第六章细胞的能量转换──线粒体和叶绿体

2012年翟中和版《细胞生物学》考研参考笔记1————安雨（整理）第六章细胞的能量转换──线粒体和叶绿体主要内容：第一节线粒体与氧化磷酸化第二节叶绿体与光合作用第三节线粒体和叶绿体是半自主性细胞器第四节线粒体和叶绿体的增殖与起源第一节线粒体与氧化磷酸化一、线粒体的形态结构1、线粒体的形态、大小、数量与分布1）形态：以杆状、线状和颗粒状最为常见2）大小：直径为0.5微米，长约1.5~3.0微米3）数量与分布：从几百到几千不等，在不同的细胞中，以及同一细胞的不同时期，其数量和分布也各不相同。2、线粒体的超微结构1）整体结构：线粒体（mitochondrion）是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构，包括：外膜（outermembrane）、内膜（innermembrane）、膜间隙（intermembrane）和基质或内室（matrix）四个功能区隔。1、Themitochondrionisthepowerhouseofthecell.Itisthesiteofrespiration.Ithasadoublemembrane.Fromthisviewyoucanseeverylittle;2、Withtheoutermembraneremoveditismucheasiertoseethecontentsofthemitochondrion.Thewhitefoldedstructureistheinnermembrane.Mostofaerobicrespirationoccursalongthismembrane3、Theinnermembranesisruffled.Ithasaverylargesurfacearea.Theserufflesarecalledcristae.MitochondriahavetheirownDNAandmanufacturesometheirownproteins.2）外膜：线粒体最外面的一层单位膜，光滑而有弹性，含有孔蛋白，通透性较高。3）内膜：位于外膜内侧，把膜间隙与基质分开，通透性很低，严格控制离子或分子通过，有利于ATP的形成。内膜向内折叠形成嵴，扩大内膜表面积，其上含有能量转换相关蛋白。在内膜和嵴上存在基粒，基粒由F1头部和F0尾部组成。4）膜间隙：内、外膜之间封闭腔隙，含许多可溶性酶、底物及辅助因子。5）基质或内室：内膜所包围的嵴外空间，其中充满可溶性蛋白性质的胶状物质，含有三羧酸循环酶系，线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA、RNA、核糖体等Mitochondriaaremembrane-enclosedorganellesdistributedthroughthecytosolofmosteukaryoticcells.TheirmainfunctionistheconversionofthepotentialenergyoffoodmoleculesintoATP.Mitochondriahave:anoutermembranethatenclosestheentirestructureaninnermembranethatenclosesafluid-filledmatrixbetweenthetwoistheintermembranespacetheinnermembraneiselaboratelyfoldedwithshelflikecristaeprojectingintothematrix.asmallnumber(some5–10)circularmoleculesofDNA二、线粒体的化学组成及酶定位1、线粒体的化学组成1）蛋白质(线粒体干重的65～70％)可溶性蛋白：基质中的酶和膜的外周蛋白；不溶性蛋白：膜的镶嵌蛋白、结构蛋白和部分膜蛋白。2）脂类(线粒体干重的25～30％)：主要是磷脂，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）2、线粒体酶的定位线粒体约有140种酶，分布在各个结构组分中，其中37%是氧化还原酶，10%是合成酶，水解酶不到9%，标志酶30种。三、线粒体功能（一）线粒体功能：2012年翟中和版《细胞生物学》考研参考笔记2————安雨（整理）1、线粒体的主要功能是氧化磷酸化，合成ATP，为细胞的生命活动提供能量。2、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。Cellularrespirationistheprocessofoxidizingfoodmolecules,likeglucose,tocarbondioxideandwater.TheenergyreleasedistrappedintheformofATPforusebyalltheenergy-consumingactivitiesofthecell.Theprocessoccursintwophases:glycolysis,thebreakdownofglucosetopyruvicacidthecompleteoxidationofpyruvicacidtocarbondioxideandwater（二）、氧化磷酸化的分子结构基础1、电子传递链（呼吸链）1）概念：在线粒体内膜上存在的有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物，他们是传递电子的酶体系，是由一系列能可逆地接受和释放电子或H+的化学物质组成，他们在内膜上相互关联的有序排列构成呼吸连。2）线粒体内膜呼吸链上氧化还原酶类包括：烟酰胺脱氢酶类：以NAD+或NADP+为辅酶；黄素脱氢酶类：以FMN或FAD为辅基；铁硫蛋白类：通过铁化合价变化传递电子；辅酶Q类：是脂溶性醌类，通过三种不同的氧化还原态变化传递电子；细胞色素类：以铁卟啉为辅基，通过铁化合价的变化传递电子。Thereare5complexesofintegralmembraneproteinsintheinnermembrane:1、NADHdehydrogenase(ComplexI)2、succinatedehydrogenase(ComplexII)3、cytochromecreductase(ComplexIII;alsoknownasthecytochromeb-c1complex)4、cytochromecoxidase(ComplexIV)5、ATPsynthase(ComplexV)3）电子传递链中的四种复合物复合物Ⅰ：是NADH-CoQ还原酶，又称NADH脱氢酶，既是电子传递体又是质子移位体。组成：由25条以上多肽链组成，以二聚体形式存在，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白，是呼吸链中最大最复杂的复合物;作用：催化NADH氧化，从中获得2个高能电子辅酶Q；泵出4H+（质子跨膜输送）复合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶，又称琥珀酸脱氢酶，是电子传递体而非质子移位体;组成：含FAD辅基，2Fe-S蛋白和一个细胞色素b;作用：催化电子从琥珀酸FADFe-S辅酶Q(无H+泵出)Therespiratorychainconsistsof3complexesofintegralmembraneproteins：theNADHdehydrogenasecomplex(I)thecytochromecreductasecomplex(III)thecytochromecoxidasecomplex(IV)andtwofreely-diffusiblemoleculesubiquinonecytochromec复合物Ⅲ：CoQ-细胞色素还原酶，以二聚体形式存在，既是电子传递体又是质子移位体；组成：2个cytb(b562,b566),1cytc11Fe-S蛋白；作用：催化电子从CoQcytc；泵出4H+；复合物Ⅳ：细胞色素C氧化酶，有6-13条多肽链组成，以二聚体形式存在；组成：cyta,cyta3,2个Cu原子；作用：催化电子从cytc分子O2形成水。4）呼吸链的分类：根据接受代谢物上脱下氢的原初受体不同，可将呼吸链分为：NADH呼吸链：复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ组成NADH呼吸链，催化NADH的脱氢氧化FADH2呼吸链：复合物Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组成FADH2呼吸链，催化琥珀酸的脱氢氧化。5）呼吸链中电子流：呼吸链各组分的排列是高度有序的，使电子按氧化还原电位从低向高传递，呼吸链中有三个部位有较大的自由能变化，足以使ADP与无机磷结合形成ATP。部位Ⅰ在NADH至CoQ之间。部位Ⅱ在细胞色素b和细胞色素c之间。2012年翟中和版《细胞生物学》考研参考笔记3————安雨（整理）部位Ⅲ在细胞色素a和氧之间。鱼藤酮抗酶素ACN-或CO电子传递方向:NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2E'0低→高-0.32→-0.3→0.1→0.07→0.22→0.25→0.29→0.822、ATP酶的分子结构与组成1）ATP酶分布：线粒体内膜，类囊体膜或质膜上，参与氧化磷酸化或光和磷酸化，在跨膜质子动力势下推动ATP的合成。2）分子结构：分子量500KD，状如蘑菇。分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部），它可以利用质子动力势合成ATP，也可以水解ATPF1是水溶性球蛋白，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）。3个α和3个β单位交替排列，状如桔瓣，各亚基分离时无酶活性，结合时有酶的活性，γ与ε亚基结合在一起贯穿α3β3复合体，并与F0接触（相当于发电机的转子），δ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是嵌入内膜的疏水蛋白复合体，形成一个跨膜质子通道，由三种多肽a1b2c10-12组成的复合体，12个c亚基组成一个环形结构，a与b亚基组成二聚体位于环的外侧，与δ共同组成定子。3）ATP合成酶的作用机制1979年代BoyerP提出构象耦联假说，一些有力的实验证据使这一学说得到广泛的认可。其要点如下：.ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP（图7-14）。.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、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象（loose），ADP、Pi与酶疏松结合在一起；在T构象（tight）底物（ADP、Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。.质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动γ亚基旋转，由于γ亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起β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。3、氧化磷酸化作用与电子传递的偶联1）氧化磷酸化：当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP的过程。2）呼吸链上氧化还原释放能量合成ATP的偶联部位：NADH呼吸链：NADH→CoQ；cytb→cytc；cytaa3→O2FADH2呼吸链：cytb→cytc；cytaa3→O2琥珀酸FAD→复合物II→复合物I→FeS→复合物III→复合物IV→H+→NADH→FMN→FeS→Q→cytbFeS→cytc1→cytc→cytaa3→O2ADP+Pi→ATP(三)氧化磷酸化的偶联机制1、化学渗透假说内容：呼吸链（电子传递链）各组分在线粒体内膜中分布是不对称，当高能电子在膜中沿其传递时，所释放的能量将H+从内膜基质泵到膜间隙，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高能磷酸键中。膜内外H+浓度差2、质子动力势：膜电位TheenergyreleasedaselectronspassdownthegradientfromNADHtooxygenisharnessedbythreeenzymecomplexesofthe