細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件

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)●線粒體的化學組成及酶的定位●氧化磷酸化●線粒體與疾病第一節(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)1一、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、線粒體的發(fā)現(xiàn)及研究簡史（1）1890年R.Altama2一、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。◆內(nèi)膜（innermembrane）：高度不通透性，向內(nèi)折疊形成嵴（cristae）。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?！艋|(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。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31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1.5m-3m;直徑0.5-1.0m。

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)）1線粒體的形態(tài),大小,數(shù)目與分布形態(tài)：線狀，顆粒狀4

·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·執(zhí)行氧化反應(yīng)的電子傳遞鏈5線粒體與疾病克山病（心肌線粒體?。喝蔽€粒體與衰老、凋亡相關(guān)線粒體與疾病6二、線粒體的化學組成及酶的定位●線粒體組分分離方法●線粒體的化學組成●線粒體酶的定位二、線粒體的化學組成及酶的定位●線粒體組分分離方法7線粒體的化學組成◆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）線粒體的化學組成◆蛋白質(zhì)(線粒體干重的65～70％)8三、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、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)換過程略圖三、氧化磷酸化 線粒體主要功能是進行氧化磷酸化，合成ATP9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))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，10細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件11電子傳遞鏈的四種復合物(哺乳類)◆復合物Ⅰ：NADH-CoQ還原酶復合物（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+◆復合物Ⅱ：琥珀酸脫氫酶復合物（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FADFe-S輔酶Q(無H+泵出)◆復合物Ⅲ：細胞色素bc1復合物（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UQH2cytc；泵出4H+

（2個來自UQ，

2個來自基質(zhì)）◆復合物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+

參與形成水電子傳遞鏈的四種復合物(哺乳類)◆復合物Ⅰ：NA12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?！綦娮觽鬟f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13ATP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：可逆性復合酶，即既能利用質(zhì)子電化學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)ATP合成酶(磷酸化的分子基礎(chǔ))◆分子結(jié)構(gòu)14氧化磷酸化的偶聯(lián)機制—化學滲透假說◆1961年英化學家Mitchell提出，獲1978年諾貝爾化學獎；◆化學滲透假說內(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,電化學梯度中蘊藏的能量儲存到ATP高能磷酸鍵?！糁С只瘜W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)氧化磷酸化的偶聯(lián)機制—化學滲透假說◆1961年英化學家Mit15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)生大量熱量質(zhì)子動力勢的其他作用◆物質(zhì)轉(zhuǎn)運16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)第二節(jié)葉綠體與光合作用●1葉綠體(Chloro17一、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?！袢~綠體超微結(jié)構(gòu)一、葉綠體(Chloroplast)的形態(tài)結(jié)構(gòu)●葉綠體的形狀18葉綠體的形狀，大小，數(shù)目形狀：香蕉形（高等植物）大?。褐睆?-5m；厚2-3m數(shù)目：幾百到幾千葉綠體的形狀，大小，數(shù)目19

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 二、葉綠體的功能—光合作用 (photosynth20光反應(yīng)

在類囊體膜上由光引起的光化學反應(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光反應(yīng) 在類囊體膜上由光引起的光化學反應(yīng)，通過葉綠素等光合21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。

電子傳遞與光合磷酸化·電子傳遞：22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，即將活躍的化學能最后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的化學能，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）暗反應(yīng)(碳固定)

利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH，23卡爾文循環(huán)(Calvin1961Nobelprize)羧化階段

CO2RuBP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RuBPkinase3-磷酸甘油酸RuBP羧化酶（PGA）卡爾文循環(huán)(Calvin1961Nobelprize)24細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件25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26一、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。復制仍受核控制一、線粒體和葉綠體的DNA●mtDNA/ctDNA形狀、數(shù)27mtDNA/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；

mtDNA/ctDNA形狀、數(shù)量、大小◆雙鏈環(huán)狀(除綠藻m28二、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。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29三、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30葉綠體和線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運導肽（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端的一段指導其到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上繼續(xù)合成的信號序列。葉綠體和線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運31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第四節(jié)線粒體和葉綠體的增殖與起源●1線粒體和32一、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33細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件34二、線粒體和葉綠體的起源●內(nèi)共生起源學說（endosymbiosishypothesis) ●非共生起源學說二、線粒體和葉綠體的起源●內(nèi)共生起源學說（endosymb35內(nèi)共生起源學說◆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)共生起源學說的主要論據(jù)及不足之處內(nèi)共生起源學說◆葉綠體起源于細胞內(nèi)共生的藍藻：36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，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。◆兩層被膜有不同的進化來源，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。◆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。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37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？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38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?！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39細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件40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)？不足之處◆實驗證據(jù)不多41線粒體主要酶的分布

為各部位所特有的標志酶線粒體主要酶的分布

為各部位所特有的標志酶42細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件43細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件44細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件45細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件46ATP合成酶的作用機制：旋轉(zhuǎn)催化機制（rotationalcatalysis）ATP合成酶的47細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件48細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件49低滲高滲離心密度梯度離心超聲破碎、離心低滲高滲離心密度梯度離心超聲破碎、離心50細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件51細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件52細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件53細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件54葉綠體的結(jié)構(gòu)：葉綠體膜類囊體基質(zhì)葉綠體的結(jié)構(gòu)：葉綠體膜類囊體基質(zhì)55細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件56細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件57細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件58細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件59細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件60細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件61細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件62oxaloacetate草酰乙酸；malate蘋果酸鹽；

PEP磷酸烯醇式丙酮酸

oxaloacetate草酰乙酸；malate蘋果酸鹽；P63細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件64酵母線粒體主要酶復合物的生物合成酵母線粒體主要酶復合物的生物合成65細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件66細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件67細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件68細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件69細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件70細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件71細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件72細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件731線粒體與氧化磷酸化：形態(tài)結(jié)構(gòu)；化學組成與酶的定位（各部位的標志酶）；功能－氧化磷酸化（電子傳遞鏈的主要組成、ATP合成酶的分子結(jié)構(gòu)、氧化磷酸化的偶聯(lián)機制）；ATP合成酶的作用機制；線粒體與疾病2葉綠體與光合作用：形態(tài)結(jié)構(gòu)與化學組成；葉綠體的主要功能——光合作用（光合作用的主要過程、光合磷酸化的兩種類型、光合磷酸化的作用機制）3線粒體和葉綠體是半自主性細胞器：線粒體及葉綠體DNA的結(jié)構(gòu)特點；線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成；線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運送與裝配（導肽－轉(zhuǎn)運肽、蛋白的跨膜轉(zhuǎn)運過程）4線粒體與葉綠體的增殖與起源：增殖；起源（內(nèi)共生起源學說及非共生起源學說）總結(jié)1線粒體與氧化磷酸化：形態(tài)結(jié)構(gòu)；化學組成與酶的定位（74氧化磷酸化與光合磷酸化相同點:

ATP形成由H＋移動推動；

CF1與F1均具有催化ADP＋PiATP的能力；

都需要完整的膜。不同點:

場所不同，mt的內(nèi)膜－chl的類囊體膜；

電子傳遞鏈的組成不同；

ATP合成需要的H＋數(shù)不同，mt:2e-3次穿膜3對H＋抽提到膜間隙,2H＋穿過F1-F0ATP合成酶產(chǎn)生1ATP；chl:2e-2次穿類囊體膜基質(zhì)攝取3個H＋，類囊體腔中產(chǎn)生4H＋,3H＋穿過CF1-CF0ATP合成酶產(chǎn)生1ATP氧化磷酸化與光合磷酸化相同點:ATP形成由H＋移動推動；75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)●線粒體的化學組成及酶的定位●氧化磷酸化●線粒體與疾病第一節(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)76一、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、線粒體的發(fā)現(xiàn)及研究簡史（1）1890年R.Altama77一、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?！魞?nèi)膜（innermembrane）：高度不通透性，向內(nèi)折疊形成嵴（cristae）。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?！艋|(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。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781線粒體的形態(tài),大小,數(shù)目與分布形態(tài)：線狀，顆粒狀大?。洪L1.5m-3m;直徑0.5-1.0m。

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)）1線粒體的形態(tài),大小,數(shù)目與分布形態(tài)：線狀，顆粒狀79

·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·執(zhí)行氧化反應(yīng)的電子傳遞鏈80線粒體與疾病克山?。ㄐ募【€粒體?。喝蔽€粒體與衰老、凋亡相關(guān)線粒體與疾病81二、線粒體的化學組成及酶的定位●線粒體組分分離方法●線粒體的化學組成●線粒體酶的定位二、線粒體的化學組成及酶的定位●線粒體組分分離方法82線粒體的化學組成◆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）線粒體的化學組成◆蛋白質(zhì)(線粒體干重的65～70％)83三、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、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)換過程略圖三、氧化磷酸化 線粒體主要功能是進行氧化磷酸化，合成ATP84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))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，85細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件86電子傳遞鏈的四種復合物(哺乳類)◆復合物Ⅰ：NADH-CoQ還原酶復合物（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+◆復合物Ⅱ：琥珀酸脫氫酶復合物（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FADFe-S輔酶Q(無H+泵出)◆復合物Ⅲ：細胞色素bc1復合物（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UQH2cytc；泵出4H+

（2個來自UQ，

2個來自基質(zhì)）◆復合物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+

參與形成水電子傳遞鏈的四種復合物(哺乳類)◆復合物Ⅰ：NA87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?！綦娮觽鬟f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88ATP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：可逆性復合酶，即既能利用質(zhì)子電化學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)ATP合成酶(磷酸化的分子基礎(chǔ))◆分子結(jié)構(gòu)89氧化磷酸化的偶聯(lián)機制—化學滲透假說◆1961年英化學家Mitchell提出，獲1978年諾貝爾化學獎；◆化學滲透假說內(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,電化學梯度中蘊藏的能量儲存到ATP高能磷酸鍵?！糁С只瘜W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)氧化磷酸化的偶聯(lián)機制—化學滲透假說◆1961年英化學家Mit90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)生大量熱量質(zhì)子動力勢的其他作用◆物質(zhì)轉(zhuǎn)運91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)第二節(jié)葉綠體與光合作用●1葉綠體(Chloro92一、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)一、葉綠體(Chloroplast)的形態(tài)結(jié)構(gòu)●葉綠體的形狀93葉綠體的形狀，大小，數(shù)目形狀：香蕉形（高等植物）大?。褐睆?-5m；厚2-3m數(shù)目：幾百到幾千葉綠體的形狀，大小，數(shù)目94

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 二、葉綠體的功能—光合作用 (photosynth95光反應(yīng)

在類囊體膜上由光引起的光化學反應(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光反應(yīng) 在類囊體膜上由光引起的光化學反應(yīng)，通過葉綠素等光合96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。

電子傳遞與光合磷酸化·電子傳遞：97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，即將活躍的化學能最后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的化學能，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）暗反應(yīng)(碳固定)

利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH，98卡爾文循環(huán)(Calvin1961Nobelprize)羧化階段

CO2RuBP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RuBPkinase3-磷酸甘油酸RuBP羧化酶（PGA）卡爾文循環(huán)(Calvin1961Nobelprize)99細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件100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101一、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。復制仍受核控制一、線粒體和葉綠體的DNA●mtDNA/ctDNA形狀、數(shù)102mtDNA/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。◆mtDNA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；

mtDNA/ctDNA形狀、數(shù)量、大小◆雙鏈環(huán)狀(除綠藻m103二、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。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104三、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105葉綠體和線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運導肽（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端的一段指導其到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上繼續(xù)合成的信號序列。葉綠體和線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運106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第四節(jié)線粒體和葉綠體的增殖與起源●1線粒體和107一、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108細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體課件109二、線粒體和葉綠體的起源●內(nèi)共生起源學說（endosymbiosishypothesis) ●非共生起源學說二、線粒體和葉綠體的起源●內(nèi)共生起源學說（endosymb110內(nèi)共生起源學說◆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。◆

Margulis，1970年：內(nèi)共生起源學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。◆內(nèi)共生起源學說的主要論據(jù)及不足之處內(nèi)共生起源學說◆葉綠體起源于細胞內(nèi)共生的藍藻：111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，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。◆兩層被膜有不同的進化來源，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。◆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?！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。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112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？◆