細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換-線粒體和葉綠體

1、線粒體與氧化磷酸化 葉綠體與光合作用 線粒體和葉綠體是半自主性細(xì)胞器 線粒體和葉綠體的增殖與起源 線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu) 線粒體的化學(xué)組成及酶的定位 氧化磷酸化(線粒體的功能) 線粒體與疾病 線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布 線粒體的超微結(jié)構(gòu) 外膜(outer membrane(outer membrane）：含孔蛋白(porin)(porin)， 通透性較高。 內(nèi)膜（inner membraneinner membrane）：高度不通透性，向內(nèi) 折疊形成嵴（cristaecristae）。含有與能量轉(zhuǎn)換相關(guān)的蛋白 膜間隙（intermembrane spaceintermembrane space）

2、：含許多可溶性酶、 底物及輔助因子。 基質(zhì)（matrix）或內(nèi)室：含三羧酸循環(huán)酶系、線粒體基因 表達(dá)酶系等以及線粒體DNA, RNA，核糖體。 Structures of the mitochondrion 管狀嵴線粒體 人黑色素瘤細(xì)胞線粒體 線粒體組分分離方法 線粒體的化學(xué)組成 線粒體酶的定位 蛋白質(zhì)( (線粒體干重的65657070) ) 脂類( (線粒體干重的25253030) )： 磷脂占3/43/4以上，外膜主要是卵磷脂， 內(nèi)膜主要是心磷脂。 線粒體脂類和蛋白質(zhì)的比值: 0.3:1（內(nèi)膜）；1:1（外膜） 線粒體主要功能是進(jìn)行氧化磷酸化，合成ATP，為細(xì) 胞生命活動(dòng)提供直接能量；與細(xì)

3、胞中氧自由基的生成、 細(xì) 胞凋亡、細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞內(nèi)多種離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn) 及 電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡的調(diào)控有關(guān)。 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)的分子基礎(chǔ) 氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制化學(xué)滲透假說 (Chemiosmotic Hypothesis, Mithchell,1961) 質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)的其他作用 線粒體能量轉(zhuǎn)換過程略圖 真核細(xì)胞線粒體中代謝反應(yīng) 氧化磷酸化過程實(shí)際上是能量轉(zhuǎn)換過程，即有機(jī) 分子中儲(chǔ)藏的能量高能電子質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)ATPATP 氧化( (電子傳遞、消耗氧, , 放能) )與磷酸化(ADP+Pi(ADP+Pi，儲(chǔ)能) ) 同時(shí)進(jìn)行，密切偶連，分別由兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)

4、體系執(zhí)行 電子傳遞鏈(electron-transport chain）的四種復(fù)合物， 組成兩種呼吸鏈：NADH呼吸鏈(復(fù)合物I,III,IV組成) FADH2呼吸鏈（復(fù)合物 II,III,IV組成） 在電子傳遞過程中，有幾點(diǎn)需要說明 ATPATP合成酶（ATP synthaseATP synthase）( (磷酸化的分子基礎(chǔ)) ) 復(fù)合物：NADH-CoQ還原酶復(fù)合物（既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體） 組成：含42個(gè)蛋白亞基，至少6個(gè)Fe-S中心和1個(gè)黃素蛋白。 作用：催化NADH氧化，從中獲得2高能電子輔酶Q； 泵出4 H+ 復(fù)合物：琥珀酸脫氫酶復(fù)合物（是電子傳遞體而非質(zhì)子移位體） 組成：含

5、FAD輔基，2Fe-S中心， 作用：催化2低能電子FADFe-S輔酶Q (無H+泵出) 復(fù)合物： CoQ-細(xì)胞色素c還原酶（既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體） 組成：包括1cyt c1、2cyt b、1Fe-S蛋白 作用：催化電子從UQH2cyt c；泵出4 H+ （2個(gè)來自UQ， 2個(gè)來自基質(zhì)） 復(fù)合物：細(xì)胞色素C氧化酶（既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體） 組成： 二聚體，每一單體含13個(gè)亞基， 三維構(gòu)象， cyt a, cyt a3 ,2Cu 作用：催化電子從cyt c分子O2 形成水，2 H+泵出， 2 H+ 參 與 形成水 線粒體內(nèi)膜呼吸鏈電子傳遞示意圖 四種類型電子載體：黃素蛋白、細(xì)胞色素(

6、 (含血紅素輔基) )、 Fe-SFe-S中心、輔酶Q。前三種與蛋白質(zhì)結(jié)合，輔酶Q為脂溶性醌。 電子傳遞起始于NADH脫氫酶催化NADH氧化，形成高能電子 (能量轉(zhuǎn)化)， 終止于O2形成水。 電子傳遞方向按氧化還原電勢(shì)遞增的方向傳遞(NAD+/NAD最低， H2O/O2最高) 高能電子釋放的能量驅(qū)動(dòng)線粒體內(nèi)膜三大復(fù)合物(H+-泵)將H+從 基質(zhì)側(cè)泵到膜間隙， 形成跨線粒體內(nèi)膜H+梯度(能量轉(zhuǎn)化) 電子傳遞鏈各組分在膜上不對(duì)稱分布 分子結(jié)構(gòu) 線粒體ATP合成系統(tǒng)的解離與重建實(shí)驗(yàn)證明電子傳遞 與ATP合成是由兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)體系執(zhí)行, F1顆粒具有ATP酶活性 工作特點(diǎn)：可逆性復(fù)合酶，即既能利用質(zhì)子

7、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Banding Change Mechanism (Boyer 1979) 亞單位相對(duì)于亞單位旋轉(zhuǎn)的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù) 化學(xué)滲透假說內(nèi)容： 電子傳遞鏈各組分在線粒體內(nèi)膜中不對(duì)稱分布，當(dāng)高能電子 沿其傳遞時(shí)，所釋放的能量將H+從基質(zhì)泵到膜間隙，形成H+電化 學(xué)梯度。在這個(gè)梯度驅(qū)使下，H+穿過ATPATP合成酶回到基質(zhì)，同時(shí) 合成ATP,ATP,電化學(xué)梯度中蘊(yùn)藏的能量?jī)?chǔ)存到ATPATP高能磷酸鍵。 質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)(proton motive force)(proton motive force) 支持化學(xué)滲透假說的實(shí)驗(yàn)

8、證據(jù)該實(shí)驗(yàn)表明： 質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)乃ATPATP合成的動(dòng)力 膜應(yīng)具有完整性 電子傳遞與ATP合成是兩件相關(guān)而又不同的事件 “化學(xué)滲透假說”(Chemiosmotic Theory)。認(rèn)為： 電子沿呼吸鏈傳遞時(shí)，所釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè) （matrix）泵至膜間隙（intrmembrane space），形成質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)（ P）。 P=-(2.3RT/F)pH 其中：pH= pH梯度， =電位梯度，T=絕對(duì)溫度，R=氣體常 數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，當(dāng)溫度為25時(shí)P的值為220mV左右。 物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn) 產(chǎn)熱：冬眠動(dòng)物與新生兒的Brown Fat CellBrown Fat Cell 線粒體產(chǎn)生大量熱量 四

9、線粒體與疾病 線粒體是細(xì)胞內(nèi)最易受損傷的一個(gè)敏感的細(xì)胞器 與人的疾病、衰老和細(xì)胞凋亡有關(guān)，線粒體異常會(huì)影響 整個(gè)細(xì)胞的正常功能，從而導(dǎo)致病變。 例如:克山病是一種心肌線粒體病，因缺乏硒而引起 衰老：細(xì)胞中線粒體數(shù)量隨年齡增長(zhǎng)而減少，而 體積卻隨年齡增長(zhǎng)而增大。 葉綠體(Chloroplast)的形態(tài)結(jié)構(gòu) 葉綠體的功能光合作用(photosynthesis) 葉綠體與線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)比較 葉綠體內(nèi)膜并不向內(nèi)折疊成嵴；內(nèi)膜不含電 子傳遞鏈；除了膜間隙、基質(zhì)以外還有類囊體； 捕光系統(tǒng)、電子傳遞鏈和ATPATP合成酶都位于類囊體 膜上。 葉綠體超微結(jié)構(gòu) （一）葉綠體膜( (葉綠體被膜 chloropla

10、st membrane)chloroplast membrane) 雙層膜組成，膜間為1020nm的間隙。 外膜的滲透性大。 內(nèi)膜對(duì)通過物質(zhì)的選擇性很強(qiáng)，CO2、O2、Pi、H2O、 等可以透過內(nèi)膜，ADP、ATP、NADP+、葡萄糖等及焦 磷酸不能透過內(nèi)膜，需要特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)體（translator）才 能通過內(nèi)膜。 （二） 類囊體( (thylakoidthylakoid) ) 是膜圍成的扁平囊。主要成分是蛋白質(zhì)和脂類（60：40）， 不飽和脂肪酸含量高（約87%），膜流動(dòng)性高。 基粒（granagrana）：扁平小囊堆疊而成，每個(gè)葉綠體含4060個(gè)。 基質(zhì)類囊體(stroma thylako

11、id)(stroma thylakoid)：連接基粒的沒有堆疊的類 囊體。 膜的內(nèi)在蛋白主要有：細(xì)胞色素bf、捕光復(fù)合體（LHC）、 質(zhì)體醌（PQ）、質(zhì)體藍(lán)素（PC）、鐵氧化還原蛋白（FD）、 黃素蛋白、光系統(tǒng)I、II復(fù)合物等。 （三）基質(zhì) 是葉綠體內(nèi)膜與類囊體之間是流動(dòng)性的基質(zhì)，其中懸浮著 片層系統(tǒng)。 主要成分包括： 碳同化相關(guān)的酶類：如核酮糖-1-1，5-5-二磷酸羧化酶 （RuBP羧化酶）占基質(zhì)可溶性蛋白總量的60%。 葉綠體DNA、蛋白質(zhì)合成體系：如，ctDNA、各類RNA、 核糖體等。 一些顆粒成分：如淀粉粒、質(zhì)體小球和植物鐵蛋白等。 Chloroplast 基粒 類囊體膜 基質(zhì) 葉

12、綠體外膜 與內(nèi)膜 淀粉 顆粒 光合作用:綠色植物葉肉細(xì)胞的葉綠體吸收光能，利用水和二 氧化碳合成糖類等有機(jī)化合物，同時(shí)放出氧 的過程 稱為光合作用。 (1)光合電子傳遞反應(yīng)光反應(yīng)(Light Reaction)(Light Reaction) (2)碳固定反應(yīng)暗反應(yīng)(Dark Reaction) 光反應(yīng) 暗反應(yīng)(光合碳同化) 光合作用與有氧呼吸的關(guān)系圖 在類囊體膜上由光引起的光化學(xué)反應(yīng)，通過葉綠素等光合色素分 子吸收、傳遞光能，并將光能轉(zhuǎn)換為電能（生成高能電子）， 進(jìn)而通過電子傳遞與光合磷酸化將電能轉(zhuǎn)換為活躍化學(xué)能， 形成ATP 和NADPH并放出 O2 的過程。 包括原初反應(yīng)、電子傳遞和光合

13、磷酸化。 原初反應(yīng)（primary reaction)primary reaction) 光能的吸收、傳遞與轉(zhuǎn)換，形成高能電子 (由光系統(tǒng)復(fù)合物完成，光合作用單位的概念) 電子傳遞與光合磷酸化 非循環(huán)式光合磷酸化 PSII接受紅光后， 激發(fā)發(fā)態(tài)P680*從 水光解得到電子， 傳遞給NADP+， 電子傳遞經(jīng)過兩個(gè) 光系統(tǒng)，在傳遞過 程中產(chǎn)生的H+梯 度驅(qū)動(dòng)ATP的形成。 這個(gè)過程中，電子 傳遞是一個(gè)開放的 通道，故稱為非循 環(huán)光合磷酸化。 循環(huán)式光合磷酸化 PSI接受遠(yuǎn)紅光后， 產(chǎn)生的電子經(jīng)過A0、 A1、FeS和Fd,又傳 給Cytbf和PC而流 回到PSI。電子循環(huán) 流動(dòng)，產(chǎn)生H+梯度， 從

14、而驅(qū)動(dòng)ATP的形 成。這種電子的傳 遞是一個(gè)閉合的回 路，故稱為循環(huán)式 光合磷酸化。 兩個(gè)光系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用 利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP 和NADPH，使CO2還原為 糖類等有機(jī)物，即將活躍的化學(xué)能最后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 化學(xué)能，積存于有機(jī)物中。這一過程不直接需要光(在 葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行)。 卡爾文循環(huán)（Calvin cycleCalvin cycle）（C C3 3途徑） C4C4途徑或 Hatch-SlackHatch-Slack循環(huán) 景天科酸代謝途徑 Electron transport in the thylakoid membrane 半自主性細(xì)胞器的概念： 自身含有遺傳表達(dá)系統(tǒng)( (自主性)

15、)；但編碼 的遺傳信息十分有限，其RNARNA轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯、 自身構(gòu)建和功能發(fā)揮等必須依賴核基因組編碼的 遺傳信息( (自主性有限) )。 線粒體和葉綠體的DNA 線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成 線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)送與組裝 三、葉綠體的半自主性 線粒體與葉綠體的相似性： 均由兩層膜包被，內(nèi)外膜 的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)有顯著的差異。 均為半自主性細(xì)胞器，具 有自身的DNA及轉(zhuǎn)譯體系。 因此綠色植物細(xì)胞內(nèi)存在3個(gè) 遺傳系統(tǒng)。 葉綠體的ctDNA不足以編 碼葉綠體所需的全部蛋白質(zhì)， 因此必須依靠于核基因來編 碼其余的蛋白質(zhì)。通過定向 轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入葉綠體的各部分。 mtDNA /ctDNA形狀、數(shù)量、大小 m

16、tDNA和ctDNA均以半保留方式進(jìn)行自我復(fù)制 mtDNA復(fù)制的時(shí)間主要在細(xì)胞周期的S期及G2期， DNA先復(fù)制，隨后線粒體分裂。ctDNA復(fù)制的時(shí) 間在G1期。 復(fù)制仍受核控制 雙鏈環(huán)狀(除綠藻mtDNA，草履蟲mtDNA) mtDNA大小在動(dòng)物中變化不大，但在植物中變化較 大高等植物，120kbp200kbp； 人mtDNA：16,569bp，37個(gè)基因(編碼12S,16S rRNA；22種tRNA；13種多肽：NADH脫氫酶7 個(gè)亞基，cytb-c1復(fù)合物中1個(gè)cytb，細(xì)胞色素C氧 化酶3個(gè)亞基， ATP合成酶2個(gè)Fo亞基) 線粒體和葉綠體合成蛋白質(zhì)的種類十分有限 線粒體或葉綠體蛋白質(zhì)

17、合成體系對(duì)核基因組具有依賴性 不同來源的線粒體基因，其表達(dá)產(chǎn)物既有共性，也存在差異 參加葉綠體組成的蛋白質(zhì)來源有種情況： 由ctDNActDNA編碼，在葉綠體核糖體上合成； 由核DNADNA編碼，在細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成； 由核DNADNA編碼，在葉綠體核糖體上合成。 酶復(fù)合 物總 數(shù)亞基數(shù)目 胞質(zhì)核糖體合 成 線 粒 體 核 糖 體 合 成 細(xì)胞色素氧化酶 細(xì)胞色素b-c1復(fù)合物 ATP酶 核糖體大亞基 核糖體小亞基 7 7 9 30 22 4 6 5 30 21 3 1 4 0 1 線粒體蛋白質(zhì)的運(yùn)送與組裝 定位于線粒體基質(zhì)的蛋白質(zhì)的運(yùn)送 定位于線粒體內(nèi)膜或膜間隙的蛋白質(zhì)運(yùn)送 葉綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)

18、送及組裝 線粒體和葉綠體的增殖 線粒體和葉綠體的起源 線粒體的增殖：由原來的線粒體分裂或出芽而來。 葉綠體的發(fā)育和增殖 個(gè)體發(fā)育：由前質(zhì)體（proplastidproplastid）分化而來。 增殖：分裂增殖 附：線粒體的增殖 線粒體來源于已有的線粒體的分裂。 1. 間壁分離：分裂時(shí)先由內(nèi)膜向中心皺褶，將線 粒體分為兩個(gè)，常見于鼠肝和植物分生組織中。 2. 收縮后分離：通過中部縊縮分裂為兩個(gè)。 3. 出芽：見于酵母和蘚類植物，線粒體出現(xiàn)小芽， 脫落后長(zhǎng)大，發(fā)育為線粒體。 葉綠體的增殖 在個(gè)體發(fā)育中葉綠體由前質(zhì)體發(fā)育而來。 在有光條件下前質(zhì)體的小泡數(shù)目增加并融合形成片 層，發(fā)育為基粒，形成葉綠體。 在黑暗生長(zhǎng)時(shí)，原質(zhì)體小泡融合速度減慢，并轉(zhuǎn)變 為排列成網(wǎng)格的三維晶格結(jié)構(gòu)，稱為原片層，這種質(zhì) 體稱為黃色體。在有光下仍可發(fā)育為葉綠體。 幼小葉綠體能靠分裂而增殖。 成熟葉綠體一般不再分裂或很少分裂。 內(nèi)共生起源學(xué)說（endosymbiosis hypothesis)endosymbiosis