細(xì)胞生物學(xué)：第6章 線粒體和葉綠體

1、翟中和 王喜忠 丁明孝 主編 細(xì)胞生物學(xué)（第細(xì)胞生物學(xué)（第4版）版）Copyright 高等教育出版社 2011 第第6章章 線粒體和葉綠體線粒體和葉綠體Figure 14-37 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 線粒體與氧化磷酸化 葉綠體與光合作用 線粒體和葉綠體的半自主性及其起源第一節(jié)第一節(jié) 線粒體與氧化磷酸化線粒體與氧化磷酸化一、線粒體的基本形態(tài)及動(dòng)態(tài)特征一、線粒體的基本形態(tài)及動(dòng)態(tài)特征 呈顆粒或短線狀一、線粒體的基本形態(tài)及動(dòng)態(tài)特征一、線粒體的基本形態(tài)及動(dòng)態(tài)特征 分布與細(xì)胞內(nèi)的能量需求密切相關(guān)

2、 線粒體的數(shù)目呈動(dòng)態(tài)變化并接受調(diào)控；與細(xì)胞類型相關(guān)，隨著細(xì)胞分化而變化 Figure 14-6 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)http:/ 外膜 通透性很高（小于5KD)；孔蛋白；標(biāo)志酶是單胺氧化酶二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)二、線粒體的超微結(jié)構(gòu) 內(nèi)膜 不透性（心磷脂）；嵴；ATP 合酶；標(biāo)志酶是細(xì)胞色素氧化酶；氧化磷酸化的關(guān)鍵場(chǎng)所 膜間隙 標(biāo)志酶是腺苷酸激酶 線粒體基質(zhì) 催化線粒體重要生化反應(yīng)；標(biāo)志酶是蘋(píng)果酸脫氫酶；含DNA、RNA、核糖體及轉(zhuǎn)錄、翻譯必需重要分子二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)二

3、、線粒體的超微結(jié)構(gòu)線粒體組分分離的方法線粒體組分分離的方法Localization of metabolic functions within the mitochondrion三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化 內(nèi)膜的不透性；內(nèi)膜的不透性；ATP合酶；質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力；電子傳遞鏈；合酶；質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力；電子傳遞鏈；（一）（一）ATP合酶合酶 由球形的頭部頭部和基部基部組成，頭部朝向線粒體基質(zhì) 頭部稱為偶聯(lián)因子偶聯(lián)因子1（coupling factor 1，F(xiàn)1），組分為3 3 基部稱作偶聯(lián)因子偶聯(lián)因子0 （coupling factor 0，F(xiàn)0）。F0 是一個(gè)疏水性蛋白復(fù)合體，由a、b、c 3 種亞基按照

4、ab2c1012 的比例組成跨內(nèi)膜的質(zhì)子通道F1 particles have ATP synthase activityRotor and StatorATP合酶的結(jié)合變構(gòu)和旋轉(zhuǎn)催化機(jī)制合酶的結(jié)合變構(gòu)和旋轉(zhuǎn)催化機(jī)制O：開(kāi)放構(gòu)象（open）L：松弛構(gòu)象（loose）T：緊密構(gòu)象（tight）Experimental demonstration of rotation of Fo and Experimental demonstration of rotation of Fo and From Yoh Wada et al Biochem. Biophys.Acta 1459:503,2000T

5、he ATP synthase is a reversible coupling device（二）質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力（二）質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力 膜間隙與基質(zhì)間質(zhì)子濃度梯度的形成與保持質(zhì)子濃度梯度的形成與保持是線粒體合成ATP 的基本前提 線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞電子傳遞為膜間隙與基質(zhì)之間的質(zhì)子梯度提供了保證Figure 14-14 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力的其他作用質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力的其他作用Figure 14-16 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Rot

6、ation of bacterial flagella by proton-motive forceRegulate for Ca2+Mithchells chemiosmotic model (1961)電子傳遞的過(guò)程中，內(nèi)膜上的電子傳遞復(fù)合物將基質(zhì)中的質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)至膜間隙，形成ATP 合酶工作所需的質(zhì)子梯度能量轉(zhuǎn)換實(shí)質(zhì)上 是把質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為ATP 分子中的高能磷酸鍵A testable prediction followed from Mitchells hypothesis（三）電子傳遞鏈（三）電子傳遞鏈 5 種電子載體：黃素蛋黃素蛋白、細(xì)白、細(xì) 胞色素、泛醌、胞色素、泛醌、鐵硫蛋白和銅原

7、子鐵硫蛋白和銅原子 隨著各電子傳遞體的還原電位，對(duì)電子親和力，電子逐步傳遞到氧，每一次傳遞都釋放能量（四）電子傳遞復(fù)合物（四）電子傳遞復(fù)合物1. NADH氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈NADH 復(fù)合體復(fù)合體Q 復(fù)合體復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體復(fù)合體O22. 琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸琥珀酸 復(fù)合體復(fù)合體 Q 復(fù)合體復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體復(fù)合體O2翟中和 王喜忠 丁明孝 主編 細(xì)胞生物學(xué)（第4版） 高等教育出版社 2011 uNADH dehydrogenase (NADH reductase activity)uNADH - FMN-Fe-S- ubiquinoneuTransfer 2

8、electrons from NADH to ubiquinoneu4H+ is pumped/NADH翟中和 王喜忠 丁明孝 主編 細(xì)胞生物學(xué)（第4版） 高等教育出版社 2011 翟中和 王喜忠 丁明孝 主編 細(xì)胞生物學(xué)（第4版） 高等教育出版社 2011 uSuccinate Q Reductase (Succinate dehydrogenase，TAC) lContains: FAD, Fe-S Succinate -FAD-Fe-S- ubiquinonelit is the only enzyme that is part of both the citric acid cycle

9、 and the electron transport chain. uTransfer electrons from FADH2 to ubiquinone uNO H+ is pumped翟中和 王喜忠 丁明孝 主編 細(xì)胞生物學(xué)（第4版） 高等教育出版社 2011 翟中和 王喜忠 丁明孝 主編 細(xì)胞生物學(xué)（第4版） 高等教育出版社 2011 uUbiquinone Cytochrome c-reductase, dimmersuCofactors: cytochrome C1, cytochrome b-562 (bh), cytochrome b-566 (bl) and 2 mobil

10、e Iron-ferredoxinlThis switch is done in a series of reactions (called Q cycle)uNet reaction: QH2 Q and cyt c is reduced 4 H+ is pumped out also-adds to gradientTotal of 8 H+ / NADH 翟中和 王喜忠 丁明孝 主編 細(xì)胞生物學(xué)（第4版） 高等教育出版社 2011 翟中和 王喜忠 丁明孝 主編 細(xì)胞生物學(xué)（第4版） 高等教育出版社 2011 1st molecular2nd molecular翟中和 王喜忠 丁明孝 主編

11、 細(xì)胞生物學(xué)（第4版） 高等教育出版社 2011 uCytochrome c oxidase Contains Heme a, Heme a3, and CuA, CuBuCytochrome cred - CuA - Heme a - CuB- Heme a3 (binuclear center, reduction of oxygen to water)uIt also functions as a proton pumpPumps 2H+ out Total of 10 H+ / NADH翟中和 王喜忠 丁明孝 主編 細(xì)胞生物學(xué)（第4版） 高等教育出版社 2011 四、線粒體與疾病四、線

12、粒體與疾病 線粒體病（mitochondrial disease）Symptoms of Mitochondrial Disease線粒體與疾病研究在我國(guó)越來(lái)越受到廣泛重視，正成為世界上有特色和影響力的學(xué)科領(lǐng)域。線粒體功能障礙特別是氧化磷酸化缺陷將導(dǎo)致一系列臨床表現(xiàn)多樣性疾病即線粒體疾病，保守估計(jì)該病發(fā)生率約為1/6500 (氧自由基）。其常見(jiàn)的臨床表現(xiàn)包括眼瞼下垂、外眼肌麻痹、近端肌病、運(yùn)動(dòng)不耐受、心肌病、感覺(jué)神經(jīng)性耳聾、視神經(jīng)萎縮、色素性視網(wǎng)膜病、糖尿病、痙攣或驚厥、癡呆、偏頭痛、類卒中樣發(fā)作、舞蹈癥和癡呆等。Mitochondrial InheritanceAll mitochondri

13、a inherited from your motherDuring fertilization mtDNA is derived only from the oocyte Maternal inheritance: mtDNA mutations transmitted only from mother Mutations transmitted to all offspring (male or female)第二節(jié)第二節(jié) 葉綠體與光合作用葉綠體與光合作用Figure 14-38 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) F

14、igure 14-3b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)一、葉綠體的基本形態(tài)及動(dòng)態(tài)特征一、葉綠體的基本形態(tài)及動(dòng)態(tài)特征 Figure 14-36 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)（一）葉綠體的形態(tài)、分布及數(shù)目（一）葉綠體的形態(tài)、分布及數(shù)目 葉綠體呈凸透鏡或鐵餅狀葉綠體呈凸透鏡或鐵餅狀 葉綠體在細(xì)胞膜下的分布依光照情況而變化葉綠體在細(xì)胞膜下的分布依光照情況而變化 躲避響應(yīng)（avoidance response） 積聚響應(yīng)（accumulation re

15、sponse） 葉綠體定位（chloroplast positioning）（一）葉綠體的形態(tài)、分布及數(shù)目（一）葉綠體的形態(tài)、分布及數(shù)目 葉綠體之間的動(dòng)態(tài)連接葉綠體之間的動(dòng)態(tài)連接 基質(zhì)小管( stroma-filled tubule，stromule)/content/early/2012/03/30/tpc.111.095398.abstract（二）葉綠體的分化與去分化（二）葉綠體的分化與去分化 葉綠體分化于幼葉的形成和生長(zhǎng)階段 在特定情況下，葉綠體的分化是可逆的（三）葉綠體的分裂（三）葉綠體的分裂http:/www.nig.ac.jp/lab

16、s/SyCelEvo/Research_e.htmlSchematic model of chloroplast division/dr-holzenburg-research-interests.htmlSummary of the division cycles and the temporal relationships of the three double-membrane-bounded organelles (cell nucleus, mitochondrion and chloroplast (plastid) and the

17、 four single-membrane-bounded organelles (ER, Golgi apparatus, lysosome and microbody) and centrosome in Cyanidioschyzon merolae cells. Imoto Y et al. J Electron Microsc (Tokyo) 2011;60:S117-S136The cell cycle, including the mitotic cycle and organelle division cycles二、葉綠體的超微結(jié)構(gòu)二、葉綠體的超微結(jié)構(gòu) 葉綠體膜；類囊體；葉綠

18、體基質(zhì)葉綠體膜；類囊體；葉綠體基質(zhì)二、葉綠體的超微結(jié)構(gòu)二、葉綠體的超微結(jié)構(gòu) 葉綠體膜葉綠體膜 雙層單位膜；膜間隙；外膜通透性大，含孔蛋白；內(nèi)膜則通透性較低，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 類囊體類囊體 類囊體腔；基粒；基粒類囊體；基質(zhì)片層或基質(zhì)類囊體；類囊體膜化學(xué)組成與其他細(xì)胞膜有明顯差異 葉綠體基質(zhì)葉綠體基質(zhì) 主要成分是可溶性蛋白質(zhì)和其他代 謝活躍物質(zhì)；Rubisco豐度最高電子顯微鏡下觀察到的葉綠體電子顯微鏡下觀察到的葉綠體三、光合作用三、光合作用 依賴光的反應(yīng)（依賴光的反應(yīng)（light dependent reaction）或稱）或稱“光光 反應(yīng)反應(yīng)”（light reaction） 在類囊體膜上進(jìn)行；包括原

19、初反應(yīng)和電子傳遞及光合磷酸化兩個(gè)步驟 碳同化反應(yīng)（碳同化反應(yīng)（carbon assimilation reaction）或稱固碳反應(yīng)（）或稱固碳反應(yīng)（carbon fixation reaction） 在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行；光反應(yīng)產(chǎn)物（ATP 和NADPH ）驅(qū)動(dòng)CO2 還原成糖的分子反應(yīng)過(guò)程（一）原初反應(yīng)（一）原初反應(yīng) 光合色素光合色素 3 類：葉綠素、類胡蘿素和藻膽素 光化學(xué)反應(yīng)光化學(xué)反應(yīng) 反應(yīng)中心色素分子吸收光能而引發(fā)的氧化還原反應(yīng) 原初反應(yīng)將光能轉(zhuǎn)原初反應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能換為電能（二）電子傳遞和光合磷酸化（二）電子傳遞和光合磷酸化1電子傳遞電子傳遞 光合電子傳遞鏈由一系列的電子載體構(gòu)成光

20、合電子傳遞鏈由一系列的電子載體構(gòu)成 包括細(xì)胞色素、 黃素蛋白、醌和鐵氧還蛋白等；分別組裝在膜蛋白復(fù)合物，如PS、PS及Cyt b6f 中PS的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：PS由反應(yīng)中心復(fù)合物和PS捕光復(fù)合物（LHC） 功能：功能：利用光能在類囊體膜腔面一側(cè)裂解水并在基質(zhì)側(cè)還原質(zhì)體醌，使類囊體膜的兩側(cè)形成質(zhì)子梯度Cytb6f復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：含有一個(gè)Cyt b6、一個(gè)Fe-S 和一個(gè)Cyt f 功能：功能：將電子從PS傳遞到PS，引起H+ 的跨膜轉(zhuǎn)移PS I 的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：由反應(yīng)中心復(fù)合物和 PS捕光復(fù)合物（LHC）組成 功能：功能： 利用吸收的光能或傳遞來(lái)的激發(fā)能在類囊體膜的基質(zhì)側(cè)將NADP+ 還原為NADPH2. 光合磷酸化光合磷酸化CF0-CF1 ATP 合酶合酶 2. 光合磷酸化光合磷酸化類型（非循環(huán)、循環(huán)）類型（非循環(huán)、循環(huán)）2. 光合磷酸化光合磷酸化作用機(jī)制作用機(jī)制2. 光合磷酸化光合磷酸化ATP 合成機(jī)制合成機(jī)制（三）光合碳同化（三）光合碳同化 高