细胞生物学翟中和第四版线粒体和叶绿体省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第六章 线粒体和叶绿体第1页第一节第一节 线粒体线粒体1890，Altaman首次发觉，命名为生命小体（bioblast）；1898，von Benda将之命名为线粒体mitochondrion；1904，Michaelis发觉线粒体含有氧化作用；1948，Green，1949，Kennedy和Lehninger分别发觉三羧酸循环和脂肪酸氧化是在线粒体内完成。第2页动、植物细胞中均可观察到频繁线粒体融合与分裂现象，这被认为是线粒体形态调控基本方式，也是线粒体数目调控基础。细胞中全部线粒体组成一个不连续动态整体。一、线粒体融合与分裂一、线粒体融合与分裂第3页线粒体融合与分裂分子基础：线粒体融合与分裂分子基础：融合与分裂依赖于特定基因和蛋白质调控。融合所必需基因最早发觉于果蝇，取名Fzo（fuzzy onion 含糊洋葱头）Fzo基因编码一跨膜GTPase（鸟苷三磷酸酶），定位在线粒体外膜上，介导线粒体融合。第4页线粒体融合与分裂分子及细胞生物学基础分裂分子生物学基础线粒体分裂依赖特定基因和蛋白质来调控线粒体分裂需要发动蛋白（dynamin）dynamin类蛋白是一类大分子GTPase（鸟苷三磷酸酶），发动蛋白（发动蛋白（dynamin）组装和驱动线粒体分裂模式图）组装和驱动线粒体分裂模式图第5页线粒体融合与分裂分子及细胞生物学基础线粒体分裂环（mitochondrial division ring）分裂三个阶段：早期；中期；后期Nishida K et al.PNAS;100:2146-2151发动蛋白第6页二、结构及分布二、结构及分布（一）形态（一）形态颗粒状或杆状或短线状颗粒状或杆状或短线状;直径0.31.0 m，长1.53.0 m；胰外分泌细胞中可达1020m，称巨线粒体。肝细胞约1300个线粒体，占细胞体积20%，人类红细胞无线粒体。第7页An TEM image of mitochondrion 第8页人淋巴细胞线粒体（A）、拟南芥幼叶线粒体（B）超微结构及超微结构模式图第9页立体结构第10页（二）分布（二）分布线粒体在细胞内分布与细胞内能量需求亲密相关。多分布在细胞功效旺盛区域，可向这些区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。心肌细胞：靠近收缩器精子：位于尾部，围绕活动鞭毛第11页（三）超微结构（三）超微结构分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。Schematic view of mitochondrion第12页1、外膜(out membrane)平展，起界膜作用；厚约6 nm。外膜像筛子一样，含有孔蛋白组成亲水通道，允许小分子物质（分子量5000以下）经过。2、内膜（inner membrane）类似细胞质膜；对离子和大多数小分子是不可通透，除非有膜转运蛋白提供通道。心磷脂含量高(达20%)，缺乏胆固醇，通透性很低。第13页2、内膜（inner membrane）高度折曲，形成一系列内褶，称为嵴嵴，能扩大表面积（510倍），分两种：板板层层状状、管管状；状；嵴上有基粒（即为ATP合酶）。内膜是氧化磷酸化关键场所。内膜标志酶为细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶。第14页Lamellar cristae板层状嵴第15页Tubular cristae管状嵴第16页3、膜间隙膜间隙：是内外膜之间腔隙，宽约6-8nm。膜间隙内液态介质含有可溶性酶、底物和辅助因子。标志酶为腺苷酸激酶，可催化ATP生成ADP。第17页Models of mitochondrial membrane structures第18页4、基质基质（matrix）富含可溶性蛋白质胶状物质。催化主要生化反应，含三羧酸循环、脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化等酶类；还含有DNA，RNA，核糖体及转录翻译所需主要分子。标志酶为苹果酸脱氢酶。第19页三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化动物细胞80%ATP起源于线粒体。（人95%）线粒体为细胞“动力工厂”。第20页（一）（一）ATP合酶合酶（ATP synthase）F型质子泵；分为球形F1（头部）和嵌入膜中F0（基部）。F1：33复合体，5种类型9个亚基组成，含有3个ATP合成催化位点(每个亚基1个)。F0：ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，含有质子通道。第21页ATPATP合酶分子结构模式图合酶分子结构模式图ATP 合酶分子由球形头部和基部组成，头部朝向线粒体基质，规则性地排布在内膜下并以基部与内膜相连。（一）（一）ATP合酶合酶（ATP synthase）第22页ATPATP合酶头部被称为偶联因子合酶头部被称为偶联因子1 1（F1F1），），由5 种类型9个亚基组成，形成一个“橘瓣”状结构,其中只有亚基含有催化ATP合成或水解活性。F1 功效是催化ATP合成，亚基一个结构域组成穿过F1中央轴。亚基帮助亚基附着到ATP合酶基部结构F0上。与 亚基结合形成“转子”，旋转于33中央，调整3个亚基催化位点开放和关闭。第23页ATPATP合酶基部结构被称作合酶基部结构被称作F0F0，F0 是一个疏水性蛋白复合体，嵌合于线粒体内膜，由a、b、c 3 种亚基组成跨膜质子通道。多拷贝c亚基形成一个环状结构。a亚基和b亚基形成二聚体位于环外侧。同时，a亚基、b亚基及F1亚基共同组成“定子”，也称外周柄。第24页结合变构机制结合变构机制 质子驱动质子驱动ATPATP合成过程合成过程1979年Boyer提出结合变构机制（binding change mechanism），其关键点以下：质子梯度作用是使ATP从酶分子上解脱下来。ATP 合酶上3个催化亚基以3 种不一样构象存在，从而使它们对核苷酸含有不一样亲和性;ATP 经过旋转催化而生成。旋转动力来自于 F0 质子通道中质子跨膜运动。第25页（二）质子驱动力（二）质子驱动力线粒体内膜上电子传递为膜间隙与基质间质子电化学梯度提供了基础。质子则借助高能电子释放能量被不停地定向转运到膜间隙。ATP合酶在质子流推进下实现分子内“转子”转动，驱动ATP生成。F1F0第26页丙酮酸脂肪酸乙酰CoA乙酰CoA（乙酰辅酶A）柠檬酸循环电子传递链高能电子质子梯度质子梯度驱动驱动ATPATP合酶合酶生成生成ATPATP膜间隙线线粒粒体体产产能能A AT TP P第27页（三）电子传递链（三）电子传递链l电子载体（electron carrier）：在电子传递过程中，接收和释放电子分子和原子。l电子传递链（electron transport chain）：由电子载体组成固定电子传递序列，也称为呼吸链。l5种电子载体：黄素蛋白、细胞色素、泛醌、铁硫蛋白、铜原子共同点：含有氧化还原作用第28页（四）电子传递复合物（四）电子传递复合物第29页复合物复合物：NADH-CoQNADH-CoQ 还原酶（还原酶（NADHNADH 脱氢酶）脱氢酶）第30页复合物复合物：琥珀酸：琥珀酸-CoQ-CoQ 还原酶（琥珀酸脱氢酶）还原酶（琥珀酸脱氢酶）第31页复合物复合物IIIIII：细胞色素还原酶：细胞色素还原酶第32页复合物复合物：Cyt cCyt c （细胞色素）氧化酶（细胞色素）氧化酶第33页在医学上，由线粒体功效障碍引发疾病被称为线粒体病（mitochondrial disease）。已知人类线粒体病有100 各种，常见有脑坏死、心肌病、肿瘤、不育、帕金森综合征等。克山病亦称地方性心肌病，因缺硒引发。硒是谷胱甘肽过氧化物酶一个组成成份，该酶主要作用是还原脂质过氧化物，去除氧自由基从而保护了细胞膜完整性。线粒体基因突变造成线粒体病呈单纯母系遗传。农业生产中广为利用细胞质雄性不育。四、线粒体与疾病四、线粒体与疾病第34页第二节第二节 叶绿体叶绿体光合作用是地球上有机体生存和发展根根源泉。绿色植物年产干物质达1014千克。第35页一、叶绿体基本形态及动态特征一、叶绿体基本形态及动态特征 在高等植物叶肉细胞中，叶绿体呈凸透镜或铁饼状，直径为510 m，厚24 m。分布在细胞质膜与液泡间薄层细胞质中，呈平层排列。通常情况下，高等植物叶肉细胞含20200 个叶绿体。（一）叶绿体形态、分布及数目第36页第37页（一）叶绿体形态、分布及数目（一）叶绿体形态、分布及数目叶绿体经过位移避开强光行为称为躲避响应躲避响应在光照较弱情况下，叶绿体会聚集到细胞受光面，这种行为称作积聚响应积聚响应叶绿体在细胞内位置和分布受到动态调控称为叶绿叶绿体定位体定位第38页光照强度对叶绿体分布及位置响应示意图：野生型（WT）拟南芥叶片呈深绿色。对叶片一部分（整体遮光，中部留出一条缝）强光照射1h后，被照射部分变成浅绿色，这是因为细胞叶绿体位置和分布发生了改变，以降低强光伤害。在叶绿体定位异常突变体（chup1）中，光照对叶绿体位置与分布失去影响。细胞内叶绿体仍展现动态特征：叶绿体在细胞内位置与分细胞内叶绿体仍展现动态特征：叶绿体在细胞内位置与分布受光照影响，且叶绿体定位借助微丝骨架作用，微丝结布受光照影响，且叶绿体定位借助微丝骨架作用，微丝结合蛋白合蛋白CHUP1为叶绿体正常定位所必需。为叶绿体正常定位所必需。第39页（二）叶绿体分化与去分化（二）叶绿体分化与去分化叶绿体分化于幼叶形成和生长阶段。在形态上表现为体积增大、内膜形成和叶绿色积累；而在生化与分子生物学上，则表达为叶绿体功效必需酶、蛋白质、大分子合成、运输及定位。拟南芥编码叶绿体蛋白酶基因（var1和var2）发生突变后，叶绿体发育异常，叶片出现白斑，白化叶或叶白化部分质体形成白色体。第40页叶绿体是原质体一个分化方式；原质体(proplastid)亦称为前质体，原色素体。为叶绿体、白色体、有色体等质体前身（或前驱）结构。仅由内膜和外膜组成，膜内是少许基质和DNA,不过没有叶绿素和电子传递系统。在特定情况下，叶绿体分化是可逆，叶绿体可去分化再次形成原质体。第41页叶绿体经过分裂而实现增殖。叶绿体分裂与线粒体分裂含有相同细胞动力学机制。也由外环与内环组成，分裂环缢缩是叶绿体分裂细胞动力学基础（三）叶绿体分裂（三）叶绿体分裂叶绿体分裂必需dynamin相关蛋白被称为ARC5。蛋白出现于缢陷处，推进叶绿体分裂第42页（a，b）红藻叶绿体分裂环（c）被子植物天竺葵叶绿体分裂环第43页二、叶绿体超微结构二、叶绿体超微结构第44页外膜、内膜和膜间隙组成；外 膜通透性大，含有孔蛋白，允许相对分子质量高达104 分子经过；而内膜则通透性较低，仅允许O2、CO2 和H2O 分子自由经过。叶绿体内膜上有很多转运蛋白，选择性转运较大分子。（一）叶绿体膜（一）叶绿体膜第45页叶绿体内部由内膜衍生而来封闭扁平膜囊，称 类囊体。类囊体囊内空间称为类囊体腔（thylakoid lumen）在叶绿体中，许多圆饼状类囊体有序叠置成基粒（grana）。该膜囊系统独立于基质，在电化学梯度建立和ATP 合成中起主要作用。类囊体膜富含含有半乳糖糖脂和极少磷脂。糖脂中脂肪酸主要是不饱和亚麻酸质双分子层流动性非常大。（二）类囊体（二）类囊体第46页叶绿体内膜与类囊体之间液态胶体物质，称为叶绿体基质。基质主要成份是可溶性蛋白质和其它代谢活跃物质，其中丰度最高蛋白质为核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(ribulose-1,5-biphosphate carboxylase/oxygenase，简称Rubisco)。Rubisco 是光合作用中一个主要酶系统，亦是自然界含量最丰富蛋白质。基质中还存在叶绿体DNA、核糖体、脂滴、植物铁蛋白和淀粉粒等物质。（三）叶绿体基质（三）叶绿体基质第47页叶绿体与线粒体形态结构比较叶绿体与线粒体形态结构比较 叶绿体内膜并不向内折叠成嵴嵴；内膜不含电子传递链；除了膜间隙、基质外，还有类囊体类囊体；捕光系统、电子传递链和ATP合酶都位于类囊体膜上。第48页三、光合作用三、光合作用光反应光反应在类囊体膜上进行：原初反应；电子传递和光合磷酸化；固碳反应固碳反应在叶绿体基质中进行；光反应产物（ATP 和NADPH）驱动CO2 还原成糖分子反应过程两步反应协同完成：两步反应协同完成：依赖光依赖光反应反应或称“光反应”和碳同碳同化反应化反应或称固碳反应第49页（一）原初反应（一）原初反应捕捉光能是光合作用初始步骤。光合色素分子被光能激发而引发第一个光化学反应过程。1.光合色素（吸光）叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素2.光化学反应光化学反应是指反应中心色素分子吸收光能而引发氧化还原反应。光合作用原初反应能量吸收、传递与转换光能 转变为 电能第50页（二）电子传递和光合磷酸化（二）电子传递和光合磷酸化1 1、电子传递、电子传递 光系统光系统（photosystem,PS）：指光合作用中光吸收功效单位，由叶绿素、类胡萝卜素、脂质和蛋白质组成。PSPS和和PSIPSI：叶绿体类囊体膜上存在两个不一样光系统。它们反应中心相继催化光驱动电子从H2O到NADP+流动。第51页1.1.电子传递电子传递光合电子传递链（photosynthetic electron transfer chain）由一系列电子载体组成。电子载体包含细胞色素、黄素蛋白、醌、铁氧还蛋白，分别组装在膜蛋白复合物PS、PS、Cyt b6f 复合物。第52页（1）PSII结构与功效结构与功效 PS由反应中心复合物和捕光复合物（LHC）组成。其功效是利用光能在类囊体膜腔面一侧裂解水并在基质侧还原质体醌，使类囊体膜两侧形成质子梯度。第53页（2）Cytb6f复合物复合物结构：含有一个Cyt b6、一个Fe-S 和一个Cyt f功效：将电子从PS传递到PS，引发H+跨膜转移内囊体腔基质第54页（3）PSI结构与功效结构与功效PS由反应中心复合物和捕光复合物（LHC）组成，其功效是利用吸收光能或传递来激发能在类囊体膜基质侧将NADP+还原为NADPH。第55页2.光合磷酸化光合磷酸化 photophosphorilation 定义：由光照所引发电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP过程称为光合磷酸化CF0-CF1ATP 合酶 光合磷酸化类型 依电子传递方式不一样分为：非循环光合磷酸化 Noncyclic photophosphorylation循环光合磷酸化 cyclic photophosphorylation第56页循环光合磷酸化循环光合磷酸化第57页非循环光合磷酸化非循环光合磷酸化第58页叶绿体类囊体膜中进行电子传递和H跨膜转移光合磷酸化作用机制光合磷酸化作用机制电子传递形成质子梯度电子传递形成质子梯度H H+经电化学梯度穿越经电化学梯度穿越ATPATP合合酶，驱动酶，驱动ADPADP磷酸化成磷酸化成ATPATP第59页（三）光合碳同化（三）光合碳同化本质：本质：将光反应产物ATP和NADPH中活跃化学能转换为糖分子中高稳定型化学能过程。这一过程不直接需要光(在叶绿体基质中进行)。类型：类型：高等植物中有3条路径。第60页1、卡尔文循环（C3路径）C3路径是全部植物进行光合碳同化所共有基本路径，包含3个主要阶段：（1）羧化阶段：CO2受体为核酮糖-1，5-二磷酸（ribulose-1,5-biphosphate,RuBP）。RuBP+CO2RuBP羧化酶/加氧酶2甘油酸-3-磷酸（2）还原阶段：甘油酸-3-磷酸甘油酸-3-磷酸激酶甘油酸-1,3-二磷酸NADPH NADP+甘油酸-1,3-二磷酸甘油醛-3-磷酸脱氢酶甘油醛-3-磷酸淀粉淀粉 或或 蔗糖蔗糖第61页2、C4植物碳同化（C4路径）存在于一些热带或亚热带起源植物(C4 植物)中，如甘蔗、玉米、高粱等。该路径固定CO2最初产物为草酰乙酸草酰乙酸(四碳化合物)，因而被称为C4路径。与C3不一样，CO2 在叶肉细胞中与磷酸烯醇式丙酮酸PEP反应生成草酰乙酸（在PEP 羧化酶作用下）。草酰乙酸不稳定，快速被还原为苹果酸，被转运到维管束鞘细胞，苹果酸被分解释放出CO2，进入卡尔文循环。第62页C4路径：又称哈奇-斯莱克(Hatch-Slack)路径，CO2受体为PEP（磷酸烯醇式丙酮酸），最初产物为草酰乙酸(OAA)。叶肉细胞维管束鞘细胞2、C4植物碳同化（C4路径）第63页http:/plantphys.info/plant_physiology/c4cam.shtml3、景天酸代谢路径（CAM路径路径）CAM路径：多见于景天科、仙人掌科、凤梨科、兰科，因为环境干旱，气孔白天关闭，CO2只能夜间进入。夜间固定CO2产生苹果酸，白天苹果酸脱羧释放CO2，进入卡尔文循环。第64页第三节第三节 线粒体和叶绿体线粒体和叶绿体半自主性及其起源半自主性及其起源第65页半自主性细胞器：本身含有遗传表示系统(自主性)；但编码遗传信息十分有限，其RNA转录、蛋白质翻译、本身构建和功效发挥等必须依赖核基因组编码遗传信息(自主性有限)。一、线粒体和叶绿体半自主性一、线粒体和叶绿体半自主性 (semiautonomous)第66页（一）线粒体和叶绿体（一）线粒体和叶绿体DNA 绝大多数真核细胞线粒体线粒体DNA(mitochondrial NA，mtDNA)呈双链环状；线粒体需要经过频繁融合与分裂共享细胞内遗传信息；被子植物 mtDNA 展现出丰富分子多态性。叶绿体叶绿体DNA（cpDNA）或称质体或称质体DNA（ptDNA）亦呈环状，分子大小依物种不一样展现较大差异，在 2002 500 kb 之间；mtDNA 和cpDNA 均以半保留方式进行复制。其复制受细胞核控制。复制所需 DNA 聚合酶、解旋酶等均由核基因组编码。第67页（二）线粒体和叶绿体中蛋白质（二）线粒体和叶绿体中蛋白质mtDNA和cpDNA 也称为线粒体基因组（mito-chondrial genome）和叶绿体基因组（chloroplast genome）。借助本身酶系统，被转录和翻译成对应物质。线粒体和叶绿体基因组编码蛋白质在线粒体和叶绿体生命活动中是主要和不可缺乏；但这些蛋白质还远远不足以支撑线粒体和叶绿体基本功效，更多蛋白质起源于核基因组编码，在细胞质中合成后被运往线粒体和叶绿体。第68页（三）线粒体、叶绿体基因组与细胞核关系（三）线粒体、叶绿体基因组与细胞核关系线粒体和叶绿体生命活动受到细胞核以及它们本身基因组双重调控双重调控。细胞核与线粒体、叶绿体之间在遗传信息和基因表示调控等层次上建立分子协作机制被称为核质互作核质互作，若三者中任何基因单方面突变，个体出现异常表型。线粒体和叶绿体基因表示过程中，一些基因个别碱基需要接收必要修饰方可翻译出正确蛋白质，这种修饰称为RNA编辑。拟南芥RNA编辑障碍造成白化苗第69页二、线粒体和叶绿体起源二、线粒体和叶绿体起源内共生起源学说（内共生起源学说（endosymbiosis hypothesis)：1970年，Margulis：真核细胞祖先：是一个体积较大、不需氧含有吞噬能力细胞，经过糖酵解获取能量；线粒体祖先：是一个革兰氏阴性细菌，具备三羧酸循环所需酶和电子传递链系统，可进行有氧呼吸；叶绿体祖先：是原核生物蓝细菌（即蓝藻）。第70页线粒体形成（内共生粒体形成（内共生说）线粒体祖先：是一个革兰氏阴性细菌，具备三羧酸循环所需酶和电子传递链系统，可行有氧呼吸。第71页叶叶绿体形成（内共生体形成（内共生说）叶绿体祖先：是原核生物蓝细菌（即蓝藻）。第72页左图：灰胞藻Glaucocystis右图：蓝藻小体Cyanophora第73页非内共生学说非内共生学说原生质内陷学说原生质内陷学说又称细胞内分化学说。认为线粒体发生是质膜内陷结果。有几个模型,其中Uzzell模型认为：在进化最初阶段,原核细胞基因组进行复制,并不伴有细胞分裂,而是在基因组附近质膜内陷形成双层膜,将分离基因组包围在这些双层膜结构中,从而形成结构可能相同原始细胞核和线粒体、叶绿体等细胞器。以后在进化过程中,增强分化,核膜失去了呼吸和光合作用,线粒体成了细胞呼吸器官,这一学说解释了核膜演化渐进过程。第74页