第七章細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換—線粒體和葉綠體

1、第七章 細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換線粒體和葉綠體一 教學(xué)目標(biāo)：1 深刻理解線粒體和葉綠體是真核細(xì)胞兩種重要的產(chǎn)能細(xì)胞器。線粒體廣泛存在于各類真核細(xì)胞中，而葉綠體僅存在于植物細(xì)胞中。2 深刻理解線粒體和葉綠體的超微結(jié)構(gòu)，理解氧化磷酸化和光合磷酸化的特點(diǎn)和不同點(diǎn)。3 深刻理解線粒體和葉綠體都是半自主性的細(xì)胞器。深刻理解分子伴娘在跨膜運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)進(jìn)入線粒體和葉綠體的過(guò)程中所發(fā)揮的作用。4 理解線粒體和葉綠體的增殖主要是通過(guò)分裂進(jìn)行的。理解關(guān)于線粒體和葉綠體起源的內(nèi)共生學(xué)說(shuō)和分化學(xué)說(shuō)。二重點(diǎn)：1.線粒體、葉綠體的超微結(jié)構(gòu)；2. 線粒體、葉綠體的自主性3. 線粒體、葉綠體的增殖。三難點(diǎn)：線粒體、葉綠體的超微結(jié)構(gòu)及功能

2、的關(guān)系。四授課方式與教學(xué)方法：講授、討論、多媒體輔助教學(xué)。五教學(xué)內(nèi)容:線粒體和葉綠體是細(xì)胞內(nèi)的兩種產(chǎn)能細(xì)胞器。線粒體普遍存在于各類真核細(xì)胞中，葉綠體僅存在于植物細(xì)胞中。 線粒體和葉綠體都是高效的產(chǎn)生ATP的精密裝置，盡管它們最初能量的來(lái)源不同，但卻有著相似的基本結(jié)構(gòu)，以類似的方式合成ATP。線粒體和葉綠體都有環(huán)狀DNA及自身轉(zhuǎn)錄的RNA與翻譯蛋白質(zhì)的體系。組成線粒體和葉綠體的各種蛋白質(zhì)成分是由核DNA和線粒體DNA或葉綠體DNA分別編碼的，所以線粒體和葉綠體都是半自主性細(xì)胞器。 第一節(jié) 線粒體與氧化磷酸化一、線粒體形態(tài)、大小、數(shù)目和分布二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)本世紀(jì)50年代后，在電鏡下觀察研究線粒

3、體的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。是由雙層單位膜套疊成的所謂“囊中之囊”，在空間結(jié)構(gòu)上人為地劃分為四大部分，即外膜、內(nèi)膜、外室、內(nèi)室。（一）外膜（outer membrane）指包圍在線粒體最外面的一層膜，看上去平整光滑而具有彈性，膜厚約6nm。對(duì)各種小分子物質(zhì)（分子量在10000 doldon以內(nèi)，如電解質(zhì)、水、蔗糖等）的通透性較高，有人認(rèn)為外膜上具有小孔（23nm）。（二）內(nèi)膜（inner membrane）也是一單位膜，約厚68nm。內(nèi)膜不同于外膜。首先是在結(jié)構(gòu)上，內(nèi)膜不是平滑的，而是由許多向線粒體腔內(nèi)的突起（褶疊或小管），被稱為“線粒體嵴”（mitochondria cristae），是線粒體最富有標(biāo)志性

4、的結(jié)構(gòu)，它的存在大大擴(kuò)大了內(nèi)膜的表面積，增加了內(nèi)膜的代謝效率。（三）外室（outer space）（膜間隙）指內(nèi)、外膜之間的窄小空隙，寬約68 nm，又稱膜間隙（intermembrane space）。（四）內(nèi)室（mner space）指由內(nèi)膜包圍的空間，其內(nèi)充滿蛋白質(zhì)性質(zhì)的物質(zhì)，稱線粒體基質(zhì)（mitochondria matrix）。三、線粒體的化學(xué)組成及定位（chemical composition）（一）蛋白質(zhì) 外膜含量（60%）低于內(nèi)膜含量（80%），主要為酶類（約120余種）。外膜：?jiǎn)伟费趸福?biāo)記酶）、NADH細(xì)胞色素C還原酶、脂肪酸輔酶A連接酶等等；內(nèi)膜：呼吸鏈酶系（細(xì)胞色素氧

5、化酶為標(biāo)記酶）、ATP合成酶、琥珀酸脫H酶等等；外室：腺苷酸激酶（標(biāo)記酶）、核苷二磷酸激酶；內(nèi)室：三羧酸循環(huán)酶系（其中蘋(píng)果酸脫H酶是標(biāo)記酶）、脂肪酸氧化酶、蛋白質(zhì)合成酶系等等（二）脂類 外膜中含量（40%）高于內(nèi)膜中的含量（20%）。其中內(nèi)膜不含膽固醇，而含心磷脂較多。（三）核酸 基質(zhì)中有DNA，稱mtDNA四、線粒體的功能生物氧化（biological oxidation） 亦稱細(xì)胞呼吸（cellular respiration），指各類有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行氧化分解，最終產(chǎn)生CO2和 H2O，同時(shí)釋放能量（ATP）的過(guò)程。包括TCA環(huán)、電子傳遞和氧化磷酸化三個(gè)步驟，分別是在線粒體的不同部位進(jìn)

6、行的。第二節(jié) 葉綠體與光合作用（chloroplast & photosynthesis） 葉綠體是植物細(xì)胞特有的雙層膜圍成的細(xì)胞器，它對(duì)生物界的存在和進(jìn)化有著重大貢獻(xiàn)（三個(gè)最初：一是人類、動(dòng)物、多數(shù)微生物的食物的最初來(lái)源；二是人類社會(huì)利用的古生物燃料煤、石油、天然氣的最初來(lái)源；三是地球上氧氣的最初來(lái)源），主要功能在于：吸收光能，合成碳水化合物，同時(shí)產(chǎn)生分子氧，總稱為光合作用（photosynthesis）一、葉綠體的形狀、大小、數(shù)目、分布二、超微結(jié)構(gòu) 近年來(lái)，先后有許多學(xué)者采用超薄切片、負(fù)染色和冰凍蝕刻等先進(jìn)技術(shù)，研究葉綠體的形態(tài)和組成，揭示葉綠體囊狀膜系統(tǒng)的超微結(jié)構(gòu)。1 葉綠體膜（

7、chl membrane）是兩層光滑的單位膜（內(nèi)、外膜）6-8nm，也稱外被（outer envelope），是一個(gè)有選擇的屏障，控制著葉綠體代謝物質(zhì)的進(jìn)入和排出。2 基質(zhì)（stroma）指葉綠體膜包圍的，無(wú)結(jié)構(gòu)，呈流動(dòng)狀態(tài)的物質(zhì)。即葉綠體內(nèi)膜與類囊體之間無(wú)定形物質(zhì)，在基質(zhì)中存在：（1）葉綠體DNA 環(huán)狀，每一葉綠體內(nèi)可含有幾十個(gè)拷貝；（2）70S核糖體；（3）mRNA、tRNA；（4）酶類；（5）RUBP羧化酶；（6）各種離子。3 類囊體類囊體在基質(zhì)中有兩種形式存在，一種是較小的扁囊，多個(gè)530（10100個(gè)）相互疊置成一摞，形成的結(jié)構(gòu)稱基粒（grana）。每一葉綠體中約含有4080個(gè)基粒。

8、組成基粒的類囊體稱基粒類囊體（granum-thylakoid）或基粒片層（grana lamella）。另一種是較大的扁囊，貫穿于基粒之間，稱基粒間類囊體或基質(zhì)類囊體（stroma-thylakoid）或基質(zhì)片層（stroma lamella）。它們順著葉綠體的縱軸彼此平行排列。其存在意義在于，使膜片層的總面積大大超出葉綠體的面積。三、化學(xué)組成四、葉綠體的功能光合作用（photosynthesis） 綠色植物細(xì)胞，吸收光能，還原CO2，并利用水提供氫合成碳水化合物，同時(shí)放出分子氧的過(guò)程，稱為光合作用?？傔^(guò)程分為兩個(gè)階段：光反應(yīng)和暗反應(yīng)。第三節(jié) 線粒體和葉綠體是半自主性細(xì)胞器一、線粒體與葉綠體

9、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 二、線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成（一） 線粒體的蛋白質(zhì)合成 線粒體基質(zhì)中除有DNA外，還有各種RNA、核糖體、氨基酸活化酶等，說(shuō)明它能合成自我繁殖所需的某些成分，但數(shù)量不多，只占線粒體全部蛋白質(zhì)的10%，約有13種（20個(gè)分子）左右。有人估算：×10（每周10個(gè)核苷酸）=14705對(duì)核苷酸，能編碼4902個(gè)氨基酸（除以3），假設(shè)一個(gè)蛋白質(zhì)分子由150個(gè)氨基酸組成

10、，則能編碼30個(gè)左右蛋白質(zhì)分子，如果除去編碼RNA、rRNA、tRNA的信息量（占總信息量的30%），余下的信息量只能編碼約20個(gè)左右的蛋白質(zhì)分子。綜上所述，線粒體有自身的DNA，有一整套蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，能夠復(fù)制和再生，使其一代代傳下去，所以具有一定的自主性。（二）葉綠體蛋白質(zhì)的合成 葉綠體中的蛋白質(zhì)（酶）一部分是在葉綠體中由它自己的DNA編碼，經(jīng)過(guò)mRNA轉(zhuǎn)錄和翻譯形成的，有一部分則是由核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)中形成后轉(zhuǎn)入葉綠體的。還有一部分是由核基因編碼，在葉綠體的核糖體上合成。三、對(duì)細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)的依賴性大 無(wú)論是線粒體還是葉綠體，它們的自主性是有限的，下面以線粒體為例說(shuō)明之。核質(zhì)蛋白質(zhì)合成

11、系統(tǒng)通過(guò)合成某些酶類來(lái)調(diào)節(jié)線粒體的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。在有氯霉素存在的條件下培養(yǎng)鏈孢霉細(xì)胞，這時(shí)線粒體的蛋白質(zhì)合成受抑制，但線粒體的三羧酸循環(huán)酶類、電子傳遞鏈中的NADH脫氫酶、CytC、以及DNA-Poly-merase、RNA-Polymerase、核糖體蛋白質(zhì)、各種氨基酸活化酶等有關(guān)線粒體DNA復(fù)制和基因表達(dá)的酶類依然存在。而這些酶是由核基因編碼，在細(xì)胞質(zhì)中合成，然后轉(zhuǎn)移到線粒體的。這說(shuō)明細(xì)胞質(zhì)的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)（或者說(shuō)核質(zhì)蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)）通過(guò)合成某些酶類來(lái)調(diào)節(jié)線粒體的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。 又：在有放線菌酮存在下培養(yǎng)鏈孢霉細(xì)胞，由于細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)受抑制，結(jié)果培養(yǎng)一段時(shí)間后，線粒體的合成活性也

12、顯著下降。這足以說(shuō)明線粒體對(duì)細(xì)胞核和其他細(xì)胞質(zhì)部分有很大依賴性。實(shí)際上也是這樣，線粒體DNA所編碼的蛋白質(zhì)只有它自身全部蛋白質(zhì)的10%，絕大部分是由核DNA編碼的。 從上述看出，線粒體的生長(zhǎng)增殖是受核基因組和線粒體基因組兩套遺傳系統(tǒng)的共同控制，故稱線粒體為半自主性細(xì)胞器。四、物質(zhì)進(jìn)出線粒體的穿膜機(jī)制 細(xì)胞質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)運(yùn)送至線粒體，大多數(shù)以前體的形式存在，而且是需能過(guò)程。前體蛋白質(zhì)包括有功能的“成熟”形式和氨基未端引伸出的一段導(dǎo)肽（引肽，Leader seguences，在葉綠體特稱為“轉(zhuǎn)運(yùn)肽”）共同組成。導(dǎo)肽約含2080個(gè)氨基酸，又叫氨基末端指導(dǎo)肽。進(jìn)入線粒體的過(guò)程大致為：1帶有N-末端導(dǎo)

13、肽的前體蛋白質(zhì)首先與外膜上受體結(jié)合；2蛋白質(zhì)橫跨外、內(nèi)膜；3N-末端導(dǎo)肽被基質(zhì)中的蛋白酶切制；4活化的成熟蛋白質(zhì)進(jìn)入基質(zhì)。五、線粒體、葉綠體的增殖與起源一、線粒體和葉綠體的增殖線粒體的增殖：由原來(lái)的線粒體分裂或出芽而來(lái)。 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(lái)。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(shuō)（endosymbiosis hypothesis)葉綠體起源于細(xì)胞內(nèi)共生的藍(lán)藻：線粒體源于細(xì)胞內(nèi)共生的細(xì)菌。 生物的藍(lán)細(xì)菌（Cyanobacteria），即藍(lán)藻。內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)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。有自己完整的蛋白質(zhì)合成

14、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。兩層被膜有不同的進(jìn)化來(lái)源，外膜與細(xì)胞的內(nèi)膜系統(tǒng)相似，內(nèi)膜與細(xì)菌 質(zhì)膜相似。以分裂的方式進(jìn)行繁殖，與細(xì)菌的繁殖方式相同。能在異源細(xì)胞內(nèi)長(zhǎng)期生存，說(shuō)明線粒體和葉綠體具有的自主性與共生性 的特征。線粒體的祖先很可能來(lái)自反硝化副球菌或紫色非硫光合細(xì)菌。發(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(lái)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

15、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(shuō)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(shuō)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。它比典型的原核細(xì)胞大，這樣就要增加逐漸具有呼吸功能的膜表面，開(kāi)始是通過(guò)細(xì)菌細(xì)胞膜的內(nèi)陷、擴(kuò)張和分化，后逐漸形成線粒體和葉綠體的雛形。在進(jìn)化的最初基因組復(fù)制并不伴隨細(xì)胞分裂，然后基因組附近質(zhì)膜內(nèi)陷形成雙層膜而包圍基因組形成原始的線粒體和葉綠體及細(xì)胞核等細(xì)胞器。后來(lái)在進(jìn)化中進(jìn)一步分化，如線粒體和葉綠體一部分基因丟失而細(xì)胞核高度發(fā)展，逐漸形成現(xiàn)在的真核細(xì)胞。成功之處：解釋了真核細(xì)胞核被膜的形成與演化的漸進(jìn)過(guò)程

16、。不足之處不足之處實(shí)驗(yàn)證據(jù)不多無(wú)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(lái)源也很難解釋。真核細(xì)胞的細(xì)胞核能否起源于細(xì)菌的核區(qū)？五課堂小結(jié)：線粒體主要功能是呼吸作用，內(nèi)含DNA和核糖體，分裂增殖，具有自主性，起源于細(xì)菌。葉綠體主要功能是光合作用，內(nèi)含DNA和核糖體，分裂增殖，具有自主性，起源于藍(lán)細(xì)菌。1 一節(jié)應(yīng)掌握線粒體的超微結(jié)構(gòu)，理解氧化磷酸化發(fā)生的場(chǎng)所及其反應(yīng)過(guò)程2 第二節(jié)應(yīng)掌握葉綠體的超微結(jié)構(gòu)，了解光合作用發(fā)生的場(chǎng)所及其各步反應(yīng)的特點(diǎn)。3 第三節(jié)應(yīng)深刻理解線粒體和葉綠體是半自主性的細(xì)胞器，雖有環(huán)狀DNA和蛋白質(zhì)合成的全套機(jī)構(gòu)，但其自身合成的蛋白質(zhì)種類是十分有限的。細(xì)胞質(zhì)中合成的蛋白質(zhì)在分子伴娘的協(xié)助下跨膜運(yùn)送進(jìn)入線粒體和葉綠體，與其自身合成的蛋白質(zhì)共同組裝成呼吸鏈和酶。4 第四節(jié)應(yīng)理解線粒體和葉綠體的增殖主要是通過(guò)分裂進(jìn)行的。掌握關(guān)于線粒體和葉綠體起源的內(nèi)共生學(xué)說(shuō)和分化學(xué)說(shuō)。 教學(xué)內(nèi)容與考核要求第一節(jié) 線粒體與氧化磷酸化1線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu) （1）線粒體的數(shù)量、分布和超微結(jié)構(gòu)（識(shí)記）（2）線粒體的化學(xué)組成和酶的定位2線粒體的功能（領(lǐng)會(huì)）（1） 氧化磷酸化的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（2） 氧化磷酸化的耦聯(lián)機(jī)制3線粒體與疾病第二節(jié) 葉綠體與光合