生物化学叶绿体和线粒体

生物化学叶绿体和线粒体第一页，共八十一页，编辑于2023年，星期三本章内容提要第一节线粒体一、结构二、氧化磷酸化的分子基础三、氧化磷酸化的作用机理四、线粒体的半自主性五、线粒体的增殖第二节叶绿体一、形态与结构二、光合磷酸化作用机理三、叶绿体的半自主性四、叶绿体的增殖第三节蛋白质定向转运一、线粒体蛋白质的转运二、叶绿体的蛋白质转运第二页，共八十一页，编辑于2023年，星期三第一节线粒体1890年R.Altaman首次发现，命名为bioblast。1898年vonBenda提出mitochondrion。1900年L.Michaelis用JanusGreenB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。第三页，共八十一页，编辑于2023年，星期三一、结构粒状或杆状。蛋白占干重的65-70%，脂类占25-30%。直径0.5~1μm，长1.5~3.0μm，在胰脏外分泌细胞中可长达10~20μm，称巨线粒体。肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积的20%，许多哺乳动物成熟的红细胞无线粒体。（一）形态第四页，共八十一页，编辑于2023年，星期三通常分布在细胞功能旺盛的区域。在肾细胞中靠近微血管，在精子中分布在鞭毛中区。线粒体可以向细胞功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。（二）分布（三）超微结构分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。第五页，共八十一页，编辑于2023年，星期三Structuresofthemitochondrion第六页，共八十一页，编辑于2023年，星期三1、外膜(outmembrane)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（innermembrane）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。第七页，共八十一页，编辑于2023年，星期三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5~10倍），嵴有两种：①板层状、②管状。嵴上覆有基粒。基粒由头部（F1）和基部（F0）构成。3、膜间隙(intermembranespace)：是内外膜之间的腔隙，宽约6-8nm。标志酶为腺苷酸激酶。第八页，共八十一页，编辑于2023年，星期三4、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。第九页，共八十一页，编辑于2023年，星期三管状嵴线粒体第十页，共八十一页，编辑于2023年，星期三小鼠肾曲管上皮细胞冰冻蚀刻第十一页，共八十一页，编辑于2023年，星期三人黑色素瘤细胞线粒体第十二页，共八十一页，编辑于2023年，星期三二、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。第十三页，共八十一页，编辑于2023年，星期三第十四页，共八十一页，编辑于2023年，星期三（一）电子载体NAD、黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q等。1、NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide），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：①以FMN为辅基的NADH脱氢酶。②以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。第十五页，共八十一页，编辑于2023年，星期三NAD＆NADP第十六页，共八十一页，编辑于2023年，星期三Flavinmononucleotide(FMN)&Flavinadeninedinucleotide第十七页，共八十一页，编辑于2023年，星期三3、细胞色素：分子中含有血红素铁，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。第十八页，共八十一页，编辑于2023年，星期三4、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。第十九页，共八十一页，编辑于2023年，星期三5、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）。第二十页，共八十一页，编辑于2023年，星期三（二）呼吸链的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deoxycholate处理线粒体内膜、分离出呼吸链的4种复合物。辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物。第二十一页，共八十一页，编辑于2023年，星期三1、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）。NADH→FMN→Fe-S→QNADH+5H+M+Q→NAD++QH2+4H+C第二十二页，共八十一页，编辑于2023年，星期三2、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→FAD→Fe-S→Q。琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2第二十三页，共八十一页，编辑于2023年，星期三3、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cytc1+QH2+2H+M→2氧化态cytc1+Q+4H+C第二十四页，共八十一页，编辑于2023年，星期三复合物Ⅲ的电子传递比较复杂，和“Q循环”有关第二十五页，共八十一页，编辑于2023年，星期三4、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。cytc→CuA→hemea→a3-CuB→O24还原态cytc+8H+M+O2→4氧化态cytc+4H+C+2H2O第二十六页，共八十一页，编辑于2023年，星期三①由复合物I、III、IV组成，催化NADH的脱氢氧化。②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Ⅰ，大约需要3个复合物Ⅲ，7个复合物Ⅳ，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。（三）两条主要的呼吸链第二十七页，共八十一页，编辑于2023年，星期三TransportofelectronsfromNADH第二十八页，共八十一页，编辑于2023年，星期三TransportofelectronsfromFADH2第二十九页，共八十一页，编辑于2023年，星期三两条呼吸链鱼藤酮、阿米妥抗霉素ACN—、CO第三十页，共八十一页，编辑于2023年，星期三呼吸链组分及ATP酶在线粒体内膜上呈不对称分布。可用亚线粒体颗粒和冰冻蚀刻技术呼吸链组分的分布。用超声波破碎线粒体，形成颗粒朝外的小膜泡，称亚线粒体颗粒，具有正常的电子传递和磷酸化的功能。用细胞色素c的抗体能够抑制完整线粒体的氧化磷酸化，但不能抑制亚线粒体颗粒的氧化磷酸化，为什么？第三十一页，共八十一页，编辑于2023年，星期三P.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=Ψ-(2.3RT/F)△pH其中：△pH=pH梯度，Ψ=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-motiveforce第三十二页，共八十一页，编辑于2023年，星期三ChemiosmoticTheory第三十三页，共八十一页，编辑于2023年，星期三状如蘑菇，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α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个β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。（二）ATP合酶（ATPsynthetase）第三十四页，共八十一页，编辑于2023年，星期三ATP合酶第三十五页，共八十一页，编辑于2023年，星期三1979年代BoyerP提出构象耦联假说。其要点如下：1．ATP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。2．F1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亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β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。第三十六页，共八十一页，编辑于2023年，星期三第三十七页，共八十一页，编辑于2023年，星期三支持构象耦联假说的实验：第三十八页，共八十一页，编辑于2023年，星期三ATPsynthaseasareversiblecouplingdevice第三十九页，共八十一页，编辑于2023年，星期三（三）氧化磷酸化抑制剂1．电子传递抑制剂抑制NADH→CoQ的电子传递。阿米妥、鱼藤酮。抑制复合物III。抗霉素A。抑制复合物IV。如：CO、CN、NaN3、H2S。电子传递抑制剂可用来研究呼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，氧一侧均为氧化态，可用分光光度计检测。第四十页，共八十一页，编辑于2023年，星期三第四十一页，共八十一页，编辑于2023年，星期三2．磷酸化抑制剂与F0结合结合，阻断H+通道。如：寡霉素。3．解偶联剂（uncoupler）解偶联蛋白(uncouplingproteins,UCPs)：位于动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体，与维持体温有关。质子载体：DNP、FCCP。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。第四十二页，共八十一页，编辑于2023年，星期三四、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：①环形DNA；②70S核糖体；③RNA聚合酶被溴化乙锭抑制，不被放线菌素D所抑制；④tRNA和氨酰基-tRNA合成酶不同于细胞质中的；⑤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。第四十三页，共八十一页，编辑于2023年，星期三mtDNA的遗传密码与通用的遗传密码的区别：UGA不是终止信号，而是色氨酸的密码。多肽内部的甲硫氨酸由AUG和AUA两个密码子编码；起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四个密码子编码；AGA,AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，因而，在线粒体密码系统中的4个终止密码子（UAA，UAG，AGA，AGG）。第四十四页，共八十一页，编辑于2023年，星期三五、线粒体的增殖线粒体来源于已有的线粒体的分裂。间壁分离：分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分为两个，常见于鼠肝和植物分生组织中。收缩后分离：通过中部缢缩分裂为两个。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。第四十五页，共八十一页，编辑于2023年，星期三线粒体分裂狗心肌细胞线粒体新生鼠肝细胞线粒体213第四十六页，共八十一页，编辑于2023年，星期三第二节叶绿体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。绿色植物年产干物质达1014公斤。光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉。第四十七页，共八十一页，编辑于2023年，星期三第四十八页，共八十一页，编辑于2023年，星期三一、形态与结构象双凸或平凸透镜，长径5~10um，短径2~4um，厚2~3um。叶肉细胞一般含50~200个叶绿体，占细胞质的40%。由外被（chloroplastenvelope）、类囊体（thylakoid）和基质（stroma）3部分组成。含有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。第四十九页，共八十一页，编辑于2023年，星期三第五十页，共八十一页，编辑于2023年，星期三Chloroplast第五十一页，共八十一页，编辑于2023年，星期三双层膜组成，膜间为10~20nm的间隙。外膜的渗透性大。内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O、等可以透过内膜，ADP、ATP、NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（translator）才能通过内膜。（一）叶绿体外被第五十二页，共八十一页，编辑于2023年，星期三是膜围成的扁平囊。主要成分是蛋白质和脂类（60：40），不饱含脂肪酸含量高（约87%），膜流动性高。基粒：扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含40~60个。基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。膜的内在蛋白主要有：细胞色素b6／f复合体、集光复合体（LHC）、质体醌（PQ）、质体蓝素（PC）、铁氧化还原蛋白（FD）、黄素蛋白、光系统I、II复合物等。（二）类囊体第五十三页，共八十一页，编辑于2023年，星期三是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羧化酶占基质可溶性蛋白总量的60%。叶绿体DNA、蛋白质合成体系：如，ctDNA、各类RNA、核糖体等。一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。（三）基质第五十四页，共八十一页，编辑于2023年，星期三二、光合磷酸化作用机理首先光能转化成电能，经电子传递产生ATP以及NADPH形式的不稳定化学能，最终转化成稳定的化学能储存在糖类化合物中。分为光反应和暗反应，前者需要光，涉及水的光解和光合磷酸化。后者不需要光，涉及CO2的固定，分为C3和C4两类。第五十五页，共八十一页，编辑于2023年，星期三（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，比例约为3:1。叶绿素分为a、b，比例约为3:1。全部叶绿素和几乎所有的类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中，与蛋白质以非共价键结合。-CHOinchlb第五十六页，共八十一页，编辑于2023年，星期三2．集光复合体（LHC）由大约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。第五十七页，共八十一页，编辑于2023年，星期三3．光系统Ⅱ（PSⅡ）：P680至少包括12条多肽链。位于基粒于基质非接触区域的类囊体膜上。包括一个集光复合体Ⅱ、一个反应中心和一个含锰原子的放氧复合体（oxygenevolvingcomplex）。4．细胞色素b6/f复合体(cytb6/fcomplex)可能以二聚体形成存在，每个单体含有四个不同的亚基。5．光系统Ⅰ（PSI）：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I和作用中心构成。第五十八页，共八十一页，编辑于2023年，星期三非循环式光合磷酸化第五十九页，共八十一页，编辑于2023年，星期三循环式光合磷酸化第六十页，共八十一页，编辑于2023年，星期三两个光系统的协调作用第六十一页，共八十一页，编辑于2023年，星期三（二）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+（pH≈5，基质pH≈8），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。第六十二页，共八十一页，编辑于2023年，星期三Electrontransportinthethylakoidmembrane第六十三页，共八十一页，编辑于2023年，星期三第六十四页，共八十一页，编辑于2023年，星期三线粒体与叶绿体的相似性：①均由两层膜包被，内外膜的性质、结构有显著的差异。②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。③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。三、叶绿体的半自主性第六十五页，共八十一页，编辑于2023年，星期三第六十六页，共八十一页，编辑于2023年，星期三四、叶绿体的增殖在个体发育中叶绿体由原质体发育而来。在有光条件下原质体的小泡数目增加并融合形成片层，发育为基粒，形成叶绿体。在黑暗生长时，原质体小泡融合速度减慢，并转变为排列成网格的三维晶格结构，称为原片层，这种质体称为黄色体。在有光下仍可发育为叶绿体。幼小叶绿体能靠分裂而增殖。成熟叶绿体一般不再分裂或很少分裂。第六十七页，共八十一页，编辑于2023年，星期三第六十八页，共八十一页，编辑于2023年，星期三第六十九页，共八十一页，编辑于2023年，星期三第三节线粒体与叶绿体的

蛋白质定向转运第七十页，共八十一页，编辑于2023年，星期三一、线粒体蛋白质的转运线粒体具有1000多种蛋白质，其自身合成的仅十余种，因此大量蛋白质是在细胞质中合成的。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。第七十一页，共八十一页，编辑于2023年，星期三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（signalpeptidase）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：多位于肽链的N端，由大约20个氨基酸构成；形成一个两性α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有特异性要求。第七十二页，共八十一页，编辑于2023年，星期三MitochondrialerImport第七十三页，共八十一页，编辑于2023年，星期三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