细胞生物学中文课件6线粒体和叶绿体

1、1第六章第六章 线粒体和叶绿体线粒体和叶绿体第一节第一节 线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化(一一) 线粒体的基本形态及动态特征线粒体的基本形态及动态特征1.1.形态形态2.2.大小大小3.3.分布分布4.4.数量数量2(二) 线粒体的融合与分裂3（二）线粒体融合与分裂的分子生物学基础 线粒体融合蛋白Fzo （Fuzzy Onion (模糊的葱头,果蝇）Mfn (Mitofusin, 哺乳动物细胞) 线粒体分裂蛋白 Dnm 1(dynamin 1, 酵母）， Dlp1(dynamin-like 1, 大鼠） Drp1(dynamin related 1, 线虫和哺乳动物）4（三）线粒体融合与

2、分裂的细胞生物学基础5 外膜外膜 内膜内膜: : 膜间隙膜间隙 基质基质 或内室或内室 二、线粒体的超微结构二、线粒体的超微结构6线粒体的化学组成(一) 线粒体的化学组成 1.蛋白质 2. 脂质 3 RNA 4 DNA7（二）线粒体酶的定位（二）线粒体酶的定位1 亚线粒体颗粒的制备及拆离与重组 19601960年，年，E.RackerE.Racker的氧化磷酸化的重组实验：的氧化磷酸化的重组实验：超声波超声波胰蛋白酶胰蛋白酶或尿素或尿素重组重组亚亚线粒体囊泡线粒体囊泡有电子传递能力有电子传递能力但不能使但不能使ADPADP磷酸化磷酸化具备氧化磷酸化能力具备氧化磷酸化能力8线粒体上酶的分布 部位

3、 标志酶 主要酶 外膜 单胺氧化酶 膜间隙 腺苷酸激酶 内膜 细胞色素氧化酶 电子传递链 ATP合成酶 基质 苹果酸脱氢酶 脂肪酸氧化酶系 三羧 酸循 环酶系（琥珀酸脱氢 酶除外）核酸和蛋白质合成酶系9三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化 （一）三羧酸循环：（一）三羧酸循环： 1. 1. 糖酵解糖酵解 在细胞质中，葡萄糖降解生成丙酮酸。在细胞质中，葡萄糖降解生成丙酮酸。 2. 2. 三羧酸循环三羧酸循环: : 丙酮酸进入线粒体基质丙酮酸进入线粒体基质 在线粒体基质中在线粒体基质中, ,在丙酮脱氢酶体系作用下，丙酮酸进一步分解在丙酮脱氢酶体系作用下，丙酮酸进一步分解为乙酰辅为乙酰辅 酶酶A A。乙酰辅。

4、乙酰辅 酶酶A A进入三羧酸循坏彻进入三羧酸循坏彻底氧化为底氧化为COCO2 2和和H H2 2O O并释放能量。并释放能量。1011( (二二) ) 氧化磷酸化氧化磷酸化1.氧化磷酸化的分子结构基础1.1. 电子传递链( 呼吸链)12线粒体呼吸链的组分复合物复合物复合物细胞色素C复合物辅酶Q13v呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。包括：包括： NADH-QNADH-Q还原酶、琥珀酸还原酶、琥珀酸-Q-Q还原酶、还原酶、细胞色素还细胞色素还原酶原酶、细胞色素氧化酶。、细胞色素氧化酶。NADHNADHNADH-QNADH-Q还原酶还原酶Q细胞色素

5、细胞色素还原酶还原酶细胞细胞色素色素C C细胞色素细胞色素氧化酶氧化酶O2琥珀酸琥珀酸-Q-Q还原酶还原酶FADH2FADH214电子传递链15血红素16铁硫蛋白171819*2.5ATP per NADH*1.5ATP per FADHLehninger 20 近来许多试验表明NADH传出电子时，其P/O ratio 为2.5. 10除以4 6除以4 NADH 每传递一对电子至氧要pump out 出膜外的质子数量有10个，而FADH则有6各。而要驱动一个ATP产生所需的质子数，最广为接受的试验数据为4个。21电子传递的方向电子传递.gif221.2 ATP合成酶的分子结构与组成分布组成:

6、F1(偶联因子F1) F0(偶联因子F0)231.3 1.3 电子传递和氧化磷酸化的偶联电子传递和氧化磷酸化的偶联 氧化磷酸化：氧化磷酸化： NADHNADH和和FADHFADH2 2是两种还原性的电子载体，是两种还原性的电子载体，它们所携带的电子经呼吸链传给氧时它们所携带的电子经呼吸链传给氧时, , 伴有伴有ADPADP磷酸化形成磷酸化形成ATPATP。 ADP+Pi ATPADP+Pi ATP 24(二) 氧化磷酸化的偶联机制（1）电子传递链在线粒体内膜呈不对称分布。有些组分不仅可以传递电子，而且可以起质子泵的作用。（2）当电子在内膜中迂回传递时所释放的能量将质子从内膜的基质侧泵至膜间隙，

7、从而使膜间隙的质子浓度高于基质，因而在内膜两侧形成pH梯度和电位差。（3）在这个梯度的驱动下，质子穿过内膜上的ATP合成酶流回基质，其能量促使ADP和Pi合成ATP。1 化学渗透假说主要内容： :Peter Mitchell 25( 三) ATP合成酶的作用机制1分子结构26( 三) ATP合成酶的作用机制旋转催化机制ATP 合成机制.mov2728四、线粒体与疾病 克山病：缺硒，线粒体膜不稳定。 脑坏死 心肌病 肿瘤 不育 帕金森综合征29五、线粒体蛋白质的合成与运输( 一) 合成 导肽： 由核DNA编码的构成线粒体的蛋白质前体的N末端含有识别线粒体膜上特异受体，指导蛋白质在线粒体中定位的一

8、段氨基酸序列，称为导肽。 其特点是： （1）含丰富的带正电荷的氨基酸；（2）羟基氨基酸含量也高；（3）几乎不含带负电荷的氨基酸；（4）可形成双亲性的螺旋结构。30( 二) 运 输31 六、线粒体的增殖与起源六、线粒体的增殖与起源 (一) 线粒体的增殖32 ( (二二) ) 线粒体的起源线粒体的起源1内共生假说：内共生假说：观点：吞噬性真核细胞祖先观点：吞噬性真核细胞祖先 一种好氧的革兰氏阴性细菌一种好氧的革兰氏阴性细菌证据： 线粒体大小，DNA的特点、蛋白质合成系统、增殖方式以及内外膜的差异。2 内分化假说内分化假说观点：原核细胞基因组复制但细胞不一定分裂，观点：原核细胞基因组复制但细胞不一定

9、分裂， 质膜内陷与包裹质膜内陷与包裹 证据： 质膜内陷，基因组扩大与丢失。33七、线粒体与细胞凋亡细胞色素C线粒体其他凋亡相关因子34八 、线粒体的半自主性（一）自主性的证据 1 mt DNA结构特点复制： 方式 周期 2 RNARNA的类型RNA聚合酶遗传密码子 3 蛋白质合成核糖体转录与翻译的时间和部位起始氨酰tRNA对抑制剂的敏感性35( 二) 自主性的局限性1. 基因组小 362. 2. 合成的蛋白质种类少合成的蛋白质种类少线粒体中合成的多肽主要有细胞色素线粒体中合成的多肽主要有细胞色素C C氧化酶氧化酶3 3个个亚基。亚基。ATPATP合成酶中合成酶中F F0 0的两个亚基的两个亚基

10、NADHNADHC CO OQ Q还还原酶，原酶，7 7个亚基和细胞色素个亚基和细胞色素b b 。3 3 mt DNA复制、RNA转录和蛋白质翻译所需的许多酶和蛋白质因子都是由核DNA编码的。37第二节 叶绿体与光合作用 一 叶绿体的形态结构 （一） 叶绿体的形态、大小和数目 多呈香蕉形；直径36m，厚23m，数目随种类和环境不同而差异巨大。38（二） 叶绿体的结构 1 叶绿体膜 外膜：高透性，核苷、磷酸衍生物可透过； 内膜：透性很低，是细胞质和叶绿体基质间的功能屏障；含转运体，以转运代谢物。 膜间隙：厚约1020 nm， 2 类囊体 类囊体是叶绿体基质中由单位膜封闭形成的扁平小囊，一般沿叶绿

11、体长轴平行排列。类囊体可在一定区域叠置成垛而形成基粒。 类囊体膜主要包含捕光色素/天线色素、光合电子传递链、CFo-CF1 ATP酶。是光合作用光反应的场所。 3 叶绿体基质 是叶绿体内膜和类囊体之间的的无定形物。主要包含可溶性蛋白质(多为代谢酶，以RuBPase最多)；核糖体、RNA和DNA；淀粉粒、脂滴及植物铁蛋白。是CO2固定的场所，叶绿体自身基因的转录和蛋白合成。39二二 叶绿体的主要功能叶绿体的主要功能光合作用光合作用 (一) 原初反应（二）电子传递和光合磷酸化（三）光合碳同化40原初反应3）反应中心：由反应中心色素、原初电子供体 (D) 和原初电子受体 (A) 组成。2 原初反应步

12、骤如下： 原初电子供体 共振 电荷分离捕光色素捕获光能 反应中心色素激活 高能电子 原初电子受体原初反应指光合叶绿素分子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、传递和转换，将光能转变为电能。1 参与原初反应的主要成分1）捕光色素/天线色素：大多数Chl a和Chl b、类胡萝卜素、只吸收光，不发生光化学反应；2）反应中心色素：特殊状态的Chl a，将光能转变为化学能，分为P700 和P68041（二）电子传递和光合磷酸化1 电子传递链的成分及功能电子传递链的成分及功能1）PS复合物：参与水的氧化和复合物：参与水的氧化和PQ还原还原a PS捕光复合物（捕光复合物（LHC）：由蛋

13、白质、色素分子和脂类分子组成；）：由蛋白质、色素分子和脂类分子组成；吸收并传递光给吸收并传递光给P680，还可调节，还可调节PS和和PS间的激发能分配。间的激发能分配。b P680：特殊状态的：特殊状态的Chla，吸收光能被激发，产生高能电子和，吸收光能被激发，产生高能电子和P680，P680可夺取水中电子，将水氧化成可夺取水中电子，将水氧化成O2。c脱镁叶绿素（脱镁叶绿素（Phe）：接收）：接收P680产生的电子，并向下传递给产生的电子，并向下传递给PQ。2）质体醌（）质体醌（PQ）：一种脂溶性分子，接收电子并传递给）：一种脂溶性分子，接收电子并传递给Cytb6f，同时，同时转移质子到类囊体

14、腔。转移质子到类囊体腔。3）Cytb6f复合物：由复合物：由Cytb6、Cytf和和Fe-S组成，接收并传递电子给组成，接收并传递电子给PC，联接联接PS和和PS。4）质体蓝素）质体蓝素PC：含：含Cu的水溶性外周膜蛋白，接收电子后结合并传递电的水溶性外周膜蛋白，接收电子后结合并传递电子给子给PS中的中的P700。5）PS： a PS捕光复合物（捕光复合物（LHC）：吸收并传递光能给）：吸收并传递光能给P700b P700：Chla二聚体，接收光能，发生光化学反应，产生电子和二聚体，接收光能，发生光化学反应，产生电子和P700，P700夺取来自夺取来自PC电子。电子。c 其它电子传递体：其它电

15、子传递体：A0A1Fx传递电子给传递电子给6）Fd：接收：接收PS中的电子并传递给中的电子并传递给NADP+，生成，生成NADPH。4243442 由水到PS的电子传递 放氧复合物（OEC）：分布在类囊体膜腔面，和PS复合物结合的一种水溶性蛋白复合物，含4个Mn。功能是完成水的氧化，生成质子、电子和氧，并将产生的电子经PS中D1上的Tyr传递给P680。453 电子传递的两条通路 1）非循环式电子流(Z 型)如下： H2OOECPSPQCytb6fPCPSFdNADP+ 2）循环式电子流：Cytb6fPCPSFdCytb6f464 光合磷酸化 1）CF1-F0ATP合酶：结构和运转机制与线粒体F1-F0ATP合酶类似。 2）光合磷酸化：由光照所引起的电子传递和磷酸化作用相偶联生成ATP的过程。其机制和过程类似氧化磷酸化。 非循环式光合磷酸化：产物为ATP、NADPH和O2； 循环式光合磷酸化：产物仅为ATP。47（三）光合碳同化 利用