细胞分子生物学_8_.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,CO,2,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（,F,1,）,和基部（,F,0,）,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,Ca,2+,、,Mg,2+,、,Zn,2+,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。,FADH,2,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,Fe,3+,、,Fe,2+,形式变化传递电子，呼吸链中有,5,类，即：细胞色素,a,、,a,3,、,b,、,c,、,c,1,，,其中,a,、,a,3,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,Fe,2+,、,Fe,3+,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（,QH,2,）,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,：,NADH,CoQ,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,+,+QH,2,+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,c,1,。,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+QH,2,+2 H,+,M,2,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,a,3,及,2,个铜原子,(CU,A,CU,B,),。,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,CU,A,heme,aa,3,-,CU,B,O,2,4,还原态,cyt,c+8 H,+,M,+O,2,4,氧化态,cyt,c+4H,+,C,+2H,2,O,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,FADH,2,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,FADH,2,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,a,a,3,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,F,1,（,头部）和嵌入膜中的,F,0,（,基部）。,F,1,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）。,F,0,由三种多肽组成,ab,2,c,12,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。,F,0,的一个亚基可结合寡霉素,通过该亚基可调节通过,F,0,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,:,1,ATP,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,。,2,F1,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,F,0,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,、,NaN,3,、,H,2,S,。,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,F,0,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,10,14,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。,叶脉,叶绿体,叶肉细胞,气孔,叶绿体结构,叶绿体基粒,基质,类囊体,类囊体间隙,内膜间隙,内膜,外膜,基粒,基质,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,.CO,2,、,O,2,、,Pi,、,H,2,O,、,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,b6,f,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,基粒类囊体末端基粒膜,分隔,ATP,合成酶,PI,PII,细胞色素,bf,类囊体膜的图解,(,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,CO,2,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,CO,2,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,分成两大阶段,:,I.,原初反应,。,II.,电子传递,。,III.,光合磷酸化。,IV.,光合碳同化。,光反应,暗反应,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,700,nm,者称为,P700,为光合系统,I(PSI),的中心色素,。,吸收峰为,680,nm,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,H,2,O,1/2O,2,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,-10,s),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,