細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換──線粒體和葉綠體2011課件

第七章細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換-線粒體和葉綠體●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)胞器第一節(jié)線粒體與氧化磷酸化●線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)●氧化磷酸化一、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)●線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布形態(tài)：一般呈粒狀或桿狀。大小：一般直徑0.5~1μm，長1.5~3.0μm。巨線粒體：在胰臟外分泌細(xì)胞中，長達(dá)10~20μm。數(shù)目：一般數(shù)百到數(shù)千個(gè)，線粒體的數(shù)目還與細(xì)胞的生理功能和生理狀態(tài)有關(guān)，在新陳代謝旺盛的細(xì)胞中線粒體較多。線粒體向需能部位的集中

(A)在心肌中，線粒體緊密排列在肌原纖維之間(B)在精子的軸絲部位，線粒體呈環(huán)狀緊繞在軸絲周圍●線粒體的超微結(jié)構(gòu)線粒體由兩層彼此平行的單位膜套疊而成的封閉的囊狀結(jié)構(gòu)。外膜內(nèi)膜膜間隙嵴基質(zhì)線粒體的結(jié)構(gòu)◆外膜(outermembrane）：起界膜作用，含孔蛋白(porin)，通透性較高。單胺氧化酶是外膜的標(biāo)志酶?！裟らg隙（intermembranespace）：內(nèi)外膜之間的腔隙，含許多可溶性酶、底物及輔助因子。腺苷酸激酶是膜間隙的標(biāo)志酶。嵴(cristae)：內(nèi)膜向內(nèi)折疊形成嵴，擴(kuò)大內(nèi)膜面積，增加了內(nèi)膜的代謝效率嵴的數(shù)量與線粒體氧化活性的強(qiáng)弱程度有關(guān)！需能多需能少酶類遺傳系統(tǒng)內(nèi)膜以內(nèi)均質(zhì)的膠狀物質(zhì)絲狀物質(zhì)(環(huán)狀DNA和RNA)致密顆粒狀物質(zhì)(含Ca2+、Mg2+或Zn2+等)三羧酸循環(huán)的有關(guān)酶類脂肪酸氧化的有關(guān)酶類氨基酸降解的有關(guān)酶類核糖體◆基質(zhì)（matrix）：蘋果酸脫氫酶是基質(zhì)的標(biāo)志酶。三、線粒體的功能

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（動(dòng)物細(xì)胞的80%ATP都是在線粒體中合成的）；參與細(xì)胞中氧自由基的生成、細(xì)胞凋亡；

儲(chǔ)存鈣離子，參與細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)的分子基礎(chǔ)完整線粒體亞線粒體小泡超聲波處理尿素或胰蛋白酶處理光滑小泡重建電子傳遞磷酸化電子傳遞亞線粒體小泡的產(chǎn)生和重建實(shí)驗(yàn)圖解整個(gè)電子傳遞鏈存在于內(nèi)膜本身氧化磷酸化作用則由ATP酶復(fù)合物來承擔(dān)復(fù)合物Ⅰ:

(NADH-Q-還原酶)

(FMN[Fe-S]n)；復(fù)合物Ⅱ:

(琥珀酸-Q-還原酶)

(FAD[Fe-S])；復(fù)合物Ⅲ:

(Q-細(xì)胞色素c還原酶)

(bFe-Sc1)；復(fù)合物Ⅳ:

(細(xì)胞色素氧化酶)

(aa3-Cu2+1/2O2

)。Green等人將脂蛋白復(fù)合物分為4種：(一)電子傳遞鏈(呼吸鏈)成分性質(zhì)煙酰胺脫氫酶類電子傳遞體載氫體黃素脫氫酶類電子傳遞體載氫體鐵硫蛋白類電子傳遞體輔酶Q類電子傳遞體載氫體細(xì)胞色素類電子傳遞體在電子傳遞過程中，有幾點(diǎn)需要說明◆復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ組成主要的NADH呼吸鏈，催化NADH的氧化；復(fù)合物Ⅱ、

Ⅲ、Ⅳ組成FADH2呼吸鏈，催化琥珀酸的氧化。◆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.O2電子傳遞鏈的組分及其排列次序圖解既具有一定的流動(dòng)性，又有一定的相對(duì)空間分布次呼吸鏈主呼吸鏈ATP合成酶(磷酸化的分子基礎(chǔ))◆工作特點(diǎn)：可逆性復(fù)合酶，既能利用質(zhì)子電化學(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。（三）、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制電子傳遞水平磷酸化水平相互密切偶聯(lián)電子傳遞——電子傳遞鏈（呼吸鏈）磷酸化水平——ATP合成酶復(fù)合物化學(xué)滲透假說(chemiosmoticcouplinghypothesis)

當(dāng)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)泵至膜間隙，由于線粒體內(nèi)膜對(duì)離子是高度不通透的，從而使膜間隙的質(zhì)子濃度高于基質(zhì)，在內(nèi)膜的兩側(cè)形成pH梯度（△pH）及電位梯度（△Ψ），兩者共同構(gòu)成電化學(xué)梯度，即質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)（proton-motiveforce,△P）。榮獲1978年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)!——P.Mitchell,1961第二節(jié)葉綠體與光合作用●葉綠體(Chloroplast)的形態(tài)結(jié)構(gòu)●葉綠體的功能—光合作用(photosynthesis)側(cè)面觀的形態(tài)表面觀的形態(tài)高等植物中：一葉綠體的形態(tài)大小光鏡：橢圓形或梭形的綠色顆粒;

電鏡：扁平的橢圓形或卵圓形藻類和植物細(xì)胞中不同形狀的葉綠體低等植物(藻類)中：各個(gè)物種的葉綠體形狀差別大第六章葉綠體與光合作用二葉綠體的超微結(jié)構(gòu)葉綠體外被內(nèi)膜外膜基質(zhì)類囊體(基質(zhì)片層)基質(zhì)類囊體腔基粒類囊體膜間隙葉綠體超微結(jié)構(gòu)的模式圖解基粒類囊體●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)外，還有類囊體；捕光系統(tǒng)、電子傳遞鏈和ATP合成酶都位于類囊體膜上。

二、葉綠體的功能—光合作用（photosynthesis)（1）原初反應(yīng)（2）電子傳遞和光合磷酸化（3）碳同化前兩個(gè)反應(yīng)屬于光反應(yīng)，是在類囊體膜上由光引起的光化學(xué)反應(yīng)。后一個(gè)屬于暗反應(yīng)，是在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行的不需要光的化學(xué)反應(yīng)。第三節(jié)線粒體和葉綠體是半自主性細(xì)胞器半自主性細(xì)胞器的概念：

自身含有遺傳表達(dá)系統(tǒng)(自主性)；但編碼的遺傳信息十分有限，其RNA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)。一、線粒體和葉綠體的DNA●mtDNA/ctDNA形狀、大小

◆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；●mtDNA和ctDNA均以半保留方式進(jìn)行自我復(fù)制二、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,其蛋白質(zhì)合成體系對(duì)核基因組具有依賴性。●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。葉綠體的半自主性圖解葉綠體的生長與增殖所需要的大部分蛋白質(zhì)是由核基因編碼、在細(xì)胞質(zhì)中合成的；僅有少部分蛋白質(zhì)是由其自身基因編碼、在葉綠體內(nèi)合成的。三、線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)送與組裝●線粒體蛋白質(zhì)的運(yùn)送與組裝●葉綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)送及組裝線粒體蛋白質(zhì)的運(yùn)送與組裝

線粒體前體蛋白質(zhì)在運(yùn)輸以前，以未折疊的形式存在，N端有一段信號(hào)序列稱為導(dǎo)肽或引導(dǎo)肽，完成轉(zhuǎn)運(yùn)后被線粒體導(dǎo)肽水解酶和導(dǎo)肽水解激活酶切除，就成為成熟蛋白，這種現(xiàn)象就叫做后轉(zhuǎn)譯（posttranslation）。導(dǎo)肽的特點(diǎn)是：多位于肽鏈的N端，由大約20-80個(gè)氨基酸構(gòu)成；功能：導(dǎo)肽不僅含有識(shí)別線粒體的信息，而且有牽引蛋白質(zhì)通過線粒體膜進(jìn)行運(yùn)送的功能，決定運(yùn)送的方向，對(duì)所牽引的蛋白質(zhì)沒有特異性要求?！袢~綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)送及組裝葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)輸機(jī)理與線粒體的相似。都發(fā)生后轉(zhuǎn)移；前體蛋白N端有信號(hào)序列（轉(zhuǎn)運(yùn)肽），使用后被信號(hào)肽酶切除。葉綠體與線粒體蛋白質(zhì)的運(yùn)送及組裝的區(qū)別

但兩者的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)體系中除了某些hsp分子相同外，轉(zhuǎn)位因子復(fù)合體是不同的。葉綠體的蛋白質(zhì)前體的轉(zhuǎn)運(yùn)肽分為兩個(gè)區(qū)域，分別引導(dǎo)進(jìn)入基質(zhì)和類囊體，因此有