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 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
线粒体的化学组成 1. 蛋白质 ( 线粒体干重的 65~70%) 2. 脂类 ( 线粒体干重的 25~30%): 磷脂占 3/4 以上 3. 线粒体脂类和蛋白质的比值 : 0.3:1( 内膜 );1:1( 外膜 )
一 线粒体的形态结构 ( 一 ) 形态 1. 粒状或杆状 ; 2. 长 1.5~3.0μm ; 胰外分泌细胞中长可达 10~20μm, 称巨线粒体 3. 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
Image of mitochondrion
( 二 ) 线粒体的分布 鞭毛轴丝 肌原纤维 Localization of mitochondria near sites of high ATP utilization in cardiac muscle and a sperm tail.
( 三 ) 功能区隔 分为外膜 内膜 膜间隙和基质四部分 基粒 嵴 structure of mitochondrion
内膜 (inner membrane) 1. 类似细菌质膜 ; 心磷脂 cardiolipin ( 双磷脂酰甘油 PG ) 含量高 ( 达 20%), 缺乏胆固醇, 通透性很低 2. 内膜的标志酶为细胞色素 C 氧化酶 3. 内膜向内折叠形成嵴 (cristae), 能扩大表面积 (5~10 倍 ), 分两种 :1 板层状 2 管状 ; 嵴上有基粒
Lamellar cristae ( 板层状 )
Tubular cristae ( 管状 )
外膜 (out membrane) 具有孔蛋白 (porin) 构成的亲水通道, 通透性高, 允许小分子物质通过, 标志酶为单胺氧化酶 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 ( 催化 ATP 末端磷酸基转移至 AMP 从而生成 ADP)
基质 (matrix)--- 内膜所包围的空间 1. 含三羧酸循环 脂肪酸 丙酮酸和氨基酸氧化的酶类 ;mtdna RNA 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 2. 标志酶为苹果酸脱氢酶
二 氧化磷酸化的分子基础 动物细胞 80% 的 ATP 来源于线粒体
Mitochondrial function
( 一 ) 电子载体 1 NAD ( 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸酶 ): 连接 Kreb 循环和呼吸链, 将氢交给黄素蛋白 2 黄素蛋白: 由一条多肽与黄素腺嘌呤单核苷酸 FMN 或黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 组成, 可接受 2 个电子 2 个质子 主要有两种 :1NADH 脱氢酶 (FMN);2 琥珀酸脱氢酶 ( FAD)
Flavin mononucleotide (FMN)--- 黄素腺嘌呤单核苷酸 Flavin adenine dinucleotide (FAD)-- 黄素腺嘌呤二核苷酸
3. 细胞色素 : 含血红素铁, 通过 Fe 3+ / Fe 2+ 变化 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
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 Cys: 半胱氨酸
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 氧化型 Isoprene--- 异戊二烯 FMN--- 黄素腺嘌呤单核苷酸 还原型
( 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
1 复合物 I (complex 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, 同时由基质 (M) 侧转移 4 个质子至膜间隙 (I) NADH FMN Fe-S Q NADH + 5H + M + Q NAD + + QH 2 + 4H + I
2 复合物 II (Complex 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 Succinate Fumarate 琥珀酸 +Q 延胡索酸 +QH 2
3 复合物 III (Complex III): 细胞色素还原酶 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 + 至膜间隙
Q cycle in complex III 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 + 至膜间隙
4 复合物 IV (Complex IV): 细胞色素氧化酶 组成 : 二聚体, 每个单体至少 13 条肽链,4 个氧化还原中心 :Cyta, Cyta3,CuA 和 CuB 作用 : 将从细胞色素 c 接受的电子传给氧, 每转移一对电子从基质中摄取 4 个质子 : 在基质侧消耗 2 个质子形成水, 同时转移 2 个质子至膜间隙 cyt c CuA a a 3 - CuB O 2
( 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
Transport of electrons from NADH NADH 辅酶 Q 细胞色素 c 氧
Transport of electrons from FADH2 FADH2 辅酶 Q 细胞色素 c 氧
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基质 (M 侧 ) 泵至膜间隙 (I 侧 ), 形成质子动力势 ( P) P=Ψ-(2.3RT/F) ph 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
Chemiosmotic Theory ( 化学渗透说 )
( 二 )ATP 合酶 (ATP synthase) F 型质子泵 ; 分为球形的 F 1 头部 ( 基粒 ) 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 亚基为 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
(α3β3γδε) F1 头部 F0 基部 (ab2c12) α3β3γδε ATP synthase
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, 不断将 ADP 和 Pi 加合在一起, 形成 ATP
β 亚基 3 个催化位点构象的周期性变化
( 三 )P/O 值 指一对电子传至氧所产生的 ATP 分子数, 它表示氧化磷酸化的效率 通常认为 NADH 为电子供体 P/O=3,FADH2 为电子供体 P/O=2; 也有人认为前者为 2.5, 后者为 1.5
( 四 ) 氧化磷酸化抑制剂 1. 电子传递抑制剂 复合物 I 抑制剂 : 阿米妥 鱼藤酮 Amytal rotenone
复合物 II 抑制剂 :2- 噻吩甲酰三氟丙酮和萎锈 灵 2-Thenoyltrifluoroacetone carboxin
复合物 III 抑制剂 : 抗霉素 A Antinomycin A
复合物 IV 抑制剂 :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, 一侧为还原状态, 一侧均为氧化态, 可用分 光光度计检测
oligomycin 2. 磷酸化抑制剂 与 F 0 结合, 阻断 H + 通道 : 寡霉素
四 线粒体的半自主性 其生长增殖受核基因组及其自身基因组的双重控制 --- 半自主性 1 环形 DNA;2 70S 核糖体, 对氯霉素 ( 抑制转肽步骤 ) 敏感, 对放线菌酮 ( 抑制易位步骤 ) 不敏感 ;3 RNA 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
五 线粒体的增殖 新线粒体来源于线粒体的分裂
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 10 14 公斤
一 形态与结构 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 基粒 基质 类囊体
( 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
( 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 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
( 三 ) 基质 内膜与类囊体之间的空间, 主要成分包括 : 1. 碳同化相关的酶类 : 如 RuBP 羧化酶 2. 叶绿体 DNA 蛋白质合成体系 3. 一些颗粒成分 : 如淀粉粒 质体小球和植物铁蛋白等
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
( 一 ) 光合色素和电子传递链组分 1. 光合色素 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 2. 集光复合体 约 200 个叶绿素分子和一些肽链构成
3. 光系统 Ⅱ(PSⅡ):P680 至少包括 12 条肽链, 位于基粒与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
4. 细胞色素 b6/f 复合体以二聚体形式存在, 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
( 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 +, 使类囊体腔有较高的 H + (ph 5), 形成质子动力势 H + 经 ATP 合酶 ( F 1 -F 0 偶联因子 ) 渗入基质 推动 ATP 合成
Electron transport in the thylakoid membrane 光子 细胞色素 b6/f 复合体 质体醌 光系统 II 质体蓝素 光系统 I 电子从 P680 经细胞色素 b6/f 复合体和 P700 传至 NADP+
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
四 叶绿体的发生 原质体 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
四 叶绿体的发生 Image of an isolated dividing chloroplast 幼小叶绿体能靠分裂而增殖, 成熟叶绿体一般不再分裂
第三节线粒体与叶绿体的 蛋白质定向转运
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 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
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
导肽特点 : 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 非线粒体蛋白连接上此类信号序列也会被转运到线粒体
蛋白质的转运涉及转位因子 1. TOM 复合体 (Translocase of Outer Membrane): 通过外膜, 进入膜间隙 2. TIM 复合体 (Translocase of Inner Membrane) : 进入基质 (TIM23) 或内膜 (TIM22) 3. OXA 复合体 (oxidase assembly complex) : 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
mitochondrial protein import machinery. TOM: 由外膜入膜间隙 TIM: 由膜间隙入基质 (TIM23) 或入内膜 (TIM22)
Contact Sites of Mitochondria
Protein Transport in mitochondria 转运体前体蛋白 TOM: 由外膜入膜间隙 含导肽的前体蛋白 TIM: 由膜间隙入基质 (TIM23) 或入内膜 (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
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侣, 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
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 : 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