线粒体与叶绿体

第六章细胞的能量转换─线粒体和叶绿体(1)线粒体:存在于所有的真核细胞(2)叶绿体:高等植物细胞

线粒体:氧化磷酸化→

ATP叶绿体:光合磷酸化→

ATP+NADPH→

碳水化合物第一页，共九十七页。第二页，共九十七页。第一节线粒体1890年，R.Altaman发现线粒体，命名为bioblast。1897年，Benda将这种颗命名为mitochondrion。1900年，L.Michaelis用JanusGreenB对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用。1904年，在植物细胞中发现了线粒体。至20世纪50年代，证实三羧酸循环，氧化磷酸化和脂肪酸氧化等重要的能量代谢过程均发生在线粒体中。现在线粒体的结构和功能的研究已经深入到分子水平。第三页，共九十七页。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。第四页，共九十七页。第五页，共九十七页。Figure

7-3

Mitochondrialplasticity.

Rapidchangesofshapeareobservedwhenamitochondrionisvisualizedinalivingcell.

第六页，共九十七页。Figure

7-5

LocalizationofmitochondrianearsitesofhighATPutilizationincardiacmuscleandaspermtail.

第七页，共九十七页。（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（intermembrane）和基质（matrix）四个功能区隔。第八页，共九十七页。第九页，共九十七页。外膜：具有孔蛋白构成的亲水通道，允许分子量5000daltonsorless小分子物质自由通过，ATP、NAD、辅酶A等可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。内膜（心磷脂含量高，高不可渗透性）：内膜内陷形成嵴（板层状和管状），嵴膜上有基粒（由头部（F1因子）和基部（F0因子））。蛋白主要有3种功能：Electron-transportchain，ATPsynthase，Transportproteins。膜间隙：标志酶为腺苷酸激酶，可利用ATP磷酸化其它的核苷酸。基质：Enzymes;MitDNA,Ribosomes,etc。标志酶为苹果酸脱氢酶。第十页，共九十七页。第十一页，共九十七页。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第十二页，共九十七页。线粒体各部位的功能Outermembrane:磷脂合成脂肪酸去饱和脂肪酸链延长Innermembrane:电子传递氧化磷酸化代谢物运输Intermembranespace核苷酸磷酸化Matrix丙酮酸氧化TCA循环脂肪酸的ß-氧化DNA复制,RNA转录,Protein翻译第十三页，共九十七页。第十四页，共九十七页。1、氧化磷酸化的分子基础----电子传递链第十五页，共九十七页。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C侧，属于膜的外周蛋白。第十六页，共九十七页。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第十七页，共九十七页。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。第十八页，共九十七页。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。第十九页，共九十七页。第二十页，共九十七页。B.ATP合成的分子基础

ThestructureoftheATPsynthaseF1particleisthecatalyticsubunit;TheF0particleattachestoF1andisembeddedintheinnermembrane.F1:5subunitsintheratio3:3:1:1:1F0:1a：2b：12c

第二十一页，共九十七页。F1particleshaveATPsynthaseactivity第二十二页，共九十七页。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）。

第二十三页，共九十七页。△P=Ψ-(2.3RT/F)△pH其中T为绝对温度，R为气体常数，F为法拉弟常数。质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。第二十四页，共九十七页。第二十五页，共九十七页。（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。第二十六页，共九十七页。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。第二十七页，共九十七页。第二十八页，共九十七页。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）。第二十九页，共九十七页。第三十页，共九十七页。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。第三十一页，共九十七页。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。作用机理第三十二页，共九十七页。第三十三页，共九十七页。第三十四页，共九十七页。第三十五页，共九十七页。Ifnotallthedetergentisremoved,whatwillhappen?

Figure

ATP合成的动力来自质子流动.

把光驱动的细菌质子泵(bacteriorhodopsin)、牛心线粒体的F1-F0复合物、脂质体组合在一起.第三十六页，共九十七页。SummaryofthemajoractivitiesduringaerobicrespirationinamitochondrionNADHO2:3ATP/2e;FADH2O2:2ATP/2e第三十七页，共九十七页。

生物氧化产生ATP的统计

一个葡萄糖分子经过细胞呼吸全过程产生多少ATP？

糖酵解：底物水平磷酸化产生4ATP（细胞质）

己糖分子活化消耗2ATP（细胞质）

产生2NADH，经电子传递产生4或6ATP

（线粒体）净积累6或8ATP

丙酮酸氧化脱羧：产生2NADH（线粒体），生成

6ATP

三羧酸循环：底物水平的磷酸化产生（线粒体）2ATP；

产生6NADH（线粒体），生成

18ATP；

产生2FADH2（线粒体），生成4ATP

总计生成36或38ATP

第三十八页，共九十七页。四、线粒体的增殖

1、间壁分离，分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分成两个，常见于鼠肝和植物分生组织中。2、收缩后分离，分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。3、出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。第三十九页，共九十七页。第四十页，共九十七页。第四十一页，共九十七页。第二节叶绿体●叶绿体(Chloroplast)的形态结构●叶绿体的功能—光合作用(photosynthesis)第四十二页，共九十七页。第四十三页，共九十七页。一、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； 捕光系统、电子传递链和ATP合成酶都位于类囊体 膜上。●叶绿体超微结构第四十四页，共九十七页。第四十五页，共九十七页。第四十六页，共九十七页。第四十七页，共九十七页。叶绿体膜叶绿体由内膜和外膜组成，膜间为10~20nm的膜间隙。膜的成分是蛋白质和脂质。类囊体是在叶绿体基质中，由许多单位膜封闭形成的扁平小囊。a结构基粒类囊体：象圆盘一样叠在一起的类囊体。基粒片层。基质类囊体：贯穿在两个或两个以上基粒之间的没有发生垛叠的类囊体。基质片层。b化学组成类囊体膜的主要成分是蛋白质和脂类（3：2）。蛋白质分为外在蛋白和内在蛋白。脂类中的脂肪酸主要是不饱含脂肪酸，具有较高的流动性。第四十八页，共九十七页。基质是内膜与类囊体间的流动性成分，中间悬浮着片层系统。主要成分包括：碳同化相关的酶类（RUBP羧化酶）、叶绿体DNA、蛋白质合成体系、一些颗粒成分等。第四十九页，共九十七页。二、叶绿体的主要功能叶绿体的主要功能是进行光合作用。光合作用的过程分为：①原初反应、②电子传递和光合磷酸化、③碳同化。其中①和②属于光反应，在类囊体膜上进行；③属于暗反应（darkreaction），在叶绿体基质中进行。第五十页，共九十七页。第五十一页，共九十七页。光合色素和电子传递链组分1．光合色素类囊体中含两类色素：叶绿素（叶绿素a和叶绿素b）和类胡萝卜素（胡萝卜素和叶黄素）。2．集光复合体（lightharvestingcomplex）由大约200个叶绿素分子和一些肽链构成。大部分色素分子起捕获光能的作用，并将光能以诱导共振方式传递到反应中心色素。因此这些色素被称为天线色素。第五十二页，共九十七页。第五十三页，共九十七页。3．光系统Ⅱ（PSⅡ）吸收高峰为波长680nm处，又称P680。位于基粒与基质非接触区域的类囊体膜上。包括一个集光复合体（light-hawestingcomnplexⅡ，LHCⅡ）、一个反应中心和一个含锰原子的放氧的复合体（oxygenevolvingcomplex）。D1和D2为两条核心肽链，结合中心色素P680、去镁叶绿素(pheophytin)及质体醌(plastoquinone)。4．光系统Ⅰ（PSI）能被波长700nm的光激发，又称P700。包含多条肽链，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。第五十四页，共九十七页。第五十五页，共九十七页。原初反应与电子传递P680接受能量后，由基态变为激发态（P680*），然后将电子传递给ph（原初电子受体），P680*带正电荷，从原初电子供体Z得到电子而还原；Z+再从放氧复合体上获取电子；氧化态的放氧复合体从水中获取电子，使水光解。在另一个方向上去镁叶绿素将电子传给QA，QA又迅速将电子传给QB。质体醌将电子传给细胞色素bf，同时将质子由基质转移到类囊体腔。电子接着传递质体蓝素(PC)，再将电子传递到光系统Ⅱ。P700被光能激发后释放出来的高能电子沿着A0→

A1

→4Fe-4S的方向依次传递，由类囊体腔一侧传向类囊体基质一侧的铁氧还蛋白（FD）。最后在铁氧还蛋白-NADP还原酶的作用下，将电子传给NADP+，形成NADPH。第五十六页，共九十七页。第五十七页，共九十七页。光合磷酸化◆光合磷酸化的类型◆光合磷酸化的作用机制由光照引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程，称为光合磷酸化。第五十八页，共九十七页。第五十九页，共九十七页。当植物在缺乏NADP+时电子在光系统内Ⅰ流动，只合成ATP，不产生NADPH，称为循环式光合磷酸化。第六十页，共九十七页。光合磷酸化的作用机制一对电子从P680经P700传至NADP+，在类囊体腔中增加4个H+，2个来源于H2O光解，2个由PQ从基质转移而来，在基质外一个H+又被用于还原NADP+，所以类囊体腔内有较高的H+（pH≈5，基质pH≈8），形成质子动力势，H+经ATP合酶，渗入基质、推动ADP和Pi结合形成ATP。ATP合酶，即CF1-F0偶联因子，结构类似于线粒体ATP合酶。CF1同样由5种亚基组成α3β3γδε的结构。CF0嵌在膜中，由4种亚基构成，是质子通过类囊体膜的通道。第六十一页，共九十七页。第六十二页，共九十七页。第六十三页，共九十七页。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（CAM途径）第六十四页，共九十七页。C3途径：又称卡尔文(Calvin)循环。CO2受体为RuBP，最初产物为3-磷酸甘油酸(PGA)。C4途径：又称哈奇-斯莱克(Hatch-Slack)途径，CO2受体为PEP，最初产物为草酰乙酸(OAA)。景天科酸代谢途径（CAM途径）：夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放CO2，进行CO2固定。第六十五页，共九十七页。第六十六页，共九十七页。第六十七页，共九十七页。◆个体发育：由前质体（proplastid）分化而来。◆增殖：分裂增殖三、叶绿体的发育和增殖第六十八页，共九十七页。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六十九页，共九十七页。1、线粒体和叶绿体的DNA细胞器DNA与病毒相似.MitDNA:6,000bp～300,000bp；哺乳动物MitDNA≈16,500bp(<0.001%ofnucleargenome).ChlDNA:from70,000to200,000bp.第七十页，共九十七页。mtDNA可编码rRNAs、tRNAs及部分线粒体蛋白，线粒体编码产物是不向外运输的。HumanmtDNA:16,569bp2rRNAs,22tRNAs,13polypeptides:NADHreductase.7sub.Ctyb-c1complex.1cytbCytoxidase.3subunitsATPsynthase:2F0sub

第七十一页，共九十七页。Theorganizationoftheliverwort(地钱)

Chlgenome第七十二页，共九十七页。2、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。第七十三页，共九十七页。B.线粒体与叶绿体具有自身的遗传系统线粒体与叶绿体是半自主性细胞器.

第七十四页，共九十七页。3、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装Mit膜上的3转运蛋白:TOM、TIM、OXA

TOM,TIM及OXA复合体都是多聚体膜蛋白可促进蛋白质的跨膜转运.TOM帮助蛋白质跨越线粒体的外膜，TIM(TIM23andTIM22)帮助蛋白质跨越线粒体的内膜.OXA帮助蛋白质插入线粒体的内帮助蛋白质膜.OXA也可进入线粒体基质.第七十五页，共九十七页。TheproteinimportbyMit:N-terminalsignalsequenceisrecognizedbyreceptorsofTOM;TheproteinistranslocatedacrossbothMitmembranesatornearspecialcontactsites.第七十六页，共九十七页。OnlyunfoldedproteinscanbeimportedintoMit;Mitprecursorproteinsremainunfoldedthroughinteractionswithhsp70chaperoneproteinsinthecytosolaftertheyaresynthesized.ATPhydrolysisandH+gradientareusedtodtiveproteinimportintoMit第七十七页，共九十七页。ProteintransportintotheinnerMitmembraneandtheintermembranespacerequirestwosignalsequences第七十八页，共九十七页。TwosignalsequencesarerequiredtodirectproteinstotheThylakoidmembraneinChl.TranslocationintothylakoidspaceorthylakoidMcanoccurbyanyoneofatleastfourroutes.第七十九页，共九十七页。第八十页，共九十七页。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●线粒体和叶绿体的起源第八十一页，共九十七页。