6-細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換-線粒體和葉綠體1

6-細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)換-線粒體和葉綠體1第一頁(yè)，共60頁(yè)。第一節(jié)線粒體與氧化磷酸化●線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)●線粒體的化學(xué)組成及酶的定位●氧化磷酸化(線粒體的功能)●線粒體與疾病第二頁(yè)，共60頁(yè)。一、線粒體的形態(tài)結(jié)構(gòu)

●線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布●線粒體的超微結(jié)構(gòu)◆外膜(outermembrane）：含孔蛋白(porin)，通透性較高。◆內(nèi)膜（innermembrane）：高度不通透性，向內(nèi)折疊形成嵴（cristae）。含有與能量轉(zhuǎn)換相關(guān)的蛋白◆膜間隙（intermembranespace）：含許多可溶性酶、底物及輔助因子?！艋|(zhì)（matrix）或內(nèi)室：含三羧酸循環(huán)酶系、線粒體基因表達(dá)酶系等以及線粒體DNA,RNA，核糖體。第三頁(yè)，共60頁(yè)。Structuresofthemitochondrion管狀嵴線粒體第四頁(yè)，共60頁(yè)。第五頁(yè)，共60頁(yè)。第六頁(yè)，共60頁(yè)。人黑色素瘤細(xì)胞線粒體第七頁(yè)，共60頁(yè)。二、線粒體的化學(xué)組成及酶的定位●線粒體組分分離方法●線粒體的化學(xué)組成●線粒體酶的定位第八頁(yè)，共60頁(yè)。第九頁(yè)，共60頁(yè)。第十頁(yè)，共60頁(yè)。線粒體的化學(xué)組成◆蛋白質(zhì)(線粒體干重的65～70％)◆脂類(線粒體干重的25～30％)：·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）

第十一頁(yè)，共60頁(yè)。三、氧化磷酸化

線粒體主要功能是進(jìn)行氧化磷酸化，合成ATP，為細(xì)胞生命活動(dòng)提供直接能量；與細(xì)胞中氧自由基的生成、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞內(nèi)多種離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)及電解質(zhì)穩(wěn)態(tài)平衡的調(diào)控有關(guān)。 ●氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)的分子基礎(chǔ) ●氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制—化學(xué)滲透假說(shuō)(ChemiosmoticHypothesis,Mithchell,1961) ●質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)的其他作用 ●線粒體能量轉(zhuǎn)換過(guò)程略圖第十二頁(yè)，共60頁(yè)。真核細(xì)胞線粒體中代謝反應(yīng)第十三頁(yè)，共60頁(yè)。氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)

◆氧化磷酸化過(guò)程實(shí)際上是能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，即有機(jī)分子中儲(chǔ)藏的能量高能電子質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)ATP◆氧化(電子傳遞、消耗氧,放能)與磷酸化(ADP+Pi，儲(chǔ)能)同時(shí)進(jìn)行，密切偶連，分別由兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)體系執(zhí)行 ◆電子傳遞鏈(electron-transportchain）的四種復(fù)合物，組成兩種呼吸鏈：NADH呼吸鏈(復(fù)合物I,III,IV組成)FADH2呼吸鏈（復(fù)合物II,III,IV組成） ◆在電子傳遞過(guò)程中，有幾點(diǎn)需要說(shuō)明 ◆ATP合成酶（ATPsynthase）(磷酸化的分子基礎(chǔ))第十四頁(yè)，共60頁(yè)。電子傳遞鏈（呼吸鏈）的四種復(fù)合物(哺乳類)

◆復(fù)合物Ⅰ：NADH-CoQ還原酶復(fù)合物（既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體）組成：含42個(gè)蛋白亞基，至少6個(gè)Fe-S中心和1個(gè)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4H+◆復(fù)合物Ⅱ：琥珀酸脫氫酶復(fù)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(wú)H+泵出)◆復(fù)合物Ⅲ：CoQ-細(xì)胞色素c還原酶（既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體）組成：包括1cytc1、2cytb、1Fe-S蛋白作用：催化電子從UQH2cytc；泵出4H+（2個(gè)來(lái)自UQ，2個(gè)來(lái)自基質(zhì)）◆復(fù)合物Ⅳ：細(xì)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(gè)亞基，

三維構(gòu)象，cyta,cyta3,2Cu

作用：催化電子從cytc分子O2形成水，2H+泵出，2H+參與形成水第十五頁(yè)，共60頁(yè)。線粒體內(nèi)膜呼吸鏈電子傳遞示意圖第十六頁(yè)，共60頁(yè)。第十七頁(yè)，共60頁(yè)。在電子傳遞過(guò)程中，有幾點(diǎn)需要說(shuō)明◆四種類型電子載體：黃素蛋白、細(xì)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?！綦娮觽鬟f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(shì)遞增的方向傳遞(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高)◆高能電子釋放的能量驅(qū)動(dòng)線粒體內(nèi)膜三大復(fù)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(duì)稱分布第十八頁(yè)，共60頁(yè)。第十九頁(yè)，共60頁(yè)。ATP合成酶(磷酸化的分子基礎(chǔ))◆分子結(jié)構(gòu)◆線粒體ATP合成系統(tǒng)的解離與重建實(shí)驗(yàn)證明電子傳遞與ATP合成是由兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)體系執(zhí)行,

F1顆粒具有ATP酶活性◆工作特點(diǎn)：可逆性復(fù)合酶，即既能利用質(zhì)子電化學(xué)梯度儲(chǔ)存的能量合成ATP,又能水解ATP將質(zhì)子從基質(zhì)泵到膜間隙◆ATP合成機(jī)制—BandingChangeMechanism(Boyer1979)◆亞單位相對(duì)于亞單位旋轉(zhuǎn)的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)第二十頁(yè)，共60頁(yè)。第二十一頁(yè)，共60頁(yè)。氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)制—化學(xué)滲透假說(shuō)◆化學(xué)滲透假說(shuō)內(nèi)容：電子傳遞鏈各組分在線粒體內(nèi)膜中不對(duì)稱分布，當(dāng)高能電子沿其傳遞時(shí)，所釋放的能量將H+從基質(zhì)泵到膜間隙，形成H+電化學(xué)梯度。在這個(gè)梯度驅(qū)使下，H+穿過(guò)ATP合成酶回到基質(zhì)，同時(shí)合成ATP,電化學(xué)梯度中蘊(yùn)藏的能量?jī)?chǔ)存到ATP高能磷酸鍵?！糍|(zhì)子動(dòng)力勢(shì)(protonmotiveforce)◆支持化學(xué)滲透假說(shuō)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)該實(shí)驗(yàn)表明：·質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)乃ATP合成的動(dòng)力·膜應(yīng)具有完整性·電子傳遞與ATP合成是兩件相關(guān)而又不同的事件第二十二頁(yè)，共60頁(yè)?！盎瘜W(xué)滲透假說(shuō)”(ChemiosmoticTheory)。認(rèn)為：?電子沿呼吸鏈傳遞時(shí)，所釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)（matrix）泵至膜間隙（intrmembranespace），形成質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)（△P）。?△P=Ψ-(2.3RT/F)△pH–其中：△pH=pH梯度，Ψ=電位梯度，T=絕對(duì)溫度，R=氣體常數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，當(dāng)溫度為25℃時(shí)△P的值為220mV左右。第二十三頁(yè)，共60頁(yè)。質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)的其他作用◆物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)◆產(chǎn)熱：冬眠動(dòng)物與新生兒的BrownFatCell線粒體產(chǎn)生大量熱量第二十四頁(yè)，共60頁(yè)。四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)胞器與人的疾病、衰老和細(xì)胞凋亡有關(guān)，線粒體異常會(huì)影響整個(gè)細(xì)胞的正常功能，從而導(dǎo)致病變。例如:克山病是一種心肌線粒體病，因缺乏硒而引起衰老：細(xì)胞中線粒體數(shù)量隨年齡增長(zhǎng)而減少，而體積卻隨年齡增長(zhǎng)而增大。第二十五頁(yè)，共60頁(yè)。第二節(jié)葉綠體與光合作用●葉綠體(Chloroplast)的形態(tài)結(jié)構(gòu)●葉綠體的功能—光合作用(photosynthesis)第二十六頁(yè)，共60頁(yè)。一、葉綠體(Chloroplast)的形態(tài)結(jié)構(gòu)●葉綠體與線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)比較 葉綠體內(nèi)膜并不向內(nèi)折疊成嵴；內(nèi)膜不含電 子傳遞鏈；除了膜間隙、基質(zhì)以外還有類囊體； 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)第二十七頁(yè)，共60頁(yè)。（一）葉綠體膜(葉綠體被膜chloroplastmembrane)?雙層膜組成，膜間為10~20nm的間隙。?外膜的滲透性大。?內(nèi)膜對(duì)通過(guò)物質(zhì)的選擇性很強(qiáng)，CO2、O2、Pi、H2O、等可以透過(guò)內(nèi)膜，ADP、ATP、NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透過(guò)內(nèi)膜，需要特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)體（translator）才能通過(guò)內(nèi)膜。第二十八頁(yè)，共60頁(yè)。（二）類囊體(thylakoid)?是膜圍成的扁平囊。主要成分是蛋白質(zhì)和脂類（60：40），不飽和脂肪酸含量高（約87%），膜流動(dòng)性高。?基粒（grana）：扁平小囊堆疊而成，每個(gè)葉綠體含40~60個(gè)。?基質(zhì)類囊體(stromathylakoid)：連接基粒的沒(méi)有堆疊的類囊體。?膜的內(nèi)在蛋白主要有：細(xì)胞色素bf、捕光復(fù)合體（LHC）、質(zhì)體醌（PQ）、質(zhì)體藍(lán)素（PC）、鐵氧化還原蛋白（FD）、黃素蛋白、光系統(tǒng)I、II復(fù)合物等。第二十九頁(yè)，共60頁(yè)。（三）基質(zhì)?是葉綠體內(nèi)膜與類囊體之間是流動(dòng)性的基質(zhì)，其中懸浮著片層系統(tǒng)。?主要成分包括：?碳同化相關(guān)的酶類：如核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（RuBP羧化酶）占基質(zhì)可溶性蛋白總量的60%。?葉綠體DNA、蛋白質(zhì)合成體系：如，ctDNA、各類RNA、核糖體等。?一些顆粒成分：如淀粉粒、質(zhì)體小球和植物鐵蛋白等。第三十頁(yè)，共60頁(yè)。Chloroplast基粒類囊體膜基質(zhì)葉綠體外膜與內(nèi)膜淀粉顆粒第三十一頁(yè)，共60頁(yè)。第三十二頁(yè)，共60頁(yè)。第三十三頁(yè)，共60頁(yè)。 二、葉綠體的功能—光合作用 (photosynthesis)光合作用:綠色植物葉肉細(xì)胞的葉綠體吸收光能，利用水和二氧化碳合成糖類等有機(jī)化合物，同時(shí)放出氧的過(guò)程稱為光合作用。(1)光合電子傳遞反應(yīng)—光反應(yīng)(LightReaction)

(2)碳固定反應(yīng)—暗反應(yīng)(DarkReaction)●光反應(yīng)●暗反應(yīng)(光合碳同化)●光合作用與有氧呼吸的關(guān)系圖第三十四頁(yè)，共60頁(yè)。光反應(yīng)

在類囊體膜上由光引起的光化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)葉綠素等光合色素分子吸收、傳遞光能，并將光能轉(zhuǎn)換為電能（生成高能電子），進(jìn)而通過(guò)電子傳遞與光合磷酸化將電能轉(zhuǎn)換為活躍化學(xué)能，形成ATP和NADPH并放出O2的過(guò)程。包括原初反應(yīng)、電子傳遞和光合磷酸化?！粼醴磻?yīng)（primaryreaction) ·光能的吸收、傳遞與轉(zhuǎn)換，形成高能電子 (由光系統(tǒng)復(fù)合物完成，光合作用單位的概念)◆電子傳遞與光合磷酸化第三十五頁(yè)，共60頁(yè)。非循環(huán)式光合磷酸化PSII接受紅光后，激發(fā)發(fā)態(tài)P680*從水光解得到電子，傳遞給NADP+，電子傳遞經(jīng)過(guò)兩個(gè)光系統(tǒng)，在傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的H+梯度驅(qū)動(dòng)ATP的形成。這個(gè)過(guò)程中，電子傳遞是一個(gè)開(kāi)放的通道，故稱為非循環(huán)光合磷酸化。第三十六頁(yè)，共60頁(yè)。循環(huán)式光合磷酸化PSI接受遠(yuǎn)紅光后，產(chǎn)生的電子經(jīng)過(guò)A0、A1、FeS和Fd,又傳給Cytbf和PC而流回到PSI。電子循環(huán)流動(dòng)，產(chǎn)生H+梯度，從而驅(qū)動(dòng)ATP的形成。這種電子的傳遞是一個(gè)閉合的回路，故稱為循環(huán)式光合磷酸化。第三十七頁(yè)，共60頁(yè)。兩個(gè)光系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用第三十八頁(yè)，共60頁(yè)。暗反應(yīng)(光合碳同化)

利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH，使CO2還原為糖類等有機(jī)物，即將活躍的化學(xué)能最后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的化學(xué)能，積存于有機(jī)物中。這一過(guò)程不直接需要光(在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行)?！艨栁难h(huán)（Calvincycle）（C3途徑）◆C4途徑或Hatch-Slack循環(huán)◆景天科酸代謝途徑第三十九頁(yè)，共60頁(yè)。Electrontransportinthethylakoidmembrane第四十頁(yè)，共60頁(yè)。第四十一頁(yè)，共60頁(yè)。第三節(jié)線粒體和葉綠體是半自主性細(xì)胞器●半自主性細(xì)胞器的概念： 自身含有遺傳表達(dá)系統(tǒng)(自主性)；但編碼 的遺傳信息十分有限，其RNA轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯、自身構(gòu)建和功能發(fā)揮等必須依賴核基因組編碼的遺傳信息(自主性有限)。●線粒體和葉綠體的DNA●線粒體和葉綠體的蛋白質(zhì)合成●線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)送與組裝第四十二頁(yè)，共60頁(yè)。三、葉綠體的半自主性?線粒體與葉綠體的相似性：?①均由兩層膜包被，內(nèi)外膜的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)有顯著的差異。?②均為半自主性細(xì)胞器，具有自身的DNA及轉(zhuǎn)譯體系。因此綠色植物細(xì)胞內(nèi)存在3個(gè)遺傳系統(tǒng)。?③葉綠體的ctDNA不足以編碼葉綠體所需的全部蛋白質(zhì)，因此必須依靠于核基因來(lái)編碼其余的蛋白質(zhì)。通過(guò)定向轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入葉綠體的各部分。第四十三頁(yè)，共60頁(yè)。一、線粒體和葉綠體的DNA

(mtDNA/ctDNA)●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)制仍受核控制第四十四頁(yè)，共60頁(yè)。mtDNA/ctDNA形狀、數(shù)量、大小◆雙鏈環(huán)狀(除綠藻mtDNA，草履蟲(chóng)mtDNA)◆mtDNA大小在動(dòng)物中變化不大，但在植物中變化較大高等植物，120kbp~200kbp；◆人mtDNA：16,569bp，37個(gè)基因(編碼12S,16SrRNA；22種tRNA；13種多肽：NADH脫氫酶7個(gè)亞基，cytb-c1復(fù)合物中1個(gè)cytb，細(xì)胞色素C氧化酶3個(gè)亞基，ATP合成酶2個(gè)Fo亞基)第四十五頁(yè)，共60頁(yè)。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(duì)核基因組具有依賴性●不同來(lái)源的線粒體基因，其表達(dá)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(lái)源有３種情況：

◆由ctDNA編碼，在葉綠體核糖體上合成；

◆由核DNA編碼，在細(xì)胞質(zhì)核糖體上合成；

◆由核DNA編碼，在葉綠體核糖體上合成。第四十六頁(yè)，共60頁(yè)。酵母線粒體主要酶復(fù)合物的生物合成第四十七頁(yè)，共60頁(yè)。三、線粒體和葉綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)送與組裝●線粒體蛋白質(zhì)的運(yùn)送與組裝 ◆定位于線粒體基質(zhì)的蛋白質(zhì)的運(yùn)送 ◆定位于線粒體內(nèi)膜或膜間隙的蛋白質(zhì)運(yùn)送 ●葉綠體蛋白質(zhì)的運(yùn)送及組裝第四十八頁(yè)，共60頁(yè)。第四十九頁(yè)，共60頁(yè)。第五十頁(yè)，共60頁(yè)。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●線粒體和葉綠體的起源第五十一頁(yè)，共60頁(yè)。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：分裂增殖第五十二頁(yè)，共60頁(yè)。附：線粒體的增殖線粒體來(lái)源于已有的線粒體的分裂。1.間壁分離：分裂時(shí)先由內(nèi)膜向中心皺褶，將線粒體分為兩個(gè)，常見(jiàn)于鼠肝和植物分生組織中。2.收縮后分離：通過(guò)中部縊縮分裂為兩個(gè)。3.出芽：見(jiàn)于酵母和蘚類植物，線粒體出現(xiàn)小芽，脫落后長(zhǎng)大，發(fā)育為線粒體。第五十三頁(yè)，共60頁(yè)。葉綠體的增殖?在個(gè)體發(fā)育中葉綠體由前質(zhì)體發(fā)育而來(lái)。?在有光條件下前質(zhì)體的小泡數(shù)目增加并融合形成片層，發(fā)育為基粒，形成葉綠體。?在黑暗生長(zhǎng)時(shí)，原質(zhì)體小泡融合速度減慢，并轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕谐删W(wǎng)格的三維晶格結(jié)構(gòu)，稱為原片層，這種質(zhì)體稱為黃色體。在有光下仍可發(fā)育為葉綠體。?幼小葉綠體能靠分裂而增殖。?成熟葉綠體一般不再分裂或很少分裂。第五十四頁(yè)，共60頁(yè)。二、線粒體和葉綠體的起源●內(nèi)共生起源學(xué)說(shuō)（en