细胞生物学-第6章-细胞的能量转换──线粒体和叶绿体

翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）Copyright©高等教育出版社2011第6章线粒体和叶绿体Figure14-37MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)本章主要内容•线粒体与氧化磷酸化•叶绿体与光合作用•线粒体和叶绿体的半自主性及其起源第一节线粒体与氧化磷酸化1890年R.Altaman首次发现线粒体，命名为生命小体（bioblast），认为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌。1897年vonBenda首次提出mitochondrion。1900年L.Michaelis用JanusGreenB对线粒体进行染色，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。Hatefi等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体。Mitchell（1961－1980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。一、线粒体的形态结构1、线粒体的形态颗粒或短线状。但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、线状、分叉状或其它形状。直径0.5～1μm，长1.5～3.0μm，在胰脏外分泌细胞中可长达10～20μm，称巨线粒体。数目一般数百到数千个，植物因有叶绿体的缘故，线粒体数目相对较少；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）线粒体的形态、大小、数量与分布分布与细胞内的能量需求密切相关。可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。2、线粒体的分布Figure7-4Relationshipbetweenmitochondriaandmicrotubules.鞭毛轴丝肌原纤维•线粒体的数目呈动态变化并接受调控；与细胞类型相关，随着细胞分化而变化AnTEMimageofmitochondrionFigure7-3Mitochondrialplasticity.Rapidchangesofshapeareobservedwhenamitochondrionisvisualizedinalivingcell.融合与分裂的动态变化之中•线粒体融合与分裂是线粒体形态调控的基本方式，也是线粒体数目调控的基础Schematicviewofmitochondrion（二）线粒体的超微结构线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔。A、B扫描电镜照片：示线粒体内部结构二、线粒体的超微结构•外膜–通透性很高；孔蛋白；标志酶是单胺氧化酶•内膜–不透性；嵴；ATP合酶；标志酶是细胞色素氧化酶；氧化磷酸化的关键场所•膜间隙–标志酶是腺苷酸激酶•线粒体基质–催化线粒体重要生化反应；标志酶是苹果酸脱氢酶；含DNA、RNA、核糖体及转录、翻译必需重要分子1、外膜(outmembrane)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的分子通过，﹤1KD的分子可自由通过。标志酶为单胺氧化酶。2、内膜（innermembrane）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。标志酶为细胞色素C氧化酶。氧化磷酸化的电子传递链位于内膜。通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过。大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。如：丙酮酸和焦磷酸是利用H+梯度协同运输。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：①板层状、②管状。但多呈板层状。嵴上覆有基粒。基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F0偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。孔蛋白肽聚糖3、膜间隙(intermembranespace)：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。除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。催化三羧酸循环，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中，其标志酶为苹果酸脱氢酶。基质具有一套完整的转录和翻译体系。包括线粒体DNA（mtDNA），70S型核糖体，tRNAs、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。基质中还含有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◆蛋白质(线粒体干重的65～70％)◆脂类(线粒体干重的25～30％)：·磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。·线粒体脂类和蛋白质的比值:0.3:1（内膜）；1:1（外膜）二、线粒体的化学组成及酶的定位三、线粒体的功能线粒体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；与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。（一）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。氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程，即有机分子中储藏的能量高能电子质子动力势ATP。氧化(电子传递，消耗氧)与磷酸化(ADP+Pi)是同时进行，密切偶连在一起的，但却由两个不同的结构体系执行。1、电子传递链是指在线粒体内膜上由呼吸传递体组成的电子传递总轨道。主要是氧化磷酸化有关的脂蛋白复合物，能可逆地接受和释放电子或H+。（1）呼吸链电子载体主要有：黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶Q等。①NAD：即烟酰胺嘌呤二核苷酸，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有：------以FMN为辅基的NADH脱氢酶。------以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。（2）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。（2）呼吸链的复合物利用脱氧胆酸（deoxycholate，一种离子型去污剂）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。辅酶Q溶于内膜、细胞色素C位于线粒体内膜的C侧，属于膜的外周蛋白。组成：42条肽链，呈L型，含一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量约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）。电子传递的方向：NADH→FMN→Fe-S→Q总的反应结果：NADH+5H+M+Q→NAD++QH2+4H+C①复合物I：NADH脱氢酶组成：至少由4条肽链，含有1个FAD，2个铁硫蛋白，1个细胞色素b。作用：催化琥珀酸的低能电子至辅酶Q，但不跨膜转移质子。–电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。–反应结果为：琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2②复合物II：琥珀酸脱氢酶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（b566、b562）、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cytc1+QH2+2H+M→2氧化态cytc1+Q+4H+C组成：为二聚体，每个单体含至少13条肽链，分为三个亚单位。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。cytc→CuA→hemea→a3-CuB→O24还原态cytc+8H+M+O2→4氧化态cytc+4H+C+2H2O④复合物IV：细胞色素c氧化酶A.Molecularbasisofoxidation:Electron-transportchain（3）电子传递过程中，需要说明的几点：◆四种类型电子载体：黄素蛋白、细胞色素(血红素基团Fe)、Fe-S中心、辅酶Q。前三种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性醌。◆电子传递起始于NADH脱氢酶催化NADH氧化，形成高能电子(能量转化)，终止于O2形成水。◆电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递(NAD+/NAD最低，H2O/O2最高)◆高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物(H+-泵)将H+从基质泵到膜间隙，形成跨线粒体内膜H+梯度(能量转化)◆电子传递链各组分在膜上不对称分布①由复合物I、III、IV组成主要的呼吸链，催化NADH的脱氢氧化。②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Ⅰ，大约需要3个复合物Ⅲ，7个复合物Ⅳ，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。呼吸链组分及ATP酶在线粒体内膜上呈不对称分布，如细胞色素C位于线粒体内膜的C侧（向细胞质的一侧），而ATP酶位于内膜的M侧（向线粒体基质的一侧）。（4）两条主要的呼吸链图7-11两条主要的呼吸链（引自Lodish等1999）TransportofelectronsfromNADHTransportofelectronsfromFADH2状如蘑菇，属于F型质子泵。分为突出于膜外的F1头部和嵌入膜中的F0基部。F1由5种多肽组成α3β3γδε复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个β亚基具有一个）。β亚基有水解酶活性。α和β单位交替排列，状如桔瓣。γ贯穿αβ复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，ε(艾普西龙）帮助γ与F0结合。δ(代尔塔)与F0的两个b亚基形成固定αβ复合体的结构（相当于发电机的定子）。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。工作特点：可逆性复合酶，即能利用质子电化学梯度储存的能量合成ATP，又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙。2、ATP合酶的分子结构与组成（1）ATP合酶（ATPsynthase）F1particleisthecatalyticsubunit;TheF0particleattachestoF1andisembeddedintheinnermembrane.F1:5subunitsintheratio3:3:1:1:1F0:1a：2b：12cThestructureoftheATPsynthaseF1F0TheATPsynthaseisareversiblecouplingdevice（二）氧化磷酸化的偶联机制1、化学渗透假说内容电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将H+从基质泵到膜间隙，形成H+电化学梯度。在这个梯度驱使下，H+穿过ATP合成酶回到基质，同时合成ATP，电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。C.Mithchell’sChemiosmotictheory(1961)ThepHandelectricalgradientresultingfromtransportofprotonslinksoxidationtophosphorylation.Whenelectronsarepassedtocarriersonlyabletoacceptelectrons,theH+istranslocatedacrosstheinnermembrane.Morethan21026molecules(160kg)ofATPperdayinourbodies.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），由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（△pH）及电位梯度（Ψ），两者共同构成电化学梯度，即质子动力势（△P）。△P=Ψ–(2.3RT/F)△pH–其中：△pH=pH梯度，Ψ=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。2、质子