1、翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）2011 高等教育出版社第6章 线粒体和叶绿体第一节 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0.31.0 m，长度为1.53.0 m；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。（二）线粒体的融合与分裂 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。（三）线粒体融合与分裂的分子及细胞生物学基础 1线粒体融合与分裂的分子生物学基础 果蝇调控线粒体融合 基
2、因Fzo 线粒体融合素（mitofusin）线粒体分裂需要发动蛋白（dynamin）Dynamin类蛋白是一类大分子GTPase（鸟苷三磷酸酶）2.线粒体融合与分裂的细胞生物学基础 线粒体分裂环（mitochondrial division ring）；线粒体分裂过程的三个阶段：早期、中期、后期二、线粒体的超微结构 包括外膜、膜间隙、内膜、基质（一）外膜 单位膜结构，厚约6 nm。外膜中蛋白质和脂质约各占50%孔蛋白（porin）构成的桶状通道，直径为23 nm，可以通过相对分子质量高达5103 的分子，可根据细胞的状态可逆性地开闭。ATP、NAD、辅酶A 等相对分子质量小于1103 的物质均
3、可自由通过外膜。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。外膜上还分布有一些特殊的酶类，如参与肾上腺素氧化、色氨酸降解、脂肪酸链延长的酶等，表明外膜不仅参与膜磷脂的合成，还可对将在线粒体基质中彻底氧化的物质进行先行初步分解。外膜的标志酶是单胺氧化酶（monoamine oxidase）。（二）内膜 单位膜结构，厚68 nm。内膜的不透性（impermeability）有很高的蛋白质/脂质比（质量比31），缺乏胆固醇，富含心磷脂。从而限制了所有分子和离子的自由通过；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，大大增加了内膜的表面积。其形状、数量和排列与细胞种类及生理状况密
4、切相关；嵴上存在许多规则排列的颗粒，称为线粒体基粒（elementary particle），即ATP 合酶（ATP synthase）内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。（三）膜间隙 宽约68 nm。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，具有特定的pH 和渗透压。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。三、氧化磷酸化（一）ATP合酶 ATP 合酶的分子由球形的头部和基部组成，头
5、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（coupling factor 1，F1），由5 种类型的9 个亚基组成，组分为3 3。在空间上，3 个 亚基和3 个亚基交替排列，形成一个“橘瓣”状结构,其中和亚基具有核苷酸结合位点，但只有 亚基的 结合位点具有催化ATP 合成或水解的活性。F1 的功能 是催化ATP 合成，在缺乏质子梯度情况下则呈现水解ATP 的活性。亚基的一个结构域构成穿过F1 的中央轴，另一结构域与3 个 亚基中的一个结合。亚基协助 亚 基附着到ATP 合酶的基部结构F0 上。与 亚基具有很强的亲和力，结合形成“转子”（rot
6、or），旋转于3 3 的中央，调节3 个 亚基催化位点的开放和关闭。亚 基为F1 和F0 相连接所必需的。ATP 合酶的基部结构被称作F0，是偶联因子0（coupling factor 0）的简称。与亲水性的F1 相比，F0 是一个疏水性的蛋白复合体，嵌合于线粒体内膜，由a、b、c 3 种亚基按照ab2c1012 的比例组成跨膜的质子通 道。多拷贝的c 亚基形成一个环状结构。a 亚基和b 亚基形成的二聚体排列在c 亚基12 聚体形成的环的外侧。同时，a 亚基、b 亚基及F1 的 亚基共同组成“定子”（stator），也称外周柄。结合变构机制 质子驱动ATP合成的过程 质子梯度的作用并不是生成A
7、TP，而是使ATP 从酶分子上解脱下来。ATP 合酶上的3 个 的构象不同,在任一时刻，3 个 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;ATP 通过旋转催化（rotational catalysis）而生成。在此过程中，通过F0“通道”的质子流引起c 亚基环和附着于其上的 亚基纵轴（中央轴）在3 3 的中央进行旋转。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
8、成。（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（electron transport chain），也称作呼吸链（respiratory chain）。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 细胞质中NADH上的电子穿梭进入线粒体 1苹果酸-天冬氨酸穿梭途径 2.甘油-3-磷酸穿梭途径（四）电子传递复合物 1.复合物即NADH-CoQ 还原酶，又称NADH 脱氢酶。2.复合物即琥珀酸-CoQ 还原酶，又称琥珀酸脱氢酶。3.复合物复合物 即CoQ-Cyt c 还原酶，又称细胞色素还原酶或Cyt bc1 复合物（简称bc1）。4.复合物即细胞色素氧化酶，
9、又称Cyt c 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（mitochondrial disease）。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 缺硒 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510 m，厚24 m。分布在细胞质膜与液泡间薄层的细胞质中，呈平层排列
10、。通常情况下，高等植物的叶肉细胞含20200 个叶绿体。叶绿体通过位移避开强光的行 为称为躲避响应（avoidance response）；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（accumulation response）。（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。叶绿体的分裂与线粒体分裂具有相同的细胞动力学机制。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
11、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（thylakoid lumen）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PS、Cytb6f 复合物、PS
12、及CF0-CF1 ATP 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-biphosphate carboxylase/oxygenase，简称Rubisco)。Rubisco 是光合作用中的一个重要的酶系统，亦是自然界含量最丰富的蛋白质。基质中还存在叶绿体DNA、核糖体、脂滴、植物铁蛋白和淀粉粒等物质。三、光合作用（一）原初反应光合色素分子被光能激发而引起第一个光化学反应的过程。1.光合色素叶绿素、类胡萝卜
13、素和藻胆素。2.光化学反应 光化学反应是指反应中心色素分子吸收光能而引发的氧化还原反应。（二）电子传递和光合磷酸化1.电子传递 光合电子传递链（photosynthetic electron transfer chain）由一系列的电子载体构成。电子载体包括细胞色素、黄素蛋白、醌、铁氧还蛋白，分别组装在膜蛋白复合物PS、PS Cyt b6f 复合物（1）PSII的结构与功能 PS由反应中心复合物和捕光复合物（LHC）组成。其功能是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。（2）Cytb6f复合物的结构与功能 Cyt b6f 复合物含有一个Cyt b6、
14、一个Fe-S 和一个Cyt f(c 型细胞色素)，在电子传递过程中，Cyt b6f 复合物在PS和PS之间承担重要的联系；Cyt b6f 复合物将电子从双电子载体PQB 转运到单电子载体PC，形成一个Q 循环。在这个循环中，电子从PQBH2 一次一个地传递到PC，引起H+的跨膜转移。（3）PSI的结构与功能 PS由反应中心复合物和PS捕光复合物（LHC）组成，其功能是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NADPH。2.光合磷酸化 由光照所引起的的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程称为光合磷酸化（photophosphorilation）（1）CF0-CF
15、1ATP 合酶（2）光合磷酸化的类型 光合磷酸化依电子传递的方式不同分为：非循环光合磷酸化 Noncyclic photophosphorylation循环光合磷酸化 cyclic photophosphorylation叶绿体类囊体膜中进行的电子传递和H跨膜转移（3）光合磷酸化的作用机制（4）ATP 合成机制（三）光合碳同化 CO2 assimilation1卡尔文循环 Calvin cycle（1）羧化阶段（2）还原阶段（3）RuBP 再生阶段 2.C4 途径 存在于一些热带或亚热带起源的植物(C4 植物)中，如甘蔗、玉米、高粱等。该途径固定CO2 的最初产物为草酰乙酸(四碳化合物)，因而
16、被称为C4 途径。与C3不同，CO2 在叶肉细胞中与磷酸烯醇式丙酮酸PEP反应生成草酰乙酸（在PEP 羧化酶作用下）。草酰乙酸不稳定，迅速被还原为苹果酸，被转运到维管束鞘细胞，苹果酸被分解释放出CO2，进入卡尔文循环。3 景天酸代谢(crassulacean acid metabolism CAM)发现于生长在干旱地区的景天科及其他一些肉质植物。初级固碳产物（苹果酸）合成和卡尔文循化均在叶肉细胞中进行，不需要细胞间的转移。第三节 线粒体和叶绿体的半自主性及其起源一、线粒体和叶绿体的半自主性（semiautonomous）（一）线粒体和叶绿体DNA 绝大多数真核细胞的线粒体DNA(mitocho
17、ndrial NA，mtDNA)呈双链环状；线粒体需要通过频繁 的融合与分裂共享细胞内的遗传信息；被子植物 的mtDNA 呈现出丰富的分子多态性。叶绿体DNA（cpDNA）或称质体DNA（ptDNA）亦呈环状，分子大小依物种的不同呈现较大差异，在 2002 500 kb 之间；mtDNA 和cpDNA 均以半保留方式进行复制。其复制受细胞核的控制。复制所需的 DNA 聚合酶、解旋酶等均由核基因组编码。（二）线粒体和叶绿体中的蛋白质 mtDNA和cpDNA 也称为线粒体基因组（mito-chondrial genome）和叶绿体基因组chloroplast genome。借助自身的酶系统，被转录
18、和翻译成相应的物质。线粒体和叶绿体基因组编码的蛋白质在线粒体和叶绿体的生命活动中是重要和不可缺少的；但这些蛋白质还远远不足以支撑线粒体和叶绿体的基本功能，更多的蛋白质来源于核基因组编码，在细胞质中合成后被运往线粒体和叶绿体。（三）线粒体、叶绿体基因组与细胞核的关系 线粒体和叶绿体的生命活动受到细胞核以及它们自身基因组的双重调控；细胞核与线粒体、叶绿体之间通过“共进化”（coevolu-tion）的方式建立了精确有效的分子协作机制。细胞核与线粒体、叶绿体之间在遗传信息和基因表达调控等层次上建立的分子协作机制被称为核质互作（nuclear-cytoplastic interaction。若三者中任
19、何基因单方面突变，个体出现异常表型称为（nuclear-cytoplastic incompatibility/conflict 线粒体和叶绿体的基因表达过程中，一些基因的个别碱基需要接受必要的修饰方可翻译出正确的蛋白质，这种修饰成RNA编辑。RNA editing不同真核生物线粒体基因组（DNA）大小及其表达产物二、线粒体和叶绿体的起源（一）基因组与细菌基因组具有明显的相似性（二）具备独立、完整的蛋白质合成系统（三）分裂方式与细菌相似（四）膜的特性（五）其他佐证 Thanks for yourattention!在医学上，由线粒体功能障碍引起的疾病被称为线粒体病（mitochondrial
20、disease）。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 缺硒 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、线粒体与疾病叶绿体通过位移避开强光的行 为称为躲避响应（avoidance response）；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（accumulation response）。二、叶绿体的超微结构（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
21、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-biphosphate carboxylase/oxygenase，简称Rubisco)。Rubisco 是光合作用中的一个重要的酶系统，亦是自然界含量最丰富的蛋白质。基质中还存在叶绿体DNA、核糖体、脂滴、植物铁蛋白和淀粉粒等物质。（1）PSII的结构与功能 PS由反应中心复合物和捕光复合物（LHC）组成。其功能是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。2.光合磷酸化 由光照所引起的的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程称为光合磷酸化（photophosphorilation）（1）CF0-CF1ATP 合酶（2）光合磷酸化的类型 光合磷酸化依电子传递的方式不同分为：非循环光合磷酸化 Noncyclic photophosphorylation循环光合磷酸化 cyclic photophosphorylation（4）ATP 合成机制不同真核生物线粒体基因组（DNA）大小及其表达产物
