细胞生物学 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第三节线粒体和叶绿体的半自主性及其起源本章主要内容第一节线粒体与氧化磷酸化一、线粒体的基本形态及动态特征•（一）线粒体的形态、分布及数目•呈颗粒或短线状，直径为0.3～1.0μm,长度为1.5～3.0μm.•分布与细胞内的能量需求密切相关；•线粒体的数目同样呈现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。第一节线粒体与氧化磷酸化•动、植物细胞中均可观察到频繁的线粒体融合与分裂现象，这被认为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。（二）线粒体的融合与分裂5.1.1.3线粒体融合与分裂的分子及细胞学基础线粒体融合与分裂的分子基础：融合与分裂依赖于特定的基因和蛋白质的调控。融合所必需的基因最早发现于果蝇，取名Fzo（fuzzyonion模糊地葱头）Fzo基因编码一个跨膜的GTPase（鸟苷三磷酸酶），定位在线粒体外膜上，介导线粒体的融合。“模糊的葱头”与跨膜大分子GTPase（Fzo）的模式结构：（WT）野生型果蝇精细胞发育过程中线粒体融合形成的大体积球形线粒体。（fzo）突变体中聚集但不融合的小线粒体。（OM）线粒体外膜；（IMS）膜间隙；（IM）线粒体内膜。Bar=2微米。（三）线粒体融合与分裂的分子及细胞生物学基础1.分裂的分子生物学基础•线粒体分裂依赖特定的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发动蛋白（dynamin）组装和驱动线粒体分裂的模式图2.线粒体融合与分裂的细胞生物学基础•线粒体分裂环（mitochondrialdivisionring）•分裂的三个阶段：早期；中期；后期NishidaKetal.PNAS2003;100:2146-2151电子显微镜下观察到的线粒体分裂装置：（a）研究线粒体和叶绿体分裂装置的经典实验材料，红藻细胞的荧光显微照片（DNA特异性探针DAPI染色）及细胞内线粒体与叶绿体分裂模式图。红藻细胞含一个线粒体和一个叶绿体。在细胞增值过程中，叶绿体（红色自发荧光）率先启动分裂，随后线粒体启动分裂，最后细胞核分裂。红色的环状结构示线粒体和叶绿体的分裂环。（b）电子显微镜下观察到的分裂环平环切面。在3张连续切面（黑白叠加后生成的图片（彩色）上，可以同时观察到线粒体分裂环（大箭头）及叶绿体分裂环（小箭头）。（c）线粒体分裂环的垂环切面。在分裂环的断面上，可以观察到电子密度较高的外环（大箭头）及电子密度相对较低的内环（小箭头）。二、线粒体的超微结构（一）外膜（二）内膜（三）膜间隙（四）线粒体基质二、线粒体的超微结构人淋巴细胞线粒体（A）、拟南芥幼叶线粒体（B）的超微结构及超微结构模式图三、线粒体的立体结构（一）外膜单位膜结构，厚约6nm。外膜中蛋白质和脂质约各占50%，外膜上分布的孔蛋白构成的桶状通道，可根据细胞的状态可逆性地开闭，能够可以通过相对大分分质量的分子。由于外膜的通透性很高，膜间隙中的离子环境几乎与胞质相同。外膜的标志酶是单胺氧化酶（二）内膜单位膜结构，厚6～8nm。内膜有很高的蛋白质/脂质比（质量比≥3∶1），缺乏胆固醇，富含心磷脂，这种组成决定了内膜的不透性。线粒体内膜是氧化磷酸化的关键场所，内膜向内延伸形成嵴，嵴上存在许多规则排列的颗粒，称为线粒体基粒即ATP合酶，内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。（三）膜间隙宽约6～8nm。膜间隙内的液态介质含有可溶性的酶、底物和辅助因子。腺苷酸激酶是膜间隙的标志酶，可催化ATP分子末端磷酸基团转移到AMP生成ADP。（四）线粒体基质富含可溶性蛋白质的胶状物质。催化线粒体重要生化反应，如三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解等还含有DNA、RNA、核糖体以及转录、翻译所必需的重要分子。（一）氧化磷酸化的分子结构基础超声波线粒体亚线粒体小泡或颗粒胰蛋白酶颗粒解离，只能传递电子，而不能发生磷酸化颗粒重新装配上电子传递和氧化磷酸化电子传递的组分位于线粒体的内膜，颗粒是氧化磷酸化偶联的因子线粒体内膜在超声波作用下形成亚线粒体小泡ATP合酶分子结构模式图ATP合酶的分子由球形的头部和基部组成，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。ATP合酶的头部被称为偶联因子1（F1），由5种类型的9个亚基组成，形成一个“橘瓣”状结构,其中只有β亚基具有催化ATP合成或水解的活性。F1的功能是催化ATP合成，γ亚基的一个结构域构成穿过F1的中央轴。ε亚基协助γ亚基附着到ATP合酶的基部结构F0上。γ与ε亚基结合形成“转子”，旋转于α3β3的中央，调节3个β亚基催化位点的开放和关闭。ATP合酶的基部结构被称作F0，F0是一个疏水性的蛋白复合体，嵌合于线粒体内膜，由a、b、c3种亚基组成跨膜的质子通道。多拷贝的c亚基形成一个环状结构。a亚基和b亚基形成的二聚体成的环的外侧。同时，a亚基、b亚基及F1的δ亚基共同组成“定子”，也称外周柄。结合变构机制—质子驱动ATP合成的过程•①质子梯度的作用是使ATP从酶分子上解脱下来。•②ATP合酶上3个β催化亚基以3种不同的构象存在，从而使它们对核苷酸具有不同的亲和性;•③ATP通过旋转催化而生成。•旋转的动力来自于F0质子通道中的质子跨膜运动。•（二）质子驱动力•线粒体内膜上的电子传递为膜间隙与基质间的质子电化学梯度提供了基础。质子则借助高能电子释放的能量被不断地定向转运到膜间隙。•ATP合酶在质子流的推动下实现分子内“转子”的转动，驱动ATP的生成。线粒体产能（ATP）原理•电子传递的过程中，内膜上的电子传递复合物将基质中的质子转运至膜间隙，形成ATP合酶工作所需的质子梯度•能量转换实质上是把质子驱动力转换为ATP分子中的高能磷酸键三羧酸循环第一阶段丙酮酸、脂肪酸的生成第一阶段丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A第三阶段乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化⑴乙酰CoA+草酰乙酸——柠檬酸+CoA-SH⑵柠檬酸——异柠檬酸（第1次氧化脱羧）⑶异柠檬酸+NAD+——α-酮戊二酸+CO2+NADH+H+⑷α-酮戊二酸+CoA-SH+NAD+——琥珀酰CoA+CO2+NADH+H+（第2次）⑸琥珀酰CoA+GDP+Pi——琥珀酸+GTP+CoA-SH（底物磷酸化）⑹琥珀酸+FAD——延胡索酸+FADH2⑺延胡索酸+H2O——苹果酸⑻苹果酸+NAD+——草酰乙酸+NADH+H+[2]草酰乙酰生柠檬,顺乌异柠α酮,琥酰琥珀延胡索,苹果落回草丛中.•（三）电子传递链•由电子载体组成的电子传递序列被称为电子传递链（electrontransportchain），也称作呼吸链（respiratorychain）。参与呼吸链的载体有：黄素蛋白、细胞色素、泛醌、铁硫蛋白和铜原子复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶（NADH脱氢酶）复合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ还原酶（琥珀酸脱氢酶）复合物Ⅳ：细胞色素氧化酶（Cytc氧化酶）•在医学上，由线粒体功能障碍引起的疾病被称为线粒体病（mitochondrialdisease）。•已知的人类线粒体病有100多种，常见的有脑坏死、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硒是谷胱甘肽过氧化物酶的一个组成成份，该酶的主要作用是还原脂质过氧化物，清除氧自由基从而保护了细胞膜的完整性•Leigh综合征亚急性坏死性脑脊髓病线粒体基因突变导致的线粒体病呈单纯的母系遗传•氧自由基的过度积累•农业生产中广为利用的细胞质雄性不育。四、线粒体与疾病四、线粒体与疾病mtDNAmtDNA突变编码呼吸链复合体蛋白的部分多肽链影响氧化磷酸化ATP生成减少致病聋盲痴呆肌无力糖尿病等第二节叶绿体与光合作用•一、叶绿体的基本形态及动态特征•（一）叶绿体的形态、分布及数目•在高等植物的叶肉细胞中，叶绿体呈凸透镜或铁饼状，直径为5～10μm，厚2～4μm。•分布在细胞质膜与液泡间薄层的细胞质中，呈平层排列。通常情况下，高等植物的叶肉细胞含20～200个叶绿体。叶绿体的形态、分布及数目叶绿体通过位移避开强光的行为称为躲避响应在光照较弱的情况下，叶绿体会汇集到细胞的受光面，这种行为称作积聚响应叶绿体在细胞内位置和分布受到动态的调控称为叶绿体定位高等植物成熟叶片叶绿体体积与数目相对保持稳定，但细胞内的叶绿体仍呈现动态特征：叶绿体在细胞内的位置与分布受光照影响，且叶绿体定位（chloroplastpositioning）借助微丝骨架的作用，在拟南芥叶肉细胞中，微丝结合蛋白CHUP1（chloroplastunusualpositioning1）为叶绿体正常定位所必需。光照强度对叶绿体分布及位置响应的示意图：野生型（WT）拟南芥叶片呈深绿色。对叶片的一部分（整体遮光，中部留出一条缝）强光照射1h后，被照射的部分变成浅绿色，这是由于细胞叶绿体位置和分布发生了变化，以减少强光的伤害。在叶绿体定位异常的突变体（chup1）中，光照对叶绿体的位置与分布失去影响。叶绿体的分化与去分化叶绿体仅存在于绿色组织中，分化于幼叶的形成和生长阶段。在形态上表现为体积的增大、内膜的形成和叶绿色的积累；而在生化与分子生物学上，则体现为叶绿体功能必需的酶、蛋白质、大分子的合成、运输及定位。叶绿体正常工作需要数千基因的表达。拟南芥编码叶绿体蛋白酶的基因（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的质体形成白色体。•（二）叶绿体的分化和去分化•叶绿体是原质体的一种分化方式；•叶绿体的分化表现为形态上和在生化和分子生物学上；•在特定情况下，叶绿体的分化是可逆的，叶绿体可去分化再次形成原质体。•（三）叶绿体的分裂•质体和叶绿体通过分裂而实现增殖。分化中的叶绿体称为前叶绿体•叶绿体的分裂与线粒体分裂具有相同的细胞动力学机制。也由外环与内环组成，分裂环的缢缩是叶绿体分裂的细胞动力学基础叶绿体分裂必需的dynamin相关蛋白被称为ARC5该蛋白出现于缢陷处，推动叶绿体深电子显微镜下观察到的红藻（a，b）及被子植物天竺葵（c）的叶绿体分裂环。在扫描电子显微镜下，红藻叶绿体分裂环的外环（a中双箭头指示）为一环形索状结构，位于叶绿体表面，随着叶绿体分裂的进行而变粗。在叶绿体的垂环切面上，分裂环的一对横切面出现在叶绿体的缢缩处，呈较高电子密度（b中双箭头指示）。将分裂环的切面放大（b中下图）后，在外环切面（大箭头）的下面可以清楚地区分辨出形状宽扁的内环（小箭头）断面。外环与内环的断面之间由叶绿体膜相隔。高等植物的分裂环在超微结构上与红藻相同。随着分裂的进行（I→III），分裂环外环（c中箭头指示）变粗，截面积增大（c中右图分别为左图的局部放大）。CP：叶绿体；MP：线粒体；N：细胞核。Bar=0.5微米（a，b上，c左），0.1微米（b下，c右）•二、叶绿体的超微结构•（一）叶绿体膜•外膜、内膜和膜间隙构成；•外膜通透性大，含有孔蛋白，允许相对分子质量高达104的分子通过；而内膜则通透性较低，仅允许O2、CO2和H2O分子自由通过。•叶绿体内膜上有很多转运蛋白，选择性转运较大分子。（二）类囊体•叶绿体内部由内膜衍生而来的封闭的扁平膜囊，称类囊体。类囊体囊内的空间称为类囊体腔（thylakoidlumen）•在叶绿体中，许多圆饼状的类囊体有序叠置成基粒（grana）。•该膜囊系统独立于基质，在电化学梯度的建立和ATP的合成中起重要作用。•类囊体膜富含具有半乳糖的糖脂和极少的磷脂。糖脂中的脂肪酸主要是不饱和的亚麻酸质双分子层流动性非常大，有益于光合作用过程中类囊体膜上的PSⅡ、Cytb6f复合物、PSⅠ及CF0-CF1ATP合酶复合物在膜上的侧向移动。（三）叶绿体基质•叶绿体内膜与类囊体之间的液态胶体物质，称为叶绿体基质。基质的主要成分是可溶性蛋白质和其他代谢活跃物质，其中丰度最高的蛋白质为核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(ribulose-1,5-biphosphatecarboxylase/oxygenase，简称Rubisco)。•Rubisco是光合作用中的一个重要的酶系统，亦是自然界