细胞生物学 第七章 线粒体与叶绿体
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线粒体与氧化磷酸化
线粒体(mitochondrion): 是一种高度动态的细胞器, 线粒体由两层膜包被,外膜平滑,内膜向内折叠形成嵴。线粒体是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所,主要呈现颗粒或短线状形态, 能量需求集中的区域线粒体分布密集, 反之分布密度较小。线粒体有自身的DNA和遗传体系, 但线粒体基因组的基因数量有限,因此,线粒体只是一种半自主性的细胞器。
线粒体的基本形态及动态特征
线粒体形态、分布及数目
- 形态: 线型、颗粒型等
- 数量: 少则数个(或无), 多则数十万个, 成熟哺乳动物的红细胞中一般无
- 分布:新陈代谢旺盛的细胞中, 线粒体数目多。在细胞中分布不均匀, 可以在细胞中运动、变形和分裂增殖。往往在需能旺盛的部位比较集中。
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, 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。
- 线粒体融合与分裂的分子生物学基础
- 线粒体融合依赖于特定的基因和蛋白质(类似于GTPase, 在哺乳动物中, 被称为线粒体融合素)的调控;
- 线粒体的分裂同样依赖特定的基因和蛋白质来调控, 线粒体分裂必需的一类发动蛋白(dynamin)同样是一类大分子GTPase;
- 介导线粒体融合及分裂的基因均被列为发动蛋白相关蛋白基因超家族的成员。
- 线粒体融合与分裂的细胞生物学基础
- 线粒体分裂装置的主体是线粒体分裂环。
- 线粒体分裂可分为以下阶段:
- 早期: 线粒体分裂的准备阶段, 膜内陷尚未发生。
- 中期: 线粒体膜呈现环形内陷并逐渐加深。
- 后期: 线粒体膜被分断, 线粒体一分为二。
线粒体的超微结构
线粒体的结构成分
由两层单位膜套叠而成的封闭囊状结构。
- 外膜(outer membrane): 外膜中蛋白质和脂质约各占50%, 外膜上分布有孔蛋白构成的桶状通道;外膜的通透性很高;外膜的标志酶是单胺氧化酶。
- 内膜(inner membrane): 内膜有很高的蛋白质/脂质比(质量比≥3:1);内膜缺乏胆固醇, 富含心磷脂, 其组成决定了内膜的不透性;内膜的嵴上存在着呈颗粒状排列的ATP合酶;内膜的标志酶是细胞色素氧化酶。
- 基粒: 头部称F1, 基部称F0, 又称F0-F1因子或者ATP酶复合物。
- 嵴(cristae): 线粒体内膜向基质折褶形成的结构称作嵴(cristae), 嵴的形成使内膜的表面积大大增加, 为生化反应提供了场所。嵴有两种排列方式:一是片状, 另一是管状。在高等动物细胞中主要是片状的排列, 多数垂直于线粒体长轴。在原生动物和植物中常见的是管状排列。线粒体嵴的数目、形态和排列在不同种类的细胞中差别很大。一般认为需能量多的细胞,不仅线粒体多,而且线粒体嵴的数目也多。
- 膜间隙(intermembrane space): 膜间隙的宽度通常维持在6～8nm;当细胞活跃呼吸时, 膜间隙可显著扩大;膜间隙内的液态介质含有可溶性的酶、底物和辅助因子;腺苷酸激酶是膜间隙的标志酶。
- 线粒体基质(matrix): 内膜和嵴包围着的线粒体内部空间, 含有很多蛋白质和脂类,催化三羧酸循环中脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类, 也都存在于基质中。此外, 还含有线粒体DNA、线粒体核糖体、tRNAs、rRNAs以及线粒体基因表达的各种酶。基质中的标志酶是苹果酸脱氢酶。
氧化磷酸化
线粒体的功能: 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, 参与各类代谢活动。
氧化磷酸化(oxidative phosphorylation): 在有氧代谢的三羧酸循环等反应中, 脱下的氢首先与NAD或FAD结合成NADH和FADH2,经呼吸链中其他成分的传递, NAD+和FAD从氧化底物中取得的电子与O2分子结合, 提供的能量用以驱动ADP+Pi转变成为ATP的反应, 这就是氧化磷酸化作用, 即氧化与磷酸化偶联,形成高能化合物ATP。
化学渗透假说(chemiosmotic coupling hypothesis): 英国生物化学家Mitchell于1961年提出的解释释氧化磷酸化偶联机理的假说。该学说认为: 在电子传递过程中, 伴随着质子从线粒体内膜的里层向外层转移, 形成跨膜的氢离子梯度,这种势能驱动了氧化磷酸化反应(提供了动力), 合成了ATP。这一学说具有大量的实验证明, 得到公认并获得了1978年诺贝尔奖。化学渗透学说可以很好地说明线粒体内膜中电子传递、质子电化学梯度建立、ADP磷酸化的关系。
ATP合酶组成
- 亲水性头部F1
- 结构: 头部结构被称为偶联因子1(F1), 由5种类型的9个亚基组成, 组分为α3β3γεδ。α和β交替排列, 形成一个”橘瓣”状结构, β催化ATP合成或水解, γ与ε结合形成”转子”, 调节3个β亚基催化位点的开放与关闭;δ亚基为F1和F0相连接所必需的。
- 功能: 催化ATP合成, 在缺乏质子梯度情况下则呈现水解ATP的活性。
- 疏水性基部F0
- 结构: 基部结构被称为偶联因子0(F0), 嵌合于线粒体内膜, 由a、b、c 3种亚基按照ab2c10～12的比例组成跨膜的质子通道。c形成一个环状结构, a、b及F1的δ共同组成”定子”固定头部。
- 功能: 将跨膜质子驱动力转换成扭力矩, 驱动”转子”旋转。
- 作用机制:
- 质子梯度的作用并不是生成ATP, 而是使ATP从酶分子上解脱下来;
- ATP合酶上的3个β亚基的氨基酸序列是相同的, 但它们的构象却不同;
- ATP通过旋转催化而生成。通过F0”通道”的质子流引起c亚基环和附着于其上的γ亚基纵轴在α3β3的中央进行旋转。γ亚基的一次完整旋转(360°)使每一个β亚基经历3种不同的构象改变, 导致3个ATP生成并从酶表面释放。
质子驱动力
- 膜间隙与基质之间质子浓度梯度的形成与保持是线粒体合成ATP的基本前提;
- TCA循环提供的质子驱动力和高能电子是线粒体合成ATP的基本能源;
- 电子传递在线粒体能量转换中起介导作用。
电子传递链
电子传递链(electrontransport chain): 电子传递链是指一系列电子载体按对电子亲和力逐渐升高的顺序组成的电子传递系统。所有组成成分都嵌合于线粒体内膜或叶绿体类囊体膜或其他生物膜中, 而且按顺序分段组成分离的复合物, 在复合物内各载体成分的物理排列也符合电子流动的方向。其中线粒体中的电子传递链是伴随着营养物质的氧化放能, 又称呼吸链。
参与电子传递链的电子载体有5种:黄素蛋白、细胞色素, 泛醌、铁硫蛋白和铜原子。它们的共同特征是具有氧化还原作用。
电子传递复合物
- 复合物I即NADH-CoQ还原酶, 又称NADH脱氢酶。复合物I每传递1对电子伴随4个质子从基质转移到膜间隙, 是一种由电子传递释放能量驱动的质子泵。
- 复合物II即琥珀酸-CoQ还原酶, 又称琥珀酸脱氢酶。它由4种不同的蛋白质组成, 是三羧酸循环中唯一个结合在膜上的酶。复合物II功能为催化来自琥珀酸的I对电子经FAD和Fe-S传给泛配而进人呼吸链。来自琥珀酸的电子能量较低, 传递过程中不伴随质子的跨膜转移。因此复合物II催化的电子传递不伴随ATP的形成。
- 复合物III即CoQ- Cyte还原酶, 又称细胞色素还原酶或Cyt be,复合物(简称bc,)。该复合物由10条多肽组成, 含1个Cytb、1个Cytc和1个铁硫蛋白。复合物III的功能是催化电子从泛醌传给Cytc。每一对电子穿过该复合物到达Cytc时有4个H+从基质跨膜转移到膜间隙。
- 复合物IV即细胞色素氧化酶, 又称Cyt c氧化酶。哺乳动物的复合物IV总,由13条多肽链组成。复合物IV每传递1对电子从基质中摄取4个H+。其中2个H+用于水的形成, 另2个H+被跨膜转移到膜间隙。
线粒体与疾病
叶绿体与光合作用
叶绿体(chloroplast): 叶绿体是植物细胞中由双层膜围成的一种承担能量转换的动态细胞器。含有叶绿素且能进行光合作用。间质中悬浮有由膜囊构成的类囊体, 内含叶绿体DNA。
叶绿体的基本形态及动态特征
叶绿体的形态、分布及数目
形态: 椭圆形、扁半球形
分布: 绿色高等植物细胞中
数目: 通常叶肉细胞含20-200个叶绿体
叶绿体的分化与去分化
质体: 植物特有的细胞器, 包括叶绿体、有色体和白色体三类。
叶绿体的分裂
叶绿体的超微结构
叶绿体膜(chloroplast membrane): 由外膜和内膜双层单位膜组成, 中间形成膜间隙, 主要成分为蛋白质和脂类;外膜通透性大, 有孔蛋白, 很多化合物可透过, 而内膜的选择性强, 许多物质需要通过转运体的协助才能通过。
类囊体(thylakoid):在叶绿体基质中, 有许多由单位膜封闭而成的扁平小囊, 称为类囊体,多个类囊体叠置成垛, 称为基粒, 是高等植物的特有结构。所有的类囊体彼此相通大大增加膜片层的面积, 更有效地捕获光能。类囊体包括光合作用能量转换功能的全部组分。类囊体的化学组成与其他膜有明显差别, 与叶绿体光合作用的功能有关。
基质: 主要成分为: ctDNA、ct核糖体、RuBP颗粒; 其他组分: 淀粉粒、RNA、脂滴、铁蛋白等。
光合作用
光合作用(photosynthesis): 是自然界将光能转换为化学能的主要途径, 其本质可视为呼吸作用的逆过程。高等植物的光合作用由两步反应协同完成, 分别被称为光反应和固碳反应。
光反应(light reaction): 是指在类囊体膜上进行叶绿素等光合色素分子吸收、传递光能并将其转换为电能, 进而转换为活跃的化学能, 形成ATP和NADPH, 同时产生O2的一系列过程, 包括原初反应和电子传递及光合磷酸化。
原初反应(primary reaction): 是指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, 包括光能的吸收、传递和转换。
光反应包括原初反应和电子传递及光合磷酸化两个步骤, 指叶绿素等光合色素分子吸收、传递光能并其转换为电能, 进而转换为活跃的化学能, 形成ATP和NADPH,同时产生O2的一系列过程。光反应在类囊体膜上进行。
碳同化反应是光合作用过程中的固碳反应, 是指在光反应的产物, 即在ATP和NADPH的驱动下, CO2被还原成糖的反应过程, 该过程将活跃的化学能转换为稳定的化学能, 在叶绿体基质中进行, 不需要光。高等植物的碳同化有以下3条途径:
1.卡尔本循环
a.羧化阶段: CO2被NADPH还原, 羧化生成羧酸。RuBP作为CO2的受体, 生成2分子甘油酸-3-磷酸。
b.还原阶段: 甘油酸-3-磷酸还原成甘油醛-3-磷酸, 耗能, 光反应中生成的ATP和NADPH被利用。
c．RuBP再生阶段: 甘油醛-3-磷酸再形成RuBP。
d．卡尔文循环净反应: 卡尔文循环每次只固定1个CO2分子, 6次循环才能同化成1个己糖分子。
2.C4途径
a.过程: CO2在叶肉细胞中首先与磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)反应生成草酰乙酸, 草酰乙酸具有不稳定性, 迅速被还原为苹果酸, 叶肉细胞随后将苹果酸转运至维管束鞘细胞, 苹果酸被分解再次释放出CO2, 进入卡尔文循环。
b.特点: 可在低CO2浓度和高温下进行。
3.景天酸代谢(CAM)
a.过程: CAM与C4途径非常相似, 细胞中的苹果酸在白天经氧化脱羧释放CO2, 晚上进入卡尔文循环, 最后形成淀粉。
b.特点: CAM的初级固碳产物(苹果酸)合成和卡尔文循环均在叶肉细胞中进行, 不需要细胞间转移。
光合电子传递链(photosynthetic electron transfer chain): 由一系列的电子载体构成。这些电子载体包括细胞色素、黄素蛋白、醌和铁氧还蛋白等, 它们分别组装在膜蛋白复合物。
光系统(photosystem, PS): 指光合作用中光吸收的功能单位, 由叶绿素、类胡萝卜素、脂质和蛋白质组成。每一个光系统复合物含两个组分:捕光复合物和反应中心复合物。在叶绿体的类囊体膜上存在两个不同的光系统: PSII和PSI。这两个光系统具有独特而互补的功能。
光合磷酸化(photophosphorylation): 由光照所引起的电子传递与磷酸化作用相偶联而生成ATP的过程称为光合磷酸化。光合作用通过光合磷酸化形成ATP,再通过CO2同化将能量储存在有机物中。光合磷酸化类型: 非循环光合磷酸化和循环光和磷酸化。
非循环光合磷酸化(noncyclic photophosphorylation):由光能驱动的电子从H2O开始, 经PSII、Cytbf复合物和PS I最后传递给NADP+。电子传递经过两个光系统, 在电子传递过程中建立质子梯度, 驱动ATP的形成。在这个过程中, 电子被单方向传递, 故称非循环光合磷酸化。这种磷酸化途径的产物有ATP和NADPH(绿色植物)或NADH(光合细菌)。
循环光合磷酸化(cyclic photophosphorylation):电子的传递是一个闭合的回路, 故称循环光合磷酸化。循环光合磷酸化由PS I单独完成, 同时在其过程中只有ATP的产生, 不伴随NADPH的生成和O2的释放。当植物缺乏NADP+时, 启动循环光合磷酸化, 以调节ATP与NADPH的比例, 适应碳同化反应对ATP与NADPH的比例需求。
光合磷酸化与氧化磷酸化异同之处:
- 光合磷酸化和氧化磷酸化的相同之处
- ATP的形成都由H+流所驱动;
- 叶绿体的CF1因子与线粒体的F1因子都具有催化ADP和Pi形成ATP的作用;③在光合磷酸化和氧化磷酸化中都需要完整的膜。
- 光合磷酸化和氧化磷酸化的不同之处
- 叶绿体中1对电子的2次穿膜传递, 导致基质中的3个H+被摄取进人类囊体腔, 同时类囊体腔内产生4个H+。此后平均每3个H+穿过叶绿体ATP合酶驱动合成1个ATP分子。
- 而线粒体中1对在电子3次跨膜传递的过程中将5对H+由基质摄入膜间隙, 之后每2个H+穿过线粒体ATP合酶驱动1个ATP分子的合成。
线粒体和叶绿体的半自主性及其起源
线粒体和叶绿体的半自主性
半自主性细胞器(senaiautonomous organelle): 半自主性细胞器是指生长和增殖受核基因组和自身基因组两套遗传系统控制的细胞器。细胞中线粒体和叶绿体都属于半自主性细胞器, 均具有自我繁殖所必须的基本组分, 具有独立进行转录和翻译的功能, 但这二者中的大部分蛋白是由核基因编码, 在细胞质核糖体上合成, 然后转移至线粒体或叶绿体内, 对核遗传系统有很大的依赖性。
自主性体现在
- 二者都有自己的遗传系统: 线粒体和叶绿体中都含有DNA、RNA(mRNA、tRNA、rRNA), 线粒体基因组能编码合成20种蛋白, 叶绿体可以合成60多种蛋白质。
- 二者都有自己的蛋白质合成系统: 线粒体和叶绿体都有自己的核糖体(70S型), 合成自身的一部分蛋白质。
非自主性体现在
线粒体和叶绿体所需要的绝大多数蛋白质是由细胞核基因编码的, 在细胞质核糖体上合成, 再转运到线粒体和叶绿体中, 对核遗传有很大的依赖性。细胞核的功能是主要的, 一方面提供了绝大部分遗传信息, 另一方面具有关键的控制功能。
线粒体和叶绿体的起源
内共生起源学说(endosymbiosis theory): 内共生起源学说认为, 线粒体和叶绿体分别起源于原始真核细胞内共生的行有氧呼吸的细菌和行光能自养的蓝细菌。它们被原始真核细胞吞噬后, 即与宿主细胞间形成互利的共生关系。真核细胞为它们提供营养, 细菌和蓝藻为细胞提供能量和合成营养物质。在进化过程中, 这些细菌和蓝藻逐渐丢失了原有的一些特征, 关闭、丢失和转移一些基因, 逐渐演变为现在的线粒体和叶绿体。内共生起源学说很好地贴合了线粒体和叶绿体的半自主性和核质关系特征, 因而得到了广泛的认可和支持。
支持证据:
- 基因组与细菌基因组具有明显的相似性
- 具备独立、完整的蛋白质合成系统
- 分裂方式与细菌相似
- 膜的特性: 线粒体、叶绿体的内膜和外膜存在明显的性质和成分差异。
- 外膜与真核细胞的内膜系统具有性质上的相似性, 可与内质网和高尔基体膜融合沟通, 来源于宿主;
- 内膜则与细菌质膜相似, 内陷折叠形成细菌的间体、线粒体的嵴和叶绿体的类囊体。
- 其他佐证
- 线粒体的磷脂成分、呼吸类型和Cyt c的初级结构均与反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌非常接近。
- 自然界中存在的胞内共生蓝藻(蓝小体)表现出了基因片段转移等内共生形成叶绿体的行为特征。
- 遗传信息转移。分子生物学和生物信息学的研究发现真核细胞的细胞核中存在大量原本可能属于呼吸细菌或蓝细菌的遗传信息, 说明最初的呼吸细菌和蓝细菌的大部分基因组在漫长的共进化过程中向细胞核发生了转移。
非内共生学说(non-endosymbiosis theory): 该学说认为线粒体的发生是质膜内陷的结果。由T.Uzzell等于1974年提出, 认为真核细胞的前身可能是一积较大的好氧细菌。其细胞膜通过内陷、扩张和分化逐渐发展成了线粒体、叶绿体和其他细胞器, 继而细胞演化为真核细胞。
考点补充
名词补充
叶绿体(chloroplast): 叶绿体是植物细胞中由双层膜围成的一种承担能量转换的动态细胞器。含有叶绿素且能进行光合作用·间质中悬浮有由膜囊构成的类囊体, 内含叶绿体DNA。