7.细胞的能量转换-线粒体和叶绿体0

nullnull第七章 细胞的能量转换 --线粒体和叶绿体本章要点：本章要点：线粒体与氧化磷酸化 叶绿体与光合作用 线粒体和叶绿体是半自主性的细胞器 线粒体和叶绿体的增殖和起源第一节 线粒体与氧化磷酸化第一节 线粒体与氧化磷酸化一、线粒体的形态、大小、数量及分布 线粒体一般呈粒状、杆状、环形、哑铃形等； 一般直径0.5-1μm，长1.5-3.0μm 。 数目一般数百到数千个; 通常结合在微管上，分布在细胞功能旺盛的区域二、线粒体的超微结构二、线粒体的超微结构1. 外膜： 蛋白质/脂类=1，具有孔蛋白（porin）构成亲水通道，通透性高。 标志酶为单胺氧化酶。 2. 内膜： 蛋白质/脂类>3:1，通透性低； 内膜向基质内折叠形成嵴（cristae）； 嵴上规则排列许多基粒（elementary particle） ； 线粒体氧化磷酸化的电子传递链位于内膜，标志酶为细胞色素C氧化酶。null3. 膜间隙 pH值与细胞质相似； 标志酶为腺苷酸激酶。 4. 基质 酶的种类最多（TCA循环、脂肪酸氧化等） 标志酶为苹果酸脱氢酶。 含线粒体的遗传系统：包括线粒体DNA（mtDNA），70S型核糖体，RNA、转录和翻译所必须的各种装置。null线粒体结构模型线粒体的电镜照片null线粒体结构（扫描电镜）null心肌细胞和精子尾部的线粒体三、线粒体的功能三、线粒体的功能丙酮酸脂肪酸丙酮酸脂肪酸乙酰辅酶A线粒体的主要功能是TCA循环和氧化磷酸化合成ATP,为细胞生命活动提供直接能量。null超声破碎线粒体，内膜碎片可卷曲成颗粒朝外的小膜泡； 胰蛋白酶处理，颗粒解离，只能传递电子，而不能发生磷酸化； 颗粒重新装配，电子传递和氧化磷酸化均能发生；（一）氧化磷酸化的分子结构基础电子传递的组分位于线粒体的内膜 颗粒是氧化磷酸化偶联的因子1. 电子传递链1. 电子传递链概念：存在于线粒体内膜上的一组酶的复合体。由一系列能可逆的接受和释放电子或H+的化学物质组成，他们在内膜上相互关联地有序排列成传递链，称为电子传递链。 组成：黄素蛋白、细胞色素、辅酶Q、铁硫蛋白、铜原子。 null黄素蛋白：含FMN或FAD的蛋白质，每个FMN或FAD可接受2个电子，2个质子。呼吸链上具有以FMN为辅基的NADH脱氢酶和以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。 细胞色素：分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋白结合，通过Fe3+、Fe2+形式变化传递电子，呼吸链中有5类，即细胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有铜原子。null辅酶Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子。 铁硫蛋白：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递。 铜原子：位于线粒体内膜的一个蛋白质上，通过Cu2+、Cu1+的变化传递电子。2. 呼吸链的复合物2. 呼吸链的复合物复合物Ⅰ 即NADH脱氢酶，含有1个FMN和至少6个铁硫蛋白； 作用是催化NADH的2个电子传递至辅酶Q，同时将4个质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。 电子传递的方向为：NADH－FMN－Fe-S－Q。 null复合物Ⅱ 即琥珀酸脱氢酶，含有1个FAD，2个铁硫蛋白。 作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子。 电子传递的方向为：琥珀酸－FAD－Fe-S－Q 复合物 Ⅲ 即细胞色素c还原酶，每个单体包含1个细胞色素b、1个细胞色素c1和1个铁硫蛋白。 作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。null复合物 Ⅳ 即细胞色素c氧化酶；含细胞色素a、a3及铜原子； 作用是将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗2个质子，同时转移2个质子至膜间隙。 null线粒体内膜中的呼吸链的组分、排列和氧化磷酸化的偶联部位null线粒体内膜呼吸链电子传递示意图null线粒体膜上电子传递和氧化磷酸化(二)ATP合成酶的结构和作用机理(二)ATP合成酶的结构和作用机理1. ATP合成酶的结构： 球形的F1（头部）:水溶性的蛋白复合物，5种类型的9个亚基组成α3β3γδε复合体。 嵌入膜中的F0（基部）：嵌入内膜的疏水蛋白复合物，三种多肽组成ab2c12复合体。nullATP酶的结构模型αβ亚基交替排列 γε亚基位于中央形成转子 C亚基成环状 ab及δ亚基在外侧形成定子nullATP酶结构和结构模型2. ATP合酶的作用机制2. ATP合酶的作用机制 1979年代Boyer 提出构象耦联假说，其要点如下： 1．ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP形成ATP。 2．F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象（loose），ADP、 Pi与酶疏松结合在一起；在T构象（tight）底物（ADP、 Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。 3．质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。 null支持构象偶联假说的实验1．日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人将α3β3γ固定 在玻片上，在γ亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤 维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到 γ亚基带动肌动蛋白纤维旋转。 2．在另外一个实验中，将荧光标记的肌动蛋白连接到ATP合 酶的F0亚基上，在ATP存在时同样可以观察到肌动蛋白的 旋转。nullnull第二节 叶绿体● 叶绿体(Chloroplast)的形态结构 ● 叶绿体的功能—光合作用(photosynthesis)nullnull一、叶绿体(Chloroplast)的形态结构●叶绿体与线粒体形态结构比较 叶绿体内膜并不向内折叠成嵴；内膜不含电 子传递链；除了膜间隙、基质外，还有类囊体； 捕光系统、电子传递链和ATP合成酶都位于类囊体 膜上。 ●叶绿体超微结构nullnullnullnull叶绿体膜 叶绿体由内膜和外膜组成，膜间为10~20nm的膜间隙。膜的成分是蛋白质和脂质。 类囊体 是在叶绿体基质中，由许多单位膜封闭形成的扁平小囊。 a 结构 基粒类囊体：象圆盘一样叠在一起的类囊体。基粒片层。 基质类囊体：贯穿在两个或两个以上基粒之间的没有发生垛叠的类囊体。基质片层。 b 化学组成 类囊体膜的主要成分是蛋白质和脂类（3：2）。蛋白质分为外在蛋白和内在蛋白。脂类中的脂肪酸主要是不饱含脂肪酸，具有较高的流动性。null基质 是内膜与类囊体间的流动性成分，中间悬浮着片层系统。 主要成分包括：碳同化相关的酶类（RUBP羧化酶）、叶绿体DNA、蛋白质合成体系、一些颗粒成分等。 null二、叶绿体的主要功能叶绿体的主要功能是进行光合作用。 光合作用的过程分为：①原初反应、②电子传递和光合磷酸化、③碳同化。其中①和②属于光反应，在类囊体膜上进行； ③属于暗反应（dark reaction），在叶绿体基质中进行。nullnull光合色素和电子传递链组分 1．光合色素 类囊体中含两类色素：叶绿素（叶绿素a和叶绿素b）和类胡萝卜素（胡萝卜素和叶黄素）。 2．集光复合体（light harvesting complex） 由大约200个叶绿素分子和一些肽链构成。大部分色素分子起捕获光能的作用，并将光能以诱导共振方式传递到反应中心色素。因此这些色素被称为天线色素。 nullnull3．光系统Ⅱ（PSⅡ） 吸收高峰为波长680nm处，又称P680。位于基粒与基质非接触区域的类囊体膜上。包括一个集光复合体（light-hawesting comnplex Ⅱ，LHC Ⅱ）、一个反应中心和一个含锰原子的放氧的复合体（oxygen evolving complex）。D1和D2为两条核心肽链，结合中心色素P680、去镁叶绿素(pheophytin)及质体醌(plastoquinone)。 4．光系统Ⅰ（PSI） 能被波长700nm的光激发，又称P700。包含多条肽链，位于基粒与基质接触区和基质类囊体膜中。由集光复合体Ⅰ和作用中心构成。nullnull原初反应与电子传递 P680接受能量后，由基态变为激发态（P680*），然后将电子传递给ph（原初电子受体），P680*带正电荷，从原初电子供体Z得到电子而还原；Z+再从放氧复合体上获取电子；氧化态的放氧复合体从水中获取电子，使水光解。 在另一个方向上去镁叶绿素将电子QA，QA又迅速将电子传给QB。质体醌将电子传给细胞色素bf，同时将质子由基质转移到类囊体腔。电子接着传递质体蓝素(PC)，再将电子传递到光系统Ⅱ。 P700被光能激发后释放出来的高能电子沿着A0→ A1 →4Fe-4S的方向依次传递，由类囊体腔一侧传向类囊体基质一侧的铁氧还蛋白（FD）。最后在铁氧还蛋白-NADP还原酶的作用下，将电子传给NADP+，形成NADPH。nullnull光合磷酸化◆光合磷酸化的类型 ◆光合磷酸化的作用机制由光照引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程，称为光合磷酸化。nullnull当植物在缺乏NADP+时电子在光系统内Ⅰ流动，只合成ATP，不产生NADPH，称为循环式光合磷酸化。 null光合磷酸化的作用机制一对电子从P680经P700传至NADP+，在类囊体腔中增加4个H+，2个来源于H2O光解，2个由PQ从基质转移而来，在基质外一个H+又被用于还原NADP+，所以类囊体腔内有较高的H+（pH≈5，基质pH≈8），形成质子动力势，H+经ATP合酶，渗入基质、推动ADP和Pi结合形成ATP。 ATP合酶，即CF1-F0偶联因子，结构类似于线粒体ATP合酶。CF1同样由5种亚基组成α3β3γδε的结构。CF0嵌在膜中，由4种亚基构成，是质子通过类囊体膜的通道。 nullnull暗反应(碳固定) 暗反应(碳固定) 利用光反应产生的ATP 和NADPH，使CO2还原为糖类等有机物，即将活跃的化学能最后转换为稳定的化学能，积存于有机物中。这一过程不直接需要光(在叶绿体基质中进行)。 ◆卡尔文循环（Calvin cycle）（C3途径） ◆C4途径或 Hatch-Slack循环 ◆景天科酸代谢途径（CAM途径） nullC3途径：又称卡尔文 (Calvin)循环。CO2受体为RuBP，最初产物为3-磷酸甘油酸(PGA)。 C4途径：又称哈奇-斯莱克(Hatch-Slack)途径，CO2受体为PEP，最初产物为草酰乙酸(OAA)。 景天科酸代谢途径（CAM途径）：夜间固定CO2产生有机酸，白天有机酸脱羧释放CO2，进行CO2固定。nullnullnull◆个体发育：由前质体（proplastid）分化而来。 ◆增殖：分裂增殖三、叶绿体的发育和增殖第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器●半自主性细胞器的概念： 自身含有遗传达系统(自主性)；但编码 的遗传信息十分有限，其RNA转录、蛋白质翻译、 自身构建和功能发挥等必须依赖核基因组编码的 遗传信息(自主性有限)。 ●线粒体和叶绿体的DNA ●线粒体和叶绿体的蛋白质合成 ●线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装 一、线粒体和叶绿体的DNA一、线粒体和叶绿体的DNA● mtDNA /ctDNA形状、数量、大小 ● mtDNA和ctDNA均以半保留方式进行自我复制 ● mtDNA复制的时间主要在细胞周期的S期及G2期， DNA先复制，随后线粒体分裂。ctDNA复制的时 间在G1期。 二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成● 线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限 ●线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性 ●不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异 ●参加叶绿体组成的蛋白质来源有３种情况： ◆由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成； ◆由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成； ◆由核DNA编码，在叶绿体核糖体上合成。 三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装●线粒体蛋白质的运送与组装 ◆定位于线粒体基质的蛋白质的运送 ◆定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送 ●叶绿体蛋白质的运送及组装nullnullnull第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源●线粒体和叶绿体的增殖 ●线粒体和叶绿体的起源 线粒体和叶绿体的起源线粒体和叶绿体的起源●内共生起源学说（endosymbiosis hypothesis) ●非共生起源学说内共生起源学说内共生起源学说◆叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻： Mereschkowsky，1905年 ◆Margulis，1970年：线粒体的祖先-原线粒体 是一种革兰氏阴性细菌：叶绿体的祖先是原核 生物的蓝细菌（Cyanobacteria），即蓝藻。 ◆内共生起源学说的主要论据 ◆不足之处 null内共生起源学说的主要论据内共生起源学说的主要论据◆基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。 ◆有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质，蛋白质合成机制有 很多类似细菌而不同于真核生物。 ◆两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，内膜与细菌 质膜相似。 ◆以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。 ◆能在异源细胞内长期生存，说明线粒体和叶绿体具有的自主性与共生性 的特征。 ◆线粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌。 ◆发现介于胞内共生蓝藻与叶绿体之间的结构--蓝小体，其特征在很多方面 可作为原始蓝藻向叶绿体演化的佐证。 不足之处不足之处◆从进化角度，如何解释在代谢上明显占优势的共生体反而 将大量的遗传信息转移到宿主细胞中？ ◆不能解释细胞核是如何进化来的，即原核细胞如何演化为 真核细胞？ ◆线粒体和叶绿体的基因组中存在内含子，而真细菌原 核生物基因组中不存在内含子，如果同意内共生起源 学说的观点，那么线粒体和叶绿体基因组中的内含子 从何发生？非共生起源学说非共生起源学说◆主要内容：真核细胞的前身是一个进化上 比较高等的好氧细菌。 ◆成功之处：解释了真核细胞核被膜的形成 与演化的渐进过程。 ◆不足之处不足之处不足之处◆实验证据不多 ◆无法解释为何线粒体、叶绿体与细菌在DNA分 子结构和蛋白质合成性能上有那么多相似之处 ◆对线粒体和叶绿体的DNA酶、RNA酶和核糖体 的来源也很难解释。 ◆真核细胞的细胞核能否起源于细菌的核区？ null本章内容回顾nullnullnullnullnullnullnullnull重点： 线粒体的结构、功能 叶绿体的结构、功能 线粒体和叶绿体是半自主性的细胞器 线粒体和叶绿体蛋白质的分选和装配