细胞生物学翟中和第四版-06-线粒体与叶绿体

（一）ATP合酶（ATP synthase）
ATP合酶分子结构模式图
ATP 合酶的分子由球形的头部和 基部组成，头部朝向线粒体基质， 规则性地排布在内膜下并以基部 与内膜相连。
ATP合酶的头部被称为偶联因子1 （F1），由5 种类型的9个亚基组 成，形成一个“橘瓣”状结构,其 中只有β 亚基具有催化ATP合成或 水解的活性。 F1 的功能是催化ATP合成，γ 亚 基的一个结构域构成穿过F1的中 央轴。ε 亚基协助γ 亚基附着到 ATP合酶的基部结构F0上。γ 与ε 亚基结合形成“转子”，旋转于 α 3β 3的中央，调节3个β 亚基催 化位点的开放和关闭。
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1014公斤。
一、叶绿体的基本形态及动态特征
（一）叶绿体的形态、分布及数目
• 在高等植物的叶肉细胞中，叶 绿体呈凸透镜或铁饼状，直径
为5～10 μm，厚2～4 μm。
• 分布在细胞质膜与液泡间薄层 的细胞质中，呈平层排列。 • 通常情况下，高等植物的叶肉 细胞含20～200 个叶绿体。
一、线粒体的融合与分裂
• 动、植物细胞中均可观察到频繁的线粒体融合与 分裂现象，这被认为是线粒体形态调控的基本方 式，也是线粒体数目调控的基础。 • 细胞中所有的线粒体构成一个不连续的动态整体。
线粒体融合与分裂的分子基础：
• 融合与分裂依赖于特定的基因和蛋白质的调控。融合所必需
的基因最早发现于果蝇，取名Fzo（fuzzy onion 模糊洋葱头） Fzo基因编码一跨膜的GTPase（鸟苷三磷酸酶），定位在线粒 体外膜上，介导线粒体的融合。
（一）叶绿体的形态、分布及数目
• 叶绿体通过位移避开强光 的行为称为躲避响应
• 在光照较弱的情况下，叶 绿体会汇集到细胞的受光 面，这种行为称作积聚响 应 • 叶绿体在细胞内位置和分 布受到动态的调控称为叶 绿体定位
• 光照强度对叶绿体分布及位置响
应的示意图：
– 野生型（WT）拟南芥叶片呈深绿色 。对叶片的一部分（整体遮光，中 部留出一条缝）强光照射1h后，被 照射的部分变成浅绿色，这是由于 细胞叶绿体位置和分布发生了变化 ，以减少强光的伤害。在叶绿体定 位异常的突变体（chup1）中，光照 对叶绿体的位置与分布失去影响。
• 固碳反应在叶绿体基质中进行； 光反应产物（ATP 和NADPH ） 驱动CO2 还原成糖的分子反应 过程
（一）原初反应
捕获光能是光合作用的初始步骤。
光合色素分子被光能激发而引起第
一个光化学反应的过程。 • 1.光合色素 （吸光）
– 叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素
• 2.光化学反应
• 4、基质（matrix）
– 富含可溶性蛋白质的胶状物质。 – 催化重要生化反应，含三羧酸循环、脂肪酸、 丙酮酸和氨基酸氧化等的酶类；还含有 DNA ， RNA，核糖体及转录翻译所需重要分子。 – 标志酶为苹果酸脱氢酶。
三、氧化磷酸化
• 动物细胞80%的ATP来源于线粒体。（人95% ） • 线粒体为细胞的“动力工厂”。
（一）ATP合酶（ATP synthase）
• F型质子泵；分为球形的F1（头部）和嵌入膜 中的F0（基部）。 • F1：α3β3γδε复合体，5种类型9个亚基组成，具 有3个ATP合成的催化位点(每个β亚基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。
• 2、内膜 （inner membrane）
– 类似细胞质膜；对离子和大多数小分子是不可通
透的，除非有膜转运蛋白提供通道。心磷脂含量
高(达20%)，缺乏胆固醇，通透性很低。
• 2、内膜 （inner membrane）
– 高度折曲，形成一系列的内褶，称为嵴，能扩 大表面积（5~10倍），分两种：①板层状、② 管状；嵴上有基粒（即为ATP合酶）。 – 内膜是氧化磷酸化的关键场所。 – 内膜的标志酶为细胞色素C氧化酶。
第六章 线粒体和叶绿体
第一节 线粒体
• 1890，Altaman首次发现，命名为生命小体（bioblast）； • 1898，von Benda将之命名为线粒体mitochondrion； • 1904，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。
人类红细胞无线粒体。
An TEM image of mitochondrion
人淋巴细胞线粒体（A）、拟南芥幼叶线粒体（B） 的超微结构及超微结构模式图
• 立体结构
（二）分布
• 线粒体在细胞内的分布与细胞内能量需求密切相 关。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。
• 细胞内的叶绿体仍呈现动态特征：叶绿体在细胞内的位置 与分布受光照影响，且叶绿体定位借助微丝骨架的作用， 微丝结合蛋白CHUP1为叶绿体正常定位所必需。
（二）叶绿体的分化与去分化
• 叶绿体分化于幼叶的形成和生长阶段。在形态上表现为体积 的增大、内膜的形成和叶绿色的积累；而在生化与分子生物 学上，则体现为叶绿体功能必需的酶、蛋白质、大分子的合 成、运输及定位。
ATP合酶的基部结构被称作F0， F0 是一个疏水性的蛋白复合体，嵌合 于线粒体内膜，由a、b、c 3 种亚 基组成跨膜的质子通道。 多拷贝的c亚基形成一个环状结构。 a亚基和b亚基形成的二聚体位于环 的外侧。 同时，a亚基、b亚基及F1的δ 亚基 共同组成“定子”，也称外周柄。
结合变构机制 —质子驱动ATP合成的过程
（三）叶绿体基质
• 叶绿体内膜与类囊体之间的液态胶体物质，称为叶绿 体基质。基质的主要成分是可溶性蛋白质和其他代谢 活跃物质，其中丰度最高的蛋白质为核酮糖-1,5-二 磷酸羧化酶/ 加氧酶(ribulose-1,5-biphosphate carboxylase/oxygenase，简称Rubisco)。 • Rubisco 是光合作用中的一个重要的酶系统，亦是自 然界含量最丰富的蛋白质。 • 基质中还存在叶绿体DNA、核糖体、脂滴、植物铁蛋 白和淀粉粒等物质。
心肌细胞：靠近收缩器
精子：位于尾部，围绕活动鞭毛
（三）超微结构
• 分为外膜、内膜、膜间隙和基质四部分。
Schematic view of mitochondrion
• 1、外膜 (out membrane)
– 平展，起界膜作用；厚约6 nm。外膜像筛子一样， 具有孔蛋白构成的亲水通道，允许小分子物质 （分子量5000以下）通过。标志酶为单胺氧化酶
叶绿体与线粒体形态结构比较
★ 叶绿体内膜并不向内折叠成嵴；
★ 内膜不含电子传递链；除了膜间隙、基质外， 还有类囊体； ★ 捕光系统、电子传递链和ATP合酶都位于类 囊体膜上。
三、光合作用
• 两步反应协同完成：依赖光 的反应或称“光反应”和碳 同化反应或称固碳反应
• 光反应在类囊体膜上进行：
– 原初反应； – 电子传递和光合磷酸化；
• 1979年Boyer提出结合变构机 制（binding change mechanism），其要点如下：
• ① 质子梯度的作用是使ATP从酶分 子上解脱下来。
• ② ATP 合酶上3个β 催化亚基以3 种不同的构象存在，从而使它们对 核苷酸具有不同的亲和性; • ③ ATP 通过旋转催化而生成。旋 转的动力来自于 F0 质子通道中的 质子跨膜运动。
拟南芥编码叶绿体蛋白酶的基因（var1和var2）发生突变后，叶绿体 发育异常，叶片出现白斑，白化叶或叶白化部分的质体形成白色体。
• 叶绿体是原质体的一种分化方式；
• 原质体(proplastid)亦称为前质体，原色素体。为叶绿体、白色体 、有色体等质体的前身（或前驱）结构。仅由内膜和外膜构成， 膜内是少量的基质和DNA,但是没有叶绿素和电子传递系统。
膜 间 隙
柠檬酸 循环 乙酰CoA
丙酮酸
脂肪酸
乙酰CoA（乙酰辅酶A）
（三）电子传递链
电子载体（electron carrier）：在电子传递的过程 中，接受和释放电子的分子和原子。
电子传递链（electron transport chain）：由电子载
体组成的固定电子传递序列，也称为呼吸链。
（二）质子驱动力
• 线粒体内膜上的电子传递为膜间隙与基质间的质 子电化学梯度提供了基础。质子则借助高能电子
释放的能量被不断地定向转运到膜间隙。
• ATP合酶在质子流的推动下实现分子内“转子”的
转动，驱动ATP的生成。
F1
F0
质子梯度
线 粒 体 产 能 A T P
电子传递链
高能 电子
驱动ATP合酶 生成ATP
发动蛋白
Nishida K et al. PNAS 2003;100:2146-2151
二、结构及分布
• （一）形态
– 颗粒状或杆状或短线状; – 直径0.3~1.0 μm，长1.5~3.0 μm；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% ，
• 在特定情况下，叶绿体的分化是可逆的，叶绿体可 去分化再次形成原质体。
（三）叶绿体的分裂
• 叶绿体通过分裂而实 现增殖。 • 叶绿体的分裂与线粒 体分裂具有相同的细 胞动力学机制。也由 外环与内环组成，分 裂环的缢缩是叶绿体 分裂的细胞动力学基 础
叶绿体分裂必需的dynamin相关蛋白被称为 ARC5。蛋白出现于缢陷处，推动叶绿体分裂
线粒体融合与分裂的分子及细胞生物学基础
分裂的分子生物学基础
• 线粒体分裂依赖特定的基因和蛋白质来调控 • 线粒体分裂需要发动蛋白（dynamin） • dynamin类蛋白是一类大分子GTPase（鸟苷三磷酸酶），
发动蛋白（dynamin）组装和驱动线粒体分裂的模式图
线粒体融合与分裂的分子及细胞生物学基础 • 线粒体分裂环（mitochondrial division ring） • 分裂的三个阶段：早期；中期；后期
（a，b）红藻的叶绿体分裂环
（c）被子植物天竺葵的叶绿体分裂环
二、叶绿体的超微结构
（一）叶绿体膜
• 外膜、内膜和膜间隙构成；
• 外 膜通透性大，含有孔蛋白，允许相对分子质量
高达104 的分子通过；而内膜则通透性较低，仅允 许O2、CO2 和H2O 分子自由通过。 • 叶绿体内膜上有很多转运蛋白，选择性转运较大 分子。
Lamellar cristae 板层状嵴
Tubular cristae 管状嵴
• 3、膜间隙 ：
– 是内外膜之间的腔隙，宽约6-8nm。 – 膜间隙内的液态介质含有可溶性的酶、底物和 辅助因子。 – 标志酶为腺苷酸激酶，可催化ATP生成ADP。
Models of mitochondrial membrane structures
5种电子载体：
• 黄素蛋白、细胞色素、泛醌、铁硫蛋白、铜原子
• 共同点：具有氧化还原作用
（四）电子传递复合物
复合物Ⅰ：NADH-CoQ 还原酶（NADH 脱氢酶）
复合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ 还原酶（琥珀酸脱氢酶）
复合物III：细胞色素还原酶
复合物Ⅳ体
• 叶绿体内部由内膜衍生而来的封闭的扁平膜囊，称 类囊体。类囊体囊内的空间称为类囊体腔（ thylakoid lumen）
• 在叶绿体中，许多圆饼状的类囊体有序叠置成基粒（ grana）。 • 该膜囊系统独立于基质，在电化学梯度的建立和ATP 的合成中起重要作用。 • 类囊体膜富含具有半乳糖的糖脂和极少的磷脂。糖脂 中的脂肪酸主要是不饱和的亚麻酸质双分子层流动性 非常大。
• 在医学上，由线粒体功能障碍引起的疾病被称为线粒 体病（mitochondrial disease）。 • 已知的人类线粒体病有100 多种，常见的有脑坏死、 心肌病、肿瘤、不育、帕金森综合征等。 • 克山病亦称地方性心肌病，因缺硒引起。硒是谷胱甘 肽过氧化物酶的一个组成成份，该酶的主要作用是还 原脂质过氧化物，清除氧自由基从而保护了细胞膜的 完整性。 • 线粒体基因突变导致的线粒体病呈单纯的母系遗传。 • 农业生产中广为利用细胞质的雄性不育 。