第七章細胞的能量轉(zhuǎn)換—線粒體和葉綠體

1、第七章 細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體一 教學目標：1 深刻理解線粒體和葉綠體是真核細胞兩種重要的產(chǎn)能細胞器。線粒體廣泛存在于各類真核細胞中，而葉綠體僅存在于植物細胞中。2 深刻理解線粒體和葉綠體的超微結(jié)構(gòu)，理解氧化磷酸化和光合磷酸化的特點和不同點。3 深刻理解線粒體和葉綠體都是半自主性的細胞器。深刻理解分子伴娘在跨膜運輸?shù)鞍踪|(zhì)進入線粒體和葉綠體的過程中所發(fā)揮的作用。4 理解線粒體和葉綠體的增殖主要是通過分裂進行的。理解關(guān)于線粒體和葉綠體起源的內(nèi)共生學說和分化學說。二重點：1.線粒體、葉綠體的超微結(jié)構(gòu)；2. 線粒體、葉綠體的自主性3. 線粒體、葉綠體的增殖。三難點：線粒體、葉綠體的超微結(jié)構(gòu)及功能

2、的關(guān)系。四授課方式與教學方法：講授、討論、多媒體輔助教學。五教學內(nèi)容:線粒體和葉綠體是細胞內(nèi)的兩種產(chǎn)能細胞器。線粒體普遍存在于各類真核細胞中，葉綠體僅存在于植物細胞中。 線粒體和葉綠體都是高效的產(chǎn)生ATP的精密裝置，盡管它們最初能量的來源不同，但卻有著相似的基本結(jié)構(gòu)，以類似的方式合成ATP。線粒體和葉綠體都有環(huán)狀DNA及自身轉(zhuǎn)錄的RNA與翻譯蛋白質(zhì)的體系。組成線粒體和葉綠體的各種蛋白質(zhì)成分是由核DNA和線粒體DNA或葉綠體DNA分別編碼的，所以線粒體和葉綠體都是半自主性細胞器。 第一節(jié) 線粒體與氧化磷酸化一、線粒體形態(tài)、大小、數(shù)目和分布二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)本世紀50年代后，在電鏡下觀察研究線粒

3、體的結(jié)構(gòu)問題。是由雙層單位膜套疊成的所謂“囊中之囊”，在空間結(jié)構(gòu)上人為地劃分為四大部分，即外膜、內(nèi)膜、外室、內(nèi)室。（一）外膜（outer membrane）指包圍在線粒體最外面的一層膜，看上去平整光滑而具有彈性，膜厚約6nm。對各種小分子物質(zhì)（分子量在10000 doldon以內(nèi)，如電解質(zhì)、水、蔗糖等）的通透性較高，有人認為外膜上具有小孔（23nm）。（二）內(nèi)膜（inner membrane）也是一單位膜，約厚68nm。內(nèi)膜不同于外膜。首先是在結(jié)構(gòu)上，內(nèi)膜不是平滑的，而是由許多向線粒體腔內(nèi)的突起（褶疊或小管），被稱為“線粒體嵴”（mitochondria cristae），是線粒體最富有標志性

4、的結(jié)構(gòu)，它的存在大大擴大了內(nèi)膜的表面積，增加了內(nèi)膜的代謝效率。（三）外室（outer space）（膜間隙）指內(nèi)、外膜之間的窄小空隙，寬約68 nm，又稱膜間隙（intermembrane space）。（四）內(nèi)室（mner space）指由內(nèi)膜包圍的空間，其內(nèi)充滿蛋白質(zhì)性質(zhì)的物質(zhì)，稱線粒體基質(zhì)（mitochondria matrix）。三、線粒體的化學組成及定位（chemical composition）（一）蛋白質(zhì) 外膜含量（60%）低于內(nèi)膜含量（80%），主要為酶類（約120余種）。外膜：單胺氧化酶（標記酶）、NADH細胞色素C還原酶、脂肪酸輔酶A連接酶等等；內(nèi)膜：呼吸鏈酶系（細胞色素氧

5、化酶為標記酶）、ATP合成酶、琥珀酸脫H酶等等；外室：腺苷酸激酶（標記酶）、核苷二磷酸激酶；內(nèi)室：三羧酸循環(huán)酶系（其中蘋果酸脫H酶是標記酶）、脂肪酸氧化酶、蛋白質(zhì)合成酶系等等（二）脂類 外膜中含量（40%）高于內(nèi)膜中的含量（20%）。其中內(nèi)膜不含膽固醇，而含心磷脂較多。（三）核酸 基質(zhì)中有DNA，稱mtDNA四、線粒體的功能生物氧化（biological oxidation） 亦稱細胞呼吸（cellular respiration），指各類有機物質(zhì)在細胞內(nèi)進行氧化分解，最終產(chǎn)生CO2和 H2O，同時釋放能量（ATP）的過程。包括TCA環(huán)、電子傳遞和氧化磷酸化三個步驟，分別是在線粒體的不同部位進

6、行的。第二節(jié) 葉綠體與光合作用（chloroplast & photosynthesis） 葉綠體是植物細胞特有的雙層膜圍成的細胞器，它對生物界的存在和進化有著重大貢獻（三個最初：一是人類、動物、多數(shù)微生物的食物的最初來源；二是人類社會利用的古生物燃料煤、石油、天然氣的最初來源；三是地球上氧氣的最初來源），主要功能在于：吸收光能，合成碳水化合物，同時產(chǎn)生分子氧，總稱為光合作用（photosynthesis）一、葉綠體的形狀、大小、數(shù)目、分布二、超微結(jié)構(gòu) 近年來，先后有許多學者采用超薄切片、負染色和冰凍蝕刻等先進技術(shù)，研究葉綠體的形態(tài)和組成，揭示葉綠體囊狀膜系統(tǒng)的超微結(jié)構(gòu)。1 葉綠體膜（

7、chl membrane）是兩層光滑的單位膜（內(nèi)、外膜）6-8nm，也稱外被（outer envelope），是一個有選擇的屏障，控制著葉綠體代謝物質(zhì)的進入和排出。2 基質(zhì)（stroma）指葉綠體膜包圍的，無結(jié)構(gòu)，呈流動狀態(tài)的物質(zhì)。即葉綠體內(nèi)膜與類囊體之間無定形物質(zhì)，在基質(zhì)中存在：（1）葉綠體DNA 環(huán)狀，每一葉綠體內(nèi)可含有幾十個拷貝；（2）70S核糖體；（3）mRNA、tRNA；（4）酶類；（5）RUBP羧化酶；（6）各種離子。3 類囊體類囊體在基質(zhì)中有兩種形式存在，一種是較小的扁囊，多個530（10100個）相互疊置成一摞，形成的結(jié)構(gòu)稱基粒（grana）。每一葉綠體中約含有4080個基粒。

8、組成基粒的類囊體稱基粒類囊體（granum-thylakoid）或基粒片層（grana lamella）。另一種是較大的扁囊，貫穿于基粒之間，稱基粒間類囊體或基質(zhì)類囊體（stroma-thylakoid）或基質(zhì)片層（stroma lamella）。它們順著葉綠體的縱軸彼此平行排列。其存在意義在于，使膜片層的總面積大大超出葉綠體的面積。三、化學組成四、葉綠體的功能光合作用（photosynthesis） 綠色植物細胞，吸收光能，還原CO2，并利用水提供氫合成碳水化合物，同時放出分子氧的過程，稱為光合作用?？傔^程分為兩個階段：光反應(yīng)和暗反應(yīng)。第三節(jié) 線粒體和葉綠體是半自主性細胞器一、線粒體與葉綠體

9、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制mtDNA復制的時間主要在細胞周期的S期及G2期，DNA先復制，隨后線粒體分裂。ctDNA復制的時間在G1期。 復制仍受核控制 二、線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成（一） 線粒體的蛋白質(zhì)合成 線粒體基質(zhì)中除有DNA外，還有各種RNA、核糖體、氨基酸活化酶等，說明它能合成自我繁殖所需的某些成分，但數(shù)量不多，只占線粒體全部蛋白質(zhì)的10%，約有13種（20個分子）左右。有人估算：×10（每周10個核苷酸）=14705對核苷酸，能編碼4902個氨基酸（除以3），假設(shè)一個蛋白質(zhì)分子由150個氨基酸組成

10、，則能編碼30個左右蛋白質(zhì)分子，如果除去編碼RNA、rRNA、tRNA的信息量（占總信息量的30%），余下的信息量只能編碼約20個左右的蛋白質(zhì)分子。綜上所述，線粒體有自身的DNA，有一整套蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，能夠復制和再生，使其一代代傳下去，所以具有一定的自主性。（二）葉綠體蛋白質(zhì)的合成 葉綠體中的蛋白質(zhì)（酶）一部分是在葉綠體中由它自己的DNA編碼，經(jīng)過mRNA轉(zhuǎn)錄和翻譯形成的，有一部分則是由核基因編碼，在細胞質(zhì)中形成后轉(zhuǎn)入葉綠體的。還有一部分是由核基因編碼，在葉綠體的核糖體上合成。三、對細胞核和細胞質(zhì)的依賴性大 無論是線粒體還是葉綠體，它們的自主性是有限的，下面以線粒體為例說明之。核質(zhì)蛋白質(zhì)合成

11、系統(tǒng)通過合成某些酶類來調(diào)節(jié)線粒體的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。在有氯霉素存在的條件下培養(yǎng)鏈孢霉細胞，這時線粒體的蛋白質(zhì)合成受抑制，但線粒體的三羧酸循環(huán)酶類、電子傳遞鏈中的NADH脫氫酶、CytC、以及DNA-Poly-merase、RNA-Polymerase、核糖體蛋白質(zhì)、各種氨基酸活化酶等有關(guān)線粒體DNA復制和基因表達的酶類依然存在。而這些酶是由核基因編碼，在細胞質(zhì)中合成，然后轉(zhuǎn)移到線粒體的。這說明細胞質(zhì)的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)（或者說核質(zhì)蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)）通過合成某些酶類來調(diào)節(jié)線粒體的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。 又：在有放線菌酮存在下培養(yǎng)鏈孢霉細胞，由于細胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)受抑制，結(jié)果培養(yǎng)一段時間后，線粒體的合成活性也

12、顯著下降。這足以說明線粒體對細胞核和其他細胞質(zhì)部分有很大依賴性。實際上也是這樣，線粒體DNA所編碼的蛋白質(zhì)只有它自身全部蛋白質(zhì)的10%，絕大部分是由核DNA編碼的。 從上述看出，線粒體的生長增殖是受核基因組和線粒體基因組兩套遺傳系統(tǒng)的共同控制，故稱線粒體為半自主性細胞器。四、物質(zhì)進出線粒體的穿膜機制 細胞質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)運送至線粒體，大多數(shù)以前體的形式存在，而且是需能過程。前體蛋白質(zhì)包括有功能的“成熟”形式和氨基未端引伸出的一段導肽（引肽，Leader seguences，在葉綠體特稱為“轉(zhuǎn)運肽”）共同組成。導肽約含2080個氨基酸，又叫氨基末端指導肽。進入線粒體的過程大致為：1帶有N-末端導

13、肽的前體蛋白質(zhì)首先與外膜上受體結(jié)合；2蛋白質(zhì)橫跨外、內(nèi)膜；3N-末端導肽被基質(zhì)中的蛋白酶切制；4活化的成熟蛋白質(zhì)進入基質(zhì)。五、線粒體、葉綠體的增殖與起源一、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：分裂增殖二、 線粒體和葉綠體的起源內(nèi)共生起源學說（endosymbiosis hypothesis)葉綠體起源于細胞內(nèi)共生的藍藻：線粒體源于細胞內(nèi)共生的細菌。 生物的藍細菌（Cyanobacteria），即藍藻。內(nèi)共生起源學說的主要論據(jù)：基因組在大小、形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面與細菌相似。有自己完整的蛋白質(zhì)合成

14、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。兩層被膜有不同的進化來源，外膜與細胞的內(nèi)膜系統(tǒng)相似，內(nèi)膜與細菌 質(zhì)膜相似。以分裂的方式進行繁殖，與細菌的繁殖方式相同。能在異源細胞內(nèi)長期生存，說明線粒體和葉綠體具有的自主性與共生性 的特征。線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。發(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

15、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。它比典型的原核細胞大，這樣就要增加逐漸具有呼吸功能的膜表面，開始是通過細菌細胞膜的內(nèi)陷、擴張和分化，后逐漸形成線粒體和葉綠體的雛形。在進化的最初基因組復制并不伴隨細胞分裂，然后基因組附近質(zhì)膜內(nèi)陷形成雙層膜而包圍基因組形成原始的線粒體和葉綠體及細胞核等細胞器。后來在進化中進一步分化，如線粒體和葉綠體一部分基因丟失而細胞核高度發(fā)展，逐漸形成現(xiàn)在的真核細胞。成功之處：解釋了真核細胞核被膜的形成與演化的漸進過程

16、。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。真核細胞的細胞核能否起源于細菌的核區(qū)？五課堂小結(jié)：線粒體主要功能是呼吸作用，內(nèi)含DNA和核糖體，分裂增殖，具有自主性，起源于細菌。葉綠體主要功能是光合作用，內(nèi)含DNA和核糖體，分裂增殖，具有自主性，起源于藍細菌。1 一節(jié)應(yīng)掌握線粒體的超微結(jié)構(gòu)，理解氧化磷酸化發(fā)生的場所及其反應(yīng)過程2 第二節(jié)應(yīng)掌握葉綠體的超微結(jié)構(gòu)，了解光合作用發(fā)生的場所及其各步反應(yīng)的特點。3 第三節(jié)應(yīng)深刻理解線粒體和葉綠體是半自主性的細胞器，雖有環(huán)狀DNA和蛋白質(zhì)合成的全套機構(gòu)，但其自身合成的蛋白質(zhì)種類是十分有限的。細胞質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)在分子伴娘的協(xié)助下跨膜運送進入線粒體和葉綠體，與其自身合成的蛋白質(zhì)共同組裝成呼吸鏈和酶。4 第四節(jié)應(yīng)理解線粒體和葉綠體的增殖主要是通過分裂進行的。掌握關(guān)于線粒體和葉綠體起源的內(nèi)共生學說和分化學說。 教學內(nèi)容與考核要求第一節(jié) 線粒體與氧化磷酸化1線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu) （1）線粒體的數(shù)量、分布和超微結(jié)構(gòu)（識記）（2）線粒體的化學組成和酶的定位2線粒體的功能（領(lǐng)會）（1） 氧化磷酸化的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（2） 氧化磷酸化的耦聯(lián)機制3線粒體與疾病第二節(jié) 葉綠體與光合