生物化学-叶绿体和线粒体.ppt
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1、MITOCHONGDRION AND CHLOROPAST,第七章 线粒体与叶绿体,MITOCHONGDRION AND CHLOROPAST,第七章 线粒体与叶绿体,本章内容提要,第一节 线粒体 一、结构 二、氧化磷酸化的分子基础 三、氧化磷酸化的作用机理 四、线粒体的半自主性 五、线粒体的增殖 第二节 叶绿体,一、形态与结构 二、光合磷酸化作用机理 三、叶绿体的半自主性 四、叶绿体的增殖 第三节 蛋白质定向转运 一、线粒体蛋白质的转运 二、叶绿体的蛋白质转运,第一节 线粒体,1890年R. Altaman首次发现,命名为bioblast。 1898年von Benda提出mitochond
2、rion。 1900年L. Michaelis用Janus Green B染色,发现线粒体具有氧化作用。 Green(1948)证实线粒体含所有三羧酸循环的酶,Kennedy和Lehninger(1949)发现脂肪酸氧化为CO2的过程是在线粒体内完成的。,一、结构,粒状或杆状。 蛋白占干重的65-70%,脂类占25-30%。 直径0.51m,长1.53.0m,在胰脏外分泌细胞中可长达1020m,称巨线粒体。 肝细胞约1300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)形态,通常分布在细胞功能旺盛的区域。 在肾细胞中靠近微血管,在精子中分布在鞭毛中区。 线粒体可以向细
3、胞功能旺盛的区域迁移,微管是其导轨、马达蛋白提供动力。,(二)分布,(三)超微结构,分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。,Structures of the mitochondrion,1、外膜 (out membrane) 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以下的分子通过,1KD以下的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。 2、内膜 (inner membrane) 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。 通透性很低,仅允许不带电荷的小分子物质通过。,氧化磷酸化的电子传递链位于内膜。标
4、志酶为细胞色素C氧化酶。 内膜向线粒体内室褶入形成嵴(cristae),能扩大内膜表面积(达510倍),嵴有两种:板层状、管状。 嵴上覆有基粒。基粒由头部(F1)和基部(F0)构成 。 3、膜间隙 (intermembrane space):是内外膜之间的腔隙,宽约6-8nm。标志酶为腺苷酸激酶。,4、基质(matrix) 为内膜和嵴包围的空间。含有: 催化三羧酸循环,脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶类。标志酶为苹果酸脱氢酶。 线粒体DNA(mtDNA),及线粒体特有的核糖体,tRNAs 、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。 纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质,内含Ca2+、Mg2+、Z
5、n2+等离子。,管状嵴线粒体,小鼠肾曲管上皮细胞冰冻蚀刻,人黑色素瘤细胞线粒体,二、氧化磷酸化的分子基础,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。,(一)电子载体,NAD、黄素蛋白、细胞色素、铁硫蛋白、辅酶Q等。 1、NAD:即烟酰胺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide),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。 2、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主要有:以FMN为辅基的NADH脱氢酶。以FAD为辅基的
6、琥珀酸脱氢酶。,NAD NADP,Flavin mononucleotide(FMN)& Flavin adenine dinucleotide,3、细胞色素: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。,4、铁硫蛋白: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。,5、辅酶Q:是脂溶性小分子量醌类化合物,通过氧化和还原传递电子。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
7、(QH)。,(二)呼吸链的复合物,呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列。 利用deoxycholate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。,1、复合物I:NADH脱氢酶。 组成:42条肽链组成,呈L型,含一个FMN和至少6个铁硫蛋白,分子量接近1MD,以二聚体形式存在。 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)。 NADHFMNFe-SQ NADH + 5H+M + QNAD+ + QH2 + 4H+C,2、复合物II:琥珀酸脱氢酶 组成:至少由4条肽链,含有一个FAD,2个铁硫蛋白。
8、作用:催化琥珀酸的低能量电子转至辅酶Q,但不转移质子。 琥珀酸FADFe-SQ。 琥珀酸+Q延胡索酸+QH2,3、复合物III:细胞色素c还原酶。 组成:至少11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b(b562、b566)、一个铁硫蛋白和一个细胞色素c1 。 作用:催化电子从辅酶Q传给细胞色素c,每转移一对电子,同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。 2还原态cyt c1 + QH2 + 2 H+M2氧化态cyt c1 + Q+ 4H+C,复合物的电子传递比较复杂,和“Q循环”有关,4、复合物IV:细胞色素c氧化酶 组成:为二聚体,每个单体含至少13条肽链,分为三个亚单位。
9、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,同时转移2个质子至膜间隙。 cyt cCuAheme aa3- CuBO2 4还原态cyt c + 8 H+M + O24氧化态cyt c + 4H+C + 2H2O,由复合物I、III、IV组成,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。,(三)两条主要的呼吸链,Transport of electrons from NADH,Transpor
10、t of electrons from FADH2,两条呼吸链,鱼藤酮、阿米妥,抗霉素A,CN、CO,呼吸链组分及ATP酶在线粒体内膜上呈不对称分布。 可用亚线粒体颗粒和冰冻蚀刻技术呼吸链组分的分布。 用超声波破碎线粒体,形成颗粒朝外的小膜泡,称亚线粒体颗粒,具有正常的电子传递和磷酸化的功能。 用细胞色素c的抗体能够抑制完整线粒体的氧化磷酸化,但不能抑制亚线粒体颗粒的氧化磷酸化,为什么?,P. Mitchell(1961)提出“化学渗透假说”。认为: 电子沿呼吸链传递时,所释放的能量将质子从内膜基质侧(M侧)泵至膜间隙(C侧),形成质子动力势( P)。 P=-(2.3RT/F)pH 其中:pH
11、= pH梯度, =电位梯度,T=绝对温度,R=气体常数,F为法拉第常数,当温度为25时P的值为220mV左右。,(一)质子动力势,proton-motive force,Chemiosmotic Theory,状如蘑菇,属F型质子泵。 分为球形的F1(头部)和嵌入膜中的F0(基部)。 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)。 F0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。,(二)ATP合酶(ATP synthetase),ATP 合酶,1979年代Boyer P提出构象耦联假说。其要点如下: 1ATP酶利用质
12、子动力势,发生构象改变,改变与底物的亲和力,催化ADP与Pi形成ATP。 2F1具有三个催化位点,但在特定的时间,三个催化位点的构象不同(L、T、O),与核苷酸的亲和力不同。 3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ATP。,支持构象耦联假说的实验:,ATP synthase as a reversible coupling device,(三)氧化磷酸化抑制剂,1电子传递抑制剂 抑制NADHCoQ的电子传递。阿米妥、鱼藤酮。 抑制复合物III。抗霉素
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