細胞生物學(xué)課件：第六章-線粒體與葉

第六章線粒體與葉綠體（1）線粒體與葉綠體都是能量轉(zhuǎn)換細胞器線粒體將儲存在生物大分子中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為細胞可直接利用的能源；葉綠體通過光合作用把光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，儲存于生物大分子（2）線粒體與葉綠體都能高效的產(chǎn)生ATP基本結(jié)構(gòu)相似，以類似的方式合成ATP。（3）線粒體與葉綠體都是半自主性的細胞器具有環(huán)狀DNA、自身轉(zhuǎn)錄RNA與翻譯蛋白質(zhì)的體系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胞器線粒體和葉綠體的增殖與起源第一節(jié)線粒體與氧化磷酸化

線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)線粒體的化學(xué)組成及酶的定位氧化磷酸化線粒體與疾病線粒體發(fā)現(xiàn)的歷史1850，Altaman首次發(fā)現(xiàn)，命名為bioblast（生命小體）；1898，vonBenda提出mitochondrion；1900，Michaelis發(fā)現(xiàn)線粒體具有氧化作用；1948，Green，1949，Kennedy和Lehninger分別發(fā)現(xiàn)三羧酸循環(huán)和脂肪酸氧化是在線粒體內(nèi)完成的。線粒體：是細胞內(nèi)氧化磷酸化和形成ATP的主要場所，有細胞“動力工廠”之稱；線粒體有自身的DNA和遺傳體系，但基因組的基因數(shù)量有限，是一種“半自主性的細胞器”。一、形態(tài)結(jié)構(gòu)（一）形態(tài)粒狀或桿狀;直徑0.5~1μm，長1.5~3.0μm；胰外分泌細胞中可達10~20μm，稱巨線粒體。不同類型細胞中線粒體的數(shù)目不同，但同一類型細胞中數(shù)目相對穩(wěn)定。肝細胞約1300個線粒體，占細胞體積的20%；人類成熟紅細胞無線粒體（代謝率低，耗能少）。AnTEMimageofmitochondrion

（二）分布一般情況下，線粒體均勻的分布在整個細胞質(zhì)；但在某些細胞中，線粒體多集中在代謝活躍的區(qū)域，需要較多的ATP：如肌細胞的肌纖維；精細胞、鞭毛、纖毛和腎小管細胞的基部也集中分布在有較多氧化反應(yīng)底物的區(qū)域可定向地運動、聚集和分散，微管是其導(dǎo)軌、馬達蛋白提供動力。骨骼肌上線粒體的分布（三）線粒體的超微結(jié)構(gòu)分為外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四部分。線粒體結(jié)構(gòu)示意圖核糖體嵴1、外膜(outmembrane)具有porin（孔蛋白）構(gòu)成的親水通道，允許小分子物質(zhì)（ATP、NAD、輔酶A等）通過2、內(nèi)膜（innermembrane）類似細菌質(zhì)膜；心磷脂含量高(達20%)、缺乏膽固醇，通透性很低；含有與能量轉(zhuǎn)換相關(guān)的蛋白；向內(nèi)折疊形成嵴（cristae），能擴大表面積（5－10倍），分兩種：①板層狀、②管狀；嵴上有基粒。板層狀嵴管狀嵴·執(zhí)行氧化反應(yīng)的電子傳遞鏈·ATP合成酶

·線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運蛋白：磷酸、Ca2+、核苷酸、谷氨酸、鳥氨酸等

·合成酶類：合成線粒體DNA、RNA和蛋白質(zhì)3、膜間隙：是內(nèi)外膜之間的腔隙，寬約6-8nm。含許多可溶性酶、底物及輔助因子。4、基質(zhì)：含三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化和氨基酸降解的酶類；mtDNA及核酸、蛋白合成體系；纖維絲和致密顆粒狀物質(zhì)，內(nèi)含Ca2+、Mg2+、Zn2+等離子。線粒體的功能（1）進行TCA循環(huán)及氧化磷酸化合成ATP，為細胞生命活動提供能量；（2）與細胞中氧自由基的生成，調(diào)節(jié)細胞氧化還原電位和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)控細胞凋亡、細胞內(nèi)多種離子的跨膜轉(zhuǎn)運、電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡等有關(guān)總結(jié)：線粒體各部分蛋白的分布外膜膜間隙內(nèi)膜基質(zhì)細胞色素b5

腺苷酸激酶

NADH脫氫酶丙酮酸脫氫酶NADH-細胞色素核苷琥珀酸脫氫酶脂肪酸β氧化酶還原酶二磷酸激酶細胞色素氧化酶

Krebs循環(huán)酶脂酰輔酶A合酶單磷酸激酶細胞色素c

DNA聚合酶磷酸甘油酰基轉(zhuǎn)移酶ATP合酶RNA聚合酶核苷二磷酸激酶（F0F1復(fù)合物）核糖體孔蛋白運輸?shù)鞍邹D(zhuǎn)移RNA單胺氧化酶醌蘋果酸脫氫酶磷脂：蛋白質(zhì)＝0.9：1磷脂：蛋白質(zhì)＝0.3：0.7心磷脂：磷脂＝0.03：0.97心磷脂：磷脂＝0.22：0.78總結(jié)：線粒體各部分的功能部位功能外膜磷脂的合成、脂肪酸鏈去飽和、脂肪鏈延伸內(nèi)膜電子傳遞、氧化磷酸化、代謝物質(zhì)運輸膜間隙核苷的磷酸化基質(zhì)丙酮酸氧化、TCA循環(huán)、脂肪的β氧化、

DNA復(fù)制、RNA合成、蛋白質(zhì)合成二、線粒體的化學(xué)組成及酶的定位（一）線粒體組分分離方法差速離心技術(shù)

（二）線粒體的化學(xué)組成◆蛋白質(zhì)(線粒體干重的65～70％)◆脂類(線粒體干重的25～30％)：磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，內(nèi)膜主要是心磷脂；線粒體脂類和蛋白質(zhì)的比值:0.3:1（內(nèi)膜）；1:1（外膜）（三）線粒體主要酶的分布三、氧化磷酸化

(oxidativephosphorylation)

氧化磷酸化：生物化學(xué)過程，是物質(zhì)在體內(nèi)氧化時，釋放的能量供給ADP與無機磷合成ATP的偶聯(lián)反應(yīng)。

氧化磷酸化的主要部位是線粒體，作用是合成ATP，為細胞生命活動提供直接能量

動物細胞80%的ATP來源于線粒體。Mitochondrialfunction丙酮酸Citricacidcycle:檸檬酸循環(huán)1.

氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)2.

氧化磷酸化的偶聯(lián)機制—化學(xué)滲透假說3.

質(zhì)子動力勢的其他作用4.

線粒體能量轉(zhuǎn)換過程略圖1、氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)

氧化磷酸化過程實際上是能量轉(zhuǎn)換過程，即有機分子中儲藏的能量高能電子質(zhì)子動力勢ATP◆氧化（電子傳遞、消耗氧,放能）與磷酸化（ADP+Pi，儲能）同時進行，密切偶連，分別由兩個不同的結(jié)構(gòu)體系執(zhí)行

◆電子傳遞鏈(electron-transportchain）的四種復(fù)合物，組成兩種呼吸鏈：NADH呼吸鏈,FADH2呼吸鏈 ◆ATP合成酶（ATPsynthase）(磷酸化的分子基礎(chǔ))電子傳遞鏈的四種復(fù)合物(哺乳類)

◆復(fù)合物Ⅰ：NADH-CoQ還原酶復(fù)合物（既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體）組成：含42個蛋白亞基，至少6個Fe-S中心和1個黃素蛋白。作用：催化NADH氧化，從中獲得2個高能電子輔酶Q；泵出4H+◆復(fù)合物Ⅱ：琥珀酸脫氫酶復(fù)合物（是電子傳遞體而非質(zhì)子移位體）組成：含F(xiàn)AD輔基，2個Fe-S中心，作用：催化2個低能電子FADFe-S輔酶Q(無H+泵出)◆復(fù)合物Ⅲ：細胞色素bc1復(fù)合物（既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體）組成：包括1個cytc1、1個cytb、1個Fe-S蛋白作用：催化電子從UQH2cytc；泵出4個H+

（2個來自UQ，2個來自基質(zhì)）◆復(fù)合物Ⅳ：細胞色素C氧化酶（既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體）組成：二聚體，每一單體含13個亞基，

三維構(gòu)象，cyta,cyta3,Cu,Fe

作用：催化電子從cytc分子O2

形成水，2個H+泵出，2H+

參與形成水Fe-S中心細胞色素C氧化酶催化電子從cytc分子O2形成水，2H+泵出，2H+參與形成水在電子傳遞過程中，有幾點需要說明◆四種類型電子載體：黃素蛋白、細胞色素(含血紅素輔基)、

Fe-S中心、輔酶Q。前三種與蛋白質(zhì)結(jié)合，輔酶Q為脂溶性醌?！綦娮觽鬟f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?！綦娮觽鬟f方向按氧化還原電勢遞增的方向傳遞(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(能量轉(zhuǎn)化)◆電子傳遞鏈各組分在膜上不對稱分布ATP合成酶(磷酸化的分子基礎(chǔ))◆分子結(jié)構(gòu)◆線粒體ATP合成系統(tǒng)的解離與重建實驗證明電子傳遞與ATP合成是由兩個不同的結(jié)構(gòu)體系執(zhí)行,F1顆粒具有ATP酶活性◆工作特點：可逆性復(fù)合酶，即既能利用質(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—BandingChangeMechanism(Boyer1979)由突出于膜外的F1親水頭部和嵌入膜內(nèi)的Fo疏水尾部組成F1:水溶性球蛋白,從內(nèi)膜突出于基質(zhì)中,由3α,3β,1γ,1δ和1ε等9個亞基組成

β亞基的結(jié)合位點具有催化ATP合成或水解的活性；ε亞基有抑制酶水解ATP的活性,同時有堵塞氫離子通道，減少氫離子泄露的功能

Fo:嵌合在內(nèi)膜上的疏水蛋白復(fù)合體，形成一個跨膜質(zhì)子通道。

可調(diào)節(jié)通過Fo的氫離子流，當(dāng)質(zhì)子動力很小時，它可防止ATP水解；又可起到保護和抵抗外界環(huán)境變化的作用

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)泵到膜間隙三、質(zhì)子動力勢的其他作用◆物質(zhì)轉(zhuǎn)運◆產(chǎn)熱：冬眠動物與新生兒的BrownFatCell（褐色脂肪細胞）線粒體產(chǎn)生大量熱量四、線粒體能量轉(zhuǎn)換過程略圖五、線粒體與疾病因遺傳缺陷引起線粒體代謝酶的缺陷導(dǎo)致ATP合成障礙，能量產(chǎn)生不足而出現(xiàn)的一組多系統(tǒng)疾病，也稱為線粒體細胞病。發(fā)病機制：線粒體疾病是由于各種原因使mtDNA或/和核DNA發(fā)生基因突變，線粒體內(nèi)酶功能缺陷，ATP合成障礙，不能維持細胞的正常生理功能產(chǎn)生氧化應(yīng)激，使氧自由基產(chǎn)生增加，誘導(dǎo)細胞凋亡。線粒體肌病的生化分類：（1）線粒體底物的運輸缺陷；（2）線粒體底物的利用缺陷；（3）呼吸鏈(resqiratorychain)缺陷；（4）能量保持和轉(zhuǎn)換異常第二節(jié)葉綠體(Chloroplast)與光合作用光合作用是地球上有機體生存和發(fā)展的根本源泉。綠色植物年產(chǎn)干物質(zhì)達1014公斤?！袢~綠體的形態(tài)結(jié)構(gòu)●葉綠體的功能—光合作用一、葉綠體的形態(tài)結(jié)構(gòu)1.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。2.葉綠體的超微結(jié)構(gòu)葉綠體被膜基質(zhì)(間質(zhì))類囊體(片層)

二、葉綠體的功能—光合作用

(photosynthesis)●光反應(yīng)（光合電子傳遞反應(yīng)）●暗反應(yīng)(碳固定)●光合作用與有氧呼吸的關(guān)系光合作用葉綠體等吸收、傳遞光能，轉(zhuǎn)換成電能，化學(xué)能，合成ATP的同時也產(chǎn)生O2,并將CO2還原為糖光合作用與有氧呼吸的關(guān)系圖第三節(jié)線粒體和葉綠體是半自主性細胞器

一、線粒體和葉綠體的DNA二、線粒體和葉綠體的半自主性半自主性細胞器的概念自身含有遺傳表達系統(tǒng)(自主性)；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)。線粒體和葉綠體的生長和增殖是受核基因組及其自身的基因組兩套遺傳系統(tǒng)的調(diào)控， 稱之為半自主性細胞器。一、線粒體和葉綠體的DNA（一）mtDNA/ctDNA形狀、數(shù)量、大小◆雙鏈環(huán)狀(除綠藻mtDNA，草履蟲mtDNA)◆mtDNA大小在動物中變化不大，但在植物中變化較大；高等植物：120kbp~200kbp；◆e.g.人mtDNA：16,569bp，37個基因(編碼12S,16SrRNA；22種tRNA；13種多肽：NADH脫氫酶7個亞基，cytb-c1復(fù)合物中1個cytb，細胞色素C氧化酶3個亞基，ATP合成酶2個Fo亞基)ctDNA：大小差異較大，DNA含量較mtDNA中DNA含量多；DNA的分子數(shù)也較多（二）mtDNA和ctDNA均以半保留方式進行自我復(fù)制；（三）mtDNA復(fù)制的時間主要在細胞周期的S期及G2期，DNA先復(fù)制，隨后線粒體分裂。ctDNA復(fù)制的時間在G1期。復(fù)制仍受核控制。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●線粒體或葉綠體蛋白質(zhì)合成體系對核基因組具有依賴性●不同來源的線粒體基因，其表達產(chǎn)物既有共性，也存在差異酵母線粒體主要酶復(fù)合物的生物合成三、線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運送與組裝●1.線粒體蛋白質(zhì)的運送與組裝

●2.葉綠體蛋白質(zhì)的運送及組裝由核基因編碼，在細胞質(zhì)核糖體上合成的線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)，需運送至線粒體和葉綠體各自的功能部位上更新或組裝。1.線粒體蛋白質(zhì)的運送與組裝線粒體含1000多種蛋白，絕大多數(shù)由核基因編碼，在細胞質(zhì)中合成，定向轉(zhuǎn)運至線粒體。

90%以上線粒體蛋白前體在細胞質(zhì)基質(zhì)合成后輸入線粒體，其中大部分定位于線粒體基質(zhì)；前體蛋白在運輸前，以未折疊形式存在，N端的一段信號序列稱為導(dǎo)肽或引肽，完成轉(zhuǎn)運后被酶切除，成為成熟蛋白，這種現(xiàn)象稱后轉(zhuǎn)譯。信號肽特點:多位于肽鏈N端，約20個氨基酸構(gòu)成；形成兩性α螺旋，帶正電荷的氨基酸殘基和不帶電荷的疏水氨基酸殘基分別位于螺旋兩側(cè)；對所牽引的蛋白質(zhì)沒有特異性要求。線粒體外膜線粒體內(nèi)膜帶有信號肽的線粒體蛋白質(zhì)前體跨膜運送過程示意圖內(nèi)外膜接觸位點的蛋白質(zhì)通道線粒體hsp70受體蛋白hsp70信號肽蛋白酶切除導(dǎo)肽線粒體基質(zhì)蛋白靶向輸送過程1)胞質(zhì)新合成的線粒體蛋白與分子伴侶HSP70或線粒體輸入刺激因子（MSF）結(jié)合，以穩(wěn)定的未折疊形式轉(zhuǎn)運到線粒體；2)蛋白質(zhì)先通過信號序列識別，結(jié)合線粒體外膜的受體復(fù)合物；3)再轉(zhuǎn)運、穿過由線粒體外膜轉(zhuǎn)運體（Tom）和外膜轉(zhuǎn)運體（Tim）共同組成的跨內(nèi)、外膜蛋白通道．以未折疊形式進入線粒體．4)蛋白質(zhì)前體信號序列被蛋白酶切除，在分子伴侶作用下折疊成有功能的蛋白質(zhì)．分子伴侶：定義、作用、作用機制第四節(jié)線粒體和葉綠體的增殖與起源●線粒體和葉綠體的增殖●線粒體和葉綠體的起源線粒體的增殖間壁分離收縮分離出芽分裂：線粒體的內(nèi)膜向中心內(nèi)褶形成間壁，或某一個嵴的延伸。當(dāng)延伸到對側(cè)內(nèi)膜時，線粒體一分為二，成為只有外膜相連的兩個獨立細胞器，接著線粒體就完全分離。：線粒體中央部分收縮并向兩端拉長，中央形成很細的頸，整個線粒體成啞鈴形，最后斷裂為二形成兩個新線粒體。：先從線粒體上長出小芽，然后小芽與母線粒體分離，經(jīng)過不斷長大，形成新的線粒體。葉綠體的發(fā)育和增殖◆個體發(fā)育：由原質(zhì)體發(fā)育而來，有光條件下原質(zhì)體的小泡增加并融合成片層，進行發(fā)育成具有正常結(jié)構(gòu)和功能的葉綠體。◆增殖：分裂增殖（幼小葉綠體能靠分裂而增殖，成熟葉綠體一