第六章線粒體與葉綠體

第六章

線粒體與葉綠體當(dāng)前1頁，總共86頁。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)，無色。現(xiàn)在可用熒光染料染色的方法顯示。當(dāng)前2頁，總共86頁。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?。阂蚣?xì)胞類型和生理狀況不同而異，一般長1.5~3.0um，寬0.5~1.0um當(dāng)前3頁，總共86頁。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，腎細(xì)胞400個，精子25個。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。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)控的基礎(chǔ)。當(dāng)前4頁，總共86頁。2.線粒體的超微結(jié)構(gòu)外膜：單位膜，平整光滑，有彈性，上有排列整齊的筒狀圓柱體，成分為孔蛋白，孔徑2~3nm，MW<10000的小分子物質(zhì)可自由通過。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)鍵場所。當(dāng)前5頁，總共86頁。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。當(dāng)前6頁，總共86頁。3.線粒體的化學(xué)組成蛋白質(zhì)：占線粒體干重的65~70%，主要在基質(zhì)和內(nèi)膜上。脂類：占線粒體干重的25~30%，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%）當(dāng)前7頁，總共86頁。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當(dāng)前8頁，總共86頁。5.線粒體主要酶的分布部位酶的名稱部位酶的名稱外膜

單胺氧化酶

NADH-細(xì)胞色素還原酶（對魚藤酮不敏感）核苷二磷酸激酶磷酸甘油酰基轉(zhuǎn)移酶內(nèi)膜細(xì)胞色素氧化酶NADH脫氫酶（對魚藤酮敏感）琥珀酸脫氫酶細(xì)胞色素c

ATP合酶肉毒堿?；D(zhuǎn)移酶丙酮酸氧化酶膜間隙腺苷酸激酶核苷酸激酶二磷酸激酶單磷酸激酶基質(zhì)三羧酸循環(huán)酶系脂肪酸β氧化酶谷氨酸脫氫酶天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶、蛋白質(zhì)和核酸合成酶系丙酮酸脫氫酶復(fù)合物當(dāng)前9頁，總共86頁。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)移當(dāng)前10頁，總共86頁。（1）呼吸鏈（電子傳遞鏈）氧化還原電位，NADH→O2，低→高四種重要的復(fù)合物：復(fù)合物I：NADH-CoQ還原酶（NADH脫氫酶）復(fù)合物Ⅱ：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)胞色素氧化酶當(dāng)前11頁，總共86頁。通過以上復(fù)合物I、III、IV時都有一個大的氧還電位變化，認(rèn)為是質(zhì)子泵的部位。電子傳遞認(rèn)為是分子隨機碰撞的結(jié)果，CoQ可在膜內(nèi)自由擴散，作為復(fù)合物I和III之間的媒介，Cyt-C分子量不大，運動快，作為復(fù)合物III和IV之間的媒介。當(dāng)前12頁，總共86頁。（2）質(zhì)子動力膜兩側(cè)的電位差和pH差pH質(zhì)子動力P=-59pH（單位為mV）線粒體中，=-160mV，pH1，基質(zhì)pH8，膜間腔pH（胞質(zhì)溶液）7當(dāng)前13頁，總共86頁。（3）ATP的合成ATP合成酶的分子結(jié)構(gòu)與組成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：無F1顆粒的“外翻小泡”不能合成ATP，加入F1顆?？梢院铣葾TP，說明F1顆粒具有ATP酶活性。當(dāng)前14頁，總共86頁。工作特點：可逆性復(fù)合酶，既能利用質(zhì)子電化學(xué)梯度儲存的能量合成ATP，又能水解ATP將質(zhì)子從基質(zhì)泵到膜間隙。ATP合成機制當(dāng)前15頁，總共86頁。（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)的運輸ADP與ATP的交換磷酸根與H+、丙酮酸與H+的同向運輸當(dāng)前16頁，總共86頁。7.氧化磷酸化的偶聯(lián)機制—化學(xué)滲透學(xué)說由英國生化學(xué)家米切爾（Mitchell）1961年提出，1978年獲得諾貝爾化學(xué)獎?；舅枷耄壕€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合成酶再利用這個電化學(xué)梯度來合成ATP。這個學(xué)說要求：內(nèi)膜對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。當(dāng)前17頁，總共86頁?；瘜W(xué)滲透學(xué)說實驗依據(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：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的合成當(dāng)前18頁，總共86頁。8.線粒體與人類健康心肌線粒體疾病—克山病：缺硒引起。線粒體DNA異常－遺傳性疾病線粒體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?。两鹕。壕€粒體功能退行性變化

當(dāng)前19頁，總共86頁。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。當(dāng)前20頁，總共86頁。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)；分裂增殖當(dāng)前21頁，總共86頁。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、果實等細(xì)胞中。當(dāng)前22頁，總共86頁。葉綠體形態(tài)高等植物：凸透鏡形，長4~10um，寬2~4um低等植物：螺旋狀、帶狀、杯狀、星狀等。數(shù)目：幾十~幾百個，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當(dāng)前23頁，總共86頁。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，MW<10000的物質(zhì)可通過；內(nèi)膜選擇性強，具有特殊載體，僅允許O2、CO2和H2O分子自由通透。當(dāng)前24頁，總共86頁。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)行光合作用的場所當(dāng)前25頁，總共86頁。基質(zhì)含可溶性蛋白質(zhì)（含量最多的是RuBP羧化酶）、DNA、核糖體、淀粉粒當(dāng)前26頁，總共86頁。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（10~15%）葉綠素和類胡蘿卜素（20~25%）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—PSI，PSII當(dāng)前27頁，總共86頁。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（LHC）NADP還原酶當(dāng)前28頁，總共86頁。3.葉綠體的功能—光合作用反應(yīng)式6CO2+12H2O（CH2O）6+6H2O+6O2

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。

光當(dāng)前29頁，總共86頁。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當(dāng)前30頁，總共86頁。暗反應(yīng)—CO2的固定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，在時間及空間上與C4途徑不同。當(dāng)前31頁，總共86頁。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6碳中間物，然后馬上分解為兩個磷酸甘油酸，這個三碳物被光反應(yīng)的產(chǎn)物NADPH還原為磷酸甘油醛，6個磷酸甘油醛經(jīng)一系列反應(yīng)可以再生出3個RuBP，循環(huán)使用，凈得一個磷酸甘油醛用于糖的合成。當(dāng)前32頁，總共86頁。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)胞中先固定為一個四碳酸（草酰乙酸）；在維管束鞘中再重新放出CO2按C3途徑固定；光合效率高。當(dāng)前33頁，總共86頁。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rRNA，22個tRNA，13個蛋白質(zhì)，排列十分緊湊，無內(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；當(dāng)前34頁，總共86頁。核糖體：類似于原核生物核糖體；對核基因的依賴：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)核糖體上合成后運送到線粒體和葉綠體中去。當(dāng)前35頁，總共86頁。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)合成體系對核基因組的依賴性參加葉綠體組成的蛋白質(zhì)來源有３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。當(dāng)前36頁，總共86頁。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：分裂增殖黑暗光照當(dāng)前37頁，總共86頁。五、線粒體和葉綠體的起源內(nèi)共生起源學(xué)說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。當(dāng)前38頁，總共86頁。內(nèi)共生起源學(xué)說的主要論據(jù)基因組在大小、形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面與細(xì)菌相似。有獨立、完整的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，能獨立合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)合成機制有很多類似細(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。當(dāng)前39頁，總共86頁。能在異源細(xì)胞內(nèi)長期生存，說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。當(dāng)前40頁，總共86頁。細(xì)胞分化學(xué)說非共生起源學(xué)說認(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)胞膜通過內(nèi)陷、擴張和分化，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。當(dāng)前41頁，總共86頁。當(dāng)前42頁，總共86頁。當(dāng)前43頁，總共86頁。線狀短桿狀骨骼肌細(xì)胞精子尾部粒狀當(dāng)前44頁，總共86頁。當(dāng)前45頁，總共86頁。當(dāng)前46頁，總共86頁。當(dāng)前47頁，總共86頁。當(dāng)前48頁，總共86頁。當(dāng)前49頁，總共86頁。當(dāng)前50頁，總共86頁。當(dāng)前51頁，總共86頁。當(dāng)前52頁，總共86頁。當(dāng)前53頁，總共86頁。當(dāng)前54頁，總共86頁。當(dāng)前55頁，總共86頁。Se-克山病當(dāng)前56頁，總共86頁。左側(cè)正常大腦細(xì)胞具有高水平的線粒體功能（紅色所示）右側(cè)細(xì)胞水平較低（這部分紅色染料是另一種用于標(biāo)記細(xì)胞核的）

當(dāng)前57頁，總共86頁。有色