细胞能量转换─线粒体和叶绿体

1、细胞能量转换线粒体和叶绿体1 线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。 线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化 叶绿体与光合作用叶绿体与光合作用 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 线粒体和叶绿体的增殖与起源线粒体和叶绿体的增殖与起源 细胞能量转换线粒体和叶绿体2 线粒体的形态结构线粒体的形态结构 线粒体的化学组成及酶的定位线粒体的化学组成及酶的定位 氧化磷酸化氧化磷酸化 细胞能量转换线粒体和叶绿体3 线粒体的形态、大小、数量与分布线粒体的形态、大小、数量与分布 v 线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，

2、哑铃形、线状、分杈状或其它形状。数目一般数百到数千个，线粒体通常 分布在细胞功能旺盛的区域。 线粒体的超微结构线粒体的超微结构 v 外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性较高。 v 内膜（inner membrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴 （cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达510倍）。含有与能量转换 相关的蛋白 （执行氧化反应的电子传递链酶系、 ATP合成酶、线粒体内 膜转运蛋白）。 v 膜间隙（intermembrane space）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。 v 基质（matrix）：含三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、线粒体

3、 基因表达酶系等以及线粒体DNA, RNA，核糖体。 细胞能量转换线粒体和叶绿体4 线粒体的化学组成线粒体的化学组成 v蛋白质蛋白质(线粒体干重的6570) v脂类脂类(线粒体干重的2530)： l磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。 l线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1（内膜）；1:1（外膜） 线粒体酶的定位线粒体酶的定位 细胞能量转换线粒体和叶绿体5 细胞能量转换线粒体和叶绿体6 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。 什么是氧化磷酸化： v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，这一

4、过程称为氧化磷酸化氧化磷酸化。 什么是呼吸链：什么是呼吸链： v在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物，它们是传递电 子的酶体系，由一系列可逆地接受和释放电子或H+的化学物质组成， 在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链（电子传递链（electron-transport chain）或呼吸链（呼吸链（respiratory chain）。）。 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)的分子基础 氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说 (Chemiosmotic Hypothesis, Mithchell,1961) 线粒体能量转换过程略图 细胞能量转换线粒体和叶绿

5、体7 电子载体电子载体 v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。 v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。 v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，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、 c1，其中a、a3含有铜原子。 v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。 v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，还原型氢醌（QH2

6、）和介于两者之 者的自由基半醌（QH）。 呼吸链的复合物呼吸链的复合物 两条主要的呼吸链两条主要的呼吸链 ： NADH呼吸链, FADH2呼吸链 ATPATP合成酶（合成酶（ATP synthaseATP synthase）( (磷酸化的分子基础磷酸化的分子基础) ) 细胞能量转换线粒体和叶绿体8 复合物复合物：NADH-CoQ还原酶复合物（既是电子传递体又是质子移 位体） v组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白。 v作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电子辅酶Q； 泵出4 H+ 复合物复合物：琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递体而非质子移位体） v组成：含FAD辅基，2F

7、e-S中心， v作用：催化2低能电子FADFe-S辅酶Q (无H+泵出) 复合物复合物：细胞色素bc1复合物（既是电子传递体又是质子移位体） v组成：包括1cyt c1、1cyt b、1Fe-S蛋白 v作用：催化电子从UQH2cyt c；泵出4 H+ （2个来自UQ，2个来自基质） 复合物复合物：细胞色素C氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体） v组成： 二聚体，每一单体含13个亚基，cyt a, cyt a3 ,Cu, Fe v作用：催化电子从cytc分子O2形成水，2H+泵出，2H+参与形成水 细胞能量转换线粒体和叶绿体9 复合物I、I、IV组成主要的呼吸链，催化NADH的脱氢氧化， 复合

8、物、I、IV组成另一条呼吸链，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。部位在NADH至CoQ之间。部 位在细胞色素b和细胞色素c之间。部位在细胞色素a和氧之 间。 电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形成 高能电子 (能量转化)， 终止于O2形成水。 电子传递链各组分在膜上不对称分布 细胞能量转换线粒体和叶绿体10 分子结构分子结构 v基粒（elementary particle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F 偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。 v

9、F1由5种多肽组成33复合体，具有三个ATP合成的催化位点 （每个亚基具有一个）。和单位交替排列，状如桔瓣。贯穿 复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，帮助与F0结合。 与F0的两个b亚基形成固定复合体的结构（相当于发电机的定子）。 vF0由三种多肽组成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,可使质子由膜间隙流回基质。 工作特点：工作特点： v可逆性复合酶，即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合成机制合成机制构象耦联假说构象耦联假说 (Boyer 1979) v亚单位相对于亚单位旋转的直接实

10、验证据 细胞能量转换线粒体和叶绿体11 化学渗透假说内容：化学渗透假说内容： v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（M侧）泵 至膜间隙（胞质侧或C侧），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（），两者共同构成电化学梯度（图7-9），即质子动力势质子动力势 （proton-motive force, P）。 v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。电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP 高能磷酸键。 氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程，即有

11、机分子中储藏 的能量高能电子质子动力势ATP 细胞能量转换线粒体和叶绿体12 叶绿体(Chloroplast)的形态结构 叶绿体的功能光合作用(photosynthesis) 细胞能量转换线粒体和叶绿体13 形态、数目： v在高等植物中叶绿体象双凸或平凸透镜，叶肉细胞一般含50200个 叶绿体，可占细胞质的40%，叶绿体的数目因物种细胞类型，生态环 境，生理状态而有所不同。 叶绿体与线粒体形态结构比较 叶绿体超微结构 细胞能量转换线粒体和叶绿体14 外被（外被（chloroplast envelope） l叶绿体外被由双层膜组成，膜间为1020nm的膜间隙。外膜的渗透性大，如核苷、 无机磷、蔗

12、糖等许多细胞质中的营养分子可自由进入膜间隙。 l内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O、磷酸甘油酸、丙糖磷酸， 双羧酸和双羧酸氨基酸可以透过内膜，ADP、ATP已糖磷酸，葡萄糖及果糖等透 过内膜较慢。蔗糖，NADP+及焦磷酸等不能透过内膜，需要特殊的转运体 translator）才能通过内膜。 类囊体（类囊体（thylakoid） l是单层膜围成的扁平小囊，沿叶绿体的长轴平行排列。膜上含有光合色素和电子 传递链组分，又称光合膜光合膜。 l许多类囊体象圆盘一样叠在一起，称为基粒基粒，组成基粒的类囊体，叫做基粒类囊 体，构成内膜系统的基粒片层（基粒片层（grana lamella）

13、。基粒由10100个类囊体组成。 l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称为基质类囊体，它们 形成了内膜系统的基质片层（stroma lamella）。 l类囊体膜的内在蛋白主要有细胞色素b6/f复合体、质体醌（PQ）、质体蓝素 （PC）、铁氧化还原蛋白、黄素蛋白、光系统、光系统复合物等。 基质（基质（stroma） l主要成分包括：碳同化相关的酶类（如RuBP羧化酶占基质可溶性蛋白总量的 60%）、叶绿体DNA、蛋白质合成体系：如，ctDNA、各类RNA、核糖体等。一 些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。 细胞能量转换线粒体和叶绿体15 光合作用：光合作用：绿色植物利

14、用体内的叶绿素吸收光能，把二氧 化碳和水转化为有机物，并释放氧气的过程称为光合作用。 Photosynthesis: v(1)光合电子传递反应光反应(Light Reaction) v(2)碳固定反应暗反应(Dark Reaction) 光合色素和电子传递链组分光合色素和电子传递链组分 光反应 暗反应(碳固定) 细胞能量转换线粒体和叶绿体16 1光合色素光合色素 v类囊体中含两类色素：叶绿素和类胡萝卜素，全部叶绿素和几乎所有的类 胡萝卜素都包埋在类囊体膜中，与蛋白质以非共价键结合。 2集光复合体（集光复合体（light harvesting complex） v由大约200个叶绿素分子和一些肽

15、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。 3光系统光系统（PS） v吸收高峰为波长680nm处，又称P680。至少包括12条多肽链。包括一个集光复合 体（light-hawesting comnplex ，LHC ）、一个反应中心和一个含锰原子的 放氧的复合体（oxygen evolving complex）。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细胞色素细胞色素b6/f复合体复合体(cyt b6/f complex) v可能以二聚

16、体形成存在，每个单体含有四个不同的亚基。细胞色素b6（b563）、细 胞色素f、铁硫蛋白、以及亚基（被认为是质体醌的结合蛋白）。 5光系统光系统（PSI） v能被波长700nm的光激发，又称P700。包含多条肽链。由集光复合体和作用中 心构成。结合100个左右叶绿素分子、除了几个特殊的叶绿素为中心色素外外，其 它叶绿素都是天线色素。三种电子载体分别为A0（一个chla分子)、A1(为维生素K1) 及3个不同的4Fe-4S。 细胞能量转换线粒体和叶绿体17 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，水光解，并将光能转换为电能（生成高能电子），进而通过 电子传递与

17、光合磷酸化将电能转换为活跃化学能， 形成ATP和NADPH 并放出 O2 的过程。包括原初反应、电子传递和光合磷酸化。 原初反应（原初反应（primary reaction)primary reaction) v原初反应原初反应是指叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反应为止 的过程，包括光能的吸收、传递与转换，即光能被捕光色素分子吸 收并传递至反应中心，在反应中心发生最初的光化学反应，使电荷 分离从而将光能转换为电能的过程。 v光能的吸收、传递与转换，形成高能电子 电子传递电子传递 光合磷酸化光合磷酸化 细胞能量转换线粒体和叶绿体18 电子传递与光合磷酸化需说明以下几点电子传递与光合磷酸化

18、需说明以下几点： v最初电子供体是H2O，最终电子受体是NADP+。 v电子传递链中唯一的H+-pump是cytb6f复合物。类囊体腔的质 子浓度比叶绿体基质高，该浓度梯度产生的原因归于： l H2O光解、cytb6f 的H+-pump、NADPH的形成。 l ATP、NADPH在叶绿体基质中形成。 v 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。循环式传递的高能电子在PS 被光能激发后经cytb6f复合物回到PS。结果是不裂解H2O、 产生O2，不形成NADPH，只产生H+跨膜梯度，合成ATP 。 光合磷酸化的概念光合磷酸化的概念 细胞能量转换线粒体和叶绿

19、体19 P680接受能量后，由基态变为激发态（P680*），然后将电子传递给去镁 叶绿素（原初电子受体），P680*带正电荷，从原初电子供体Z（反应中心 D1蛋白上的一个酪氨酸侧链）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D2上结合的QA，QA又迅速将电子 传给D1上的QB，还原型的质体醌从光系统复合体上游离下来，另一个氧 化态的质体醌占据其位置形成新的QB。质体醌将电子传给细胞色素b6/f复合 体，同时将质子由基质转移到类囊体腔。电子接着传递给位于类囊体腔一 侧的含铜蛋白质体蓝素(plastocyanin

20、, PC)中的Cu2+，再将电子传递到光系 统。 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 （ferredoxin,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。失去电子的P700从PC处获取电子而还原。 细胞能量转换线粒体和叶绿体20 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（Calvin cycle）（C3途径）：碳同化

21、最重要最 基本的途径。 v羧化阶段 v还原阶段 vRuBP再生阶段 C4途径或 Hatch-Slack循环 景天科酸代谢途径 细胞能量转换线粒体和叶绿体21 半自主性细胞器的概念： v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的蛋白质合成 v线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限 v参加叶绿体组成的蛋白质来源有种情况： l由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成； l由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成；

22、 l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和叶绿体蛋白质的运送与组装 v线粒体蛋白质的运送与组装 l定位于线粒体基质的蛋白质的运送 l定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送 v叶绿体蛋白质的运送及组装 细胞能量转换线粒体和叶绿体22 mtDNA /ctDNA形状、数量、大小 v双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA) vmtDNA大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大， 高等植物，120kbp200kbp； v人mtDNA：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，cyt b-c

23、1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) 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。 复制仍受核控制。 细胞能量转换线粒体和叶绿体23 线粒体和叶绿体的增殖 v线粒体的增殖：由原来的线粒体分裂或出芽而来。 v叶绿体的发育和增殖 l个体发育：由前质体（proplastid）分化而来。 l增殖：分裂增殖 线粒体和叶绿体的起源 细胞能量转换线粒体和叶绿体24 内共生起源学说（内共生起源学说（endosymbiosis hypothesis)endosymbiosis hypothesis) v叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻：ereschkowsky，1905 年 vMargulis，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。 非共生起源学说非共生起源学说 v主要内容：真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好 氧细菌。 v成功之处：解释了真核细胞核被膜的形成与演化的渐进 过程。 细胞能量转换线粒体和叶绿体25 细胞能量转换线粒体和叶绿体26 细胞能量转换线粒体和叶绿体27 细胞能量转换线粒体和叶绿体28 细胞能量转换线粒体