第六章 细胞的能量转换──线粒体和叶绿体——翟中和细胞生物学

◆ ATP通过旋转催化而合成。旋转是由质子跨膜运动 来驱动的。
氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透假说
◆ 化学渗透假说内容
电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传 递时，所释放的能量将质子（H+ ）从内膜基质侧泵到膜间隙，在内膜的 两侧形成电化学质子梯度，也称为质子动力势(proton motive force ， △P)。在这个梯度驱使下，H+穿过内膜上的ATP 合酶流回到基质，其能 量促使ADP和Pi合成ATP。
工作特点
可逆性复合酶:
◆ 既能利用质子电化学梯度储存的能量合成 ATP ◆ 又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙
结合变构机制和旋转催化假说 (BOYER 1979)
◆ 质子梯度的作用并不是用于形成 ATP，而是使 ATP从酶的催化位点上解脱下来。
◆ ATP合酶上的3个β亚基的氨基酸序列是相同的，但 构象不同。对核苷酸的亲和性不同。 （疏松L、紧密T、开放O)
二、叶绿体的功能—光合作用
光合作用：绿色植物叶肉细胞的叶绿体吸收光能，利用水
和二氧化碳合成糖类等有机化合物，同时放出氧的过程。
Photosynthesis (1) 依赖光的反应—光反应 (2) 碳同化反应—固碳反应
● 光反应：原初反应、电子传递及光合磷酸化
● 固碳反应
光反应
在类囊体膜上由光引起的光化学反应，通过叶绿 素等光合色素分子吸收、传递光能，并将光能转换为电 能，进而转换为活跃化学能， 形成ATP和NADPH并 放出 O2 的过程。包括原初反应、电子传递和光合磷酸 化。 ◆ 原初反应（primary reaction) 指叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反 应为止的过程，包括光能的吸收、传递与转换，即光能 被补光色素分子吸收，并传递至反应中心，在反应中心 发生最初的光化学反应，使电荷分离从而将光能转换为 电能的过程。
同时进行，密切偶联，分别由两个不同的结构体系执行：
◆ 氧化的分子结构基础————
电子传递链
◆ 磷酸化的分子结构基础———— ATP合酶
◆ 磷酸化作用与电子传递的偶联
1.电子传递链 (ELECTRON-TRANSPORT CHAIN）
◆电子传递链的涵义
◆电子传递链的四种复合物
◆电子传递链的类型
◆在电子传递过程中，有几点需要说明
一、线粒体的形态结构
（二）线粒体的结构与化学组成：
在电镜下观察到线粒体是由内外两层彼此平行的单位 膜套叠而成的封闭的囊状结构。
◆ 外
膜(outer membrane）：
线粒体最外面的一层单位膜结构，起界膜作用。 厚约6nm，光滑而有弹性，蛋白质和脂质各占50%。 含孔蛋白，通透性较高。 一些特殊的酶类：标志酶是单胺氧化酶。
基质类囊体：贯穿在两个或两个以上基粒之间没有发生垛
叠的片层结构称为基质片层或基质类囊体。
1、垛叠是动态的：垛叠和非垛叠可以相互转换。 2、类囊体垛叠成基粒——高等植物细胞特有的膜结构——大大 增加膜片层的总面积——有效捕获光能——加速光反应。 3、化学组成：含极少的磷脂和丰富的具有半乳糖的糖脂（主 要是不饱和亚麻酸）——类囊体的脂双分子层流动性非常大。
叶绿体超微结构
㈡、叶绿体的结构和化学组成
叶绿体膜 双层单位膜——内膜和外膜组成，每层膜厚6～8nm。
内外膜之间为10～20nm宽的腔隙，称为膜间隙。
外膜通透性大，含孔蛋白，允许104的分子通过。 内膜通透性较差，仅有O2、CO2和H2O分子能自由通过。
内膜上有很多转运蛋白。
叶绿体超微结构
㈡、叶绿体的结构和化学组成
一、线粒体的形态结构
（二）线粒体的结构与化学组成：
◆ 内 膜 （ inner membrane）：是位于外膜的内侧把膜
间隙与基质分开的一层单位膜结构，厚约6～8nm。
蛋白质/脂质﹥3:1，缺乏胆固醇，富含心磷脂，高度不通透性。 线粒体内膜向基质折叠形成嵴，大大增加了内膜的表面积。 在内膜的嵴上有许多排列规则的颗粒，称为线粒体基粒， 又称偶联因子1，简称F1（ATP合酶的头部）。 内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。
ATP 合酶的分子结构是由两个部分组成 , 犹如 一部精密的分子“水轮机” 。 ◆球状的F1头部
从内膜突出于基质内，水溶性球蛋白，较易从膜上 脱落。 α 3β 3γ δ ε
◆ 嵌于内膜的F0基部
嵌合在内膜上的疏水性蛋白复合体，形成一个跨膜质 子通道。 亚基类型在不同物种中差别很大。 只有细菌的被确定为a1b2c10～12 。
1ATP 1ATP 3ATP
◆ Cytaa3
O2
1ATP
FADH2呼吸链只生成2个ATP分子：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。
三、线粒体与疾病
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” 。 克山病就是一种心肌线粒体病。 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。 患者因缺硒而导致心肌线粒体出现膨胀、嵴 稀少和不完整。
1897年， Benda (班达)正式命名为线粒体。 1963年，Nass(纳斯)，鸡胚肝细胞线粒体中存在
DNA；Schatz(沙茨)，分离到完整的mtDNA。 1981年，测定人mtDNA的DNA序列。 1987年，Wallace(华勒斯)， mtDNA突变可引起 疾病。 1988年，首次报道mtDNA突变。
电子传递链的四种复合物
◆复合物Ⅰ：NADH-CoQ还原酶（既是电子传递体又是质子移位体） 组成：25条以上多肽链组成，至少6个Fe-S中心和1个黄素蛋白。 作用：催化NADH氧化，从中获得2个高能电子辅酶Q；泵出4 H+ ◆复合物Ⅱ：琥珀酸脱氢酶复合物（是电子传递体而非质子移位体） 组成：含FAD辅基，2个Fe-S中心，1个细胞色素b 作用：催化电子从琥珀酸通过FAD和Fe-S传给辅酶Q (无H+泵出) ◆复合物Ⅲ：CoQ-细胞色素c还原酶(既是电子传递体又是质子移位体) 组成：由10条多肽链组成，2个细胞色素b，1个细胞色素c1和1个 Fe-S蛋白。 作用：催化电子从CoQ氧化传给细胞色素c，同时发生质子的跨膜转移。 ◆ 复合物Ⅳ：细胞色素氧化酶（既是电子传递体又是质子移位体） 组成：由6～13条多肽链组成，以二聚体形式存在。细胞色素a和a3 和两个铜原子。 作用：催化电子从细胞色素c传给氧，同时发生质子的跨膜转移。
二、线粒体的功能—氧化磷酸化
伴随着生物的氧化（放能）过程，所发生的磷酸化 （贮能）作用的过程。
● 线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细
胞生命活动提供直接能量。是糖类、脂肪和氨基酸
最终氧化释能的场所。 ● 还与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信 号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态 平衡的调控有关。
三、氧化磷酸化
●氧化磷酸化的分子结构基础
●结合变构机制和旋转催化假说
●氧化磷酸化的偶联机制—化学渗透假说
(Chemiosmotic Hypothesis, Mithchell,1961)
●氧化磷酸化的过程
（一）氧化磷酸化的分子结构基础
氧化(电子传递、消耗氧, 放能)与磷酸化(ADP+Pi，储能)
第六章 细胞的能量转换 ──线粒体和叶绿体
● 线粒体与氧化磷酸化
● 叶绿体与光合作用
● 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器
● 线粒体和叶绿体的增殖与起源
第一节
线粒体与氧化磷酸化
● 线粒体的形态结构
● 线粒体的功能——氧化磷酸化
● 线粒体与疾病
线粒体的发现
1894年，Altmann(奥特曼)首次发现，生命小体。
类 囊 体 叶绿体内部由内膜发展而来的封闭的扁平膜囊。 类囊体内空间称为类囊体腔。
在叶绿体的某些部位，许多圆饼状的类囊体有序叠 置成垛，称为基粒。
基粒类囊体 类பைடு நூலகம் 基质类囊体
叶绿体超微结构
㈡、叶绿体的结构和化学组成
类 囊 体
基粒类囊体：组成基粒的类囊体。
1、直径为0.25～0.8μm，厚约0.01 μm。 2、一个基粒由5～30个基粒类囊体组成，最多可达上百个。
膜间隙，形成跨线粒体内膜H+梯度(能量转化)。 ◆ 电子传递链各组分在膜上不对称分布。
2. ATP合酶
◆ ATP合酶的存在部位 ◆ ATP合酶的分子结构 ◆ ATP合酶的工作特点 ◆ ATP合酶的作用机制
ATP合酶的存在部位
◆ 线粒体的内膜
◆ 叶绿体的类囊体膜
◆ 好氧细菌的质膜
ATP合酶的分子结构
◆ 化学渗透假说的两个特点 强调线粒体膜结构的完整性 定向的化学反应
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。 NADH呼吸链生成ATP的3个部位是： ◆ NADH ◆ Cytb
CoQ Cytc
叶绿体超微结构
叶绿体基质
被叶绿体内膜所包围的除类囊体以外的区域。
主要成分：
可溶性蛋白质：核酮糖-1.5-二磷酸羧化酶——光和作用中一个起重 要作用的酶系统。 环状DNA RNA（r RNA、 tRNA、 mRNA） 核糖体 脂滴（可能是脂质的储存库） 植物铁蛋白（储存铁） 淀粉粒

红素辅基)、 Fe-S中心、辅酶Q。前三种与蛋白质结合，辅酶Q为脂溶性
醌。 ◆ 电子传递起始于 NADH脱氢酶催化NADH 氧化，形成高能电子(能量转化)，
终止于O2形成水。
◆ 电子传递方向按氧化还原电位递增的方向传递(NAD+/NADH最低，H2O/O2 最高)。
◆ 高能电子释放的能量驱动线粒体内膜复合物(H+-泵)将H+从基质侧泵到
电子传递链的涵义

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，称为电子传递链或 呼吸链。
线粒体内膜上的呼吸链是典型的多酶氧化还原体系， 参加呼吸链的氧化还原酶有：
1、烟酰胺脱氢酶类（以NAD+或NADH+为辅酶） 2、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） 3、铁硫蛋白类 （或称铁硫中心，FeS） 4、辅酶Q类 5、细胞色素类 ：呼吸链中的细胞色素蛋白至少有5种，即细胞 色素b、c、 c1、a、a3 。
一、线粒体的形态结构
（一）线粒体的形态、大小、数量与分布：
① 形态、大小、数量与分布，在不同细胞内变动很大，就是同一细胞 在不同生理状态下也不一样。 ② 具有多形性、易变性、运动性和适应性等特点。以线状和颗粒状最 常见，在一定条件下线粒体的形状变化是可逆的。 ③ 线粒体的形状与大小并不是固定的，而是随着代谢条件的不同而改 变，它可能反映线粒体处于不同的代谢状态。 ④ 植物细胞的线粒体数量一般较动物细胞的少。 ⑤ 线粒体的数目在不同类型细胞内有很大差别。 ⑥ 线粒体的数目还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。 ⑦ 在很多细胞中，线粒体在细胞内的分布是不均匀的，在某些细胞中 线粒体往往集中在细胞代谢旺盛的需能部位。 ⑧ 根据细胞代谢的需要，线粒体可在细胞质中运动、变形和分裂增殖。 ⑨ 线粒体在细胞质中的定位与迁移，往往与微管有关。
一、线粒体的形态结构
（二）线粒体的结构与化学组成：
内膜和外膜将线粒体分割成两个区室：
◆ 膜间隙：线粒体内外膜之间的腔隙。 宽约6～8nm，含许多可溶性酶、底物及辅助因子。 膜间隙的标志酶是腺苷酸激酶，功能是催化 ATP分子末 端磷酸集团转移到AMP，生成ADP。 ◆ 线粒体基质：内膜所包围的嵴外空间。 酶类：含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等。 线粒体遗传系统：线粒体DNA, RNA，核糖体和转录、翻译 遗传信息所需的各种装置。 线粒体基质的标志酶是柠檬酸合成酶。
电子传递链的类型
4种复合物组成两种呼吸链：
◆ NADH呼吸链
复合物Ⅰ、Ⅲ、 Ⅳ组成主要的呼吸链， 催化 NADH的氧化
◆ FADH2呼吸链
复合物Ⅱ 、Ⅲ、 Ⅳ组成FADH2呼吸链， 催化琥珀酸的氧化
在电子传递过程中，有几点需要说明
◆ 五种类型电子载体：烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、细胞色素(含血
第二节
叶绿体与光合作用
● 叶绿体(Chloroplast)的形态结构
● 叶绿体的功能—光合作用
一、叶绿体的形态结构
㈠、叶绿体的形状、大小和数量 植物种类——差别大
不稳定的细胞器：
不同的环境条件——产生不同适应性变化（光照） 高等植物叶绿体： 形状：成凸透镜状或香蕉型。 大小：宽2～4nm，长5 ～10nm. 数量：大多数叶肉细胞含有几十至几百个叶绿体，可占 细胞质体积的40% ～ 90%。 藻类植物只有一个巨大的叶绿体，形态依细胞形态而定。