第六章线粒体与叶绿体

第六章

线粒体与叶绿体现在是1页\一共有86页\编辑于星期五一、线粒体1857年，昆虫肌肉细胞比较经典的染色方法——詹纳斯绿活体染色，在线粒体中呈氧化态，染成兰绿色，在胞质中呈还原态，无色。现在可用荧光染料染色的方法显示。现在是2页\一共有86页\编辑于星期五1.线粒体的形态、大小、数量和分布形态：多样，但多呈短线状或颗粒状，也可呈环形、哑铃形、分枝状或其他形状。大小：因细胞类型和生理状况不同而异，一般长1.5~3.0um，宽0.5~1.0um现在是3页\一共有86页\编辑于星期五数量：因细胞类型和生理状况不同而异，且相差悬殊。肝细胞2000个，肾细胞400个，精子25个。分布：与细胞内的能量需求密切相关，在细胞内位置可固定、可移动。线粒体的融合与分裂：线粒体形态调控的基本方式，也是线粒体数目调控的基础。现在是4页\一共有86页\编辑于星期五2.线粒体的超微结构外膜：单位膜，平整光滑，有弹性，上有排列整齐的筒状圆柱体，成分为孔蛋白，孔径2~3nm，MW<10000的小分子物质可自由通过。内膜：内突为嵴，嵴上有大量基粒（ATP合成酶）（负染方法可见），标志酶细胞色素氧化酶。氧化磷酸化的关键场所。现在是5页\一共有86页\编辑于星期五嵴：板层状，管状，其形态、数量、排列与细胞种类及生理状态有关。膜间隙：内外膜之间封闭的腔隙，包括孔周间隙和嵴内间隙，含可溶性酶、底物及辅助因子。标志酶是腺苷酸激酶。基质（内室）：含大量可溶性蛋白（脂肪酸氧化、三羧酸循环酶类），DNA，RNA，核糖体，脂类等，呈均质状，具有特定的pH和渗透压。现在是6页\一共有86页\编辑于星期五3.线粒体的化学组成蛋白质：占线粒体干重的65~70%，主要在基质和内膜上。脂类：占线粒体干重的25~30%，大部分为磷脂（卵磷脂、脑磷脂、心磷脂、胆固醇）。辅助因子：辅酶Q、FMN、FDA、NAD+等。维生素：VitK、VitE、VitB2、VitB6、VitB12、叶酸、泛酸等。DNA（1%~5%）RNA、核糖体（占0.5%）现在是7页\一共有86页\编辑于星期五4.线粒体各部分的分离组织匀浆——差速离心，分离线粒体线粒体——低渗、高渗处理，结合离心，可以得到各组成部分现在是8页\一共有86页\编辑于星期五5.线粒体主要酶的分布部位酶的名称部位酶的名称外膜

单胺氧化酶

NADH-细胞色素还原酶（对鱼藤酮不敏感）核苷二磷酸激酶磷酸甘油酰基转移酶内膜细胞色素氧化酶NADH脱氢酶（对鱼藤酮敏感）琥珀酸脱氢酶细胞色素c

ATP合酶肉毒碱酰基转移酶丙酮酸氧化酶膜间隙腺苷酸激酶核苷酸激酶二磷酸激酶单磷酸激酶基质三羧酸循环酶系脂肪酸β氧化酶谷氨酸脱氢酶天冬氨酸转氨酶、蛋白质和核酸合成酶系丙酮酸脱氢酶复合物现在是9页\一共有86页\编辑于星期五6.线粒体的功能—氧化磷酸化三羧酸循环中的氧化反应电子传递能量转移现在是10页\一共有86页\编辑于星期五（1）呼吸链（电子传递链）氧化还原电位，NADH→O2，低→高四种重要的复合物：复合物I：NADH-CoQ还原酶（NADH脱氢酶）复合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶（琥珀酸脱氢酶）复合物III：CoQ-细胞色素c还原酶复合物IV：细胞色素氧化酶现在是11页\一共有86页\编辑于星期五通过以上复合物I、III、IV时都有一个大的氧还电位变化，认为是质子泵的部位。电子传递认为是分子随机碰撞的结果，CoQ可在膜内自由扩散，作为复合物I和III之间的媒介，Cyt-C分子量不大，运动快，作为复合物III和IV之间的媒介。现在是12页\一共有86页\编辑于星期五（2）质子动力膜两侧的电位差和pH差pH质子动力P=-59pH（单位为mV）线粒体中，=-160mV，pH1，基质pH8，膜间腔pH（胞质溶液）7现在是13页\一共有86页\编辑于星期五（3）ATP的合成ATP合成酶的分子结构与组成ATP合成酶（F1F0-ATP酶）：由多亚基组成，由突出于膜外的F1头部和嵌于膜内的F0基部组成。亚线粒体颗粒试验：无F1颗粒的“外翻小泡”不能合成ATP，加入F1颗粒可以合成ATP，说明F1颗粒具有ATP酶活性。现在是14页\一共有86页\编辑于星期五工作特点：可逆性复合酶，既能利用质子电化学梯度储存的能量合成ATP，又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙。ATP合成机制现在是15页\一共有86页\编辑于星期五（4）电化学梯度和物质交换线粒体内膜上有多种载体，负责物质的运输ADP与ATP的交换磷酸根与H+、丙酮酸与H+的同向运输现在是16页\一共有86页\编辑于星期五7.氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透学说由英国生化学家米切尔（Mitchell）1961年提出，1978年获得诺贝尔化学奖。基本思想：线粒体内膜上的呼吸链起质子泵的作用，利用高能电子传递过程中释放的能量将H+泵出内膜外，造成内膜内外的一个H+梯度（严格地讲是离子的电化学梯度），ATP合成酶再利用这个电化学梯度来合成ATP。这个学说要求：内膜对H+，OH-，及一般的离子不通透，内膜上应该有氧化磷酸化和三羧酸循环的底物的载体。现在是17页\一共有86页\编辑于星期五化学渗透学说实验依据将叶绿体的类囊体在pH4的缓冲液中平衡，然后换成pH8的缓冲液，则有ATP的合成。重组试验：细菌紫膜蛋白（一种质子泵）+心肌线粒体的ATP合成酶+脂质体——光照下，有ATP的合成现在是18页\一共有86页\编辑于星期五8.线粒体与人类健康心肌线粒体疾病—克山病：缺硒引起。线粒体DNA异常－遗传性疾病线粒体疾病是母系遗传目前有50多种，多数为神经肌肉系统疾病神经疾病－帕金森病：线粒体功能退行性变化

现在是19页\一共有86页\编辑于星期五母系遗传的研究线粒体基因变突糖尿病：病因是线粒体核苷酸3243位由A突变为G。目前科研人员已筛查出4297例该病患者，占所筛查糖尿病总人数的1.2％。该病为母系遗传，家系内女性患者的子女均可能患病，男性患者的子女均不患病。现在是20页\一共有86页\编辑于星期五二、质体质体植物细胞，双层膜；颗粒状、杆菌状、线条状；含遗传信息和蛋白质合成系统；分裂增殖现在是21页\一共有86页\编辑于星期五类型叶绿体：含类囊体、叶绿素，能进行光合作用。白色体：含未发育的类囊体，不含叶绿素和其他色素，不能进行光合作用；呈白色，存在于根和芽的幼嫩细胞中。有色体：类囊体结构消失，不进行光合作用；内含叶绿素、胡萝卜素和类胡萝卜素，呈黄色或橘红色，存在于花瓣、果实等细胞中。现在是22页\一共有86页\编辑于星期五叶绿体形态高等植物：凸透镜形，长4~10um，宽2~4um低等植物：螺旋状、带状、杯状、星状等。数目：几十~几百个，随物种、细胞种类和生理状态而异。分布：多分布在核周围和近壁处现在是23页\一共有86页\编辑于星期五1.叶绿体的形态结构叶绿体膜：双层膜（外膜和内膜）外膜通透性大，MW<10000的物质可通过；内膜选择性强，具有特殊载体，仅允许O2、CO2和H2O分子自由通透。现在是24页\一共有86页\编辑于星期五类囊体：由单位膜封闭形成的扁平小囊基粒类囊体：叠垛基质类囊体：连通相邻的基粒类囊体类囊体腔：彼此相通类囊体膜：含叶绿素，绿色植物进行光合作用的场所现在是25页\一共有86页\编辑于星期五基质含可溶性蛋白质（含量最多的是RuBP羧化酶）、DNA、核糖体、淀粉粒现在是26页\一共有86页\编辑于星期五2.类囊体膜的化学组成脂类磷脂（10%），半乳糖甘油二脂（40%），二半乳糖甘油二脂（20%），硫脂（10~15%）叶绿素和类胡萝卜素（20~25%）蛋白质外周蛋白：CF1、与光反应有关的酶内在蛋白：电子传递体，ATP合成酶，天线色素复合物，光反应中心—PSI，PSII现在是27页\一共有86页\编辑于星期五蛋白质复合物光系统I（PSI）PSI的光反应中心：叶绿素P700，天线色素，蛋白质光系统II（PSII）PSII的光反应中心：叶绿素P680，天线色素，蛋白质b6-f复合物CF0-CF1类似于线粒体的F0F1捕光复合物（LHC）NADP还原酶现在是28页\一共有86页\编辑于星期五3.叶绿体的功能—光合作用反应式6CO2+12H2O（CH2O）6+6H2O+6O2

反应可分为两部分:光反应：包括水的光解、ATP的合成、NADPH的合成。在类囊体膜上进行。暗反应：CO2的固定，在基质中进行，利用光反应产生的ATP和NADPH还原CO2生成糖。

光现在是29页\一共有86页\编辑于星期五光反应原初反应光能吸收、传递与转化，形成高能电子光合磷酸化非循环式光合磷酸化电子供体为水，受体为NADP，PSII与PSI“接力”激发和传递电子，产物是ATP和NADPH循环式光合磷酸化只涉及PSI，电子在其中呈一环路，产物只有ATP现在是30页\一共有86页\编辑于星期五暗反应—CO2的固定C3循环（Calvin循环）：所有植物进行CO2固定所共有的基本途径C4循环（Hatch-Slack循环）景天酸代谢（CAM循环）：与C4循环途径相似，只是CO2固定与光合作用产物的生成，在时间及空间上与C4途径不同。现在是31页\一共有86页\编辑于星期五C3循环CO2在RuBP羧化酶的催化下加到1，5-二磷酸核酮糖上，形成一个6碳中间物，然后马上分解为两个磷酸甘油酸，这个三碳物被光反应的产物NADPH还原为磷酸甘油醛，6个磷酸甘油醛经一系列反应可以再生出3个RuBP，循环使用，净得一个磷酸甘油醛用于糖的合成。现在是32页\一共有86页\编辑于星期五C4循环某些热带或亚热带起源的植物，如甘蔗、高粱、玉米等植物中；CO2在叶肉细胞中先固定为一个四碳酸（草酰乙酸）；在维管束鞘中再重新放出CO2按C3途径固定；光合效率高。现在是33页\一共有86页\编辑于星期五三、线粒体和叶绿体的半自主性含有DNA、DNA复制酶、RNA多聚酶、核糖体；线粒体DNA（mtDNA）：环状，人的有16569bp，编码2个rRNA，22个tRNA，13个蛋白质，排列十分紧凑，无内含子；叶绿体DNA（ctDNA）：烟草，155kb，可编码的蛋白质比线粒体DNA要多；现在是34页\一共有86页\编辑于星期五核糖体：类似于原核生物核糖体；对核基因的依赖：组成线粒体和叶绿体中的蛋白质，绝大多数都是由核DNA编码、在细胞质核糖体上合成后运送到线粒体和叶绿体中去。现在是35页\一共有86页\编辑于星期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和叶绿体蛋白质合成体系对核基因组的依赖性参加叶绿体组成的蛋白质来源有３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。现在是36页\一共有86页\编辑于星期五四、线粒体和叶绿体的增殖线粒体的增殖分裂（隔膜分离、收缩分离）出芽叶绿体的发育和增殖光照：叶绿体白色体前质体→质体→黑暗：白色体叶绿体有色体：含非光合作用色素、DNA增殖：分裂增殖黑暗光照现在是37页\一共有86页\编辑于星期五五、线粒体和叶绿体的起源内共生起源学说线粒体和叶绿体分别起源于原始真核细胞内共生的行有氧呼吸的细菌和行光能自养的蓝细菌。现在是38页\一共有86页\编辑于星期五内共生起源学说的主要论据基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。有独立、完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质，蛋白质合成机制有很多类似细菌而不同于真核生物。两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，内膜与细菌质膜相似。以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。现在是39页\一共有86页\编辑于星期五能在异源细胞内长期生存，说明线粒体和叶绿体具有的自主性与共生性的特征。线粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌。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。现在是40页\一共有86页\编辑于星期五细胞分化学说非共生起源学说认为真核细胞的前身可能是一种体积较大的好氧细菌。细胞膜通过内陷、扩张和分化，逐渐发展成了线粒体、叶绿体和其他细胞器，进而演化成真核细胞。现在是41页\一共有86页\编辑于星期五现在是42页\一共有86页\编辑于星期五现在是43页\一共有86页\编辑于星期五线状短杆状骨骼肌细胞精子尾部粒状现在是44页\一共有86页\编辑于星期五现在是45页\一共有86页\编辑于星期五现在是46页\一共有86页\编辑于星期五现在是47页\一共有86页\编辑于星期五现在是48页\一共有86页\编辑于星期五现在是49页\一共有86页\编辑于星期五现在是50页\一共有86页\编辑于星期五现在是51页\一共有86页\编辑于星期五现在是52页\一共有86页\编辑于星期五现在是53页\一共有86页\编辑于星期五现在是54页\一共有86页\编辑于星期五现在是55页\一共有86页\编辑于星期五Se-克山病现在是56页\一共有86页\编辑于星期五左侧正常大脑细胞具有高水平的线粒体功能（红色所示）右侧细胞水平较低（这部分红色染料是另一种用于标记细胞核的）

现在是57页\一共有86页\编辑于星期五有色体白色体叶绿体现在是58页\一共有86页\编辑于星期五现在是59页\一共有86页\编辑于星期五现在是60页\一共有86页\编辑于星期五现在是61页\一共有86页\编辑于星期五叶绿体的超微结构现在是62页\一共有86页\编辑于星期五现在是63页\一共有86页\编辑于星期五现在是64页\一共有86页\编辑于星