第八章細胞的能量轉換——線粒體和葉綠體第一節線粒體與氧化磷酸化第二節葉綠體與光合作用1醫學資料本章內容摘要第一節線粒體與氧化磷酸化一、結構二、線粒體的功能三、線粒體與疾病第二節葉綠體與光合作用一、形態與結構二、光合磷酸化作用機理2醫學資料第一節線粒體與氧化磷酸化1890年R.Altaman首次發現，命名為生命小體(bioblast)。1898年vonBenda提出線粒體(mitochondrion)。1900年L.Michaelis用詹姆斯綠(JanusGreen)B染色，發現線粒體具有氧化作用。Green（1948）證實線粒體含所有三羧酸循環的酶，Kennedy和Lehninger（1949）發現脂肪酸氧化為CO2的過程是在線粒體內完成的。3醫學資料一、線粒體的結構第一節線粒體與氧化磷酸化（一）形態粒狀或桿狀。蛋白占干重的65-70%，脂類占25-30%。直徑0.5-1μm，長1.5-3.0μm，在胰臟外分泌細胞中可長達10-20μm，稱巨線粒體。肝細胞約1700個線粒體，占細胞體積的20%，許多哺乳動物成熟的紅細胞無線粒體。4醫學資料一、線粒體的結構第一節線粒體與氧化磷酸化（二）分布通常分布在細胞功能旺盛的區域。在腎細胞中靠近微血管，在精子中分布在鞭毛中區。線粒體可以向細胞功能旺盛的區域遷移，微管是其導軌、馬達蛋白提供動力。5醫學資料一、線粒體的結構第一節線粒體與氧化磷酸化（三）超微結構電鏡下有兩層單位膜套疊而成的封閉的囊狀結構.分為外膜、內膜、膜間隙和基質或內室四部分。6醫學資料Structuresofthemitochondrion7醫學資料（三）超微結構第一節線粒體與氧化磷酸化一、線粒體的結構1、外膜(outmembrane)含40%的脂類和60%的蛋白，具有孔蛋白構成的親水通道，允許分子量5KD以下的分子通過，1KD以下的分子可自由通過。標志酶為單胺氧化酶。2、內膜（innermembrane）含100種以上的多肽，蛋白質和脂類的比例高于3:1。心磷脂含量高（達20%）、缺乏膽固醇，類似于細菌質膜。通透性很低，僅允許不帶電荷的小分子物質通過。8醫學資料（三）超微結構第一節線粒體與氧化磷酸化一、線粒體的結構2、內膜（innermembrane）氧化磷酸化的電子傳遞鏈位于內膜。標志酶為細胞色素C氧化酶。內膜向線粒體內室褶入形成嵴（cristae），能擴大內膜表面積（達5-10倍），嵴有兩種：①板層狀、②管狀。嵴上覆有基粒。基粒由頭部（F1）和基部（F0）構成。

3、膜間隙(intermembranespace)：是內外膜之間的腔隙，寬約6-8nm。標志酶為腺苷酸激酶。9醫學資料（三）超微結構第一節線粒體與氧化磷酸化一、線粒體的結構4、基質（matrix）為內膜和嵴包圍的空間。含有：催化三羧酸循環，脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶類。標志酶為蘋果酸脫氫酶。線粒體DNA（mtDNA），及線粒體特有的核糖體，tRNAs

、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。纖維絲和電子密度很大的致密顆粒狀物質，內含Ca2+、Mg2+、Zn2+等離子。10醫學資料管狀嵴線粒體11醫學資料二、線粒體的功能第一節線粒體與氧化磷酸化線粒體的主要功能是進行氧化磷酸化,合成ATP,為細胞生命活動提供直接能量。線粒體是糖類,脂肪和氨基酸最終氧化釋能的場所。氧化磷酸化是細胞獲得能量的主要途徑。12醫學資料

（一）、氧化磷酸化的分子基礎第一節線粒體與氧化磷酸化動物細胞中80%的ATP來源于線粒體:糖、脂肪和氨基酸徹底氧化，電子經過一系列的傳遞，傳至氧分子，逐級釋放能量，合成ATP。13醫學資料14醫學資料

（一）、氧化磷酸化的分子基礎第一節線粒體與氧化磷酸化氧化(放能)和磷酸化(貯能)是同時進行并且密切偶聯在一起的。將線粒體用超聲波破碎,線粒體內膜碎片可自然卷成顆粒朝外的小膜泡,這種小膜泡稱為亞線粒體小泡或亞線粒體顆粒.這些亞線粒體小泡具有電子傳遞和磷酸化的功能.15醫學資料

I電子傳遞鏈(呼吸鏈)第一節線粒體與氧化磷酸化1.定義:線粒體內膜上存在有關氧化磷酸化的脂蛋白復合物,它們是傳遞電子的酶體系,由一系列可逆地接受和釋放電子或H+的化學物質組成,在內膜上相互有關連地有序排列,稱之為電子傳遞鏈或呼吸鏈。

2.分類:NADH呼吸鏈。FADH2呼吸鏈。16醫學資料

I電子傳遞鏈(呼吸鏈)第一節線粒體與氧化磷酸化3.線粒體內膜上呼吸鏈的多酶氧化還原體系的組分:(1)NAD、(2)黃素蛋白、(3)細胞色素、(4)鐵硫蛋白、(5)輔酶Q等。

(1)、NAD：即煙酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide），連接三羧酸循環和呼吸鏈，將代謝過程中脫下來的氫交給黃素蛋白。(2)、黃素蛋白：含FMN(黃素腺嘌呤單核苷酸)或FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸)的蛋白，可接受2個電子2個質子。黃素相關的脫氫酶類主要有：①以FMN為輔基的NADH脫氫酶。②以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶。17醫學資料

I電子傳遞鏈(呼吸鏈)第一節線粒體與氧化磷酸化(3)、細胞色素：分子中含有血紅素鐵，以共價形式與蛋白結合，通Fe3+、Fe2+形式變化傳遞電子，呼吸鏈中有5類，即：細胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有銅原子。(4)、鐵硫蛋白：在其分子結構中每個鐵原子和4個硫原子結合，通過Fe2+、Fe3+互變進行電子傳遞，有2Fe-2S和4Fe-4S兩種類型。18醫學資料19醫學資料

I電子傳遞鏈(呼吸鏈)第一節線粒體與氧化磷酸化(5)、輔酶Q：是脂溶性小分子量醌類化合物，通過氧化和還原傳遞電子。有3種氧化還原形式，即：氧化型醌Q，還原型氫醌（QH2）和介于兩者之者的自由基半醌（QH）。20醫學資料

I電子傳遞鏈(呼吸鏈)第一節線粒體與氧化磷酸化4、呼吸鏈的復合物:呼吸鏈組分按氧化還原電位由低向高的方向排列。Green等人將呼吸鏈拆離出4種復合物以及輔酶Q和細胞色素C。21醫學資料22醫學資料

I電子傳遞鏈(呼吸鏈)第一節線粒體與氧化磷酸化(1)、復合物I：NADH—CoQ還原酶,又稱NADH脫氫酶。組成：25條以上肽鏈組成，呈L型，含一個FMN和至少6個鐵硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚體形式存在。作用：催化NADH的2個電子傳遞至輔酶Q，同時將1對質子由線粒體基質（M側）轉移至膜間隙（C側）。復合物I既是電子傳遞體又是質子移位體NADH→FMN→Fe-S→QNADH+5H+M+Q→NAD++QH2+4H+C23醫學資料

I電子傳遞鏈(呼吸鏈)第一節線粒體與氧化磷酸化(2)復合物II：琥珀酸—CoQ還原酶,又稱琥珀酸脫氫酶組成：至少由4條肽鏈，含有一個FAD，2個鐵硫蛋白,1個細胞色素b。作用：催化電子從琥珀酸通過FAD和鐵硫蛋白傳給輔酶Q，但不轉移質子。琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。琥珀酸+Q→延胡索酸+QH224醫學資料

I電子傳遞鏈(呼吸鏈)第一節線粒體與氧化磷酸化(3)、復合物III：CoQ—細胞色素c還原酶。組成：至少10條不同肽鏈，以二聚體形式存在，每個單體包含兩個細胞色素b（b562、b566）、一個鐵硫蛋白和一個細胞色素c1

。作用：催化電子從輔酶Q傳給細胞色素c，每轉移一對電子，同時將1對質子由線粒體基質泵至膜間隙。復合物III既是電子傳遞體又是質子移位體2還原態cytc1+QH2+2H+M→2氧化態cytc1+Q+4H+C25醫學資料

I電子傳遞鏈(呼吸鏈)第一節線粒體與氧化磷酸化(4)、復合物IV：細胞色素氧化酶組成：為二聚體，每個單體含至少13條肽鏈，每個單體含有細胞色素a和a3

及2個銅原子(CUA,CUB)。作用：將從細胞色素c接受的電子傳給氧，每轉移一對電子，在基質側消耗2個質子，同時轉移2個質子至膜間隙。復合物IV既是電子傳遞體又是質子移位體cytc→CUA→hemea→a3-CUB→O24還原態cytc+8H+M+O2→4氧化態cytc+4H+C+2H2O26醫學資料

I電子傳遞鏈(呼吸鏈)第一節線粒體與氧化磷酸化5、兩條主要的呼吸鏈①由復合物I、III、IV組成NADH呼吸鏈

，催化NADH的脫氫氧化。②由復合物II、III、IV組成FADH2呼吸鏈，催化琥珀酸的脫氫氧化。對應于每個復合物Ⅰ，大約需要3個復合物Ⅲ，7個復合物Ⅳ，任何兩個復合物之間沒有穩定的連接結構，而是由輔酶Q和細胞色素c這樣的可擴散性分子連接。27醫學資料TransportofelectronsfromNADH28醫學資料TransportofelectronsfromFADH229醫學資料兩條呼吸鏈魚藤酮、阿米妥抗霉素ACN—、CO30醫學資料

II氧化磷酸化與電子傳遞的偶聯第一節線粒體與氧化磷酸化氧化還原的本質是電子的轉移。氫原子的轉移其本質也是電子轉移,H原子可分解為H+和e-

。氧化磷酸化:當電子從NADH或FADH2傳遞給氧形成水時,同時伴有ADP磷酸化形成ATP的過程即為氧化磷酸化。NADH呼吸鏈生成ATP的3個部位:(1)NADH

至輔酶Q;(2)細胞色素b至細胞色素c;(3)細胞色素aa3至氧之間。31醫學資料氧化磷酸化的偶聯機制第一節線粒體與氧化磷酸化各種假說:化學偶聯假說,構象偶聯假說,化學滲透假說。實驗證明:偶聯機制在生化上來說是向量的,在功能上來說是滲透的。化學滲透假說已成為氧化磷酸化機制研究中最為流行的一種假說。32醫學資料化學滲透假說第一節線粒體與氧化磷酸化P.Mitchell（1961）提出“化學滲透假說”。認為：呼吸鏈組分及ATP酶在線粒體內膜上呈不對稱分布。電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量將質子從內膜基質側（M側）泵至膜間隙（C側），形成質子動力勢（△P）?！鱌=Ψ-(2.3RT/F)△pH

其中：△pH=pH梯度，Ψ=電位梯度，T=絕對溫度，R=氣體常數，F為法拉第常數，當溫度為25℃時△P的值為220mV左右。在這個梯度驅動下,H+穿過內膜上的ATP合成酶流回到基質,其能量促使ADP和Pi合成ATP。33醫學資料ChemiosmoticTheory34醫學資料

IIIATP合酶（ATPsynthetase）第一節線粒體與氧化磷酸化是生物體能量轉換的核心酶。分別位于線粒體內膜,類囊體膜或質膜上,參與氧化磷酸化和光合磷酸化,在跨膜質子動力勢的作用下催化合成ATP。ATP合成酶是線粒體氧化磷酸化和葉綠體光合磷酸化偶聯的關鍵裝置,也是合成能源物質ATP的關鍵裝置。35醫學資料

IIIATP合酶（ATPsynthetase）第一節線粒體與氧化磷酸化狀如蘑菇，屬F型質子泵。分為球形的F1（頭部）和嵌入膜中的F0（基部）。F1由5種多肽組成α3β3γδε復合體，具有三個ATP合成的催化位點（每個β亞基具有一個）。F0由三種多肽組成ab2c12復合體，嵌入內膜，12個c亞基組成一個環形結構，具有質子通道。F0的一個亞基可結合寡霉素,通過該亞基可調節通過F0的H+流,如當質子動力勢很小時,它可防止ATP水解;又可起到保護自身和抵抗外界環境變化的作用.36醫學資料ATP合酶37醫學資料

ATP合酶的作用機制第一節線粒體與氧化磷酸化1979年代BoyerP提出構象耦聯假說(結合變構機制)。其要點如下:1．ATP酶利用質子動力勢，發生構象改變，改變與底物的親和力，催化ADP與Pi形成ATP。2．F1具有三個催化位點，但在特定的時間，三個催化位點的構象不同（L、T、O），與核苷酸的親和力不同。3．質子通過F0時，引起c亞基構成的環旋轉，從而帶動γ亞基旋轉，由于γ亞基的端部是高度不對稱的，它的旋轉引起β亞基3個催化位點構象的周期性變化（L、T、O），不斷將ADP和Pi加合在一起，形成ATP38醫學資料39醫學資料（二）、氧化磷酸化抑制劑第一節線粒體與氧化磷酸化1．電子傳遞抑制劑抑制NADH→CoQ的電子傳遞。阿米妥、魚藤酮。抑制復合物III。抗霉素A。抑制復合物IV。如：CO、CN、NaN3、H2S。電子傳遞抑制劑可用來研究呼吸鏈各組分的排列順序，當呼吸鏈某一特定部位被抑制后，底物一側均為還原狀態，氧一側均為氧化態，可用分光光度計檢測。40醫學資料（二）、氧化磷酸化抑制劑第一節線粒體與氧化磷酸化2．磷酸化抑制劑與F0結合結合，阻斷H+通道。如：寡霉素。3．解偶聯劑（uncoupler）解偶聯蛋白(uncouplingproteins,UCPs)：位于動物棕色脂肪組織和肌肉線粒體，與維持體溫有關。質子載體：質子通道：增溫素（thermogenin）。其它離子載體：如纈氨霉素。某些藥物：如過量的阿斯匹林。41醫學資料

三、線粒體與疾病第一節線粒體與氧化磷酸化1．線粒體與人的疾病,衰老和細胞調亡有關,線粒體的異常會影響整個細胞的正常功能,從而導致病變。2．硒對線粒體膜有穩定作用,患者缺硒而導致心肌線粒體出現膨脹,嵴稀少和不完整;琥珀酸脫氫酶,細胞色素氧化酶和ATP合成酶活性及其對寡霉素的敏感性都有明顯降低;膜電位下降,膜流動性減低;對電子傳遞和氧化磷酸化偶聯均有明顯影響.3.克山病就是一種心肌線粒體病.患者線粒體硒含量明顯降低.42醫學資料第二節葉綠體與光合作用綠色植物通過葉綠體（Chloroplast）完成能量轉換，利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同時產生氧。綠色植物年產干物質達1014公斤。光合作用是地球上有機體生存和發展的根本源泉。43醫學資料44醫學資料一、葉綠體形態與結構第二節葉綠體與光合作用植物細胞與動物細胞的一個重要差別,是它具有自己獨特的質體細胞器。質體分為:葉綠體,有色體和白色體。45醫學資料一、葉綠體形態與結構第二節葉綠體與光合作用1.形態:象雙凸或平凸透鏡，長徑5-10um，短徑2-4um，厚2-3um。葉肉細胞一般含50-200個葉綠體，占細胞質的40%。2.結構:由葉綠體膜或稱葉綠體被膜（chloroplastmembrane）、類囊體（thylakoid）和基質（stroma）3部分組成。含有3種不同的膜：外膜、內膜、類囊體膜，3種彼此分開的腔：膜間隙、基質和類囊體腔。46醫學資料葉脈葉綠體葉肉細胞氣孔葉綠體結構葉綠體基粒基質類囊體類囊體間隙內膜間隙內膜外膜基?；|47醫學資料Chloroplast48醫學資料

(一)、葉綠體膜或稱葉綠體被膜第二節葉綠體與光合作用雙層單位膜組成，每層膜厚約6-8nm,膜間為10-20nm的間隙。外膜的滲透性大。內膜對通過物質的選擇性很強，是細胞質和葉綠體基質間的功能屏障.CO2、O2、Pi、H2O、等可以透過內膜，ADP、ATP、NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透過內膜，需要特殊的轉運體（translator）才能通過內膜。49醫學資料

(二)、類囊體第二節葉綠體與光合作用是膜圍成的扁平囊。主要成分是蛋白質和脂類（60：40），不飽含脂肪酸含量高（約87%），膜流動性高。基粒：扁平小囊堆疊而成，每個葉綠體含40-60個?；|類囊體：連接基粒的沒有堆疊的類囊體。類囊體膜上顆粒組分:捕光色素(天線色素),兩個光反應中心,各種電子載體,合成ATP的系統和從水中抽取電子的系統等.膜的內在蛋白主要有：細胞色素b6／f復合體、集光復合體（LHC）、質體醌（PQ）、質體藍素（PC）、鐵氧化還原蛋白（FD）、黃素蛋白、光系統I、II復合物等。50醫學資料膜的內在蛋白基粒類囊體末端基粒膜分隔ATP合成酶PIPII細胞色素bf類囊體膜的圖解51醫學資料

(三)、基質第二節葉綠體與光合作用是內膜與類囊體之間的空間。主要成分包括：碳同化相關的酶類：如RuBP羧化酶占基質可溶性蛋白總量的60%。葉綠體DNA、蛋白質合成體系：如，cpDNA、各類RNA、核糖體等。一些顆粒成分：如淀粉粒、質體小球和植物鐵蛋白等。52醫學資料

二、葉綠體的主要功能——光合作用第二節葉綠體與光合作用基本概念1.光合作用(photosynthesis):綠色植物葉肉細胞的葉綠體吸收光能,利用水和二氧化碳合成糖類等有機化合物,同時放出氧的過程。2.光合作用的過程:①原初反應;②電子傳遞和光合磷酸化;③碳同化。53醫學資料

二、葉綠體的主要功能——光合作用第二節葉綠體與光合作用基本概念3.光反應:包括①原初反應;②電子傳遞和光合磷酸化兩步.它是在類囊體膜上由光引起的光化學反應,通過葉綠素等光合色素分子吸收,傳遞光能,并將光能轉變為電能,進而轉換為活躍的化學能,形成ATP和NADPH的過程.4.暗反應:在葉綠體基質中進行的不需光(也可在光下)的酶促化學反應,利用光反應產生的ATP和NADPH,使CO2還原為糖類等有機物,即將活躍的化學能最后轉換為穩定的化學能,積存于有機物中.54醫學資料

(一)、光合磷酸化第二節葉綠體與光合作用二、葉綠體的主要功能—光合作用首先光能轉化成電能，經電子傳遞產生ATP以及NADPH形式的不穩定化學能，最終轉化成穩定的化學能儲存在糖類化合物中。分為光反應和暗反應，前者需要光，涉及水的光解和光合磷酸化。后者不需要光，涉及CO2的固定，分為C3和C4兩類。55醫學資料

(一)、光合磷酸化第二節葉綠體與光合作用二、葉綠體的主要功能—光合作用分成兩大階段:I.原初反應。II.電子傳遞。III.光合磷酸化。IV.光合碳同化。光反應暗反應56醫學資料

I.原初反應和光合系統第二節葉綠體與光合作用二、葉綠體的主要功能—光合作用1．原初反應:就是捕獲吸收光能并形成高能電子的反應。具體而言,是指葉綠素分子從被光激發至引起第一個光化學反應為止的過程,包括光能的吸收,傳遞與轉換,即光能被捕光分子吸收,并傳遞至反應中心,在反應中心發生最初的光化學反應,使電荷分離從而將光能轉換為電能的過程.。57醫學資料

I.原初反應和光合系統第二節葉綠體與光合作用二、葉綠體的主要功能—光合作用2．光合系統:2.1吸收光能的主要分子是葉綠素(a和b)。另一類色素分子是類胡蘿卜素(胡蘿卜素和葉黃素)。2.2色素分子按其作用可分為兩類:一類是捕光色素或稱天線色素;另一類屬反應中心色素。58醫學資料

I.原初反應和光合系統第二節葉綠體與光合作用二、葉綠體的主要功能—光合作用2