南农细胞生物学5培训资料.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。南农细胞生物学5-第七章细胞的能量转换-线粒体和叶绿体线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。叶绿体通过光合作用把光能转换为化学能,并储存于糖类、脂肪和蛋白质等大分子有机物中。线粒体是一种高效地将有机物转换为细胞生命活动的直接能源ATP的细胞器。线粒体普遍存在于各类真核细胞中,而叶绿体仅存在于植物细胞中。它们的形态特征主要是封闭的双层单位膜结构,且内膜经过折叠并演化为表面积极大扩增的内膜特化结构系统。内膜在能量转换功能中起着主要作用。大量扩增的内膜不仅为线粒体的氧化磷酸化和叶绿体的光合磷酸化反应提供了结
2、构框架。线粒体和叶绿体有着相似的基本结构,而且以类似的方式合成ATP。线粒体和叶绿体都是半自主性的细胞器。线粒体和叶绿体都具有环状DNA及自身转录RNA与翻译蛋白质的体系。很多学者把线粒体和叶绿体的遗传信息系统称为真核细胞的第二遗传信息系统,或称核外基因及其表达体系。第一节线粒体与氧化磷酸化线粒体被称为细胞内的“能量工厂”(powerplants)。线粒体通过氧化磷酸化作用合成ATP,为细胞提供能量。人体内的细胞每天要合成几千克的ATP,且95的ATP是由线粒体中的呼吸链所产生,一、 线粒体的形态结构(一) 线粒体的形态、大小、数量和分布线粒体的形态、大小、数量与分布,在不同细胞内变动很大,就
3、是同一细胞,在不同生理状态下也不一样。许多哺乳动物成熟的红细胞缺少线粒体;线粒体具有多形性、易变性、运动性和适应性。其形状以线状和颗粒状最常见,也可呈环形、哑铃形、枝状或其他形状。在一定条件下线粒体的形状变化是可逆的。线粒体一般直径为0.51.0mm,长1.53.0mm。线粒体的数目与细胞的生理功能及生理状态有关,在新陈代谢旺盛的细胞中线粒体多,如人和哺乳动物的心肌、小肠、肝等内脏细胞中线粒体很丰富;飞翔鸟类胸肌细胞线粒体的数目比不飞翔鸟类的多;运动员的肌细胞线粒体比不常运动的人的多。线粒体在细胞内的分布一般是不均匀的,例如,肠上皮细胞中的线粒体呈两极性分布,集中于顶部和基部。线粒体往往在细胞
4、代谢旺盛的需能部位比较集中,如分泌细胞的线粒体聚集在分泌物合成的区域;线粒体的这种分布有利于需能部位的能量供应。(二)线粒体的超微结构线粒体是由两层单位膜套叠而成的封闭的囊状结构。主要由外膜(outermembrane)、内膜(innermembrane)、膜间隙(intermembranespace)及基质(matrix)或内室(innerchamber)4部分组成。1外膜外膜是包围在线粒体最外面的一层光滑而有弹性的单位膜。外膜上有排列整齐的筒状圆柱体,圆柱体上有直径为23nm的小孔。相对分子质量为10X103以下的小分子物质均可通过小孔进入膜间隙。2内膜内膜位于外膜内侧,把膜间隙与基质(内
5、室)分开。内膜对物质的通透性很低,能严格地控制分子和离子通过,这种“不透性”在ATP的生成过程中起重要作用。内膜的“不透性”特性与结构组成有关,内膜含有大量的心磷脂(cadiolipin),形成通透性屏障,如H+、ATP、丙酮酸等不能自由透过内膜,必须在载体或通透酶(permease)系统的协助下才能实现跨膜运输。内膜向线粒体内室褶叠形成嵴(cristae),嵴使内膜的表面积大大扩增。这对线粒体进行高速率的生化反应是极为重要的。嵴的形状和数量与细胞种类及生理状况密切相关,需能多的细胞,不但线粒体多,嵴的数量也多。线粒体内膜和嵴的基质面上有许多排列规则的带柄的球状小体,称为基粒。基粒由头部和基部
6、组成。头部又称F1,为球形颗粒。基部又称F0,嵌入线粒体内膜。3膜间隙膜间隙是内外膜之间封闭的腔隙,其中充满无定形液体,内含许多可溶性酶、底物和辅助因子。嵴内间隙(intracristalspace)与膜间隙相通,实际上是膜间隙的延伸。4基质或内室基质为内膜所包围的嵴外空间,腔内充满可溶性蛋白质性质的胶状物质,呈均质状,具有一定的pH和渗透压。二、 线粒体的化学组成及酶的定位(一) 线粒体的化学组成线粒体的化学成分主要是蛋白质和脂质。其中蛋白质占线粒体干重的6570,脂质占2530。线粒体内、外膜在化学组成上的根本区别是脂质和蛋白质的比值不同,内膜的脂质与蛋白质的比值低(0.3:1),外膜的比
7、值较高(1:1)。内膜富含酶蛋白和辅酶,外膜仅含少量酶蛋白。粒体的基质中含有催化三羧酸循环、脂肪酸9氧化、氨基酸氧化、蛋白质合成等有关的上百种酶和其他成分,如环状DNA、RNA、核糖体及较大的致密颗粒,这些颗粒是含磷酸钙的沉积物,其作用是贮存钙离子,也可结合镁离子。(二)线粒体酶的定位线粒体约有140余种酶,其中37是氧化还原酶,10是合成酶,水解酶不到9。线粒体中一些主要酶的分布列于表71。(一)氧化磷酸化的分子结构基础氧化(放能)和磷酸化(贮能)是同时进行并密切偶联在一起的,但却是由两个不同的结构系统实现的。1电子传递链(呼吸链)在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物,它们是传递电
8、子的酶体系,由一系列能可逆地接受和释放电子或H+的化学物质所组成,在内膜上相互关联地有序排列,称为电子传递链(electrontransportchain)或呼吸链(respiratorychain)。细胞内有两条典型的呼吸链,即NADH呼吸链和FADH2呼吸链。这是氢的原初受体不同而区分的。线粒体内膜上的呼吸链由多个组分组成。包括:烟酰胺脱氢酶类(以NAD+或NADP+为辅酶);黄素脱氢酶类(以黄素单核苷酸FMN或黄素腺嘌呤二核苷酸FAD为辅基);铁硫蛋白类(或称铁硫中心,FeS),分子中含非血红素铁和对酸不稳定的硫,其作用是通过铁的化合价的互变进行电子传递;辅酶Q类,是一种脂溶性的醌类化合
9、物,它具有3种不同的氧化还原状态,即氧化态Q、还原态QH2和介于两者之间的半醌QH;细胞色素类,是一类以铁卟啉为辅基的色蛋白,其主要功能是通过铁的化合价的互变传递电子。目前发现的细胞色素有a、a3、b、c、c1等。在aa3分子中,除含血红素铁外,尚含有2个铜原子,依靠其化合价的变化,把电子从a,传递到氧。呼吸链可人为地分为4种功能复合物(1)以及辅酶Q和细胞色素c。4种复合物包埋在线粒体内膜中,辅酶Q和细胞色素c是呼吸链中可流动的递氢体或递电子体。复合物的组分和定位列于表72。复合物I:是NADHCoQ还原酶,又称NADH脱氢酶,其作用是催化NADH的2个电子传给辅酶Q,同时发生质子的跨膜输送
10、,故复合物I既是电子传递体又是质子移位体。复合物:是琥珀酸CoQ还原酶,又称琥珀酸脱氢酶,其作用是催化电子从琥珀酸通过FAD和铁硫蛋白传给辅酶Q。复合物不能使质子跨膜移位。复合物:是CoQ细胞色素c还原酶,其作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素c,同时发生质子的跨膜输送,故复合物既是电子传递体,又是质子移位体。复合物:是细胞色素氧化酶,其作用是催化电子从细胞色素c传给氧。同时发生质子的跨膜输送,故复合物既是电子传递体又是质子移位体。复合物I、组成主要的NADH呼吸链,催化NADH的氧化;复合物、组成FADH2呼吸链,催化琥珀酸的氧化。呼吸链各组分有严格的排列顺序和方向。从NADH到分子氧之间的电
11、子传递过程中,电子是按氧化还原电位从低向高传递。电子总是从低氧化还原电位向高氧化还原电位流动。2ATP合成酶(ATPsynthetase)或FlFoATP酶(或HATP酶)位于线粒体内膜上,是生物体进行能量转换的核心酶。参与氧化磷酸化,催化合成ATP。其分子结构由突出于膜外的F1头部和嵌于膜内的F0基部两部分组成。F1(偶联因子F1):为水溶性球蛋白,从内膜突出于基质内,较易从膜上脱落。F0(偶联因子F0):是嵌合在内膜上的疏水蛋白复合体,形成一个跨膜质子通道。牛心线粒体ATP酶:Fl部分(F1ATPase)由3a、3b、1g、1d、1e等9个亚基组成,3个a亚基和3个b亚基交替排列,形成一个
12、“橘瓣”状结构,各亚基分离时无酶活性,结合时有酶活性。a和b亚基上均具有核苷酸结合位点,其中b亚基结合位点具有催化ATP合成或水解的活性。g与e亚基结合在一起形成“转子”(rotor),位于a3b3的中央,共同旋转以调节三个b亚基催化位点的开放和关闭。e亚基有抑制酶水解ATP的活性,同时还有堵塞H+通道、减少H+泄漏的功能。细菌F0(偶联因子F0):在细菌中,F0由a、b、c3种亚基组成,各亚基的数量关系为alb2C1012,多拷贝的c亚基形成一个环状结构,a亚基与b亚基二聚体排列在c亚基形成的环的外侧,a亚基、b亚基二聚体和d亚基共同组成“定子”(stator)(图75)。F1和F0通过“转
13、子”和“定子”将两部分连接起来,F0的作用之一,就是将跨膜质子动力势转换成扭力矩(torsion),推动“转子”旋转。在合成或水解ATP的过程中,“转子”在通过F0的H+流推动下旋转,依次与3个b亚基作用,调节b亚基催化位点的构象变化;3氧化磷酸化作用与电子传递的偶联当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时,同时伴有ADP磷酸化形成ATP,这一过程称为氧化磷酸化。氧化磷酸化是生成ATP的一种主要方式。NADH呼吸链生成ATP的3个部位是:NADH至辅酶Q;细胞色素b至细胞色素c;细胞色素aa3至氧之间。3处各生成一分子ATP,共生成3个ATP分子。但FADH2呼吸链只生成2个ATP
14、分子,这是因为电子从FADH2至辅酶Q间传递所释放的能量不足以形成高能磷酸键所致。(二)氧化磷酸化的偶联机制20多年来,氧化磷酸化的偶联机制提出了各种假说,主要有:化学偶联假说(chemicalcouplinghypothesis)、构象偶联假说(conformationalcouplinghypothesis)、化学渗透假说(chemiosmoticcouplinghypothesis)等。现在,化学渗透假说成为最为流行的一种假说。该假说是1961年英国生物化学家Mitchell提出来的,他因此获得了1978年诺贝尔化学奖。化学渗透假说的主要内容是:呼吸链的各组分在线粒体内膜中的分布是不对称
15、的,当高能电子在膜中沿呼吸链传递时,所释放的能量将H+从内膜基质侧泵至膜间隙,由于膜对H+是不通透的,从而使膜间隙的H+浓度高于基质,因而在内膜的两侧形成电化学质子梯度(electrochemicalprotongradient, DmH+),也称为质子动力势(protonmotiveforce,DP)。在这个梯度驱动下,H+穿过内膜上的ATP合成酶流回到基质,其能量促使ADP和Pi合成ATP。质子动力势(DP)由两部分组成:一是膜内外H+浓度差(DpH),二是膜电位(Dy)。化学渗透假说有两个特点:一是强调线粒体膜结构的完整性。如果膜不完整,H+便能自由通过膜,则无法在内膜两侧形成质子动力势
16、,那么氧化磷酸化就会解偶联。二是定向的化学反应。ATP合成的反应是定向的,在电化学质子梯度推动下,H+由膜间隙通过内膜上的ATP合成酶进入基质,其能量促使ADP和Pi合成ATP。根据化学渗透假说,H+通过ATP合成酶进入基质,每进入2个H+可驱动合成1个ATP分子。电子及质子通过呼吸链上电子载体和氢载体的交替传递,在线粒体内膜上形成3次回路,导致3对H+由基质抽提至膜间隙,生成3个ATP分子。(三)ATP合成酶的作用机制ATP合成酶可能是已发现的自然界最小的分子“马达”,其运转效率几乎达100。美国生物化学家Boyer早期提出的ATP合成酶的结合变化和旋转催化机制,经过20多年的实验研究,19
17、94年Walker等发表了牛心线粒体F1-ATP酶的晶体结构。为Boyer提出的结合变化和旋转催化机制提供了结构基础,他也因此与Boyer分享了1997年的诺贝尔化学奖。ATP合成酶结合变化机制(bindingchangemechanics)的主要内容:即在任一时刻,F1上3个b催化亚基的构象总是不同的,与核苷酸结合也不一样,每个催化位点与核苷酸的结合按顺序经过三种构象状态:紧密结合态(T态)、松散结合态(L态)和空置状态(不与任何核苷酸结合的O态)。在ATP合成过程中,3个b催化亚基的构象发生顺序变化,每一个催化亚基经过3次构象改变才催化合成1个ATP分子。图中所示,ADP和Pi与b2结合,
18、ADP与Pi形成ATP;在质子流推动下,a3b3亚基相对于“转子”旋转120,3个b亚基随即发生构象改变,使b亚基对ATP、ADP和Pi的亲和力产生变化,从而引起ATP从b2上释放出来,空出的结合位点又可与新的ADP和Pi结合。由此看出,结合变化机制主要涉及的是3个b催化亚基在合成或水解ATP过程中的构象变化,其构象变化由转子的转动来实现。当H+流跨膜转运时,带动ATP合成酶基部的车轮结构和与之连接的轴进行转动,就像水流带动水轮机一样。这一转动继而引起与轴相连的三个叶片(即3个b亚基)发生一定的构象变化,结果使ADP和Pi合成ATP分子并将其释放出来。ATP合成酶的催化循环犹如一部精密的分子“
19、水轮机”。四、线粒体与疾病线粒体是细胞内最易受损伤的一个敏感的细胞器,它可显示细胞受损伤的程度。许多研究工作表明,线粒体与人的疾病、衰老和细胞凋亡有关,线粒体的异常会影响整个细胞的正常功能,从而导致病变。有人将这一类疾病称为“线粒体病”(mitochondrialdiseases,MD)。线粒体病是指那些在病变细胞内较早出现的线粒体极为明显异常的病理变化。克山病就是一种心肌线粒体病(mitochondrialcardiomyopathy)。它是以心肌损伤为主要病变的地方性心肌病,因营养缺乏(缺硒)而引起。患者线粒体硒含量明显降低,慢性者为正常量的12,亚急性者为正常量的125。硒对线粒体膜有稳
20、定作用,患者因缺硒而导致心肌线粒体出现膨胀、嵴稀少和不完整;膜电位下降,膜流动性减低;对电子传递和氧化磷酸化偶联均有明显影响。随着研究工作的不断深入,发现人的细胞中线粒体的数量随年龄增长而减少,而体积却随年龄增长而增大。有些学者认为,线粒体是细胞内自由基的源泉,它们是决定细胞衰老的生物钟,机体95以上的氧自由基都来自线粒体的呼吸链,正常情况下,氧自由基可被线粒体中的Mn2+SOD所清除,机体衰老及退行性疾病时Mn2+SOD活性降低,氧自由基就积累在线粒体中。,经过一定时间的累积就会导致线粒体内膜参与能量转换的酶系功能异常。此外,线粒体还与细胞凋亡有关。线粒体是通过释放细胞色素c参与细胞凋亡的。
21、第二节叶绿体与光合作用植物细胞与动物细胞的一个重要差别,是它具有自己独特的质体细胞器。质体通常分为叶绿体(chloroplast)、有色体(chromoplast)和白色体(1eucoplast)3大类。其中叶绿体是植物细胞所特有的能量转换细胞器,其主要功能是进行光合作用。一、叶绿体的形状、大小和数目叶绿体的形状、大小和数目因植物种类不同而有很大差别,而且叶绿体并不是一种稳定的细胞器,它能够伴随着不同的环境条件,如光照条件,产生不同的适应性变化。高等植物的叶绿体大多数呈香蕉形,一般直径为36mm,厚约23mm。叶肉细胞内一般含有50200个叶绿体,可占细胞质体积的4090。叶绿体的总表面积比叶
22、面积大得多,这有利于植物对太阳光辐射能和空气中C02的吸收和利用。二叶绿体的结构和化学组成叶绿体是由叶绿体膜(chloroplastmembrane)或称叶绿体被膜(chloroplastenvelope)、类囊体(thylakoid)和基质3部分构成(一)叶绿体膜由外膜和内膜所组成。每层膜厚约68nm,内外膜之间为1020nm宽的膜间隙(intermembranespace)。外膜通透性大,许多化合物如核苷、无机磷、磷酸衍生物、羧酸类化合物等均可透过;内膜对物质透过的选择性强。有些化合物如磷酸甘油酸、苹果酸、草酰乙酸等不能直接透过内膜,需由内膜上的特殊载体转运体(translocator)的
23、协助才能通过。(二) 类囊体在叶绿体基质中,有许多由单位膜封闭形成的扁平小囊,称为类囊体。类囊体一般沿叶绿体长轴平行排列。1类囊体的结构组成在某些部位,许多圆饼状的类囊体叠置成垛,称为基粒(grana)。组成基粒的类囊体称为基粒类囊体(granumthylakoid),其片层称为基粒片层(granalamella)。类囊体垛叠成基粒,是高等植物细胞所特有的膜结构,这种结构大大增加了膜片层的总面积,更有效地捕获光能,加速光反应。贯穿在两个或两个以上基粒之间没有发生垛叠的类囊体,称为基质类囊体(stromathylakoid),其片层称为基质片层(stromalamella)。相邻基粒经基质类囊体
24、相连,类囊体腔彼此相通,使叶绿体内的全部类囊体形成一个完整连续的封闭膜囊,膜囊与基质相隔开,有利于光合磷酸化过程中H+梯度的形成。在类囊体膜中镶嵌有光合作用能量转换功能的全部组分。这些组分包括:捕光色素(天线色素)、两个光反应中心、各种电子载体、合成ATP的系统和从水中抽取电子的系统等。它们分别装配在光系统I(photosystemI,PSl)、光系统(photosystem,PS)、细胞色素bf、CF0Cf1ATP酶等主要的膜蛋白复合物中。PSI和PS复合物都是由核心复合物(corecomplex)和捕光复合物(1ightharvestingcomplex,LHC)组成,但它们在组分、结构甚
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