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1、1,第六章 细胞的能量转换线粒体和叶绿体（6学时）,线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。线粒体与氧化磷酸化叶绿体与光合作用线粒体和叶绿体是半自主性细胞器线粒体和叶绿体的增殖与起源,2,线粒体的发现,1890年R.Altaman首次发现，命名为bioblast。1898年von Benda提出mitochondrion。1900年L.Michaelis用Janus Green B染色，发现线粒体具有氧化作用。Green（1948）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶，Kennedy和Lehninger（1949）发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的。,3,第一节 线粒体与氧化磷酸化,线粒
2、体的形态结构线粒体的化学组成及酶的定位氧化磷酸化,4,一、线粒体的形态结构,线粒体的形态、大小、数量与分布 线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状。数目一般数百到数千个，线粒体通常分布在细胞功能旺盛的区域。线粒体的超微结构 外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性较高。内膜（inner membrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达510倍）。含有与能量转换相关的蛋白（执行氧化反应的电子传递链酶系、ATP合成酶、线粒体内膜转运蛋白）。膜间隙（intermembran
3、e space）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。基质（matrix）：含三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA,RNA，核糖体。,5,二、线粒体的化学组成及酶的定位,线粒体的化学组成蛋白质(线粒体干重的6570)脂类(线粒体干重的2530)：磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。线粒体脂类和蛋白质的比值:0.3:1（内膜）；1:1（外膜）线粒体酶的定位,6,线粒体主要酶的分布,7,三、氧化磷酸化,线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量。什么是氧化磷酸化：当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同
4、时伴有ADP磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化。什么是呼吸链：在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物，它们是传递电子的酶体系，由一系列可逆地接受和释放电子或H+的化学物质组成，在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链（electron-transport chain）或呼吸链（respiratory chain）。氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)的分子基础氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis,Mithchell,1961)线粒体能量转换过程略图,8,氧化磷酸化的分子基础,电子载体呼吸链电子载体主要有：黄
5、素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q、铜原子等。黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子2个质子。细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通过Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即：细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。辅酶Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。铜原子：通过Cu2+Cu+传
6、递单个电子,9,呼吸链的复合物 两条主要的呼吸链：NADH呼吸链,FADH2呼吸链ATP合成酶（ATP synthase）(磷酸化的分子基础),氧化磷酸化的分子基础,10,电子传递链的四种复合物(哺乳类),复合物：NADH-CoQ还原酶复合物（既是电子传递体又是质子移位体）组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白。作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电子辅酶Q；泵出4 H+复合物：琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递体而非质子移位体）组成：含FAD辅基，2Fe-S中心，作用：催化2低能电子FADFe-S辅酶Q(无H+泵出),11,复合物：细胞色素bc1复合物（既是电子传递体又是质
7、子移位体）组成：包括1cyt c1、1cyt b、1Fe-S蛋白作用：催化电子从UQH2cyt c；泵出4 H+（2个来自UQ，2个来自基质）复合物：细胞色素C氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成：二聚体，每一单体含13个亚基，cyt a,cyt a3,Cu,Fe 作用：催化电子从cytc分子O2形成水，2H+泵出，2H+参与形成水,电子传递链的四种复合物(哺乳类),12,两条主要的呼吸链,复合物I、I、IV组成主要的呼吸链，催化NADH的脱氢氧化，复合物、I、IV组成另一条呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化。呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从低向高传递，呼吸链中有三个部位有
8、较大的自由能变化，足以使ADP与无机磷结合形成ATP。部位在NADH至CoQ之间。部位在细胞色素b和细胞色素c之间。部位在细胞色素a和氧之间。电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形成高能电子(能量转化)，终止于O2形成水。电子传递链各组分在膜上不对称分布,13,14,复合物,复合物,复合物,复合物,CoQ,NADH,NAD+H+,2e,4H+,out,4H+,out,2H+,out,FADH2,FAD+2H+,Cty C,O2,H2O,2H+,15,ATP合成酶(磷酸化的分子基础),分子结构基粒（elementary particle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子
9、）构成，F0嵌入线粒体内膜。F1由5种多肽组成33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个亚基具有一个）。和单位交替排列，状如桔瓣。贯穿复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，帮助与F0结合。与F0的两个b亚基形成固定复合体的结构（相当于发电机的定子）。F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道,可使质子由膜间隙流回基质。工作特点：可逆性复合酶，即既能利用质子电化学梯度储存的能量合成 ATP,又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙。ATP合成机制构象耦联假说(Boyer 1979)亚单位相对于亚单位旋转的直接实验证据,16,氧化磷酸化的偶联机
10、制化学渗透假说,化学渗透假说内容：当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧（M侧）泵至膜间隙（胞质侧或C侧），由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（pH）及电位梯度（），两者共同构成电化学梯度（图7-9），即质子动力势（proton-motive force,P）。质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程，即有机分子中储藏的能量高能电子质子动力势ATP,17,第二节 叶绿体与光合作用,
11、叶绿体(Chloroplast)的形态结构叶绿体的功能光合作用(photosynthesis),18,一、叶绿体(Chloroplast)的形态结构,形态、数目：在高等植物中叶绿体象双凸或平凸透镜，叶肉细胞一般含50200个叶绿体，可占细胞质的40%，叶绿体的数目因物种细胞类型，生态环境，生理状态而有所不同。叶绿体与线粒体形态结构比较叶绿体超微结构,19,叶绿体超微结构,外被（chloroplast envelope）叶绿体外被由双层膜组成，膜间为1020nm的膜间隙。外膜的渗透性大内膜对通过物质的选择性很强类囊体（thylakoid）单层膜围成的扁平小囊。膜上含有光合色素和电子传递链组分，又
12、称光合膜。基粒由10100个类囊体组成。组成基粒的类囊体，叫做基粒类囊体，构成内膜系统的基粒片层（grana lamella）。基质类囊体，形成了内膜系统的基质片层（stroma lamella）。类囊体膜的内在蛋白主要有细胞色素b6/f复合体、质体醌（PQ）、质体蓝素（PC）、铁氧化还原蛋白、黄素蛋白、光系统、光系统复合物等。基质（stroma）主要成分包括：碳同化相关的酶类（如RuBP羧化酶）、叶绿体DNA、蛋白质合成体系：如，ctDNA、各类RNA、核糖体等。一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。,20,二、叶绿体的功能光合作用(photosynthesis),光合作用：绿色植
13、物利用体内的叶绿素吸收光能，把二氧化碳和水转化为有机物，并释放氧气的过程称为光合作用。Photosynthesis:(1)光合电子传递反应光反应(Light Reaction)(2)碳固定反应暗反应(Dark Reaction)光合色素和电子传递链组分光反应暗反应(碳固定),21,光合色素和电子传递链组分,1光合色素类囊体中含两类色素：叶绿素和类胡萝卜素。2光合单位由大约300个叶绿素分子和一些肽链构成。大部分色素分子起捕获光能的作用，并将光能以诱导共振方式传递到反应中心色素（一对）。因此这些色素被称为天线色素。3光系统（PS）吸收高峰为波长680nm处，又称P680。至少包括12条多肽链。包
14、括一个捕光复合体（LHC）、一个反应中心和一个含锰原子的放氧的复合体。4细胞色素b6/f复合体(cyt b6/f complex)以二聚体形成存在，每个单体含有四个不同的亚基。细胞色素b6（b563）、细胞色素f、铁硫蛋白、以及亚基（被认为是质体醌的结合蛋白）。5光系统（PSI）能被波长700nm的光激发，又称P700。包含多条肽链。由捕光复合体和作用中心构成。结合100个左右叶绿素分子、除了几个特殊的叶绿素为中心色素外，其它叶绿素都是天线色素。三种电子载体分别为A0（一个chla分子)、A1(为维生素K1)及3个不同的4Fe-4S。,22,光反应,在类囊体膜上由光引起的光化学反应，通过叶绿素
15、等光合色素分子吸收、传递光能，水光解，并将光能转换为电能（生成高能电子），进而通过电子传递与光合磷酸化将电能转换为活跃化学能，形成ATP和NADPH并放出 O2 的过程。包括原初反应、电子传递和光合磷酸化。原初反应（primary reaction)原初反应是指叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反应为止的过程，包括光能的吸收、传递与转换，即光能被捕光色素分子吸收并传递至反应中心，在反应中心发生最初的光化学反应，使电荷分离从而将光能转换为电能的过程。光能的吸收、传递与转换，形成高能电子电子传递光合磷酸化,23,电子传递与光合磷酸化,电子传递与光合磷酸化需说明以下几点：最初电子供体是H2O，最
16、终电子受体是NADP+。电子传递链中唯一的H+-pump是cytb6f复合物。类囊体腔的质子浓度比叶绿体基质高，该浓度梯度产生的原因归于：H2O光解、cytb6f 的H+-pump、NADPH的形成。ATP、NADPH在叶绿体基质中形成。电子沿光合电子传递链传递时，分为非循环式光合磷酸化和循环式光合磷酸化两条通路。循环式传递的高能电子在PS被光能激发后经cytb6f复合物回到PS。结果是不裂解H2O、产生O2，不形成NADPH，只产生H+跨膜梯度，合成ATP。光合磷酸化的概念：由光照所引起的电子传递与磷酸化作用相耦联而生成ATP的过程，称为光合磷酸化。,24,光反应与电子传递,P680接受能量
17、后，由基态变为激发态（P680*），然后将电子传递给去镁叶绿素（原初电子受体），P680*带正电荷，从原初电子供体Z（反应中心D1蛋白上的一个酪氨酸侧链）得到电子而还原；Z+再从放氧复合体上获取电子；氧化态的放氧复合体从水中获取电子，使水光解。在另一个方向上去镁叶绿素将电子传给D2上结合的QA，QA又迅速将电子传给D1上的QB，还原型的质体醌从光系统复合体上游离下来，另一个氧化态的质体醌占据其位置形成新的QB。质体醌将电子传给细胞色素b6/f复合体，同时将质子由基质转移到类囊体腔。电子接着传递给位于类囊体腔一侧的含铜蛋白质体蓝素(plastocyanin,PC)中的Cu2+，再将电子传递到光系
18、统。P700被光能激发后释放出来的高能电子沿着A0 A1 4Fe-4S的方向依次传递，由类囊体腔一侧传向类囊体基质一侧的铁氧还蛋白（ferredoxin,FD）。最后在铁氧还蛋白-NADP还原酶的作用下，将电子传给NADP+，形成NADPH。失去电子的P700从PC处获取电子而还原。,25,暗反应(碳固定),利用光反应产生的ATP 和NADPH，使CO2还原为糖类等有机物，即将活跃的化学能最后转换为稳定的化学能，积存于有机物中。这一过程不直接需要光(在叶绿体基质中进行)。卡尔文循环（Calvin cycle）（C3途径）：碳同化最重要最基本的途径。羧化阶段还原阶段RuBP再生阶段C4途径或 H
19、atch-Slack循环景天科酸代谢途径,26,第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器,半自主性细胞器的概念：自身含有遗传表达系统(自主性)；但编码的遗传信息十分有限，其RNA转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息(自主性有限)。线粒体和叶绿体的DNA线粒体和叶绿体的蛋白质合成线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限参加叶绿体组成的蛋白质来源有种情况：由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成；由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成；由核DNA编码，在叶绿体核糖体上合成。线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装线粒体蛋白质的运送与组装（导肽）定位于线粒体基质的蛋白质的运送定位于线
20、粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送叶绿体蛋白质的运送及组装,27,导肽：位于线粒体前体蛋白N端的一段信号序列（约20个氨基酸残基），能够识别线粒体并牵引蛋白质通过线粒体膜进行运送，也称为信号肽。特点：含有丰富的带正电荷的碱性氨基酸（精氨酸）；含较高羟基氨基酸（丝氨酸）；不含带负电荷的酸性氨基酸；可形成既具亲水性又具疏水性的螺旋结构。,28,一、线粒体和叶绿体的DNA,mtDNA/ctDNA形状、数量、大小 双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA)mtDNA大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大，高等植物，120kbp200kbp；人mtDNA：16,569bp，37个基因(编码12S,16S
21、rRNA；22种tRNA；13种多肽：NADH脱氢酶7个亚基，cyt b-c1复合物中1个cytb，细胞色素C氧化酶3个亚基，ATP合成酶2个Fo亚基)mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期及G2期，DNA先复制，随后线粒体分裂。ctDNA复制的时间在G1期。复制仍受核控制。,29,第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源,线粒体和叶绿体的增殖线粒体的增殖：由原来的线粒体分裂或出芽而来。叶绿体的发育和增殖个体发育：由前质体（proplastid）分化而来。增殖：分裂增殖线粒体和叶绿体的起源,30,二、线粒体和叶绿体的起源,内共生起源学说（endosymbiosis hypothesis)叶绿体起源
22、于细胞内共生的蓝藻：Mereschkowsky，1905年Margulis，1970年：线粒体的祖先-原线粒体是一种革兰氏阴性细菌：叶绿体的祖先是原核生物的蓝细菌（Cyanobacteria），即蓝藻。非共生起源学说主要内容：真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌。成功之处：解释了真核细胞核被膜的形成与演化的渐进过程。,31,线粒体与叶绿体的形成（内共生说）,32,线粒体的起源,内共生假说,非共生假说,：线粒体是由共生于原始真核细胞内的细菌演变而来。,1.线粒体和叶绿体DNA呈环状、裸露与细菌相似。,内共生假说的依据：,3.线粒体蛋白质的合成更接近细菌。,4.线粒体内、外膜结构和功能差别
23、很大，外膜与真核细胞 的sER相似；内膜与细菌质膜相似。,5.线粒体的增殖与细菌一样直接分裂。,：线粒体的发生是质膜内陷的结果。,非共生假说的依据：,1.细菌的中膜体与线粒体非常相似均为凹陷的细胞膜。,2.质粒DNA与线粒体DNA比较有许多相似之处。,2.线粒体的核糖体为70S与细菌相同，而真核细胞为80S。,33,34,35,肽聚糖,36,37,38,铁硫蛋白的结构（引自Lodish等1999）,CoQ（氧化型醌）,CoQH（半醌）,CoQH2（氢醌）,还原,还原,39,40,41,42,43,44,日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人将33固定在玻片上，在亚基的顶端连接荧光
24、标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到亚基带动肌动蛋白纤维旋转。,亚基旋转的观察（引自Lodish等1999）,45,46,Mitchell P.1961提出“化学渗透假说(Chemiosmotic Hypothesis)”，70年代关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说，Mitchell本人也因此获得1978年诺贝尔化学奖。,47,48,49,50,叶绿体分子结构,51,52,53,54,55,56,57,58,叶肉细胞,维管束鞘细胞,磷酸烯醇式丙酮酸,苹果酸,丙酮酸,丙酮酸,59,酵母线粒体主要酶复合物的生物合成,60,61,62,63,64,1.线粒体收缩分裂2.间壁分裂（狗心肌细胞线粒体）3.出芽分裂（新生鼠肝细胞线粒体）,2,1,3,65,课后思考题,1.试述在细胞质中合成的线粒体内膜蛋白及叶绿体类囊体膜蛋白是如何运送到位与装配的.（2001年武汉大学细胞考研题）2.线粒体和叶绿体的DNA结构如何?有什么特点?3.通过实验依据说明，一般公认的线粒体呼吸链的几个组分在其内膜上排列顺序的依据及其它们的具体排列顺序；并进一步说明呼吸链各组分的物质组成及其作用。（中科院2004）4.线粒体的结构与功能。（中山医大2002）5.名词解释：呼吸链、氧化磷酸化,
