第六章 細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換─線粒體與葉綠體-2013

第六章細(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線粒體和葉綠體的共性：

-呈封閉的雙層膜結(jié)構(gòu)

-高效產(chǎn)生ATP的精密裝置

-均具有環(huán)狀DNA及自身轉(zhuǎn)錄與翻譯系統(tǒng)

-半自主性的細(xì)胞器第一節(jié)線粒體與氧化磷酸化

-1890年德國生物學(xué)家Altmann在動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)bioblast（生命小體）

-1897年Benda命名它為mitochondrion即線粒體

-1900年Michaelis

證實(shí)線粒體可進(jìn)行氧化還原反應(yīng)

-1913年Engelhardt

證明磷酸化和氧化作用相偶聯(lián)一、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)

-形態(tài)：環(huán)形、啞鈴形、線狀

-大?。褐睆綖?.5~1.0微米，長度1.5~3.0微米

-數(shù)目與分布：0~幾十萬個(gè)新陳代謝旺盛的細(xì)胞中較多，分布不均勻，往往在細(xì)胞代謝旺盛的需能部位比較集中。二線粒體的超微結(jié)構(gòu)外膜(outermembrane):

厚約6nm，含大量通道蛋白-孔蛋白,高通透性內(nèi)膜(innermembrane):

厚約6~8nm，含有心磷脂，缺乏膽固醇.形成通透性屏障，內(nèi)膜向線粒體內(nèi)室折疊形成嵴（cristae).

嵴上有基粒(F1顆粒，F(xiàn)1、柄部、F0）.H+、ATP、丙酮酸等在載體或通透酶系統(tǒng)協(xié)助下跨膜運(yùn)輸.

內(nèi)外膜間有接觸點(diǎn).

膜間隙(intermembranespace):位于內(nèi)外膜之間寬6~8nm

基質(zhì)（matrix)或內(nèi)室:含有多種酶、環(huán)狀DNA、

RNA等二、線粒體的化學(xué)組成及酶的定位（一）、線粒體的化學(xué)組成成分：蛋白質(zhì)和脂質(zhì)蛋白質(zhì)：可溶性蛋白多數(shù)是基質(zhì)中的酶和膜的外周蛋白。不溶性蛋白是膜的鑲嵌蛋白、結(jié)構(gòu)蛋白和部分酶蛋白。電泳分析：外膜上含14種蛋白質(zhì)，內(nèi)膜上含21種蛋白質(zhì)。脂質(zhì)主要是磷脂，外膜主要為磷脂酰膽堿，內(nèi)膜含大量心磷脂，高達(dá)20%，與內(nèi)膜的高度疏水性有關(guān).（二）、線粒體酶的定位

140余種酶，37%是氧化還原酶，10%是合

成酶，9%是水解酶，標(biāo)志酶約30種部位酶的名稱部位酶的名稱外膜單胺氧化酶膜間隙腺苷酸激酶內(nèi)膜細(xì)胞色素氧化酶基質(zhì)蘋果酸脫氫酶三、線粒體的功能

主要功能是三羧酸循環(huán)及氧化磷酸化,合成ATP,為細(xì)胞生命活動(dòng)提供直接能量.

真核細(xì)胞中的氧化作用糖的有氧氧化(細(xì)胞氧化或生物氧化):-糖氧化成丙酮酸

-丙酮酸脫羧生成乙酰CoA

-乙酰CoA進(jìn)入三羧酸循環(huán)徹底氧化

葡萄糖酵解生成丙酮酸

細(xì)胞質(zhì)中的葡萄糖(或糖原)在一系列酶的催化下生成丙酮酸的過程成稱為糖酵解(glycolysis)。線粒體基質(zhì)中乙酰輔酶A的生成

-丙酮酸跨膜進(jìn)入線粒體基質(zhì)；

-在丙酮酸脫氫酶(pyruvate

dehydrogenase)作用下氧化成乙酰輔酶A。

呼吸鏈與電子傳遞

線粒體能量轉(zhuǎn)換策略

三羧酸循環(huán)中的能量轉(zhuǎn)換

NAD+→NADHFAD+→FADH2

NADH和FADH2必須被氧化才能維持三羧酸循環(huán)

NADH+1/2O2→NAD++能量

FADH2+1/2O2→FAD++能量

NADH和FADH2被氧化時(shí)釋放的H+、電子和能量如何安置?呼吸鏈(respiratorychain)-又稱電子傳遞鏈,是四種復(fù)合物組成的復(fù)合體

-功能是參與對還原型輔酶的氧化

H+的傳遞電子傳遞另外,線粒體還有以下功能:-氧自由基的生成

-細(xì)胞程序性死亡

-細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

-離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)

-細(xì)胞中Ca2+的調(diào)節(jié)（一）線粒體中的氧化代謝動(dòng)物線粒體內(nèi)膜中的NADH脫氫酶只能接受來自線粒體基質(zhì)中的NADH上的電子.

糖酵解產(chǎn)生的NADH的電子通過兩條穿梭途徑進(jìn)入線粒體.1.蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑,進(jìn)入線粒體基質(zhì)的電子傳遞給NAD+生成NADH.NADH直接將電子傳遞到呼吸鏈.2.甘油-3-磷酸穿梭途徑,進(jìn)入線粒體基質(zhì)中的電子轉(zhuǎn)移給FAD,使還原為FADH.(二)電子傳遞鏈（呼吸鏈）與電子傳遞線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈?zhǔn)堑湫偷亩嗝秆趸€原體系，可逆地接受和釋放電子或H+,由多個(gè)組分組成。參加呼吸鏈的氧化還原酶有：

（1）煙酰胺脫氫酶類（2）黃素脫氫酶類（3）鐵硫蛋白類（4）輔酶Q類（5）細(xì)胞色素類

電子載體有5種:-黃素蛋白:NADH脫氫酶,琥珀酸脫氫酶.接受和傳遞2個(gè)電子和質(zhì)子

-細(xì)胞色素:含鐵血紅素,細(xì)胞色素b,c,c1,a和a3,傳遞單個(gè)電子.靠Fe3+-Fe2+的變換傳遞單個(gè)電子.-泛醌(輔酶Q):可攜帶電子和質(zhì)子

-鐵硫蛋白:含非紅素鐵的蛋白質(zhì).靠Fe3+-Fe2+的變換傳遞電子

-銅原子:通過Cu2+和Cu+的變換傳遞電子

呼吸鏈中的電子載體嚴(yán)格按氧化還原電位從低向高排列.NAD+/NADH最低,O2/H2O最高.Green等人首先將呼吸鏈拆離成4種復(fù)合物（Ⅰ-Ⅳ）以及輔酶Q和細(xì)胞色素c。復(fù)合物Ⅰ：NADH-CoQ還原酶，二聚體，每一單體含一個(gè)黃素單核苷酸（FMN）和至少6個(gè)鐵硫蛋白。既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體。復(fù)合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ還原酶，又稱琥珀酸脫氫酶，含一個(gè)黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、2個(gè)鐵硫蛋白、1個(gè)細(xì)胞色素b。不能使質(zhì)子跨膜移位。復(fù)合物Ⅲ：CoQ-細(xì)胞色素c還原酶，二聚體。每一單體含2個(gè)細(xì)胞色素b（b562,b566）1個(gè)細(xì)胞色素c1和1個(gè)鐵硫蛋白。既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體。復(fù)合物Ⅳ：細(xì)胞色素氧化酶，二聚體。每一單體含細(xì)胞色素a和a3及2個(gè)銅原子（CuA,CuB)。既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體目前普遍認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)有兩條典型的呼吸鏈：

NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈。

復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ組成主要的NADH呼吸鏈；催化NADH的氧化；

復(fù)合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組成FADH2呼吸鏈，催化琥珀酸(FADH2)的氧化。(三)線粒體內(nèi)膜電化學(xué)梯度的建立

Electrochemicalgradient

質(zhì)子梯度

內(nèi)膜兩側(cè)電位差

proton-motiveforce(質(zhì)子動(dòng)勢)呼吸鏈各組分有序排列，使電子按氧化還原電位從低向高傳遞，能量逐級釋放.該釋放的自由能將線粒體基質(zhì)中的H+轉(zhuǎn)移到膜間隙.呼吸鏈中的復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ都是質(zhì)子泵，可將質(zhì)子有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)移到膜間隙，形成質(zhì)子動(dòng)力勢（proton-motiveforce），驅(qū)動(dòng)ATP的合成，人為提高線粒體膜間隙的質(zhì)子濃度，能使線粒體合成ATP。(四)ATP形成機(jī)制-氧化磷酸化

ADPATP:磷酸化

ATP合酶的分子結(jié)構(gòu)與組成

-ATP合酶或F1F0-ATP酶。是生物體能量轉(zhuǎn)換的核心酶。該酶參與氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜質(zhì)子動(dòng)力勢的推動(dòng)下催化合成ATP。

-其分子結(jié)構(gòu)由突出于膜外的F1頭部和嵌于膜內(nèi)的F0

基部兩部分組成。ATP合酶的結(jié)構(gòu)分子量500KD，狀如蘑菇。分為球形的F1（頭部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用質(zhì)子動(dòng)力勢合成ATP，也可以水解ATP，轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子

-F1（F1偶聯(lián)因子）：頭部,水溶性球蛋白，從內(nèi)膜突出于基質(zhì)內(nèi)，較易從膜上脫落。牛心線粒體ATP酶的F1部分由3α、3β、1γ、1δ、1ε9個(gè)亞基組成。

-各亞基分離時(shí)無酶活性，結(jié)合時(shí)有酶活性。

-α和β亞基上均具有核苷酸結(jié)合位點(diǎn)，其中β亞基的結(jié)合位點(diǎn)具有催化ATP合成或水解的活性。

-動(dòng)物線粒體F1還有抑制蛋白，專一地抑制F1-ATP酶的活力，但不抑制ATP合成。

-γ和ε有很強(qiáng)的親和力，結(jié)合在一起形成“轉(zhuǎn)子”，共同旋轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)3個(gè)β催化位點(diǎn)的開放和關(guān)閉。

-ε亞基有抑制酶水解ATP的活性。同時(shí)有減少H+泄漏的功能。ATP合酶ATP合酶F0（偶聯(lián)因子F0)：嵌合在內(nèi)膜上的疏水蛋白復(fù)合體，形成一個(gè)跨膜質(zhì)子通道(F型)二聚體排列在c亞基12聚體形成的環(huán)的外側(cè)，a亞基、b亞基二聚體和δ亞基共同組成“定子”。F0中的一個(gè)亞基可結(jié)合寡霉素，通過該亞基可調(diào)節(jié)通過F0的H+流。F1和F0通過“轉(zhuǎn)子”和“定子”將兩部分連接起來，在合成或水解ATP的過程中，“轉(zhuǎn)子”在通過F0的H+流推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，依次與3個(gè)β亞基作用，調(diào)節(jié)β亞基催化位點(diǎn)的構(gòu)象變化；“定子”在一側(cè)將α3β3與F0連接起來。F0的作用之一，就是將跨膜質(zhì)子動(dòng)力勢轉(zhuǎn)換成扭力矩，推動(dòng)“轉(zhuǎn)子”旋轉(zhuǎn)。

氧化磷酸化作用與電子傳遞的偶聯(lián)氧化還原的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。氫質(zhì)子的轉(zhuǎn)移其本質(zhì)也是電子轉(zhuǎn)移。當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧形成水時(shí)，同時(shí)伴有ADP磷酸化形成ATP，這一過程稱為氧化磷酸化。NADH呼吸鏈生成ATP的3個(gè)部位是：

-NADH至輔酶Q-細(xì)胞色素b至細(xì)胞色素c-細(xì)胞色素a至氧各生成1分子ATP,共3分子ATP.FADH2呼吸鏈只生成2分子ATP.

氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制化學(xué)偶聯(lián)假說構(gòu)象偶聯(lián)假說化學(xué)滲透假說呼吸鏈的各組分在線粒體內(nèi)膜中的分布是不對稱的，當(dāng)高能電子在膜中沿呼吸鏈傳遞時(shí)，所釋放的能量將H+從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)泵至膜間隙，由于膜對H+是不通透的，從而使膜間隙的H+濃度高于基質(zhì)，因而在內(nèi)膜的兩側(cè)形成電化學(xué)質(zhì)子梯度，也稱為質(zhì)子動(dòng)力勢。在這個(gè)梯度驅(qū)動(dòng)下，H+通過內(nèi)膜上的ATP合酶流回到基質(zhì)，其能量促使ADP和Pi合成ATP。化學(xué)滲透假說有兩個(gè)特點(diǎn)：一是強(qiáng)調(diào)線粒體膜結(jié)構(gòu)的完整性。二是定向的化學(xué)反應(yīng)。ATP合成的反應(yīng)也是定向的?？梢园丫€粒體內(nèi)膜中的呼吸鏈看作是質(zhì)子泵，在電子經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧的過程中，可把基質(zhì)中的H+泵至膜間隙。

ATP合酶的作用機(jī)制美國生物化學(xué)家Boyer提出的ATP合酶的結(jié)合變化和旋轉(zhuǎn)催化機(jī)制得到實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持。(構(gòu)象耦聯(lián)假說)三、線粒體與疾病-線粒體是細(xì)胞內(nèi)最易受損傷的一個(gè)敏感的細(xì)胞器-線粒體病是指那些在病變細(xì)胞內(nèi)較早出現(xiàn)的線粒體極為明顯異常的病理變化。-克山病是一種心肌線粒體病。它是以心肌損傷為主要病變的地方性心肌病，因營養(yǎng)缺乏（缺硒）而引起。硒對線粒體膜有穩(wěn)定作用，患者因缺硒而導(dǎo)致心肌線粒體出現(xiàn)膨脹、嵴稀少和不完整等。-人體細(xì)胞中線粒體數(shù)量隨年齡增長而減少，體積隨年齡增長而增大。-線粒體是細(xì)胞內(nèi)自由基的源泉,是決定細(xì)胞衰老的生物鐘。-線粒體通過釋放細(xì)胞色素c參與細(xì)胞凋亡。第二節(jié)葉綠體與光合作用-葉綠體的形態(tài)結(jié)構(gòu)-葉綠體的化學(xué)組成-葉綠體的主要功能——光合作用一葉綠體的形態(tài)結(jié)構(gòu)形狀、大小和數(shù)目：橢圓形或卵圓形，直徑4~6微米,高等植物每個(gè)葉肉cell含有50~200個(gè)葉綠體的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成葉綠體膜葉綠體膜具有控制代謝物進(jìn)出葉綠體的功能內(nèi)膜對物質(zhì)透過的選擇性強(qiáng)，是細(xì)胞質(zhì)和葉綠體基質(zhì)間的功能屏障

內(nèi)膜有特殊載體—轉(zhuǎn)運(yùn)體化學(xué)組成：蛋白質(zhì)和磷脂為主、酶類有ATP酶等類囊體（基質(zhì)類囊體和基粒類囊體）類囊體的垛疊是動(dòng)態(tài)的，即垛疊與非垛疊是可逆發(fā)生的相鄰基粒經(jīng)網(wǎng)管狀或扁平狀的基質(zhì)類囊體相連，使類囊體腔彼此相通。

類囊體膜集中了光合作用能量轉(zhuǎn)換功能的全部組分。包括：捕光色素（天線色素）、兩個(gè)光反應(yīng)中心、各種電子載體、合成ATP的系統(tǒng)和從水中抽取電子的系統(tǒng)。分別裝配在光系統(tǒng)Ⅰ（PSⅠ）、光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）、細(xì)胞色素bf、CF0-CF1ATP酶等重要的膜蛋白復(fù)合物中。

CF0-CF1ATP酶是由跨膜的H+通道CF0和在類囊體膜基質(zhì)側(cè)起催化作用的CF1兩部分組成。葉綠體的CF1激活需有-SH基化合物，同時(shí)需要Mg2+,寡霉素對CF1無抑制作用。這些復(fù)合物在內(nèi)囊體膜中呈不對稱分布。見圖化學(xué)組成：蛋白質(zhì)和脂類CF1是一種外在蛋白兩種葉綠素-蛋白質(zhì)復(fù)合物（CPⅠCPⅡ）是內(nèi)在蛋白質(zhì)

基質(zhì)的化學(xué)組成可溶性蛋白和其他代謝活躍物質(zhì)。其中RuBP羧化酶(羧基歧化酶

)占類囊體可溶蛋白的80%環(huán)狀RuBP羧化酶由8個(gè)大亞基（LSU）和8個(gè)小亞基(SSU）組成，酶的活性中心位于大亞基上，小亞基只具有調(diào)節(jié)功能。大亞基是由葉綠體基因組編碼，小亞基是由核基因組編碼。

基質(zhì)中還含有環(huán)狀DNA、RNA（rRNA、tRNA、mRNA）、核糖體、脂滴、植物鐵蛋白和淀粉粒等。基質(zhì)（含有RNA和DNA）進(jìn)行光合作用

光反應(yīng)

1、原初反應(yīng)

2、光合作用中的電子傳遞

3、光合磷酸化

暗反應(yīng)：羧化階段、還原階段、RuBP再生階段葉綠體中ATP合成的機(jī)制與線粒體十分相似。不同點(diǎn)：葉綠體中，每3個(gè)H+穿過CF1-CF0ATP酶，生成1個(gè)ATP分子；在線粒體中，每2個(gè)H+穿過F1-F0ATP酶，生成1個(gè)ATP分子葉綠體的主要功能一、線粒體和葉綠體的DNA1、線粒體DNA和葉綠體DNA都呈雙鏈環(huán)狀。

2、分子量或長度有差異人mtDNA有16569bp,

是迄今為止所知最小的mtDNA,其一級結(jié)構(gòu)含有37個(gè)結(jié)構(gòu)基因,每個(gè)線粒體中含有6個(gè)mtDNA,

每個(gè)葉綠體中含有12個(gè)ctDN