細(xì)胞生物學(xué)： 07 線粒體和葉綠體的半自主性

1、線粒體和葉綠體的線粒體和葉綠體的 半自主性半自主性 Reminder: turn off your cell phone no food and drink 線粒體線粒體DNA v每個(gè)線粒體中約含每個(gè)線粒體中約含6個(gè)個(gè)mtDNA分子分子 vG2期復(fù)制期復(fù)制 v環(huán)狀環(huán)狀DNA v轉(zhuǎn)錄表達(dá)轉(zhuǎn)錄表達(dá) 2種種rRNA 22種種tRNA 13種種mRNA（多肽）（多肽） 人線粒體人線粒體DNA編碼編碼: - 13 個(gè)肽鏈個(gè)肽鏈 - 2個(gè)個(gè) rRNA - 22個(gè)個(gè) tRNA 酵母線粒體酵母線粒體DNA 人線粒體人線粒體DNA 葉綠體葉綠體DNA v葉綠體葉綠體DNA（ctDNA）每個(gè)葉綠體中約含每個(gè)葉綠體

2、中約含 12個(gè)個(gè)ctDNA分子分子 vG1期復(fù)制期復(fù)制 v 轉(zhuǎn)錄表達(dá)轉(zhuǎn)錄表達(dá) 4種種rRNA(23s、16s、4.5s和和5s), 30種種tRNA 90種種mRNA（多肽）（多肽） 線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成 v線粒體和葉綠體線粒體和葉綠體核糖體為核糖體為70s，在基質(zhì)，在基質(zhì) 中能進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成中能進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成 v線粒體和葉綠體的大多數(shù)蛋白質(zhì)是靠細(xì)胞核線粒體和葉綠體的大多數(shù)蛋白質(zhì)是靠細(xì)胞核 基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)核糖體中合成，如基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)核糖體中合成，如核糖核糖 體蛋白質(zhì)，體蛋白質(zhì)，DNA聚合酶，聚合酶，RNA聚合酶和蛋白聚合酶和蛋白 質(zhì)合成因子質(zhì)合成因

3、子等等 RNA 聚合酶聚合酶 核糖體蛋白質(zhì)核糖體蛋白質(zhì) DNA 聚合酶聚合酶 三羧酸循環(huán)酶系三羧酸循環(huán)酶系 氨酰氨酰t-RNA合成酶合成酶 內(nèi)膜上的酶內(nèi)膜上的酶 線粒體的蛋白質(zhì)合成線粒體的蛋白質(zhì)合成 v由線粒體由線粒體DNA編碼，在線粒體中合成的多肽都編碼，在線粒體中合成的多肽都 是內(nèi)膜上的內(nèi)在蛋白，并與細(xì)胞質(zhì)中合成后輸是內(nèi)膜上的內(nèi)在蛋白，并與細(xì)胞質(zhì)中合成后輸 入線粒體的多肽共同組成呼吸鏈中的各種復(fù)合入線粒體的多肽共同組成呼吸鏈中的各種復(fù)合 物。物。 v由線粒體基因編碼表達(dá)的多肽有：復(fù)合物由線粒體基因編碼表達(dá)的多肽有：復(fù)合物中中 7個(gè)亞基、復(fù)合物個(gè)亞基、復(fù)合物中中1個(gè)亞基、復(fù)合物個(gè)亞基、復(fù)合物

4、中中3 個(gè)亞基、個(gè)亞基、F0中中2個(gè)亞基個(gè)亞基 葉綠體的蛋白質(zhì)合成葉綠體的蛋白質(zhì)合成 v由葉綠體核糖體合成的多肽有：由葉綠體核糖體合成的多肽有： PS的的2個(gè)亞基、個(gè)亞基、PS的的8個(gè)亞基、個(gè)亞基、ATP合合 成酶的成酶的6個(gè)亞基、個(gè)亞基、ctyb/f復(fù)合物的復(fù)合物的3個(gè)亞基等個(gè)亞基等 v至少至少70%的葉綠體蛋白質(zhì)是由核基因組編碼的葉綠體蛋白質(zhì)是由核基因組編碼 的。的。 線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn) v信號(hào)序列信號(hào)序列 -親水性親水性的的N-terminus sequence (20-50 residues long) -帶正電荷帶正電荷的氨基酸（的氨基酸（ Arg,

5、 Lys ） v通過內(nèi)外膜的接觸點(diǎn)輸入通過內(nèi)外膜的接觸點(diǎn)輸入 v蛋白質(zhì)被運(yùn)送到線粒體的不同部位蛋白質(zhì)被運(yùn)送到線粒體的不同部位 基質(zhì)基質(zhì) ( Matrix ) 內(nèi)膜上內(nèi)膜上 ( Inner membrane ) 膜間隙膜間隙 (Intermembrane space ) Mitochondrial protein import-matrix 1. 識(shí)別識(shí)別 2. 插入插入 3. 轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn) 4. 切除信號(hào)肽切除信號(hào)肽 折疊的蛋白質(zhì)如何通過兩層膜折疊的蛋白質(zhì)如何通過兩層膜? 分子伴侶是熱休克蛋白分子伴侶是熱休克蛋白 heat-shock protein ( hsp ) 為什么在膜兩側(cè)都需要熱休克蛋白

6、為什么在膜兩側(cè)都需要熱休克蛋白hsp? 細(xì)胞質(zhì)熱休克蛋白細(xì)胞質(zhì)熱休克蛋白 線粒體熱休克蛋白線粒體熱休克蛋白 分子伴侶分子伴侶 v具有解折疊酶具有解折疊酶(unfoldase)的功能的功能 v能識(shí)別蛋白質(zhì)解折疊之后暴露出的疏水面，能識(shí)別蛋白質(zhì)解折疊之后暴露出的疏水面， 并與之結(jié)合，防止相互作用產(chǎn)生凝聚或錯(cuò)誤并與之結(jié)合，防止相互作用產(chǎn)生凝聚或錯(cuò)誤 折疊折疊 v參與蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)輸后分子的重折疊以及裝參與蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)輸后分子的重折疊以及裝 配過程配過程 Mitochondrial protein import inner membrane and intermembrane space Why req

7、uires two signals? 信號(hào)肽信號(hào)肽 信號(hào)肽信號(hào)肽停止轉(zhuǎn)移序列停止轉(zhuǎn)移序列 線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn) v需要需要分子伴侶（分子伴侶（ chaperone ） v需能量需能量ATP v需要需要受體受體和和易位子易位子( translocon ) v不同的不同的信號(hào)序列信號(hào)序列決定蛋白質(zhì)的運(yùn)送方向決定蛋白質(zhì)的運(yùn)送方向 Role of energy in the import of proteins into mito Energy input for mitochondrial import/unidirectionality? 去除細(xì)胞質(zhì)去除細(xì)胞質(zhì)hsp

8、和線粒體和線粒體hsp均需要均需要 ATP 蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)需要蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)需要H+ gradient Role of translocons vTom proteins = translocon of the outer membrane vTim proteins = translocon of the inner membrane Mitochondrial protein import - matrix 1.在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成的線粒體蛋白質(zhì)，在在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)合成的線粒體蛋白質(zhì)，在 Hsp70的幫助下，保持去折疊狀態(tài)的幫助下，保持去折疊狀態(tài) 2. 受體識(shí)別受體識(shí)別matrix-targeting seq

9、uence （Tom20/22） 3. 受體指導(dǎo)蛋白質(zhì)通過受體指導(dǎo)蛋白質(zhì)通過 import pore (Tom 40) 4, 5. 蛋白質(zhì)通過蛋白質(zhì)通過 Tom 40 和和Tim 44 membrane channels . Matrix chaperone (Hsp 70) 與蛋白質(zhì)結(jié)合與蛋白質(zhì)結(jié)合 6. 切除切除Target sequence 7. 除去除去Chaperone proteins (Hsp 70) ，蛋白質(zhì)折疊，并表現(xiàn)活性，蛋白質(zhì)折疊，并表現(xiàn)活性 Mitochondrial protein import - inner membrane A.Stop-transfer seq

10、uence阻止轉(zhuǎn)移阻止轉(zhuǎn)移, 蛋白質(zhì)側(cè)向移動(dòng)進(jìn)入內(nèi)膜蛋白質(zhì)側(cè)向移動(dòng)進(jìn)入內(nèi)膜 B.蛋白質(zhì)先轉(zhuǎn)移至基質(zhì)蛋白質(zhì)先轉(zhuǎn)移至基質(zhì), Oxa-1 target sequence被被Oxa-1識(shí)別，并引導(dǎo)蛋白質(zhì)插入內(nèi)膜識(shí)別，并引導(dǎo)蛋白質(zhì)插入內(nèi)膜 C.蛋白質(zhì)沒有蛋白質(zhì)沒有matrix signal, 但具有但具有internal membrane-insertion sequences，該序列被，該序列被Tim所識(shí)別所識(shí)別 Mitochondrial protein import - intermembrane space A.intermembrane targeting sequence 阻止轉(zhuǎn)移阻止轉(zhuǎn)移,

11、 蛋白質(zhì)側(cè)向擴(kuò)散離開蛋白質(zhì)側(cè)向擴(kuò)散離開 channel，進(jìn)入內(nèi)膜，進(jìn)入內(nèi)膜， 通過通過a membrane-bound protease 酶切作用，成為膜間隙的蛋白質(zhì)酶切作用，成為膜間隙的蛋白質(zhì) B.直接轉(zhuǎn)移至內(nèi)外膜間隙直接轉(zhuǎn)移至內(nèi)外膜間隙 Chloroplast protein import- thylakoid space Why requires two signals? 1. 識(shí)別識(shí)別 2. 插入插入 3. 轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn) 4. 切除信號(hào)肽切除信號(hào)肽 基質(zhì)導(dǎo)向肽基質(zhì)導(dǎo)向肽 類囊體基質(zhì)導(dǎo)向肽類囊體基質(zhì)導(dǎo)向肽 Summary of protein synthesis and transport

12、*Gated transport 孔道轉(zhuǎn)運(yùn)孔道轉(zhuǎn)運(yùn) *Transmembrane transport 跨膜運(yùn)輸跨膜運(yùn)輸 *Vesicular transport 膜泡運(yùn)輸膜泡運(yùn)輸 * * * * * Cotranslocation共轉(zhuǎn)移共轉(zhuǎn)移 Posttranslocation后轉(zhuǎn)移后轉(zhuǎn)移 共轉(zhuǎn)移（共轉(zhuǎn)移（cotranslocation） 和后轉(zhuǎn)移和后轉(zhuǎn)移(post translocation) v肽鏈邊合成邊轉(zhuǎn)移至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的方式稱為共肽鏈邊合成邊轉(zhuǎn)移至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的方式稱為共 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移 v蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成以后，再轉(zhuǎn)移到線蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中合成以后，再轉(zhuǎn)移到線 粒體、葉綠體和過氧物酶

13、體等細(xì)胞器中的方式粒體、葉綠體和過氧物酶體等細(xì)胞器中的方式 稱為后轉(zhuǎn)移稱為后轉(zhuǎn)移 “Road map” of protein traffic Topology 1. Gated 2. Transmembrane 3. Vesicular 線粒體的增殖線粒體的增殖 v線粒體的出芽增殖線粒體的出芽增殖 v分裂增殖（隔膜分離和收縮分離）分裂增殖（隔膜分離和收縮分離） 葉綠體的增殖葉綠體的增殖 v葉綠體的增殖主要靠幼齡葉綠體的分裂，成熟葉綠體的增殖主要靠幼齡葉綠體的分裂，成熟 葉綠體通常不再分裂。葉綠體的分裂一般不需葉綠體通常不再分裂。葉綠體的分裂一般不需 要光，但光對葉綠體的發(fā)育是重要的。要光，但光

14、對葉綠體的發(fā)育是重要的。 v 在個(gè)體發(fā)育中，葉綠體是由前（原）質(zhì)體分在個(gè)體發(fā)育中，葉綠體是由前（原）質(zhì)體分 化而來的?；鴣淼?。 黃色體黃色體 光光 暗暗 （原片層體發(fā)育）（原片層體發(fā)育） 原質(zhì)體原質(zhì)體 葉綠體葉綠體 光光 光光 類囊體發(fā)育類囊體發(fā)育 線粒體和葉綠體的起源線粒體和葉綠體的起源 v內(nèi)共生假說內(nèi)共生假說 線粒體起源于原始真核細(xì)胞內(nèi)共生的細(xì)菌線粒體起源于原始真核細(xì)胞內(nèi)共生的細(xì)菌 葉綠體起源于原始真核細(xì)胞內(nèi)共生的藍(lán)藻葉綠體起源于原始真核細(xì)胞內(nèi)共生的藍(lán)藻 v證據(jù)：證據(jù)： 裸露的環(huán)狀雙鏈裸露的環(huán)狀雙鏈DNA 蛋白質(zhì)合成從蛋白質(zhì)合成從N-甲酰甲硫氨酸開始甲酰甲硫氨酸開始 核糖體較小，核糖體較

15、小，70S 蛋白質(zhì)合成的抑制劑與原核細(xì)胞相同蛋白質(zhì)合成的抑制劑與原核細(xì)胞相同 線粒體內(nèi)外膜的差別線粒體內(nèi)外膜的差別 線粒體和葉綠體的起源線粒體和葉綠體的起源 v分化假說分化假說 v證據(jù)：證據(jù)： 細(xì)胞膜內(nèi)陷和分化細(xì)胞膜內(nèi)陷和分化 基因組擴(kuò)增與丟失基因組擴(kuò)增與丟失 能解釋細(xì)胞核的起源能解釋細(xì)胞核的起源 v線粒體線粒體 膜類似于一篩網(wǎng)，它允許小于膜類似于一篩網(wǎng)，它允許小于10KDa的所有分子通的所有分子通 透。透。 v 和和 埋藏在線粒體埋藏在線粒體 膜上，是氧化磷酸化，產(chǎn)生膜上，是氧化磷酸化，產(chǎn)生 ATP過程所必需的。過程所必需的。 v線粒體內(nèi)膜通常高度卷折，形成一系列折疊，稱為線粒體內(nèi)膜通常高度

16、卷折，形成一系列折疊，稱為 ，用以，用以 增加內(nèi)膜的表面積。增加內(nèi)膜的表面積。 v在大多數(shù)細(xì)胞中，在大多數(shù)細(xì)胞中，2/3的碳水化合物氧化是通過的碳水化合物氧化是通過 途徑進(jìn)途徑進(jìn) 行的，其主要產(chǎn)物是行的，其主要產(chǎn)物是CO2和和NADH，氧化反應(yīng)發(fā)生于線粒體，氧化反應(yīng)發(fā)生于線粒體 中。中。 v電子從電子從NADH和和FADH2轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到O2 ，以，以ATP形式釋放大量能量的形式釋放大量能量的 過程，稱為過程，稱為 。 v電子沿著呼收鏈轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)釋放的能量首先貯存在跨越線粒體內(nèi)膜電子沿著呼收鏈轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)釋放的能量首先貯存在跨越線粒體內(nèi)膜 之中。之中。 v用離子型去污劑處理線物體內(nèi)膜，可以分離和純化到三種

17、重要的用離子型去污劑處理線物體內(nèi)膜，可以分離和純化到三種重要的 膜結(jié)合的，存在于膜結(jié)合的，存在于NADH到到O2通路上的通路上的 。 v 從從NADH接受電子，將電子通過一個(gè)黃素和至少接受電子，將電子通過一個(gè)黃素和至少5個(gè)鐵個(gè)鐵 硫中心蛋白，最后傳遞給泛醌。硫中心蛋白，最后傳遞給泛醌。 v 從從CtyC接受電子，將電子傳遞給接受電子，將電子傳遞給O2。 v 從泛醌接受電子，再將電子傳遞給從泛醌接受電子，再將電子傳遞給CtyC。 v 是一類含有卟啉環(huán)，當(dāng)接受電子時(shí)，其鐵元素從三價(jià)是一類含有卟啉環(huán)，當(dāng)接受電子時(shí)，其鐵元素從三價(jià) 狀態(tài)變到二價(jià)狀態(tài)的蛋白質(zhì)家庭。狀態(tài)變到二價(jià)狀態(tài)的蛋白質(zhì)家庭。 v光合作

18、用的光吸收系統(tǒng)，電子傳遞鏈和光合作用的光吸收系統(tǒng)，電子傳遞鏈和ATP合成酶都位于合成酶都位于 上。上。 vCO2轉(zhuǎn)化成碳水化合物的反應(yīng)是一組循環(huán)反應(yīng)，稱為轉(zhuǎn)化成碳水化合物的反應(yīng)是一組循環(huán)反應(yīng)，稱為 循環(huán)，其中催化碳固化的酶是循環(huán)，其中催化碳固化的酶是 。 v驅(qū)動(dòng)光合作用電子傳遞的能源來自光能，光能通過驅(qū)動(dòng)光合作用電子傳遞的能源來自光能，光能通過 分子分子 吸收，吸收， 是捕捉光能所必需的，是捕捉光能所必需的， 是激發(fā)電子到電是激發(fā)電子到電 子傳遞鏈所必需的。子傳遞鏈所必需的。 v光系統(tǒng)光系統(tǒng)I和光系統(tǒng)和光系統(tǒng)II二條電子傳遞鏈連接起來形成一個(gè)二條電子傳遞鏈連接起來形成一個(gè) 光反應(yīng)光反應(yīng) 步驟，其中包含步驟，其中包含 式和式和 式光反應(yīng)途徑。式光反應(yīng)途徑。 作作 業(yè)業(yè)5,6 v寫出氧化磷酸化和光合磷酸化的具體過程。寫出氧化磷酸化和光合磷酸化的具體過程。 v為什么說線粒體和葉綠體是半自主性的為什么說線粒體和葉綠體是半自主性的 細(xì)胞器？細(xì)胞器？ 本章要點(diǎn)本章要點(diǎn) 線粒體和葉綠體是半自主性細(xì)胞器線粒體和葉綠體是半自主性細(xì)胞器 線粒體和葉綠體的線粒體和葉綠體的DNA 雙鏈環(huán)狀雙鏈環(huán)狀 線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成 70S核糖體、核糖體、RNA（mRNA、tRNA、rRNA） 氨基酸活化酶氨基酸活化酶 線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn) 信