第七章 線粒體和葉綠體

第七章細胞的能量轉(zhuǎn)換──線粒體和葉綠體

Mitochondrion&Chloroplast第一節(jié)線粒體與氧化磷酸化●線粒體的發(fā)現(xiàn)及形態(tài)結(jié)構(gòu)●線粒體的化學(xué)組成及酶的定位●氧化磷酸化●線粒體與疾病一、線粒體的發(fā)現(xiàn)及研究簡史（1）1890年R.Altaman首次利用光鏡，在動物細胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)，命名為bioblast；1898年vonBenda命名mitochondrion；1900年L.Michaelis用JanusGreenB活體染色，發(fā)現(xiàn)線粒體具有氧化還原作用；

1948年Green證實線粒體含所有三羧酸循環(huán)的酶；1949Kennedy和Lehninger發(fā)現(xiàn)脂肪酸氧化為CO2的過程是在線粒體內(nèi)完成的；50年代后電鏡精細結(jié)構(gòu)觀察；60年代后線粒體DNA發(fā)現(xiàn)及研究。一、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)（2）

●線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布●線粒體的超微結(jié)構(gòu)

◆外膜(outermembrane）：含孔蛋白(porin)，

通透性較高。標志酶為單胺氧化酶?！魞?nèi)膜（innermembrane）：高度不通透性，向內(nèi)折疊形成嵴（cristae）通透性差。標志酶為細胞色素氧化酶，含有與能量轉(zhuǎn)換相關(guān)的蛋白◆膜間隙（intermembranespace）：含許多可溶性酶、底物及輔助因子。標志酶為腺苷酸激酶。

◆基質(zhì)（matrix）：含三羧酸循環(huán)酶系、線粒體基因表達酶系等以及線粒體DNA,RNA，核糖體。1線粒體的形態(tài),大小,數(shù)目與分布形態(tài)：線狀，顆粒狀大小：長1.5

m-3

m;直徑0.5-1.0

m。

胰臟外分泌細胞中有長達10~20μm的巨線粒體。數(shù)目：幾百到幾千（與細胞種類，細胞生理功能和生理狀態(tài)有關(guān)）。

肝細胞約1700個線粒體，占細胞體積的20%；許多哺乳動物成熟的紅細胞無線粒體。分布：不均勻（與細胞能量需求有關(guān)）

·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)運蛋白線粒體與疾病克山?。ㄐ募【€粒體病）：缺硒線粒體與衰老、凋亡相關(guān)二、線粒體的化學(xué)組成及酶的定位●線粒體組分分離方法●線粒體的化學(xué)組成●線粒體酶的定位線粒體的化學(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、氧化磷酸化 線粒體主要功能是進行氧化磷酸化，合成ATP，為細胞生命活動提供直接能量；與細胞中氧自由基的生成、細胞凋亡、細胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細胞內(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)機制—化學(xué)滲透假說

(ChemiosmoticHypothesis,Mithchell,1961)

●質(zhì)子動力勢的其他作用:物質(zhì)轉(zhuǎn)運

●線粒體能量轉(zhuǎn)換過程略圖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

*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))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)◆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。

◆電子傳遞起始于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◆

亞單位相對于

亞單位旋轉(zhuǎn)的直接實驗證據(jù)氧化磷酸化的偶聯(lián)機制—化學(xué)滲透假說◆1961年英化學(xué)家Mitchell提出，獲1978年諾貝爾化學(xué)獎；◆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?！糁С只瘜W(xué)滲透假說的實驗證據(jù)，該實驗表明：

·質(zhì)子動力勢(protonmotiveforce)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

◆ATP合成機制—Bindingchangeandrotationalcatalysismechanism(Boyer1979)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

線粒體產(chǎn)生大量熱量第二節(jié)葉綠體與光合作用●1葉綠體(Chloroplast)的形態(tài)結(jié)構(gòu)●2葉綠體的功能—光合作用(photosynthesis)一、葉綠體(Chloroplast)的形態(tài)結(jié)構(gòu)●葉綠體的形狀，大小，數(shù)目●葉綠體與線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)比較 葉綠體內(nèi)膜不向內(nèi)折疊成嵴，不含電 子傳遞鏈；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。

●葉綠體超微結(jié)構(gòu)葉綠體的形狀，大小，數(shù)目形狀：香蕉形（高等植物）大小：直徑3-5

m；厚2-3

m數(shù)目：幾百到幾千

二、葉綠體的功能—光合作用

(photosynthesis)

Photosynthesis:三大步驟：原初反應(yīng)、電子傳遞和光合磷酸化、碳同化。(1)光反應(yīng)(LightReaction)——原初反應(yīng)、電子傳遞和光合磷酸化(2)暗反應(yīng)(DarkReaction)——碳固定反應(yīng)●光反應(yīng)在類囊體膜上發(fā)生，

將光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能（ATP、NADPH)●暗反應(yīng)

(碳固定)在葉綠體基質(zhì)中進行，利用ATP和NADPH使CO2還原為糖類●光合作用與有氧呼吸的關(guān)系圖；光合磷酸化與氧化磷酸化比較光反應(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)

捕光（天線）色素＋反應(yīng)中心＝光合作用單位；反應(yīng)中心＝1中心色素＋1原初電子供體D＋1原初電子受體A ·光能的吸收、傳遞與轉(zhuǎn)換，形成高能電子

◆電子傳遞與光合磷酸化

PSI、PSII電子傳遞與光合磷酸化·電子傳遞：

①最初電子供體是H2O，最終電子受體是NADP+。②類囊體腔的質(zhì)子濃度比葉綠體基質(zhì)高，ATP、NADPH在葉綠體基質(zhì)中形成。③”Z”鏈或光合鏈光合磷酸化：由光照所引起的電子傳遞與磷酸化作用相偶聯(lián)而生成ATP的過程。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)cytbf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。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，積存于有機物中。這一過程不直接需要光(在葉綠體基質(zhì)中進行)?！艨栁难h(huán)（Calvincycle）（C3途徑）◆C4途徑或Hatch-Slack循環(huán)（C4植物：甘蔗、玉米等）◆景天科酸代謝途徑（CAM途徑，與C4途徑相似，只是時間空間上不同；CAM植物：景天、落地生跟等）卡爾文循環(huán)(Calvin1961Nobelprize)羧化階段

CO2

RuBP還原階段（光反應(yīng)與暗反應(yīng)的連接點）

PGAK甘油醛磷酸脫氫酶

PGA1，3—二磷酸甘油酸3-磷酸甘油醛

ATPNADPHRuBP再生階段

3-磷酸甘油醛5-P-核酮糖RuBP

kinase3-磷酸甘油酸RuBP羧化酶（PGA）第三節(jié)線粒體和葉綠體是半自主性細胞器線粒體和葉綠體是半自主性細胞器*：有自身的DNA；能進行自身的DNA復(fù)制、基因轉(zhuǎn)錄、蛋白翻譯；能自主合成部分蛋白質(zhì)；但大部分的蛋白由核基因合成●1線粒體和葉綠體的DNA●2線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成●3線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運送與組裝一、線粒體和葉綠體的DNA●mtDNA/ctDNA形狀、數(shù)量、大小

●mtDNA和ctDNA均以半保留方式進行自我復(fù)制●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mtDNA/ctDNA形狀、數(shù)量、大小◆雙鏈環(huán)狀(除綠藻mtDNA，草履蟲mtDNA)◆每個線粒體約有6個mtDNA分子；每個葉綠體中約有12個ctDNA分子?！鬽tDNA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；

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●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，在細胞質(zhì)核糖體上合成；

◆由核DNA編碼，在葉綠體核糖體上合成。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)的運送及組裝葉綠體和線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運導(dǎo)肽（轉(zhuǎn)運肽）：運送到Mt（Ct）中的蛋白在細胞質(zhì)首先合成前體蛋白，其N端的一段含有運送方向信息的特殊序列。序列特點：1富含堿性氨基酸

2羥基氨基酸含量較高

3幾乎不含酸性氨基酸

4形成雙性（親水性、疏水性）螺旋功能：識別，牽引過膜（牽引對蛋白無特異性要求）信號肽：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白，其N端的一段指導(dǎo)其到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上繼續(xù)合成的信號序列。第四節(jié)線粒體和葉綠體的增殖與起源●1線粒體和葉綠體的增殖●2線粒體和葉綠體的起源一、線粒體和葉綠體的增殖●線粒體的增殖：由原來的mt分裂或出芽而來。實驗證據(jù)(3H標記及電鏡觀察)

間壁和隔膜分離(鼠肝mt和植物分生細胞mt),

收縮分離(蕨類和酵母mt)

出芽(酵母和蘚類mt)●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)說內(nèi)共生起源學(xué)說◆葉綠體起源于細胞內(nèi)共生的藍藻：

Mereschkowsky，1905年◆Porteir,1918&Wallin,1922mt

來自細胞內(nèi)共生的細菌?！?/p>

Margulis，1970年：內(nèi)共生起源學(xué)說線粒體的祖先是一種革蘭氏陰性細菌(purplebacteria)：葉綠體的祖先是藍細菌(Cyanobacteria),即藍藻?！魞?nèi)共生起源學(xué)說的主要論據(jù)及不足之處內(nèi)共生起源學(xué)說的主要論據(jù)◆基因組在大小、形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面與細菌相似，都有裸露的環(huán)狀DNA分子構(gòu)成?！粲凶约和暾牡鞍踪|(zhì)合成系統(tǒng)，能獨立合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)合成機制有很多類似細菌，而不同于真核生物?！魞蓪颖荒び胁煌倪M化來源，外膜與細胞內(nèi)膜系統(tǒng)、內(nèi)膜與細菌質(zhì)膜相似?！粢苑至训姆绞竭M行繁殖，與細菌的繁殖方式相同?！裟茉诋愒醇毎麅?nèi)長期生存，說明線粒體和葉綠體具有自主性與共生性特征?！艟€粒體的祖先很可能來自反硝化副球菌或紫色非硫光合細菌?！舭l(fā)現(xiàn)介于胞內(nèi)共生藍藻與葉綠體之間的結(jié)構(gòu)--藍小體，其特征在很多方面可作為原始藍藻向葉綠體演化的佐證。不足之處◆從進化角度，如何解釋在代謝上明顯占優(yōu)勢的共生體反而將大量的遺傳信息轉(zhuǎn)移到宿主細胞中？◆不能解釋細胞核是如何進化來的，即原核細胞如何演化為真核細胞？

◆線粒體和葉綠體的基因組中存在內(nèi)含子，而真細菌原 核生物基因組中不存在內(nèi)含子，如果同意內(nèi)共生起源學(xué)說的觀點，那么線粒體和葉綠體基因組中的內(nèi)含子 從何發(fā)生？非共生起源學(xué)說◆主要內(nèi)容：真核細胞的前身是一個進化上比較高等的好氧細菌?！舫晒χ帲航忉屃苏婧思毎吮荒さ男纬膳c演化的漸進過程。

◆不足之處不足之處◆實驗證據(jù)不多◆無法解釋為何線粒體、葉綠體與細菌在DNA分子結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)合成性能上有那么多相似之處◆對線粒體和葉綠體的DNA酶、RNA酶和核糖體的來源也很難解釋?！粽婧思毎募毎四芊衿鹪从诩毦暮藚^(qū)？線粒體主要酶的分布

為各部位所特有的標志酶ATP合成酶的作用機制：旋轉(zhuǎn)催化機制（rotationalcatalysis）低滲高滲離心密度梯度離心超聲破