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

Mitochondrion&Chloroplast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(xué)組成及酶的定位●氧化磷酸化●線粒體與疾病一、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(dòng)物細(xì)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(shí)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(xì)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。標(biāo)志酶為單胺氧化酶?！魞?nèi)膜（innermembrane）：高度不通透性，向內(nèi)折疊形成嵴（cristae）通透性差。標(biāo)志酶為細(xì)胞色素氧化酶，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。標(biāo)志酶為腺苷酸激酶。

◆基質(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。1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1.5

m-3

m;直徑0.5-1.0

m。

胰臟外分泌細(xì)胞中有長達(dá)10~20μm的巨線粒體。數(shù)目：幾百到幾千（與細(xì)胞種類，細(xì)胞生理功能和生理狀態(tài)有關(guān)）。

肝細(xì)胞約1700個(gè)線粒體，占細(xì)胞體積的20%；許多哺乳動(dòng)物成熟的紅細(xì)胞無線粒體。分布：不均勻（與細(xì)胞能量需求有關(guān)）

·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)蛋白線粒體與疾病克山?。ㄐ募【€粒體病）：缺硒線粒體與衰老、凋亡相關(guān)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

(ChemiosmoticHypothesis,Mithchell,1961)

●質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)的其他作用:物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)

●線粒體能量轉(zhuǎn)換過程略圖氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)

◆氧化磷酸化過程實(shí)際上是能量轉(zhuǎn)換過程，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

*在電子傳遞過程中，有幾點(diǎn)需要說明

◆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

FAD

Fe-S

輔酶Q(無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UQH2

cytc；泵出4H+

（2個(gè)來自UQ，

2個(gè)來自基質(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程中，有幾點(diǎn)需要說明◆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。

◆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◆

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◆1961年英化學(xué)家Mitchell提出，獲1978年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；◆化學(xué)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(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)藏的能量儲(chǔ)存到ATP高能磷酸鍵?！糁С只瘜W(xué)滲透假說的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，該實(shí)驗(yàn)表明：

·質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)(protonmotiveforce)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

◆ATP合成機(jī)制—Bindingchangeandrotationalcatalysismechanism(Boyer1979)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●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)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)葉綠體的形狀，大小，數(shù)目形狀：香蕉形（高等植物）大?。褐睆?-5

m；厚2-3

m數(shù)目：幾百到幾千

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(xué)能（ATP、NADPH)●暗反應(yīng)

(碳固定)在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)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光反應(yīng) 在類囊體膜上由光引起的光化學(xué)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(jìn)而通過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。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)cytbf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)（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(shí)間空間上不同；CAM植物：景天、落地生跟等）卡爾文循環(huán)(Calvin1961Nobelprize)羧化階段

CO2

RuBP還原階段（光反應(yīng)與暗反應(yīng)的連接點(diǎn)）

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RuBP

kinase3-磷酸甘油酸RuBP羧化酶（PGA）第三節(jié)線粒體和葉綠體是半自主性細(xì)胞器線粒體和葉綠體是半自主性細(xì)胞器*：有自身的DNA；能進(jìn)行自身的DNA復(fù)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(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mtDNA)◆每個(gè)線粒體約有6個(gè)mtDNA分子；每個(gè)葉綠體中約有12個(gè)ctDNA分子。◆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；

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●不同來源的線粒體基因，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)送及組裝葉綠體和線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)導(dǎo)肽（轉(zhuǎn)運(yùn)肽）：運(yùn)送到Mt（Ct）中的蛋白在細(xì)胞質(zhì)首先合成前體蛋白，其N端的一段含有運(yùn)送方向信息的特殊序列。序列特點(diǎn)：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(shí)別，牽引過膜（牽引對(duì)蛋白無特異性要求）信號(hào)肽：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白，其N端的一段指導(dǎo)其到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上繼續(xù)合成的信號(hào)序列。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(shí)驗(yàn)證據(jù)(3H標(biāo)記及電鏡觀察)

間壁和隔膜分離(鼠肝mt和植物分生細(xì)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(gè)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(xué)說*（endosymbiosishypothesis) ●非共生起源學(xué)說內(nèi)共生起源學(xué)說◆葉綠體起源于細(xì)胞內(nèi)共生的藍(lán)藻：

Mereschkowsky，1905年◆Porteir,1918&Wallin,1922mt

來自細(xì)胞內(nèi)共生的細(xì)菌?！?/p>

Margulis，1970年：內(nèi)共生起源學(xué)說線粒體的祖先是一種革蘭氏陰性細(xì)菌(purplebacteria)：葉綠體的祖先是藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria),即藍(lán)藻?！魞?nèi)共生起源學(xué)說的主要論據(jù)及不足之處內(nèi)共生起源學(xué)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(xì)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(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?！魞蓪颖荒び胁煌倪M(jìn)化來源，外膜與細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)、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(xì)菌?！舭l(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)化角度，如何解釋在代謝上明顯占優(yōu)勢(shì)的共生體反而將大量的遺傳信息轉(zhuǎn)移到宿主細(xì)胞中？◆不能解釋細(xì)胞核是如何進(jìn)化來的，即原核細(xì)胞如何演化為真核細(xì)胞？

◆線粒體和葉綠體的基因組中存在內(nèi)含子，而真細(xì)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(xué)說的觀點(diǎn)，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(xué)說◆主要內(nèi)容：真核細(xì)胞的前身是一個(gè)進(jìn)化上比較高等的好氧細(xì)菌?！舫晒χ帲航忉屃苏婧思?xì)胞核被膜的形成與演化的漸進(jìn)過程。

◆不足之處不足之處◆實(shí)驗(yàn)證據(jù)不多◆無法解釋為何線粒體、葉綠體與細(xì)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(duì)線粒體和葉綠體的DNA酶、RNA酶和核糖體的來源也很難解釋?！粽婧思?xì)胞的細(xì)胞核能否起源于細(xì)菌的核區(qū)？線粒體主要酶的分布

為各部位所特有的標(biāo)志酶ATP合成酶的作用機(jī)制：旋轉(zhuǎn)催化機(jī)制（rotationalcatalysis）低滲高滲離心密度梯度離心超聲破