叶绿体和线粒体

叶绿体和线粒体第1页/共44页一、形态结构（一）形态与分布形状：线粒体一般呈粒状或杆状。化学组成：蛋白质和脂类。大小：一般直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm，在胰脏外分泌细胞中可长达10~20μm，称巨线粒体。数量及分布：植物细胞少于动物细胞；许多哺乳动物成熟的红细胞中无线粒体。通常结合在微管上，分布在细胞功能旺盛的区域。第一节线粒体第2页/共44页第3页/共44页（二）超微结构线粒体（mitochondrion）是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。包括：外膜（outermembrane）、内膜（innermembrane）、膜间隙（intermembranespace）和基质（matrix）四个功能区隔。第4页/共44页第5页/共44页外膜：具有孔蛋白构成的亲水通道（通透性较高），允许小分子物质自由通过。标志酶为单胺氧化酶。内膜：内膜内陷形成嵴（cristae）来扩大内膜表面积。嵴有两种类型，板层状和管状。心磷脂含量高，通透性很低，H+和ATP等不能自由通过，必需有载体蛋白和通道蛋白参与（内膜对物质有高度的选择透过性）

。嵴膜上有基粒。内膜的标志酶为细胞色素氧化酶。膜间隙：内外膜之间的间隙，延伸到嵴的轴心部。标志酶为腺苷酸激酶。基质：可溶性蛋白质的胶状物质。标志酶为苹果酸脱氢酶。

第6页/共44页第7页/共44页二、线粒体的功能线粒体的主要功能是氧化磷酸化，合成ATP，为细胞的生命活动提供能量。糖、脂肪细胞质基质丙酮酸和脂肪酸线粒体乙酰coA（三羧酸循环）氢通过电子传递链到达氧生成水，同时ADP磷酸化生成ATP第8页/共44页第9页/共44页电子传递链概念：有序排列在线粒体的内膜，能可逆的接受和释放电子或H+的酶体系称为电子传递链或呼吸链。呼吸链电子载体主要有：黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q等。黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子和2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶(即复合物I），以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶(即复合物II）。细胞色素：以铁卟啉为辅基的色蛋白，通过Fe3+、Fe2+形式变化传递电子。呼吸链中有5类，即细胞色素a、a3、b、c、c1，其中aa3含有铜原子。（一）氧化磷酸化的分子结构基础第10页/共44页第11页/共44页

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，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。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种氧化还原形式即氧化型醌Q，还原性QH2和自由基半醌（QH）。第12页/共44页第13页/共44页电子传递链的复合物利用脱氧胆酸（deoxycholate，一种离子型去污剂）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。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位于线粒体内膜的膜间隙侧，属于膜的外周蛋白。第14页/共44页复合物ⅠNADH脱氢酶，以二聚体形式存在，作用是催化NHDH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）。电子传递的方向为：NADH→FMN→Fe-S→Q复合物Ⅱ琥珀酸脱氢酶，含有一个FAD，2个铁硫蛋白，作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q。电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q第15页/共44页复合物Ⅲ细胞色素c还原酶，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素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，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Ⅳ细胞色素c氧化酶，以二聚体形式存在，将细胞色素c接受的电子传给氧，每转移1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16页/共44页第17页/共44页两条主要的呼吸链

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Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成NADH呼吸链，催化NADH的脱氢氧化，复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ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，呼吸链中有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Ⅰ在NADH至CoQ之间。部位Ⅱ在细胞色素b和细胞色素c之间。部位Ⅲ在细胞色素a和氧之间。第18页/共44页三、氧化磷酸化的作用机理（一）质子动力势对于氧化磷酸化的偶联机制提出的假说有化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说等。“化学渗透假说”，取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说。内容是当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（△pH）及电位梯度（△

Ψ），两者共同构成电化学梯度，即质子动力势（proton-motiveforce,△P）。

第19页/共44页第20页/共44页（二）ATP合成酶的结构和作用机理ATP合成酶（ATPsynthetase）或F1F0-ATP酶，成蘑菇状。分布于线粒体和叶绿体中，在跨膜质子动力势的推动下，ADP磷酸化生成ATP，参与氧化磷酸化和光合磷酸化。氧化磷酸化是指当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP的过程。第21页/共44页结构组成ATP合成酶是一种可逆性复合酶，既能利用质子动力势合成ATP,又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙。ATP合成酶的分子结构由突出于膜外的F1头部和嵌入膜中的F0基部两部分组成。第22页/共44页第23页/共44页F1头部：为水溶性的蛋白质，从内膜突出于基质，比较容易从膜上脱落。它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子，属于F型质子泵。F1是由9个亚基组成的α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（一个/β亚基）。α和β单位交替排列成桔瓣状结构。γ贯穿αβ复合体，发挥转子的作用来调节三个β亚基催化位点的开放和关闭，并与F0接触，ε帮助γ与F0结合。δ与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构（相当于定子）。第24页/共44页第25页/共44页F0基部：嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜的质子通道。第26页/共44页1979年代BoyerP提出构象偶联假说，其要点如下：1．ATP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。2．F1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γ亚基旋转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起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。作用机理第27页/共44页第28页/共44页第29页/共44页第二节叶绿体见植物生理学部分●叶绿体(Chloroplast)的形态结构●叶绿体的功能—光合作用(photosynthesis)略第30页/共44页第三节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第31页/共44页一、线粒体和叶绿体的DNA●mtDNA/ctDNA形状、数量、大小

mtDNA（线粒体）：双链环状；大多数动物的线粒体DNA比核DNA小100~1000倍；ctDNA（叶绿体）双链环状；叶绿体中的DNA含量明显比线粒体多；●mtDNA和ctDNA均以半保留方式进行自我复制

●mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期及G2期，DNA先复制，随后线粒体分裂。ctDNA复制的时间在G1期。第32页/共44页二、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●参加叶绿体或线粒体组成的蛋白质来源有３种情况：

◆由ctDNA或mtDNA编码，在叶绿体或线粒体核糖体上合成；

◆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。第33页/共44页三、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◆定位于线粒体基质的蛋白质的运送◆定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送（略）

●叶绿体蛋白质的运送及组装◆定位于叶绿体类囊体基质的蛋白质的运送第34页/共44页线粒体蛋白质的运送与组装第35页/共44页1、在细胞质的核糖体上合成前体蛋白，在分子伴侣（Hsp70）的参与下解折叠，使之维持伸展状态。2、前体蛋白与外膜上的输入受体结合。3、在导肽的牵引下，前体蛋白被转移通过输入通道（Tom）。（注：此处线粒体的内膜与外膜相互接触，几乎没有膜间隙）4、前体蛋白在线粒体基质中的分子伴侣（mHsp70等）的帮助下重新折叠；另外导肽被切除。线粒体基质蛋白质的运送与组装第36页/共44页叶绿体蛋白质的运送与组装第37页/共44页1、前体蛋白含有两个导向序列（转运肽）。即基质导向序列和类囊体导向序列。2、前体蛋白在基质导向序列的引导下穿越内膜和外膜进入叶绿体基质。3、基质导向序列被切除。在类囊体导向序列的引导下通过两种途径进入类囊体。叶绿体类囊体蛋白质的运送与组装第38页/共44页第四节线粒体和叶绿体的增殖与起源●线粒体和叶绿体的增殖（1）线粒体是由原来的线粒体分裂或出芽而来。（2）叶绿体由前质体、幼龄叶绿体或者成熟叶绿体分裂而来，但叶绿体数目的增加主要靠幼龄叶绿体的分裂。●线粒体和叶绿体的起源内共生起源学说第39页/共44页内共生起源学说◆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：叶绿体的祖先是原核生物的蓝细菌（Cyanobacteria），即蓝藻。◆内共生起源学说的主要论据◆不足之处第40页/共44页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，外膜与细胞的内膜系统相似，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。