细胞生物学第六章细胞的能量转换线粒体和叶绿体[001]

1、细胞生物学第六章细胞的能量转换线粒体和叶绿体001了解：线粒体和叶绿体的结构和功能掌握：1. 线粒体和叶绿体都是半自主性细胞器 2. 两种半自主细胞器分别在氧化磷酸化和光合作用中的产能作用机制重点：1. 线粒体与氧化磷酸化 2. 叶绿体与光合作用难点：1. 线粒体与氧化磷酸化 2. 叶绿体与光合作用线粒体：所有真核细胞氧化磷酸化 ATP叶绿体：植物细胞光合作用 ATP+NADPH 糖类第一节 线粒体与氧化磷酸化1890年德R. Altaman首次发现，命名为生命小体（bioblast）。1897年von Benda提出mitochondrion。1900年L. Michaelis用Janus

2、Green B染色，发现线粒体具有氧化作用。Green（1948）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，Kennedy和Lehninger（1949）发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的。线粒体的形态结构线粒体的形态与分布动态细胞器外形：线状、粒状、哑铃状、环状、圆柱状等大小：直径0.5-1.0m，长为2-3m，可达10-20m数目：动物细胞植物细胞 人成熟红细胞中无线粒体 代谢旺盛的细胞分布：细胞功能旺盛区域；定位与迁移与微管相关线粒体可塑性心肌精子尾部线粒体结构管状嵴线粒体线粒体的结构与化学组成外膜（outer member）内膜（inner member） 嵴（cristae）膜间隙

3、（intermembrane space）基质（matrix）1、外膜 (out membrane)含40%的脂类和60%的蛋白，具有porin构成的亲水通道，允许分子量5KD以下的分子通过，1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。2、内膜 （inner membrane）含100种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于3:1。心磷脂含量高（达20%）、缺乏胆固醇，类似于细菌质膜。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过。氧化磷酸化的电子传递链位于内膜。标志酶为细胞色素C氧化酶。内膜向线粒体内室褶入形成嵴（cristae），能扩大内膜表面积（达510倍），嵴有两种：板层状 管状。嵴上覆有

4、基粒。基粒由头部（F1）和基部（F0）构成 。3、膜间隙 (intermembrane space)：是内外膜之间的腔隙，宽约6-8nm。标志酶为腺苷酸激酶。ATP+AMP 2 ADP4、基质（matrix）为内膜和嵴包围的空间。含有：催化三羧酸循环，脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶类。标志酶为苹果酸脱氢酶。线粒体DNA（mtDNA），及线粒体特有的核糖体，tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子。线粒体的功能线粒体是物质最终彻底氧化分解的场所，其主要功能是进行三羧酸循环及氧化磷酸化合成ATP，为细胞生命活

5、动提供直接能量。二、氧化磷酸化的分子基础动物细胞中80%的ATP来源于线粒体，糖、脂肪和氨基酸彻底氧化，电子经过一系列的传递，传至氧分子，逐级释放能量，合成ATP。氧化磷酸化C6H12O6 + 6 O2 6 H2O + 6 CO232 ADP + 32 Pi 32 ATP线粒体的氧化代谢糖酵解途径三羧酸循环苹果酸-天冬氨酸穿梭途径甘油-3-磷酸穿梭途径电子传递链与电子传递在线粒体内膜上存在传递电子的一组酶的复合体，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，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（electron transport chain）或呼吸链（respir

6、atory chain）线粒体内膜两条呼吸链（一）电子载体NAD、黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q、铜原子。1、NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide），连接三羧酸循环和呼吸链，将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。 2、黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白，可接受2个电子2个质子。黄素相关的脱氢酶类主要有：以FMN为辅基的NADH脱氢酶。以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。NAD NADP黄素腺嘌呤单核苷酸（Flavin mononucleotide，FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸（Flavin adenine dinucleotide，FAD）

7、3、细胞色素：分子中含有铁血红素，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。4、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。5、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电子。有3种氧化还原形式，即：氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。电子转运复合物呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列。利用胆酸（deoxycholate）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物。辅酶

8、Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。1、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-SQNADH + 5H+M + QNAD+ + QH2 + 4H+C2、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 3、复合物III：细胞色素c还原酶。组成：至少11条不同肽链，以二

9、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还原态cyt c1 + QH2 + 2 H+M2氧化态cyt c1 + Q+ 4H+C复合物的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关 4、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，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。cyt cCuAheme aa3- CuBO24还原态cyt c + 8 H+M +

10、 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Transport of electrons from NADHTransport of electrons from FADH2两条呼吸链鱼藤酮、阿米妥抗霉素ACN、COP. Mitchell（1961）提出“化学渗透假说”。认为：电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧（

11、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。（一）质子动力势，proton-motive force质子转移与质子驱动力的形成Chemiosmotic Theory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。ATP合酶（ATP synthetas

12、e）F1 particle is the catalytic subunit;The F0 particle attaches to F1 and is embedded in the inner membrane.F1: 5 subunits in the ratio 3:3:1:1:1F0: 1a：2b：12c ATP 合酶1979年美Boyer P提出构象耦联假说。其要点如下：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

13、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。Japan researcher, Nature 386: 300, 1997.支持构象耦联假说的实验：ATP synthase as a reversible coupling device细菌视紫红质总结线粒体功能生物氧化产生ATP的统计 一个葡萄糖分子经过细胞呼吸全过程产生多少ATP？ 糖酵解：底物水平磷酸化产生 4 ATP（细胞质） 己糖分子活化消耗 2 ATP（细胞质） 产生 2NADH，经电子传递产生 3或5 ATP

14、（线粒体）净积累 5或7 ATP 丙酮酸氧化脱羧：产生 2NADH（线粒体），生成 5ATP 三羧酸循环：底物水平的磷酸化产生（线粒体）2ATP； 产生 6NADH（线粒体），生成 15ATP； 产生 2FADH2（线粒体），生成 3 ATP 总计生成 30或32 ATP 线粒体与疾病线粒体与疾病第二节 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。叶绿体的形态结构内膜外膜膜间隙基质类囊体腔核糖体类囊体膜基粒基质 基粒基质 类囊体 类囊体腔叶片上表皮下表皮叶绿体基质基粒类囊体膜类囊体腔外膜内膜膜间隙细胞核细胞壁液泡叶绿体

15、细胞质叶绿体被膜淀粉叶绿体的形状、大小和数量形状：凸透镜状或香蕉状大小：宽24m，长510m数量：叶肉细胞几十至几百个结构和化学组成叶绿体膜（chloroplast membrane） 外膜 内膜类囊体（thylakoid）基粒（grana）基粒内囊体 基质内囊体基质（stroma） Rubisco叶绿体的主要功能-光合作用光合作用电子传递反应C固定反应3-磷酸甘油醛基质类囊体膜依赖光的反应-光反应卡尔文循环磷酸丙糖交换载体光合作用各阶段果糖叶绿体色素分子结构光合单位反应中心天线复合体天线色素分子（捕光色素分子）反应中心色素（一对特殊的叶绿素a分子）依赖光的反应-光反应（类囊体膜）非循环光合磷

16、酸化非循环式光合磷酸化两个光系统的协调作用叶绿体中两个光系统及电子传递途径Electron transport in the thylakoid membrane循环光合磷酸化光合磷酸化一对电子从P680经P700传至NADP+，在类囊体腔中增加4个H+。2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。H+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。光合碳同化C3途径C4途径C3途径(C3 pathway)：亦称卡

17、尔文 (Calvin)循环。CO2受体为RuBP，最初产物为3-磷酸甘油酸(PGA)。C4途径(C4 pathway) ：亦称哈奇-斯莱克(Hatch-Slack)途径，CO2受体为PEP，最初产物为草酰乙酸(OAA)。景天科酸代谢途径（Crassulacean acid metabolism pathway，CAM途径）：夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放CO2，进行CO2固定。第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器细胞器 DNA大小与病毒 DNAs相似.Mit DNA: 300,000bp (陆生植物). 线粒体基因组DNA (人) =16,569bp叶绿体基因组是线粒体基因组大

18、小的10倍，含有120个基因。Chl DNA: 从70,000to 200,000bp (陆生植物);mtDNA基因编码 rRNAs, tRNAs,和一些线粒体中的蛋白质人 mt DNA: 16,569bp 2 rRNAs, 22 tRNAs, 13 多肽: NADH 还原酶. 7 sub. Cty b-c1 复合体. 1 cytb Cyt 氧化酶. 3 subunits ATP synthase: 2 F0 sub 地钱叶绿体基因组线粒体的半自主性1963年M. & S. Nass发现线粒体DNA。线粒体类似于细菌的特征：环形DNA；70S核糖体；RNA聚合酶被溴化乙锭抑制，不被放线菌素D所

19、抑制；tRNA和氨酰基-tRNA合成酶不同于细胞质中的；蛋白质合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA；对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。线粒体与叶绿体的相似性：均由两层膜包被，内外膜的性质、结构有显著的差异。均为半自主性细胞器，具有自身的DNA及转译体系。因此绿色植物细胞内存在3个遗传系统。叶绿体的ctDNA不足以编码叶绿体所需的全部蛋白质，因此必须依靠于核基因来编码其余的蛋白质。通过定向转运进入叶绿体的各部分。叶绿体的半自主性线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装线粒体蛋白质的转运线粒体具有1000多种蛋白质，其自身合成的仅二十余种，因此大量蛋白质是

20、在细胞质中合成的。利用标记氨基酸培养细胞，用氯霉素和放线菌酮分别抑制线粒体和细胞质蛋白质合成，发现人的线粒体DNA编码的多肽为细胞色素c氧化酶的3个亚基，F0的2个亚基，NADH脱氢酶的7个亚基和细胞色素b等13条多肽。 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：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

21、有特异性要求。含有丰富的带正电荷的碱性氨基酸，特别是精氨酸（Arg）羟基氨基酸如丝氨酸（Ser）含量也较高几乎不含带负电荷的酸性氨基酸可形成即具亲水性又具有疏水性的螺旋结构Mitochondrialer Import 蛋白质的转运涉及转位因子（translocator）等多种蛋白。TOM复合体：负责通过外膜，进入膜间隙。TIM复合体：TIM23负责将蛋白质转运到基质，或安装在内膜上；TIM22负责将某些转运器蛋白质插入内膜。OXA复合体：负责将线粒体合成的蛋白和某些进入基质的蛋白插到内膜上。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。mitochondrial protein import machinery.Protein Transport into Inner Membrane and Intermembrane Space Requires Two Signal Sequences蛋白质进入线粒体基质非保守分选机制蛋白质的输入是一个耗能过程。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。在通过TIM复合体时利用质子动力势作为动力。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AT