第六章线粒体和叶绿体细胞生物学

1、第六章 细胞的能量转换线粒体与叶绿体主要内容：第一节 线粒体与氧化磷酸化第二节 叶绿体与光合作用第三节 线粒体与叶绿体是半自主性细胞器及其起源能量转换光能 叶绿体 化学能 线粒体 ATP生物膜是ATP产生的场所细菌:ATP产生于细胞质膜真核生物细胞:细胞质膜:主要用于物质吸收运输 能量转换细胞器:产生ATP线粒体:几乎所有真核细胞叶绿体:植物细胞质子浓度梯度产生ATP食物第一步: 电子传递所产生的能量驱动质子的跨膜运转太阳光能高能量电子第二步: 由此产生的质子浓度梯度被ATP合酶(ATP synthase)用来产生ATP低能量电子第一节 线粒体与氧化磷酸化（P85)1890年，Altaman首

2、次发现，命名为bioblast；1897年，Benda提出mitochondrion；1904年，Meves在植物细胞中也发现了线粒体；1948年，Green，1949年，Kennedy和Lehninger分别发现三羧酸循环和脂肪酸氧化是在线粒体内完成的。一、形态结构（一）形态与分布粒状或杆状;直径0.51，长1.53.0m；胰外分泌细胞中可达1020m，称巨线粒体。数量: 依细胞类型而变化,每个肝细胞约1000-2000 肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%，人类红细胞无线粒体。形状: 可塑性强, 不断运动中线粒体形状的可塑性多分布在细胞功能旺盛的区域，可向这些区域迁移，微管是其导轨

3、、马达蛋白提供动力。 线粒体通常位于高度需要ATP的细胞部位 基质膜 间 隙外 膜内 膜（二）超微结构与化学组成An TEM image of mitochondrion Models of mitochondrial membrane structures1.外膜:含有许多大型膜通道蛋白 “porin” 允许分子量小于 40 多肽链NADH Flavin Q7 铁硫中心 11多肽链 2 血红素 c 1 铁硫中心 13多肽链 2 血红素 O2 2 Cu电子传递路线内外膜间隙基质线粒体内膜泛醌细胞色素 cNADH 脱氢酶复合体细胞色素 b-c1 复合体细胞色素氧化酶复合体NADH呼吸链（三）、质

4、子转移与质子驱动力的形成：FADH2呼吸链复合物、组成，催化琥珀酸的脱氢氧化 氧化磷酸化的作用机理（一）质子动力势（P91）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(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。能量以电化学质子浓度梯度（Electrochemical Proton Gradient）的形式储存电子传递过程中， H+ 被有关的酶复合体从线粒体基质中排抽到膜间间隙由

5、此造成:在内膜两侧产生pH 梯度（pH gradient ，DpH ），基质内的pH 高于膜间间隙（细胞溶胶）的pH在内膜两侧产生电压梯度（ voltage gradient ，DV），基质内为负电荷，基质外为正电荷DpH 和 DV 共同形成电化学质子梯度 “Electrochemical Proton Gradient”电化学质子梯度产生 “质子动力” （proton-motive force）Chemiosmotic TheoryATP合成机制氧化磷酸化 头部基部1、 ATP合酶的结构与组成F型质子泵；分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部）。F1：33复合体，具有3个ATP合成的催

6、化位点（每个亚基1个）。F0：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 synthase1979年Boyer提出构象耦联假说:1ATP酶利用质子动力势，催化ATP合成。2F1有3个催化位点，催化位点有3种构象。3质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，带动亚基旋转，亚基端部高度不对称，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。L：松弛O：开放T：紧密P/O值指每消耗一个氧原子所产生的ATP分子数，它表示氧化磷酸化的效率。通常认为NADH3，FADH22；也有人认为前者为2.5，后者为1.5。电子传递的抑

7、制剂 能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。是研究电子传递链顺序的一种重要方法。 NADHNADH-Q还原酶CoQcytbc1cytccytaa3O2鱼藤酮 安密妥 杀粉蝶菌素 抗霉素A氰化物、CO叠氮化物2-噻吩甲酰三氟丙酮和萎锈灵1电子传递抑制剂抑制复合物I，如阿米妥、鱼藤酮。Amytalrotenone氧化磷酸化抑制剂抑制复合物II，如：2-噻吩甲酰三氟丙酮和萎锈灵。 2-Thenoyltrifluoroacetonecarboxin抑制复合物III，如抗霉素A 。Antinomycin A 1抑制复合物IV，如CO、CN-、NaN3、H2S。电子传递抑制剂可用来研究呼

8、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，另一侧均为氧化态，可用分光光度计检测。磷酸化抑制剂与F0结合，阻断H+通道。如寡霉素。oligomycin（五）线粒体与疾病（P94）克山病 克山病（KD），亦称地方性心肌病（ECD），于1935年在我国黑龙江省克山县发现，因而命名克山病。 该病的具体表现为心肌线粒体代偿增生、数目增多、嵴膜破坏、氧化磷酸化酶系(包括琥珀酸脱氢酶、细胞色素c 氧化酶、琥珀酸氧化酶、H-ATP 酶等)活性明显下降, Ca2+含量增高、心磷脂和辅酶Q 含量偏低, 从而提出: “克山病是一种心肌线粒体病”的观点.第二节 叶绿体与光合作用光合作用

9、是地球上有机体生存和发展的根本源泉。绿色植物年产干物质达1014公斤。一、形态与结构状如透镜，长径510，短径24，厚23um。叶肉细胞含50200个，占细胞质的40%。由外被、类囊体和基质3部分组成。含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。 高倍显微镜下植物细胞中的叶绿体叶绿体形态结构图叶绿体外被双层膜组成，膜间为1020nm的间隙。外膜的通透性大，内膜通透性低；ADP、ATP、 NADP+、葡萄糖和焦磷酸等需要特殊的转运体才能通过内膜。类囊体类囊体膜：流动性高，内在蛋白有：细胞色素b6f复合体、集光复合体(LHC)、质体醌(PQ)、质体蓝素(PC)、

10、铁氧化还原蛋白(FD)、黄素蛋白、光系统I、II复合物。基粒：扁平小囊堆叠而成，含4060个。基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。基质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。叶绿体DNA、蛋白质合成体系。一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。二、叶绿体的主要功能光合作用光合作用分为光反应和暗反应（P100)；光反应需要光，涉及水的光解和光合磷酸化；暗反应不需要光，涉及CO2的固定，分为C3和C4两类。（一）光合色素和电子传递链组分1光合色素包括：叶绿素、类胡萝卜素，比例约3:1。叶绿素分为a、b，比例约3:1。-CHO in chl b2集光复合

11、体约200个叶绿素分子和一些肽链构成。全部叶绿素b和大部分叶绿素a都是天线色素。电子传递和光合磷酸化(P101)光系统（PS）：P680 pp102至少包括12条肽链，位于基粒基质非接触区域的类囊体膜上。包括一个集光复合体、一个反应中心和一个含锰原子的放氧复合体。细胞色素b6f复合体可能以二聚体形成存在，每个单体含有四个不同的亚基。光系统（PSI）：P700 pp102位于基粒与基质接触区和基质类囊体膜中，由集光复合体I和作用中心构成。两种光和磷酸化路径Noncyclic photophosphorylation非环式光和磷酸化Cyclic photophosphorylation环式光合磷酸

12、化PSI and PSII（二）光合磷酸化一对电子从P680经P700传至NADP+，在类囊体腔增加4个H+，在基质中1个H+被用于还原NADP+，使类囊体腔有较高的H+（pH5），形成质子动力势。H+经ATP合酶（ CF1-F0 偶联因子）渗入基质、推动ATP合成。Electron transport in the thylakoid membrane在类囊体膜上的电子传递比较不同点？光合碳同化（p105)基因组DNA细胞核胞质溶胶蛋白质前体线粒体或叶绿体输入的蛋白质在细胞器里合成的蛋白质第三节线粒体与叶绿体是半自主性细胞器一、线粒体DNA和 叶绿体DNA 二、线粒体和叶绿体的 蛋白质细胞器

13、DNA三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与装配(一)线粒体蛋白质的运送与装配1.前体蛋白:2.导肽:成熟线粒体蛋白信号序列(二)叶绿体蛋白质的运送与装配1.转运肽:第四节线粒体与叶绿体的增殖与起源一、叶绿体和线粒体的增殖二、叶绿体和线粒体的起源 关于线粒体和叶绿体的起源，现在主要有两种截然相反的观点：内共生起源学说与非共生起源学说（或分化学说）。两个学说各有其实验证据和支持者。 1.内共生起源学说：主要论据 2.非共生起源学说线粒体和叶绿体的增殖 间壁分离：分裂时先由内膜向中心内褶，或是线粒体的某一个嵴延伸到对缘的内膜而形成贯通嵴，将线粒体一分为二，这种分裂方式常见于鼠肝和植物产生组织中。 收缩后

14、分离， 分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，这种分裂方式常见于蕨类和酵母线粒体中。返回 叶绿体和线粒体的起源 关于线粒体和叶绿体内共生起源学说 的主要论据如下： 1.线粒体和叶绿体的基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。 2.线粒体和叶绿体有自己的完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质。其合成机制有很多类似于细菌，而不同于真核生物。 3. 线粒体和叶绿体的两层膜有不同的进化来源，外膜与内膜的结构和成分差异很大。外膜与细胞的内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似。 4.线粒体和叶绿体能以分裂的方式进行增殖，这与细菌的繁殖方式相同。 5. 线粒体和叶绿体能在异源细胞内长期生存。 6. 线粒体的祖先很可能来自反消化副球菌或紫色非硫光合细菌。其主要依据是这两种菌的磷脂成分、呼吸类型和细胞色素c的初级结构与线粒体的更为接近。 7.发现介于胞内共生蓝藻与叶绿体之间的结构蓝小体，其特征在很多方面可作为原始蓝藻向叶绿体演化的佐证。返回非共生起源学说（或分化学说） 该学说的支持者提出一种线粒体和叶绿体起源的设想，认为真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌，它比典型的原核细胞大，这样就要逐渐增加具有呼吸功能的膜面积，开始是通过细菌细胞膜的内馅、扩