線粒體和葉綠體細(xì)胞生物學(xué)

關(guān)于線粒體和葉綠體細(xì)胞生物學(xué)能量轉(zhuǎn)換光能葉綠體化學(xué)能線粒體ATP第2頁,共75頁，2024年2月25日，星期天生物膜是ATP產(chǎn)生的場所細(xì)菌: ATP產(chǎn)生于細(xì)胞質(zhì)膜真核生物細(xì)胞:

細(xì)胞質(zhì)膜: 主要用于物質(zhì)吸收運(yùn)輸 能量轉(zhuǎn)換細(xì)胞器: 產(chǎn)生ATP

線粒體: 幾乎所有真核細(xì)胞 葉綠體: 植物細(xì)胞

第3頁,共75頁，2024年2月25日，星期天質(zhì)子濃度梯度產(chǎn)生ATP食物第一步:電子傳遞所產(chǎn)生的能量驅(qū)動質(zhì)子的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)太陽光能高能量電子第二步:由此產(chǎn)生的質(zhì)子濃度梯度被ATP合酶(ATPsynthase)用來產(chǎn)生ATP低能量電子第4頁,共75頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)線粒體與氧化磷酸化（P85)1890年，Altaman首次發(fā)現(xiàn)，命名為bioblast；1897年，Benda提出mitochondrion；1904年，Meves在植物細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了線粒體；1948年，Green，1949年，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5頁,共75頁，2024年2月25日，星期天一、形態(tài)結(jié)構(gòu)（一）形態(tài)與分布粒狀或桿狀;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。第6頁,共75頁，2024年2月25日，星期天數(shù)量:依細(xì)胞類型而變化,每個(gè)肝細(xì)胞約1000-2000

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。形狀: 可塑性強(qiáng),不斷運(yùn)動中

線粒體形狀的可塑性第7頁,共75頁，2024年2月25日，星期天多分布在細(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。線粒體通常位于高度需要ATP的細(xì)胞部位第8頁,共75頁，2024年2月25日，星期天基質(zhì)膜間隙外膜內(nèi)膜（二）超微結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成第9頁,共75頁，2024年2月25日，星期天AnTEMimageofmitochondrion

第10頁,共75頁，2024年2月25日，星期天Modelsofmitochondrialmembranestructures第11頁,共75頁，2024年2月25日，星期天1.外膜:含有許多大型膜通道蛋白“porin”允許分子量小于<5000的物質(zhì)自由通過標(biāo)志酶為單胺氧化酶2.內(nèi)膜: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。是建立H+

電化學(xué)梯度的場所含有雙重磷脂分子心磷脂(cardiolipin).心磷脂含有四個(gè)脂肪酸,使內(nèi)膜對離子具有高度的不通透性內(nèi)膜上的蛋白質(zhì)包括: --負(fù)責(zé)電子傳遞(呼吸鏈)的酶系統(tǒng)

-ATP合酶（基粒）

--允許代謝物進(jìn)出基質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白心磷脂（Cardiolipin）內(nèi)膜的標(biāo)志酶為細(xì)胞色素C氧化酶。第12頁,共75頁，2024年2月25日，星期天3.膜間間隙(Inter-membranespace):是內(nèi)外膜之間的腔隙，寬約6-8nm。

含有利用ATP來磷酸化其它核苷酸的酶標(biāo)志酶為腺苷酸激酶4.基質(zhì)(Matrix),含有:

線粒體DNA(mt-DNA)

線粒體核糖體,

線粒體tRNAs

數(shù)百種酶,包括催化以下反應(yīng)的酶系統(tǒng): -- 丙酮酸和脂肪酸的氧化(產(chǎn)生乙酰輔酶A[acetylCoA] -- 檸檬酸循環(huán)(產(chǎn)生NADH) -- 線粒體基因的表達(dá)（轉(zhuǎn)錄、翻譯等）標(biāo)志酶為蘋果酸脫氫酶第13頁,共75頁，2024年2月25日，星期天二、線粒體的功能主要功能是進(jìn)行氧化磷酸化，合成，為細(xì)胞生命活動提供直接能量（一）線粒體中的氧化代謝(P90)——氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)第14頁,共75頁，2024年2月25日，星期天檸檬酸循環(huán)丙酮酸脂肪酸來自胞質(zhì)溶膠的食物分子電子傳遞鏈在充電利用ATPADPATP每個(gè)循環(huán)的周期大約是一分鐘第15頁,共75頁，2024年2月25日，星期天（二）、電子傳遞鏈與電子傳遞(P92)概念：1、電子載體：NAD——將代謝過程中脫下來的氫交給黃素蛋白黃素蛋白——含F(xiàn)MN或FAD的蛋白質(zhì)，每個(gè)FMN或FAD可接受2個(gè)電子2個(gè)質(zhì)子細(xì)胞色素——分子中含有血紅素鐵，以共價(jià)形式與蛋白結(jié)合，通Fe3+、Fe2+形式變化傳遞電子鐵硫蛋白：在其分子結(jié)構(gòu)中每個(gè)鐵原子和4個(gè)硫原子結(jié)合，通過Fe2+、Fe3+互變進(jìn)行電子傳遞輔酶Q：是脂溶性小分子量的醌類化合物，通過氧化和還原傳遞電子。有3種氧化還原形式第16頁,共75頁，2024年2月25日，星期天1.電子載體NAD：連接Kreb循環(huán)和呼吸鏈，將氫交給黃素蛋白。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17頁,共75頁，2024年2月25日，星期天NAD（nicotinamideadeninedinucleotide），＆NADP第18頁,共75頁，2024年2月25日，星期天Flavinmononucleotide(FMN)&Flavinadeninedinucleotide第19頁,共75頁，2024年2月25日，星期天細(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20頁,共75頁，2024年2月25日，星期天輔酶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,共75頁，2024年2月25日，星期天鐵硫蛋白：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22頁,共75頁，2024年2月25日，星期天2、電子載體排列順序FADH2從這里進(jìn)入泛醌細(xì)胞色素cNADH脫氫酶復(fù)合體細(xì)胞色素b-c1復(fù)合體細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合體每個(gè)電子的自由能電子傳遞流向氧化還原勢能第23頁,共75頁，2024年2月25日，星期天呼吸鏈的復(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24頁,共75頁，2024年2月25日，星期天電子轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物(P93)：復(fù)合物Ⅰ——NADH脫氫酶，其作用是催化NADH的2個(gè)電子傳遞至輔酶Q，同時(shí)將4個(gè)質(zhì)子由線粒體基質(zhì)（M側(cè)）轉(zhuǎn)移至膜間隙（C側(cè)）。復(fù)合物Ⅱ——琥珀酸脫氫酶，其作用是催化電子從琥珀酸轉(zhuǎn)至輔酶Q，但不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。復(fù)合物Ⅲ——細(xì)胞色素c還原酶，其作用是催化電子從輔酶Q傳給細(xì)胞色素c，每轉(zhuǎn)移一對電子，同時(shí)將4個(gè)質(zhì)子由線粒體基質(zhì)泵至膜間隙。復(fù)合物Ⅳ——細(xì)胞色素氧化酶，其作用是將從細(xì)胞色素c接受的電子傳給氧，每轉(zhuǎn)移一對電子，在基質(zhì)側(cè)消耗2個(gè)質(zhì)子，同時(shí)轉(zhuǎn)移2個(gè)質(zhì)子至膜間隙。第25頁,共75頁，2024年2月25日，星期天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26頁,共75頁，2024年2月25日，星期天復(fù)合物Ⅱ——琥珀酸脫氫酶其作用是催化電子從琥珀酸轉(zhuǎn)至輔酶Q，但不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。第27頁,共75頁，2024年2月25日，星期天復(fù)合物III：細(xì)胞色素c還原酶。組成：至少10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28頁,共75頁，2024年2月25日，星期天復(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29頁,共75頁，2024年2月25日，星期天兩條主要的呼吸鏈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。第30頁,共75頁，2024年2月25日，星期天>40多肽鏈NADHFlavin Q 7鐵硫中心>11多肽鏈

2血紅素

c1鐵硫中心

>13多肽鏈

2血紅素O22Cu

電子傳遞路線內(nèi)外膜間隙基質(zhì)線粒體內(nèi)膜泛醌細(xì)胞色素cNADH脫氫酶復(fù)合體細(xì)胞色素b-c1復(fù)合體細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合體NADH呼吸鏈（三）、質(zhì)子轉(zhuǎn)移與質(zhì)子驅(qū)動力的形成：第31頁,共75頁，2024年2月25日，星期天FADH2呼吸鏈——復(fù)合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組成，催化琥珀酸的脫氫氧化第32頁,共75頁，2024年2月25日，星期天氧化磷酸化的作用機(jī)理（一）質(zhì)子動力勢（P91）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(shí)△P的值為220mV左右。第33頁,共75頁，2024年2月25日，星期天能量以電化學(xué)質(zhì)子濃度梯度（ElectrochemicalProtonGradient）的形式儲存

電子傳遞過程中，H+

被有關(guān)的酶復(fù)合體從線粒體基質(zhì)中排抽到膜間間隙

由此造成:在內(nèi)膜兩側(cè)產(chǎn)生pH梯度（pHgradient，DpH），基質(zhì)內(nèi)的pH高于膜間間隙（細(xì)胞溶膠）的pH在內(nèi)膜兩側(cè)產(chǎn)生電壓梯度（voltagegradient，DV），基質(zhì)內(nèi)為負(fù)電荷，基質(zhì)外為正電荷

DpH和DV

共同形成電化學(xué)質(zhì)子梯度“ElectrochemicalProtonGradient”

電化學(xué)質(zhì)子梯度產(chǎn)生“質(zhì)子動力”（proton-motiveforce）第34頁,共75頁，2024年2月25日，星期天ChemiosmoticTheory第35頁,共75頁，2024年2月25日，星期天ATP合成機(jī)制——氧化磷酸化頭部基部1、ATP合酶的結(jié)構(gòu)與組成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36頁,共75頁，2024年2月25日，星期天ATPsynthase第37頁,共75頁，2024年2月25日，星期天1979年Boyer提出構(gòu)象耦聯(lián)假說:1．ATP酶利用質(zhì)子動力勢，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γ亞基旋轉(zhuǎn)，γ亞基端部高度不對稱，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38頁,共75頁，2024年2月25日，星期天L：松弛O：開放T：緊密第39頁,共75頁，2024年2月25日，星期天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40頁,共75頁，2024年2月25日，星期天電子傳遞的抑制劑

能夠阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞的物質(zhì)稱為電子傳遞抑制劑。是研究電子傳遞鏈順序的一種重要方法。

NADHNADH-Q還原酶CoQcytbc1cytccytaa3O2魚藤酮

安密妥

殺粉蝶菌素

抗霉素A氰化物、CO疊氮化物2-噻吩甲酰三氟丙酮和萎銹靈第41頁,共75頁，2024年2月25日，星期天1．電子傳遞抑制劑抑制復(fù)合物I，如阿米妥、魚藤酮。Amytalrotenone氧化磷酸化抑制劑第42頁,共75頁，2024年2月25日，星期天抑制復(fù)合物II，如：2-噻吩甲酰三氟丙酮和萎銹靈。2-Thenoyltrifluoroacetonecarboxin第43頁,共75頁，2024年2月25日，星期天抑制復(fù)合物III，如抗霉素A。AntinomycinA1第44頁,共75頁，2024年2月25日，星期天抑制復(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)，另一側(cè)均為氧化態(tài)，可用分光光度計(jì)檢測。第45頁,共75頁，2024年2月25日，星期天磷酸化抑制劑與F0結(jié)合，阻斷H+通道。如寡霉素。oligomycin第46頁,共75頁，2024年2月25日，星期天（五）線粒體與疾病（P94）克山病

克山?。↘D），亦稱地方性心肌?。‥CD），于1935年在我國黑龍江省克山縣發(fā)現(xiàn)，因而命名克山病。該病的具體表現(xiàn)為心肌線粒體代償增生、數(shù)目增多、嵴膜破壞、氧化磷酸化酶系(包括琥珀酸脫氫酶、細(xì)胞色素c氧化酶、琥珀酸氧化酶、H＋-ATP酶等)活性明顯下降,Ca2+含量增高、心磷脂和輔酶Q含量偏低,從而提出:“克山病是一種心肌線粒體病”的觀點(diǎn).第47頁,共75頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)葉綠體與光合作用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,共75頁，2024年2月25日，星期天第49頁,共75頁，2024年2月25日，星期天一、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(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,共75頁，2024年2月25日，星期天高倍顯微鏡下植物細(xì)胞中的葉綠體第51頁,共75頁，2024年2月25日，星期天葉綠體形態(tài)結(jié)構(gòu)圖第52頁,共75頁，2024年2月25日，星期天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,共75頁，2024年2月25日，星期天類囊體類囊體膜：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(gè)?；|(zhì)類囊體：連接基粒的沒有堆疊的類囊體。第54頁,共75頁，2024年2月25日，星期天基質(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,共75頁，2024年2月25日，星期天二、葉綠體的主要功能－光合作用光合作用分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)（P100)；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,共75頁，2024年2月25日，星期天（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,共75頁，2024年2月25日，星期天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,共75頁，2024年2月25日，星期天電子傳遞和光合磷酸化(P101)光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）：P680pp102至少包括12條肽鏈，位于基?；|(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,共75頁，2024年2月25日，星期天細(xì)胞色素b6f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。光系統(tǒng)Ⅰ（PSI）：P700pp102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。兩種光和磷酸化路徑第60頁,共75頁，2024年2月25日，星期天Noncyclicphotophosphorylation非環(huán)式光和磷酸化第61頁,共75頁，2024年2月25日，星期天Cyclicphotophosphorylation環(huán)式光合磷酸化第62頁,共75頁，2024年2月25日，星期天PSIandPSII第63頁,共75頁，2024年2月25日，星期天（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(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。第64頁,共75頁，2024年2月25日，星期天Electrontransportinthethylakoidmembrane在類囊體膜上的電子傳遞第65頁,共75頁，2024年2月25日，星期天比較不同點(diǎn)？第66頁,共75頁，2024年2月25日，星期天光合碳同化（p105)第67頁,共75頁，2024年2月25日，星期天基因組DNA細(xì)胞核胞質(zhì)溶膠蛋白質(zhì)前體線粒體或葉綠體輸入的蛋白質(zhì)在細(xì)胞器里合成的蛋白質(zhì)第三節(jié)線粒體與葉綠體是半自主性細(xì)胞器一、線粒體DNA和葉綠體DNA二、線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)細(xì)胞器DNA第68頁,共75頁，2024年2月25日，星期天三、線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)送與裝配(一)線粒體蛋白質(zhì)的運(yùn)送與