第七章線粒體與葉綠體07-細胞生物學在線

1、MITOCHONGDRION AND CHLOROPAST,第七章 線粒體與葉綠體,MITOCHONGDRION AND CHLOROPAST,第七章 線粒體與葉綠體,本章內(nèi)容提要,第一節(jié) 線粒體線粒體的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)、作用機理，線粒體的發(fā)生。第二節(jié) 葉綠體葉綠體的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，光合磷酸化作用機理，葉綠體的發(fā)生。,,第一節(jié) 線粒體,1890，Altaman首次發(fā)現(xiàn)，命名為bioblast；1898，von Ben

2、da提出mitochondrion；1900，Michaelis發(fā)現(xiàn)線粒體具有氧化作用；1948，Green，1949，Kennedy和Lehninger分別發(fā)現(xiàn)三羧酸循環(huán)和脂肪酸氧化是在線粒體內(nèi)完成的。,一、結(jié)構(gòu),（一）形態(tài)粒狀或桿狀;直徑0.5~1，長1.5~3.0μm；胰外分泌細胞中可達10~20μm，稱巨線粒體。肝細胞約1300個線粒體，占細胞體積的20%，人類紅細胞無線粒體。,,An TEM image of mit

3、ochondrion,（二）分布,多分布在細胞功能旺盛的區(qū)域，可向這些區(qū)域遷移，微管是其導軌、馬達蛋白提供動力。,Mitochondria distributed in skeletal muscle,（三）功能區(qū)隔,分為外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四部分。,Schematic view of mitochondrion,1、外膜 (out membrane)具有porin構(gòu)成的親水通道，允許小分子物質(zhì)通過，標志酶為單胺氧化酶。2、內(nèi)膜

4、 （inner membrane）類似細菌質(zhì)膜；心磷脂含量高(達20%)、缺乏膽固醇，通透性很低。,內(nèi)膜的標志酶為細胞色素C氧化酶。內(nèi)膜具有嵴，能擴大表面積（5~10倍），分兩種：①板層狀、②管狀；嵴上有基粒。3、膜間隙 ：是內(nèi)外膜之間的腔隙，寬約6-8nm。標志酶為腺苷酸激酶。,Models of mitochondrial membrane structures,Lamellar cristae,Tubular cristae

5、,4、基質(zhì)（matrix）含三羧酸循環(huán)、脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶類；mtDNA及核酸、蛋白合成體系；纖維絲和致密顆粒狀物質(zhì)，內(nèi)含Ca2+、Mg2+、Zn2+等離子。標志酶為蘋果酸脫氫酶。,二、氧化磷酸化的分子基礎(chǔ),動物細胞80%的ATP來源于線粒體。,Mitochondrial function,（一）電子載體,1、NAD：連接Kreb循環(huán)和呼吸鏈，將氫交給黃素蛋白。 2、黃素蛋白：含F(xiàn)MN或FAD，可接受2個電子2個質(zhì)子。

6、相關(guān)脫氫酶：①NADH脫氫酶(FMN)；②琥珀酸脫氫酶( FAD)。,NAD （nicotinamide adenine dinucleotide）， ＆ NADP,Flavin mononucleotide(FMN)& Flavin adenine dinucleotide,3、細胞色素：含血紅素鐵，通過Fe3+/ Fe2+變化傳遞電子，包括細胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有銅原子。,4、鐵硫蛋白：分子結(jié)構(gòu)中每個

7、鐵原子和4個硫原子結(jié)合，通過Fe3+/Fe2+互變進行電子傳遞，有2Fe-2S和4Fe-4S兩種類型。,5、輔酶Q：脂溶性小分子醌類化合物，有3種形式，即：氧化型醌Q，還原型氫醌QH2和自由基半醌QH。,（二）呼吸鏈的復合物,呼吸鏈組分按氧化還原電位由低向高排列。用脫氧膽酸處理mt內(nèi)膜、分離出4種呼吸鏈復合物。,1、復合物I：NADH脫氫酶。組成：42條肽鏈，呈L型，含一個FMN和至少6個鐵硫蛋白，以二聚體形式存在。作用：催化NA

8、DH的2個電子至輔酶Q，同時由M側(cè)轉(zhuǎn)移4個質(zhì)子至C側(cè)。NADH→FMN→Fe-S→QNADH + 5H+M + Q→NAD+ + QH2 + 4H+C,2、復合物II：琥珀酸脫氫酶組成：至少4條肽鏈，含1個FAD，2個鐵硫蛋白。作用：催化琥珀酸的低能 電子至輔酶Q，不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2,3、復合物III：細胞色素c還原酶。組成：至少11條肽鏈，二聚體，含細胞色素b566 、

9、 b562、1個鐵硫蛋白和1個細胞色素c1 。作用：催化電子從輔酶Q傳給細胞色素c，每轉(zhuǎn)移1對電子轉(zhuǎn)移4個H＋至C側(cè)。2還原態(tài)cyt c1 + QH2 + 2 H+M→2氧化態(tài)cyt c1 + Q+ 4H+C,Q cycle,4、復合物IV：細胞色素c氧化酶組成：二聚體，每個單體至少13條肽鏈。 作用：將從細胞色素c接受的電子傳給氧，每轉(zhuǎn)移一對電子，在M側(cè)消耗2個質(zhì)子，同時轉(zhuǎn)移2個質(zhì)子至C側(cè)。cyt c→CuA→heme a→

10、a3- CuB→O24還原態(tài)cyt c + 8 H+M + O2→4氧化態(tài)cyt c + 4H+C + 2H2O,（三）兩條主要的呼吸鏈,①復合物I-III-IV組成，催化NADH的脫氫氧化。②復合物II-III-IV組成，催化琥珀酸的脫氫氧化。對應(yīng)于每個復合物Ⅰ，約需3個復合物Ⅲ，7個復合物Ⅳ，兩個復合物之間由輔酶Q或細胞色素c這樣的可擴散性分子連接。,Transport of electrons from NADH,Trans

11、port of electrons from FADH2,三、氧化磷酸化的作用機理,（一）質(zhì)子動力勢Mitchell(1961)提出“化學滲透假說”。認為：電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)(M側(cè))泵至膜間隙(C側(cè))，形成質(zhì)子動力勢（ △P）。△P=Ψ-(2.3RT/F)△pH其中：△pH= pH梯度， Ψ =電位梯度，T=絕對溫度，R=氣體常數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，當溫度為25℃時△P的值為220mV左右。,Che

12、miosmotic Theory,（二）ATP合酶（ATP synthase）,F型質(zhì)子泵；分為球形的F1（頭部）和嵌入膜中的F0（基部）。F1：α3β3γδε復合體，具有3個ATP合成的催化位點（每個β亞基1個）。F0：ab2c12復合體，嵌入內(nèi)膜，12個c亞基組成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)子通道。,ATP synthase,1979年Boyer提出構(gòu)象耦聯(lián)假說。其要點如下：1．ATP酶利用質(zhì)子動力勢，催化ATP合成。2．F1有3個

13、催化位點，催化位點有3種構(gòu)象。3．質(zhì)子通過F0時，引起c亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，帶動γ亞基旋轉(zhuǎn)，γ亞基端部高度不對稱，引起β亞基3個催化位點構(gòu)象的周期性變化（L、T、O），不斷將ADP和Pi加合在一起，形成ATP。,支持構(gòu)象耦聯(lián)假說的實驗：,吉田（Massasuke Yoshida）等,（三）P/O值,指每消耗一個氧原子所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)，它表示氧化磷酸化的效率。通常認為NADH／3，F(xiàn)ADH2／2；也有人認為前者為2.5，后者為1.5

14、。,（四）氧化磷酸化抑制劑,1．電子傳遞抑制劑抑制復合物I，如阿米妥、魚藤酮。,,Amytal,rotenone,抑制復合物II，如：2-噻吩甲酰三氟丙酮和萎銹靈。,2-Thenoyltrifluoroacetone,carboxin,,,抑制復合物III，如抗霉素A 。,Antinomycin A 1,抑制復合物IV，如CO、CN、NaN3、H2S。,電子傳遞抑制劑可用來研究呼吸鏈各組分的排列順序，當呼吸鏈某一特定部位被抑制后，底物

15、一側(cè)均為還原狀態(tài)，氧一側(cè)均為氧化態(tài)，可用分光光度計檢測。,2．磷酸化抑制劑與F0結(jié)合，阻斷H+通道。如寡霉素。,oligomycin,3．解偶聯(lián)劑（uncoupler）解偶聯(lián)蛋白(UCPs)：位于動物棕色脂肪組織和肌肉線粒體，與維持體溫有關(guān)。質(zhì)子載體： DNP、FCCP。質(zhì)子通道：增溫素。,四、線粒體的半自主性,①環(huán)形DNA；② 70S核糖體，對氯霉素敏感，對放線菌酮不敏感；③RNA聚合酶可被利福平、鏈霉素等抑制 ；④tRNA和

16、氨酰基-tRNA合成酶不同于細胞質(zhì)中的；⑤蛋白質(zhì)合成的起始氨基酸為N-甲酰甲硫氨酸。,五、線粒體的增殖,新線粒體來源于線粒體的分裂。,FtsZ ring structures around the division site of a chloroplast and mitochondrion,第二節(jié) 葉綠體,光合作用是地球上有機體生存和發(fā)展的根本源泉。綠色植物年產(chǎn)干物質(zhì)達1014公斤。,一、形態(tài)與結(jié)構(gòu),狀如透鏡，長徑5~10，短徑2

17、~4，厚2~3um。葉肉細胞含50~200個，占細胞質(zhì)的40%。由外被、類囊體和基質(zhì)3部分組成。含3種不同的膜：外膜、內(nèi)膜、類囊體膜；3種彼此分開的腔：膜間隙、基質(zhì)和類囊體腔。,Chloroplast,（一）葉綠體外被,雙層膜組成，膜間為10~20nm的間隙。外膜的通透性大，內(nèi)膜通透性低；ADP、ATP、 NADP+、葡萄糖和焦磷酸等需要特殊的轉(zhuǎn)運體才能通過內(nèi)膜。,（二） 類囊體,類囊體膜：流動性高，內(nèi)在蛋白有：細胞色素b6／f復

18、合體、集光復合體(LHC)、質(zhì)體醌(PQ)、質(zhì)體藍素(PC)、鐵氧化還原蛋白(FD)、黃素蛋白、光系統(tǒng)I、II復合物?；＃罕馄叫∧叶询B而成，含40~60個?；|(zhì)類囊體：連接基粒的沒有堆疊的類囊體。,（三）基質(zhì),內(nèi)膜與類囊體之間的空間，主要成分包括：碳同化相關(guān)的酶類：如RuBP羧化酶。葉綠體DNA、蛋白質(zhì)合成體系。一些顆粒成分：如淀粉粒、質(zhì)體小球和植物鐵蛋白等。,二、光合磷酸化作用機理,光合作用分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)；光反應(yīng)需要

19、光，涉及水的光解和光合磷酸化；暗反應(yīng)不需要光，涉及CO2的固定，分為C3和C4兩類。,,（一）光合色素和電子傳遞鏈組分,1．光合色素包括：葉綠素、類胡蘿卜素，比例約3:1。葉綠素分為a、b，比例約3:1。,,-CHO in chl b,2．集光復合體約200個葉綠素分子和一些肽鏈構(gòu)成。全部葉綠素b和大部分葉綠素a都是天線色素。,3．光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）：P680至少包括12條肽鏈，位于基粒于基質(zhì)非接觸區(qū)域的類囊體膜上。包括一個

20、集光復合體Ⅱ、一個反應(yīng)中心和一個含錳原子的放氧復合體。,4．細胞色素b6/f復合體可能以二聚體形成存在，每個單體含有四個不同的亞基。5．光系統(tǒng)Ⅰ（PSI）：P700位于基粒與基質(zhì)接觸區(qū)和基質(zhì)類囊體膜中，由集光復合體I和作用中心構(gòu)成。,Noncyclic photophosphorylation,Cyclic photophosphorylation,PSI and PSII,（二）光合磷酸化,一對電子從P680經(jīng)P700傳至NAD

21、P+，在類囊體腔增加4個H+，在基質(zhì)中1個H+被用于還原NADP+，使類囊體腔有較高的H+（pH≈5），形成質(zhì)子動力勢。H+經(jīng)ATP合酶（ CF1-F0 偶聯(lián)因子）滲入基質(zhì)、推動ATP合成。,,,Electron transport in the thylakoid membrane,三、葉綠體的半自主性,線粒體與葉綠體結(jié)構(gòu)的相似性：①兩層膜包被，內(nèi)外膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同。②為半自主性細胞器，綠色植物細胞具有3個遺傳系統(tǒng)。③具有蛋白

22、質(zhì)后轉(zhuǎn)譯現(xiàn)象。,四、葉綠體的增殖,在個體發(fā)育中葉綠體由原質(zhì)體發(fā)育而來。有光條件下原質(zhì)體的小泡增加并融合成片層，發(fā)育為基粒。幼小葉綠體能靠分裂而增殖，成熟葉綠體一般不再分裂。,,葉綠體的發(fā)生,SEM image of an isolated dividing chloroplast,第三節(jié) 線粒體與葉綠體的蛋白質(zhì)定向轉(zhuǎn)運,一、線粒體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運,用標記氨基酸培養(yǎng)細胞，用氯霉素和放線菌酮分別抑制線粒體和細胞質(zhì)的蛋白合成，發(fā)現(xiàn)人mtDN

23、A僅編碼13條多肽：細胞色素c氧化酶的3個亞基，F(xiàn)0的2個亞基，NADH脫氫酶的7個亞基和細胞色素b。,線粒體含1000多種蛋白，絕大多數(shù)由核基因編碼，在細胞質(zhì)中合成，定向轉(zhuǎn)運至線粒體。前體蛋白在運輸前，以未折疊形式存在，N端的一段信號序列稱為導肽或引肽，完成轉(zhuǎn)運后被酶切除，成為成熟蛋白，這種現(xiàn)象稱后轉(zhuǎn)譯。,信號肽特點：多位于肽鏈N端，約20個氨基酸構(gòu)成； 形成兩性α螺旋，帶正電荷的氨基酸殘基和不帶電荷的疏水氨基酸殘基分別位于螺

24、旋兩側(cè)；對所牽引的蛋白質(zhì)沒有特異性要求。,蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運涉及轉(zhuǎn)位因子。TOM復合體：通過外膜，進入膜間隙。TIM復合體：進入基質(zhì)(TIM23)或內(nèi)膜(TIM22)。OXA復合體：將線粒體合成的蛋白和某些進入基質(zhì)的蛋白插到內(nèi)膜上。線粒體內(nèi)外膜之間存在接觸點，蛋白通過此處的TOM和TIM復合體，一步進入基質(zhì)。,mitochondrial protein import machinery.,Contact Sites of Mitoc

25、hondria,Protein Transport into Inner Membrane and Intermembrane Space Requires Two Signal Sequences,蛋白質(zhì)的輸入是一個耗能過程：在線粒體外解除與前體蛋白質(zhì)結(jié)合的分子伴娘，需要通過水解ATP獲得能量。在通過TIM復合體時利用質(zhì)子動力勢作為動力。前體蛋白進入線粒體基質(zhì)后，線粒體hsp70依次結(jié)合在蛋白質(zhì)線性分子上，將蛋白質(zhì)“鉸進”基質(zhì)，

26、需要消耗ATP，然后hsp70將蛋白質(zhì)交給hsp60，完成折疊。,二、葉綠體的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運,葉綠體蛋白轉(zhuǎn)運與線粒體的相似。 如：都發(fā)生后轉(zhuǎn)譯；每一種膜上有特定的轉(zhuǎn)位因子；內(nèi)外膜具有接觸點；需要能量，利用ATP和質(zhì)子動力勢；前體蛋白N端有信號序列，使用后被信號肽酶切除。,The general import machinery of the chloroplast envelope membranes,Translocation