《细胞生物学》教案-细胞7章线粒体和叶绿体12

《细胞生物学》教案 （第12次课2学时）第七章细胞的能量转换—线粒体和叶绿体[教学要求]2.1知识目标1.掌握线粒体与叶绿体的形态结构与生物学功能；2.理解线粒体与叶绿体的半自主性；3.了解线粒体与叶绿体的增殖与起源的两种假说。2.2能力目标1.讲解线粒体和叶绿体的产能图；2.用思维导图总结本章内容。2.3德育目标1.叶绿体时世界上成本最低，但是创造物质财富最多的工厂，使学生掌握叶绿体这一细胞器普通而又不平凡的特性，引导学生向叶绿体一样，在普通岗位上争取实现不平凡的人生价值；线粒体是细胞中制造能量的结构，体积虽小，但是大量的线粒体为细胞提供了直接的能量来源，引导学生把崇高的理想信念和道德品质追求融入日常的工作生活，每个人的力量虽小，但是大量个体的积累，就能为社会提供源源不断的“正能量”。[教学重点]线粒体、叶绿体的超微结构化学渗透学说线粒体、叶绿体的半自主性[教学难点]线粒体、叶绿体的超微结构及功能的关系[教学时数]2学时[主要内容]7.1线粒体与氧化磷酸化7.2叶绿体与光合作用7.3线粒体和叶绿体的半自主性及其起源[参考资料]翟中和．细胞生物学，第五版．北京：高等教育出版社，2020．[教学内容]线粒体(Mitochodria)和叶绿体(Chloroplasts)都是产能细胞器；线粒体存在于所有真核细胞(eukaryoticcells)中，叶绿体存在于植物细胞(plantcells)中，学习这章要理解线粒体与叶绿体的结构及其功能的关系。Mit:Oxidativephosphorylation→ATPChl:Photosynthesis→ATP+NADPH（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）（这两种是不稳定的高能化合物）→Sugar，lipide,protein(叶绿体通过光合作用把光能转换为化学能，并储存于糖类、脂类、蛋白质等大分子有机物中)线粒体和叶绿体是半自主性细胞器，它们都有自身的基因组，信息量有限，其编码出的蛋白并不足以完成能量转换，因此需要核基因与其共同完成；线粒体和叶绿体蛋白装配问题，有些蛋白是在核基因编码，在细胞质合成，然后再如何分选进入线粒体和叶绿体；线粒体与叶绿体的增殖（即个体的发生）与起源（系统发生，进化问题）线粒体与氧化磷酸化1890年R.Altaman首次发现，命名为生命小体（bioblast）；1897年vonBenda提出mitochondrion；1900年L.Michaelis(米凯利斯)用JanusGreenB(詹纳斯绿B，詹姆斯绿B）染色，发现线粒体具有氧化作用；1904年，Meves在植物细胞中发现了线粒体；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；Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体；Mitchell提出氧化磷酸化的化学耦连学说；1950s，电镜观察线粒体精细结构；1960s，确定线粒体内有DNA存在；1980s,“线粒体学”学科；1990s，“线粒体医学”线粒体的基本形态及动态特征（一）线粒体的形态、分布及数目外形：具有多变性，可呈线状、粒状、哑铃状、环形和圆柱形等大小：直径为0.5～1μm，长为2～3μm数目：动物细胞较植物细胞多，但人成熟红细胞中无线粒体；代谢旺盛的细胞中较多分布：集中在细胞功能旺盛区域；迁移时以微管为导轨，由马达蛋白提供动力（线粒体是一个动态细胞器，在生活细胞中具有多形性、易变性、运动性和适应性等特点，其形态、大小、数量与分布在不同细胞内变动很大，即使在同一细胞，随着代谢条件的不同也会发生变化。）线粒体的大小和数量反映了细胞的活动对能量需求；例如：骨骼肌横纹肌细胞；精子的头部和尾部；肌纤维中间夹杂的线粒体；肌纤维周围围绕着大量线粒体（二）线粒体的融合和分裂线粒体在细胞中通过频繁分裂和融合来调控其形态和数目不同线粒体间可通过分裂和融合来共享遗传信息洋葱表皮细胞内线粒体在1min时间内相继发生融合与分裂的偶联图（Arimura等使用可变色荧光蛋白(Kaide)标记线粒体；频繁的融合与分裂可能帮助线粒体共享遗传信息）（三）线粒体融合和分裂的分子及细胞生物学基础1.线粒体融合和分裂的分子生物学基础（1）调控线粒体融合的基因(Fzo:fuzzyonion,模糊的葱头）在酵母和哺乳动物中（线粒体融合素）普遍存在，其编码跨线粒体外膜的大分子GTPase，介导线粒体融合；突变，导致线粒体只分裂不聚合，造成线粒体数目增加、体积减小，出现线粒体片段化现象。（2）调控线粒体分裂的基因在动植物中普遍存在，其编码的一类发动蛋白（dynamin）也是一类大分子GTPase，它们多以可溶性蛋白的形式存在于细胞质中。这类发动蛋白通过Mdv1这一“桥”蛋白连接到线粒体外膜蛋白Fis1上，组装成环线粒体的纤维状结构，在其他膜间隙及内膜蛋白的协同作用下，使内膜发生环形缢裂，从而使线粒体一分为二。2.线粒体融合和分裂的细胞生物学基础线粒体融合装置：当线粒体融合时，线粒体融合素家族的GTPase均匀分布于线粒体外膜之外，但并未观察到实际结构线粒体分裂环分为外环和内环，外环位于线粒体外膜的细胞质面，内环则位于线粒体内膜的线粒体基质内。分裂时内、外膜同时发生内陷，并在内陷处断裂。线粒体的超微结构1.（基质对完成线粒体的功能是非常关键的，糖酵解是发生在细胞质基质中的，糖酵解的产物是丙酮酸，丙酮酸作为底物要进入线粒体要经过三羧酸循环，结果产生NADH；三羧酸循环是葡萄糖有氧彻底氧化的一个环式反应系列，它进入的底物是糖酵解的产物丙酮酸，然后丙酮酸进入线粒体完成三羧酸循环，使底物彻底氧化，变成二氧化碳和水）2.线粒体内外膜之间的空隙，称为膜间隙；内膜所包围的嵴外空间，称为线粒体基质（紫色部分）；在线粒体基质中，朝向线粒体基质定位在内膜上的有ATP合成酶（基粒）；在线粒体基质空间，有线粒体自身的基因组，裸露的双链环状DNA,不与组蛋白结合；还有核糖体，其形态、大小、沉降系数（70S）与细菌类似;（线粒体的模式图；横切面;扫描电镜照片）Outermembrane:containschannel-formingprotein,calledPorin(孔蛋白).Permeabletoallmoleculesof5000daltonsorless（外膜通透性大）Innermembrane(Impermeability，不透性):Containsproteinswiththreetypesoffunctions:=1\*GB2⑴Electron-transportchain:Carryoutoxidationreactions;（电子传递链）=2\*GB2⑵ATPsynthase:MakesATPinthematrix;（ATP合成酶）=3\*GB2⑶Transportproteins:Allowthepassageofmetabolites(代谢产物);（转运蛋白）Intermembranespace:ContainsseveralenzymesuseATPtophosphorylateothernucleotides.（这些酶通过催化ATP使其他核苷酸分子磷酸化）Matrix:Enzymes;MitDNA,Ribosomes,etc.（基质中的酶类最多，在线粒体内部完成三羧酸循环、脂肪酸β氧化、氨基酸氧化等，使底物彻底氧化；还含有线粒体的遗传系统）3.Localizationofmetabolicfunctionswithinthemitochondrion:Outermembrane:Phospholipidsynthesis(磷脂合成);fattyaciddesaturation（脂肪酸链去饱和）;fattyacidelongation（脂肪酸链延长）;Marker:monoamineoxidase（单胺氧化酶）;Innermembrane:Electrontransport（电子传递）;Oxidativephosphorylation;Metabolitetransport;Cardiolipin（心脂质,心肌磷脂）/TPL（总磷脂）(20%);Marker:cytochromeoxidase（细胞色素氧化酶）;Intermembranespace:Nucleotidephosphorylation（核苷酸的磷酸化）;Marker:adenylatekinase（腺苷酸激酶）Matrix:Pyruvateoxidation（丙酮酸氧化作用）;TCAcycle（三羧酸循环，柠檬酸循环）;βoxidationoffats（脂肪酸的β氧化）;DNAreplication;RNAtranscription,Proteintranslation;Marker:MDH（苹果酸脱氢酶）（基质对完成线粒体的功能是非常关键的，糖酵解是发生在细胞质基质中的，糖酵解的产物是丙酮酸，丙酮酸作为底物要进入线粒体要经过三羧酸循环，结果产生NADH；三羧酸循环是葡萄糖有氧彻底氧化的一个环式反应系列，它进入的底物是糖酵解的产物丙酮酸，然后丙酮酸进入线粒体完成三羧酸循环，使底物彻底氧化，变成二氧化碳和水。）人淋巴细胞线粒体（A）、拟南芥幼叶线粒体（B）的超微结构及线粒体超微结构的模式图（C）亚线粒体小泡形成（A）及ATP合酶的分子结构模型（B）（SpecificfunctionslocalizedwithintheMitbydisruptionoftheorganelleandfractionation）(将线粒体放在低渗溶液中，线粒体中的水分子向外跑，线粒体胀大，外膜可塑性不大，先破裂，内膜可塑性大，不破裂；通过离心分离出外膜（膜空间的内容物流出）和其他，把其他在转入高渗溶液中，使内膜又缩回去，内膜用去垢剂处理（降解内膜），离心后，就得到内膜和基质两部分；总之用差速离心方法分离线粒体各部分)氧化磷酸化线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。（一）ATP合酶1.结构模型左图为电镜下照片，头部、颈部、基部头部是F1颗粒，催化亚单位的部分，即催化ADP磷酸化，一共有5种亚基，3α:3β：1γ：1δ：1ε，头部朝向线粒体基质；F0区指ATP合成酶以疏水蛋白为主的跨膜区，由a,b,c3种亚基以ab2c10-12的比例组成的一个跨膜质子通道。2.F1具有合成ATP酶的功能证明F1在内膜上的功能主要看两个方面：一是有无电子传递的功能；二是是否催化ATP的合成；(将完整的线粒体进行裂解，内膜上形成一些内膜小泡，小泡上的黑点部分就代表ATP合成酶的F1（可溶性部分），发现F1能合成ATP,但不能水解ATP；进一步分离成解离的ATP酶和解离下来的内膜小泡，则合成的功能没了，但具备水解的功能；通过离心分离这两部分，发现内膜小泡只有电子传递的功能，ATP合成酶只能水解ATP；如果将这两部分再重组，则同时恢复了电子传递和合成ATP的功能，没有水解ATP的功能；)3.ATP酶的结合变构模型和旋转催化(Boyer,1979)L:松弛构象T:紧密构象O:开放构象γ亚基相当于定子，周围亚基相当于转子；F1上有三个不同的腺嘌呤核苷酸结合位点，每一个β亚基中有一个。有三种状态（open,tight,loose）,在旋转过程中，使ADP+Pi变成ATP，进入open状态，ATP释放，60度旋转后变成loose状态；随后就变成open的状态；旋转催化的直接证据组氨酸与镍膜紧密结合，actin微丝加到γ亚基上，加ATP后，看到旋转，即将转子固定，定子做相对运动ATP合成酶是逆时针旋转，质子从膜间空间到基质；ATP水解酶是顺时针旋转，质子从基质到膜间空间；因此ATP的合成是质子驱动的耦联性的过程，是可逆的过程质子驱动力1.质子驱动力合成ATP之前质子的定向转移和电子传递，要形成一个质子驱动力；靠电位梯度，使ATP出去，ADP进来；丙酮酸进来是顺着质子梯度进到基质（协同运转）；磷酸基团也是顺着质子梯度进到基质，为ATP合成提供原料；）（钙离子调节问题：电子传递过程中，质子定向位移，还涉及到其他钙离子的运动，内质网中可以储存钙离子）2.线粒体产能原理线粒体产能（ATP）的原理示意图（糖酵解的产物丙酮酸pyruvate、脂肪分解后产生的脂肪酸，作为底物通过外膜和内膜上的转运蛋白运到线粒体基质，丙酮酸和脂肪酸在进入三羧酸循环之前，必须形成乙酰辅酶A,乙酰CoA是所有有机物代谢成小分子后进入TCA最基础的原料，TCA的结果是产生NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸），NADH脱氢变成NAD+，脱下的氢一个代表质子，另一个代表两个电子；NADH→NAD++H++2e-）（质子的运动：质子在线粒体内膜上，有一个电子传递链，由几个复合物构成，其中大部分都有质子泵的作用，它从基质一侧定向转移到膜间空间一侧，形成质子的跨膜梯度，就形成了PH梯度，外面质子浓度高，里面质子浓度低；）（电子的运动：电子通过脱氢后，解离出的电子以高能电子的形式通过电子传递链传递，逐渐传递能量逐渐释放，最终交给电子的受体O2,形成H2O;质子梯度再通过ATP合成酶从膜间隙回到基质，使ADP磷酸化产生ATP,ATP可以出线粒体外膜外再整个做功，外面的ADP可以进来，这些交换运输都需要靠内膜上的转运蛋白；）（TCA产生的CO2释放出来，消耗的O2生成H2O，这些都是在质子定向转移、质子驱动下的ATP合成，电子的传递与之密切相关）3.氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透假说(chemiosmoticcouplinghypothesis)就是解释线粒体如何产生能量的提出：1961年英国生物化学家P.Mitchell提出的解释释氧化磷酸化偶联机理的假说。主要论点：电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，形成H+电化学梯度。在这个梯度驱使下，H+穿过ATP合成酶回到基质，同时合成ATP,电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。（该学说认为:在电子传递过程中,伴随着质子从线粒体内膜的里层向外层转移,形成跨膜的氢离子梯度,这种势能驱动了氧化磷酸化反应(提供了动力),合成了ATP。这一学说具有大量的实验证明，得到公认并获得了1978年诺贝尔奖。化学渗透学说可以很好地说明线粒体内膜中电子传递、质子电化学梯度建立、ADP磷酸化的关系。）主要证据：电子传递形成的电子流能从线粒体内膜逐出H+；携带质子过膜的载体如2,4-二硝基苯酚可消除跨膜的质子浓度梯度差；实际测算膜间隙的pH值较线粒体基质中低1.4个单位；人工构建的含ATP合成酶和细菌视紫红质（一种光驱动的质子泵）的脂质体，在提供光、ADP、Pi和H+条件下可合成ATP支持化学渗透假说的实验证据如果把bacteriorhodopain细菌视紫质提取出来，提取时加上去垢剂将细菌膜融掉，用透析法把去垢剂去掉，加上纯化的ATP合成酶，加上phospholioid磷脂酶，磷脂分子装配形成一个封闭的小泡，ATP酶装配上去，膜上再装配一个细菌视紫质（本身是一个质子通道），在光照的作用下，使质子定向转移，从外面转到紫质体小泡里面，就产生了跨膜的质子梯度，里面的质子浓度高，就通过ATP合成酶出去，使ADP磷酸化变成ATP）(如果去垢剂不完全去除，会发生什么？不能形成ATP4.生物氧化产生ATP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个ATP（细胞质）；己糖分子活化消耗2ATP（细胞质）；产生2NADH，经电子传递产生3或5ATP（线粒体）净积累5或7ATP;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3ATP.总计:生成30或32ATP电子传递链电子传递链中的各组分，并不是游离存在的，当破坏了线粒体内膜后，可分离出4种膜蛋白复合物，分别被命名为复合物=1\*ROMANI、=2\*ROMANII、=3\*ROMANIII、=4\*ROMANIV.复合物Ⅰ：NADH脱氢酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白作用：使NADH脱氢变成NAD+；使四个质子通过质子泵从基质到膜间空间；复合物Ⅱ：琥珀酸脱氢酶（是电子传递体而非质子移位体）是三羧酸循环中位移一种结合在膜上的酶，是一种跨膜蛋白复合物；组成：含FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）辅基，2Fe-S中心作用：催化2低能电子→FAD→Fe-S→泛醌(无H+泵出)复合物Ⅲ：细胞色素还原酶（既是电子传递体又是质子移位体）细胞色素c并不是一个膜的整合蛋白，它是在内膜的膜间空间一侧，它是小分子，可以运动来转移电子；组成：包括1cytc1、1cytb、1Fe-S蛋白作用：催化电子从泛醌UQH2→cytc和H+从基质到膜间隙的