線粒體與葉綠體(翟中和細(xì)胞生物學(xué)全套)

MITOCHONGDRIONANDCHLOROPAST第七章線粒體與葉綠體MITOCHONGDRIONANDCHLOROPAST第七章線粒體與葉綠體本文檔共83頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分本章內(nèi)容提要第一節(jié)線粒體線粒體的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)、作用機(jī)理，線粒體的發(fā)生。第二節(jié)葉綠體葉綠體的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，光合磷酸化作用機(jī)理，葉綠體的發(fā)生。本文檔共83頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分第一節(jié)線粒體1890，Altaman首次發(fā)現(xiàn)，命名為bioblast；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。本文檔共83頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分一、結(jié)構(gòu)（一）形態(tài)粒狀或桿狀;直徑0.5~1，長1.5~3.0μm；胰外分泌細(xì)胞中可達(dá)10~20μm，稱巨線粒體。肝細(xì)胞約1300個線粒體，占細(xì)胞體積的20%，人類紅細(xì)胞無線粒體。本文檔共83頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分AnTEMimageofmitochondrion

本文檔共83頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分（二）分布多分布在細(xì)胞功能旺盛的區(qū)域，可向這些區(qū)域遷移，微管是其導(dǎo)軌、馬達(dá)蛋白提供動力。Mitochondriadistributedinskeletalmuscle本文檔共83頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分（三）功能區(qū)隔分為外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四部分。Schematicviewofmitochondrion本文檔共83頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分1、外膜(outmembrane)具有porin構(gòu)成的親水通道，允許小分子物質(zhì)通過，標(biāo)志酶為單胺氧化酶。2、內(nèi)膜（innermembrane）類似細(xì)菌質(zhì)膜；心磷脂含量高(達(dá)20%)、缺乏膽固醇，通透性很低。本文檔共83頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分內(nèi)膜的標(biāo)志酶為細(xì)胞色素C氧化酶。內(nèi)膜具有嵴，能擴(kuò)大表面積（5~10倍），分兩種：①板層狀、②管狀；嵴上有基粒。3、膜間隙：是內(nèi)外膜之間的腔隙，寬約6-8nm。標(biāo)志酶為腺苷酸激酶。本文檔共83頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分Modelsofmitochondrialmembranestructures本文檔共83頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分Lamellarcristae本文檔共83頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分Tubularcristae本文檔共83頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分4、基質(zhì)（matrix）含三羧酸循環(huán)、脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶類；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。標(biāo)志酶為蘋果酸脫氫酶。本文檔共83頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分二、氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)動物細(xì)胞80%的ATP來源于線粒體。本文檔共83頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分Mitochondrialfunction本文檔共83頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分（一）電子載體1、NAD：連接Kreb循環(huán)和呼吸鏈，將氫交給黃素蛋白。2、黃素蛋白：含F(xiàn)MN或FAD，可接受2個電子2個質(zhì)子。相關(guān)脫氫酶：①NADH脫氫酶(FMN)；②琥珀酸脫氫酶(FAD)。本文檔共83頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分NAD（nicotinamideadeninedinucleotide），＆NADP本文檔共83頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分Flavinmononucleotide(FMN)&Flavinadeninedinucleotide本文檔共83頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分3、細(xì)胞色素：含血紅素鐵，通過Fe3+/Fe2+變化傳遞電子，包括細(xì)胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有銅原子。本文檔共83頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分4、鐵硫蛋白：分子結(jié)構(gòu)中每個鐵原子和4個硫原子結(jié)合，通過Fe3+/Fe2+互變進(jìn)行電子傳遞，有2Fe-2S和4Fe-4S兩種類型。本文檔共83頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分5、輔酶Q：脂溶性小分子醌類化合物，有3種形式，即：氧化型醌Q，還原型氫醌QH2和自由基半醌QH。本文檔共83頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分（二）呼吸鏈的復(fù)合物呼吸鏈組分按氧化還原電位由低向高排列。用脫氧膽酸處理mt內(nèi)膜、分離出4種呼吸鏈復(fù)合物。本文檔共83頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分1、復(fù)合物I：NADH脫氫酶。組成：42條肽鏈，呈L型，含一個FMN和至少6個鐵硫蛋白，以二聚體形式存在。作用：催化NADH的2個電子至輔酶Q，同時由M側(cè)轉(zhuǎn)移4個質(zhì)子至C側(cè)。NADH→FMN→Fe-S→QNADH+5H+M+Q→NAD++QH2+4H+C本文檔共83頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分2、復(fù)合物II：琥珀酸脫氫酶組成：至少4條肽鏈，含1個FAD，2個鐵硫蛋白。作用：催化琥珀酸的低能電子至輔酶Q，不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2

本文檔共83頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分3、復(fù)合物III：細(xì)胞色素c還原酶。組成：至少11條肽鏈，二聚體，含細(xì)胞色素b566、b562、1個鐵硫蛋白和1個細(xì)胞色素c1

。作用：催化電子從輔酶Q傳給細(xì)胞色素c，每轉(zhuǎn)移1對電子轉(zhuǎn)移4個H＋至C側(cè)。2還原態(tài)cytc1+QH2+2H+M→2氧化態(tài)cytc1+Q+4H+C本文檔共83頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分Qcycle本文檔共83頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分4、復(fù)合物IV：細(xì)胞色素c氧化酶組成：二聚體，每個單體至少13條肽鏈。作用：將從細(xì)胞色素c接受的電子傳給氧，每轉(zhuǎn)移一對電子，在M側(cè)消耗2個質(zhì)子，同時轉(zhuǎn)移2個質(zhì)子至C側(cè)。cytc→CuA→hemea→a3-CuB→O24還原態(tài)cytc+8H+M+O2→4氧化態(tài)cytc+4H+C+2H2O本文檔共83頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分（三）兩條主要的呼吸鏈①復(fù)合物I-III-IV組成，催化NADH的脫氫氧化。②復(fù)合物II-III-IV組成，催化琥珀酸的脫氫氧化。對應(yīng)于每個復(fù)合物Ⅰ，約需3個復(fù)合物Ⅲ，7個復(fù)合物Ⅳ，兩個復(fù)合物之間由輔酶Q或細(xì)胞色素c這樣的可擴(kuò)散性分子連接。本文檔共83頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分TransportofelectronsfromNADH本文檔共83頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分TransportofelectronsfromFADH2本文檔共83頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分三、氧化磷酸化的作用機(jī)理（一）質(zhì)子動力勢Mitchell(1961)提出“化學(xué)滲透假說”。認(rèn)為：電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)(M側(cè))泵至膜間隙(C側(cè))，形成質(zhì)子動力勢（△P）?！鱌=Ψ-(2.3RT/F)△pH其中：△pH=pH梯度，Ψ=電位梯度，T=絕對溫度，R=氣體常數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，當(dāng)溫度為25℃時△P的值為220mV左右。本文檔共83頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分ChemiosmoticTheory本文檔共83頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分（二）ATP合酶（ATPsynthase）F型質(zhì)子泵；分為球形的F1（頭部）和嵌入膜中的F0（基部）。F1：α3β3γδε復(fù)合體，具有3個ATP合成的催化位點(diǎn)（每個β亞基1個）。F0：ab2c12復(fù)合體，嵌入內(nèi)膜，12個c亞基組成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)子通道。本文檔共83頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分ATPsynthase本文檔共83頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分1979年Boyer提出構(gòu)象耦聯(lián)假說。其要點(diǎn)如下：1．ATP酶利用質(zhì)子動力勢，催化ATP合成。2．F1有3個催化位點(diǎn)，催化位點(diǎn)有3種構(gòu)象。3．質(zhì)子通過F0時，引起c亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，帶動γ亞基旋轉(zhuǎn)，γ亞基端部高度不對稱，引起β亞基3個催化位點(diǎn)構(gòu)象的周期性變化（L、T、O），不斷將ADP和Pi加合在一起，形成ATP。本文檔共83頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分本文檔共83頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分支持構(gòu)象耦聯(lián)假說的實驗：吉田（MassasukeYoshida）等本文檔共83頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分（三）P/O值指每消耗一個氧原子所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)，它表示氧化磷酸化的效率。通常認(rèn)為NADH／3，F(xiàn)ADH2／2；也有人認(rèn)為前者為2.5，后者為1.5。本文檔共83頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分（四）氧化磷酸化抑制劑1．電子傳遞抑制劑抑制復(fù)合物I，如阿米妥、魚藤酮。Amytalrotenone本文檔共83頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分抑制復(fù)合物II，如：2-噻吩甲酰三氟丙酮和萎銹靈。2-Thenoyltrifluoroacetonecarboxin本文檔共83頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分抑制復(fù)合物III，如抗霉素A。AntinomycinA1本文檔共83頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分抑制復(fù)合物IV，如CO、CN、NaN3、H2S。電子傳遞抑制劑可用來研究呼吸鏈各組分的排列順序，當(dāng)呼吸鏈某一特定部位被抑制后，底物一側(cè)均為還原狀態(tài)，氧一側(cè)均為氧化態(tài)，可用分光光度計檢測。本文檔共83頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分2．磷酸化抑制劑與F0結(jié)合，阻斷H+通道。如寡霉素。oligomycin本文檔共83頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分3．解偶聯(lián)劑（uncoupler）解偶聯(lián)蛋白(UCPs)：位于動物棕色脂肪組織和肌肉線粒體，與維持體溫有關(guān)。質(zhì)子載體：DNP、FCCP。質(zhì)子通道：增溫素。本文檔共83頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分四、線粒體的半自主性①環(huán)形DNA；②70S核糖體，對氯霉素敏感，對放線菌酮不敏感；③RNA聚合酶可被利福平、鏈霉素等抑制；④tRNA和氨?；?tRNA合成酶不同于細(xì)胞質(zhì)中的；⑤蛋白質(zhì)合成的起始氨基酸為N-甲酰甲硫氨酸。本文檔共83頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分五、線粒體的增殖新線粒體來源于線粒體的分裂。本文檔共83頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分FtsZringstructuresaroundthedivisionsiteofachloroplastandmitochondrion本文檔共83頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分第二節(jié)葉綠體光合作用是地球上有機(jī)體生存和發(fā)展的根本源泉。綠色植物年產(chǎn)干物質(zhì)達(dá)1014公斤。本文檔共83頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分本文檔共83頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分一、形態(tài)與結(jié)構(gòu)狀如透鏡，長徑5~10，短徑2~4，厚2~3um。葉肉細(xì)胞含50~200個，占細(xì)胞質(zhì)的40%。由外被、類囊體和基質(zhì)3部分組成。含3種不同的膜：外膜、內(nèi)膜、類囊體膜；3種彼此分開的腔：膜間隙、基質(zhì)和類囊體腔。本文檔共83頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分本文檔共83頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分Chloroplast本文檔共83頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分（一）葉綠體外被雙層膜組成，膜間為10~20nm的間隙。外膜的通透性大，內(nèi)膜通透性低；ADP、ATP、NADP+、葡萄糖和焦磷酸等需要特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)體才能通過內(nèi)膜。本文檔共83頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分（二）類囊體類囊體膜：流動性高，內(nèi)在蛋白有：細(xì)胞色素b6／f復(fù)合體、集光復(fù)合體(LHC)、質(zhì)體醌(PQ)、質(zhì)體藍(lán)素(PC)、鐵氧化還原蛋白(FD)、黃素蛋白、光系統(tǒng)I、II復(fù)合物?；＃罕馄叫∧叶询B而成，含40~60個?；|(zhì)類囊體：連接基粒的沒有堆疊的類囊體。本文檔共83頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分（三）基質(zhì)內(nèi)膜與類囊體之間的空間，主要成分包括：碳同化相關(guān)的酶類：如RuBP羧化酶。葉綠體DNA、蛋白質(zhì)合成體系。一些顆粒成分：如淀粉粒、質(zhì)體小球和植物鐵蛋白等。本文檔共83頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分二、光合磷酸化作用機(jī)理光合作用分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)；光反應(yīng)需要光，涉及水的光解和光合磷酸化；暗反應(yīng)不需要光，涉及CO2的固定，分為C3和C4兩類。本文檔共83頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分（一）光合色素和電子傳遞鏈組分1．光合色素包括：葉綠素、類胡蘿卜素，比例約3:1。葉綠素分為a、b，比例約3:1。-CHOinchlb本文檔共83頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分2．集光復(fù)合體約200個葉綠素分子和一些肽鏈構(gòu)成。全部葉綠素b和大部分葉綠素a都是天線色素。本文檔共83頁；當(dāng)前第58頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分3．光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）：P680至少包括12條肽鏈，位于基粒于基質(zhì)非接觸區(qū)域的類囊體膜上。包括一個集光復(fù)合體Ⅱ、一個反應(yīng)中心和一個含錳原子的放氧復(fù)合體。本文檔共83頁；當(dāng)前第59頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分4．細(xì)胞色素b6/f復(fù)合體可能以二聚體形成存在，每個單體含有四個不同的亞基。5．光系統(tǒng)Ⅰ（PSI）：P700位于基粒與基質(zhì)接觸區(qū)和基質(zhì)類囊體膜中，由集光復(fù)合體I和作用中心構(gòu)成。本文檔共83頁；當(dāng)前第60頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分Noncyclicphotophosphorylation本文檔共83頁；當(dāng)前第61頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分Cyclicphotophosphorylation本文檔共83頁；當(dāng)前第62頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分PSIandPSII本文檔共83頁；當(dāng)前第63頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分（二）光合磷酸化一對電子從P680經(jīng)P700傳至NADP+，在類囊體腔增加4個H+，在基質(zhì)中1個H+被用于還原NADP+，使類囊體腔有較高的H+（pH≈5），形成質(zhì)子動力勢。H+經(jīng)ATP合酶（CF1-F0

偶聯(lián)因子）滲入基質(zhì)、推動ATP合成。本文檔共83頁；當(dāng)前第64頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分Electrontransportinthethylakoidmembrane本文檔共83頁；當(dāng)前第65頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分本文檔共83頁；當(dāng)前第66頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分三、葉綠體的半自主性線粒體與葉綠體結(jié)構(gòu)的相似性：①兩層膜包被，內(nèi)外膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同。②為半自主性細(xì)胞器，綠色植物細(xì)胞具有3個遺傳系統(tǒng)。③具有蛋白質(zhì)后轉(zhuǎn)譯現(xiàn)象。本文檔共83頁；當(dāng)前第67頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分本文檔共83頁；當(dāng)前第68頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分四、葉綠體的增殖在個體發(fā)育中葉綠體由原質(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，發(fā)育為基粒。幼小葉綠體能靠分裂而增殖，成熟葉綠體一般不再分裂。本文檔共83頁；當(dāng)前第69頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分葉綠體的發(fā)生本文檔共83頁；當(dāng)前第70頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分SEMimageofanisolateddividingchloroplast本文檔共83頁；當(dāng)前第71頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分第三節(jié)線粒體與葉綠體的

蛋白質(zhì)定向轉(zhuǎn)運(yùn)本文檔共83頁；當(dāng)前第72頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分一、線粒體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)用標(biāo)記氨基酸培養(yǎng)細(xì)胞，用氯霉素和放線菌酮分別抑制線粒體和細(xì)胞質(zhì)的蛋白合成，發(fā)現(xiàn)人mtDNA僅編碼13條多肽：細(xì)胞色素c氧化酶的3個亞基，F(xiàn)0的2個亞基，NADH脫氫酶的7個亞基和細(xì)胞色素b。本文檔共83頁；當(dāng)前第73頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分線粒體含1000多種蛋白，絕大多數(shù)由核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)中合成，定向轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體。前體蛋白在運(yùn)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(yùn)后被酶切除，成為成熟蛋白，這種現(xiàn)象稱后轉(zhuǎn)譯。本文檔共83頁；當(dāng)前第74頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分信號肽特點(diǎn)：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。本文檔共83頁；當(dāng)前第75頁；編輯于星期一\18點(diǎn)28分蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)涉及轉(zhuǎn)位因子。TOM復(fù)合體：通過外膜，進(jìn)入膜間隙。TIM復(fù)合體：進(jìn)