第七章 线粒体和叶绿体.doc

第七章 细胞的能量转换-线粒体和叶绿体一 线粒体与氧化磷酸化1 形态结构:形状多种多样，以线状和粒状最常见，在细胞中并不以分散的单个形式存在，有的形成分支的相互连接的网状结构，并以动态状态存在，网状结构存在于酵母和培养的哺乳动物细胞中、数量：植物细胞的线粒体数量少于动物细胞 分布: 线粒体在细胞质中的分布是均匀的，在某些细胞中线粒体集中在某些代谢旺盛的区域外膜起界膜作用，含有孔蛋白，内含有内部通道。外膜还含有特殊的酶类。内膜的标志酶是细胞色素氧化酶，内膜向内折叠形成嵴，扩大内表面的面积，嵴（形状：呈管状或扁平的囊状结构，他们之间可以相互连接或融合，通过狭窄的管状孔保持与膜间隙之间的通讯，嵴可能为动态结构、数量较多），基粒（存在于内膜的嵴上，称F1），膜间隙（内外膜之间的腔隙，腺苷酸激酶是标志酶，功能是催化ATP分子末端的磷酸集团转移到AMP，生产ADP），基质：内膜所包围的嵴外空间称为基质，（大量蛋白质和酶，DNA，RNA，核糖体，Ca2+）2 化学组成蛋白质占线粒体干重的6570%，脂类占线粒体干重的2530%以大鼠肝细胞线粒体为例，蛋白质含量：内膜21%，外膜6%，基质67%，膜间隙6% 外膜含胆固醇和磷脂比内膜高标志酶：内膜（细胞色素氧化酶），外膜（单胺氧化酶）， 基质（苹果酸脱氢酶），膜间隙（腺苷酸激酶）（1） 基质中的三羧酸循环（2） 内膜上的呼吸链 以黄素单核苷酸（FMN）为 辅基的NADH脱氢酶 黄素脱氢酶 以黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）为 辅基的琥珀酸脱氢酶呼吸链基本成分 FeS蛋白 辅酶Q （Q QH QH2） 细胞色素 ctya ，a3 ，b ，c， c1 复合物（NADH-CoQ还原酶） 复合物（琥珀酸- CoQ还原酶）四种复合物 复合物（CoQH2-细胞色素C还原酶） 复合物（细胞色素C氧化酶）复合物亚基数辅基与膜结合方式作用25FMN、FeS嵌入催化NADH的2个电子传给辅酶Q，同时发生质子的跨膜输送4FAD、FeS、ctyb嵌入催化电子从琥珀酸通过FAD和FeS蛋白传给辅酶Q10Ctyb、c1嵌入催化电子从辅酶Q传给ctyC，同时发生质子的跨膜输送6-13Ctya、a3嵌入催化电子从ctyC传给O2，同时发生质子的跨膜输送ctyC1外周CtyC在膜间隙扩散，将电子传递给复合物（3） 内膜上的ATP合成酶头部F1(33)、亚基具有ATP结合位点，亚基具有催化ATP合成的活性结合为转子，旋转以调节亚基的3种构象状态与a、b亚基结合为定子基部F0（a1b2c10-12）C亚基12 聚体形成一个环状结构定子在一侧将33与F0连接起来F1和F0通过转子和定子而连接在一起， （4） 呼吸链组分在内膜上的分布超声波处理和蛋白酶或尿素处理 亚线粒体颗粒 （内膜外翻，封闭的囊泡，可进行氧化磷酸化）通过专一性抗体或同位素标记，进行定位3 功能：（1） 通过三羧酸循环，进行糖类、脂肪和氨基酸的最终氧化（2） 通过电子传递链，进行能量转换（动物细胞中80%以上的ATP是在线粒体中合成的）电子传递链：由一系列能可逆地接受和释放电子或H+的化学物质所组成，在线粒体内膜上相互关联地有序排列NADH FMN FeS Q b c1 c aa3 O2 复合物复合物 复合物 FeS 复合物 FAD 琥珀酸 两条呼吸链：NADH呼吸链（复合物、） FADH2呼吸链（复合物、）电子传递和磷酸化耦联的机制有：化学耦联假说，构象耦联假说，化学渗透假说ATP合成酶的结合变化和旋转催化机制F1上3个亚基的构象总是不同的，与核苷酸结合也不同紧密结合态（T态）、松散结合态(L态)和空置状态（O态）每一个亚基要经过3次构象改变才催化合成1个ATP分子F0上H+的转运积累到足够的扭力距时，推动亚基在33形成的圆筒中反时针转动120，使亚基释放1个ATP分子 每进入2个H+可驱动合成1个ATP分子（线粒体内膜上的NADH呼吸链形成3次回路，导致3对H+由基质进入膜间隙，生成3个ATP分子）（3） 细胞中Ca2+浓度的调节线粒体是细胞内Ca2+的最大储存库，内膜上有Ca2+通道蛋白二 叶绿体与光合作用1 形态结构：叶绿体被膜：外膜，内膜类囊体： 基粒类囊体，基质类囊体 小颗粒：具有光系统(PS)的活性类囊体膜（光合作用膜） 大颗粒：具有光系统(PS)的活性 ATP合成酶： C F0有3个亚基 C F1为33基质： 有DNA，RNA，核糖体，淀粉粒和酶2 功能-光合作用（1） 光反应：在类囊体膜上进行，通过叶绿素等色素分子吸收、传递光能，将光能转化为化学能，形成ATP和NADPH的过程，在此过程中水分子被光解放出氧。（2） 暗反应：利用光反应产生的ATP和NADPH的化学能，使CO2还原，合成糖，是在叶绿体基质中进行的。6CO2 + 6Ru-5-P（5-磷酸核酮糖） 12C3 6Ru-5-P + C6光反应原初反应对光的吸收、传递和转换（捕光色素，反应中心色素）光能 电能电子传递和光合磷酸化水的光解，氧的释放ATP和NADPH的形成（非循环式：Z链循环式光合磷酸化）电能 活跃的化学能暗反应碳同化CO2被还原，生成碳水化合物（卡尔文循环）活跃的化学能 稳定的化学能三 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器1 线粒体和叶绿体的DNA（1）线粒体DNA G2期复制环状DNA 转录表达：2种rRNA(12s,16s), mtDNA 22种tRNA和13种mRNA（多肽）（2） 叶绿体DNActDNA G1期复制 转录表达：4种rRNA(23s、16s、4.5s和5s), 30种tRNA、90种mRNA（多肽）每个线粒体中约含6个mtDNA分子每个叶绿体中约含12个ctDNA分子2线粒体和叶绿体的蛋白质合成线粒体的大多数蛋白质是靠细胞核基因编码，在细胞质核糖体中合成，如核糖体蛋白质，DNA聚合酶，RNA聚合酶和蛋白质合成因子等由线粒体DNA编码，在线粒体中合成的多肽都是内膜上的内在蛋白，并与细胞质中合成后输入线粒体的多肽共同组成呼吸链中的各种复合物。由线粒体基因编码表达的多肽有：复合物中7个亚基、复合物中1个亚基、复合物中3个亚基、F0中2个亚基、核糖体中1个多肽。 参加叶绿体组成的蛋白质来源有3种：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。 由叶绿体核糖体合成的多肽有：PS的2个亚基、PS的8个亚基、ATP合成酶的6个亚基、ctyb/f复合物的3个亚基等 至少70%的叶绿体蛋白质是由核基因组编码的。2 线粒体和叶绿体的蛋白质转运和组装导肽（N-末端2080个氨基酸），通过内外膜的接触点输入，需能量ATP和分子伴娘（Hsp）不同的导肽信号可使蛋白质运送到线粒体的不同部位，如基质中（N-末端），内膜上和膜间隙（C-末端） 前体蛋白质具有特定的N-末端残基，使其被运送到叶绿体的功能位点。N-末端区引导穿过叶绿体膜进入基质，而C -末端区引导穿过类囊体膜，因此转运肽至少需要两次加工，一次在基质内，另一次在类囊体腔中。许多运入的蛋白质和叶绿体自身合成的蛋白质共同组装成复合物共转移（cotranslocation）和后转移(post translocotion)四 线粒体和叶绿体的增殖与起源1 增殖 线粒体的出芽增殖和分裂增殖（隔膜分离和收缩分离） 叶绿体的增殖主要靠幼龄叶绿体的分裂，成熟叶绿体通常不再分裂。叶绿体的分裂一般不需要光，但光对叶绿体的发育是重要的。 在个体发育中，叶绿体是由前（原）质体分化而来的。 黄色体 暗 光（原片层体发育）原质体 叶绿体 光 光 类囊体