線粒體與葉綠體

關(guān)于線粒體與葉綠體第一節(jié)線粒體與氧化磷酸化●線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)●線粒體的功能●線粒體與疾病第2頁,共60頁，2024年2月25日，星期天一、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)

●線粒體的形態(tài)與分布線粒體是一個動態(tài)細(xì)胞器,具有多形性,易變性,運動性和適應(yīng)性等特點.

線粒體的形狀多種多樣,但以線狀和粒狀最常見.

線粒體在不同類型細(xì)胞中,其數(shù)目相差很大，但在同一類型細(xì)胞中的數(shù)目是相對比較穩(wěn)定的.●線粒體的超微結(jié)構(gòu)◆外膜(outermembrane）：含孔蛋白(porin)，通透性較高。標(biāo)志酶是單胺氧化酶第3頁,共60頁，2024年2月25日，星期天◆內(nèi)膜（innermembrane）：高度不通透性，向內(nèi)折疊形成嵴。含有與能量轉(zhuǎn)換相關(guān)的蛋白.標(biāo)志酶是細(xì)胞色素氧化酶.◆膜間隙（intermembranespace）：含許多可溶性酶、底物及輔助因子。標(biāo)志酶是腺苷酸激酶

◆基質(zhì)（matrix）：含三羧酸循環(huán)酶系、線粒體基因表達(dá)酶系等以及線粒體DNA,RNA，核糖體。

第4頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

線粒體的形態(tài)第5頁,共60頁，2024年2月25日，星期天心肌細(xì)胞和精子尾部的線粒體第6頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

線粒體結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成第7頁,共60頁，2024年2月25日，星期天線粒體的化學(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）第8頁,共60頁，2024年2月25日，星期天細(xì)菌外膜中的孔蛋白第9頁,共60頁，2024年2月25日，星期天三、氧化磷酸化

線粒體主要功能是進(jìn)行氧化磷酸化，合成ATP，為細(xì)胞生命活動提供直接能量；與細(xì)胞中氧自由基的生成、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞內(nèi)多種離子的跨膜轉(zhuǎn)運及電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡的調(diào)控有關(guān)。 ●氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)的分子基礎(chǔ) ●氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制—化學(xué)滲透假說

(ChemiosmoticHypothesis,Mithchell,1961) ●質(zhì)子動力勢的其他作用 ●線粒體能量轉(zhuǎn)換過程略圖第10頁,共60頁，2024年2月25日，星期天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(jī)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(jìn)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 ◆在電子傳遞過程中，有幾點需要說明 ◆ATP合成酶（ATPsynthase）(磷酸化的分子基礎(chǔ))第11頁,共60頁，2024年2月25日，星期天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，2Fe-S中心，作用：催化2低能電子

FAD

Fe-S

輔酶Q(無H+泵出)

第12頁,共60頁，2024年2月25日，星期天電子傳遞鏈的四種復(fù)合物(哺乳類)

◆復(fù)合物Ⅲ：細(xì)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1cytc1、1cytb、1Fe-S蛋白作用：催化電子從UQH2

cytc；泵出4H+

（2個來自UQ，

2個來自基質(zhì)）

◆復(fù)合物Ⅳ：細(xì)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，2H+泵出，

2H+

參與形成水第13頁,共60頁，2024年2月25日，星期天在電子傳遞過程中，有幾點需要說明◆四種類型電子載體：黃素蛋白、細(xì)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第14頁,共60頁，2024年2月25日，星期天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(jī)制—BandingChangeMechanism(Boyer1979)◆

亞單位相對于

亞單位旋轉(zhuǎn)的直接實驗證據(jù)第15頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

F0-F1顆粒的結(jié)構(gòu)和功能◆酶活性:兩種酶活性●ATP水解酶的活性●ATP合成酶的活性故F0-F1顆粒又稱為ATP合酶(ATPsynthase)。第16頁,共60頁，2024年2月25日，星期天StructureofATPsynthase

第17頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

◆結(jié)構(gòu)●Headsection:即F1,由5種多肽組成九聚體,含有3個催化ATP合成的位點,每個β亞基一個?！馭talksection:由F1的γ亞基和ε亞基構(gòu)成,γ亞基穿過頭部作為頭部旋轉(zhuǎn)的軸。●Membranesection:即F0,由3種不同的亞基組成的十五聚體(1a∶2b∶12c)。

c亞基:b亞基:a亞基:第18頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

TheMechanismofOxidativePhosphorylation

英國生物化學(xué)家P.Mitchell1961年提出了化學(xué)滲透假說(chemiosomoticcomplinghypothesis)解釋氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理。第19頁,共60頁，2024年2月25日，星期天氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制—化學(xué)滲透假說◆化學(xué)滲透假說內(nèi)容：電子傳遞鏈各組分在線粒體內(nèi)膜中不對稱分布，當(dāng)高能電子沿其傳遞時，所釋放的能量將H+從基質(zhì)泵到膜間隙，形成H+電化學(xué)梯度。在這個梯度驅(qū)使下，H+穿過ATP合成酶回到基質(zhì)，同時合成ATP,電化學(xué)梯度中蘊藏的能量儲存到ATP高能磷酸鍵。◆質(zhì)子動力勢(protonmotiveforce)◆支持化學(xué)滲透假說的實驗證據(jù)該實驗表明：

·質(zhì)子動力勢乃ATP合成的動力

·膜應(yīng)具有完整性

·電子傳遞與ATP合成是兩件相關(guān)而又不同的事件第20頁,共60頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)滲透學(xué)說第21頁,共60頁，2024年2月25日，星期天線粒體供能-ATP線粒體ATPATPATP熱能能量轉(zhuǎn)換機(jī)械能化學(xué)能電能滲透能光能熱能第22頁,共60頁，2024年2月25日，星期天線粒體疾病的特征高突變率

比核DNA更容易突變多質(zhì)性

線粒體包含多個線粒體基因組，其類型可能有野生型和突變型兩種母系遺傳

mtDNA來自母親第23頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

疾病

線粒體改變線粒體肌?。ㄟz傳?。?/p>

骨骼肌線粒體缺少某些酶，氧

化磷酸化、呼吸鏈障礙克山?。ㄐ募【€粒體病）線粒體結(jié)構(gòu)損傷，琥珀酸脫氫酶、細(xì)胞色素氧化酶、ATP

酶活性，寡霉素敏感性下降腫瘤

線粒體數(shù)目、嵴、電子傳遞鏈酶系、ATP量減少缺血性損傷

內(nèi)膜通透性改變，ATP酶性活

下降，內(nèi)膜濃縮、外腔擴(kuò)大，線粒體功能由減弱到停止二、線粒體突變所至疾病第24頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第二節(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)第25頁,共60頁，2024年2月25日，星期天一、葉綠體(Chloroplast)的形態(tài)結(jié)構(gòu)●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?！袢~綠體超微結(jié)構(gòu)第26頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

二、葉綠體的功能—光合作用 (photosynthesis)

Photosynthesis:(1)光合電子傳遞反應(yīng)—光反應(yīng)(LightReaction) (2)碳固定反應(yīng)—暗反應(yīng)(DarkReaction)●光反應(yīng)●暗反應(yīng)(碳固定)●光合作用與有氧呼吸的關(guān)系圖第27頁,共60頁，2024年2月25日，星期天光反應(yīng)

在類囊體膜上由光引起的光化學(xué)反應(yīng)，通過葉綠素等光合色素分子吸收、傳遞光能，水光解，并將光能轉(zhuǎn)換為電能（生成高能電子），進(jìn)而通過電子傳遞與光合磷酸化將電能轉(zhuǎn)換為活躍化學(xué)能，形成ATP

和NADPH并放出O2的過程。包括原初反應(yīng)、電子傳遞和光合磷酸化?！粼醴磻?yīng)（primaryreaction) ·光能的吸收、傳遞與轉(zhuǎn)換，形成高能電子

(由光系統(tǒng)復(fù)合物完成，光合作用單位的概念)◆電子傳遞與光合磷酸化第28頁,共60頁，2024年2月25日，星期天電子傳遞與光合磷酸化·電子傳遞與光合磷酸化需說明以下幾點：①最初電子供體是H2O，最終電子受體是NADP+。②電子傳遞鏈中唯一的H+-pump是cytb6f復(fù)合物。類囊體腔的質(zhì)子濃度比葉綠體基質(zhì)高，該濃度梯度產(chǎn)生的原因歸于：

H2O光解、cytb6f的H+-pump、NADPH的形成。ATP、

NADPH在葉綠體基質(zhì)中形成。

③電子沿光合電子傳遞鏈傳遞時，分為非循環(huán)式光合磷酸化和循環(huán)式光合磷酸化兩條通路。循環(huán)式傳遞的高能電子在PSⅠ

被光能激發(fā)后經(jīng)cytb6f復(fù)合物回到PSⅠ。結(jié)果是不裂解H2O、 產(chǎn)生O2，不形成NADPH，只產(chǎn)生H+跨膜梯度，合成ATP。第29頁,共60頁，2024年2月25日，星期天暗反應(yīng)(碳固定)

利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH，使CO2還原為糖類等有機(jī)物，即將活躍的化學(xué)能最后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的化學(xué)能，積存于有機(jī)物中。這一過程不直接需要光(在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行)?！艨栁难h(huán)（Calvincycle）（C3途徑）◆C4途徑或Hatch-Slack循環(huán)◆景天科酸代謝途徑第30頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第三節(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)?！窬€粒體和葉綠體的DNA●線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成●線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運送與組裝第31頁,共60頁，2024年2月25日，星期天一、線粒體和葉綠體的DNA●mtDNA/ctDNA形狀、數(shù)量、大小 ●mtDNA和ctDNA均以半保留方式進(jìn)行自我復(fù)制●mtDNA復(fù)制的時間主要在細(xì)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)制仍受核控制第32頁,共60頁，2024年2月25日，星期天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；◆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(xì)胞色素C氧化酶3個亞基，ATP合成酶2個Fo亞基)第33頁,共60頁，2024年2月25日，星期天二、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（7-4）●不同來源的線粒體基因，其表達(dá)產(chǎn)物既有共性，也存在差異●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。第34頁,共60頁，2024年2月25日，星期天三、線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運送與組裝●線粒體蛋白質(zhì)的運送與組裝 ◆定位于線粒體基質(zhì)的蛋白質(zhì)的運送 ◆定位于線粒體內(nèi)膜或膜間隙的蛋白質(zhì)運送 ●葉綠體蛋白質(zhì)的運送及組裝第35頁,共60頁，2024年2月25日，星期天◆線粒體各部分的蛋白質(zhì)來自何方?◆定位機(jī)理如何?導(dǎo)肽與線粒體蛋白定位第36頁,共60頁，2024年2月25日，星期天不同類型核糖體合成的蛋白質(zhì)第37頁,共60頁，2024年2月25日，星期天九九年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎得主-布洛貝爾第38頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

蛋白質(zhì)的兩種運輸方式

◆細(xì)胞質(zhì)中的核糖體在合成蛋白質(zhì)時有兩種可能的存在狀態(tài)∶●游離核糖體(freeribosome)；●膜旁核糖體(membranousribosomes)。第39頁,共60頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞質(zhì)核糖體的蛋白質(zhì)合成與去向第40頁,共60頁，2024年2月25日，星期天游離核糖體合成蛋白質(zhì)的去向第41頁,共60頁，2024年2月25日，星期天線粒體對核編碼蛋白的轉(zhuǎn)運前體蛋白：由核基因組編碼并由胞質(zhì)核糖體合成，即將轉(zhuǎn)運進(jìn)線粒體的蛋白質(zhì)。導(dǎo)肽：前體蛋白N-端一段含20—80個氨基酸的肽鏈，具有識別、牽引作用，可將前體蛋白準(zhǔn)確導(dǎo)入線粒體內(nèi)的一定部位。第42頁,共60頁，2024年2月25日，星期天◆信號肽(signalpeptide)●需要消耗能量●需要分子伴侶第43頁,共60頁，2024年2月25日，星期天前體蛋白進(jìn)入線粒體的機(jī)制：1.去折疊（HSP70-分子伴侶，熱休克蛋白）2.多肽穿越線粒體膜（HSP70）3.重新折疊（HSP70、HSP60）第44頁,共60頁，2024年2月25日，星期天外膜內(nèi)膜1、去折疊1、去折疊2、穿膜3、重折疊第45頁,共60頁，2024年2月25日，星期天線粒體膜上的轉(zhuǎn)位接觸點示意圖第46頁,共60頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)運送過程的特性1.運送之前，蛋白質(zhì)大多以前體形式存在。2.蛋白質(zhì)運送時經(jīng)折疊和解折疊。折疊————解折疊————重新折疊3.外膜有專一性不太強(qiáng)的受體參與作用。4.由內(nèi)膜進(jìn)入基質(zhì)是一種需能的過程。內(nèi)、外膜之間存在轉(zhuǎn)位接觸點，供蛋白質(zhì)進(jìn)入到線粒體基質(zhì)中。分子伴侶分子伴侶第47頁,共60頁，2024年2月25日，星期天

導(dǎo)肽在線粒體穿膜的作用導(dǎo)肽與線粒體外膜上的受體結(jié)合內(nèi)、外膜之間的接觸點插入到內(nèi)膜進(jìn)入線粒體基質(zhì)后，蛋白質(zhì)重新折疊，形成成熟的蛋白質(zhì)；導(dǎo)肽被水解第48頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第49頁,共60頁，2024年2月25日，星期天第四節(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第50頁,共60頁，2024年2月25日，星期天一、線粒體和葉綠體的增殖●線粒體的增殖：由原來的線粒體分裂或出芽而來。 ●葉綠體的發(fā)育和增殖◆個體發(fā)育：由前質(zhì)體（proplastid）分化而來。 ◆增殖：分裂增殖第51頁,共60頁，2024年2月25日，星期天二、線粒體和葉綠體的起源●內(nèi)共生起源學(xué)說（endosymbiosishypothesis) ●非共生起源學(xué)說第52頁,共60頁，2024年2月25日，星期天內(nèi)共生起源學(xué)說◆葉綠體起源于細(xì)胞內(nèi)共生的藍(lán)藻：

Mereschkowsky，1905年◆Margulis，1970年：線粒體的祖先-原線粒體是一種革蘭氏陰性細(xì)菌：葉綠體的祖先是原核生物的藍(lán)細(xì)菌（Cyanobacteria），即藍(lán)藻?！魞?nèi)共生起源學(xué)