細(xì)胞生物學(xué)第七章線粒體與葉綠體

細(xì)胞生物學(xué)第七章線粒體與葉綠體第1頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月本章內(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。第2頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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。第3頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月一、結(jié)構(gòu)（一）形態(tài)粒狀或桿狀;直徑0.5~1，長(zhǎng)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(gè)線粒體，占細(xì)胞體積的20%，人類紅細(xì)胞無線粒體。第4頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月AnTEMimageofmitochondrion

第5頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(dòng)力。Mitochondriadistributedinskeletalmuscle第6頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）功能區(qū)隔分為外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四部分。Schematicviewofmitochondrion第7頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第8頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月內(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。第9頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月Modelsofmitochondrialmembranestructures第10頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月Lamellarcristae第11頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月Tubularcristae第12頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第13頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月二、氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)動(dòng)物細(xì)胞80%的ATP來源于線粒體。第14頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月Mitochondrialfunction第15頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(gè)電子2個(gè)質(zhì)子。相關(guān)脫氫酶：①NADH脫氫酶(FMN)；②琥珀酸脫氫酶(FAD)。第16頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月NAD（nicotinamideadeninedinucleotide），＆NADP第17頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月Flavinmononucleotide(FMN)&Flavinadeninedinucleotide第18頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第19頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月4、鐵硫蛋白：分子結(jié)構(gòu)中每個(gè)鐵原子和4個(gè)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。第20頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第21頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（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。第22頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1、復(fù)合物I：NADH脫氫酶。組成：42條肽鏈，呈L型，含一個(gè)FMN和至少6個(gè)鐵硫蛋白，以二聚體形式存在。作用：催化NADH的2個(gè)電子至輔酶Q，同時(shí)由M側(cè)轉(zhuǎn)移4個(gè)質(zhì)子至C側(cè)。NADH→FMN→Fe-S→QNADH+5H+M+Q→NAD++QH2+4H+C第23頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月2、復(fù)合物II：琥珀酸脫氫酶組成：至少4條肽鏈，含1個(gè)FAD，2個(gè)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

第24頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月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(gè)鐵硫蛋白和1個(gè)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(duì)電子轉(zhuǎn)移4個(gè)H＋至C側(cè)。2還原態(tài)cytc1+QH2+2H+M→2氧化態(tài)cytc1+Q+4H+C第25頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月Qcycle第26頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月4、復(fù)合物IV：細(xì)胞色素c氧化酶組成：二聚體，每個(gè)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(duì)電子，在M側(cè)消耗2個(gè)質(zhì)子，同時(shí)轉(zhuǎn)移2個(gè)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第27頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(duì)應(yīng)于每個(gè)復(fù)合物Ⅰ，約需3個(gè)復(fù)合物Ⅲ，7個(gè)復(fù)合物Ⅳ，兩個(gè)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。第28頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月TransportofelectronsfromNADH第29頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月TransportofelectronsfromFADH2第30頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月三、氧化磷酸化的作用機(jī)理（一）質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)Mitchell(1961)提出“化學(xué)滲透假說”。認(rèn)為：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)(M側(cè))泵至膜間隙(C側(cè))，形成質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)（△P）。△P=Ψ-(2.3RT/F)△pH其中：△pH=pH梯度，Ψ=電位梯度，T=絕對(duì)溫度，R=氣體常數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，當(dāng)溫度為25℃時(shí)△P的值為220mV左右。第31頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月ChemiosmoticTheory第32頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(gè)ATP合成的催化位點(diǎn)（每個(gè)β亞基1個(gè)）。F0：ab2c12復(fù)合體，嵌入內(nèi)膜，12個(gè)c亞基組成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)子通道。第33頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月ATPsynthase第34頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月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(dòng)力勢(shì)，催化ATP合成。2．F1有3個(gè)催化位點(diǎn)，催化位點(diǎn)有3種構(gòu)象。3．質(zhì)子通過F0時(shí)，引起c亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)γ亞基旋轉(zhuǎn)，γ亞基端部高度不對(duì)稱，引起β亞基3個(gè)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。第35頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月支持構(gòu)象耦聯(lián)假說的實(shí)驗(yàn)：吉田（MassasukeYoshida）等第37頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）P/O值指每消耗一個(gè)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。第38頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（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第39頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月抑制復(fù)合物II，如：2-噻吩甲酰三氟丙酮和萎銹靈。2-Thenoyltrifluoroacetonecarboxin第40頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月抑制復(fù)合物III，如抗霉素A。AntinomycinA1第41頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月抑制復(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(jì)檢測(cè)。第42頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月2．磷酸化抑制劑與F0結(jié)合，阻斷H+通道。如寡霉素。oligomycin第43頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3．解偶聯(lián)劑（uncoupler）解偶聯(lián)蛋白(UCPs)：位于動(dòng)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。第44頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月四、線粒體的半自主性①環(huán)形DNA；②70S核糖體，對(duì)氯霉素敏感，對(duì)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。第45頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月五、線粒體的增殖新線粒體來源于線粒體的分裂。第46頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月FtsZringstructuresaroundthedivisionsiteofachloroplastandmitochondrion第47頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(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。第48頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月一、形態(tài)與結(jié)構(gòu)狀如透鏡，長(zhǎng)徑5~10，短徑2~4，厚2~3um。葉肉細(xì)胞含50~200個(gè)，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。第50頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第51頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月Chloroplast第52頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（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。第53頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）類囊體類囊體膜：流動(dòng)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(gè)?；|(zhì)類囊體：連接基粒的沒有堆疊的類囊體。第54頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（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。第55頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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。第56頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（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第57頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月2．集光復(fù)合體約200個(gè)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。第58頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月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(gè)集光復(fù)合體Ⅱ、一個(gè)反應(yīng)中心和一個(gè)含錳原子的放氧復(fù)合體。第59頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月4．細(xì)胞色素b6/f復(fù)合體可能以二聚體形成存在，每個(gè)單體含有四個(gè)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。第60頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月Noncyclicphotophosphorylation第61頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月Cyclicphotophosphorylation第62頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月PSIandPSII第63頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）光合磷酸化一對(duì)電子從P680經(jīng)P700傳至NADP+，在類囊體腔增加4個(gè)H+，在基質(zhì)中1個(gè)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(dòng)力勢(shì)。H+經(jīng)ATP合酶（CF1-F0

偶聯(lián)因子）滲入基質(zhì)、推動(dòng)ATP合成。第64頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月Electrontransportinthethylakoidmembrane第65頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第66頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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(gè)遺傳系統(tǒng)。③具有蛋白質(zhì)后轉(zhuǎn)譯現(xiàn)象。第67頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第68頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月四、葉綠體的增殖在個(gè)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。第69頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月葉綠體的發(fā)生第70頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月SEMimageofanisolateddividingchloroplast第71頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)線粒體與葉綠體的

蛋白質(zhì)定向轉(zhuǎn)運(yùn)第72頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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(gè)亞基，F(xiàn)0的2個(gè)亞基，NADH脫氫酶的7個(gè)亞基和細(xì)胞色素b。第73頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月線粒體含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)