1、第六章 细胞的能量转换线粒体和叶绿体,第一节 线粒体与氧化磷酸化 一、线粒体（mitochondrion）的形态结构 二、线粒体的功能 第二节 叶绿体与光合作用 一、叶绿体(Chloroplast)的形态结构 二、叶绿体的功能光合作用 第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 一、线粒体和叶绿体的DNA 二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成 三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装 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 二、线粒体和叶绿体的起源,作业,（一）线粒体的形态、大小、数量与分布 1、多形性：线状、颗粒状、环形、哑铃型、枝装 2、易变性：形状、大小改变 3、运动性： 4、适
2、应性： 5、大小不等、数量不等、分布不均匀,（二）线粒体的结构与化学组成,双层单位膜套叠而成封闭的囊状结构,线粒体的超微结构外膜：含孔蛋白，通透性较高。内膜：高度不通透性，向内折叠形成嵴，含有与能量转换相关的蛋白：执行氧化反应的电子传递链；ATP合成酶；内膜转运蛋白膜间隙：含许多可溶性酶、底物及辅助因子基质：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。,二、线粒体的功能,（一）氧化代谢,真核细胞中糖类、蛋白质和脂肪的氧化代谢概况,糖类、蛋白质和脂肪消化水解为各自的构件分子，然后进一步降解为共同产物乙酰CoA后，进入TCA循环。 所有20种氨基酸，都可被分解成丙酮
3、酸或乙酰CoA或TCA循环的中间产物。 TCA循环是细胞内主要分解代谢途径的聚合点，线粒体成为绝大多数细胞代谢过程中最终的能量转换和输出中心。,细胞中糖代谢： 在细胞质基质中，糖酵解产生丙酮酸和NADH。如果缺氧，丙酮酸被NADH还原成乳酸，反应中生成的NAD+被糖酵解重新利用； 如果有氧存在，丙酮酸在膜转运蛋白的协助下进入线粒体基质，在丙酮酸脱氢酶系催化下氧化脱羧，形成乙酰CoA，同时NAD+还原成NADH。 糖酵解产生的NADH自身不能进入线粒体，但NADH上的电子可通过两种不同的穿梭途径进入线粒体，然后将线粒体中的NAD+还原为NADH，FAD还原为FADH2。 乙酰CoA通过TCA循环
4、，产生NADH和FADH2，这些分子中的电子通过呼吸链最终传递给氧，生成水。 如果1分子葡萄糖被彻底氧化为CO2和H2O，可产生大约30个ATP分子。,甘油-3-磷酸穿梭系统,甘油-3-磷酸穿膜过程甘油-3-磷酸穿梭过程中，线粒体外的NADH在细胞质中甘油-3-磷酸脱氢酶催化下，电子从NADH转移给二羟丙酮磷酸生成甘油-3-磷酸，进入膜间隙，被内膜中的以FAD为辅基的线粒体甘油-3-磷酸脱氢酶催化脱氢，生成二羟丙酮磷酸和FADH2，FADH2中的电子从复合物进入呼吸链，二羟丙酮磷酸又穿梭回到细胞质。,（二）电子传递链和电子载体 1、电子载体: 黄素蛋白、细胞色素、泛醌、铜原子,线粒体内膜呼吸链
5、电子传递示意图,线粒体内膜两条呼吸链的组分、排列及氧化磷酸化的偶联部位,NADH呼吸链，由复合物、组成，传递氧化NADH释放的电子。 FADH2呼吸链，由复合物、组成，传递氧化FADH2的电子。以上情况是根据接受代谢物上脱下的氢的原初受体不同而区分的。,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个高能电子辅酶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个低能电子FADFe-S辅酶Q (无H+泵出
6、)。 复合物：细胞色素bc1复合物（既电子传递体又是质子移位体）组成：包括1cyt c1、1cyt 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，cyta, cyta3 ,Cu, Fe 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。,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（FMN）、细胞色素(含血红素辅基,aa3铜)、 Fe-S中心、辅酶Q。前三种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性醌（QH
7、、QH2）；电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，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。,（三）质子转移和质子驱动力的形成,电子通过复合物途径的Q循环,图中标出的H+数是有一个电子传递所产生的。,细胞色素氧化酶的结构及电子流经4个氧化还原中心示意图,（四）ATP形成机制氧化磷酸化,1、ATP合酶的结构与组成 F1：突出于膜外，由3、3、9
8、个亚基组成， 33组成“橘瓣”状结构， 亚基有催化ATP合成或水解的活性，亚基一起形成“转子”，位于33中央，共同旋转以调节3个亚基催化位点的开放与关闭。 F0：嵌于膜内，由ab2c1012组成，a、b、亚基组成“定子”,线粒体ATP合酶的结构,ATP合成及其水解示意图,2、能量耦联与ATP合酶的作用机制,化学渗透假说（英国，Mitchell,19611978诺贝尔化学奖）：电子传递链各组分在线粒体内膜中呈不对称分布，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（质子动力势）。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
9、储存到ATP高能磷酸键。,线粒体内膜中通过呼吸链进行氧化磷酸化的图解,质子移动势,质子移动势,膜电位,H+浓度梯度,质子移动势,质子移动势,膜电位,H+浓度梯度,线粒体内膜两侧的质子动力势与浓度的示意图,ATP合成酶的作用机制,结合变构机制 (Boyer 1979)）：质子梯度的作用并不是用于形成ATP，而是使ATP从酶分子上解脱下来；ATP合酶上的3个亚基的氨基酸序列是相同的，但它们的构象却不同，即在任意时刻，3个催化亚基以3种不同构象存在，与核苷酸具有不同的亲和性；ATP通过旋转催化而合成，在此过程中，通过F0“通道”的质子流引起c亚基环和附着于其上的亚基纵轴在33的中央进行旋转，旋转是由
10、F0质子通道所进行的质子跨膜运动来驱动的。,图示： 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。 在T构象（紧密结合态），酶与ADP和Pi的结合很紧，并能自动形成ATP，并能与ATP牢牢结合，当亚基旋转并将复合物转变成O型则会释放ATP ； L构象（松散结合态），酶同ADP和Pi的结合较强；O构象（空置态）：酶几乎不与ATP、ADP和Pi结合。,结合变构旋转催化机制：质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基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A
11、TP,日本的吉田（Massasuke Yoshida）等人将33固定在玻片上，在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亚基带动肌动蛋白纤维旋转。,F0和旋转的实验验证,1994年，Walker发表的牛心线粒体F1-ATP酶晶体结构,细菌、线粒体和叶绿体的内膜上ATP合酶示意图,各种生物体内膜上的ATP合酶,（一）叶绿体(Chloroplast)的形状、大小和数量,香蕉形，象双凸或平凸透镜，长径510um，短径24um，厚23um。叶肉细胞一般含50200个叶绿体，占细胞质的40%。,（二）叶绿体的结构 和化学组成 外被（chloroplast en
12、velope）：亦称叶绿体膜，双层单位膜外膜：厚度68nm，通透性大，。内膜：厚度68nm，通透性选择性强，有酶和脂类。膜间隙：宽度1020nm，内、外膜之间的空腔。 类囊体（thylakoid）：呈扁平膜囊状。基粒及基粒类囊体，0.250.8um，厚度0.01um，每个叶绿体含有4060个，一个基粒由530个基粒类囊体组成；片层或基质类囊体；基质。类囊体膜：PSI、PSII、细胞色素bf、CF0-CF1ATP酶分布类囊体腔:膜囊与基质隔开的区室，建立电化学梯度和ATP合成有关。 基质（stroma）：叶绿体内膜与类囊体之间的区室。RuBPase、DNA、RNA、核糖体、脂滴、淀粉粒,二、叶绿
13、体的功能光合作用 (photosynthesis),（一）原初反应 （二）电子传递和光合磷酸化 （三）光合碳同化,（一）原初反应（primary reaction)： 光能的吸收、传递与转换，形成高能电子,光合作用原初反应的能量吸收、传递与转换图解 Chl为反应中心色素分子； D为原初电子供体； A为原初电子受体,1、光合色素,PS,（二）电子传递与光合磷酸化 1、电子传递,2、光合磷酸化 最初电子供体是H2O，最终电子受体是NADP+。 电子传递链中唯一的H+-pump是cytb6f复合物。 类囊体腔的质子浓度比叶绿体基质高，该浓度梯度产生的原因归于： H2O光解、cytb6f 的H+-pu
14、mp、NADPH的形成。ATP、NADPH在叶绿体基质中形成。 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cytb6f复合物回到PS。结果是不裂解H2O、 产生O2，不形成NADPH，只产生H+跨膜梯度，合成ATP 。,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)。 植物中暗反应方式有：C3、C4和景天酸代谢3种。,卡尔文循环（Calvin cycle）（C3途径）,卡尔文循环的3
15、个阶段示意图,C4途径或 Hatch-Slack循环,景天科酸代谢途径,景天科及其他肉质植物的叶片，气孔白天关闭，夜间开放，以减少水分的蒸发，夜间吸进CO2，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下，与磷酸烯醇式丙酮酸结合，生成草酰乙酸，进一步还原为苹果酸。白天CO2从苹果酸中经氧化脱羧释放出来，参与卡尔文循环，最后形成淀粉。,半自主性细胞器 自主性:自身含有遗传表达系统、DNA、转录、翻译系统； 自主性有限:但编码的遗传信息十分有限，核基因组为其提供绝大部分遗传信息；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控制。,第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器,mtDNA /ctDNA特
16、征 双链环状(绿藻、草履虫 mtDNA 非双链环状)mtDNA大小在动物中变化不大，酵母mtDNA 7.5Kb，在植物中变化较大 ，高等植物约120 kbp200 kbp；人mtDNA：最小，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)ctDNA大小也变化大，200-2500Kb，刺松藻的ctDNA最小，85Kb。每个线粒体中约含6个mtDNA分子，约110-16g，每个叶绿体中约含12各ctDNA分子，约110-14g,一、线粒体和叶绿
17、体的DNA,mtDNA和ctDNA均以半保留方式进行自我复制，复制仍受核控制，复制所需的DNA聚合酶由核DNA编码，在胞质核糖体上合成 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。 ctDNA、mtDNA、核DNA之间存在交流,二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成,组成线粒体各部分的蛋白质，绝大多数都是有核DNA编码并在细胞质核糖体上合成后再运送到线粒体各自的功能位点上。,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。,
18、三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装,由核基因编码，在细胞质核糖体上合成的线粒体、叶绿体的蛋白质向这两个细胞器的各自功能部位运送以更新或组装。运送的蛋白质其前体蛋白由成熟形式的蛋白质和N端的前导肽共同组成。 向线粒体运送的蛋白质的导肽一级结构含2080个氨基酸残基。导肽的结构有以下特征：含带正电荷的碱性氨基酸，如精氨酸；羟基氨基酸如丝氨酸含量较高；几乎不含带负电荷的酸性氨基酸；可形成既具亲水性又具疏水性的螺旋结构，便于穿膜；含有识别线粒体的信息；导肽决定运送方向，对被运送的蛋白质无特异性要求。,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，靠导肽片
19、段导向信息,叶绿体蛋白质的运送及组装,细胞质中合成的叶绿体前体蛋白，其N端含一个额外的氨基酸序列称为转运肽。牵引叶绿体蛋白、外源蛋白抵达叶绿体的各功能部位。,一、线粒体和叶绿体的增殖,线粒体的增殖：间隔或隔膜分离：鼠肝、植物分生组织收缩分裂、出芽：酵母和蕨类植物 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,线粒体增殖间隔或隔膜分离图,线粒体增殖间隔或隔膜分离图,线粒体的增殖收缩分裂、出芽图示,在有光和无光的条件下，前质体的发育图解,（a）在光照条件下，前质体发育为叶绿体的三个时期； （b）在无光条件下，前质体则分化为前片层小体。CIS：扁囊 CL：
20、前片层小体的晶体 CM：质体的双层膜G：基粒 V：小泡,菜豆（Phaseolus vulgaris)白色体在光照条件下，前片层小体转变成类囊体的电镜照片,PG：前片层小体，呈晶体状，发育出类囊体；G基粒类囊体，已开始成摞；T：小泡融合成类囊体。,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,Mereschkowsky，1905年：叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻 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。,原始厌氧原核
21、细胞吞食需氧菌 细胞膜多重内褶原核复合生物 内褶形成内质网、核膜等（共生关系）被吞食的原核生物演变为细胞器 真核植物细菌 线粒体 真核动物 真核细胞 真菌 蓝藻 叶绿体 某些原生生物,内共生学说,内共生起源学说的主要论据,1、基因组在大小、形态和结构方面与细菌相似。 2、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（mRNA、tRNA、核糖体、起始氨基酸-tRNA）有很多类似细菌而不同于真核生物。 3、形态、大小、结构方面，线粒体与细菌相似，叶绿体与蓝细菌相似，外膜与真核细胞细胞的质膜相似，内膜与细菌质膜相似，有内褶和酶分布。 4、以分裂的方式进行繁殖，与细菌的繁殖方式相同。
22、5、线粒体和叶绿体能在异源细胞内长期生存。 6、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。 7、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？ 迄今为止，尚未发现能吞噬其它细胞的原核生物 线粒体DNA中发现有例外的遗传密码,非共生
23、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。细胞核、线粒体和质体均可由祖先原核细胞的质膜内褶包围的一定区域进化而成。 成功之处：解释了真核细胞膜系统的形成与演化的渐进过程。,真核细胞起源的分隔假说示意图,不足之处,1、实验证据不多 2、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 3、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。 4、真核细胞的细胞核能否起源于细菌的核区？,谢谢！,思考题,一、基本概念 偶联因子 氧化磷酸化 光合磷酸化 线粒体DNA 半自主性 二、简答题与论述题 1、怎样理解线粒体和叶绿体是细胞内的两种能量转换器？ 2、用表格的方式比较线粒体和叶绿体在基本结构方面的异同。 3、电子传递链与氧化磷酸化之间有何关系？ 4、试比较线粒体的氧化磷酸化与叶绿体的光合磷酸化的异同点。 5、氧化磷酸化偶联机制的化学渗透假说的主要论点是什么？有哪些证据？ 6、由核基因编码、在细胞质核糖体上合成的蛋白质是如何送至线粒体和叶绿体的功能部位上的？ 7、为什么说线粒体和叶绿体是半自主性细胞器？ 8、简述线粒体与叶绿体的内共生起源学说和非共生起源学说的主要论点及其实验证据。,
