第六章線粒體與葉綠體

1、第六章線粒體與葉綠體,一、線粒體,1857年，昆蟲肌肉細(xì)胞比較經(jīng)典的染色方法詹納斯綠活體染色，在線粒體中呈氧化態(tài)，染成蘭綠色，在胞質(zhì)中呈還原態(tài)，無(wú)色。現(xiàn)在可用熒光染料染色的方法顯示,1.線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布,形態(tài)：多樣，但多呈短線狀或顆粒狀，也可呈環(huán)形、啞鈴形、分枝狀或其他形狀。 大小：因細(xì)胞類型和生理狀況不同而異，一般長(zhǎng)1.53.0um，寬0.51.0um,數(shù)量：因細(xì)胞類型和生理狀況不同而異，且相差懸殊。 肝細(xì)胞2000個(gè)，腎細(xì)胞400個(gè)，精子25個(gè)。 分布：與細(xì)胞內(nèi)的能量需求密切相關(guān)，在細(xì)胞內(nèi)位置可固定、可移動(dòng)。 線粒體的融合與分裂：線粒體形態(tài)調(diào)控的基本方式，也是線粒體數(shù)目調(diào)控的

2、基礎(chǔ),2. 線粒體的超微結(jié)構(gòu),外膜：?jiǎn)挝荒ぃ秸饣?，有彈性，上有排列整齊的筒狀圓柱體，成分為孔蛋白，孔徑23nm，MW10000的小分子物質(zhì)可自由通過(guò)。 內(nèi)膜：內(nèi)突為嵴，嵴上有大量基粒（ATP合成酶）（負(fù)染方法可見），標(biāo)志酶細(xì)胞色素氧化酶。氧化磷酸化的關(guān)鍵場(chǎng)所,嵴：板層狀，管狀，其形態(tài)、數(shù)量、排列與細(xì)胞種類及生理狀態(tài)有關(guān)。 膜間隙：內(nèi)外膜之間封閉的腔隙，包括孔周間隙和嵴內(nèi)間隙，含可溶性酶、底物及輔助因子。標(biāo)志酶是腺苷酸激酶。 基質(zhì)（內(nèi)室）：含大量可溶性蛋白（脂肪酸氧化、三羧酸循環(huán)酶類），DNA，RNA，核糖體，脂類等，呈均質(zhì)狀，具有特定的pH和滲透壓,3. 線粒體的化學(xué)組成,蛋白質(zhì)：占線粒體

3、干重的6570%，主要在基質(zhì)和內(nèi)膜上。 脂類：占線粒體干重的2530%，大部分為磷脂（卵磷脂、腦磷脂、心磷脂、膽固醇）。 輔助因子：輔酶Q、FMN、FDA、NAD+等。 維生素：VitK、VitE、VitB2、VitB6、VitB12、葉酸、泛酸等。 DNA（1%5%） RNA、核糖體（占0.5,4. 線粒體各部分的分離,組織勻漿 差速離心，分離線粒體 線粒體 低滲、高滲處理，結(jié)合離心，可以得到各組成部分,5. 線粒體主要酶的分布,6. 線粒體的功能氧化磷酸化,三羧酸循環(huán)中的氧化反應(yīng) 電子傳遞 能量轉(zhuǎn)移,1）呼吸鏈（電子傳遞鏈,氧化還原電位，NADHO2，低高 四種重要的復(fù)合物： 復(fù)合物I：N

4、ADH-CoQ還原酶（NADH脫氫酶） 復(fù)合物：琥珀酸-CoQ還原酶（琥珀酸脫氫酶） 復(fù)合物III：CoQ-細(xì)胞色素c還原酶 復(fù)合物IV：細(xì)胞色素氧化酶,通過(guò)以上復(fù)合物I、III、IV時(shí)都有一個(gè)大的氧還電位變化，認(rèn)為是質(zhì)子泵的部位。 電子傳遞認(rèn)為是分子隨機(jī)碰撞的結(jié)果，CoQ可在膜內(nèi)自由擴(kuò)散，作為復(fù)合物I和III之間的媒介，Cyt-C分子量不大，運(yùn)動(dòng)快，作為復(fù)合物III和IV之間的媒介,2）質(zhì)子動(dòng)力,膜兩側(cè)的電位差和pH差pH 質(zhì)子動(dòng)力P = - 59pH （單位為mV） 線粒體中， = -160mV，pH 1，基質(zhì)pH8，膜間腔pH（胞質(zhì)溶液）7,3）ATP的合成,ATP合成酶的分子結(jié)構(gòu)與組成

5、 ATP合成酶（F1F0-ATP酶）：由多亞基組成，由突出于膜外的F1頭部和嵌于膜內(nèi)的F0基部組成。 亞線粒體顆粒試驗(yàn)：無(wú)F1顆粒的“外翻小泡”不能合成ATP，加入F1顆?？梢院铣葾TP，說(shuō)明F1顆粒具有ATP酶活性,工作特點(diǎn)：可逆性復(fù)合酶，既能利用質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存的能量合成ATP，又能水解ATP將質(zhì)子從基質(zhì)泵到膜間隙。 ATP合成機(jī)制,4）電化學(xué)梯度和物質(zhì)交換,線粒體內(nèi)膜上有多種載體，負(fù)責(zé)物質(zhì)的運(yùn)輸 ADP與ATP的交換 磷酸根與H+、丙酮酸與H+的同向運(yùn)輸,7. 氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制化學(xué)滲透學(xué)說(shuō),由英國(guó)生化學(xué)家米切爾（Mitchell）1961年提出， 1978年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 基本

6、思想：線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈起質(zhì)子泵的作用，利用高能電子傳遞過(guò)程中釋放的能量將H+泵出內(nèi)膜外，造成內(nèi)膜內(nèi)外的一個(gè)H+梯度（嚴(yán)格地講是離子的電化學(xué)梯度），ATP合成酶再利用這個(gè)電化學(xué)梯度來(lái)合成ATP。 這個(gè)學(xué)說(shuō)要求：內(nèi)膜對(duì)H+，OH-，及一般的離子不通透，內(nèi)膜上應(yīng)該有氧化磷酸化和三羧酸循環(huán)的底物的載體,化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)實(shí)驗(yàn)依據(jù),將葉綠體的類囊體在pH4的緩沖液中平衡，然后換成pH8的緩沖液，則有ATP的合成。 重組試驗(yàn)：細(xì)菌紫膜蛋白（一種質(zhì)子泵）+ 心肌線粒體的ATP合成酶 + 脂質(zhì)體光照下，有ATP的合成,8. 線粒體與人類健康,心肌線粒體疾病 克山?。喝蔽?。 線粒體DNA異常遺傳性疾病 線粒體

7、疾病是母系遺傳 目前有50多種，多數(shù)為神經(jīng)肌肉系統(tǒng)疾病 神經(jīng)疾病帕金森病：線粒體功能退行性變化,母系遺傳的研究,線粒體基因變突糖尿?。翰∫蚴蔷€粒體核苷酸3243位由A突變?yōu)镚。目前科研人員已篩查出4297例該病患者，占所篩查糖尿病總?cè)藬?shù)的1.2。 該病為母系遺傳，家系內(nèi)女性患者的子女均可能患病，男性患者的子女均不患病,二、質(zhì)體,質(zhì)體 植物細(xì)胞，雙層膜； 顆粒狀、桿菌狀、線條狀； 含遺傳信息和蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)； 分裂增殖,類型 葉綠體：含類囊體、葉綠素，能進(jìn)行光合作用。 白色體：含未發(fā)育的類囊體，不含葉綠素和其他色素，不能進(jìn)行光合作用；呈白色，存在于根和芽的幼嫩細(xì)胞中。 有色體：類囊體結(jié)構(gòu)消失，不

8、進(jìn)行光合作用；內(nèi)含葉綠素、胡蘿卜素和類胡蘿卜素，呈黃色或橘紅色，存在于花瓣、果實(shí)等細(xì)胞中,葉綠體,形態(tài) 高等植物：凸透鏡形，長(zhǎng)410um，寬24um 低等植物：螺旋狀、帶狀、杯狀、星狀等。 數(shù)目：幾十幾百個(gè)，隨物種、細(xì)胞種類和生理狀態(tài)而異。 分布：多分布在核周圍和近壁處,1. 葉綠體的形態(tài)結(jié)構(gòu),葉綠體膜：雙層膜（外膜和內(nèi)膜） 外膜通透性大，MW10000的物質(zhì)可通過(guò)； 內(nèi)膜選擇性強(qiáng)，具有特殊載體，僅允許 O2、CO2和H2O分子自由通透,類囊體：由單位膜封閉形成的扁平小囊 基粒類囊體：疊垛 基質(zhì)類囊體：連通相鄰的基粒類囊體 類囊體腔：彼此相通 類囊體膜：含葉綠素，綠色植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所,基

9、質(zhì) 含可溶性蛋白質(zhì)（含量最多的是RuBP羧化酶）、DNA、核糖體、淀粉粒,2. 類囊體膜的化學(xué)組成,脂類 磷脂（10%），半乳糖甘油二脂（40%），二半乳糖甘油二脂（20%），硫脂（1015%） 葉綠素和類胡蘿卜素（2025%） 蛋白質(zhì) 外周蛋白：CF1、與光反應(yīng)有關(guān)的酶 內(nèi)在蛋白：電子傳遞體，ATP合成酶，天線色素復(fù)合物，光反應(yīng)中心 PS I，PS II,蛋白質(zhì)復(fù)合物,光系統(tǒng)I（PSI） PSI的光反應(yīng)中心：葉綠素P700，天線色素，蛋白質(zhì) 光系統(tǒng)II（PSII） PSII的光反應(yīng)中心：葉綠素P680，天線色素，蛋白質(zhì) b6-f復(fù)合物 CF0-CF1 類似于線粒體的F0F1 捕光復(fù)合物（LH

10、C） NADP還原酶,3. 葉綠體的功能光合作用,反應(yīng)式 6 CO2 + 12 H2 O （CH2 O）6 + 6 H2 O + 6 O2 反應(yīng)可分為兩部分: 光反應(yīng)：包括水的光解 、 ATP的合成、 NADPH的合成。在類囊體膜上進(jìn)行。 暗反應(yīng)：CO2的固定，在基質(zhì)中進(jìn)行，利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH還原CO2生成糖,光,光反應(yīng),原初反應(yīng) 光能吸收、傳遞與轉(zhuǎn)化，形成高能電子 光合磷酸化 非循環(huán)式光合磷酸化 電子供體為水，受體為NADP，PSII與PSI “接力”激發(fā)和傳遞電子，產(chǎn)物是ATP和NADPH 循環(huán)式光合磷酸化 只涉及PSI，電子在其中呈一環(huán)路，產(chǎn)物只有ATP,暗反應(yīng) CO2的

11、固定,C3循環(huán)（Calvin循環(huán)）：所有植物進(jìn)行CO2固定所共有的基本途徑 C4循環(huán)（Hatch-Slack循環(huán)） 景天酸代謝（CAM循環(huán)）：與C4循環(huán)途徑相似，只是CO2固定與光合作用產(chǎn)物的生成，在時(shí)間及空間上與C4途徑不同,C3循環(huán),CO2在RuBP羧化酶的催化下加到1，5-二磷酸核酮糖上，形成一個(gè)6碳中間物，然后馬上分解為兩個(gè)磷酸甘油酸，這個(gè)三碳物被光反應(yīng)的產(chǎn)物NADPH還原為磷酸甘油醛，6個(gè)磷酸甘油醛經(jīng)一系列反應(yīng)可以再生出3個(gè)RuBP，循環(huán)使用，凈得一個(gè)磷酸甘油醛用于糖的合成,C4循環(huán),某些熱帶或亞熱帶起源的植物，如甘蔗、高粱、玉米等植物中； CO2在葉肉細(xì)胞中先固定為一個(gè)四碳酸（草酰

12、乙酸）； 在維管束鞘中再重新放出CO2按C3途徑固定； 光合效率高,三、線粒體和葉綠體的半自主性,含有DNA、DNA復(fù)制酶、RNA多聚酶、核糖體； 線粒體DNA（mtDNA）：環(huán)狀，人的有16569bp，編碼2個(gè)rRNA，22個(gè)tRNA，13個(gè)蛋白質(zhì)，排列十分緊湊，無(wú)內(nèi)含子； 葉綠體DNA（ctDNA）：煙草，155kb，可編碼的蛋白質(zhì)比線粒體DNA要多,核糖體：類似于原核生物核糖體； 對(duì)核基因的依賴：組成線粒體和葉綠體中的蛋白質(zhì)，絕大多數(shù)都是由核DNA編碼、在細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成后運(yùn)送到線粒體和葉綠體中去,線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成,線粒體和葉綠體合成蛋白質(zhì)的種類十分有限 線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)

13、合成體系對(duì)核基因組的依賴性 參加葉綠體組成的蛋白質(zhì)來(lái)源有種情況： 由ctDNA編碼，在葉綠體核糖體上合成； 由核DNA編碼，在細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成； 由核DNA編碼，在葉綠體核糖體上合成,四、線粒體和葉綠體的增殖,線粒體的增殖 分裂（隔膜分離、收縮分離） 出芽 葉綠體的發(fā)育和增殖 光照：葉綠體 白色體 前質(zhì)體質(zhì)體 黑暗：白色體 葉綠體 有色體：含非光合作用色素、DNA 增殖：分裂增殖,黑暗,光照,五、線粒體和葉綠體的起源,內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō) 線粒體和葉綠體分別起源于原始真核細(xì)胞內(nèi)共生的行有氧呼吸的細(xì)菌和行光能自養(yǎng)的藍(lán)細(xì)菌,內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)的主要論據(jù),基因組在大小、形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面與細(xì)菌相似。 有獨(dú)立、完

14、整的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，能獨(dú)立合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)合成機(jī)制有很多類似細(xì)菌而不同于真核生物。 兩層被膜有不同的進(jìn)化來(lái)源，外膜與細(xì)胞的內(nèi)膜系統(tǒng)相似，內(nèi)膜與細(xì)菌質(zhì)膜相似。 以分裂的方式進(jìn)行繁殖，與細(xì)菌的繁殖方式相同,能在異源細(xì)胞內(nèi)長(zhǎng)期生存，說(shuō)明線粒體和葉綠體具有的自主性與共生性的特征。 線粒體的祖先很可能來(lái)自反硝化副球菌或紫色非硫光合細(xì)菌。 發(fā)現(xiàn)介于胞內(nèi)共生藍(lán)藻與葉綠體之間的結(jié)構(gòu)-藍(lán)小體，其特征在很多方面可作為原始藍(lán)藻向葉綠體演化的佐證,細(xì)胞分化學(xué)說(shuō),非共生起源學(xué)說(shuō) 認(rèn)為真核細(xì)胞的前身可能是一種體積較大的好氧細(xì)菌。細(xì)胞膜通過(guò)內(nèi)陷、擴(kuò)張和分化，逐漸發(fā)展成了線粒體、葉綠體和其他細(xì)胞器，進(jìn)而演化成真核細(xì)胞,線狀,短桿狀,骨骼肌細(xì)胞,精子尾部,