细胞生物学-复旦课件5mitochondrion and chloroplast

细胞的能量转换─

线粒体和叶绿体●线粒体与氧化磷酸化●线粒体与人类疾病和衰老●叶绿体与光合作用●线粒体和叶绿体是半自主性细胞器●线粒体和叶绿体的增殖与起源线粒体叶绿体小结太阳能生物基本能量来源化学能贮存于糖类脂肪蛋白质ATP线粒体与叶绿体是细胞内两种产能细胞器线粒体--地球上重要的生命体

自受精卵形成后，线粒体也不断地分裂、增长。于是在人类细胞的内部，线粒体通过氧化方式，夜以继日地为人类细胞提供着能量。人类在各种活动中，无论是学习，还是工作，都离不开线粒体。严格地讲，线粒体并不属于人类。线粒体有自己的名称、历史和性格特点，它是单独的生命体。

第一节

线粒体与氧化磷酸化●线粒体的超微结构●线粒体的化学组成及酶的定位●线粒体是物质氧化与能量转换的场所●线粒体与人类疾病和衰老•葡萄糖酵解

线粒体是物质氧化与能量转换的场所

线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量。（蛋白质、脂类与糖类物质被消化分解为简单的物质形式被细胞摄取，并在细胞内进一步降解为可进入线粒体的物质，在线粒体中氧化分解，将化学能转移为ATP等物质的高能磷酸键中，被细胞利用） ●电子传递与氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)的结构基础 ●氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透假说

(ChemiosmoticHypothesis,Mithchell,1961) ●质子动力势的其他作用●线粒体能量转换过程略图

线粒体的形态结构●线粒体的形态、大小、数量与分布●线粒体的超微结构◆外膜(outermembrane）：厚5.5~7nm;含转运蛋白被成为孔蛋白(porin)，通透性较高(分子量10000以下,蛋白质与多肽)。◆内膜（innermembrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristae）。嵴增加面积;嵴分布与线粒体分布与细胞能量需求有关.◆膜间隙（intermembranespace）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。◆基质（matrix）：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,水,蛋白质,脂类,脂肪酸,离子等等。线粒体的化学组成及酶的定位●线粒体组分分离方法●线粒体的化学组成●线粒体酶的定位线粒体的化学组成◆蛋白质(线粒体干重的65～70％)◆脂类(线粒体干重的25～30％)：·磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂---高度特化,具有离子不通透性。

线粒体含有独特的DNA分子,编码线粒体部分蛋白质亚基、RNA。电子传递与氧化磷酸化的结构基础◆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)与磷酸化(ADP+Pi)是同时进行，密切偶连在一起的，但却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

◆ATP合成酶（ATPsynthase）(磷酸化的分子基础)电子传递链的四种复合物 ◆NADH脱氢酶复合物I：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心

,1个黄素蛋白。作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电子辅酶Q；泵出4H+ ◆琥珀酸脱氢酶复合物II：含FAD辅基，2Fe-S中心，作用：催化2高能电子FADFe-S辅酶Q(无H+泵出) ◆细胞色素bc1复合物III：包括1cytc1、1cytb、1Fe-S蛋白作用：催化电子从UQH2cytc；泵出4H+◆细胞色素C氧化酶IV：二聚体，每一单体含13个亚基，

cyta,cyta3,Cu,Fe

作用：催化电子从cytc分子O2

形成水ATP酶复合体(磷酸化的分子基础)

◆分子结构◆线粒体ATP合成系统的解离与重建实验证明电子传递与ATP合成是由两个不同的结构体系执行,F1颗粒具有ATP酶活性◆工作特点：可逆性复合酶，既能利用质子电化学梯度储存的能量合成ATP,又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙◆ATP合成机制—BandingChangeMechanism(Boyer1979)Cuttingedge:快马达快蛋白--耳蜗外毛细胞的一种新型马达蛋白哺乳动物耳蜗外毛细胞(outhaircell,OHC)在机械刺激引起的膜电位改变的条件下,其胞体本身能发生与声音刺激相同步的伸长与收缩反应,即膜电位去极化时收缩,超极化时伸长,称为电能动性.它能反馈能量到振动的基底膜,对声音刺激起更精细的放大作用.这一发现使耳蜗对声音放大有了主动性的一面.PrestinSensitivityandselectivity

OHCOHCWhynew?Energyis,butthechangingmembranepotentialofcell.Theresponseoccursat

rates,fasterthananyothercellularmotorproteinnotsuppliedbyATPmicrosecond氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透假说◆英国生化学家Mitchell1961提出化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)获得1978年诺贝尔化学奖◆化学渗透假说内容：电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，形成H+电化学梯度。在这个梯度驱使下，H+穿过ATP合成酶回到基质，同时合成ATP,电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。◆质子动力势(protonmotiveforce)◆支持化学渗透假说的实验证据该实验表明：

·质子动力势是ATP合成的动力

·膜应具有完整性

·电子传递与ATP合成是两件相关而又不同的事件质子动力势的其他作用◆物质转运◆产热：冬眠动物与新生儿的BrownFatCell

线粒体产生大量热量线粒体与人类疾病和衰老线粒体异常影响整个细胞的正常功能，从而导致病变，故称为线粒体疾病(克山病)线粒体DNA改变－遗传性疾病线粒体疾病是母系遗传目前有50多种，多数为神经肌肉系统疾病退化性疾病－帕金森病与线粒体DNA有关－与Alzheimer疾病有关线粒体与身世Se-克山病（线粒体膜稳定性的关系）母系遗传的研究线粒体基因变突糖尿病”：病因是线粒体核苷酸3243位由A突变为G。目前科研人员已筛查出4297例该病患者，占所筛查糖尿病总人数的1.2％。该病为母系遗传，家系内女性患者的子女均可能患病，男性患者的子女均不患病。线粒体与Alzheimer's疾病，唐氏综合症有关

Alzheimer‘s疾病激活总会侵袭60岁以上的老人，但是在唐氏综合症患者中，Alzheimer’s疾病发病时间通常早在40岁以前。报道大脑细胞中能量工厂线粒体的降解导致了唐氏综合症患者Alzheimer‘s疾病早早地发作，以及可能在其它老人中导致的此类疾病。（老年斑）左侧正常大脑细胞具有高水平的线粒体功能（红色所示）右侧细胞水平较低（这部分红色染料是另一种用于标记细胞核的）

身世与线粒体DNA追寻吉普赛人的身世7位非洲女性是欧洲人祖先？通过线粒体基因组研究提供汉族起源新线索

吉普赛人的身世《巴黎圣母院》－吉普赛少女爱斯梅拉达－悲惨命运吉普赛人被视为小偷和不祥的象征吉普赛人移居到了欧洲。他们居住在大篷车之中，靠卖艺或给人占卜等维持生计－流动吉普赛（gypsy）这个词的本义是“从埃及来的人”－天大的错误；应该为罗姆人（Roma）——有他们自己的语言－罗姆语。语言学的证据推测出吉普赛人大概起源于印度北部。全世界一共有大约1200万吉普赛人，其中1000万左右分布在欧洲。吉普赛人有独特的传统，他们不与外族通婚（结婚年龄在12～13岁）－吉普赛人是一个单一的民族？（语言学家与人类学家争持的焦点）线粒体帮助科学家追踪吉普赛人的身世14个不同的吉普赛“部落”的275个人作为研究对象。这些人相互没有血缘关系。研究者检查了他们的Y染色体和线粒体DNA（线粒体只能遗传自母亲，因此可以有效的判断人群祖先的相关性）。线粒体帮助科学家追踪吉普赛人的身世科学家发现来自所有14个地区的样本Y染色体都含有单倍组VI-68，其数量占所有样本的44.8%。对于线粒体DNA有类似的发现：26.5%的男性都携带有单倍组M。这些人在单倍组上表现出的差异性非常小。尽管吉普赛人有不同的部落，他们仍然是一个单一的民族。而且，单倍组VI-68和单倍组M都是亚洲人特有的，这就支持了语言学上的证据。科学家把这一研究成果发表在2001年12月的《美国人类遗传学》杂志上吉普赛人靠卖艺为生（摄于20世纪30年代）图片来自微软Encarta百科全书。一些结论－－仅供参考2001年初，英国牛津大学遗传学家布赖恩·赛克斯对欧洲人线粒体DNA的研究表明，99％的现代欧洲人同是来源于7位女性，她们可以称为欧洲人的7位夏娃。

赛克斯等人提取了近6000名志愿者进行线粒体DNA测试，发现这些人可以划分为7个组，每组都可归属于一名女性。因此赛克斯认为这7位女性4.5万年前先后从非洲来到欧洲的，同时建立了各自的家庭。线粒体在母系传递过程中会“丢失”，故一个女性如若没有留下后代或只有男性后代，就会造成她的线粒体不再遗传下去。因此，有可能在所有的女祖先，只有一个幸运的女祖先，其线粒体及其DNA留传至今。

有人发现原来的数据分析有一些漏洞，经重新分析有关数据，得出一些不同的结论，从而对人类的祖先是否在非洲、“线粒体夏娃”是否曾经存在等问题提出异议。因为现代非洲种族具有较多的遗传差异，这确是一个事实。因此，有关人类祖先的问题又暴发了进一步争论。姚永刚、张亚平及其合作者用选择母系遗传的线粒体基因组作为遗传的标记，他们首先测定了来自6个不同省份具有一定代表性的汉族人群的线粒体DNA序列，结合报道的全序列信息，建立我国人群线粒体DNA单倍型类群的系统发育关系。《美国人类遗传学杂志》发现汉族人群中存在明显的地理分化，基本特点是，南方群体间的差异较大，北方群体间的差异较小；南方人群中发现一些比较古老的单倍型类型，而其中一些类型在北方样本中几乎没有，即南方群体中保留有较北方更多的古老类型。研究结果从母系遗传方面说明，将汉族人群按地理位置合并为“北方汉族”和“南方汉族”或者选用一个或两个汉族地理群体来代表整个汉族人群的这种比较普遍的做法，存在着较大的缺陷，不能有效地反映汉族遗传结构的全貌。新石器时代的源于黄河流域到后期始于长江流域的向周边和边远的扩张，并没有在遗传上取代这些地区以前存在的人群，相反，而是从文化的角度将当地人的基因库同化为汉族的一部分。有史记载以来中原地区汉族人群向南方和西南方向的扩张也只一个政治和军事上的征服过程，而这种征服的一个直接结果是汉文化的渗透和同化。正是在这个意义上说，汉族本身是多源的基因库被同一个文化（汉文化）同化、融合和统帅的产物。南方汉族群体中含有较北方群体更多的古老类群和未定类型，提示南方汉族可能更古老。●叶绿体与光合作用

质体●线粒体和叶绿体是半自主性细胞器●线粒体和叶绿体的增殖与起源123有色体白色体叶绿体叶绿体与

光合作用●叶绿体(Chloroplast)的形态结构●叶绿体的功能—光合作用(photosynthesis)叶绿体(Chloroplast)的形态结构●叶绿体与线粒体形态结构比较 叶绿体内膜并不向内折叠成嵴；内膜不含电 子传递链；除了膜间隙、基质外，还有类囊体腔； 捕光系统、电子传递链和ATP合成酶都位于类囊体 膜上。●叶绿体超微结构叶绿体与光合作用●叶绿体(Chloroplast)的形态结构●叶绿体的功能—光合作用(photosynthesis)叶绿体的功能—光合作用

(photosynthesis)

Photosynthesis:(1)光合电子传递反应—光反应(LightReaction) (2)碳固定反应—暗反应(DarkReaction)●光反应●暗反应(碳固定)●光合作用与有氧呼吸的关系图光反应

在类囊体膜上由光引起的光化学反应，通过叶绿素等光合色素分子吸收、传递光能，将水光解生成高能电子，沿电子传递链进行传递，形成O2、ATP和NADPH的过程。包括原初反应、电子传递、光合磷酸化。◆原初反应（primaryreaction) ·光能的吸收、传递与转换，形成高能电子

(由光系统复合物完成)◆电子传递与光合磷酸化色素的吸收光譜

叶绿素a：启动光反应叶绿素b，胡萝卜素，藻胆素：捕捉光，传递光能·电子传递与光合磷酸化的特点说明

1)最初电子供体是H2O，最终电子受体是NADP+。

2)电子传递链中唯一的H+-pump是cytb6f复合物。类囊体腔的质子梯度比叶绿体基质高，该梯度产生的原因归功于：

H2O光解、cytb6f的H+-pump、NADPH的形成。

3)ATP、NADPH在叶绿体基质中形成。

4)电子沿光合电子传递链传递时，分为非循环式光合磷酸化和

循环式光合磷酸化两条通路。电子传递与光合磷酸化电子供体光照后，激发态的叶绿素P680从水光解得到电子，电子经过两个光系统，并在传递过程中产生质子梯度，同磷酸化相偶联，产生ATP。电子的传递是一个开放的通道，电子最终受体是NADP+,最终产物为ATP/NADPH和分子氧。循环式传递的高能电子在PSⅠ,被光能激发后经cytb6f复合物回到PSⅠ。结果是不裂解H2O和产生O2，不形成NADPH，只产生H+跨膜梯度，即合成ATP暗反应(碳固定)

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)。◆卡尔文循环（Calvincycle）（C3途径）◆C4途径或Hatch-Slack循环◆景天科酸代谢途径夜间CO2同化-PEPC-草酰乙酸-苹果酸白天脱羧后参与TCA循环—淀粉串线景天线粒体和叶绿体是半自主性细胞器

●半自主性细胞器的概念： 自身含有遗传表达系统(自主性)；但编码的遗传信息十分有限，其RNA转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息(自主性有限)。●线粒体和叶绿体的DNA●线粒体和叶绿体的蛋白质合成●线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装线粒体和叶绿体的DNA●mtDNA/ctDNA形状、数量、大小 ●mtDNA和ctDNA以半保留方式进行自我复制mtDNA/ctDNA形状、数量、大小◆大多数为双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA)◆mtDNA大小变化不大，高等植物120kb~200kb；ctDNA大小差异较大（200kb~2500kb）；◆平均每个线粒体中有6个mtDNA，每个叶绿体约含12个ctDNA;◆人mtDNA：迄今最小的mtDNA，为16,569bp，37个基因(编码12S,16SrRNA；22种tRNA；13种多肽：NADH脱氢酶7个亚基，cytb-c1复合物中1个cytb，细胞色素C氧化酶3个亚基，ATP合成酶2个Fo亚基)线粒体和叶绿体的蛋白质合成●线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限●线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性●参加叶绿体组成的蛋白质来源有３种情况：

◆由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成；

◆由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成；

◆由核DNA编码，在叶绿体核糖体上合成。线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装●线粒体蛋白质的运送与组装 ◆定位于线粒体基质蛋白质的运送 ◆定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送 ●叶绿体蛋白质的运送及组装

1前导肽(leadingpeptide)

导向序列、导向信号、转运肽2信号肽（signalsequence）前导肽的性质●长约20-80个氨基酸，通常带正电荷的碱性氨基酸(特别是精氨酸和赖氨酸)含量较为丰富;●序列中不含有或基本不含有带负电荷的酸性氨基酸，并且有形成两性(既亲水又疏水)α螺旋的倾向。●需要消耗能量;●需要分子伴侣。前导肽的特异性●具有细胞结构的特异性●前导肽的不同片段含有不同的信息线粒体和叶绿体的增殖与起源●线粒体和叶绿体的增殖●线粒体和叶绿体的起源线粒体和叶绿体的增殖●线粒体的增殖：由原来的线粒体分裂或出芽而来。 ●叶绿体的发育和增殖◆个体发育：由前质体（proplastid）分化而来。 ◆增殖：分裂增殖线粒体和叶绿体的起源●内共生起源学说（endosymbiosishypothesis) ●非共生起源学说内共生起源学说◆叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻：

Mereschkowsky，1905年◆Margulis，1970年：线粒体的祖先-原线粒体是一种革兰氏阴性细菌：◆内共生起源学说的主要论据：◆不足之处内共生起源学说的主要论据◆基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。◆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。◆两层被膜有不同的进化来源，外膜与细菌的内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似。◆以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。◆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。◆线粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌。◆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。不足之处◆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