第6章 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一、线粒体的基本形态及动态特征•呈颗粒或短线状•分布与细胞内的能量需求密切相关•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（一）线粒体的形态、分布及数目Figure14-6MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)（二）线粒体的融合与分裂•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SeoAYetal.JCellSci2010;123:2533-2542Possiblerelationshipbetweenmitochondrialfusion,fission,biogenesisanddegradation.（三）线粒体融合与分裂的分子及细胞生物学基础•果蝇调控线粒体融合基因Fzo•哺乳动物线粒体融合素（mitofusin）•介导线粒体融合基因编码结构类似的大分子GTPase1.融合的分子生物学基础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GTPaseMitochondrialfusionandfissionmolecules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;100:2146-2151二、线粒体的超微结构外膜内膜膜间隙线粒体基质二、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、翻译必需重要分子线粒体组分分离的方法亚线粒体小泡•用超声波破碎线粒体，形成颗粒朝外的小膜泡，称亚线粒体小泡，具有正常的电子传递和磷酸化功能•用细胞色素c的抗体能够抑制完整线粒体的氧化磷酸化，但不能抑制亚线粒体颗粒的氧化磷酸化，为什么？Inside-outvesicles三、氧化磷酸化•内膜的不透性；电子传递链；质子驱动力；ATP合酶（一）ATP合酶•由球形的头部和基部组成，头部朝向线粒体基质•头部称为偶联因子1（couplingfactor1，F1），组分为α3β3γεδ•基部称作偶联因子0（couplingfactor0，F0）。F0是一个疏水性蛋白复合体，由a、b、c3种亚基按照ab2c10～12的比例组成跨内膜的质子通道（一）ATP合酶•“转子”（rotor）：γ与ε亚基组成•“定子”（stator）：a亚基、b亚基及F1的δ亚基共同组成ATP合酶的结合变构机制（bindingchangemechanism）•L：松弛构象（loose）•T：紧密构象（tight）•O：开放构象（open）ExperimentaldemonstrationofrotationofFoandγJapanresearcher(KeioUniversity.M.Yoshida),Nature386:300,1997.ExperimentaldemonstrationofrotationofFoandγFromYohWadaetalBiochem.Biophys.Acta1459:503,2000（二）质子驱动力•膜间隙与基质间质子浓度梯度的形成与保持是线粒体合成ATP的基本前提•线粒体内膜上的电子传递为膜间隙与基质之间的质子梯度提供了保证Figure14-14MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)protonmotiveforce•H+跨膜电位差•质子浓度梯度（pH差）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protonmotiveforce质子驱动力的其他作用Figure14-16MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Rotationofbacterialflagellabyproton-motiveforceProtonleakmediatedbytheuncouplingproteins•褐色脂肪组织中线粒体的内膜上有UCP1（uncouplingprotein1），可使质子驱动力转变为热能Fig.TheActivationofBrownAdiposeTissue（三）电子传递链•5种电子载体：黄素蛋白、细胞色素、泛醌、铁硫蛋白和铜原子•呼吸链电子载体按氧化还原电位从低向高排序（四）电子传递复合物复合物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Ⅲ：CoQ-Cytc还原酶（细胞色素还原酶）TheQcycle复合物Ⅳ：细胞色素氧化酶（Cytc氧化酶）Chemiosmoticmodel四、线粒体与疾病•线粒体病（mitochondrialdisease）SymptomsofMitochondrialDiseaseMitochondrialInheritanceAllmitochondriainheritedfromyourmother•DuringfertilizationmtDNAisderivedonlyfromtheoocyte•Maternalinheritance:mtDNAmutationstransmittedonlyfrommother•Mutationstransmittedtoalloffspring(maleorfemale)第二节叶绿体与光合作用Figure14-38MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)Figure14-3bMolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)一、叶绿体的基本形态及动态特征Figure14-36MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)（一）叶绿体的形态、分布及数目•叶绿体呈凸透镜或铁饼状•叶绿体在细胞膜下的分布依光照情况而变化–躲避响应（avoidanceresponse）–积聚响应（accumulationresponse）–叶绿体定位（chloroplastpositioning）（一）叶绿体的形态、分布及数目•叶绿体之间的动态连接–基质小管(stroma-filledtubule，stromule)（二）叶绿体的分化与去分化•叶绿体分化于幼叶的形成和生长阶段•在特定情况下，叶绿体的分化是可逆的（三）叶绿体的分裂://microscopy.tamu.edu/dr-holzenburg-research-interests.htmlSummaryofthedivisioncyclesandthetemporalrelationshipsofthethreedouble-membrane-boundedorganelles(cellnucleus,mitochondrionandchloroplast(plastid))andthefoursingle-membrane-boundedorganelles(ER,Golgiapparatus,lysosomeandmicrobody)andcentrosomeinCyanidioschyzonmerolaecells.ImotoYetal.JElectronMicrosc(Tokyo)2011;60:S117-S136Thecellcycle,includingthemitoticcycleandorganelledivisioncycles二、叶绿体的超微结构•叶绿体膜；类囊体；叶绿体基质二、叶绿体的超微结构•叶绿体膜–双层单位膜；膜间隙；外膜通透性大，含孔蛋白；内膜则通透性较低，转运蛋白•类囊体–类囊体腔；基粒；基粒类囊体；基质片层或基质类囊体；类囊体膜化学组成与其他细胞膜有明显差异•叶绿体基质–主要成分是可溶性蛋白质和其他代谢活跃物质；Rubisco丰度最高电子显微镜下观察到的叶绿体三、光合作用•依赖光的反应（lightdependentreaction）或称“光反应”（lightreaction）–在类囊体膜上进行；包括原初反应和电子传递及光合磷酸化两个步骤•碳同化反应（carbonassimilationreaction）或称固碳反应（carbonfixationreaction）–在叶绿体基质中进行；光反应产物（ATP和NADPH）驱动CO2还原成糖的分子反应过程（一）原初反应•光合色素–3类：叶绿素、类胡萝素和藻胆素•光化学反应–反应中心色素分子吸收光能而引发的氧化还原反应•原初反应将光能转换为电能（二）电子传递和光合磷酸化1．电子传递•光合电子传递链由一系列的电子载体构成–包括细胞色素、黄素蛋白、醌和铁氧还蛋白等；分别组装在膜蛋白复合物，如PSⅠ、PSⅡ及Cytb6f中PSⅡ的结构与功能•结构：PSⅡ由反应中心复合物和PSⅡ捕光复合物（LHCⅡ）•功能：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，使类囊体膜的两侧形成质子梯度Cytb6f复合物的结构与功能•结构：含有一个Cytb6、一个Fe-S和一个Cytf•功能：将电子从PSⅡ传递到PSⅠ，引起H+的跨膜转移PSI的结构与功能•结构：由反应中心复合物和PSⅠ捕光复合物（LHCⅠ）组成•功能：利用吸收的光能或传递来的激发能在类囊体膜的基质侧将NADP+还原为NADPH2.光合磷酸化——CF0-CF1ATP合酶2.光合磷酸化——类型（非循环、循环）2.光合磷酸化——作用机制2.光合磷酸化——ATP合成机制（三）光合碳同化•高等植物的碳同化3条途径：–卡尔文循环–C4途径–景天酸代谢卡尔文循环•羧化阶段•还原阶段•RuBP再生阶段2.C4途径叶肉细胞维管束鞘细胞3.景天酸代谢第三节线粒体和叶绿体的半自主性及其起源Figure14-53MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)=78一、线粒体和叶绿体的半自主性二、线粒体和叶绿体的起源•内共生起源学说–线粒体和叶绿体分别起源于原始真核细胞内共生的行有氧呼吸的细菌和行光能自养的蓝细菌•主要论据–基因组与细菌基因组具有明显的相似