細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體

細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體1第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)線粒體與氧化磷酸化●線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)●線粒體的化學組成及酶的定位●氧化磷酸化2第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日一、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)

線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布線粒體一般呈粒狀或桿狀，但因生物種類和生理狀態(tài)而異，可呈環(huán)形，啞鈴形、線狀、分杈狀或其它形狀。數(shù)目一般數(shù)百到數(shù)千個，線粒體通常分布在細胞功能旺盛的區(qū)域。

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），嵴能顯著擴大內(nèi)膜表面積（達5~10倍）。含有與能量轉(zhuǎn)換相關(guān)的蛋白

（執(zhí)行氧化反應(yīng)的電子傳遞鏈酶系、ATP合成酶、線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運蛋白）。膜間隙（intermembranespace）：含許多可溶性酶、底物及輔助因子?；|(zhì)（matrix）：含三羧酸循環(huán)、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、線粒體基因表達酶系等以及線粒體DNA,RNA，核糖體。3第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日二、線粒體的化學組成及酶的定位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）線粒體酶的定位4第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日線粒體主要酶的分布

5第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日三、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。什么是氧化磷酸化：當電子從NADH或FADH2經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧形成水時，同時伴有ADP磷酸化形成ATP，這一過程稱為氧化磷酸化。什么是呼吸鏈：在線粒體內(nèi)膜上存在有關(guān)氧化磷酸化的脂蛋白復(fù)合物，它們是傳遞電子的酶體系，由一系列可逆地接受和釋放電子或H+的化學物質(zhì)組成，在內(nèi)膜上相互關(guān)聯(lián)地有序排列，稱為電子傳遞鏈（electron-transportchain）或呼吸鏈（respiratorychain）。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)線粒體能量轉(zhuǎn)換過程略圖6第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)電子載體呼吸鏈電子載體主要有：黃素蛋白、細胞色素、鐵硫蛋白、輔酶Q等。黃素蛋白：含F(xiàn)MN或FAD的蛋白質(zhì)，每個FMN或FAD可接受2個電子2個質(zhì)子。細胞色素：分子中含有血紅素鐵，以共價形式與蛋白結(jié)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。鐵硫蛋白：在其分子結(jié)構(gòu)中每個鐵原子和4個硫原子結(jié)合，通過Fe2+、Fe3+互變進行電子傳遞，有2Fe-2S和4Fe-4S兩種類型。輔酶Q：是脂溶性小分子量的醌類化合物，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）。呼吸鏈的復(fù)合物兩條主要的呼吸鏈：NADH呼吸鏈,FADH2呼吸鏈ATP合成酶（ATPsynthase）(磷酸化的分子基礎(chǔ))7第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日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(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H+泵出)

復(fù)合物Ⅲ：細胞色素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個來自UQ，2個來自基質(zhì)）

復(fù)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，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8第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日兩條主要的呼吸鏈復(fù)合物I、ⅡI、IV組成主要的呼吸鏈，催化NADH的脫氫氧化，復(fù)合物Ⅱ、ⅡI、IV組成另一條呼吸鏈，催化琥珀酸的脫氫氧化。呼吸鏈各組分的排列是高度有序的使電子按氧化還原電位從低向高傳遞，呼吸鏈中有三個部位有較大的自由能變化，足以使ADP與無機磷結(jié)合形成ATP。部位Ⅰ在NADH至CoQ之間。部位Ⅱ在細胞色素b和細胞色素c之間。部位Ⅲ在細胞色素a和氧之間。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(zhuǎn)化)，終止于O2形成水。電子傳遞鏈各組分在膜上不對稱分布9第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日ATP合成酶(磷酸化的分子基礎(chǔ))分子結(jié)構(gòu)基粒（elementaryparticle），基粒由頭部（F1偶聯(lián)因子）和基部（F偶聯(lián)因子）構(gòu)成，F(xiàn)0嵌入線粒體內(nèi)膜。F1由5種多肽組成α3β3γδε復(fù)合體，具有三個ATP合成的催化位點（每個β亞基具有一個）。α和β單位交替排列，狀如桔瓣。γ貫穿αβ復(fù)合體（相當于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子），并與F0接觸，ε幫助γ與F0結(jié)合。δ與F0的兩個b亞基形成固定αβ復(fù)合體的結(jié)構(gòu)（相當于發(fā)電機的定子）。F0由三種多肽組成ab2c12復(fù)合體，嵌入內(nèi)膜，12個c亞基組成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)子通道,可使質(zhì)子由膜間隙流回基質(zhì)。工作特點：可逆性復(fù)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。ATP合成機制—構(gòu)象耦聯(lián)假說(Boyer1979)亞單位相對于亞單位旋轉(zhuǎn)的直接實驗證據(jù)10第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日氧化磷酸化的偶聯(lián)機制—化學滲透假說化學滲透假說內(nèi)容：當電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)（M側(cè)）泵至膜間隙（胞質(zhì)側(cè)或C側(cè)），由于線粒體內(nèi)膜對離子是高度不通透的，從而使膜間隙的質(zhì)子濃度高于基質(zhì)，在內(nèi)膜的兩側(cè)形成pH梯度（△pH）及電位梯度（Ψ），兩者共同構(gòu)成電化學梯度（圖7-9），即質(zhì)子動力勢（proton-motiveforce,△P）。質(zhì)子沿電化學梯度穿過內(nèi)膜上的ATP酶復(fù)合物流回基質(zhì)，使ATP酶的構(gòu)象發(fā)生改變，將ADP和Pi合成ATP。電化學梯度中蘊藏的能量儲存到ATP高能磷酸鍵。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ATP11第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二節(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)12第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日一、葉綠體(Chloroplast)的形態(tài)結(jié)構(gòu)形態(tài)、數(shù)目：在高等植物中葉綠體象雙凸或平凸透鏡，葉肉細胞一般含50～200個葉綠體，可占細胞質(zhì)的40%，葉綠體的數(shù)目因物種細胞類型，生態(tài)環(huán)境，生理狀態(tài)而有所不同。葉綠體與線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)比較葉綠體超微結(jié)構(gòu)13第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日葉綠體超微結(jié)構(gòu)外被（chloroplastenvelope）葉綠體外被由雙層膜組成，膜間為10~20nm的膜間隙。外膜的滲透性大，如核苷、無機磷、蔗糖等許多細胞質(zhì)中的營養(yǎng)分子可自由進入膜間隙。內(nèi)膜對通過物質(zhì)的選擇性很強，，CO2、O2、Pi、H2O、磷酸甘油酸、丙糖磷酸，雙羧酸和雙羧酸氨基酸可以透過內(nèi)膜，ADP、ATP已糖磷酸，葡萄糖及果糖等透過內(nèi)膜較慢。蔗糖，NADP+及焦磷酸等不能透過內(nèi)膜，需要特殊的轉(zhuǎn)運體translator）才能通過內(nèi)膜。類囊體（thylakoid）是單層膜圍成的扁平小囊，沿葉綠體的長軸平行排列。膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分，又稱光合膜。許多類囊體象圓盤一樣疊在一起，稱為基粒，組成基粒的類囊體，叫做基粒類囊體，構(gòu)成內(nèi)膜系統(tǒng)的基粒片層（granalamella）?；Ｓ?0~100個類囊體組成。貫穿在兩個或兩個以上基粒之間的沒有發(fā)生垛疊的類囊體稱為基質(zhì)類囊體，它們形成了內(nèi)膜系統(tǒng)的基質(zhì)片層（stromalamella）。類囊體膜的內(nèi)在蛋白主要有細胞色素b6/f復(fù)合體、質(zhì)體醌（PQ）、質(zhì)體藍素（PC）、鐵氧化還原蛋白、黃素蛋白、光系統(tǒng)Ⅰ、光系統(tǒng)Ⅱ復(fù)合物等。基質(zhì)（stroma）主要成分包括：碳同化相關(guān)的酶類（如RuBP羧化酶占基質(zhì)可溶性蛋白總量的60%）、葉綠體DNA、蛋白質(zhì)合成體系：如，ctDNA、各類RNA、核糖體等。一些顆粒成分：如淀粉粒、質(zhì)體小球和植物鐵蛋白等。14第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日 二、葉綠體的功能—光合作用 (photosynthesis)光合作用：綠色植物利用體內(nèi)的葉綠素吸收光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機物，并釋放氧氣的過程稱為光合作用。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)光合色素和電子傳遞鏈組分光反應(yīng)暗反應(yīng)(碳固定)15第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日光合色素和電子傳遞鏈組分1．光合色素類囊體中含兩類色素：葉綠素和類胡蘿卜素，全部葉綠素和幾乎所有的類胡蘿卜素都包埋在類囊體膜中，與蛋白質(zhì)以非共價鍵結(jié)合。2．集光復(fù)合體（lightharvestingcomplex）由大約200個葉綠素分子和一些肽鏈構(gòu)成。大部分色素分子起捕獲光能的作用，并將光能以誘導(dǎo)共振方式傳遞到反應(yīng)中心色素。因此這些色素被稱為天線色素。3．光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）吸收高峰為波長680nm處，又稱P680。至少包括12條多肽鏈。包括一個集光復(fù)合體（light-hawestingcomnplexⅡ，LHCⅡ）、一個反應(yīng)中心和一個含錳原子的放氧的復(fù)合體（oxygenevolvingcomplex）。D1和D2為兩條核心肽鏈，結(jié)合中心色素P680、去鎂葉綠素(pheophytin)及質(zhì)體醌(plastoquinone)。4．細胞色素b6/f復(fù)合體(cytb6/fcomplex)可能以二聚體形成存在，每個單體含有四個不同的亞基。細胞色素b6（b563）、細胞色素f、鐵硫蛋白、以及亞基Ⅳ（被認為是質(zhì)體醌的結(jié)合蛋白）。5．光系統(tǒng)Ⅰ（PSI）能被波長700nm的光激發(fā)，又稱P700。包含多條肽鏈。由集光復(fù)合體Ⅰ和作用中心構(gòu)成。結(jié)合100個左右葉綠素分子、除了幾個特殊的葉綠素為中心色素外外，其它葉綠素都是天線色素。三種電子載體分別為A0（一個chla分子)、A1(為維生素K1)及3個不同的4Fe-4S。16第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日光反應(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。原初反應(yīng)（primaryreaction)原初反應(yīng)是指葉綠素分子從被光激發(fā)至引起第一個光化學反應(yīng)為止的過程，包括光能的吸收、傳遞與轉(zhuǎn)換，即光能被捕光色素分子吸收并傳遞至反應(yīng)中心，在反應(yīng)中心發(fā)生最初的光化學反應(yīng)，使電荷分離從而將光能轉(zhuǎn)換為電能的過程。光能的吸收、傳遞與轉(zhuǎn)換，形成高能電子電子傳遞光合磷酸化17第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日電子傳遞與光合磷酸化電子傳遞與光合磷酸化需說明以下幾點：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，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。光合磷酸化的概念18第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日光反應(yīng)與電子傳遞

P680接受能量后，由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)（P680*），然后將電子傳遞給去鎂葉綠素（原初電子受體），P680*帶正電荷，從原初電子供體Z（反應(yīng)中心D1蛋白上的一個酪氨酸側(cè)鏈）得到電子而還原；Z+再從放氧復(fù)合體上獲取電子；氧化態(tài)的放氧復(fù)合體從水中獲取電子，使水光解。在另一個方向上去鎂葉綠素將電子傳給D2上結(jié)合的QA，QA又迅速將電子傳給D1上的QB，還原型的質(zhì)體醌從光系統(tǒng)Ⅱ復(fù)合體上游離下來，另一個氧化態(tài)的質(zhì)體醌占據(jù)其位置形成新的QB。質(zhì)體醌將電子傳給細胞色素b6/f復(fù)合體，同時將質(zhì)子由基質(zhì)轉(zhuǎn)移到類囊體腔。電子接著傳遞給位于類囊體腔一側(cè)的含銅蛋白質(zhì)體藍素(plastocyanin,PC)中的Cu2+，再將電子傳遞到光系統(tǒng)Ⅱ。P700被光能激發(fā)后釋放出來的高能電子沿著A0→

A1

→4Fe-4S的方向依次傳遞，由類囊體腔一側(cè)傳向類囊體基質(zhì)一側(cè)的鐵氧還蛋白（ferredoxin,FD）。最后在鐵氧還蛋白-NADP還原酶的作用下，將電子傳給NADP+，形成NADPH。失去電子的P700從PC處獲取電子而還原。19第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日暗反應(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)?？栁难h(huán)（Calvincycle）（C3途徑）：碳同化最重要最基本的途徑。羧化階段還原階段RuBP再生階段C4途徑或Hatch-Slack循環(huán)景天科酸代謝途徑20第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)線粒體和葉綠體是半自主性細胞器半自主性細胞器的概念：

自身含有遺傳表達系統(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合成蛋白質(zhì)的種類十分有限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。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21第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日一、線粒體和葉綠體的DNAmtDNA/ctDNA形狀、數(shù)量、大小雙鏈環(huán)狀(除綠藻mtDNA，草履蟲mtDNA)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；人mtDNA：16,569bp，37個基因(編碼12S,16SrRNA；22種tRNA；13種多肽：NADH脫氫酶7個亞基，cytb-c1復(fù)合物中1個cytb，細胞色素C氧化酶3個亞基，ATP合成酶2個Fo亞基)mtDNA復(fù)制的時間主要在細胞周期的S期及G2期，DNA先復(fù)制，隨后線粒體分裂。ctDNA復(fù)制的時間在G1期。復(fù)制仍受核控制。22第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日第四節(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：分裂增殖線粒體和葉綠體的起源23第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日二、線粒體和葉綠體的起源內(nèi)共生起源學說（endosymbiosishypothesis)葉綠體起源于細胞內(nèi)共生的藍藻：ereschkowsky，1905年Margulis，1970年：線粒體的祖先-原線粒體是一種革蘭氏陰性細菌：葉綠體的祖先是原核生物的藍細菌（Cyanobacteria），即藍藻。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。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。24第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日25第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日26第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日27第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日28第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日29第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日鐵硫蛋白的結(jié)構(gòu)（（引自Lodish等1999））30第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日31第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日32第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日33第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日34第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日35第三十五頁，共五十七頁，2022年，8