第六章 線粒體和葉綠體.ppt

1、第六章 細胞的能量轉換 線粒體和葉綠體,合成生物大分子（DNA，RNA，蛋白質，多糖）；合成其它細胞成分（如膜磷脂和一些代謝物）；細胞運動，包括肌肉收縮，整個細胞爬行和染色體在有絲分裂時的運動；分子主動運輸；產生膜電勢能；產熱等。,在絕大多數(shù)的異養(yǎng)生物和自養(yǎng)生物的不見光部分，ATP絕大多數(shù)都來自線粒體，為細胞生命活動提供能量。,第一節(jié) 線粒體與氧化磷酸化,線狀,顆粒狀,光鏡下形態(tài),大小,直徑約0.51um,故名線粒體,一、 線粒體的形態(tài)結構,一、線粒體的形態(tài)結構 （一）線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量和分布,短棒狀 或小球狀,電鏡下的形態(tài),形態(tài)多變性：線狀 粒狀（胝滲膨脹） 粒狀 線狀（高滲伸長） 短

2、 長（生長）,圖示 滲透壓變動引起線粒體形狀和大小的改變,數(shù)目多變性： 不同細胞中數(shù)目不同，約1-50萬個不等。 一般代謝旺盛細胞中線粒體多，反之則少；,在細胞內線粒體多分布在功能旺盛的區(qū)域，如細胞分裂器周圍多。,心肌細胞活躍，其中線粒體多。,精細胞中線粒體相對較少。,線粒體,從細胞的立體結構看線粒體的形態(tài)：囊狀小體,線粒體在細胞內的分布一般是不均勻的，根據細胞代謝需要，線粒體可在細胞質中運動變形和分裂增殖。,Relationship between mitochondria and microtubules,線粒體在細胞質中遷移時，往往與微管有關,（二） 線粒體的超微結構（兩膜兩室）,A t

3、hree-dimensional diagram of a mitochondrion cut longitudinally,膜間隙,基質,外膜,內膜,嵴,線粒體的超微結構 外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性較高。外膜的標志酶是單胺氧化酶。 內膜（inner membrane）：富含心磷脂，高度不通透性，向內折疊形成嵴（cristae），含有與能量轉換相關的蛋白。內膜的標志酶是細胞色素氧化酶。 膜間隙（intermembrane space）：含許多可溶性酶、 底物及輔助因子。膜間隙的標志酶是腺苷酸激酶。 基質（matrix）：含三羧酸循環(huán)酶系、線粒體基因表達

4、酶系等以及線粒體DNA, RNA，核糖體。標志酶為蘋果酸脫氫酶。,孔蛋白,外膜,基質（內腔）,基粒,內膜,嵴,膜間腔（外腔）外),內腔（與基質相通）,嵴的形態(tài)多樣,羽冠型 網膜型 絨毛型 平行型 同心園型,嵴的作用是擴大內膜的面積；使基質區(qū)域化。,示嵴的各種形態(tài),基粒的結構,頭部（ATP酶復合體） 基粒 柄部 基片（插入膜中）,基粒是氧化磷酸化的結構部位， 其化學本質是F0F1ATP合成酶,二、 線粒體的化學組成及酶系定位,（一） 線粒體的化學組成,蛋白質(線粒體干重的6570) 脂類(線粒體干重的2530)： 磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，內膜主要是 心磷脂。 線粒體脂類和蛋白質的比值

5、: 0.3:1（內膜）；1:1（外膜）,（二） 線粒體的酶的定位,三、線粒體的功能 （一）線粒體中的氧化代謝,細胞內合成ATP有兩種方式： 1）底物水平磷酸化 把某分子上的磷酸基通過磷酸轉移酶轉移到ADP上。,2-磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸激酶,2） 通過ATP合成酶利用“質子動力勢”為直接能量把ADP和無機磷一起合成ATP。根據能量來源不同分為氧化磷酸化和光合磷酸化。,線粒體的功能主要是進行氧化磷酸化，合成ATP，為細胞生命活動提供直接能量。線粒體是糖、脂肪、和氨基酸最終氧化釋能的場所。,（二） 電子傳遞鏈與電子傳遞,在線粒體內膜上存在的一組酶的復合體，由一系列能可逆地接受和釋放電子或H+的化

6、學物質所組成，它們在內膜上相互關聯(lián)地有序排列成傳遞鏈，稱為電子傳遞鏈（electron transport chain)或呼吸鏈(respiratory chain) 。 電子通過呼吸鏈的流動，稱為電子傳遞。,1.電子載體 在電子傳遞過程中，與釋放的電子結合并將電子傳遞下去的化合物稱為電子載體。 黃素蛋白（以FMN或FAD為輔基） 細胞色素類（a、a3、b、c、c1等） 輔酶Q類（Q、QH2、QH） 鐵硫蛋白（鐵硫中心，F(xiàn)eS） 銅原子,黃素蛋白：含F(xiàn)MN或FAD的蛋白，可接受2個電子2個質子。 相關的脫氫酶類主要有：以FMN為輔基的NADH脫氫酶。 以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶。,細胞色素：

7、分子中含有血紅素鐵，以共價形式與蛋白結合，通Fe3+、Fe2+形式變化傳遞電子，呼吸鏈中有5類，即：細胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有銅原子。,輔酶Q：是脂溶性小分子量醌類化合物，通過氧化和還原傳遞電子。有3種氧化還原形式，即：氧化型醌Q，還原型氫醌（QH2）和介于兩者之者的自由基半醌（QH）。,鐵硫蛋白：在其分子結構中每個鐵原子和4個硫原子結合，通過Fe2+、Fe3+互變進行電子傳遞，有2Fe-2S和4Fe-4S兩種類型。,在aa3分子中，除含血紅素鐵外，尚含有2個銅原子，依靠其化合價的變化，把電子從a3傳遞到氧。,以上各種電子或質子傳遞體除CoQ外都是與蛋白質組成復合物，這些

8、復合物除了細胞色素外都包埋在線粒體內膜中。,呼吸鏈組分按氧化還原電位由低向高的方向排列。 處理線粒體內膜、分離出呼吸鏈的4種復合物。輔酶Q和細胞色素C不屬于任何一種復合物。,2.電子載體排列順序 實驗證明，呼吸鏈各組分有嚴格的排列順序和方向,3.電子轉運復合物 復合物I：NADH脫氫酶。 組成：42條肽鏈組成，呈L型，含一個FMN和至少6個鐵硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚體形式存在。 作用：催化NADH的2個電子傳遞至輔酶Q，同時將4個質子由線粒體基質（M側）轉移至膜間隙（C側）。 NADHFMNFe-SQ NADH + 5H+M + QNAD+ + QH2 + 4H+C,復合物II：琥珀酸

9、脫氫酶 組成：至少由4條肽鏈，含有一個FAD，2個鐵硫蛋白。 作用：催化琥珀酸的低能量電子轉至輔酶Q，但不轉移質子。 琥珀酸FADFe-SQ。 琥珀酸+Q延胡索酸+QH2,復合物III：細胞色素c還原酶。 組成：至少11條不同肽鏈，以二聚體形式存在，每個單體包含兩個細胞色素b（b562、b566）、一個鐵硫蛋白和一個細胞色素c1 。 作用：催化電子從輔酶Q傳給細胞色素c，每轉移一對電子，同時將4個質子由線粒體基質泵至膜間隙。（2個來自UQ，2個來自基質） 2還原態(tài)cyt c1 + QH2 + 2 H+M2氧化態(tài)cyt c1 + Q+ 4H+C,復合物的電子傳遞比較復雜，和“Q循環(huán)”有關,復合物

10、IV：細胞色素c氧化酶 組成：為二聚體，每個單體含至少13條肽鏈，分為三個亞單位。 作用：將從細胞色素c接受的電子傳給氧形成水，每轉移一對電子，在基質側消耗2個質子，同時轉移2個質子至膜間隙。（2 H+泵出， 2 H+ 參與形成水） cyt cCuAheme aa3- CuBO2 4還原態(tài)cyt c + 8 H+M + O24氧化態(tài)cyt c + 4H+C + 2H2O,由復合物I、III、IV組成，催化NADH的脫氫氧化。 由復合物II、III、IV組成，催化琥珀酸的脫氫氧化。 對應于每個復合物，大約需要3個復合物，7個復合物，任何兩個復合物之間沒有穩(wěn)定的連接結構，而是由輔酶Q和細胞色素c這

11、樣的可擴散性分子連接。,兩條主要的呼吸鏈,Transport of electrons from NADH,Transport of electrons from FADH2,兩條呼吸鏈,魚藤酮、阿米妥,抗霉素A,CN、CO,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)、鐵硫蛋白、輔酶Q。前三種與蛋白質結合，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(能量轉化)， 終止于O2形成水。 電子傳遞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動線粒體內膜三大復合物(H+-

12、泵)將H+從基質側泵到膜間隙， 形成跨線粒體內膜H+梯度(能量轉化) 電子傳遞鏈各組分在膜上不對稱分布,電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量將質子從內膜基質側（M側）泵至膜間隙（C側），形成質子動力勢（ P）。 P=-(2.3RT/F)pH 其中：pH= pH梯度， =電位梯度，T=絕對溫度，R=氣體常數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，當溫度為25時P的值為220mV左右。,（三）質子轉移與質子驅動力的形成,Chemiosmotic Theory,電子通過復合物III途徑的Q循環(huán),細胞色素氧化酶的結構及電子流經4個氧化還原中心,線粒體內膜電子傳遞復合物的排列及電子和質子傳遞示意圖,（四）ATP形成機制 氧化磷酸

13、化 1. ATP合酶的結構與組成 狀如蘑菇，屬F型質子泵。 分為球形的F1（頭部）和嵌入膜中的F0（基部）。 F1由5種多肽組成33復合體，具有三個ATP合成的催化位點（每個亞基具有一個）。 F0由三種多肽組成ab2c12復合體，嵌入內膜，12個c亞基組成一個環(huán)形結構，具有質子通道。,2. 氧化磷酸化作用與電子傳遞鏈的耦聯(lián),氧化磷酸化的耦聯(lián)機制,化學滲透假說 chemiosmotic coupling hypothesis,膜電位（）和膜內外H+濃度差（pH）所貯存的電化學梯度自由能總稱為質子動力勢。,3. ATP合成酶的作用機制,線粒體與醫(yī)學,線粒體是一敏感的細胞器,可隨細胞代謝狀況而發(fā)生變

14、化，與醫(yī)學有密切關系： 疾病診斷和環(huán)境因素測定的細胞指標. 缺血-內室濃縮、外室擴大、體積增加、凝集、腫脹 低滲-顆粒化、腫脹 輻射-缺嵴、空化 腫瘤-線粒體數(shù)目減少,線粒體異常導致的疾?。ㄖ饕鄯e神經、肌肉系統(tǒng)） 如：KSS 綜合癥：眼肌麻痹、小腦、心臟異常 MELAS 綜合癥：中風樣發(fā)作、癲癇、癡呆 LEBER 遺傳性視神經精?。阂暽窬珘模袃纫暳ο?線粒體心肌?。盒牧λソ摺⑷砑o力伴水腫等 帕金森?。赫痤澬月楸?，癡呆等。,利用呼吸鏈組分進行疾病治療： Cytc 治療CO中毒、缺氧窒息、心肺功能障礙 ATP 治療體質虛弱 CoQ 治療牙周病、高血壓、肌肉萎縮癥 NAD+ 治療進行性肌萎

15、縮、某些肝病. 毒物和藥物可作用于呼吸鏈引起中毒或治療作用 一氧化碳中毒（缺氧、呼吸鏈受阻） 氰化物中毒（分子小、擴散快、與細胞色素氧化 酶結合，阻斷電子傳遞）。,第二節(jié) 葉綠體與光合作用 一、葉綠體的形狀、大小和數(shù)目（自學） 二、葉綠體的結構和化學組成 （一）葉綠體膜 （二）類囊體（thylakoid） （三）基質,三、葉綠體的主要功能光合作用 綠色植物葉肉細胞的葉綠體吸收光能，利用水和二氧化碳合成糖類等有機化合物，同時放出氧氣的過程稱為光合作用（photosynthesis）。 光合作用的過程可分為三大步驟： 原初反應（primary reaction） 電子傳遞和光合磷酸化 碳同化 、屬

16、于光反應（light reaction） 屬于暗反應（dark reaction ）,（一）原初反應 原初反應是指葉綠素分子從被光激發(fā)至引起第一個光化學反應為止的過程，包括光能的吸收、傳遞與轉換，即光能被捕光色素分子吸收，并傳遞至反應中心，在反應中心發(fā)生最初級的光化學反應，使電荷分離從而將光能轉換為電能的過程。,（二） 電子傳遞和光合磷酸化,非循環(huán)式光合磷酸化,循 環(huán) 式 光 合 磷 酸 化,Electron flow through reaction center of chloroplast PSII,(三) 光合碳同化(自學) 卡爾文循環(huán) 羧化階段 還原階段 RuBP再生階段 2. C4

17、途徑 3. 景天科酸代謝,第三節(jié) 線粒體和葉綠體是半自主性細胞器,一、線粒體和葉綠體的DNA,Electron micrograph of an animal mitochondrial DNA molecule caught during the process of DNA replication,二、線粒體和葉綠體的蛋白質合成,線粒體： 1. mtDNA編碼mt中合成 2. 核DNA編碼細胞質中合成 葉綠體： 1. ctDNA編碼，ct中合成 2. 核DNA編碼，細胞質中合成 3. 核DNA編碼， ct中合成,三、線粒體和葉綠體的蛋白質的運送與組裝,a. 是什么信號指引蛋白質進入線粒體 b. 蛋白質合成后是折疊狀態(tài)的，它以什么狀態(tài)進入線粒體 c. 定位到基質的蛋白怎樣跨越線粒體的雙層膜,我們把線粒體前體蛋白的信號肽稱為導肽，也可稱為基質導引序列。一般2080個氨基酸殘基,1. 富含帶正電荷的氨基酸,特別是精氨酸； 2. 羥基氨基酸如絲氨酸含量也較高； 3. 幾乎不含帶負電的酸性氨基酸； 4. 可形成既具親水性又具疏水性的-螺旋結構。,嵌合蛋白實驗發(fā)現(xiàn)導肽還有一個特性：,導肽對其后面引導的蛋白沒有特別要求,結論：導肽引導蛋白進入線粒體,下面實驗證明前體蛋白在導肽指引下通過線粒體膜上的特異位點以解折疊狀態(tài)一次性穿越兩層膜進入基質：,定位于線粒體基質的蛋