第六章細胞的能量轉(zhuǎn)換--線粒體和葉綠體

1、第七章第七章 細胞的能量轉(zhuǎn)換細胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體線粒體和葉綠體 Mitochondrion 直徑0.5-1.0 m。 胰臟外分泌細胞中有長達1020m的巨線粒體。 數(shù)目數(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。 分布分布：不均勻（與細胞能量需求有關(guān)） 執(zhí)行氧化反應的電子傳遞鏈執(zhí)行氧化反應的電子傳遞鏈 ATPATP合成酶合成酶 線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運蛋白線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運蛋白 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、線粒體的化學組成及酶的定位二、線粒體的化學組成及酶

2、的定位 線粒體組分分離方法線粒體組分分離方法 線粒體的化學組成線粒體的化學組成 線粒體酶的定位線粒體酶的定位 線粒體的化學組成 蛋白質(zhì)(線粒體干重的6570) 脂類(線粒體干重的2530)： 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(oxidative phosphorylation)的分子基礎(chǔ)

3、 氧化磷酸化的偶聯(lián)機制化學滲透假說 (Chemiosmotic Hypothesis, 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 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-transport chain）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（ATP synth

4、ase）(磷酸化的分子基礎(chǔ)) 電子傳遞鏈的四種復合物電子傳遞鏈的四種復合物(哺乳類哺乳類) 復合物：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4 H+ 復合物：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：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1cyt c1、1cyt b、1Fe-S蛋白 作用：催化電子從UQH2cyt c；泵

5、出4 H+ （2個來自UQ， 2個來自基質(zhì)） 復合物：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， cyt a, cyt a3 ,Cu, Fe 作用：催化電子從cyt c分子O2 形成水，2 H+泵出， 2 H+ 參與 形成水 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。 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遞增的方向傳遞(NAD+/NAD最低， H

6、2O/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 ATP合成酶(磷酸化的分子基礎(chǔ)) 分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu) 線粒體線粒體ATP合成系統(tǒng)的解離與重建實驗證明電子傳遞與合成系統(tǒng)的解離與重建實驗證明電子傳遞與ATP合成是由兩個合成是由兩個 不不 同的結(jié)構(gòu)體系執(zhí)行同的結(jié)構(gòu)體系執(zhí)行, F1顆粒具有顆粒具有ATP酶活性酶活性 工作特點工作特點：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：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, 又能水解又能水解ATP將質(zhì)子從

7、基質(zhì)泵到膜間隙將質(zhì)子從基質(zhì)泵到膜間隙 亞單位相對于亞單位相對于亞單位旋轉(zhuǎn)的直接亞單位旋轉(zhuǎn)的直接實驗證據(jù)實驗證據(jù) 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。 支持化學滲透假說的實驗證據(jù)，該實驗表明： 質(zhì)子動力勢(proton motive force) 乃ATP合成的動力 膜應具有完整

8、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Binding change and rotational catalysis mechanism (Boyer 1979) 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Brown Fat Cell 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、葉綠體一、葉綠體(Chloroplast)的形態(tài)結(jié)構(gòu)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

9、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） 大小：直徑3-5m；厚2-3m 數(shù)目：幾百到幾千 二、葉綠體的功能二、葉綠體的功能光合作用光合作用 (photosynthesis) Photosynthesis: 三大步驟三大步驟：原初反應、電子傳遞和光合磷酸化、碳同化。：原初反應、電子傳遞和光合磷酸化、碳同化。 (1)光反應光反應(Light Reaction)(Light Reaction)原初反應、電子傳遞和光合磷酸原初反應、電子傳遞和光合磷酸 化化 (2)暗反應暗反應(Dark Reaction)碳固定反

10、應碳固定反應 光反應光反應 在類囊體膜上發(fā)生，在類囊體膜上發(fā)生， 將光能轉(zhuǎn)換為化學能（將光能轉(zhuǎn)換為化學能（ATP、NADPH) 暗反應暗反應 (碳固定碳固定) 在葉綠體基質(zhì)中進行，在葉綠體基質(zhì)中進行， 利用利用ATP和和NADPH使使CO2還原為糖類還原為糖類 光合作用與有氧呼吸的關(guān)系圖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；光合磷酸化與氧化磷酸化比較 光反應 在類囊體膜上由光引起的光化學反應，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

11、程。包括原初反應、電子傳遞和光合磷酸化。 原初反應（primary reaction) 捕光（天線）色素反應中心 光合作用單位； 反應中心1中心色素1原初電子供體D1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與光合磷酸化 電子傳遞：電子傳遞： 最初電子供體是最初電子供體是H2O，最終電子受體是，最終電子受體是NADP+。 類囊體腔的質(zhì)子濃度比葉綠體基質(zhì)高，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。在葉綠體基質(zhì)中形成。 ”Z Z”鏈或光合鏈鏈或光合鏈 光合磷酸化光合磷酸化：由光照所引起

12、的電子傳遞與磷酸化作用相偶由光照所引起的電子傳遞與磷酸化作用相偶 聯(lián)而生成聯(lián)而生成ATPATP的過程。的過程。 暗反應(碳固定) 利用光反應產(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)。 卡爾文循環(huán)（Calvin cycle）（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） 卡爾文循環(huán)(Calvin 1961 Nobel prize) 羧化階段 CO2

13、RuBP 還原階段（光反應與暗反應的連接點） PGAK 甘油醛磷酸脫氫酶 PGA 1，3二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油醛 ATP NADPH RuBP再生階段 3-磷酸甘油醛 5-P-核酮糖 RuBP kinase 3-磷酸甘油酸 RuBP羧化酶 （PGA） 第三節(jié)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 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 線粒體和葉綠體的線粒體和葉綠體的DNA 2 線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成線粒體和葉綠體的蛋

14、白質(zhì)合成 3 線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運送與組裝線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運送與組裝 一、線粒體和葉綠體的一、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 mtDNA /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：120kbp200

15、kbp； 二、線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)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。 三、線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運送與組裝三、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 葉綠體和線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運葉綠

16、體和線粒體蛋白的轉(zhuǎn)運 導肽（導肽（轉(zhuǎn)運肽轉(zhuǎn)運肽）：運送到）：運送到Mt（Ct）中的蛋白在細胞質(zhì)首先）中的蛋白在細胞質(zhì)首先 合成前體蛋白，合成前體蛋白， 其其N端的一段含有運送方端的一段含有運送方 向信息的特殊序列。向信息的特殊序列。 序列特點：序列特點：1 富含堿性氨基酸富含堿性氨基酸 2 羥基氨基酸含量較高羥基氨基酸含量較高 3 幾乎不含酸性氨基酸幾乎不含酸性氨基酸 4 形成雙性（親水性、疏水性）形成雙性（親水性、疏水性） 螺旋螺旋 功能：識別，功能：識別， 牽引過膜（牽引對蛋白無特異性要求）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，其信號肽：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白，其N端

17、的一段指導其到內(nèi)質(zhì)端的一段指導其到內(nèi)質(zhì) 網(wǎng)上網(wǎng)上 繼續(xù)合成的信號序列。繼續(xù)合成的信號序列。 第四節(jié)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 二、二、 線粒體和葉綠體的起源線粒體和葉綠體的起源 內(nèi)共生起源學說（en

18、dosymbiosis hypothesis) 非共生起源學說 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, 1922 mt 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(purple bacteria)： 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。 有自己完整的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，能獨立合成蛋白質(zhì)，蛋

19、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。 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。 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。 成功之處