微生物學(xué)：第七章 線粒體和葉綠體

第七章細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換──線粒體和葉綠體●線粒體與氧化磷酸化●葉綠體與光合作用●線粒體和葉綠體是半自主性細(xì)胞器●線粒體和葉綠體的增殖與起源第一節(jié)線粒體與氧化磷酸化●線粒體的形態(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、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)●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(dá)酶系等以及線粒體DNA,RNA，核糖體。

·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(yùn)蛋白二、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(jìn)行氧化磷酸化，合成ATP，為細(xì)胞生命活動(dòng)提供直接能量；與細(xì)胞中氧自由基的生成、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞內(nèi)多種離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)制—化學(xué)滲透假說(shuō)

(ChemiosmoticHypothesis,Mithchell,1961) ●質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)的其他作用 ●線粒體能量轉(zhuǎn)換過(guò)程略圖氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)◆氧化磷酸化過(guò)程實(shí)際上是能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，即有機(jī)分子中儲(chǔ)藏的能量高能電子質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)ATP◆氧化(電子傳遞、消耗氧,放能)與磷酸化(ADP+Pi，儲(chǔ)能)

同時(shí)進(jìn)行，密切偶連，分別由兩個(gè)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(guò)程中，有幾點(diǎn)需要說(shuō)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(gè)蛋白亞基，至少6個(gè)Fe-S中心和1個(gè)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FADFe-S輔酶Q(無(wú)H+泵出)◆復(fù)合物Ⅲ：細(xì)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UQH2cytc；泵出4H+

（2個(gè)來(lái)自UQ，

2個(gè)來(lái)自基質(zhì)）◆復(fù)合物Ⅳ：細(xì)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(gè)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(guò)程中，有幾點(diǎn)需要說(shuō)明◆四種類型電子載體：黃素蛋白、細(xì)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(shì)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(dòng)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(duì)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(shí)驗(yàn)證明電子傳遞與ATP合成是由兩個(gè)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(diǎn)：可逆性復(fù)合酶，即既能利用質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)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◆ATP合成機(jī)制—BandingChangeMechanism(Boyer1979)◆亞單位相對(duì)于亞單位旋轉(zhuǎn)的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制—化學(xué)滲透假說(shuō)◆化學(xué)滲透假說(shuō)內(nèi)容：電子傳遞鏈各組分在線粒體內(nèi)膜中不對(duì)稱分布，當(dāng)高能電子沿其傳遞時(shí)，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(gè)梯度驅(qū)使下，H+穿過(guò)ATP合成酶回到基質(zhì)，同時(shí)合成ATP,電化學(xué)梯度中蘊(yùn)藏的能量?jī)?chǔ)存到ATP高能磷酸鍵?！糍|(zhì)子動(dòng)力勢(shì)(protonmotiveforce)◆支持化學(xué)滲透假說(shuō)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)該實(shí)驗(yàn)表明：

·質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)乃ATP合成的動(dòng)力

·膜應(yīng)具有完整性

·電子傳遞與ATP合成是兩件相關(guān)而又不同的事件質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)的其他作用◆物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)◆產(chǎn)熱：冬眠動(dòng)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●葉綠體(Chloroplast)的形態(tài)結(jié)構(gòu)●葉綠體的功能—光合作用(photosynthesis)一、葉綠體(Chloroplast)的形態(tài)結(jié)構(gòu)●葉綠體與線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)比較 葉綠體內(nèi)膜并不向內(nèi)折疊成嵴；內(nèi)膜不含電 子傳遞鏈；除了膜間隙、基質(zhì)外，還有類囊體； 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)

二、葉綠體的功能—光合作用

(photosynthesis)

Photosynthesis:(1)光合電子傳遞反應(yīng)—光反應(yīng)(LightReaction) (2)碳固定反應(yīng)—暗反應(yīng)(DarkReaction)●光反應(yīng)●暗反應(yīng)(碳固定)●光合作用與有氧呼吸的關(guān)系圖光反應(yīng) 在類囊體膜上由光引起的光化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)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(jìn)而通過(guò)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(guò)程。包括原初反應(yīng)、電子傳遞和光合磷酸化。◆原初反應(yīng)（primaryreaction) ·光能的吸收、傳遞與轉(zhuǎn)換，形成高能電子

(由光系統(tǒng)復(fù)合物完成，光合作用單位的概念)◆電子傳遞與光合磷酸化電子傳遞與光合磷酸化·電子傳遞與光合磷酸化需說(shuō)明以下幾點(diǎn)：①最初電子供體是H2O，最終電子受體是NADP+。②電子傳遞鏈中唯一的H+-pump是cytb6f復(fù)合物。類囊體腔的質(zhì)子濃度比葉綠體基質(zhì)高，該濃度梯度產(chǎn)生的原因歸于：

H2O光解、cytb6f的H+-pump、NADPH的形成。ATP、

NADPH在葉綠體基質(zhì)中形成。

③電子沿光合電子傳遞鏈傳遞時(shí)，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)cytb6f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(jī)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(jī)物中。這一過(guò)程不直接需要光(在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行)?！艨栁难h(huán)（Calvincycle）（C3途徑）◆C4途徑或Hatch-Slack循環(huán)◆景天科酸代謝途徑第三節(jié)線粒體和葉綠體是半自主性細(xì)胞器

●半自主性細(xì)胞器的概念： 自身含有遺傳表達(dá)系統(tǒng)(自主性)；但編碼 的遺傳信息十分有限，其RNA轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯、自身構(gòu)建和功能發(fā)揮等必須依賴核基因組編碼的遺傳信息(自主性有限)。●線粒體和葉綠體的DNA●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(yùn)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(jìn)行自我復(fù)制●mtDNA復(fù)制的時(shí)間主要在細(xì)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(shí)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(chóng)mtDNA)◆mtDNA大小在動(dòng)物中變化不大，但在植物中變化較大高等植物，120kbp~200kbp；◆人mtDNA：16,569bp，37個(gè)基因(編碼12S,16SrRNA；22種tRNA；13種多肽：NADH脫氫酶7個(gè)亞基，cytb-c1復(fù)合物中1個(gè)cytb，細(xì)胞色素C氧化酶3個(gè)亞基，ATP合成酶2個(gè)Fo亞基)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(duì)核基因組具有依賴性（7-4）●不同來(lái)源的線粒體基因，其表達(dá)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(lái)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(xì)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(yùn)送與組裝●線粒體蛋白質(zhì)的運(yùn)送與組裝 ◆定位于線粒體基質(zhì)的蛋白質(zhì)的運(yùn)送 ◆定位于線粒體內(nèi)膜或膜間隙的蛋白質(zhì)運(yùn)送 ●葉綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)送及組裝第四節(jié)線粒體和葉綠體的增殖與起源●線粒體和葉綠體的增殖●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(lái)的線粒體分裂或出芽而來(lái)。 ●葉綠體的發(fā)育和增殖◆個(gè)體發(fā)育：由前質(zhì)體（proplastid）分化而來(lái)。 ◆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(shuō)（endosymbiosishypothesis) ●非共生起源學(xué)說(shuō)內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)◆葉綠體起源于細(xì)胞內(nèi)共生的藍(lán)藻：

Mereschkowsky，1905年◆Margulis，1970年：線粒體的祖先-原線粒體是一種革蘭氏陰性細(xì)菌：葉綠體的祖先是原核生物的藍(lán)細(xì)菌（Cyanobacteria），即藍(lán)藻。◆內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)的主要論據(jù)：◆不足之處內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)的主要論據(jù)◆基因組在大小、形態(tài)和結(jié)構(gòu)方面與細(xì)菌相似?！粲凶约和暾牡鞍踪|(zhì)合成系統(tǒng)，能獨(dú)立合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)合成機(jī)制有很多類似細(xì)菌而不同于真核生物。◆兩層被膜有不同的進(jìn)化來(lái)源，外膜與細(xì)胞的內(nèi)膜系統(tǒng)相似，內(nèi)膜與細(xì)菌質(zhì)膜相似?！粢苑至训姆绞竭M(jìn)行繁殖，與細(xì)菌的繁殖方式相同?！裟茉诋愒醇?xì)胞內(nèi)長(zhǎng)期生存，說(shuō)明線粒體和葉綠體具有的自主性與共生性的特征?！艟€粒體的祖先很可能來(lái)自反硝化副球菌或紫色非硫光合細(xì)菌。◆發(fā)現(xiàn)介于胞內(nèi)共生藍(lán)藻與葉綠體之間的結(jié)構(gòu)--藍(lán)小體，其特征在很多方面可作為原始藍(lán)藻向葉綠體演化的佐證。不足之處◆從進(jìn)化角