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馔长邢
6 years ago
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1 MITOCHONGDRION AND CHLOROPAST

2 本章内容提要第一节线粒体线粒体的形态与结构, 氧化磷酸化的分子基础作用机理, 线粒体的发生第二节叶绿体叶绿体的形态与结构, 光合磷酸化作用机理, 叶绿体的发生

3 第一节线粒体 1890,Altaman 首次发现, 命名为 bioblast; 1898,von Benda 提出 mitochondrion; 1900,Michaelis 发现线粒体具有氧化作用 ; 1948,Green,1949,Kennedy 和 Lehninger 分别发现三羧酸循环和脂肪酸氧化是在线粒体内完成的

4 一结构 ( 一 ) 形态粒状或杆状 ; 直径 0.5~1, 长 1.5~3.0μm; 胰外分泌细胞中可达 10~20μm, 称巨线粒体肝细胞约 1300 个线粒体, 占细胞体积的 20%, 人类红细胞无线粒体

5 An TEM image of mitochondrion

6 ( 二 ) 分布多分布在细胞功能旺盛的区域, 可向这些区域迁移, 微管是其导轨马达蛋白提供动力 Mitochondria distributed in skeletal muscle

7 ( 三 ) 功能区隔分为外膜内膜膜间隙和基质四部分 Schematic view of mitochondrion

8 1 外膜 (out membrane) 具有 porin 构成的亲水通道, 允许小分子物质通过, 标志酶为单胺氧化酶 2 内膜 (inner membrane) 类似细菌质膜 ; 心磷脂含量高 ( 达 20%) 缺乏胆固醇, 通透性很低

9 内膜的标志酶为细胞色素 C 氧化酶内膜具有嵴, 能扩大表面积 (5~10 倍 ), 分两种 :1 板层状 2 管状 ; 嵴上有基粒 3 膜间隙 : 是内外膜之间的腔隙, 宽约 6 8nm 标志酶为腺苷酸激酶

10 Models of mitochondrial membrane structures

11 Lamellar cristae

12 Tubular cristae

13 4 基质(matrix) 含三羧酸循环脂肪酸丙酮酸和氨基酸氧化的酶类 ;mtdna 及核酸蛋白合成体系 ; 纤维丝和致密颗粒状物质, 内含 Ca 2+ Mg 2+ Zn 2+ 等离子标志酶为苹果酸脱氢酶

14 二氧化磷酸化的分子基础动物细胞 80% 的 ATP 来源于线粒体

15 Mitochondrial function

16 ( 一 ) 电子载体 1 NAD: 连接 Kreb 循环和呼吸链, 将氢交给黄素蛋白 2 黄素蛋白: 含 FMN 或 FAD, 可接受 2 个电子 2 个质子相关脱氢酶 :1NADH 脱氢酶 (FMN);2 琥珀酸脱氢酶 ( FAD)

17 NAD (nicotinamide adenine dinucleotide), & NADP

18 Flavin mononucleotide(fmn)& Flavin adenine dinucleotide

19 3 细胞色素 : 含血红素铁, 通过 Fe 3+ / Fe 2+ 变化传递电子, 包括细胞色素 a a 3 b c c 1, 其中 a a 3 含有铜原子

20 4 铁硫蛋白 : 分子结构中每个铁原子和 4 个硫原子结合, 通过 Fe 3+ /Fe 2+ 互变进行电子传递, 有 2Fe 2S 和 4Fe 4S 两种类型

21 5 辅酶 Q: 脂溶性小分子醌类化合物, 有 3 种形式, 即 : 氧化型醌 Q, 还原型氢醌 QH 2 和自由基半醌 QH

22 ( 二 ) 呼吸链的复合物呼吸链组分按氧化还原电位由低向高排列用脱氧胆酸处理 mt 内膜分离出 4 种呼吸链复合物

23 1 复合物 I:NADH 脱氢酶组成 :42 条肽链, 呈 L 型, 含一个 FMN 和至少 6 个铁硫蛋白, 以二聚体形式存在作用 : 催化 NADH 的 2 个电子至辅酶 Q, 同时由 M 侧转移 4 个质子至 C 侧 NADH FMN Fe S Q NADH + 5H + M + Q NAD + + QH 2 + 4H + C

24 2 复合物 II: 琥珀酸脱氢酶组成 : 至少 4 条肽链, 含 1 个 FAD,2 个铁硫蛋白作用 : 催化琥珀酸的低能电子至辅酶 Q, 不转移质子琥珀酸 FAD Fe S Q 琥珀酸 +Q 延胡索酸 +QH 2

25 3 复合物 III: 细胞色素 c 还原酶组成 : 至少 11 条肽链, 二聚体, 含细胞色素 b566 b562 1 个铁硫蛋白和 1 个细胞色素 c 1 作用 : 催化电子从辅酶 Q 传给细胞色素 c, 每转移 1 对电子转移 4 个 H + 至 C 侧 2 还原态 cyt c1 + QH H + M 2 氧化态 cyt c1 + Q+ 4H + C

26 Q cycle

27 4 复合物 IV: 细胞色素 c 氧化酶组成 : 二聚体, 每个单体至少 13 条肽链作用 : 将从细胞色素 c 接受的电子传给氧, 每转移一对电子, 在 M 侧消耗 2 个质子, 同时转移 2 个质子至 C 侧 cyt c CuA heme a a 3 CuB O 2 4 还原态 cyt c + 8 H + M + O 2 4 氧化态 cyt c + 4H + C + 2H 2 O

28 ( 三 ) 两条主要的呼吸链 1 复合物 I III IV 组成, 催化 NADH 的脱氢氧化 2 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, 约需 3 个复合物 Ⅲ,7 个复合物 Ⅳ, 两个复合物之间由辅酶 Q 或细胞色素 c 这样的可扩散性分子连接

29 Transport of electrons from NADH

30 Transport of electrons from FADH2

31 三氧化磷酸化的作用机理 ( 一 ) 质子动力势 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 ), 形成质子动力势 ( 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

32 Chemiosmotic Theory

33 ( 二 )ATP 合酶 (ATP synthase) F 型质子泵 ; 分为球形的 F 1 ( 头部 ) 和嵌入膜中的 F 0 ( 基部 ) F 1 :α 3 β 3 γδε 复合体, 具有 3 个 ATP 合成的催化位点 ( 每个 β 亚基 1 个 ) F 0 :ab 2 c 12 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

34 ATP synthase

35 1979 年 Boyer 提出构象耦联假说其要点如下 : 1.ATP 酶利用质子动力势, 催化 ATP 合成 2.F 1 有 3 个催化位点, 催化位点有 3 种构象 3. 质子通过 F 0 时, 引起 c 亚基构成的环旋转, 带动 γ 亚基旋转,γ 亚基端部高度不对称, 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

37 支持构象耦联假说的实验 : 吉田 (Massasuke Yoshida) 等

38 ( 三 )P/O 值指每消耗一个氧原子所产生的 ATP 分子数, 它表示氧化磷酸化的效率通常认为 NADH/3,FADH2/2; 也有人认为前者为 2.5, 后者为 1.5

39 ( 四 ) 氧化磷酸化抑制剂 1. 电子传递抑制剂抑制复合物 I, 如阿米妥鱼藤酮 Amytal rotenone

40 抑制复合物 II, 如 :2 噻吩甲酰三氟丙酮和萎锈灵 2-Thenoyltrifluoroacetone carboxin

41 抑制复合物 III, 如抗霉素 A Antinomycin A 1

42 抑制复合物 IV, 如 CO CN NaN 3 H 2 S 电子传递抑制剂可用来研究呼吸链各组分的排列顺序, 当呼吸链某一特定部位被抑制后, 底物一侧均为还原状态, 氧一侧均为氧化态, 可用分光光度计检测

43 2. 磷酸化抑制剂与 F 0 结合, 阻断 H + 通道如寡霉素 oligomycin

44 3. 解偶联剂 (uncoupler) 解偶联蛋白 (UCPs): 位于动物棕色脂肪组织和肌肉线粒体, 与维持体温有关质子载体 : DNP FCCP 质子通道 : 增温素

45 四线粒体的半自主性 1 环形 DNA;2 70S 核糖体, 对氯霉素敏感, 对放线菌酮不敏感 ;3RNA 聚合酶可被利福平链霉素等抑制 ;4tRNA 和氨酰基 trna 合成酶不同于细胞质中的 ;5 蛋白质合成的起始氨基酸为 N 甲酰甲硫氨酸

46 五线粒体的增殖新线粒体来源于线粒体的分裂

47 FtsZ ring structures around the division site of a chloroplast and mitochondrion

48 第二节叶绿体光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉绿色植物年产干物质达公斤

50 一形态与结构状如透镜, 长径 5~10, 短径 2~4, 厚 2~3um 叶肉细胞含 50~200 个, 占细胞质的 40% 由外被类囊体和基质 3 部分组成含 3 种不同的膜 : 外膜内膜类囊体膜 ;3 种彼此分开的腔 : 膜间隙基质和类囊体腔

52 Chloroplast

53 ( 一 ) 叶绿体外被双层膜组成, 膜间为 10~20nm 的间隙外膜的通透性大, 内膜通透性低 ;ADP ATP NADP + 葡萄糖和焦磷酸等需要特殊的转运体才能通过内膜

54 ( 二 ) 类囊体类囊体膜 : 流动性高, 内在蛋白有 : 细胞色素 b6 /f 复合体集光复合体 (LHC) 质体醌(PQ) 质体蓝素 (PC) 铁氧化还原蛋白(FD) 黄素蛋白光系统 I II 复合物基粒 : 扁平小囊堆叠而成, 含 40~60 个基质类囊体 : 连接基粒的没有堆叠的类囊体

55 ( 三 ) 基质内膜与类囊体之间的空间, 主要成分包括 : 碳同化相关的酶类 : 如 RuBP 羧化酶叶绿体 DNA 蛋白质合成体系一些颗粒成分 : 如淀粉粒质体小球和植物铁蛋白等

56 二光合磷酸化作用机理光合作用分为光反应和暗反应 ; 光反应需要光, 涉及水的光解和光合磷酸化 ; 暗反应不需要光, 涉及 CO 2 的固定, 分为 C3 和 C4 两类

57 ( 一 ) 光合色素和电子传递链组分 1. 光合色素 -CHO in chl b 包括 : 叶绿素类胡萝卜素, 比例约 3:1 叶绿素分为 a b, 比例约 3:1

58 2. 集光复合体约 200 个叶绿素分子和一些肽链构成全部叶绿素 b 和大部分叶绿素 a 都是天线色素

59 3. 光系统 Ⅱ(PSⅡ):P680 至少包括 12 条肽链, 位于基粒于基质非接触区域的类囊体膜上包括一个集光复合体 Ⅱ 一个反应中心和一个含锰原子的放氧复合体

60 4. 细胞色素 b6/f 复合体可能以二聚体形成存在, 每个单体含有四个不同的亚基 5. 光系统 Ⅰ(PSI):P700 位于基粒与基质接触区和基质类囊体膜中, 由集光复合体 I 和作用中心构成

61 Noncyclic photophosphorylation

62 Cyclic photophosphorylation

63 PSI and PSII

64 ( 二 ) 光合磷酸化一对电子从 P680 经 P700 传至 NADP +, 在类囊体腔增加 4 个 H +, 在基质中 1 个 H + 被用于还原 NADP +, 使类囊体腔有较高的 H + (ph 5), 形成质子动力势 H + 经 ATP 合酶 ( CF 1 F 0 偶联因子 ) 渗入基质推动 ATP 合成

65 Electron transport in the thylakoid membrane

67 三叶绿体的半自主性线粒体与叶绿体结构的相似性 : 1 两层膜包被, 内外膜结构和性质不同 2 为半自主性细胞器, 绿色植物细胞具有 3 个遗传系统 3 具有蛋白质后转译现象

69 四叶绿体的增殖在个体发育中叶绿体由原质体发育而来有光条件下原质体的小泡增加并融合成片层, 发育为基粒幼小叶绿体能靠分裂而增殖, 成熟叶绿体一般不再分裂

70 叶绿体的发生

71 SEM image of an isolated dividing chloroplast

72 第三节线粒体与叶绿体的蛋白质定向转运

73 一线粒体蛋白质的转运用标记氨基酸培养细胞, 用氯霉素和放线菌酮分别抑制线粒体和细胞质的蛋白合成, 发现人 mtdna 仅编码 13 条多肽 : 细胞色素 c 氧化酶的 3 个亚基,F 0 的 2 个亚基,NADH 脱氢酶的 7 个亚基和细胞色素 b

74 线粒体含 1000 多种蛋白, 绝大多数由核基因编码, 在细胞质中合成, 定向转运至线粒体前体蛋白在运输前, 以未折叠形式存在,N 端的一段信号序列称为导肽或引肽, 完成转运后被酶切除, 成为成熟蛋白, 这种现象称后转译

75 信号肽特点 : 多位于肽链 N 端, 约 20 个氨基酸构成 ; 形成两性 α 螺旋, 带正电荷的氨基酸残基和不带电荷的疏水氨基酸残基分别位于螺旋两侧 ; 对所牵引的蛋白质没有特异性要求

76 蛋白质的转运涉及转位因子 TOM 复合体 : 通过外膜, 进入膜间隙 TIM 复合体 : 进入基质 (TIM23) 或内膜 (TIM22) OXA 复合体 : 将线粒体合成的蛋白和某些进入基质的蛋白插到内膜上线粒体内外膜之间存在接触点, 蛋白通过此处的 TOM 和 TIM 复合体, 一步进入基质

77 mitochondrial protein import machinery.

78 Contact Sites of Mitochondria

79 Protein Transport into Inner Membrane and Intermembrane Space Requires Two Signal Sequences

80 蛋白质的输入是一个耗能过程 : 1. 在线粒体外解除与前体蛋白质结合的分子伴娘, 需要通过水解 ATP 获得能量 2. 在通过 TIM 复合体时利用质子动力势作为动力 3. 前体蛋白进入线粒体基质后, 线粒体 hsp70 依次结合在蛋白质线性分子上, 将蛋白质铰进基质, 需要消耗 ATP, 然后 hsp70 将蛋白质交给 hsp60, 完成折叠

81 二叶绿体的蛋白质转运叶绿体蛋白转运与线粒体的相似如 : 都发生后转译 ; 每一种膜上有特定的转位因子 ; 内外膜具有接触点 ; 需要能量, 利用 ATP 和质子动力势 ; 前体蛋白 N 端有信号序列, 使用后被信号肽酶切除

82 The general import machinery of the chloroplast envelope membranes

83 Translocation of proteins into chloroplasts

幻灯片 1

幻灯片 1 线粒体和叶绿体 MITOCHONDRION AND CHLOROPAST 内容提要第一节线粒体 1. 线粒体的形态与结构 2. 氧化磷酸化的分子基础 3. 氧化磷酸化的作用机理 4. 线粒体的半自主性 5. 线粒体的增殖第二节叶绿体 1. 叶绿体的形态与结构 2. 光合磷酸化作用机理 3. 叶绿体的半自主性 4. 叶绿体的发生第三节线粒体与叶绿体的蛋白质定向转运第一节线粒体 1890,Altaman