细胞分子生物学89PPT学习教案

1、会计学1第七章 细胞的能量转换线粒体和叶绿体第一节 线粒体与氧化磷酸化一、结构二、线粒体的功能三、线粒体与疾病第二节 叶绿体与光合作用一、形态与结构二、光合磷酸化作用机理第1页/共72页第一节 线粒体与氧化磷酸化第2页/共72页Transport of electrons from NADHTransport of electrons from FADH2两条呼吸链鱼藤酮、阿米妥抗霉素ACN、CO第3页/共72页 线粒体氧化磷酸化第一节 线粒体与氧化磷酸化氧化还原的本质是电子的转移。氢原子的转移其本质也是电子转移,H原子可分解为H+和e- 。氧化磷酸化:当电子从NADH或FADH2传递给氧形成

2、水时,同时伴有ADP磷酸化形成ATP的过程即为氧化磷酸化。NADH 呼吸链生成ATP的3个部位: (1) NADH 至辅酶Q; (2)细胞色素b至细胞色素c;(3)细胞色素aa3至氧之间。第4页/共72页 氧化磷酸化的偶联机制 化学渗透假说第一节 线粒体与氧化磷酸化第5页/共72页 III ATP合酶（ATP synthetase）第一节 线粒体与氧化磷酸化是生物体能量转换的核心酶。分别位于线粒体内膜,类囊体膜或质膜上,参与氧化磷酸化和光合磷酸化,在跨膜质子动力势的作用下催化合成ATP。ATP合成酶是线粒体氧化磷酸化和叶绿体光合磷酸化偶联的关键装置,也是合成能源物质ATP的关键装置。 第6页/

3、共72页 III ATP合酶（ATP synthetase）第一节 线粒体与氧化磷酸化状如蘑菇，属F型质子泵。 分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部）。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）。第7页/共72页 III ATP合酶（ATP synthetase）第一节 线粒体与氧化磷酸化F0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，有质子通道。 F0的一个亚基可结合寡霉素,通过该亚基可调节通过F0的H+流,如当质子动力势很小时,它可防止ATP水解;又可保护自身和抵抗外界环境变化。第8页/共72页 ATP合酶的作用机制

4、第一节 线粒体与氧化磷酸化1979年代Boyer P提出构象耦联假说:其要点1ATP酶利用质子动力势，发生构象改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。2F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同（L、T、O），与核苷酸的亲和力不同。3质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基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。第9页/共72页第10页/共72页 （二）、氧化磷酸化抑制剂第一节 线粒体与氧化磷酸化1电子传递抑制剂抑制NADHCoQ的电子传递。阿米妥、鱼藤

5、酮。抑制复合物III:抗霉素A 。抑制复合物IV: 如：CO、CN、NaN3、H2S。电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序，当呼吸链某一特定部位被抑制后，底物一侧均为还原状态，氧一侧均为氧化态，可用分光光度计检测。第11页/共72页 （二）、氧化磷酸化抑制剂第一节 线粒体与氧化磷酸化2磷酸化抑制剂 与F0结合结合，阻断H+通道。如：寡霉素。3解偶联剂（uncoupler）解偶联蛋白(uncoupling proteins, UCPs)：位于动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体，与维持体温有关。质子载体： 质子通道：增温素（thermogenin）。其它离子载体：如缬氨霉素。某些药物：如过量的

6、阿斯匹林。第12页/共72页 三、线粒体与疾病第一节 线粒体与氧化磷酸化1线粒体与人的疾病,衰老和细胞调亡有关。2硒对线粒体膜有稳定作用,患者缺硒而导致心肌线粒体出现膨胀,嵴稀少和不完整;琥珀酸脱氢酶,细胞色素氧化酶和ATP合成酶活性及其对寡霉素的敏感性都有明显降低;膜电位下降,膜流动性减低;对电子传递和氧化磷酸化偶联均有明显影响.3.克山病就是一种心肌线粒体病.患者线粒体硒含量明显降低.第13页/共72页 第二节 叶绿体与光合作用绿色植物通过叶绿体（Chloroplast）完成能量转换，利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同时产生氧。绿色植物年产干物质达1014公斤。光合作用是地球上有机体生存

7、和发展的根本源泉。第14页/共72页叶脉叶绿体叶肉细胞气孔叶绿体结构叶绿体基粒基质类囊体类囊体间隙 内膜间隙 内膜 外膜 基粒基质叶肉第15页/共72页 一、叶绿体形态与结构第二节 叶绿体与光合作用 植物细胞与动物细胞的一个重要差别,是它具有自己独特的质体细胞器。 质体分为:叶绿体,有色体和白色体。第16页/共72页 一、叶绿体形态与结构第二节 叶绿体与光合作用 1.形态:象双凸或平凸透镜，长径5-10um，短径2-4um，厚2-3um。叶肉细胞一般含50-200个叶绿体，占细胞质的40%。 2.结构:由叶绿体膜或称叶绿体被膜（chloroplast membrane）、类囊体（thylako

8、id）和基质（stroma）3部分组成。含有3种不同的膜：外膜、内膜、类囊体膜，3种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔。第17页/共72页Chloroplast质膜类囊体膜基质基粒叶绿体膜淀粉粒第18页/共72页 (一)、叶绿体膜或称叶绿体被膜第二节 叶绿体与光合作用双层单位膜组成，每层膜厚约6-8 nm,膜间为10-20nm的间隙。外膜的渗透性大。内膜对通过物质的选择性很强，是细胞质和叶绿体基质间的功能屏障.CO2、O2、Pi、H2O、等可以透过内膜，ADP、ATP、 NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（translator）才能通过内膜。第19页/共72页 (二)

9、、 类囊体第二节 叶绿体与光合作用类囊体：是膜围成的扁平囊。主要成分是蛋白质和脂类（60/40），不饱含脂肪酸含量高（约87%），膜流动性高。基粒：扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含40-60个。基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。类囊体膜上颗粒组分:捕光色素(天线色素),两个光反应中心,各种电子载体,合成ATP的系统和从水中抽取电子的系统等.膜的内在蛋白主要有：细胞色素b6f复合体、集光复合体（LHC）、质体醌（PQ）、质体蓝素（PC）、铁氧化还原蛋白（FD）、黄素蛋白、光系统I、II复合物等。第20页/共72页膜的内在蛋白基粒类囊体末端基粒膜 分隔ATP合成酶PIPII细胞色素bf类囊体膜

10、的图解第21页/共72页 (三)、 基质第二节 叶绿体与光合作用是内膜与类囊体之间的空间。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，cpDNA、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。第22页/共72页 二、叶绿体的主要功能光合作用第二节 叶绿体与光合作用 基本概念1.光合作用(photosynthesis):绿色植物叶肉细胞的叶绿体吸收光能,利用水和二氧化碳合成糖类等有机化合物,同时放出氧的过程。2.光合作用的过程:原初反应;电子传递和光合磷酸化; 碳同化。第23页/共72页 二、叶绿体的主要

11、功能光合作用第二节 叶绿体与光合作用 基本概念3.光反应:包括原初反应;电子传递和光合磷酸化两步.它是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,并将光能转变为电能,进而转换为活跃的化学能,形成ATP和NADPH的过程.4.暗反应:在叶绿体基质中进行的不需光(也可在光下)的酶促化学反应,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.第24页/共72页 (一)、光合磷酸化第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用首先光能转化成电能，经电子传递产生ATP以及NADPH形式的不稳定化学

12、能，最终转化成稳定的化学能储存在糖类化合物中。分为光反应和暗反应，前者需要光，涉及水的光解和光合磷酸化。后者不需要光，涉及CO2的固定，分为C3和C4两类。第25页/共72页 (一)、光合磷酸化第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用分成两大阶段:I.原初反应。II.电子传递。III.光合磷酸化。IV.光合碳同化。光反应暗反应第26页/共72页 I.原初反应和光合系统第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用1原初反应: 就是捕获吸收光能并形成高能电子的反应。 具体而言,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

13、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.。第27页/共72页 I.原初反应和光合系统第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用2光合系统: 2.1 吸收光能的主要分子是叶绿素(a和b)。另一类色素分子是类胡萝卜素(胡萝卜素和叶黄素) 。 2.2 色素分子按其作用可分为两类:一类是捕光色素或称天线色素;另一类属反应中心色素。第28页/共72页 I.原初反应和光合系统第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用2光合系统: 2.3捕光色素: 全部叶绿素b和大部分叶绿素a、胡萝卜素及叶黄素组成。 这类色素只具有吸收聚集光

14、能和传递激发能给反应中心的作用,而无光化学活性,故又称为天线色素.第29页/共72页 I.原初反应和光合系统第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用2光合系统: 2.4 反应中心色素: 由一种特殊状态的叶绿素a分子组成。 吸收峰为700nm者称为P700,为光合系统I(PSI)的中心色素。 吸收峰为680nm者称为P680,为光合系统II(PSII)的中心色素。 既是光能的捕捉器,又是光能的转换器,具有光化学活性,可将光能转换为电能。 反应中心色素的最大特点是:在直接吸收光量子或从其他色素分子传递来的激发能被激发后,产生电荷分离和能量转换。第30页/共72页 I.原初反应和光合系

15、统第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用2光合系统: 2.5 光反应中心: 由一个中心色素分子Chl和一个原初电子供体及一个原初电子受A组成。 2.6 光合作用单位: 捕光色素及反应中心构成,是进行光合作用的最小结构单位。第31页/共72页 光量子捕光色素Chl*Chl+ChlA-ADD+e-NADP+NADPHH2O1/2O2激发能传递色素系统e-反应中心光合作用原初反应的能量吸收,传递与转换图解共振方式第32页/共72页 II.电子传递和光合磷酸化第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用v一对电子从P680经P700传至NADP+，在类囊体腔中增加4个H+。2

16、个来源于H2O光解，2个由PQ从基质转移而来，在基质中一个H+又被用于还原NADP+，所以类囊体腔内有较高的H+（pH5，基质pH8），形成质子动力势。vH+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。第33页/共72页Electron transport in the thylakoid membrane类囊体腔 基质第34页/共72页两个光系统的协调作用第35页/共72页 II.电子传递和光合磷酸化第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用光合磷酸化类型: 按照电子传递链的方式分为: 非循环式和循环式

17、第36页/共72页 II.电子传递和光合磷酸化第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用非循环式光合磷酸化: 定义:PSII接受红光后,激发态P680*从水光解得到电子传递给NADP+,电子传递经过两个光系统,在传递过程中产生H+梯度驱动APT的形成。在这个过程中,电子传递是一个开放的通道。 光合磷酸化部位:H2O和PQ之间, PQ 和Cytbf之间。 产物: ATP, NADPH 和 O2。第37页/共72页 II.电子传递和光合磷酸化第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用循环式光合磷酸化: 定义:PSI接受远红光后,产生的电子经A0、 A1 、 FeS和Fd,又

18、传给 Cytbf 和 PC 而流回到 PSI。电子循环流动,产生H+梯度,从而驱动ATP的形成。这种电子的传递是一个闭合的回路。 光合磷酸化部位:PQ 和Cytbf之间。 产物: ATP。第38页/共72页非循环式光合磷酸化第39页/共72页循环式光合磷酸化第40页/共72页第41页/共72页第七章 细胞的能量转换线粒体和叶绿体的半自主性 Where from ?第八章 细胞的能量转换线粒体和叶绿体的半自主性第一节 DNA与蛋白质一、线粒体和叶绿体的DNA二、线粒体和叶绿体的蛋白质第二节 增殖与起源一、线粒体和叶绿体的增殖二、线粒体和叶绿体的起源第42页/共72页第一节 线粒体与叶绿体的DNA

19、与蛋白质 一、 DNA: 形状: 双链环形。 复制:均可自我复制,其复制是以半保留方式进行的.但它们的复制仍受核的控制,复制所需的DNA聚和酶是由核DNA编码,在细胞质核糖体上合成的.第43页/共72页第44页/共72页第一节 线粒体与叶绿体的DNA与蛋白质 二、 蛋白质合成: 线粒体和叶绿体合成的蛋白质种类非常有限。 组成线粒体各部分的蛋白质,绝大多数都是由核DNA编码并在细胞质核糖体上合成后再运送到线粒体各自的功能位点上。 参加叶绿体组成的蛋白质来源有3种: 由cpDNA编码,在叶绿体核糖体上合成: 23S,16S,4.5S,5S,30或31种tRNA,约90种多肽; 由核DNA编码,在细

20、胞质核糖体上合成; 由核DNA编码,在叶绿体核糖体上合成。第45页/共72页第一节 线粒体与叶绿体的DNA与蛋白质 二、 蛋白质的运送与装配: （一）、线粒体的蛋白质的运送与装配:线粒体前体蛋白质在在运输以前，以未折叠的形式存在，N端有一段信号序列称为导肽或引肽，完成转运后被信号肽酶（signal peptidase）切除，就成为成熟蛋白，这种现象就叫做后转译（posttranslation）。信号肽的特点是：多位于肽链的N端，由大约20个氨基酸构成； 形成一个两性螺旋，带正电荷的氨基酸残基和不带电荷的疏水氨基酸残基分别位于螺旋的两侧；对所牵引的蛋白质没有特异性要求。第46页/共72页Mito

21、chondrialer Import第47页/共72页第一节 线粒体与叶绿体的DNA与蛋白质 线粒体内、外膜之间存在着接触点，信号肽牵引蛋白质前体运送时，可通过内外膜的接触点，一步进入基质。 蛋白质的转运涉及转位因子（translocator）等多种蛋白。第48页/共72页mitochondrial protein import machinery.第49页/共72页 蛋白质的输入是一个耗能过程。1.在线粒体外解除与前体蛋白质结合的分子伴娘，需要通过水解ATP获得能量。2.在通过线粒体内膜转运复合体时利用质子动力势作为动力。3.前体蛋白进入线粒体基质后，线粒体hsp70一个接一个的结合在蛋白质

22、线性分子上，像齿轮一样将蛋白质“铰进（hand over hand）”基质，这一过程也需要消耗ATP。然后线粒体hsp70将蛋白质交给hsp60，完成折叠。第50页/共72页（二）、叶绿体的蛋白质转运叶绿体蛋白转运运输机理与线粒体的相似。 如：都发生后转译；每一种膜上有特定的转位因子；具有接触点（contact site）；需要能量，同样利用ATP和质子动力势；前体蛋白N端有信号序列，使用后被信号肽酶切除。但两者的蛋白质转运体系中除了某些hsp分子相同外，转位因子复合体是不同的。第51页/共72页Translocation of proteins into chloroplasts第52页/共

23、72页第二节 线粒体与叶绿体的增殖与起源 一、 线粒体与叶绿体的增殖: （一）、 线粒体的增殖第53页/共72页（一）、线粒体的增殖线粒体来源于已有的线粒体的分裂。1. 间壁分离：分裂时先由内膜向中心皱褶，将 线粒体分为两个，常见于鼠肝和植物分生组织 中。2. 收缩后分离：通过中部缢缩分裂为两个，常见于蕨类和酵母中。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54页/共72页1.线粒体分裂2.狗心肌细胞线粒体3.新生鼠肝细胞线粒体213第55页/共72页（二）、叶绿体的增殖在个体发育中叶绿体由原质体发育而来。在有光条件下原质体的小泡数目增加并融合形成片层，发育为

24、基粒，形成叶绿体。在黑暗生长时，原质体小泡融合速度减慢，并转变为排列成网格的三维晶格结构，称为原片层，这种质体称为黄色体。在有光下仍可发育为叶绿体。幼小叶绿体能靠分裂而增殖。成熟叶绿体一般不再分裂或很少分裂。 第56页/共72页第57页/共72页第二节 线粒体与叶绿体的增殖与起源 一、 线粒体与叶绿体的起源: （一）、 内共生起源学说 （二）、 非共生起源学说第58页/共72页第59页/共72页1781年 Trontana发现于鱼类细胞；1831年，Brown发现于植物。大小：植物1-4m，动物10m。常以核质比来估算核的大小。正常细胞NP0.5，分裂期细胞 NP 0.5，衰老细胞 NP 0.5。第60页/共72页形状：圆形，胚乳细胞(网状）蝶类丝腺细胞(分支状)。位置：细胞中央 ，成熟植物细胞的边缘。数目：通常一个，成熟的筛管和红细胞（0）、肝细胞、心肌细胞(1-2）、破骨细胞(6-50）、骨骼肌细胞(数百）、植物毡绒层细胞(2-4)。结构：核被膜、核仁、核基质、染色质、核纤层。功能：遗传