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1、第一节 线粒体与氧化磷酸化,线粒体的形态结构 线粒体的化学组成及酶的定位 氧化磷酸化(线粒体的功能) 线粒体与疾病,一、线粒体的形态结构,线粒体的形态、大小、数量与分布 线粒体的超微结构 外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)， 通透性较高。 内膜（inner membrane）：高度不通透性，向内 折叠形成嵴（cristae）。含有与能量转换相关的蛋白 膜间隙（intermembrane space）：含许多可溶性酶、 底物及辅助因子。 基质（matrix）或内室：含三羧酸循环酶系、线粒体基因 表达酶系等以及线粒体DNA, RNA，核糖体。,Structures of
2、the mitochondrion,管状嵴线粒体,人黑色素瘤细胞线粒体,二、线粒体的化学组成及酶的定位,线粒体组分分离方法 线粒体的化学组成 线粒体酶的定位,线粒体的化学组成,蛋白质(线粒体干重的6570) 脂类(线粒体干重的2530)： 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）,三、氧化磷酸化,线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细 胞生命活动提供直接能量；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。 氧化磷酸化(oxidative phos
3、phorylation)的分子基础 氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说 (Chemiosmotic Hypothesis, Mithchell,1961) 质子动力势的其他作用 线粒体能量转换过程略图,真核细胞线粒体中代谢反应,氧化磷酸化的分子基础,氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程，即有机 分子中储藏的能量高能电子质子动力势ATP 氧化(电子传递、消耗氧, 放能)与磷酸化(ADP+Pi，储能) 同时进行，密切偶连，分别由两个不同的结构体系执行 电子传递链(electron-transport chain）的四种复合物， 组成两种呼吸链：NADH呼吸链(复合物I,III,IV组成) FADH2呼
4、吸链（复合物II,III,IV组成） 在电子传递过程中，有几点需要说明 ATP合成酶（ATP synthase）(磷酸化的分子基础),电子传递链（呼吸链）的四种复合物(哺乳类),复合物：NADH-CoQ还原酶复合物（既是电子传递体又是质子移位体） 组成：含42个蛋白亚基，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白。 作用：催化NADH氧化，从中获得2高能电子辅酶Q； 泵出4 H+ 复合物：琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递体而非质子移位体） 组成：含FAD辅基，2Fe-S中心， 作用：催化2低能电子FADFe-S辅酶Q (无H+泵出) 复合物： CoQ-细胞色素c还原酶（既是电子传递体又是质子移位体） 组
5、成：包括1cyt c1、2cyt b、1Fe-S蛋白 作用：催化电子从UQH2cyt c；泵出4 H+ （2个来自UQ， 2个来自基质） 复合物：细胞色素C氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体） 组成： 二聚体，每一单体含13个亚基， 三维构象， cyt a, cyt a3 ,2Cu 作用：催化电子从cyt c分子O2 形成水，2 H+泵出， 2 H+ 参与 形成水,线粒体内膜呼吸链电子传递示意图,在电子传递过程中，有几点需要说明,四种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素(含血红素辅基)、 Fe-S中心、辅酶Q。前三种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性醌。 电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，
6、形成高能电子(能量转化)， 终止于O2形成水。 电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高) 高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物(H+-泵)将H+从基质侧泵到膜间隙， 形成跨线粒体内膜H+梯度(能量转化) 电子传递链各组分在膜上不对称分布,ATP合成酶(磷酸化的分子基础),分子结构 线粒体ATP合成系统的解离与重建实验证明电子传递 与ATP合成是由两个不同的结构体系执行, F1颗粒具有ATP酶活性 工作特点：可逆性复合酶，即既能利用质子电化学 梯度储存的能量合成ATP, 又能水解ATP将质子从 基质泵到膜间隙 ATP合成机制Banding Chan
7、ge Mechanism (Boyer 1979) 亚单位相对于亚单位旋转的直接实验证据,氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说,化学渗透假说内容： 电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子 沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，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。 质子动力势(proton motive force) 支持化学渗透假说的实验证据该实验表明： 质子动力势乃ATP合成的动力 膜应具有完整性 电子传递与ATP合成是两件相关而又不同的事件,“化学渗透假说”(Chemios
8、motic Theory)。认为： 电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧 （matrix）泵至膜间隙（intrmembrane space），形成质子动力势（ P）。 P=-(2.3RT/F)pH 其中：pH= pH梯度， =电位梯度，T=绝对温度，R=气体常 数，F为法拉第常数，当温度为25时P的值为220mV左右。,质子动力势的其他作用,物质转运 产热：冬眠动物与新生儿的Brown Fat Cell 线粒体产生大量热量,四 线粒体与疾病,线粒体是细胞内最易受损伤的一个敏感的细胞器 与人的疾病、衰老和细胞凋亡有关，线粒体异常会影响整个细胞的正常功能，从而导致病变。 例如:克山病
9、是一种心肌线粒体病，因缺乏硒而引起 衰老：细胞中线粒体数量随年龄增长而减少，而 体积却随年龄增长而增大。,第二节 叶绿体与光合作用,叶绿体(Chloroplast)的形态结构 叶绿体的功能光合作用(photosynthesis),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、基质以外还有类囊体； 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,（一）叶绿体膜(叶绿体被膜 chloroplast membrane) 双层膜组成，膜间为1020nm的间隙。 外膜的渗透性大。 内膜对通
10、过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O、等可以透过内膜，ADP、ATP、NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（translator）才能通过内膜。,（二） 类囊体(thylakoid) 是膜围成的扁平囊。主要成分是蛋白质和脂类（60：40），不饱和脂肪酸含量高（约87%），膜流动性高。 基粒（grana）：扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含4060个。 基质类囊体(stroma thylakoid)：连接基粒的没有堆叠的类 囊体。 膜的内在蛋白主要有：细胞色素bf、捕光复合体（LHC）、质体醌（PQ）、质体蓝素（PC）、铁氧化还原蛋白（FD）、黄素蛋白、光系统I、II
11、复合物等。,（三）基质, 是叶绿体内膜与类囊体之间是流动性的基质，其中悬浮着 片层系统。 主要成分包括： 碳同化相关的酶类：如核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶 （RuBP羧化酶）占基质可溶性蛋白总量的60%。 叶绿体DNA、蛋白质合成体系：如，ctDNA、各类RNA、 核糖体等。 一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。,二、叶绿体的功能光合作用 (photosynthesis),光合作用: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 称为光合作用。 (1)光合电子传递反应光反应(Light Reaction) (2)碳固定反应暗反应(Dark
12、 Reaction) 光反应 暗反应(光合碳同化) 光合作用与有氧呼吸的关系图,光反应,在类囊体膜上由光引起的光化学反应，通过叶绿素等光合色素分 子吸收、传递光能，并将光能转换为电能（生成高能电子）， 进而通过电子传递与光合磷酸化将电能转换为活跃化学能， 形成ATP 和NADPH并放出 O2 的过程。 包括原初反应、电子传递和光合磷酸化。 原初反应（primary reaction) 光能的吸收、传递与转换，形成高能电子 (由光系统复合物完成，光合作用单位的概念) 电子传递与光合磷酸化,非循环式光合磷酸化,PSII接受红光后，激发发态P680*从水光解得到电子，传递给NADP+，电子传递经过两
13、个光系统，在传递过程中产生的H+梯度驱动ATP的形成。这个过程中，电子传递是一个开放的通道，故称为非循环光合磷酸化。,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的形成。这种电子的传递是一个闭合的回路，故称为循环式光合磷酸化。,两个光系统的协调作用,暗反应(光合碳同化),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
14、径） C4途径或 Hatch-Slack循环 景天科酸代谢途径,Electron transport in the thylakoid membrane,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)。 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,三、叶绿体的半自主性 线粒体与叶绿体的相似性： 均由两层膜包被，内外膜的性质、结构有显著的差异。 均为半自主性细胞器，具有自身的DNA及转
15、译体系。因此绿色植物细胞内存在3个遗传系统。 叶绿体的ctDNA不足以编码叶绿体所需的全部蛋白质， 因此必须依靠于核基因来编码其余的蛋白质。通过定向转运进入叶绿体的各部分。,一、线粒体和叶绿体的DNA (mtDNA /ctDNA),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。 复制仍受核控制,mtDNA /ctDNA形状、数量、大小,双链环状(除绿藻mtDNA，草履虫mtDNA) mtDNA大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大高等
16、植物，120kbp200kbp； 人mtDNA：16,569bp，37个基因(编码12S,16S rRNA；22种tRNA；13种多肽：NADH脱氢酶7个亚基，cytb-c1复合物中1个cytb，细胞色素C氧化酶3个亚基， ATP合成酶2个Fo亚基),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。,酵母线粒体
17、主要酶复合物的生物合成,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,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,一、线粒体和叶绿体的增殖,线粒体的增殖：由原来的线粒体分裂或出芽而来。 叶绿体的发育和增殖 个体发育：由前质体（proplastid）分化而来。 增殖：分裂增殖,附：线粒体的增殖 线粒体来源于已有的线粒体的分裂。 1. 间壁分离：分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分为两个，常见于鼠肝和植物分生组织中。 2. 收缩后分离：通过中部缢缩分
18、裂为两个。 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。,叶绿体的增殖 在个体发育中叶绿体由前质体发育而来。 在有光条件下前质体的小泡数目增加并融合形成片层，发育为基粒，形成叶绿体。 在黑暗生长时，原质体小泡融合速度减慢，并转变为排列成网格的三维晶格结构，称为原片层，这种质体称为黄色体。在有光下仍可发育为叶绿体。 幼小叶绿体能靠分裂而增殖。 成熟叶绿体一般不再分裂或很少分裂。,二、 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,叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻： Mereschkowsky，1
19、905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,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
20、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,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,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,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？,