第六章 细胞的能量转换─线粒体与叶绿体-2013

第六章细胞的能量转换─

线粒体和叶绿体线粒体与氧化磷酸化叶绿体与光合作用线粒体和叶绿体是半自主性细胞器线粒体和叶绿体的增殖与起源线粒体和叶绿体的共性：

-呈封闭的双层膜结构

-高效产生ATP的精密装置

-均具有环状DNA及自身转录与翻译系统

-半自主性的细胞器第一节线粒体与氧化磷酸化

-1890年德国生物学家Altmann在动物细胞中发现bioblast（生命小体）

-1897年Benda命名它为mitochondrion即线粒体

-1900年Michaelis

证实线粒体可进行氧化还原反应

-1913年Engelhardt

证明磷酸化和氧化作用相偶联一、线粒体的形态结构

-形态：环形、哑铃形、线状

-大小：直径为0.5~1.0微米，长度1.5~3.0微米

-数目与分布：0~几十万个新陈代谢旺盛的细胞中较多，分布不均匀，往往在细胞代谢旺盛的需能部位比较集中。二线粒体的超微结构外膜(outermembrane):

厚约6nm，含大量通道蛋白-孔蛋白,高通透性内膜(innermembrane):

厚约6~8nm，含有心磷脂，缺乏胆固醇.形成通透性屏障，内膜向线粒体内室折叠形成嵴（cristae).

嵴上有基粒(F1颗粒，F1、柄部、F0）.H+、ATP、丙酮酸等在载体或通透酶系统协助下跨膜运输.

内外膜间有接触点.

膜间隙(intermembranespace):位于内外膜之间宽6~8nm

基质（matrix)或内室:含有多种酶、环状DNA、

RNA等二、线粒体的化学组成及酶的定位（一）、线粒体的化学组成成分：蛋白质和脂质蛋白质：可溶性蛋白多数是基质中的酶和膜的外周蛋白。不溶性蛋白是膜的镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白。电泳分析：外膜上含14种蛋白质，内膜上含21种蛋白质。脂质主要是磷脂，外膜主要为磷脂酰胆碱，内膜含大量心磷脂，高达20%，与内膜的高度疏水性有关.（二）、线粒体酶的定位

140余种酶，37%是氧化还原酶，10%是合

成酶，9%是水解酶，标志酶约30种部位酶的名称部位酶的名称外膜单胺氧化酶膜间隙腺苷酸激酶内膜细胞色素氧化酶基质苹果酸脱氢酶三、线粒体的功能

主要功能是三羧酸循环及氧化磷酸化,合成ATP,为细胞生命活动提供直接能量.

真核细胞中的氧化作用糖的有氧氧化(细胞氧化或生物氧化):-糖氧化成丙酮酸

-丙酮酸脱羧生成乙酰CoA

-乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化

葡萄糖酵解生成丙酮酸

细胞质中的葡萄糖(或糖原)在一系列酶的催化下生成丙酮酸的过程成称为糖酵解(glycolysis)。线粒体基质中乙酰辅酶A的生成

-丙酮酸跨膜进入线粒体基质；

-在丙酮酸脱氢酶(pyruvate

dehydrogenase)作用下氧化成乙酰辅酶A。

呼吸链与电子传递

线粒体能量转换策略

三羧酸循环中的能量转换

NAD+→NADHFAD+→FADH2

NADH和FADH2必须被氧化才能维持三羧酸循环

NADH+1/2O2→NAD++能量

FADH2+1/2O2→FAD++能量

NADH和FADH2被氧化时释放的H+、电子和能量如何安置?呼吸链(respiratorychain)-又称电子传递链,是四种复合物组成的复合体

-功能是参与对还原型辅酶的氧化

H+的传递电子传递另外,线粒体还有以下功能:-氧自由基的生成

-细胞程序性死亡

-细胞的信号转导

-离子的跨膜转运

-细胞中Ca2+的调节（一）线粒体中的氧化代谢动物线粒体内膜中的NADH脱氢酶只能接受来自线粒体基质中的NADH上的电子.

糖酵解产生的NADH的电子通过两条穿梭途径进入线粒体.1.苹果酸-天冬氨酸穿梭途径,进入线粒体基质的电子传递给NAD+生成NADH.NADH直接将电子传递到呼吸链.2.甘油-3-磷酸穿梭途径,进入线粒体基质中的电子转移给FAD,使还原为FADH.(二)电子传递链（呼吸链）与电子传递线粒体内膜上的呼吸链是典型的多酶氧化还原体系，可逆地接受和释放电子或H+,由多个组分组成。参加呼吸链的氧化还原酶有：

（1）烟酰胺脱氢酶类（2）黄素脱氢酶类（3）铁硫蛋白类（4）辅酶Q类（5）细胞色素类

电子载体有5种:-黄素蛋白:NADH脱氢酶,琥珀酸脱氢酶.接受和传递2个电子和质子

-细胞色素:含铁血红素,细胞色素b,c,c1,a和a3,传递单个电子.靠Fe3+-Fe2+的变换传递单个电子.-泛醌(辅酶Q):可携带电子和质子

-铁硫蛋白:含非红素铁的蛋白质.靠Fe3+-Fe2+的变换传递电子

-铜原子:通过Cu2+和Cu+的变换传递电子

呼吸链中的电子载体严格按氧化还原电位从低向高排列.NAD+/NADH最低,O2/H2O最高.Green等人首先将呼吸链拆离成4种复合物（Ⅰ-Ⅳ）以及辅酶Q和细胞色素c。复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶，二聚体，每一单体含一个黄素单核苷酸（FMN）和至少6个铁硫蛋白。既是电子传递体又是质子移位体。复合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶，又称琥珀酸脱氢酶，含一个黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、2个铁硫蛋白、1个细胞色素b。不能使质子跨膜移位。复合物Ⅲ：CoQ-细胞色素c还原酶，二聚体。每一单体含2个细胞色素b（b562,b566）1个细胞色素c1和1个铁硫蛋白。既是电子传递体又是质子移位体。复合物Ⅳ：细胞色素氧化酶，二聚体。每一单体含细胞色素a和a3及2个铜原子（CuA,CuB)。既是电子传递体又是质子移位体目前普遍认为，细胞内有两条典型的呼吸链：

NADH呼吸链和FADH2呼吸链。

复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成主要的NADH呼吸链；催化NADH的氧化；

复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成FADH2呼吸链，催化琥珀酸(FADH2)的氧化。(三)线粒体内膜电化学梯度的建立

Electrochemicalgradient

质子梯度

内膜两侧电位差

proton-motiveforce(质子动势)呼吸链各组分有序排列，使电子按氧化还原电位从低向高传递，能量逐级释放.该释放的自由能将线粒体基质中的H+转移到膜间隙.呼吸链中的复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ都是质子泵，可将质子有机质转移到膜间隙，形成质子动力势（proton-motiveforce），驱动ATP的合成，人为提高线粒体膜间隙的质子浓度，能使线粒体合成ATP。(四)ATP形成机制-氧化磷酸化

ADPATP:磷酸化

ATP合酶的分子结构与组成

-ATP合酶或F1F0-ATP酶。是生物体能量转换的核心酶。该酶参与氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜质子动力势的推动下催化合成ATP。

-其分子结构由突出于膜外的F1头部和嵌于膜内的F0

基部两部分组成。ATP合酶的结构分子量500KD，状如蘑菇。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP，转运质子

-F1（F1偶联因子）：头部,水溶性球蛋白，从内膜突出于基质内，较易从膜上脱落。牛心线粒体ATP酶的F1部分由3α、3β、1γ、1δ、1ε9个亚基组成。

-各亚基分离时无酶活性，结合时有酶活性。

-α和β亚基上均具有核苷酸结合位点，其中β亚基的结合位点具有催化ATP合成或水解的活性。

-动物线粒体F1还有抑制蛋白，专一地抑制F1-ATP酶的活力，但不抑制ATP合成。

-γ和ε有很强的亲和力，结合在一起形成“转子”，共同旋转以调节3个β催化位点的开放和关闭。

-ε亚基有抑制酶水解ATP的活性。同时有减少H+泄漏的功能。ATP合酶ATP合酶F0（偶联因子F0)：嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道(F型)二聚体排列在c亚基12聚体形成的环的外侧，a亚基、b亚基二聚体和δ亚基共同组成“定子”。F0中的一个亚基可结合寡霉素，通过该亚基可调节通过F0的H+流。F1和F0通过“转子”和“定子”将两部分连接起来，在合成或水解ATP的过程中，“转子”在通过F0的H+流推动下旋转，依次与3个β亚基作用，调节β亚基催化位点的构象变化；“定子”在一侧将α3β3与F0连接起来。F0的作用之一，就是将跨膜质子动力势转换成扭力矩，推动“转子”旋转。

氧化磷酸化作用与电子传递的偶联氧化还原的本质是电子的转移。氢质子的转移其本质也是电子转移。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，这一过程称为氧化磷酸化。NADH呼吸链生成ATP的3个部位是：

-NADH至辅酶Q-细胞色素b至细胞色素c-细胞色素a至氧各生成1分子ATP,共3分子ATP.FADH2呼吸链只生成2分子ATP.

氧化磷酸化的偶联机制化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说呼吸链的各组分在线粒体内膜中的分布是不对称的，当高能电子在膜中沿呼吸链传递时，所释放的能量将H+从内膜基质侧泵至膜间隙，由于膜对H+是不通透的，从而使膜间隙的H+浓度高于基质，因而在内膜的两侧形成电化学质子梯度，也称为质子动力势。在这个梯度驱动下，H+通过内膜上的ATP合酶流回到基质，其能量促使ADP和Pi合成ATP。化学渗透假说有两个特点：一是强调线粒体膜结构的完整性。二是定向的化学反应。ATP合成的反应也是定向的。可以把线粒体内膜中的呼吸链看作是质子泵，在电子经呼吸链传递给氧的过程中，可把基质中的H+泵至膜间隙。

ATP合酶的作用机制美国生物化学家Boyer提出的ATP合酶的结合变化和旋转催化机制得到实验证据的支持。(构象耦联假说)三、线粒体与疾病-线粒体是细胞内最易受损伤的一个敏感的细胞器-线粒体病是指那些在病变细胞内较早出现的线粒体极为明显异常的病理变化。-克山病是一种心肌线粒体病。它是以心肌损伤为主要病变的地方性心肌病，因营养缺乏（缺硒）而引起。硒对线粒体膜有稳定作用，患者因缺硒而导致心肌线粒体出现膨胀、嵴稀少和不完整等。-人体细胞中线粒体数量随年龄增长而减少，体积随年龄增长而增大。-线粒体是细胞内自由基的源泉,是决定细胞衰老的生物钟。-线粒体通过释放细胞色素c参与细胞凋亡。第二节叶绿体与光合作用-叶绿体的形态结构-叶绿体的化学组成-叶绿体的主要功能——光合作用一叶绿体的形态结构形状、大小和数目：椭圆形或卵圆形，直径4~6微米,高等植物每个叶肉cell含有50~200个叶绿体的结构和化学组成叶绿体膜叶绿体膜具有控制代谢物进出叶绿体的功能内膜对物质透过的选择性强，是细胞质和叶绿体基质间的功能屏障

内膜有特殊载体—转运体化学组成：蛋白质和磷脂为主、酶类有ATP酶等类囊体（基质类囊体和基粒类囊体）类囊体的垛叠是动态的，即垛叠与非垛叠是可逆发生的相邻基粒经网管状或扁平状的基质类囊体相连，使类囊体腔彼此相通。

类囊体膜集中了光合作用能量转换功能的全部组分。包括：捕光色素（天线色素）、两个光反应中心、各种电子载体、合成ATP的系统和从水中抽取电子的系统。分别装配在光系统Ⅰ（PSⅠ）、光系统Ⅱ（PSⅡ）、细胞色素bf、CF0-CF1ATP酶等重要的膜蛋白复合物中。

CF0-CF1ATP酶是由跨膜的H+通道CF0和在类囊体膜基质侧起催化作用的CF1两部分组成。叶绿体的CF1激活需有-SH基化合物，同时需要Mg2+,寡霉素对CF1无抑制作用。这些复合物在内囊体膜中呈不对称分布。见图化学组成：蛋白质和脂类CF1是一种外在蛋白两种叶绿素-蛋白质复合物（CPⅠCPⅡ）是内在蛋白质

基质的化学组成可溶性蛋白和其他代谢活跃物质。其中RuBP羧化酶(羧基歧化酶

)占类囊体可溶蛋白的80%环状RuBP羧化酶由8个大亚基（LSU）和8个小亚基(SSU）组成，酶的活性中心位于大亚基上，小亚基只具有调节功能。大亚基是由叶绿体基因组编码，小亚基是由核基因组编码。

基质中还含有环状DNA、RNA（rRNA、tRNA、mRNA）、核糖体、脂滴、植物铁蛋白和淀粉粒等。基质（含有RNA和DNA）进行光合作用

光反应

1、原初反应

2、光合作用中的电子传递

3、光合磷酸化

暗反应：羧化阶段、还原阶段、RuBP再生阶段叶绿体中ATP合成的机制与线粒体十分相似。不同点：叶绿体中，每3个H+穿过CF1-CF0ATP酶，生成1个ATP分子；在线粒体中，每2个H+穿过F1-F0ATP酶，生成1个ATP分子叶绿体的主要功能一、线粒体和叶绿体的DNA1、线粒体DNA和叶绿体DNA都呈双链环状。

2、分子量或长度有差异人mtDNA有16569bp,

是迄今为止所知最小的mtDNA,其一级结构含有37个结构基因,每个线粒体中含有6个mtDNA,

每个叶绿体中含有12个ctDN