细胞生物学：第7章细胞的能量转换.ppt

随堂考试,1.经过膜泡运输的蛋白运输是如何实现的？试述其过程 2.线粒体ATP合酶位于线粒体哪里？叶绿体ATP合酶位于叶绿体哪里？ 3.半自主性细胞器指的什么？,第5章 细胞的能量转换,Chapter 5 Cellular energetics,第一节 线粒体概述,形态：粒状和棒状 大小：直径0.5-1.0 m,长1.5-3.0 m,线粒体的数量因细胞类型不同而有很大差别,一般随机均匀分布,在代谢旺盛的需能部位比较集中,线粒体在细胞质中的分布和迁移与微管有关！,线粒体的三维结构：外膜、膜间隙、内膜和基质,6nm; 比较光滑; 有孔蛋白(porin) ，较高的通透性1、线粒体外膜,孔蛋白通道是一个动态结构，可开关，可允许小于1000的物质通过 外膜上有一些特殊的酶类（肾上腺素氧化、色氨酸降解和脂肪酸链延长）厚68nm；通透性很低(0.110.15kDa不带电荷的小分子) 内膜的蛋白质/脂质很高，富含心磷脂（与离子的不可渗透性有关）,2、线粒体内膜,内膜表面不光滑：,嵴(cristae) ：扩大内膜面积，增加了内膜的代谢效率,嵴的数量与线粒体氧化活性的强弱程度有关！,无定形液体,3、膜间隙,4、线粒体基质,蛋白质,有形成分,均 质 的 胶状物质,丝状物质(环状DNA和RNA),致密颗粒状物质(含Ca2+、Mg2+或Zn2+等),三羧酸循环的有关酶类,脂肪酸氧化的有关酶类,丙酮酸氧化的有关酶类,核糖体,脂类,线粒体中各种酶的定位,第二节 线粒体的功能与氧化磷酸化,一 线粒体中的氧化代谢,第一阶段: 大分子分解为简单亚基； 第二阶段: 利用乙酰CoA, 产生有限的ATP和NADH； 穿梭途径：细胞中的NADH进入线粒体 苹果酸-天冬氨酸：生成2.5个ATP分子 甘油-3-磷酸：将电子交给FAD，1.5个ATP分子 第三阶段: 乙酰CoA完全氧化为H2O和CO2，产生大量NADH和ATP。

有氧呼吸的三个阶段,第 三 阶 段,第 二 阶 段,第 一 阶 段,能源物质的分解,三羧酸循环,电子传递与,氧化磷酸化,线粒体 内膜,线粒体 基质,线粒体,二、电子传递链(呼吸链),复合物: (NADH-Q-还原酶) (FMNFe-S6 )； 复合物: (琥珀酸-Q-还原酶) (FADFe-S)； 复合物:(QH2-细胞色素还原酶) (Fe-Sc1 )； 复合物: (细胞色素氧化酶) ( aa3-Cu2+ 1/2 O2 )电子传递链（呼吸链）：线粒体内膜上的一组酶复合体，由一系列能可逆地接受和释放电子或质子的化学物质组成，它们在内膜上有序排列成传递链三、质子转移与质子驱动力的形成,线粒体内膜上的呼吸链是质子泵，在将电子传递给氧的过程中把基质的质子泵至膜间腔 两个呼吸链： NADH呼吸链：NADH至FMN，提供2个电子和一对质子，FMNH2经Fe-S将电子传至2个泛醌（UQ），把一对质子释放到膜间腔每个UQ自细胞色素b获得1个电子，并从基质摄取一个质子成为UQH，UQH接受复合物I的一个电子，并从基质摄取一个质子成为UQH2UQH2变构移至内膜的外侧，释放一对质子到膜间腔，并将1个电子交给细胞色素b，另一个电子经Fe-S至细胞色素c1,细胞色素c1又将电子传给细胞色素c, UQ从内膜外侧回内侧。

Q循环）细胞色素c将电子经细胞色素氧化酶传递给氧，将氧还原为水 FADH呼吸链：电子供体是FADH ，直接将电子传至细胞色素还原酶，不传递质子 内膜两侧质子的浓度梯度和电化学梯度形成四、ATP的合成-氧化磷酸化,氧化磷酸化：在呼吸链上与电子传递相藕联的由ADP被磷酸化形成ATP的过程 复合物I、III和IV是藕联的3个位点由复合物V即ATP合成酶完成ATP的合成 1.ATP合酶的结构与组成 F1（藕联因子F1）： 33 具有催化ATP合成或水解的活性 与形成所谓的“转子” 便于F1和F0的连接,F0 ：嵌合在内膜上的复合物，a、b、c亚基构成质子通道的磷酸化：底物水平的磷酸化和氧化磷酸化,ATP合成酶催化ADP和Pi合成ATP的结合变构模型,认为： （）质子梯度的作用并不是用于形成，而是使从酶分子上解脱下来； （）合酶上的个亚基的氨基酸组成相同，只是构象不同，与的亲和性不同； （）通过旋转催化而形成，旋转是由质子通道所进行的跨膜运动来驱动通道的质子流引起亚基环和附着于其上的亚基在33 的中央进行旋转H+流动与ATP合成偶联的具体过程： (1)F0的a亚基Arg210是H+转运所必须的，c亚基的Asp61是H+结合位点，在梯度下， Asp61产生质子化和去质子化，这种单向的反应循环，构成合成的驱动力。

首先Arg210与Asp61产生瞬间盐桥，此时，Asp61pKa从高态转为低态；H+与c亚基Asp61结合， c亚基构象变化，引起c亚基顶部的极性环逆时针旋转300，同时与结合； （2） a亚基与c亚基解聚，Asp61重回高位pKa, H+ 从Asp61释放出来，同时c亚基与解离， 如此往复，当F0上的H+ 的转运积累到足够的扭力矩时，驱动在33中央旋转120，导致-ATP亚基释放一个ATP分子F0和旋转的验证试验,Walker等（1994）发表了牛心线粒体F1-ATP酶的结晶体结构,高等植物中：,第三节 叶绿体概述,光镜：椭圆形或梭形的绿色颗粒; 电镜：扁平的椭圆形或卵圆形,低等植物(藻类)中：,各个物种的叶绿体形状差别大,因植物种类、细胞种类和生理状态不同而差异很大,叶绿体的数目,叶绿体的大小,高等植物：平均直径为410m, 厚24m,叶绿体的分布,通常分布在细胞核周围/近细胞壁处/均匀分布,叶绿体的超微结构,叶绿体膜 由双层膜组成，膜间为1020nm的间隙 外膜含有孔蛋白，通透性大 内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O等可以透过，ADP、ATP、NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透过，需要特殊的转运体（translator）。

内膜含有转运蛋白：磷酸交换载体 二羧酸交换载体,类囊体 是膜围成的扁平囊主要成分是蛋白质和脂类（60： 40），不饱和脂肪酸含量高（约87%），膜流动性高 基粒：扁平小囊堆叠而成，每个叶绿体含4060个 基质类囊体：连接基粒的没有堆叠的类囊体 类囊体膜的内在蛋白主要有： 细胞色素b6f复合体 集光复合体（ LHC ） 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 光系统II复合物 CF0-CF1ATP合成酶,叶绿体基质 内膜与类囊体之间的空间 主要成分包括： 碳同化相关的酶类：如RuBP羧化酶占基质可溶性蛋白总量的60% 叶绿体DNA、蛋白质合成体系：如，ctDNA、各类RNA、核糖体等 一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等一、光合作用的基本过程,二、光反应,三、暗反应,光 合 作 用(photosythesis),第四节 叶绿体的功能,一、光合作用的基本过程,叶绿体中光合作用的两个反应过程图解,光反应,暗反应,叶绿体中光合作用两个反应的定位及其关系图解,ATP,NADPH,H2O,O2,(CH2O)n,二、光反应,能吸收光能, 但没有光化学活性(天线色素),有光化学活性，由一种特殊状态的叶绿素a分子组成(P700和P680),类囊体膜中光合反应中心的原初反应过程图解,（一）原初反应,光反应系统:光吸收的功能单位，有叶绿素、类胡萝卜素、脂和蛋白构成,PSII反应中心,PSI反应中心,类囊体膜,类囊体腔,质体蓝素,铁氧化还原蛋白,电化学质子梯度,光系统 II,光系统 I,NADP还原酶,B6-f复合物,质体醌,光,光,天线色素复合物,水裂解酶,基 质,类囊体膜中电子传递链组分的结构与分布图解,（二）电子传递,PSI和PSII复合物的结构图解 (a) PSI复合物: 由12个不同的多肽链亚基组成, 其中亚基A和B组成了反应中心 (自Y.P. Abrol)；,光合作用中两个光系统的电子传递途径及主要变化图解,非循环式光合磷酸化,循环式光合磷酸化,光合磷酸化：由光照所引起的电子传递和磷酸化作用相偶联而生成的过程。

三）光合磷酸化,一对电子从P680经P700传至NADP+，在类囊体腔中增加4个H+，2个来源于H2O光解，2个由PQ从基质转移而来，在基质中一个H+又被用于还原NADP+，所以类囊体腔内有较高的H+（pH5，基质pH8），形成质子动力势，H+经ATP合酶，渗入基质、推动ADP和Pi结合形成ATPATP合酶，即CF1-F0偶联因子，结构类似于线粒体ATP合酶CF1同样由5种亚基组成33的结构CF0嵌在膜中，由4种亚基构成，是质子通过类囊体膜的通道 叶绿体ATP合酶活性需要SH和Mg2+,暗反应中的C3 循环途径图解,三、暗反应,（一）暗反应的C3途径,某些植物中CO2被还原的C4 循环辅助途径,（二）暗反应的C4途径,某些植物中CO2被还原的C4 循环辅助途径,C3 循环,C4 循环,C4循环,C3 循环,气孔,线粒体环状DNA：mtDNA复制时间是G2期到细胞质分裂,第五节 线粒体和叶绿体的半自主性,生长和增殖受核基因组和自身基因组两套遗传系统的共同控制半自主性的细胞器,叶绿体类核(nucleoid)区：多个环状DNA(每套编码均相同),酵母几种主要线粒体酶复合物的生物合成,线粒体的半自主性图解,叶绿体的半自主性图解,叶绿体与线粒体的主要异同点,三、蛋白质向线粒体、叶绿体和过氧化物酶体的分选,1.线粒体蛋白的转运 蛋白质的转运涉及转位因子（translocator）等多种蛋白。

TOM复合体：负责通过外膜，进入膜间隙 TIM复合体：TIM23负责将蛋白质转运到基质；TIM22负责蛋白质插入内膜 OXA复合体：负责将线粒体合成的蛋白质插到内膜上 线粒体内、外膜之间存在着接触点，信号肽牵引蛋白质前体运送时，可通过内外膜的接触点，一步进入基质蛋白质的输入是一个耗能过程 能量来源：ATP、质子动力势 能量消耗粒体外和进入线粒体基质两步上 1. 线粒体外解除与前体蛋白质结合的分子伴娘，需要通过水解ATP获得能量 2. 通过TIM复合体进入基质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hsp70一个接一个的结合在蛋白,2. 叶绿体的蛋白质转运 叶绿体有6个区隔因此细胞质合成的蛋白质，要分别通 过这些膜和腔才能到达各自的目的地 叶绿体蛋白转运运输机理与线粒体的相似如：都发生 后转译；每一种膜上有特定的转位因子；具有接触点 （contact site）；需要能量，同样利用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 等但是两者的蛋白质转运体系中除了某些hsp分子相同 外，转位因子复合体是不同的3. 过氧化物酶体的蛋白质转运,可溶性蛋白受体识别并结合具有C短SKL（Ser-Lys-Leu)序列的蛋白运入过氧化物酶体。

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