第六章-细胞的能量转换-线粒体与叶绿体

1、第六章-细胞的能量转换-线粒体与叶绿体第一节 线粒体与氧化磷酸化1890年，R. Altaman发现线粒体，命名为bioblast。1897年，Benda将这种颗命名为mitochondrion。1900年，L. Michaelis用Janus Green B 对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用。1904年，在植物细胞中发现了线粒体。至20世纪50年代，证实三羧酸循环，氧化磷酸化和脂肪酸氧化等重要的能量代谢过程均发生在线粒体中。一、线粒体的形态结构（一）线粒体的形态与分布形状：线粒体一般呈粒状或线状。大小：一般直径0.51m，长，在胰脏外分泌 细胞中可长达1020m，称巨线粒体。数量及分

2、布：植物细胞少于动物细胞；哺乳动物成熟的 红细胞中无线粒体。通常结合在微管上，分 布在细胞功能旺盛的区域。（二）线粒体的结构与化学组成线粒体（mitochondrion）是由内外两层彼此平行的单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。化学组成：蛋白质和脂类包括：外膜（outer membrane）、内膜（inner membrane）、膜间隙（intermembrane）和基质（matrix）四个功能区隔 。外膜：蛋白质：脂类约1:1，具有孔蛋白构成的亲水通道， 允许小分子物质自由通过。标志酶为单胺氧化酶。内膜：蛋白质：脂类约3:1，内膜内陷形成嵴（cristae）来 扩大内膜表面积。 嵴有两种类型，板

3、层状和管状。缺乏胆固醇，富含心 磷脂（占磷脂含量的20%），通透 性很低，H+和 ATP等不能自由通过，必需有载体蛋和通透酶参与。 嵴膜上有基粒，基粒由头联因子）和基部（F0偶联因 子）构成。膜间隙：内外膜之间的间隙，延伸到嵴的轴心部。标志酶为 腺苷酸激酶。基质：可溶性蛋白质的胶状物质。标志酶为苹果酸脱氢酶。 二、线粒体的功能线粒体的主要功能是氧化磷酸化，合成ATP，为细胞的生命活动提供能量。糖、脂肪细胞质丙酮酸和脂肪酸线粒体乙酰coA（三羧酸循环）氢通过电子传递链到达氧生成水，同时ADP磷酸化生成ATP氧化磷酸化的分子结构基础线粒体超声波亚线粒体小泡或颗粒胰蛋白酶颗粒解离，只能传递电子，而不

4、能发生磷酸化颗粒重新装配上电子传递和氧化磷酸化电子传递的组分位于线粒体的内膜，颗粒是氧化磷酸化偶联的因子电子传递链概念：有序排列在线粒体的内膜，能可逆的接受和释放电子或H+的酶体系称为电子传递链或呼吸链。呼吸链电子载体主要有：黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、泛醌和铜原子。黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子和2个质子。呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶，以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。细胞色素：以铁卟啉为辅基，通过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aa3含有铜原子。三个铜原子：类似于铁硫蛋白的结构，通过C

5、u2+、Cu1+的变化传递电子。 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。 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，氢醌（QH2）和自由基半醌（QH）。 电子传递链的复合物 利用脱氧胆酸（deoxycholate，一种离子型去污剂）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物，即复合物、和。辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。辅酶Q溶于内膜，细胞色素C位于线粒体内膜的膜间隙侧，属于膜的外周蛋白。 复合物NADH脱氢酶，以二聚体形式存在，作用是催化N

6、HDH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）。电子传递的方向为：NADHFMNFe-SQ复合物琥珀酸脱氢酶，含有一个FAD，2个铁硫蛋白，作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q。电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ复合物细胞色素c还原酶，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移1对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。复合物细胞色素c氧化酶，以二聚体形式存在，将细胞色素c接受的电子传给氧，每转移1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。两条主要的呼吸链 根据接

7、受代谢物上脱下的氢的原初受体不同，分为NADH呼吸链和FADH2呼吸链。复合物、组成NADH呼吸链，催化NADH的脱氢氧化，复合物、组成FADH2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。三、氧化磷酸化的作用机理（一）质子动力势对于氧化磷酸化的偶联机制提出的假说有化学偶联假说、构象偶联假说、化学渗透假说等。 “化学渗透假说”，取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说。内容是当电

8、子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，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，即质子动力势（proton-motive force, P）。P=-(2.3RT/F)pH其中T为绝对温度，R为气体常数，F为法拉弟常数。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。（二）ATP合成酶的结构和作用机理ATP合成酶（ATP synthetase）或F1 F0-ATP酶，成蘑菇状。分布于线粒体和叶绿体中，在跨膜质子动力势的推动

9、下，ADP磷酸化生成ATP，参与氧化磷酸化和光合磷酸化。氧化磷酸化是指当电子从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的过程。结构组成ATP合成酶是一种可逆性复合酶，既能利用质子动力势合成ATP, 又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙 。ATP合成酶的分子结构由突出于膜外的F1头部和嵌入膜中的F0基部两部分组成。F1头部：为水溶性的蛋白质，从内膜突出于基质，比较容易从膜上脱落。它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子。 F1是由9个亚基组成的33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（一个/亚基）。和单位交替排列成桔瓣状结构。贯穿复合体，发挥

10、转子的作用来调节三个 亚基催化位点的开放和关闭，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（相当于定子）。F0基部：嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜的质子通道。1979年代Boyer P提出构象偶联假说：1ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，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，同一时间，三个催化位点的构象不 同，与核苷酸的亲和力也不同。在L构象（loose），ADP、 Pi与酶疏松结合；在T构象（tight）底物（ADP、 Pi）与酶 紧密结合在一起，并形成ATP；在O构象（open）ATP与酶 的亲和力很低，被释放

11、出去。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。作用机理1电子传递抑制剂抑制NADHCoQ的电子传递。如：阿米妥(amytal)、鱼藤酮（rotenone）、杀粉蝶素A（piericidin）。 抑制Cyt bCyt c1的电子传递。如：抗霉素A(antinomycin A)。抑制细胞色素氧化酶O2。如：CO、CN、NaN3、H2S。2磷酸化抑制剂与F0结合结合，阻断H+通道，从而抑制ATP合成。如：寡霉素、二环己基碳化二亚胺(DCC)。3

12、解偶联剂（uncoupler）质子载体： 2,4-二硝基酚(DNP，图7-13)，羰基-氰-对-三氟甲氧基苯肼。 质子通道：增温素（thermogenin）。其它离子载体：如缬氨霉素。某些药物：如过量的阿斯匹林也使氧化磷酸化部分解偶联，从而使体温升高。（三）氧化磷酸化抑制剂四、线粒体的增殖 现有线粒体生长到一定的大小就要开始分 裂，形成两个小的、新的线粒体； 旧的线粒体被吞噬，细胞内利用脂、蛋白、 DNA等重新合成线粒体； 利用其他的膜，如质膜、核膜、内质网膜等 重新装配新的线粒体。 1、间壁分离，分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分成两个，常见于鼠肝和植物产生组织中。2、收缩后分离，分裂时通

13、过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。 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。第二节 叶绿体与光合作用 叶绿体(Chloroplast)的形态结构 叶绿体的功能光合作用(photosynthesis)一、叶绿体(Chloroplast)的形态结构叶绿体与线粒体形态结构比较叶绿体内膜并不向内折叠成嵴；内膜不含电子传递链；除了膜间隙、基质外，还有类囊体；捕光系统、电子传递链和ATP合成酶都位于类囊体膜上。 叶绿体超微结构叶绿体膜叶绿体由内膜和外膜组成，膜间为1020nm的膜间隙。膜的成分是蛋白质和脂质。类囊体叶绿体内部由内膜发展而

14、来的扁平膜囊。基粒类囊体：象圆盘一样叠在一起的类囊体。基粒片层。基质类囊体：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。基质是内膜与类囊体间的流动性成分，中间悬浮着片层系统。主要成分包括：碳同化相关的酶类（RUBP羧化酶）、叶绿体DNA、蛋白质合成体系、一些颗粒成分等。二、叶绿体的主要功能叶绿体的主要功能是进行光合作用光合作用的过程分为：原初反应；电子传递和光合磷酸化；碳同化。其中和属于光反应，在类囊体膜上进行； 属于暗反应（dark reaction），在叶绿体基质中进行。光合色素和电子传递链组分 1光合色素类囊体中含两类色素：叶绿素（叶绿素a和叶绿素b）和类胡萝卜素（胡萝卜素和叶黄

15、素）。2集光复合体（light harvesting complex）由大约300个叶绿素分子和一些肽链构成。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（PS）吸收高峰为波长680nm处，又称P680。位于基粒与基质非接触区域的类囊体膜上。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

16、)。4光系统（PSI）能被波长700nm的光激发，又称P700。包含多条肽链，位于基粒与基质接触区和基质类囊体膜中。由集光复合体和作用中心构成。原初反应与电子传递 原初反应是指叶绿素分子从被光及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。P680接受能量后，由基态变为激发态（P680*），然后将电子传递给ph（原初电子受体），P680*带正电荷，从原初电子供体Z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QA，QA又迅速将电子传给QB。质体醌将电子传给细胞色素bf，同时将质子由基质转移到类囊体腔。电

17、子接着传递质体蓝素(PC)，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（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。光合磷酸化光合磷酸化的类型光合磷酸化的作用机制由光照引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程，称为光合磷酸化。当植物在缺乏NADP+时电子在光系统内流动，只合成ATP，不产生NADPH，称为循环式光合磷酸化。光合磷酸化的作用机制一对电子从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

18、由PQ从基质转移而来，在基质侧一个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。CF1同样由5种亚基组成33的结构。CF0嵌在膜中，由4种亚基构成，是质子通过类囊体膜的通道。暗反应(碳固定)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）C4途径或 Hatch

19、-Slack循环景天科酸代谢途径（CAM途径）C3途径：又称卡尔文 (Calvin)循环。CO2受体为RuBP，最初产物为3-磷酸甘油酸(PGA)。C4途径：又称哈奇-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（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。个体发育：由前质体（proplastid）分化而来 增殖：分裂增殖三、叶绿体的发育和增殖第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器半自主性细胞器的概念： 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

20、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DNA线粒体和叶绿体的蛋白质合成线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装一、线粒体和叶绿体的DNA mtDNA /ctDNA形状、数量、大小 mtDNA和ctDNA均以半保留方式进行自我复制 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。 线粒体内含有DNA分子，被称为人类第25号染色体，是细胞核以外含有遗传信息和表达系统的细胞器，其遗传特点表现为非孟德尔遗传方式，又称核外遗传。 1981年Anderson等人完成了人类线粒体基因组的全部核苷酸序列的测定。

21、二、线粒体基因组线粒体基因组全长16569bp1.封闭性双链分子，外为H链，内为L链。5.不与组蛋白结合，裸露存在。3.双链均有编码能力，D-环为唯一的非编码区。6.突变率高，且无DNA修复系统。2.结构紧凑，无内含子，部分区域有重叠现象。链含有28个基因，L链含有9个基因mtDNA突变率比nDNA高1020倍22个tRNA基因2个rRNA基因7个NADH脱氢酶亚单位的基因3个细胞色素c氧化酶亚单位基因 2个ATP酶复合体 成分基因1个细胞色素b基因16569bp编码37 个基因13个mRNA基因线粒体氧化磷酸有关的蛋白质 Mitochondrial DNA （一）mtDNA的复制具半自主性

22、（二）线粒体基因组所用的遗传密码和通用密码不同 密码子 核编码的AA 线粒体编码的AA UGA 终 止 色氨酸 AGA,AGG 精氨酸 终止 AUA 异亮氨酸 起始甲硫氨酸 AUU 异亮氨酸 起始甲硫氨酸tRNA兼用性较强，仅用22个tRNA就可识别多达48个密码子。三、线粒体DNA的遗传特征（三）mtDNA为母系遗传受精卵中的线粒体DNA几乎全都来自于卵子，来源于精子的mtDNA对表型无明显作用，这种双亲信息的不等量表现决定了线粒体遗传病的传递方式不符合孟德尔遗传，而是表现为母系遗传（maternal inheritance）。 线粒体疾病典型系谱 卵细胞形成过程中线粒体数目从100 000

23、个锐减到少于100个的过程称为遗传瓶颈（genetic bottleneck）。这使得只有少数线粒体真正传给后代，也是造成子代差异的原因。 （四）mtDNA在细胞分裂复制分离过程中存在遗传瓶颈 纯质(homoplasmy)：是指一个细胞或组织中所有的线粒体具有相同的基因组，都是野生型序列或者都是突变性序列。 异质(heteroplasmy)：是指一个细胞或组织中所含的线粒体既具有野生型又具有突变性。 阈值效应：当突变的mtDNA达到一定的比例时，才有受损的表型出现，这就是阈值效应(threshold effect)。 （五）mtDNA的异质性与阈值效应 任何两个人的mtDNA，平均每1000个

24、碱基对中就有4个不同。有害的突变会由于选择而被消除，故突变的mtDNA基因虽很普遍，但线粒体遗传病却不常见。最近的研究显示，在核基因组中有指导线粒体突变修复的基因存在，但其遗传学意义还有待深入研究。 （六）mtDNA的突变率极高线粒体基因常见的突变类型 碱基突变 缺失、插入突变 mtDNA拷贝数目突变四、常见线粒体遗传病（一）线粒体肌病（二）线粒体脑肌病（三）Leber 遗传性视神经病（四）亚急性坏死性脑脊髓病 (Leigh disease)线粒体脑肌病是一组由于线粒体功能缺陷造成的以神经肌肉系统病变为主的多系统疾病。线粒体脑肌病(mitochondrial encephalomyopathi

25、es, ME)根据临床表现，将线粒体脑肌病分为：伴有破碎红纤维的肌阵挛癫痫（MERRF)、线粒体脑疾病合并乳酸血症及卒中样发作(MELAS) 、Kearns-Sayer综合征（KSS) 、慢性进行性眼外肌瘫痪（CEPO) 、神经源性肌软弱、共济失调并发色素性视网膜炎（NARP)和Leigh综合征（LS)等几种。线粒体心肌病4977 位点缺失 缺血性心脏病 冠状动脉粥样硬化性心脏病 7436 位点缺失 扩张性心肌病 肥厚性心肌病线粒体心肌病累及心脏和骨骼肌，病人常有严重的心力衰竭，常见临床表现为劳动性呼吸困难，心动过速，全身肌无力伴全身严重水肿，心脏和肝肿大等症状。Leber遗传性视神经病临床症

26、状双侧视神经萎缩、坏死引起中央视力迅速丧失.主要症状伴随症状神经传导缺陷、震颤、肌张力降低.男性患者是女性患者的5倍,原因不明.五、线粒体和叶绿体的蛋白质合成 线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异参加叶绿体组成的蛋白质来源有种情况：由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成；由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成；由核DNA编码，在叶绿体核糖体上合成。三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装线粒体蛋白质的运送与组装 定位于线粒体基质的蛋白质的运送 定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送叶绿体蛋白质的运送及组装第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源线粒体和叶绿体的增殖线粒体和叶绿体的起源线粒体和叶绿体的起源内共生起源学说（endosymbiosis hypothesis)非共生起源学说内共生起源学说叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻： Mereschkowsky，1905年Margulis，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。内共生起