胞溶胶）的pH在内膜两侧产生电压梯度（voltagegradient，DV），基质内为负电荷，基质外为正电荷

DpH和DV

共同形成电化学质子梯度“ElectrochemicalProtonGradient”

电化学质子梯度产生“质子动力”（proton-motiveforce）第34页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五ChemiosmoticTheory第35页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五ATP合成机制——氧化磷酸化头部基部1、ATP合酶的结构与组成F型质子泵；分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部）。F1：α3β3γδε复合体，具有3个ATP合成的催化位点（每个β亚基1个）。F0：ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道。第36页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五ATPsynthase第37页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五1979年Boyer提出构象耦联假说:1．ATP酶利用质子动力势，催化ATP合成。2．F1有3个催化位点，催化位点有3种构象。3．质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，带动γ亚基旋转，γ亚基端部高度不对称，引起β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。第38页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五L：松弛O：开放T：紧密第39页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五P/O值指每消耗一个氧原子所产生的ATP分子数，它表示氧化磷酸化的效率。通常认为NADH／3，FADH2／2；也有人认为前者为2.5，后者为1.5。第40页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五电子传递的抑制剂

能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。是研究电子传递链顺序的一种重要方法。

NADHNADH-Q还原酶CoQcytbc1cytccytaa3O2鱼藤酮

安密妥

杀粉蝶菌素

抗霉素A氰化物、CO叠氮化物2-噻吩甲酰三氟丙酮和萎锈灵第41页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五1．电子传递抑制剂抑制复合物I，如阿米妥、鱼藤酮。Amytalrotenone氧化磷酸化抑制剂第42页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五抑制复合物II，如：2-噻吩甲酰三氟丙酮和萎锈灵。2-Thenoyltrifluoroacetonecarboxin第43页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五抑制复合物III，如抗霉素A。AntinomycinA1第44页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五抑制复合物IV，如CO、CN-、NaN3、H2S。电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序，当呼吸链某一特定部位被抑制后，底物一侧均为还原状态，另一侧均为氧化态，可用分光光度计检测。第45页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五磷酸化抑制剂与F0结合，阻断H+通道。如寡霉素。oligomycin第46页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五（五）线粒体与疾病（P94）克山病

克山病（KD），亦称地方性心肌病（ECD），于1935年在我国黑龙江省克山县发现，因而命名克山病。该病的具体表现为心肌线粒体代偿增生、数目增多、嵴膜破坏、氧化磷酸化酶系(包括琥珀酸脱氢酶、细胞色素c氧化酶、琥珀酸氧化酶、H＋-ATP酶等)活性明显下降,Ca2+含量增高、心磷脂和辅酶Q含量偏低,从而提出:“克山病是一种心肌线粒体病”的观点.第47页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五第二节叶绿体与光合作用光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉。绿色植物年产干物质达1014公斤。第48页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五第49页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五一、形态与结构状如透镜，长径5~10，短径2~4，厚2~3um。叶肉细胞含50~200个，占细胞质的40%。由外被、类囊体和基质3部分组成。含3种不同的膜：外膜、内膜、类囊体膜；3种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔。第50页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五高倍显微镜下植物细胞中的叶绿体第51页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五叶绿体形态结构图第52页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五叶绿体外被双层膜组成，膜间为10~20nm的间隙。外膜的通透性大，内膜通透性低；ADP、ATP、NADP+、葡萄糖和焦磷酸等需要特殊的转运体才能通过内膜。第53页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五类囊体类囊体膜：流动性高，内在蛋白有：细胞色素b6／f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、II复合物。基粒：扁平小囊堆叠而成，含40~60个。基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。第54页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五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。叶绿体DNA、蛋白质合成体系。一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。第55页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五二、叶绿体的主要功能－光合作用光合作用分为光反应和暗反应（P100)；光反应需要光，涉及水的光解和光合磷酸化；暗反应不需要光，涉及CO2的固定，分为C3和C4两类。第56页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五（一）光合色素和电子传递链组分1．光合色素包括：叶绿素、类胡萝卜素，比例约3:1。叶绿素分为a、b，比例约3:1。-CHOinchlb第57页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五2．集光复合体约200个叶绿素分子和一些肽链构成。全部叶绿素b和大部分叶绿素a都是天线色素。第58页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五电子传递和光合磷酸化(P101)光系统Ⅱ（PSⅡ）：P680pp102至少包括12条肽链，位于基粒基质非接触区域的类囊体膜上。包括一个集光复合体Ⅱ、一个反应中心和一个含锰原子的放氧复合体。第59页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五细胞色素b6f复合体可能以二聚体形成存在，每个单体含有四个不同的亚基。光系统Ⅰ（PSI）：P700pp102位于基粒与基质接触区和基质类囊体膜中，由集光复合体I和作用中心构成。两种光和磷酸化路径第60页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五Noncyclicphotophosphorylation非环式光和磷酸化第61页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五Cyclicphotophosphorylation环式光合磷酸化第62页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五PSIandPSII第63页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五（二）光合磷酸化一对电子从P680经P700传至NADP+，在类囊体腔增加4个H+，在基质中1个H+被用于还原NADP+，使类囊体腔有较高的H+（pH≈5），形成质子动力势。H+经ATP合酶（CF1-F0偶联因子）渗入基质、推动ATP合成。第64页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五Electrontransportinthethylakoidmembrane在类囊体膜上的电子传递第65页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五比较不同点？第66页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五光合碳同化（p105)第67页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五基因组DNA细胞核胞质溶胶蛋白质前体线粒体或叶绿体输入的蛋白质在细胞器里合成的蛋白质第三节线粒体与叶绿体是半自主性细胞器一、线粒体DNA和叶绿体DNA二、线粒体和叶绿体的蛋白质细胞器DNA第68页，共75页，2022年，5月20日，23点11分，星期五三、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