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1、第七章 细胞的能量转换线粒体和叶绿体,合肥师范学院 生命科学系 张雁,本章主要内容,相关背景：线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。 第一节 线粒体与氧化磷酸化 第二节 叶绿体与光合作用 第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器 第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源,2,相关背景：,1、 生物的基本能量来源于太阳光的辐射能。但生物体不能直接利用太阳光的辐射能，必须先使之转换成化学能，再为生物体利用。 叶绿体通过光合作用把光能转换为化学能，并储存于糖类、脂肪和蛋白质等大分子有机物中。 线粒体是一种高效地将有机物转换为细胞生命活动的直接能源ATP的细胞器。 因此，线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞
2、器。,2、 线粒体和叶绿体都具有环状DNA及自身转RNA与翻译蛋白质体系。 很多学者把线粒体和叶绿体的遗传信息系统称为真核细胞的第二遗传信息系统，或称为核外基因及其表达体系。 3、 线粒体和叶绿体都是半自主性细胞器。,第一节 线粒体与氧化磷酸化,人体内的细胞每天要合成几千克的 ATP，且 95%的 ATP是由线粒体中的呼吸链所产生，因此线粒体被称为细胞内的 “能量工厂 ”（power plants）。线粒体通过氧化磷酸化作用，进行能量转换，为所需要的细胞进行各种生命活动提供能量。 一、线粒体的形态结构 二、线粒体的超微结构 三、线粒体的化学组成及酶的定位 四、线粒体的功能氧化磷酸化 五、线粒体
3、与疾病,5,一、线粒体的形态结构,1、线粒体的形态、大小、数量与分布 1) 线粒体的形状线粒体的形状各种各样，以线状和颗粒状最常见。但因生物种类和生理状态而异也可呈环形、哑铃形、枝状或其他形状。 2) 线粒体的大小线粒体的一般直径为 0.51.0m,长,1.53.0m。有的长达 5m（如肝细胞）或 1020 m（胰腺细胞）或 40 m（人的成纤维细胞）。 3) 线粒体的数量线粒体的数目由数百数千个不等。如利什曼原虫中只有一个巨大的线粒体，海胆卵细胞则多达30万个。 4) 线粒体的分布线粒体在细胞中的分布一般是不均匀的，通常分布在细胞功能旺盛的区域。,7,二、线粒体的超微结构,在电镜下观察到线粒
4、体是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。,线粒体主要由外膜（outer membrane）、内膜（inner membrane）、膜间隙（intermembrane）、基质（matrix）或内室（inner chamber）4部分组成。,1.外膜 外膜是包围在线粒体最外面的一层单位膜，光滑而有弹性，厚约 6 um。外膜上有排列整齐的筒状圆柱体，其成分为孔蛋白 (porin)，圆柱体上有小孔。,2内膜 位于外膜内侧，把膜间隙与基质（内室）分开。内膜对物质的通透性极低，能严格控制分子和离子的通过。内膜含有大量的心磷脂（cadiolipin），形成通透性屏障，如 H、ATP、丙酮酸等不能自由透过内
5、膜，必须在载体或通透酶（permease）系统的协助下才能实现跨膜运输。 内膜向线粒体内室褶叠形成嵴（cristae） ，嵴使内膜的表面积大大增加。 嵴有两种类型： 1）板层状 2）管状 高等动物细胞中主要是板层的排列, 多数垂直于线粒体长轴。在原生动物和植物中常见的是管状排列。,用电镜负染色法观察分离的线粒体时，可见内膜和嵴的基质面上有许多排列规则的带柄的球状小体，称为基粒。 基粒分两部分：头部，又称 F1，为球形，直径 9m 的颗粒。 基部，又称 Fo，嵌入线粒 体内膜。,3、膜间隙 膜间隙是内外之间封闭，宽约 68 m，其中充满无定形液体，内含许多可溶性酶、底物和辅助因子。嵴内间隙（in
6、tracristal space）与膜间隙相通，实际上是膜间隙的延伸。由于外膜具有大量亲水孔道与细胞质相通，因此膜间隙的pH值与细胞质的相似。标志酶为腺苷酸激酶。,4基质或内室 基质为内膜所包围的嵴外空间，腔内充满可溶性蛋白状的胶状物，呈均质状，具有一定的 PH和渗透压。 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。 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。,三、线粒体的化学组成及酶的定位,1、线粒体的化
7、学组成 线粒体的化学成分主要是蛋白质和脂质。其中蛋白质占线粒体干重的 65% 70%，脂质占25%30%。线粒体脂类和蛋白质的比值: 0.3:1（内膜）；1:1（外膜） 线粒体的蛋白质可分为可溶性与不可溶性两类。可溶性蛋白大多数是基质中的酶和膜的外周蛋白。不溶性蛋白是膜的镶嵌蛋白、结构蛋白和部分酶蛋白。 线粒体的脂质主要成分是磷脂，占脂质的3/4以上。外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。其中含磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、心磷脂和少量的肌醇及胆固醇等。,2、线粒体酶的定位 线粒体约有140余种酶，分布在各个结构组分中，其中37%是氧化还原酶， 10%是合成酶，水解酶不到 9%，标志酶约30种。 在
8、标志酶中，如单胺氧化酶（外膜）、腺苷酸激酶（膜间隙）、细胞色素（内膜）、苹果酸脱氢酶（基质）等。,线粒体主要酶的分布,四、线粒体的功能,线粒体的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。 线粒体是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释能的场所。 氧化磷酸化是细胞获得能量的主要途径。 线粒体的功能不仅是为细胞提供ATP能量，而且还与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、信号转导、细胞内多种离子跨膜转运及电解质稳态平衡的调控包括线粒体对细胞中Ca2+的稳态调节等有关。,什么是氧化磷酸化：,当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化
9、磷酸化。 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（氧化态）NAD+ 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（还原态）NADH 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（还原态） NADPH 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（氧化态） NADP+ 黄素腺嘌呤二核苷酸，FADH2，还原态。F指黄素，A指腺嘌呤，D是double。FAD+ 则是氧化态。,（一）氧化磷酸化的分子结构基础 氧化（放能）与磷酸化（贮能）是同时并密切偶联在一起的，但却有两个不同的体系来完成的。 1968年E.Racker等人用超声波将线粒体破碎，线粒体内膜碎片可自然卷成颗粒朝外的小膜泡，这种小膜泡称为亚线粒体小泡或亚线粒体颗粒 亚线粒体小泡具有电子传递和磷酸化的功能。,如用胰蛋白酶或
10、尿素处理，则小泡外面的颗粒可解离下来，这样的小泡便只能进行电子传递，而不能使ADP磷酸化为ATP。 如将这些颗粒重新装配到无颗粒的小泡上时，则小泡又恢复了电子传递和磷酸化相偶联的能力。 由此可见，由NADH脱氢酶至细胞色素氧化酶的整个呼吸链的各种组分均存在于线粒体内膜中，而颗粒是氧化磷酸化的偶联因子，即F1颗粒，位于内膜的基质侧，它是基粒（ATP酶复合物）的组分之一。,1电子传递链（呼吸链）,在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物，它们是传递电子的酶体系，由一系列可逆地接受和释放电子或H的化学物质所组成，在内膜上相互关联在有序排列，称为电子传递链（electron-transport
11、chain）或呼吸链(respiratory chain)。目前普遍认为细胞内有两条典型的呼吸链，即 NADH呼吸链和 FADH2呼吸链。,24,线粒体内膜上的呼吸链是典型的多酶氧化还原体系。参加呼吸链的氧化还原酶有： 1)烟酰胺脱氢酶类以 NAD或 NADP为辅酶 2) 黄素脱氢酶类以黄素单核苷酸FMN或黄素腺嘌呤二核苷酸FAD为辅基,3)铁硫蛋白类 或称铁硫中心， FeS，分子中含有非血红素铁和对酸不稳定的硫。在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型。,4)辅酶Q类 是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传
12、递电子。有3种氧化还原形式即氧化型醌Q，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。,5)细胞色素类 是一类以铁卟啉为辅基的色蛋白，其主要功能是通过铁的化合价的互变传递电子。分子中含有血红素铁，以共价形式与蛋 白结合，通Fe3+、Fe2+形 式变化传递电子，呼吸链 中有5类，即：细胞色素a、 a3、b、c、c1，其中a、a3 含有铜原子。,Green等人将呼吸链分为四种功能复合物： 复合物、组成主要的NADH呼吸链，催化 NADH的氧化。复合物、组成 FADH2呼吸链，催化琥珀酸的氧化。, 复合物是 NADHCoQ还原酶，又称 NADH脱氢酶。其作用是催化 NADH的2个电子传给辅
13、酶Q，同时发生质子的跨膜输送。故复合物既是仁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+, 复合物是琥珀酸CoQ还原酶，又称琥珀酸脱氢酶。其作用是催化电子从琥珀酸通过 FAD和铁硫蛋白传给辅酶Q。复合物不能使质子跨膜移位。 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),复合物是CoQ细胞色素c还原酶，其作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，同时发生质子的跨膜输送，故复合物既是电子传递体，又是质子移位体。 组成：包括1cyt c1、1cyt
14、 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）,复合物是细胞色素氧化酶。其作用是催化电子从细胞色素c传给氧，同时发生质子的跨膜输送，故复合物既是电子传递体，又是质子移位体。 组成： 二聚体，每一单体含13个亚基，cyt a, cyt a3 ,Cu, Fe 作用：催化电子从cytc分子O2形成水，2H+泵出，2H+参与形成水,呼吸链的各组分在内膜上的含量比不同。复合物比例大致是： 1：3：7 四种复合物在电子传递过程中协同作用。复合物、组成主要的NADH呼吸链，催化 NADH的氧 化。复合物、 、组成 FADH2呼吸链， 催化琥珀酸的 氧化
15、。,呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从低向高传递，呼吸链中有三个部位有较大的自由能变化，足以使ADP与无机磷结合形成ATP。部位在NADH至CoQ之间。部位在细胞色素b和细胞色素c之间。部位在细胞色素a和氧之间。,2ATP合成酶的分子结构与组成,ATP合成酶(基粒)是生物体能量转换的核心酶。它位于线粒体内膜、类囊体膜或质膜上，参与氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜质子动力势的推动下催化合成 ATP。 ATP合成酶是线粒体氧化磷酸化和叶绿体光合磷酸化偶联的关键装置，也是合成能源物质 TP的关键装置。,ATP合成酶的分子结构由突出于膜外的 F1头部和嵌入膜内的 F0基部组成。 F1（
16、偶联因子F1）：为水溶性球蛋白，从内膜突出于基质内，较易从膜上脱落。动物线粒体 F1还有抑制蛋白（ imhibitor protein），专一地抑制 F1ATP合成。 Fo（偶联因子 Fo）：是嵌入在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道。,F1由5种多肽组成33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个亚基具有一个）。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，帮助与F0结合。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）。,Fo:嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道。其类型在不同物种中差别很大，在细菌中Fo由a，b，c，三种亚基组成；叶绿体中与之相对应的是，四种亚基； 线粒体内的Fo更为复杂。电镜显示，多拷贝的c亚基形成一个环状结构，a亚基和b亚基二聚体排列在c亚基12聚体环状外侧，a亚基，b亚基和
