1、Chapter 5 线粒体和叶绿体Mitochondrion 历史1890，Altaman 首次发现，命名为 bioblast；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。化学组成：蛋白质（线粒体干重 6570%） ，脂类（干重 25%30%）膜成分： 脂和蛋白比值 内膜 0.3:1 外膜：1：1形态结构：杆状或粒状 胰外分泌细胞中：巨线粒体（很长） ；肝细胞中 1300 个；人类红细胞无线粒体在心肌和精子尾部，线粒体分布在 ATP 消耗高的区域附近功能区域：内膜
2、 外膜 膜间隙 基质1.内膜：心磷脂 cardiolipin (双磷脂酰甘油 PG ）含量高(20%), 缺乏胆固醇，通透性低。内膜的标志酶为细胞色素 C 氧化酶。内膜向内折叠形成嵴 (cristae)，能扩大表面积分两种：板层状、管状；嵴上有基粒。（图见 PPT P10)2.外膜： 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。3.膜间隙 ：是内外膜之间的腔隙。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)。 4.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、
3、RNA、蛋白合成体系；纤维丝和致密颗粒状物质，内含Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子 2.）标志酶为苹果酸脱氢酶 氧化磷酸化的分子基础动物细胞 80%的 ATP 来源于线粒体。（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，（结构式 P17）可接受 2 个电子 2 个质子。主要有两种：NADH 脱氢酶(FMN)；琥珀酸脱氢酶( FAD)。3.细胞色素：含血红素铁，通过 Fe3+/ Fe2+变化递电子，包括细胞色素 a、a3、b、c、c1 ，其中
4、 a、a3 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 Fe3+/Fe2+互变进行电子传递，有 2Fe-2S 和 4Fe-4S 两种类型。 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 QH2和自由基半醌 QH。 （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：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
5、4 个质子至膜间隙(I)。 NADHFMN Fe-S Q NADH + 5H+M + QNAD + + QH2 + 4H+I 2、复合物 II (Complex II)：琥珀酸脱氢酶 组成：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FADFe-S Q。 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：二聚体，含细胞色素 b566 、 b562、1 个铁硫蛋白和 1 个细胞色素 c1 。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。 4、复合物 I
6、V (Complex IV)：细胞色素氧化酶组成：二聚体，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 cCuA aa 3- CuBO 2 （三）两条主要的呼吸链 复合物 I-III-IV 组成，催化 NADH 的脱氢氧化。 对应于每个复合物，约需 3 个复合物，7 个复合物，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。 复合物 II-III-IV 组成，催化琥珀酸的脱氢氧化 （图：PPT29 ，30）
7、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（二）ATP 合酶（ATP synthase） F 型质子泵；分为球形的 F1 头部（基粒）和嵌入膜中的 F0 基部。 F1： 3 3 复合体，具有 3 个 ATP 合成的催化位点（每个 亚基为 1 个） 。 F0：ab2c12 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。构象耦联假说： 1ATP 酶利用质子动力势，催化 ATP 合成。 2F1 有 3 个催化位点，催化位点有 3
8、种构象。 3质子通过 F0 时，引起 c 亚基构成的环旋转，带动 亚基旋转， 亚基端部高度不对称， 引起 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。（3）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 2.5,1.5)（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、鱼藤酮复合物 II 抑制剂：2-噻吩甲酰三氟丙酮和萎锈灵。复合物 III 抑制剂：抗霉素 A复合物 IV 抑制剂： CO、CN、NaN3
9、、H2S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2磷酸化抑制剂 与 F0 结合，阻断 H+通道：寡霉素。 -我是氧化磷酸化的分界线()/-线粒体的半自主性 :指其生长增殖受 核基因组及其自身基因组的双重控制- 半自主性 环形 DNA； 70S 核糖体，对氯霉素敏感，对放线菌酮不敏感； RNA 聚合酶可被利福平、链霉素等抑制 ；tRNA 和氨酰基-tRNA 合成酶不同于细胞质中的；蛋白质合成的起始氨基酸为 N-甲酰甲硫氨酸。 线粒体的增殖 新线粒体来源于线粒体的分裂。叶绿体：由外被、类囊体和基质 3 部分组成。 含 3 种不同的
10、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。膜：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。类囊体 类囊体膜：流动性高，内在蛋白有：细胞色素 b6f 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。 基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体。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
11、铁蛋白等。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 CO2 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（PS）：P680 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、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（PSI）：P700 位于基粒与基质接触区和基质类囊体膜中，由集光
12、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（ F1-F0 偶联因子）渗入基质、推动 ATP 合成。 叶绿体的半自主性 线粒体与叶绿体结构的相似性： 两层膜包被，内外膜结构和性质不同 为半自主性细胞器 叶绿体的发生：在个体发育中叶绿体由原质体发育而来。幼小叶绿体能靠分裂而增殖，成熟叶绿体一般不再分裂-我是叶绿体的分割线()/-线粒体蛋白质的转运：人 mtDNA 编码 13 条多肽线粒体含 1000 多种蛋白，绝大多数由核基因编码，在
13、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。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 蛋白质输入过程（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 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。
