第六章线粒体和叶绿体

1、第六章第六章 细胞的能量转换细胞的能量转换 线粒体和叶绿体线粒体和叶绿体 合成生物大分子（合成生物大分子（DNA，RNA，蛋白质，多糖）；合成，蛋白质，多糖）；合成其它细胞成分（如膜磷脂和一些代谢物）；细胞运动，包括肌其它细胞成分（如膜磷脂和一些代谢物）；细胞运动，包括肌肉收缩，整个细胞爬行和染色体在有丝分裂时的运动；分子主肉收缩，整个细胞爬行和染色体在有丝分裂时的运动；分子主动运输；产生膜电势能；产热等。动运输；产生膜电势能；产热等。 在绝大多数的异养生物和自养生物的不见光部分，在绝大多数的异养生物和自养生物的不见光部分，ATP绝大多数都来自线粒体，为细胞生命活动提供能量。绝大多数都来自线粒

2、体，为细胞生命活动提供能量。第一节 线粒体与氧化磷酸化线状颗粒状光镜下形态光镜下形态大小大小直径约0.51um故名线粒线粒体一、一、 线粒体的形态结构线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构（一）线粒体的形态、大小、数量和分布（一）线粒体的形态、大小、数量和分布短棒状或小球状电镜下的形态电镜下的形态形态多变性：线状 粒状（胝渗膨胀） 粒状 线状（高渗伸长） 短 长（生长）图示 渗透压变动引起线粒体形状和大小的改变 数目多变性：数目多变性： 不同细胞中数目不同，约不同细胞中数目不同，约1-501-50万个不等。万个不等。 一般代谢旺盛细胞中线粒体多，反之则少；一般代谢旺盛细胞中线

3、粒体多，反之则少；在细胞内线粒体多分布在功能旺盛的区域，如细胞分裂器周围多。心肌细胞活跃，其中线粒体多。精细胞中线粒体相对较少。线粒体从细胞的立体结构看线粒体的形态：囊状小体囊状小体 线粒体在细胞内的分布一般是不均匀的，根据细胞线粒体在细胞内的分布一般是不均匀的，根据细胞代谢需要，线粒体可在细胞质中运动变形和分裂增殖。代谢需要，线粒体可在细胞质中运动变形和分裂增殖。Relationship between mitochondria and microtubules线粒体在细胞质中迁移时，往往与微管有关线粒体在细胞质中迁移时，往往与微管有关（二）（二） 线粒体的超微结构（两膜两室）线粒体的超微结

4、构（两膜两室）A three-dimensional diagram of a mitochondrion cut longitudinally膜间隙膜间隙基质基质外膜外膜内膜内膜嵴嵴线粒体的超微结构线粒体的超微结构外膜外膜(outer membrane(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性较高。外膜的标志酶是单胺氧化酶单胺氧化酶。内膜（内膜（inner membraneinner membrane）：富含心磷脂，高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristae），含有与能量转换相关的蛋白。内膜的标志酶是细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶。膜间隙（膜间隙（intermembra

5、ne spaceintermembrane space）：含许多可溶性酶、 底物及辅助因子。膜间隙的标志酶是腺苷酸激酶腺苷酸激酶。 基质（基质（matrix）：含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA, RNA，核糖体。标志酶为苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶。孔蛋白外膜外膜基质基质（内腔）基粒基粒内膜内膜嵴嵴膜间腔（外腔）膜间腔（外腔）外外) 内腔（与基质相通）内腔（与基质相通）嵴的形态多样嵴的形态多样羽冠型 网膜型 绒毛型 平行型 同心园型嵴的作用是扩大内膜的面积；使基质区域化。示嵴的各种形态基粒的结构基粒的结构头部（ATP酶复合体）柄部基片ADP+PiATP 头部（头部（ATP酶复

6、合体）酶复合体）基粒基粒 柄部柄部 基片（插入膜中）基片（插入膜中）基粒是氧化磷酸化的结构部位，其化学本质是F0F1ATP合成酶二、二、 线粒体的化学组成及酶系定位线粒体的化学组成及酶系定位（一）（一） 线粒体的化学组成线粒体的化学组成蛋白质(线粒体干重的6570)脂类(线粒体干重的2530)：磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是 心磷脂。线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1（内膜）；1:1（外膜）（二）（二） 线粒体的酶的定位线粒体的酶的定位三、线粒体的功能三、线粒体的功能（一）线粒体中的氧化代谢（一）线粒体中的氧化代谢细胞内合成细胞内合成ATP有两种方式：有两种方式： 1）底物

7、水平磷酸化）底物水平磷酸化把某分子上的磷酸基通过磷酸转移酶转移到把某分子上的磷酸基通过磷酸转移酶转移到ADP上。上。 2-磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸激酶2） 通过通过ATP合成酶利用合成酶利用“”为直为直接能量把接能量把ADP和无机磷一起合成和无机磷一起合成ATP。根据能。根据能量来源不同分为量来源不同分为和和。 线粒体的功能主要是进行氧化磷酸化，线粒体的功能主要是进行氧化磷酸化，合成合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量。，为细胞生命活动提供直接能量。线粒体是糖、脂肪、和氨基酸最终氧化释能线粒体是糖、脂肪、和氨基酸最终氧化释能的场所。的场所。（二）（二） 电子传递链与电子传递电子传递链与电子传递

8、 在线粒体内膜上存在的一组酶的复合体，在线粒体内膜上存在的一组酶的复合体，由一系列能可逆地接受和释放电子或由一系列能可逆地接受和释放电子或H+的化的化学物质所组成，它们在内膜上相互关联地有序学物质所组成，它们在内膜上相互关联地有序排列成传递链，称为电子传递链排列成传递链，称为电子传递链（electron transport chain)或呼吸链或呼吸链(respiratory chain) 。 电子通过呼吸链的流动，称为电子传递。电子通过呼吸链的流动，称为电子传递。1.电子载体电子载体 在电子传递过程中，与释放的电子结合并将电子传递下去的化合物称为电子载体。黄素蛋白（以FMN或FAD为辅基）细

9、胞色素类（a、a3、b、c、c1等）辅酶Q类（Q、QH2、QH）铁硫蛋白（铁硫中心，FeS）铜原子黄素蛋白：含黄素蛋白：含FMN或或FAD的蛋白，可接受的蛋白，可接受2个电子个电子2个质子。个质子。 相关的脱氢酶类主要有：相关的脱氢酶类主要有：以以FMN为辅基的为辅基的NADH脱氢酶。脱氢酶。 以以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。为辅基的琥珀酸脱氢酶。细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通通Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细类，即：细胞色素胞色素a、a3、b、c、c1，其中，其中

10、a、a3含有铜原子。含有铜原子。辅酶辅酶Q：是脂溶性小分子量醌类化合物，通过氧化和还原传递：是脂溶性小分子量醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有电子。有3种氧化还原形式，即：氧化型醌种氧化还原形式，即：氧化型醌Q，还原型氢醌，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。）。 铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，个硫原子结合，通过通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有互变进行电子传递，有2Fe-2S和和4Fe-4S两两种类型种类型。 在aa3分子中，除含血红素铁外，尚含有2个铜原子，依靠其化合价的

11、变化，把电子从a3传递到氧。酶酶复复合合物物 分分子子量量 亚亚基基数数 辅辅基基 ，NADH-CoQ 还还原原酶酶 85,000 25 FMN 6 FeS ，琥琥珀珀酸酸-CoQ 还还原原酶酶 140,000 4 FAD 2FeS Heme b ，CoQ-细细胞胞色色素素 c 还还原原酶酶 250,000 10 Heme b562 Heme b566 Heme c1 FeS ，细细胞胞色色素素 c 氧氧化化酶酶 160,000 6-13 Heme a Heme a3 Cua Cub 细细胞胞色色素素 c 13,000 1 Heme c 以上各种电子或质子传递体除CoQ外都是与蛋白质组成复合物

12、，这些复合物除了细胞色素外都包埋在线粒体内膜中。 呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列。 处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物。辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。2.电子载体排列顺序电子载体排列顺序实验证明，呼吸链各组分有严格的排列顺序和方向3.电子转运复合物电子转运复合物复合物复合物I：NADH脱氢酶。 组成：42条肽链组成，呈L型，含一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在。 作用：催化NADH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）。 NADHFMNFe-SQ NADH + 5H+M + QNAD+ + QH2

13、 + 4H+C复合物复合物II：琥珀酸脱氢酶 组成：至少由4条肽链，含有一个FAD，2个铁硫蛋白。 作用：催化琥珀酸的低能量电子转至辅酶Q，但不转移质子。 琥珀酸FADFe-SQ。 琥珀酸+Q延胡索酸+QH2 复合物复合物III：细胞色素c还原酶。 组成：至少11条不同肽链，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个铁硫蛋白和一个细胞色素c1 。 作用：催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。（2个来自UQ，2个来自基质） 2还原态cyt c1 + QH2 + 2 H+M2氧化态cyt c1 + Q+ 4H+C 复合物

14、的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关 复合物复合物IV：细胞色素c氧化酶 组成：为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚单位。 作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧形成水，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。（2 H+泵出， 2 H+ 参与形成水） cyt cCuAheme aa3- CuBO2 4还原态cyt c + 8 H+M + O24氧化态cyt c + 4H+C + 2H2O 由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。 由复合物II、III、IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。 对应于每个复合物，大约需要3个复合物，7个复合物，任何两个复合物

15、之间没有稳定的连接结构，而是由辅酶Q和细胞色素c这样的可扩散性分子连接。 两条主要的呼吸链两条主要的呼吸链Transport of electrons from NADHTransport of electrons from FADH2两条呼吸链两条呼吸链鱼藤酮、阿米妥抗霉素ACN、CO在电子传递过程中，有几点需要说明在电子传递过程中，有几点需要说明 四种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素(含血红素辅基)、铁硫蛋白、辅酶Q。前三种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性醌。 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。 电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递

16、(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高) 高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物(H+-泵)将H+从基质侧泵到膜间隙， 形成跨线粒体内膜H+梯度(能量转化) 电子传递链各组分在膜上不对称分布 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（C侧），形成质子动力势（ P）。 P=-(2.3RT/F)pH 其中：pH= pH梯度， =电位梯度，T=绝对温度，R=气体常数，F为法拉第常数，当温度为25时P的值为220mV左右。（三）质子转移与质子驱动力的形成（三）质子转移与质子驱动力的形成Chemiosmotic Theory电子通过复合物电子通过复合物III途径的途径的

17、Q循环循环细胞色素氧化酶的结构及电子流经细胞色素氧化酶的结构及电子流经4个氧化还原中心个氧化还原中心线粒体内膜电子传递复合物的排列及电子和质子传递示意图（四）（四）ATP形成机形成机制制 氧化磷酸氧化磷酸化化 1. ATP合酶的结构与组成合酶的结构与组成状如蘑菇，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）。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，具有质子通道。2. 氧化磷酸化作用与电子传递链的耦联氧化磷酸化作用与电子传递链的耦联氧化磷酸化的耦联机制氧化磷酸化的

18、耦联机制化学渗透假说chemiosmotic coupling hypothesis膜电位（）和膜内外H+浓度差（pH）所贮存的电化学梯度自由能总称为质子动力势。3. ATP合成酶的作用机制合成酶的作用机制线粒体与医学线粒体与医学线粒体是一敏感的细胞器,可随细胞代谢状况而发生变化，与医学有密切关系： 疾病诊断和环境因素测定的细胞指标. 缺血-内室浓缩、外室扩大、体积增加、凝集、肿胀 低渗-颗粒化、肿胀 辐射-缺嵴、空化 肿瘤-线粒体数目减少 线粒体异常导致的疾病（主要累积神经、肌肉系统） 如：KSS 综合症：眼肌麻痹、小脑、心脏异常 MELAS 综合症：中风样发作、癫痫、痴呆 LEBER 遗传

19、性视神经精病：视神精坏，中内视力消失 线粒体心肌病：心力衰竭、全身肌无力伴水肿等 帕金森病：震颤性麻痹，痴呆等。 利用呼吸链组分进行疾病治疗： Cytc 治疗CO中毒、缺氧窒息、心肺功能障碍 ATP 治疗体质虚弱 CoQ 治疗牙周病、高血压、肌肉萎缩症 NAD+ 治疗进行性肌萎缩、某些肝病. 毒物和药物可作用于呼吸链引起中毒或治疗作用 一氧化碳中毒（缺氧、呼吸链受阻） 氰化物中毒（分子小、扩散快、与细胞色素氧化 酶结合，阻断电子传递）。第二节第二节 叶绿体与光合作用叶绿体与光合作用一、叶绿体的形状、大小和数目（自学）一、叶绿体的形状、大小和数目（自学）二、叶绿体的结构和化学组成二、叶绿体的结构

20、和化学组成（一）叶绿体膜（一）叶绿体膜（二）类囊体（二）类囊体（thylakoid）（三）基质（三）基质三、叶绿体的主要功能三、叶绿体的主要功能光合作用光合作用 绿色植物叶肉细胞的叶绿体吸收光能，利用水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，同时放出氧气和二氧化碳合成糖类等有机化合物，同时放出氧气的过程称为光合作用（的过程称为光合作用（photosynthesis）。）。 光合作用的过程可分为三大步骤：光合作用的过程可分为三大步骤： 原初反应（原初反应（primary reaction） 电子传递和光合磷酸化电子传递和光合磷酸化 碳同化碳同化、属于光反应（属于光

21、反应（light reaction） 属于暗反应（属于暗反应（dark reaction ）（一）原初反应（一）原初反应 原初反应是指叶原初反应是指叶绿素分子从被光激发绿素分子从被光激发至引起第一个光化学至引起第一个光化学反应为止的过程，包反应为止的过程，包括光能的吸收、传递括光能的吸收、传递与转换，即光能被捕与转换，即光能被捕光色素分子吸收，并光色素分子吸收，并传递至反应中心，在传递至反应中心，在反应中心发生最初级反应中心发生最初级的光化学反应，使电的光化学反应，使电荷分离从而将光能转荷分离从而将光能转换为电能的过程。换为电能的过程。（二）（二） 电子传递和光合磷酸化电子传递和光合磷酸化 非

22、循环式光合磷酸化非循环式光合磷酸化 循循环环式式光光合合磷磷酸酸化化 Electron flow through reaction center of chloroplast PSII(三三) 光合碳同化光合碳同化(自学自学)卡尔文循环卡尔文循环羧化阶段羧化阶段还原阶段还原阶段RuBP再生阶再生阶段段2. C4途径途径3. 景天科酸代谢景天科酸代谢第三节第三节 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一、线粒体和叶绿体的DNAElectron micrograph of an animal mitochondrial DNA molecule caught during the process of DNA replication二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成线粒体：1. mtDNA编码mt中合成2. 核DNA编码细胞质中合成叶绿体：1. ctDNA编码，ct中合成2. 核DNA编码，细胞质中合成3. 核DNA编码， ct中合成三、线粒体和叶绿体的蛋白质的运送与组装a. 是什么信号指引蛋白质进入线粒体是什么信号指引蛋白质进入线粒体b. 蛋白质合成后是折叠状态的，它以什么蛋白质合成后是折叠状态的，它