細(xì)胞生物學(xué)中文課件6線粒體和葉綠體

1、1第六章第六章 線粒體和葉綠體線粒體和葉綠體第一節(jié)第一節(jié) 線粒體與氧化磷酸化線粒體與氧化磷酸化(一一) 線粒體的基本形態(tài)及動(dòng)態(tài)特征線粒體的基本形態(tài)及動(dòng)態(tài)特征1.1.形態(tài)形態(tài)2.2.大小大小3.3.分布分布4.4.數(shù)量數(shù)量2(二) 線粒體的融合與分裂3（二）線粒體融合與分裂的分子生物學(xué)基礎(chǔ) 線粒體融合蛋白Fzo （Fuzzy Onion (模糊的蔥頭,果蠅）Mfn (Mitofusin, 哺乳動(dòng)物細(xì)胞) 線粒體分裂蛋白 Dnm 1(dynamin 1, 酵母）， Dlp1(dynamin-like 1, 大鼠） Drp1(dynamin related 1, 線蟲和哺乳動(dòng)物）4（三）線粒體融合與

2、分裂的細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)5 外膜外膜 內(nèi)膜內(nèi)膜: : 膜間隙膜間隙 基質(zhì)基質(zhì) 或內(nèi)室或內(nèi)室 二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)6線粒體的化學(xué)組成(一) 線粒體的化學(xué)組成 1.蛋白質(zhì) 2. 脂質(zhì) 3 RNA 4 DNA7（二）線粒體酶的定位（二）線粒體酶的定位1 亞線粒體顆粒的制備及拆離與重組 19601960年，年，E.RackerE.Racker的氧化磷酸化的重組實(shí)驗(yàn)：的氧化磷酸化的重組實(shí)驗(yàn)：超聲波超聲波胰蛋白酶胰蛋白酶或尿素或尿素重組重組亞亞線粒體囊泡線粒體囊泡有電子傳遞能力有電子傳遞能力但不能使但不能使ADPADP磷酸化磷酸化具備氧化磷酸化能力具備氧化磷酸化能力8線粒體上酶的分布 部位

3、 標(biāo)志酶 主要酶 外膜 單胺氧化酶 膜間隙 腺苷酸激酶 內(nèi)膜 細(xì)胞色素氧化酶 電子傳遞鏈 ATP合成酶 基質(zhì) 蘋果酸脫氫酶 脂肪酸氧化酶系 三羧 酸循 環(huán)酶系（琥珀酸脫氫 酶除外）核酸和蛋白質(zhì)合成酶系9三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化 （一）三羧酸循環(huán)：（一）三羧酸循環(huán)： 1. 1. 糖酵解糖酵解 在細(xì)胞質(zhì)中，葡萄糖降解生成丙酮酸。在細(xì)胞質(zhì)中，葡萄糖降解生成丙酮酸。 2. 2. 三羧酸循環(huán)三羧酸循環(huán): : 丙酮酸進(jìn)入線粒體基質(zhì)丙酮酸進(jìn)入線粒體基質(zhì) 在線粒體基質(zhì)中在線粒體基質(zhì)中, ,在丙酮脫氫酶體系作用下，丙酮酸進(jìn)一步分解在丙酮脫氫酶體系作用下，丙酮酸進(jìn)一步分解為乙酰輔為乙酰輔 酶酶A A。乙酰輔。

4、乙酰輔 酶酶A A進(jìn)入三羧酸循壞徹進(jìn)入三羧酸循壞徹底氧化為底氧化為COCO2 2和和H H2 2O O并釋放能量。并釋放能量。1011( (二二) ) 氧化磷酸化氧化磷酸化1.氧化磷酸化的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)1.1. 電子傳遞鏈( 呼吸鏈)12線粒體呼吸鏈的組分復(fù)合物復(fù)合物復(fù)合物細(xì)胞色素C復(fù)合物輔酶Q13v呼吸鏈由一系列的氫傳遞體和電子傳遞體組成。呼吸鏈由一系列的氫傳遞體和電子傳遞體組成。包括：包括： NADH-QNADH-Q還原酶、琥珀酸還原酶、琥珀酸-Q-Q還原酶、還原酶、細(xì)胞色素還細(xì)胞色素還原酶原酶、細(xì)胞色素氧化酶。、細(xì)胞色素氧化酶。NADHNADHNADH-QNADH-Q還原酶還原酶Q細(xì)胞色素

5、細(xì)胞色素還原酶還原酶細(xì)胞細(xì)胞色素色素C C細(xì)胞色素細(xì)胞色素氧化酶氧化酶O2琥珀酸琥珀酸-Q-Q還原酶還原酶FADH2FADH214電子傳遞鏈15血紅素16鐵硫蛋白171819*2.5ATP per NADH*1.5ATP per FADHLehninger 20 近來(lái)許多試驗(yàn)表明NADH傳出電子時(shí)，其P/O ratio 為2.5. 10除以4 6除以4 NADH 每傳遞一對(duì)電子至氧要pump out 出膜外的質(zhì)子數(shù)量有10個(gè)，而FADH則有6各。而要驅(qū)動(dòng)一個(gè)ATP產(chǎn)生所需的質(zhì)子數(shù)，最廣為接受的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為4個(gè)。21電子傳遞的方向電子傳遞.gif221.2 ATP合成酶的分子結(jié)構(gòu)與組成分布組成:

6、F1(偶聯(lián)因子F1) F0(偶聯(lián)因子F0)231.3 1.3 電子傳遞和氧化磷酸化的偶聯(lián)電子傳遞和氧化磷酸化的偶聯(lián) 氧化磷酸化：氧化磷酸化： NADHNADH和和FADHFADH2 2是兩種還原性的電子載體，是兩種還原性的電子載體，它們所攜帶的電子經(jīng)呼吸鏈傳給氧時(shí)它們所攜帶的電子經(jīng)呼吸鏈傳給氧時(shí), , 伴有伴有ADPADP磷酸化形成磷酸化形成ATPATP。 ADP+Pi ATPADP+Pi ATP 24(二) 氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制（1）電子傳遞鏈在線粒體內(nèi)膜呈不對(duì)稱分布。有些組分不僅可以傳遞電子，而且可以起質(zhì)子泵的作用。（2）當(dāng)電子在內(nèi)膜中迂回傳遞時(shí)所釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵至膜間隙，

7、從而使膜間隙的質(zhì)子濃度高于基質(zhì)，因而在內(nèi)膜兩側(cè)形成pH梯度和電位差。（3）在這個(gè)梯度的驅(qū)動(dòng)下，質(zhì)子穿過內(nèi)膜上的ATP合成酶流回基質(zhì)，其能量促使ADP和Pi合成ATP。1 化學(xué)滲透假說(shuō)主要內(nèi)容： :Peter Mitchell 25( 三) ATP合成酶的作用機(jī)制1分子結(jié)構(gòu)26( 三) ATP合成酶的作用機(jī)制旋轉(zhuǎn)催化機(jī)制ATP 合成機(jī)制.mov2728四、線粒體與疾病 克山?。喝蔽?，線粒體膜不穩(wěn)定。 腦壞死 心肌病 腫瘤 不育 帕金森綜合征29五、線粒體蛋白質(zhì)的合成與運(yùn)輸( 一) 合成 導(dǎo)肽： 由核DNA編碼的構(gòu)成線粒體的蛋白質(zhì)前體的N末端含有識(shí)別線粒體膜上特異受體，指導(dǎo)蛋白質(zhì)在線粒體中定位的一

8、段氨基酸序列，稱為導(dǎo)肽。 其特點(diǎn)是： （1）含豐富的帶正電荷的氨基酸；（2）羥基氨基酸含量也高；（3）幾乎不含帶負(fù)電荷的氨基酸；（4）可形成雙親性的螺旋結(jié)構(gòu)。30( 二) 運(yùn) 輸31 六、線粒體的增殖與起源六、線粒體的增殖與起源 (一) 線粒體的增殖32 ( (二二) ) 線粒體的起源線粒體的起源1內(nèi)共生假說(shuō)：內(nèi)共生假說(shuō)：觀點(diǎn)：吞噬性真核細(xì)胞祖先觀點(diǎn)：吞噬性真核細(xì)胞祖先 一種好氧的革蘭氏陰性細(xì)菌一種好氧的革蘭氏陰性細(xì)菌證據(jù)： 線粒體大小，DNA的特點(diǎn)、蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)、增殖方式以及內(nèi)外膜的差異。2 內(nèi)分化假說(shuō)內(nèi)分化假說(shuō)觀點(diǎn)：原核細(xì)胞基因組復(fù)制但細(xì)胞不一定分裂，觀點(diǎn)：原核細(xì)胞基因組復(fù)制但細(xì)胞不一定

9、分裂， 質(zhì)膜內(nèi)陷與包裹質(zhì)膜內(nèi)陷與包裹 證據(jù)： 質(zhì)膜內(nèi)陷，基因組擴(kuò)大與丟失。33七、線粒體與細(xì)胞凋亡細(xì)胞色素C線粒體其他凋亡相關(guān)因子34八 、線粒體的半自主性（一）自主性的證據(jù) 1 mt DNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)復(fù)制： 方式 周期 2 RNARNA的類型RNA聚合酶遺傳密碼子 3 蛋白質(zhì)合成核糖體轉(zhuǎn)錄與翻譯的時(shí)間和部位起始氨酰tRNA對(duì)抑制劑的敏感性35( 二) 自主性的局限性1. 基因組小 362. 2. 合成的蛋白質(zhì)種類少合成的蛋白質(zhì)種類少線粒體中合成的多肽主要有細(xì)胞色素線粒體中合成的多肽主要有細(xì)胞色素C C氧化酶氧化酶3 3個(gè)個(gè)亞基。亞基。ATPATP合成酶中合成酶中F F0 0的兩個(gè)亞基的兩個(gè)亞基

10、NADHNADHC CO OQ Q還還原酶，原酶，7 7個(gè)亞基和細(xì)胞色素個(gè)亞基和細(xì)胞色素b b 。3 3 mt DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯所需的許多酶和蛋白質(zhì)因子都是由核DNA編碼的。37第二節(jié) 葉綠體與光合作用 一 葉綠體的形態(tài)結(jié)構(gòu) （一） 葉綠體的形態(tài)、大小和數(shù)目 多呈香蕉形；直徑36m，厚23m，數(shù)目隨種類和環(huán)境不同而差異巨大。38（二） 葉綠體的結(jié)構(gòu) 1 葉綠體膜 外膜：高透性，核苷、磷酸衍生物可透過； 內(nèi)膜：透性很低，是細(xì)胞質(zhì)和葉綠體基質(zhì)間的功能屏障；含轉(zhuǎn)運(yùn)體，以轉(zhuǎn)運(yùn)代謝物。 膜間隙：厚約1020 nm， 2 類囊體 類囊體是葉綠體基質(zhì)中由單位膜封閉形成的扁平小囊，一般沿葉綠

11、體長(zhǎng)軸平行排列。類囊體可在一定區(qū)域疊置成垛而形成基粒。 類囊體膜主要包含捕光色素/天線色素、光合電子傳遞鏈、CFo-CF1 ATP酶。是光合作用光反應(yīng)的場(chǎng)所。 3 葉綠體基質(zhì) 是葉綠體內(nèi)膜和類囊體之間的的無(wú)定形物。主要包含可溶性蛋白質(zhì)(多為代謝酶，以RuBPase最多)；核糖體、RNA和DNA；淀粉粒、脂滴及植物鐵蛋白。是CO2固定的場(chǎng)所，葉綠體自身基因的轉(zhuǎn)錄和蛋白合成。39二二 葉綠體的主要功能葉綠體的主要功能光合作用光合作用 (一) 原初反應(yīng)（二）電子傳遞和光合磷酸化（三）光合碳同化40原初反應(yīng)3）反應(yīng)中心：由反應(yīng)中心色素、原初電子供體 (D) 和原初電子受體 (A) 組成。2 原初反應(yīng)步

12、驟如下： 原初電子供體 共振 電荷分離捕光色素捕獲光能 反應(yīng)中心色素激活 高能電子 原初電子受體原初反應(yīng)指光合葉綠素分子被光激發(fā)至引起第一個(gè)光化學(xué)反應(yīng)為止的過程，包括光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋? 參與原初反應(yīng)的主要成分1）捕光色素/天線色素：大多數(shù)Chl a和Chl b、類胡蘿卜素、只吸收光，不發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)；2）反應(yīng)中心色素：特殊狀態(tài)的Chl a，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，分為P700 和P68041（二）電子傳遞和光合磷酸化1 電子傳遞鏈的成分及功能電子傳遞鏈的成分及功能1）PS復(fù)合物：參與水的氧化和復(fù)合物：參與水的氧化和PQ還原還原a PS捕光復(fù)合物（捕光復(fù)合物（LHC）：由蛋

13、白質(zhì)、色素分子和脂類分子組成；）：由蛋白質(zhì)、色素分子和脂類分子組成；吸收并傳遞光給吸收并傳遞光給P680，還可調(diào)節(jié)，還可調(diào)節(jié)PS和和PS間的激發(fā)能分配。間的激發(fā)能分配。b P680：特殊狀態(tài)的：特殊狀態(tài)的Chla，吸收光能被激發(fā)，產(chǎn)生高能電子和，吸收光能被激發(fā)，產(chǎn)生高能電子和P680，P680可奪取水中電子，將水氧化成可奪取水中電子，將水氧化成O2。c脫鎂葉綠素（脫鎂葉綠素（Phe）：接收）：接收P680產(chǎn)生的電子，并向下傳遞給產(chǎn)生的電子，并向下傳遞給PQ。2）質(zhì)體醌（）質(zhì)體醌（PQ）：一種脂溶性分子，接收電子并傳遞給）：一種脂溶性分子，接收電子并傳遞給Cytb6f，同時(shí)，同時(shí)轉(zhuǎn)移質(zhì)子到類囊體

14、腔。轉(zhuǎn)移質(zhì)子到類囊體腔。3）Cytb6f復(fù)合物：由復(fù)合物：由Cytb6、Cytf和和Fe-S組成，接收并傳遞電子給組成，接收并傳遞電子給PC，聯(lián)接聯(lián)接PS和和PS。4）質(zhì)體藍(lán)素）質(zhì)體藍(lán)素PC：含：含Cu的水溶性外周膜蛋白，接收電子后結(jié)合并傳遞電的水溶性外周膜蛋白，接收電子后結(jié)合并傳遞電子給子給PS中的中的P700。5）PS： a PS捕光復(fù)合物（捕光復(fù)合物（LHC）：吸收并傳遞光能給）：吸收并傳遞光能給P700b P700：Chla二聚體，接收光能，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電子和二聚體，接收光能，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電子和P700，P700奪取來(lái)自?shī)Z取來(lái)自PC電子。電子。c 其它電子傳遞體：其它電

15、子傳遞體：A0A1Fx傳遞電子給傳遞電子給6）Fd：接收：接收PS中的電子并傳遞給中的電子并傳遞給NADP+，生成，生成NADPH。4243442 由水到PS的電子傳遞 放氧復(fù)合物（OEC）：分布在類囊體膜腔面，和PS復(fù)合物結(jié)合的一種水溶性蛋白復(fù)合物，含4個(gè)Mn。功能是完成水的氧化，生成質(zhì)子、電子和氧，并將產(chǎn)生的電子經(jīng)PS中D1上的Tyr傳遞給P680。453 電子傳遞的兩條通路 1）非循環(huán)式電子流(Z 型)如下： H2OOECPSPQCytb6fPCPSFdNADP+ 2）循環(huán)式電子流：Cytb6fPCPSFdCytb6f464 光合磷酸化 1）CF1-F0ATP合酶：結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制與線粒體F1-F0ATP合酶類似。 2）光合磷酸化：由光照所引起的電子傳遞和磷酸化作用相偶聯(lián)生成ATP的過程。其機(jī)制和過程類似氧化磷酸化。 非循環(huán)式光合磷酸化：產(chǎn)物為ATP、NADPH和O2； 循環(huán)式光合磷酸化：產(chǎn)物僅為ATP。47（三）光合碳同化 利用