细胞分子生物学_8_.ppt

第八章 细胞的能量转换 线粒体和叶绿体,第一节 线粒体与氧化磷酸化 第二节 叶绿体与光合作用,本章内容摘要,第一节 线粒体与氧化磷酸化 一、结构 二、线粒体的功能 三、线粒体与疾病,第二节 叶绿体与光合作用 一、形态与结构 二、光合磷酸化作用机理,第一节 线粒体与氧化磷酸化,1890年R. Altaman首次发现，命名为生命小体(bioblast)。 1898年von Benda提出线粒体(mitochondrion)。 1900年L. Michaelis用詹姆斯绿(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、线粒体的结构,第一节 线粒体与氧化磷酸化,（一）形态,粒状或杆状。 蛋白占干重的65-70%，脂类占25-30%。 直径0.5-1m，长1.5-3.0m，在胰脏外分泌细胞中可长达10-20m，称巨线粒体。 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、线粒体的结构,第一节 线粒体与氧化磷酸化,（二）分布,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。 线粒体可以向细胞功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。,一、线粒体的结构,第一节 线粒体与氧化磷酸化,（三）超微结构,电镜下有两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构. 分为外膜、内膜、膜间隙和基质或内室四部分。,Structures of the mitochondrion,（三）超微结构,第一节 线粒体与氧化磷酸化一、线粒体的结构,1、外膜 (out membrane) 含40%的脂类和60%的蛋白，具有孔蛋白构成的亲水通道，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。,（三）超微结构,第一节 线粒体与氧化磷酸化一、线粒体的结构,2、内膜 （inner membrane） 氧化磷酸化的电子传递链位于内膜。标志酶为细胞色素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5-10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。,（三）超微结构,第一节 线粒体与氧化磷酸化一、线粒体的结构,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+、Zn2+等离子。,管状嵴线粒体,二、线粒体的功能,第一节 线粒体与氧化磷酸化,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。,（一）、氧化磷酸化的分子基础,第一节 线粒体与氧化磷酸化,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）、氧化磷酸化的分子基础,第一节 线粒体与氧化磷酸化,氧化(放能)和磷酸化(贮能)是同时进行并且密切偶联在一起的。 将线粒体用超声波破碎,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. 这些亚线粒体小泡具有电子传递和磷酸化的功能.,I 电子传递链 (呼吸链),第一节 线粒体与氧化磷酸化,1.定义: 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+的化学物质组成,在内膜上相互有关连地有序排列,称之为电子传递链或呼吸链。,2.分类: NADH呼吸链。 FADH2呼吸链。,I 电子传递链 (呼吸链),第一节 线粒体与氧化磷酸化,3.线粒体内膜上呼吸链的多酶氧化还原体系的组分: (1)NAD、(2)黄素蛋白、(3)细胞色素、(4)铁硫蛋白、(5)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(黄素腺嘌呤单核苷酸)或FAD (黄素腺嘌呤二核苷酸)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为辅基的琥珀酸脱氢酶。,I 电子传递链 (呼吸链),第一节 线粒体与氧化磷酸化,(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。,I 电子传递链 (呼吸链),第一节 线粒体与氧化磷酸化,(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（QH）。,I 电子传递链 (呼吸链),第一节 线粒体与氧化磷酸化,4、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。 Green等人将呼吸链拆离出4种复合物以及辅酶Q和细胞色素C。,I 电子传递链 (呼吸链),第一节 线粒体与氧化磷酸化,(1)、复合物I ： NADHCoQ还原酶,又称NADH脱氢酶。 组成：25条以上肽链组成，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1对质子由线粒体基质（M侧）转移至膜间隙（C侧）。 复合物I既是电子传递体又是质子移位体 NADHFMNFe-SQ NADH + 5H+M + QNAD+ + QH2 + 4H+C,I 电子传递链 (呼吸链),第一节 线粒体与氧化磷酸化,(2)复合物II：琥珀酸CoQ还原酶,又称琥珀酸脱氢酶 组成：至少由4条肽链，含有一个FAD，2个铁硫蛋白,1个细胞色素b。 作用：催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传给辅酶Q，但不转移质子。 琥珀酸FADFe-SQ。 琥珀酸+Q延胡索酸+QH2,I 电子传递链 (呼吸链),第一节 线粒体与氧化磷酸化,(3)、复合物III： CoQ 细胞色素c还原酶。 组成：至少10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1对质子由线粒体基质泵至膜间隙。 复合物III既是电子传递体又是质子移位体 2还原态cyt c1 + QH2 + 2 H+M2氧化态cyt c1 + Q+ 4H+C,I 电子传递链 (呼吸链),第一节 线粒体与氧化磷酸化,(4)、复合物IV：细胞色素氧化酶 组成：为二聚体，每个单体含至少13条肽链，每个单体含有细胞色素a和a3 及2个铜原子(CUA,CUB)。 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。 复合物IV既是电子传递体又是质子移位体 cyt c CUA heme aa3- CUB O2 4还原态cyt c + 8 H+M + O24氧化态cyt c + 4H+C + 2H2O,I 电子传递链 (呼吸链),第一节 线粒体与氧化磷酸化,5、两条主要的呼吸链 由复合物I、III、IV组成NADH呼吸链 ，催化NADH的脱氢氧化。 由复合物II、III、IV组成FADH2呼吸链 ，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。,Transport of electrons from NADH,Transport of electrons from FADH2,两条呼吸链,鱼藤酮、阿米妥,抗霉素A,CN、CO,II 氧化磷酸化与电子传递的偶联,第一节 线粒体与氧化磷酸化,氧化还原的本质是电子的转移。氢原子的转移其本质也是电子转移,H原子可分解为H+和e- 。 氧化磷酸化:当电子从NADH或FADH2传递给氧形成水时,同时伴有ADP磷酸化形成ATP的过程即为氧化磷酸化。 NADH 呼吸链生成ATP的3个部位: (1) NADH 至辅酶Q; (2)细胞色素b至细胞色素c;(3)细胞色素aa3至氧之间。,氧化磷酸化的偶联机制,第一节 线粒体与氧化磷酸化,各种假说:化学偶联假说,构象偶联假说,化学渗透假说。 实验证明:偶联机制在生化上来说是向量的,在功能上来说是渗透的。 化学渗透假说已成为氧化磷酸化机制研究中最为流行的一种假说。,化学渗透假说,第一节 线粒体与氧化磷酸化,P. Mitchell（1961）提出“化学渗透假说”。认为： 呼吸链组分及ATP酶在线粒体内膜上呈不对称分布。 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= 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。 在这个梯度驱动下, H+穿过内膜上的ATP合成酶流回到基质,其能量促使ADP和Pi合成ATP。,Chemiosmotic Theory,III ATP合酶（ATP synthetase）,第一节 线粒体与氧化磷酸化,是生物体能量转换的核心酶。 分别位于线粒体内膜,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作用下催化合成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ATP的关键装置。,III ATP合酶（ATP synthetase）,第一节 线粒体与氧化磷酸化,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。 F0的一个亚基可结合寡霉素,通过该亚基可调节通过F0的H+流,如当质子动力势很小时,它可防止ATP水解;又可起到保护自身和抵抗外界环境变化的作用.,ATP 合酶,ATP合酶的作用机制,第一节 线粒体与氧化磷酸化,1979年代Boyer P提出构象耦联假说 (结合变构机制)。其要点如下: 1ATP酶利用质子动力势，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,（二）、氧化磷酸化抑制剂,第一节 线粒体与氧化磷酸化,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A 。 抑制复合物IV。如：CO、CN、NaN3、H2S。 电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序，当呼吸链某一特定部位被抑制后，底物一侧均为还原状态，氧一侧均为氧化态，可用分光光度计检测。,（二）、氧化磷酸化抑制剂,第一节 线粒体与氧化磷酸化,2磷酸化抑制剂 与F0结合结合，阻断H+通道。如：寡霉素。 3解偶联剂（uncoupler） 解偶联蛋白(uncoupling proteins, UCPs)：位于动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体，与维持体温有关。 质子载体： 质子通道：增温素（thermogenin）。 其它离子载体：如缬氨霉素。 某些药物：如过量的阿斯匹林。,三、线粒体与疾病,第一节 线粒体与氧化磷酸化,1线粒体与人的疾病,衰老和细胞调亡有关,线粒体的异常会影响整个细胞的正常功能,从而导致病变。 2硒对线粒体膜有稳定作用,患者缺硒而导致心肌线粒体出现膨胀,嵴稀少和不完整;琥珀酸脱氢酶,细胞色素氧化酶和ATP合成酶活性及其对寡霉素的敏感性都有明显降低;膜电位下降,膜流动性减低;对电子传递和氧化磷酸化偶联均有明显影响. 3.克山病就是一种心肌线粒体病.患者线粒体硒含量明显降低.,第二节 叶绿体与光合作用,绿色植物通过叶绿体（Chloroplast）完成能量转换，利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同时产生氧。绿色植物年产干物质达1014公斤。 光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉。,一、叶绿体形态与结构,第二节 叶绿体与光合作用,植物细胞与动物细胞的一个重要差别,是它具有自己独特的质体细胞器。 质体分为:叶绿体,有色体和白色体。,一、叶绿体形态与结构,第二节 叶绿体与光合作用,1.形态: 象双凸或平凸透镜，长径5-10um，短径2-4um，厚2-3um。叶肉细胞一般含50-200个叶绿体，占细胞质的40%。 2.结构: 由叶绿体膜或称叶绿体被膜（chloroplast membrane）、类囊体（thylakoid）和基质（stroma）3部分组成。含有3种不同的膜：外膜、内膜、类囊体膜，3种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔。,Chloroplast,(一)、叶绿体膜或称叶绿体被膜,第二节 叶绿体与光合作用,双层单位膜组成，每层膜厚约6-8 nm,膜间为10-20nm的间隙。 外膜的渗透性大。 内膜对通过物质的选择性很强，是细胞质和叶绿体基质间的功能屏障.CO2、O2、Pi、H2O、等可以透过内膜，ADP、ATP、 NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（translator）才能通过内膜。,(二)、 类囊体,第二节 叶绿体与光合作用,是膜围成的扁平囊。主要成分是蛋白质和脂类（60：40），不饱含脂肪酸含量高（约87%），膜流动性高。 基粒：扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含40-60个。 基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。 类囊体膜上颗粒组分:捕光色素(天线色素),两个光反应中心,各种电子载体,合成ATP的系统和从水中抽取电子的系统等. 膜的内在蛋白主要有：细胞色素b6f复合体、集光复合体（LHC）、质体醌（PQ）、质体蓝素（PC）、铁氧化还原蛋白（FD）、黄素蛋白、光系统I、II复合物等。,膜的内在蛋白,(三)、 基质,第二节 叶绿体与光合作用,是内膜与类囊体之间的空间。 主要成分包括： 碳同化相关的酶类：如RuBP羧化酶占基质可溶性蛋白总量的60%。 叶绿体DNA、蛋白质合成体系：如，cpDNA、各类RNA、核糖体等。 一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。,二、叶绿体的主要功能光合作用,第二节 叶绿体与光合作用,基本概念,1.光合作用(photosynthesis):绿色植物叶肉细胞的叶绿体吸收光能,利用水和二氧化碳合成糖类等有机化合物,同时放出氧的过程。 2.光合作用的过程:原初反应;电子传递和光合磷酸化; 碳同化。,二、叶绿体的主要功能光合作用,第二节 叶绿体与光合作用,基本概念,3.光反应:包括原初反应;电子传递和光合磷酸化两步.它是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,并将光能转变为电能,进而转换为活跃的化学能,形成ATP和NADPH的过程. 4.暗反应:在叶绿体基质中进行的不需光(也可在光下)的酶促化学反应,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.,(一)、光合磷酸化,第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用,首先光能转化成电能，经电子传递产生ATP以及NADPH形式的不稳定化学能，最终转化成稳定的化学能储存在糖类化合物中。 分为光反应和暗反应，前者需要光，涉及水的光解和光合磷酸化。后者不需要光，涉及CO2的固定，分为C3和C4两类。,(一)、光合磷酸化,第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用,I.原初反应和光合系统,第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用,1原初反应: 就是捕获吸收光能并形成高能电子的反应。 具体而言,是指叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反应为止的过程,包括光能的吸收,传递与转换,即光能被捕光分子吸收,并传递至反应中心,在反应中心发生最初的光化学反应,使电荷分离从而将光能转换为电能的过程.。,I.原初反应和光合系统,第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用,2光合系统: 2.1 吸收光能的主要分子是叶绿素(a和b)。另一类色素分子是类胡萝卜素(胡萝卜素和叶黄素) 。 2.2 色素分子按其作用可分为两类:一类是捕光色素或称天线色素;另一类属反应中心色素。,I.原初反应和光合系统,第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用,2光合系统: 2.3捕光色素: 全部叶绿素b和大部分叶绿素a、胡萝卜素及叶黄素组成。 这类色素只具有吸收聚集光能和传递激发能给反应中心的作用,而无光化学活性,故又称为天线色素.,I.原初反应和光合系统,第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用,2光合系统: 2.4 反应中心色素: 由一种特殊状态的叶绿素a分子组成。 吸收峰为700nm者称为P700,为光合系统I(PSI)的中心色素。 吸收峰为680nm者称为P680,为光合系统II(PSII)的中心色素。 既是光能的捕捉器,又是光能的转换器,具有光化学活性,可将光能转换为电能。 反应中心色素的最大特点是:在直接吸收光量子或从其他色素分子传递来的激发能被激发后,产生电荷分离和能量转换。,I.原初反应和光合系统,第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用,2光合系统: 2.5 光反应中心: 由一个中心色素分子Chl和一个原初电子供体及一个原初电子受A组成。 2.6 光合作用单位: 捕光色素及反应中心构成,是进行光合作用的最小结构单位。,光量子,捕光色素,Chl*,Chl+,Chl,A-,A,D,D+,e-,NADP+,NADPH,H2O,1/2O2,激发能传递,色素系统,e-,反应中心,光合作用原初反应的能量吸收,传递与转换图解,I.原初反应和光合系统,第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用,2光合系统: 2.7 原初反应: 捕光色素分子吸收的光能通过共振机制极其迅速地(10-10s)传递给反应中心的中心色素分子Chl。 Chl被激发而成激发态Chl*,同时放出电子给初始受体A, Chl被氧化为带正电荷的Chl+。 A被还原为带负电的A-。 氧化的Chl+又可从初始电子供体D获得电子而恢复为原来状态的Chl,原初电子供体D则被氧化为D+。,II.电子传递,第二节 叶绿体与光合作用 二、叶绿体的主要功能光合作用,continue to next class,