1、第七章 细胞的能量转换线粒体和叶绿体线粒体与氧化磷酸化叶绿体与光合作用线粒体和叶绿体是半自主性细胞器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 心磷脂膜间隙（intermembrane space）：含许多可溶性酶、 底物及辅助因子。基质（matrix）：含三羧酸循
2、环酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体 DNA, RNA，核糖体。执行氧化反应的电子传递链ATP 合成酶（头部：偶联因子 F1）线粒体内膜转运蛋白二、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
3、质稳态平衡的调控有关。氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)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, FADH2 呼吸
4、链在电子传递过程中，有几点需要说明ATP 合成酶（ATP synthase）(磷酸化的分子基础)电子传递链的四种复合物复合物：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 25 个以上亚基，至少 6 个 Fe-S 中心和 1 个 FMN。作用：催化 NADH 氧化，从中获得 2 高能电子 辅酶 Q； 泵出 2 H+复合物： CoQ-细胞色素 c 复合物（既是电子传递体又是质子移位体） 组成：包括 1cyt b 、1cyt c1、1Fe-S 蛋白作用：催化电子从 UQH2cyt c；泵出 2 H+ 复合物：细胞色素氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体）组成： 二聚体，每
5、一单体含 6-13 个亚基， 三维构象， cyt a, cyt a3 ,Cu, Fe 作用：催化电子从 cyt c分子 O2 形成水，2 H+泵出， 形成水复合物：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)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，形成高能电子 (能量转化)， 终止于 O2 形成水。 电子传递方向按
6、氧化还原电位递增的方向传递(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 Change Mechanism (Boyer
7、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
8、Cell线粒体产生大量热量第二节 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。叶绿体超微结构二、叶绿体的功能光合作用 (photosynthesis)Photosynthesis:(1)光合电子传递反应光反应(Light Reaction) (2)碳固定反应暗反应(Dark Reaction)光反应暗反应(碳固定)光合作用与
9、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，水光解，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电子传递与光合磷酸化电子传递与光合磷酸化需说明以下几点：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。
10、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+-pump、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
11、行 )。卡尔文循环（Calvin cycle） （C3 途径）C4 途径或 Hatch-Slack 循环景天科酸代谢途径第三节 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一、线粒体和叶绿体的 DNAmtDNA /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
12、， 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，cyt b-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
13、粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性（7-4）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。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。线粒体分裂方式：1.间壁或隔膜分离：
14、内膜内摺或贯通嵴，只有外膜相连；常见鼠肝和植物分生组织.收缩分离：中部缢缩并向两端拉长，哑铃形，常见酵母和蕨类.出芽：球形小芽，与母体分离；酵母和藓类叶绿体的发育和增殖个体发育：由前质体（proplastid）分化而来。前质体存在于根或芽的分生组织中，内膜内摺形成小管状的类囊体原基，光照条件下，连接成链状，断开，生长融合形成基质类囊体黑暗条件下，形成前片层体增殖：分裂增殖，叶绿体的近中部向内收缩，形成两个子叶绿体 主要幼龄叶绿体分裂二、 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：Meresch
15、kowsky，1905 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硫
16、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，它比典型的原核细胞大，这样就要逐渐增加具有呼吸功能的膜表面积，开始是通过细胞膜的内陷扩张和分化，逐渐形成线粒体和叶绿
17、体的雏形。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？线粒体主要酶的分布酵母线粒体主要酶复合物的生物合成ATP 合成酶包括两个基本组分：球形的 F1 头部（33）和嵌于内膜的 F0 基部(ab2c10-12)结合变构机制、旋转催化假说（1）质子梯度的作用并不适用于合成 ATP，而是使 ATP 从酶分子上解脱下来；（2） ATP 合成酶的 3 个 亚基的氨基酸序列是相同
18、的，但它们的构象却不同。即在任何一时刻， 3 个 亚基以不同的构象存在，从而使它们的核苷酸具有不同的亲和性。（3）ATP 通过旋转催化而合成，通过 Fo“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，由质子跨膜运动来驱动。由于在外侧有“定子”的固定作用，相对于膜表面是静止的。旋转在 360范围内分 3 步发生， 亚基就会与一个不同的 亚基相接触。正是这种接触迫使 亚基转变为 -空缺构象。 亚基的一次完整旋转（360）必然使每一个 亚基都经历3 种不同的构象变化，导致合成 3 个 ATP 以及从酶表面的释放。ATP 合成和质子的转运偶联的具体过程1）F0 的 a
19、亚基 Arg210 和 c 亚基 Asp61 产生瞬间的盐桥，使 c 亚基 Asp61 从高 pKa 态变成较低 pKa 态。此时， H+在跨膜质子流的驱动下进入 F0，与 c 亚基表面带负电荷的 Asp61 结合致使 c 亚基构象发生改变，引起 c 亚基顶部的极性环沿逆时针方向旋转大约 30 ，同时与 亚基结合。2） a 亚基和 c 亚基解聚， c 亚基 Asp61 重新回到高 pKa 态， H+从 61 位的 Asp 中释放出来，同时 c 亚基极性环与 亚基解离。 如此往复，当 F0 上的 H+转运积累到足够的扭力矩驱动 在 33 的中央旋转 120 ，导致 - ATP 亚基释放一个ATP 分子。Walker 及酶其同事 1994 年发表的 0.28nm 的牛心线粒体 F1- ATP晶体构象，有力地证明了旋转催化假说的正确性。
