细胞的能量转换线粒体与叶绿体.pptx

线粒体和叶绿体的共性：线粒体和叶绿体的共性：-呈封闭的双层膜结构呈封闭的双层膜结构-高效产生高效产生ATP的精密装置的精密装置-均具有环状均具有环状DNA及自身转录与翻译系统及自身转录与翻译系统-半自主性的细胞器半自主性的细胞器第一节第一节 线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化-1890年德国生物学家年德国生物学家Altmann在动物细胞中发现在动物细胞中发现bioblast（生命小体）（生命小体）-1897年年Benda 命名它为命名它为mitochondrion即线粒体即线粒体-1900年年Michaelis 证实线粒体可进行氧化还原反应证实线粒体可进行氧化还原反应-1913年年Engelhardt 证明磷酸化和氧化作用相偶联证明磷酸化和氧化作用相偶联一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构 -形态：环形、哑铃形、线状形态：环形、哑铃形、线状 -大小：直径为大小：直径为0.51.0微米，长度微米，长度1.53.0微米微米 -数目与分布：数目与分布：0几十万个几十万个 新陈代谢旺盛的细胞中较多，分布不均匀，新陈代谢旺盛的细胞中较多，分布不均匀，往往在细胞代谢旺盛的需能部位比较集中。往往在细胞代谢旺盛的需能部位比较集中。二二 线粒体的超微结构线粒体的超微结构 外膜外膜(outer membrane):厚约厚约6nm，含大量，含大量通道蛋白通道蛋白-孔蛋白孔蛋白,高通透性高通透性 内膜内膜(inner membrane):厚约厚约68nm，含有心磷脂，缺乏胆固醇，含有心磷脂，缺乏胆固醇.形成通透形成通透 性屏障性屏障，内膜向线粒体内室折叠形成嵴（，内膜向线粒体内室折叠形成嵴（cristae).嵴上有基粒嵴上有基粒(F1颗粒，颗粒，F1、柄部、柄部、F0）.H+、ATP、丙酮酸等在载体或通透酶系统协助下跨膜运输丙酮酸等在载体或通透酶系统协助下跨膜运输.内外膜间有接触点内外膜间有接触点.膜间隙膜间隙(intermembrane space):位于内外膜之间位于内外膜之间 宽宽68nm 基质（基质（matrix)或内室或内室:含有多种酶、环状含有多种酶、环状DNA、RNA等等二、线粒体的化学组成及酶的定位二、线粒体的化学组成及酶的定位（一）、线粒体的化学组成（一）、线粒体的化学组成 成分：蛋白质和脂质成分：蛋白质和脂质 蛋白质：可溶性蛋白多数是基质中的酶和膜的外蛋白质：可溶性蛋白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、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。结构蛋白和部分酶蛋白。电泳分析：外膜上含电泳分析：外膜上含14种蛋白质，内膜上含种蛋白质，内膜上含21种种 蛋白质。蛋白质。脂质主要是磷脂，外膜主要为磷脂酰胆碱，内膜脂质主要是磷脂，外膜主要为磷脂酰胆碱，内膜 含大量心磷脂，高达含大量心磷脂，高达20%，与内膜的高度疏水性，与内膜的高度疏水性 有关有关.（二）、线粒体酶的定位（二）、线粒体酶的定位 140余种酶，余种酶，37%是氧化还原酶，是氧化还原酶，10%是合是合 成酶，成酶，9%是水解酶，标志酶约是水解酶，标志酶约30种种 部位部位 酶的名称酶的名称 部位部位酶的名称酶的名称外膜外膜单胺氧化酶单胺氧化酶膜间隙膜间隙腺苷酸激酶腺苷酸激酶内膜内膜细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶基质基质苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶三、线粒体的功能三、线粒体的功能 主要功能是三羧酸循环及氧化磷酸化主要功能是三羧酸循环及氧化磷酸化,合成合成ATP,为细胞生命活动提供直接能量为细胞生命活动提供直接能量.真核细胞中的氧化作用真核细胞中的氧化作用 糖的有氧氧化糖的有氧氧化(细胞氧化或生物氧化细胞氧化或生物氧化):-糖氧化成丙酮酸糖氧化成丙酮酸 -丙酮酸脱羧生成乙酰丙酮酸脱羧生成乙酰CoA -乙酰乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化进入三羧酸循环彻底氧化 葡萄糖酵解生成丙酮酸葡萄糖酵解生成丙酮酸 细胞质中的葡萄糖细胞质中的葡萄糖(或糖原或糖原)在一在一 系列系列酶的催化下生成丙酮酸的过程成称为糖酵酶的催化下生成丙酮酸的过程成称为糖酵解解(glycolysis)。线粒体基质中乙酰辅酶线粒体基质中乙酰辅酶A的生成的生成 -丙酮酸跨膜进入线粒体基质；丙酮酸跨膜进入线粒体基质；-在丙酮酸脱氢酶在丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase)作用下氧化成乙酰辅酶作用下氧化成乙酰辅酶A。呼吸链与电子传递呼吸链与电子传递 线粒体能量转换策略线粒体能量转换策略 三羧酸循环中的能量转换三羧酸循环中的能量转换 NAD+NADH FAD+FADH2 NADH和和FADH2必须被氧化才能维持三羧酸循环必须被氧化才能维持三羧酸循环 NADH +1/2 O2 NAD+能量能量 FADH2+1/2 O2 FAD+能量能量 NADH和和FADH2被氧化时释放的被氧化时释放的H+、电子和能量、电子和能量如何安置如何安置?呼吸链呼吸链(respiratory chain)-又称电子传递链又称电子传递链,是四种复合物组成的复是四种复合物组成的复 合体合体 -功能是参与对还原型辅酶的氧化功能是参与对还原型辅酶的氧化 H+的传递的传递 电子传递电子传递另外另外,线粒体还有以下功能线粒体还有以下功能:-氧自由基的生成氧自由基的生成 -细胞程序性死亡细胞程序性死亡 -细胞的信号转导细胞的信号转导 -离子的跨膜转运离子的跨膜转运 -细胞中细胞中Ca2+的调节的调节（一（一）线粒体中的氧化代谢）线粒体中的氧化代谢 动物线粒体内膜中的动物线粒体内膜中的NADH脱氢酶只能接受脱氢酶只能接受 来自线粒体基质中的来自线粒体基质中的NADH上的电子上的电子.糖酵解产生的糖酵解产生的NADH的电子通过两条穿梭途径进的电子通过两条穿梭途径进入线粒体入线粒体.1.苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭途径天冬氨酸穿梭途径,进入线粒体基质的进入线粒体基质的电子传递给电子传递给NAD+生成生成NADH.NADH直接将电子传直接将电子传递到呼吸链递到呼吸链.2.甘油甘油-3-磷酸穿梭途径磷酸穿梭途径,进入线粒体基质中的电进入线粒体基质中的电子转移给子转移给FAD,使还原为使还原为FADH.(二二)电子传递链（呼吸链）与电子传递电子传递链（呼吸链）与电子传递 线粒体内膜上的呼吸链是典型的线粒体内膜上的呼吸链是典型的多酶氧化还原体系多酶氧化还原体系，可逆地接受和释放电子或可逆地接受和释放电子或H+,由多个组分组成。由多个组分组成。参加呼吸链的氧化还原酶有：参加呼吸链的氧化还原酶有：（1）烟酰胺脱氢酶类）烟酰胺脱氢酶类 （2）黄素脱氢酶类）黄素脱氢酶类 （3）铁硫蛋白类）铁硫蛋白类 （4）辅酶）辅酶Q类类 （5）细胞色素类）细胞色素类 电子载体有电子载体有5种种:-黄素蛋白黄素蛋白:NADH脱氢酶脱氢酶,琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶.接受和接受和传递传递2个电子和质子个电子和质子 -细胞色素细胞色素:含铁血红素含铁血红素,细胞色素细胞色素b,c,c1,a和和a3,传递单个电子传递单个电子.靠靠Fe3+-Fe2+的变换传递单个电子的变换传递单个电子.-泛醌泛醌(辅酶辅酶Q):可携带电子和质子可携带电子和质子 -铁硫蛋白铁硫蛋白:含非红素铁的蛋白质含非红素铁的蛋白质.靠靠Fe3+-Fe2+的的变换传递电子变换传递电子 -铜原子铜原子:通过通过Cu2+和和Cu+的变换传递电子的变换传递电子 呼吸链中的电子载体严格按氧化还原电位从呼吸链中的电子载体严格按氧化还原电位从低向高排列低向高排列.NAD+/NADH最低最低,O2/H2O最高最高.Green等人首先将呼吸链拆离成等人首先将呼吸链拆离成4种复合物（种复合物（-）以及辅酶以及辅酶Q和细胞色素和细胞色素c。复合物复合物：NADH-CoQ还原酶，二聚体，每一单体还原酶，二聚体，每一单体含一个黄素单核苷酸（含一个黄素单核苷酸（FMN）和至少）和至少6个铁硫蛋个铁硫蛋白。既是电子传递体又是质子移位体。白。既是电子传递体又是质子移位体。复合物复合物：琥珀酸：琥珀酸-CoQ还原酶，又称琥珀酸脱氢酶，还原酶，又称琥珀酸脱氢酶，含一个黄素腺嘌呤二核苷酸（含一个黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）、）、2个铁硫蛋个铁硫蛋白、白、1个细胞色素个细胞色素b。不能使质子跨膜移位。不能使质子跨膜移位。复合物复合物：CoQ-细胞色素细胞色素c还原酶，二聚体。每一还原酶，二聚体。每一单体含单体含2个细胞色素个细胞色素b（b562,b566）1个细胞色素个细胞色素c1和和1个铁硫蛋白。既是电子传递体又是质子移个铁硫蛋白。既是电子传递体又是质子移位体。位体。复合物复合物：细胞色素氧化酶，二聚体。每一单体含：细胞色素氧化酶，二聚体。每一单体含细胞色素细胞色素a和和a3及及2个铜原子（个铜原子（CuA,CuB)。既是。既是电子传递体又是质子移位体电子传递体又是质子移位体目前普遍认为，细胞内有两条典型的呼吸链：目前普遍认为，细胞内有两条典型的呼吸链：NADH呼吸链和呼吸链和FADH2呼吸链呼吸链。复合物复合物、组成主要的组成主要的NADH呼吸链；催呼吸链；催化化NADH的氧化；的氧化；复合物复合物、组成组成FADH2呼吸链呼吸链，催化琥珀，催化琥珀酸酸(FADH2)的氧化。的氧化。(三三)线粒体内膜电化学梯度的建立线粒体内膜电化学梯度的建立 Electrochemical gradient 质子梯度质子梯度 内膜两侧电位差内膜两侧电位差 proton-motive force(质子动势质子动势)呼吸链各组分有序排列，使电子按氧化还呼吸链各组分有序排列，使电子按氧化还原电位从低向高传递，能量逐级释放原电位从低向高传递，能量逐级释放.该释放该释放的自由能将线粒体基质中的的自由能将线粒体基质中的H+转移到膜间隙转移到膜间隙.呼吸链中的复合物呼吸链中的复合物、都是质子泵都是质子泵，可，可将质子有机质转移到膜间隙，形成质子动力势将质子有机质转移到膜间隙，形成质子动力势（proton-motive force），驱动），驱动ATP的合成，的合成，人为提高线粒体膜间隙的质子浓度，能使线粒人为提高线粒体膜间隙的质子浓度，能使线粒体合成体合成ATP。(四四)ATP形成机制形成机制-氧化磷酸化氧化磷酸化 ADP ATP:磷酸化磷酸化 ATP合酶的分子结构与组成合酶的分子结构与组成 -ATP合酶或合酶或F1F0-ATP酶。是生物体能量转换的核酶。是生物体能量转换的核 心酶。该酶参与心酶。该酶参与氧化磷酸化和光合磷酸化氧化磷酸化和光合磷酸化，在跨膜，在跨膜 质子动力势的推动下催化合成质子动力势的推动下催化合成ATP。-其分子结构由突出于其分子结构由突出于膜外的膜外的F1头部和嵌于膜内的头部和嵌于膜内的F0 基部基部两部分组成。两部分组成。ATP合酶的结构合酶的结构 分子量分子量500KD，状如，状如蘑菇。分为球形的蘑菇。分为球形的F1（头部）和嵌入膜（头部）和嵌入膜中的中的F0（基部），它（基部），它可以利用质子动力势可以利用质子动力势合成合成ATP，也可以，也可以水水解解ATP，转运质子，转运质子 -F1（F1偶联因子）：头部偶联因子）：头部,水溶性球蛋白，从内水溶性球蛋白，从内膜突出于基质内，较易从膜上脱落。牛心线粒体膜突出于基质内，较易从膜上脱落。牛心线粒体ATP酶的酶的F1部分由部分由3、3、1、1、19个亚基个亚基组成。组成。-各亚基分离时无酶活性，结合时有酶活性。各亚基分离时无酶活性，结合时有酶活性。-和和亚基上均具有核苷酸结合位点，其中亚基上均具有核苷酸结合位点，其中亚基亚基的结合位点具有催化的结合位点具有催化ATP合成或水解的活性。合成或水解的活性。-动物线粒体动物线粒体F1还有抑制蛋白，专一地抑制还有抑制蛋白，专一地抑制F1-ATP酶的活力，但不抑制酶的活力，但不抑制ATP合成。合成。-和和有很强的亲和力，结合在一起形成有很强的亲和力，结合在一起形成“转子转子”，共同旋转以，共同旋转以调节调节3个个催化位点的开放和关闭催化位点的开放和关闭。-亚基有抑制酶水解亚基有抑制酶水解ATP的活性。同时有减少的活性。同时有减少H+泄漏的功能。泄漏的功能。ATPATP合酶合酶ATPATP合酶合酶F0（偶联因子（偶联因子F0)：嵌合在内膜上的疏水蛋白复合：嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道体，形成一个跨膜质子通道(F型型)二聚体排列在二聚体排列在c亚亚基基12聚体形成的环的外侧，聚体形成的环的外侧，a亚基、亚基、b亚基二聚体亚基二聚体和和亚基共同组成亚基共同组成“定子定子”。F0中的一个亚基可结合寡霉素，通过该亚基可调节中的一个亚基可结合寡霉素，通过该亚基可调节通过通过F0的的H+流。流。F1和和F0通过通过“转子转子”和和“定子定子”将两部分连接起将两部分连接起来，在合成或水解来，在合成或水解ATP的过程中，的过程中，“转子转子”在通过在通过F0的的H+流推动下旋转，依次与流推动下旋转，依次与3个个亚基作用，调亚基作用，调节节亚基催化位点的构象变化；亚基催化位点的构象变化；“定子定子”在一侧将在一侧将33与与F0连接起来。连接起来。F0的作用之一，就是将跨膜的作用之一，就是将跨膜质子动力势转换成扭力矩，推动质子动力势转换成扭力矩，推动“转子转子”旋转旋转。氧化磷酸化作用与电子传递的偶联氧化磷酸化作用与电子传递的偶联 氧化还原的本质是电子的转移。氢质子的转移氧化还原的本质是电子的转移。氢质子的转移其本质也是电子转移。其本质也是电子转移。当电子从当电子从NADH或或FADH2经经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形磷酸化形成成ATP，这一过程称为氧化磷酸化，这一过程称为氧化磷酸化。NADH呼吸链生呼吸链生成成ATP的的3个部位是：个部位是：-NADH至辅酶至辅酶Q -细胞色素细胞色素b至细胞色素至细胞色素c -细胞色素细胞色素a至氧至氧 各生成各生成1 分子分子ATP,共共3分子分子ATP.FADH2呼吸链只生成呼吸链只生成2分子分子ATP.氧化磷酸化的偶联机制氧化磷酸化的偶联机制-化学偶联假说化学偶联假说-构象偶联假说构象偶联假说-化学渗透假说化学渗透假说 呼吸链的各组分在线粒体内膜中的分布是呼吸链的各组分在线粒体内膜中的分布是不对称不对称的，当高能电子在膜中沿呼吸链传递时，所释放的能的，当高能电子在膜中沿呼吸链传递时，所释放的能量将量将H+从内膜基质侧泵至膜间隙，由于膜对从内膜基质侧泵至膜间隙，由于膜对H+是不是不通透的，从而使通透的，从而使膜间隙的膜间隙的H+浓度高于基质浓度高于基质，因而在内，因而在内膜的两侧形成膜的两侧形成电化学质子梯度电化学质子梯度，也称为质子动力势。，也称为质子动力势。在这个梯度驱动下，在这个梯度驱动下，H+通过内膜上的通过内膜上的ATP合酶流回到合酶流回到基质，其能量基质，其能量促使促使ADP和和Pi合成合成ATP。化学渗透假说有两个特点：一是强调线粒体膜结构的化学渗透假说有两个特点：一是强调线粒体膜结构的完整性。二是定向的化学反应。完整性。二是定向的化学反应。ATP合成的反应也是合成的反应也是定向的。定向的。可以把线粒体内膜中的呼吸链看作是可以把线粒体内膜中的呼吸链看作是质子泵质子泵，在电，在电子经呼吸链传递给氧的过程中，可把基质中的子经呼吸链传递给氧的过程中，可把基质中的H+泵至泵至膜间隙。膜间隙。ATP ATP合酶的作用机制合酶的作用机制 美国生物化学家美国生物化学家Boyer提出的提出的ATP合酶的结合变合酶的结合变化和化和旋转催化旋转催化机制得到实验证据的支持。机制得到实验证据的支持。(构象耦联假说构象耦联假说)三、线粒体与疾病三、线粒体与疾病-线粒体是细胞内最易受损伤的一个敏感的细胞器线粒体是细胞内最易受损伤的一个敏感的细胞器-线粒体病是指那些在病变细胞内较早出现的线粒体线粒体病是指那些在病变细胞内较早出现的线粒体极为明显异常的病理变化。极为明显异常的病理变化。-克山病克山病是一种心肌线粒体病。它是以心肌损伤为主是一种心肌线粒体病。它是以心肌损伤为主要病变的地方性心肌病，因营养缺乏（缺硒）而引要病变的地方性心肌病，因营养缺乏（缺硒）而引起。硒对线粒体膜有稳定作用，患者因缺硒而导致起。硒对线粒体膜有稳定作用，患者因缺硒而导致心肌线粒体出现膨胀、嵴稀少和不完整等。心肌线粒体出现膨胀、嵴稀少和不完整等。-人体细胞中线粒体数量随年龄增长而减少，体积随人体细胞中线粒体数量随年龄增长而减少，体积随年龄增长而增大。年龄增长而增大。-线粒体是细胞内自由基的源泉线粒体是细胞内自由基的源泉,是决定细胞衰老的生是决定细胞衰老的生物钟。物钟。-线粒体通过释放细胞色素线粒体通过释放细胞色素c参与细胞凋亡。参与细胞凋亡。第二节第二节 叶绿体与光合作用叶绿体与光合作用-叶绿体的形态结构叶绿体的形态结构-叶绿体的化学组成叶绿体的化学组成-叶绿体的主要功能叶绿体的主要功能光合作用光合作用一一 叶绿体的形态结构叶绿体的形态结构形状、大小和数目：椭圆形或卵圆形，直径形状、大小和数目：椭圆形或卵圆形，直径46微米微米,高等植物每个叶肉高等植物每个叶肉cell含有含有50200个个叶绿体的结构和化学组成叶绿体的结构和化学组成 叶绿体膜叶绿体膜 叶绿体膜具有控制代谢物进出叶绿体的功能叶绿体膜具有控制代谢物进出叶绿体的功能 内膜对物质透过的选择性强，是细胞质和叶绿内膜对物质透过的选择性强，是细胞质和叶绿 体基质间的功能屏障体基质间的功能屏障 内膜有特殊载体内膜有特殊载体转运体转运体 化学组成：蛋白质和磷脂为主、酶类有化学组成：蛋白质和磷脂为主、酶类有ATP酶等酶等类囊体类囊体（基质类囊体和基粒类囊体）（基质类囊体和基粒类囊体）类囊体的垛叠是动态的，即垛叠与非垛叠是可类囊体的垛叠是动态的，即垛叠与非垛叠是可逆发生的逆发生的 相邻基粒经网管状或扁平状的基质类囊相邻基粒经网管状或扁平状的基质类囊体相连，使类囊体腔彼此相通。体相连，使类囊体腔彼此相通。类囊体膜集中了光合作用能量转换功能的全部类囊体膜集中了光合作用能量转换功能的全部组分。包括：捕光色素（天线色素）、两个光反组分。包括：捕光色素（天线色素）、两个光反应中心、各种电子载体、合成应中心、各种电子载体、合成ATP的系统和从水的系统和从水中抽取电子的系统。分别装配在光系统中抽取电子的系统。分别装配在光系统（PS）、光系统）、光系统（PS）、细胞色素）、细胞色素bf、CF0-CF1ATP酶等重要的膜蛋白复合物中。酶等重要的膜蛋白复合物中。CF0-CF1ATP酶是由跨膜的酶是由跨膜的H+通道通道CF0和在类和在类囊体膜基质侧起催化作用的囊体膜基质侧起催化作用的CF1两部分组成。叶两部分组成。叶绿体的绿体的CF1激活需有激活需有-SH基化合物，同时需要基化合物，同时需要Mg2+,寡霉素对寡霉素对CF1无抑制作用。无抑制作用。这些复合物在内囊体膜中呈不对称分布。见图这些复合物在内囊体膜中呈不对称分布。见图 化学组成：蛋白质和脂类化学组成：蛋白质和脂类 CF1是一种外在蛋是一种外在蛋白白 两种叶绿素两种叶绿素-蛋白质复合物（蛋白质复合物（CP CP）是）是内在蛋白质内在蛋白质 基质的化学组成基质的化学组成 可溶性蛋白和其他代谢活跃可溶性蛋白和其他代谢活跃物质。物质。其中其中RuBP羧化酶羧化酶(羧基歧化酶羧基歧化酶)占类囊体占类囊体可溶蛋白的可溶蛋白的80%环状环状RuBP羧化酶羧化酶由由8个大亚基个大亚基（LSU）和）和8个小亚基个小亚基(SSU）组成，酶的活性中）组成，酶的活性中心位于大亚基上，小亚基只具有调节功能。心位于大亚基上，小亚基只具有调节功能。大亚大亚基是由叶绿体基因组编码，小亚基是由核基因组基是由叶绿体基因组编码，小亚基是由核基因组编码。编码。基质中还含有环状基质中还含有环状DNA、RNA（rRNA、tRNA、mRNA）、核糖体、脂滴、植物铁蛋白和）、核糖体、脂滴、植物铁蛋白和淀粉粒等。淀粉粒等。基质（含有基质（含有RNA和和DNA）进行光合作用进行光合作用 光反应光反应 1、原初反应、原初反应 2、光合作用中的电子传递、光合作用中的电子传递 3、光合磷酸化、光合磷酸化 暗反应：羧化阶段、还原阶段、暗反应：羧化阶段、还原阶段、RuBP再生阶段再生阶段 叶绿体中叶绿体中ATP合成的机制与线粒体十分相似合成的机制与线粒体十分相似。不同不同点点：叶绿体中，每：叶绿体中，每3个个H+穿过穿过CF1-CF0 ATP酶，酶，生成生成1个个ATP分子；在线粒体中，每分子；在线粒体中，每2个个H+穿过穿过F1-F0 ATP酶，生成酶，生成1个个ATP分子分子叶绿体的主要功能叶绿体的主要功能