《细胞生物学-第6章-细胞的能量转换──线粒体和叶绿体》由会员分享，可在线阅读，更多相关《细胞生物学-第6章-细胞的能量转换──线粒体和叶绿体（90页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学 第4版 Copyright 高等教育出版社 2011 第6章 线粒体和叶绿体 Figure 14 37 Molecular Biology of the Cell Garland Science 2008 本章主要内容 线粒体与氧化磷酸化 叶绿体与光合作用 线粒体和叶绿体的半自主性及其起源 第一节第一节 线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化 l1890年R Altaman首次发现线粒体 命名为生命小体 bioblast 认为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌 l1897年von Benda首次提出mitochondrion l1900年L Michae
2、lis用Janus Green B对线粒体进行染色 发现线粒 体具有氧化作用 lGreen 1948 证实线粒体含所有三羧酸循环的酶 lKennedy和Lehninger 1949 发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在 线粒体内完成的 lHatefi等 1976 纯化了呼吸链四个独立的复合体 lMitchell 1961 1980 提出了氧化磷酸化的化学偶联学说 一 线粒体的形态结构一 线粒体的形态结构 1 1 线粒体的形态 线粒体的形态 l颗粒或短线状 但因生物种类和生理状态而异 可呈环形 哑铃形 线状 分叉状或其它形状 l直径0 5 1 m 长1 5 3 0 m 在胰脏外分泌细胞中可长达10
3、20 m 称巨线粒体 l数目一般数百到数千个 植物因有叶绿体的缘故 线粒体数目相对较 少 肝细胞约1700个线粒体 占细胞体积的20 许多哺乳动物成 熟的红细胞无线粒体 一 线粒体的形态 大小 数量与分布 l分布与细胞内的能量需求密切相关 可向细胞功能旺盛的 区域迁移 微管是其导轨 马达蛋白提供动力 2 2 线粒体的分布 线粒体的分布 Figure 7 4 Relationship between mitochondria and microtubules 鞭毛轴丝 肌原纤维 线粒体的数目呈动态变化并接受调控 与细胞类型相关 随着细胞分化而变化 An TEMAn TEM image of mi
4、tochondrion image of mitochondrion Figure 7 3 Mitochondrial plasticity Rapid changes of shape are observed when a mitochondrion is visualized in a living cell 融合与分裂的动态变化之中 线粒体融合与分裂是线粒体形态调控的基本方式 也是线粒体数目调控的基础 Schematic view of mitochondrion 二 线粒体的超微结构 二 线粒体的超微结构 线粒体由内外两层膜封闭 包括外膜 内膜 膜间隙和基质四 个功能区隔 A B扫描
5、电镜照片 示线粒体内部结构 二 线粒体的超微结构 外膜 通透性很高 孔蛋白 标志酶是单胺氧化酶 内膜 不透性 嵴 ATP 合酶 标志酶是细胞色素氧化酶 氧化磷酸化的关键场所 膜间隙 标志酶是腺苷酸激酶 线粒体基质 催化线粒体重要生化反应 标志酶是苹果酸脱氢酶 含DNA RNA 核糖体及转录 翻译必需重要分子 1 1 外膜 外膜 out membrane out membrane l含40 的脂类和60 的蛋白 具有porin构成的亲水通道 允许分子量 5KD的 分子通过 1KD的分子可自由通过 标志酶为单胺氧化酶 2 2 内膜 内膜 inner membraneinner membrane l
6、含100种以上的多肽 蛋白质和脂类的比例高于3 1 心磷脂含量高达20 缺乏 胆固醇 类似于细菌质膜 标志酶为细胞色素C氧化酶 氧化磷酸化的电子传递链 位于内膜 l通透性很低 仅允许不带电荷的小分子物质通过 大分子和离子通过内膜时需要特 殊的转运系统 如 丙酮酸和焦磷酸是利用H 梯度协同运输 l内膜向线粒体内室褶入形成嵴 cristae 能扩大内膜表面积达5 10倍 嵴有两 种 板层状 管状 但多呈板层状 l嵴上覆有基粒 基粒由头部 F1偶联因子 和基部 F0偶联因子 构成 F0嵌入线 粒体内膜 孔蛋白孔蛋白 肽聚糖 3 3 膜间隙 膜间隙 intermembrane space interm
7、embrane space l 是内外膜之间的腔隙 宽约6 8nm 标志酶为腺苷酸激酶 4 4 基质 基质 matrixmatrix l为内膜和嵴包围的空间 除糖酵解在细胞质中进行外 其他的生物氧 化过程都在线粒体中进行 催化三羧酸循环 脂肪酸和丙酮酸氧化的 酶类均位于基质中 其标志酶为苹果酸脱氢酶 l基质具有一套完整的转录和翻译体系 包括线粒体DNA mtDNA 70S型核糖体 tRNAs rRNA DNA聚合酶 氨基酸活化酶等 l基质中还含有纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质 内含Ca2 Mg2 Zn2 等离子 蛋白质 线粒体干重的65 70 脂类 线粒体干重的25 30 磷脂占3 4以
8、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 二 线粒体的化学组成及酶的定位二 线粒体的化学组成及酶的定位 三 线粒体的功能三 线粒体的功能 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 一 氧化磷酸化的分子基础 一 氧化磷酸化的分子基础 l动物细胞中80 的ATP来源于线粒体 糖 脂肪和氨基酸 彻底氧化 电子经过一系列的传递 传至氧分子 逐级释 放能量 合成ATP l氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程 即有机
9、分子中储 藏的能量 高能电子 质子动力势 ATP l氧化 电子传递 消耗氧 与磷酸化 ADP Pi 是同时进行 密切偶连在一起的 但却由两个不同的结构体系执行 1 1 电子传递链 电子传递链 是指在线粒体内膜上由呼吸传递体组成的电子传递总轨道 主要是 氧化磷酸化有关的脂蛋白复合物 能可逆地接受和释放电子或H 1 1 呼吸链电子载体 呼吸链电子载体 主要有 黄素蛋白 细胞色素 铜原子 铁硫蛋白 辅酶Q等 NAD 即烟酰胺嘌呤二核苷酸 连接三羧酸循环和呼吸链 将代谢过程 中脱下来的氢交给黄素蛋白 黄素蛋白 含FMN或FAD的蛋白 可接受2个电子2个质子 黄素相关的 脱氢酶类有 以FMN为辅基的NA
10、DH脱氢酶 以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶 2 2 呼吸链的复合物 呼吸链的复合物 l呼吸链组分按氧化还 原电位由低向高的方 向排列 2 2 呼吸链的复合物 呼吸链的复合物 l利用脱氧胆酸 deoxycholate 一种离子型去污剂 处理线粒体内膜 分 离出呼吸链的4种复合物 辅酶Q和细胞色素C不属于任何一种复合物 辅 酶Q溶于内膜 细胞色素C位于线粒体内膜的C侧 属于膜的外周蛋白 l组成 42条肽链 呈L型 含一个FMN和至少6个铁硫蛋白 分子量约1MD 以二聚体形式存在 l作用 催化NADH的2个电子传递至辅酶Q 同时将4个质子 由线粒体基质 M侧 转移至膜间隙 C侧 l电子传递的方向 NA
11、DH FMN Fe S Q l总的反应结果 NADH 5H M Q NAD QH2 4H C 复合物I NADH脱氢酶 l组成 至少由4条肽链 含有1个FAD 2个铁硫蛋白 1 个细胞色素b l作用 催化琥珀酸的低能电子至辅酶Q 但不跨膜转移质 子 电子传递的方向为 琥珀酸 FAD Fe S Q 反应结果为 琥珀酸 Q 延胡索酸 QH2 复合物II 琥珀酸脱氢酶 复合物复合物IIIIII 细胞色素 细胞色素c c还原酶 还原酶 l l 组成 组成 至少至少1111条不同肽链 以二聚体形式存在 条不同肽链 以二聚体形式存在 每个单体包含两个细胞色素每个单体包含两个细胞色素b b b566 b56
12、6 b562b562 一个铁硫蛋白和一个细胞色素一个铁硫蛋白和一个细胞色素c c 1 1 l l 作用 作用 催化电子从辅酶催化电子从辅酶QQ传给细胞色素传给细胞色素c c 每转移 每转移 一对电子 同时将一对电子 同时将4 4个质子由线粒体基质泵至膜间个质子由线粒体基质泵至膜间 隙 隙 l l 2 2还原态还原态cyt c1 QHcyt c1 QH 2 2 2 H 2 H MM 2 2氧化态氧化态cyt c1 cyt c1 Q 4HQ 4H C C l组成 为二聚体 每个单体含至少13条肽链 分为三个亚 单位 l作用 将从细胞色素c接受的电子传给氧 每转移一对电 子 在基质侧消耗2个质子 同
13、时转移2个质子至膜间隙 lcyt c CuA heme a a3 CuB O2 l4还原态cyt c 8 H M O2 4氧化态cyt c 4H C 2H2O 复合物IV 细胞色素c氧化酶 A Molecular basis of oxidation Electron transport chain 3 3 电子传递过程中 需要说明的几点 电子传递过程中 需要说明的几点 四种类型电子载体 黄素蛋白 细胞色素 血红素基团Fe 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 电子传递方向按氧化还原
14、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 由复合物I III IV组成主要的呼吸链 催化NADH的脱氢氧化 由复合物II III IV组成 催化琥珀酸的脱氢氧化 对应于每个复合物 大约需要3个复合物 7个复合物 任何两个复合物之间没有稳定的连接结构 而是由辅酶Q和细胞色素 C这样的可扩散性分子连接 呼吸链组分及ATP酶在线粒体内膜上呈 不对称分布 如细胞色素C位于线粒体内膜的C侧 向细胞质的一侧 而ATP酶位于内膜的M侧 向线粒体基
15、质的一侧 4 4 两条主要的呼吸链两条主要的呼吸链 图7 11 两条主要的呼吸链 引自Lodish等1999 Transport of electrons from NADH Transport of electrons from FADH2 l状如蘑菇 属于F型质子泵 l分为突出于膜外的F1头部和嵌入膜中的F0基部 lF1由5种多肽组成 3 3 复合体 具有三个ATP合成的催化位点 每个 亚基 具有一个 亚基有水解酶活性 和 单位交替排列 状如桔瓣 贯穿 复合体 相当于发电机的转子 并与F0接触 艾普西龙 帮助 与F0结合 代尔塔 与F0的两个b亚基形成固定 复合体的结构 相当于发电机的定子
16、 lF0由三种多肽组成ab2c12复合体 嵌入内膜 12个c亚基组成一个环形结构 具 有质子通道 l工作特点 可逆性复合酶 即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 2 2 ATPATP合酶的分子结构与组成合酶的分子结构与组成 1 ATP合酶 ATP synthase F1 particle is the catalytic subunit The F0 particle attaches to F1 and is embedded in the inner membrane F1 5 subunits in the ratio 3 3 1 1 1 F0 1a 2b 12c v The structure of the ATP synthase F1 F0 v The ATP synthase is a reversible coupling device 二 氧化磷酸化的偶联机制 1 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
