7细胞的能量转换──线粒体和叶绿体 (生物学)

7细胞的能量转换──线粒体和叶绿体 (生物学) 第七章 细胞的能量转换??线粒体和叶绿体 主要内容: 第一节 线粒体与氧化磷酸化 第二节 叶绿体与光合作用 第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源 第一节 线粒体与氧化磷酸化 一、线粒体的形态结构 1、线粒体的形态、大小、数量与分布 1)形态:以杆状、线状和颗粒状最为常见 2)大小:直径为0.5微米，长约1.5~3.0微米 3)数量与分布:从几百到几千不等，在不同 的细胞中，以及同一细胞的不同时期，其 数量和分布也各不相同。 2、线粒体的超微结构 1)整体结构:线粒体(mitochondrion)是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构，包括:外膜(outer membrane)、内膜 (inner membrane)、膜间隙(intermembrane)和基质或内室(matrix)四个功能区隔 。 1、The mitochondrion is the powerhouse of the cell. It is the site of respiration. It has a double membrane. From this view you can see very little; 2、With the outer membrane removed it is much easier to see the contents of the mitochondrion. The white folded structure is the inner membrane. Most of aerobic respiration occurs along this membrane 3、The inner membranes is ruffled. It has a very large surface area. These ruffles are called cristae. Mitochondria have their own DNA and manufacture some their own proteins. 2)外膜:线粒体最外面的一层单位 膜，光滑而有弹性，含有孔蛋 白，通透性较高。 3)内膜: , 位于外膜内侧，把膜间隙与基质分开，通透性很低，严格控制离子或分子通过，有利于ATP的形成。 , 内膜向内折叠形成嵴，扩大内膜面积，其上含有能量转换相关蛋白。 , 在内膜和嵴上存在基粒，基粒由F1头部和F0尾部组成。 4)膜间隙:内、外膜之间封闭腔隙，含许多可溶性酶、底物及辅助因子。 5)基质或内室:内膜所包围的嵴外空间，其中充满可溶性蛋白性质的胶状物质，含有三羧酸循环酶系，线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA、 RNA、核糖体等 •Mitochondria are membrane-enclosed organelles distributed through the cytosol of most eukaryotic cells. Their main function is the conversion of the potential energy of food molecules into ATP. Mitochondria have: •an outer membrane that encloses the entire structure •an inner membrane that encloses a fluid-filled matrix •between the two is the intermembrane space •the inner membrane is elaborately folded with shelflike cristae projecting into the matrix. •a small number (some 5–10) circular molecules of DNA 二、线粒体的化学组成及酶定位 1、线粒体的化学组成 1)蛋白质(线粒体干重的65,70,) , 可溶性蛋白:基质中的酶和 膜的外周蛋白; , 不溶性蛋白:膜的镶嵌蛋白、结 构蛋白和部分膜蛋白。 2)脂类(线粒体干重的25,30,): , 主要是磷脂，磷脂占3/4以 上，外膜主要是卵磷脂，内 膜主要是心磷脂。 , 线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1(内膜);1:1(外膜) 2、线粒体酶的定位 线粒体约有140种酶，分布在各个结构组分中，其中37%是氧化还原酶，10%是合成酶，水解酶不到9%，标志酶30种。 三、线粒体功能 (一)线粒体功能: 1、线粒体的主要功能是氧化磷酸化，合成ATP，为细胞的生命活动提供能量。 2、与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。 •Cellular respiration is the process of oxidizing food molecules, like glucose, to carbon dioxide and water. The energy released is trapped in the form of ATP for use by all the energy-consuming activities of the cell. •The process occurs in two phases: •, glycolysis, the breakdown of glucose to pyruvic acid •, the complete oxidation of pyruvic acid to carbon dioxide and water (二)、氧化磷酸化的分子结构基础 1、电子传递链(呼吸链) 1)概念:在线粒体内膜上存在的有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物，他们是传递电子的酶体系，是由一系列能可逆地接受和释放电子或H+的化学物质组成，他们在内膜上相互关联的有序排列构成呼吸连。 2)线粒体内膜呼吸链上氧化还原酶类包括: ,烟酰胺脱氢酶类:以NAD+或NADP+为辅酶; ,黄素脱氢酶类:以FMN 或FAD为辅基; ,铁硫蛋白类:通过铁化合价变化传递电子; ,辅酶Q类:是脂溶性醌类，通过三种不同的氧化还原态变化传递电子; ,细胞色素类:以铁卟啉为辅基，通过铁化合价的变化传递电子。 There are 5 complexes of integral membrane proteins in the inner membrane: 1、NADH dehydrogenase (Complex I) 2、succinate dehydrogenase (Complex II) 3、cytochrome c reductase (Complex III; also known as the cytochrome b-c1 complex) 4、cytochrome c oxidase (Complex IV) 5、ATP synthase (Complex V) 3)电子传递链中的四种复合物 , 复合物?:是NADH-CoQ还原酶，又称NADH脱氢酶，既是电子传递体又是质子移位体。 组成:由25条以上多肽链组成，以二聚体形式存在，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白，是呼吸链中最大最复杂的复合物; 作用:催化NADH氧化，从中获得2个高能 +电子,辅酶Q; 泵出4 H(质子跨膜输送) ,复合物?:琥珀酸-CoQ还原酶，又称琥珀酸脱氢酶，是电子传递体而非质子移位体; 组成:含FAD辅基，2Fe-S蛋白和一个细胞色 素b; + 作用:催化电子从琥珀酸,FAD,Fe-S,辅酶Q (无H泵出) •The respiratory chain consists of 3 complexes of integral membrane proteins : •the NADH dehydrogenase complex (I) •the cytochrome c reductase complex (III) •the cytochrome c oxidase complex (IV) •and two freely-diffusible molecules •ubiquinone •cytochrome c , 复合物?:CoQ-细胞色素还原酶，以二聚体形式存在，既是电子传递体又是质子移位体; 组成:2个cytb(b562,b566),1cyt c1Fe-S蛋白; 1+ 作用:催化电子从CoQ,cyt c;泵出4 H ; 复合物?:细胞色素C氧化酶，有6-13条多肽链组成，以二聚体形式存在; , 组成: cyt a, cyt a ,2个Cu原子; 3 作用:催化电子从cyt c,分子O 形成水。 2 4)呼吸链的分类: 根据接受代谢物上脱下氢的原初受体不同，可将呼吸链分为: , NADH呼吸链:复合物?、?、?组成NADH呼吸链，催化NADH的脱氢氧化 , FADH2呼吸链:复合物?、?、?组成FADH呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化。 2 5)呼吸链中电子流: 呼吸链各组分的排列是高度有序的，使电子按氧化还原电位从低向高传递，呼吸链中有三个部位有较大的自由能变化，足以使ADP与无机磷结合形成ATP。部位?在NADH至CoQ之间。部位?在细胞色素b和细胞色素c之间。部位?在细胞色素a和氧之间。 鱼藤酮 抗酶素A CN- 或CO 电子传递方向: NADH FMN CoQ b c c 1aa O 32 E'低 高 -0.32 -0.3 0.1 0.07 0.22 0.25 0 0.29 0.82 2、ATP酶的分子结构与组成 1)ATP酶分布: 线粒体内膜，类囊体膜或质膜上，参与氧化磷酸化或光和磷酸化，在跨膜质子动力势下推动ATP的合成。 2)分子结构: 分子量500KD，状如蘑菇。分为球形的F1(头部)和嵌入膜中的F0(基部)，它可以利 用质子动力势合成ATP，也可以水解ATP F1是水溶性球蛋白，由5种多肽组成αβγδε复33合体，具有三个ATP合成的催化位点(每个β亚基具有一个)。3个α和3个β单位交替排列，状如桔瓣，各亚基分离时无酶活性，结合时有酶的活性，γ与ε亚基结合在一起贯穿αβ复33合体，并与F0接触(相当于发电机的转子)，δ与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构 (相当于发电机的定子)。F0是嵌入内膜的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道，由三种多肽abc组成的复合体，12个c亚基组成一个环形结构，a 与b亚基组成二聚体位于环的1 210-12 外侧，与δ共同组成定子。 3)ATP合成酶的作用机制 1979年代Boyer P提出构象耦联假说，一些有力的实验证据使这一学说得到广泛的认可。其要点如下: ,(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与Pi形成ATP(图7-14)。 ,(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。 ,(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。 3、氧化磷酸化作用与电子传递的偶联 1)氧化磷酸化:当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成 ATP的过程。 2)呼吸链上氧化还原释放能量合成ATP的偶联部位: NADH呼吸链:, NADH CoQ;, cytb cyt c; , cyt aa O 3 2 FADH2呼吸链:, cytb cyt c; , cyt aa O 3 2 • 琥珀酸 • FAD 复合物II 复合物I FeS 复合物III +复合物IV H NADH FMN FeS Q cytb FeS cyt c cyt c cyt aaO3 2 1 ADP Pi ATP ADP Pi ATP ADP Pi ATP 水 (三) 氧化磷酸化的偶联机制 1、化学渗透假说内容: 呼吸链(电子传递链)各组分在线粒体内膜中分布是不对称，当高能电子在膜中沿其传递时，+++所释放的能量将H从内膜基质泵到膜间隙，形成H电化学梯度。在这个梯度驱使下，H穿过ATP合成酶回到基质，同时合成ATP,电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键中。 膜内外H+浓度差 2、质子动力势: 膜电位 •The energy released as electrons pass down the gradient from NADH to oxygen is harnessed by three enzyme complexes of the respiratory chain (I, III, and IV) to pump protons (H+) against their concentration gradient from the matrix of the mitochondrion into the intermembrane space •As their concentration increases there (which is the same as saying that the pH decreases), a strong diffusion gradient is set up. The only exit for these protons is through the ATP synthase complex. As in chloroplasts, the energy released as these protons flow down their gradient is harnessed to the synthesis of ATP. The process is called chemiosmosis 3、化学渗透学说特征 1)、质子动力势乃ATP合成的动力，每进入2个H+可驱动合成1个ATP; 2)、线粒体膜结构应具有完整性; 3)、化学反应是定向的，ATP水解时，H+从膜基质流向膜间隙，ATP合成时，则H+流向相反 4)、电子传递与ATP合成是两件相关而又不同的事件 4、线粒体疾病 第二节 叶绿体与光合作用 一、叶绿体的形状、大小与数目 1、质体:叶绿体、白色体、有色体 2、形状与大小: 在高等植物中叶绿体象双凸或平凸透镜，长径5~10um，短径2~4um，厚2~3um。 在藻类中叶绿体形状多样，有网状、带状、裂片状和星形等等，而且体积巨大，可达100um。 3、数目:高等植物的叶肉细胞一般含50,200个叶绿体，可占细胞质的40%，叶绿体的数目因物种细胞类型，生态环境，生理状态而有所不同。 •Chloroplasts are specialized organelles found in all higher plant cells. These organelles contain the plant cell's chlorophyll, hence provide the green color. They have a double outer membrane. Within the stroma are other membrane structures - the thylakoids and grana (singular = granum) where photosynthesis takes place. 二、叶绿体的结构与化学组成 叶绿体结构组成: 1、有叶绿体膜、类囊体和基质三部分组成 2、3种不同的膜:外膜、内膜和类馕体膜 3、3种彼此分开的腔:膜间隙、基质和类囊体腔 (一)、叶绿体膜 1、结构:由双层膜组成，内外膜之间形成膜间隙，外膜通透性大，内膜对通过物质选择性强。 2、主要成分:蛋白质、脂类 3、功能:控制代谢物进出叶绿体 (二)类囊体 1、结构:单层膜封闭形成的扁平囊 2、分类: •1)基粒类囊体:象圆盘一样叠在一起的类囊体。其片层称为基粒片层。 •2)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。其片层称为基质片层。 3、 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。 (三)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。 三、叶绿体的主要功能—光合作用 (一)光合色素和电子传递链的组成 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)，通常叶绿素和类胡萝卜素的比例约为3:1，chla与chlb也约为3:l，全部叶绿素和几乎所有的类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中，与蛋白质以非共价键结合，一条肽链上可以结合若干色素分子，各色素分子间的距离和取向固定，有利于能量传递。 2、捕光色素(天线色素) 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。叶绿体中全部叶绿素b和大部分叶绿素a都是天线色素。另外类胡萝卜素和叶黄素分子也起捕获光能的作用，叫做辅助色素。 3(光系统?(PS?) 吸收高峰为波长680nm处，又称P680。至少包括12条多肽链。 包括一个集光复合体(light-hawesting comnplex ?，LHC ?)、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?(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?和作用中心构成。结合100个左右叶绿素分子、除了几个特殊的叶绿素为中心色素外外，其它叶绿素都是天线色素。三种电子载体分别为A0(一个chla分子)、A1(为维生素K1)及3个不同的4Fe-4S。 5(细胞色素b6/f复合体(cyt b6/f complex) 可能以二聚体形成存在，每个单体含有四个不同的亚基。细胞色素b6(b563)、细胞色素f、铁硫蛋白、以及亚基?(被认为是质体醌的结合蛋白)。 (二)、光合作用 1、光合作用定义:绿色植物叶肉细胞的叶绿体吸收光能，利用水和二氧化碳合成糖类等有机化合物，同时放出氧的过程。 2、光合作用过程: 1)原初反应 2)电子传递与光和磷酸化 3)碳同化 •其中?和?属于光反应，在类囊体膜上进行; ?属于暗反应(dark reaction)，在叶绿体基质中进行。 (一)原初反应 1、定义:是指叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反应为止的过程，包括光能的吸收、传递与转换，即:光能 反应中心 光能 电能 2、光和作用单位:是光和作用的最小单位。 捕光色素 中心色素分子 反映中心构成 原初电子供体D 原初电子受体A 3、过程: h? --D Chl. A D. Chl* .A D .Chl+ .A D +.Chl. A (四) 电子传递与光合磷酸化 1、电子传递 由光系统?(PS?)和光系统? (PSI)协同完成:首先 PS?把电子从低于水的能量水平提高到一个中间点，而PSI又把电子从中间点提到高于NADP+的水平，两个光系统的反应是接力进行的 电子传递与光合磷酸化需说明以下几点: + ?最初电子供体是HO，最终电子受体是NADP。 2+ ?电子传递链中唯一的H-pump是cytbf复合物。类囊体腔的 6 质子浓度比叶绿体基质高，该浓度梯度产生的原因归于:HO光 2+解、cytbf 的H-pump、NADPH的形成。ATP、NADPH在叶绿 6 体基质中形成。 ?电子沿光合电子传递链传递时，分为非循环式光合磷酸化和 循环式光合磷酸化两条通路。循环式传递的高能电子在PS?被光 能激发后经cytbf复合物回到PS?。结果是不裂解HO、 产生 62+O，不形成NADPH，只产生H跨膜梯度，合成ATP 2 2、光和磷酸化 1)定义:光照引起的电子传递与磷酸化相偶联的过程。 2)类型: ,非循环式光合磷酸化:PSII接受 红光 激发态P680*从水光解得到电子 NADP+ 电子传递经过两个光系统 产生H+电化学梯度 ATP合成 , 循环式光合磷酸化:PSI接受远红光后，产生的电子经过A0 、A1、 FeS和Fd，又传给 cytbf 和 PC 而流回到 PSI。电子循环流动，产生H+梯度，从而驱动ATP的合成。在整个过程中，只有ATP的产生，不伴随NADPH的生成，PSII也不参加，所以不产生氧。 3)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(图7-26)。 •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。 (五)光合碳同化 1、碳同化:将光反应所产生的ATP 和NADPH中的活跃的化学能，转换为储存在糖类中稳定的化学能 的过程。这一过程不直接需要光(在叶绿体基质中进行)。 2、卡尔文循环(Calvin cycle) 1)羧化阶段:RuBp 3-磷酸甘油酸 2)还原阶段:3-磷酸甘油酸 1、3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油醛 3)RuBp再生阶段:3-磷酸甘油醛 RuBp 3、C4途径或 Hatch-Slack循环 4、景天科酸代谢途径(CAM途径) 第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 一、半自主性细胞器的概念: 自身含有遗传表达系统(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)。 二、线粒体和叶绿体的DNA 1、mtDNA /ctDNA形状、数量、大小 1)双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA) 2)mtDNA大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大高等植物，120kbp~200kbp; 2、mtDNA和ctDNA 的复制 1)以半保留方式进行自我复制 2) 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。 3) 复制仍受核控制. 三、线粒体和叶绿体的蛋白质合成 1、 线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限 2、线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性 3、不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异 4、参加叶绿体组成的蛋白质来源有,种情况: 1)由ctDNA编码，在叶绿体核糖体上合成; 2)由核DNA编码，在细胞质核糖体上合成; 3)由核DNA编码，在叶绿体核糖体上合成。 四、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装 1、线粒体蛋白质的运送与组装 1)定位于线粒体基质的蛋白质的运送 2)定位于线粒体内膜或膜间隙的蛋白质运送 2、叶绿体蛋白质的运送及组装 1)定位于类囊体中的蛋白运送:前体蛋白N端转运肽分为两个区域，分别引导两步转运，其N端含有导向基质的序列，引导进入基质，而C端有导向类囊体的序列，又引导其穿过类囊体膜进入类囊体腔，转运肽经历两次水解，一次在基质中，一次在类囊体腔; 2)定位于基质中的蛋白运送: 转运肽仅有导向基质的序列，在基质中被切除，转运肽成为成熟蛋白。 第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源 一、线粒体和叶绿体的增殖 1、线粒体的增殖: 1)间壁分离 ，分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两个，常见于鼠肝和植物产生组织中。 2)收缩后分离 ，分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。 3)出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。 2、叶绿体的发育和增殖: 1)个体发育:由前质体(proplastid)分化而来。 2)增殖:分裂增殖 二、 线粒体和叶绿体的起源 1、内共生起源学说 1)1905年，Mereschkowsky提出叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻: 2)1970年，Margulis提出: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，即蓝藻。 3)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。 4)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, 2、非共生起源学说: 1)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。 2)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。 3)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,