细胞学第9讲-叶绿体

Chapter9 chloroplast(叶绿体)一、叶绿体的形态二、结构与化学组成三、叶绿体蛋白的定位四、叶绿体的功能光合作用五、叶绿体和线粒体的半自主性六、叶绿体与线粒体的增殖和起源七、叶绿体与线粒体的比较 叶 绿 体 自养生物和异养生物 异养型生物只能从消耗的含碳食物中获得还原型的碳素营养。 光合作用就是自养型生物利用光能将碳进行还原的过程。 根据生物能否进行光合作用，分为两种:自养生物(autotrophs)：能够进行光合作用异养生物(heterotrophs)：不能进行光合作用 叶绿体的光合作用装置 叶 绿 体 叶 绿 体 (chloroplast)是 植 物 细 胞 所特 有 的 能 量 转 换 细 胞 器 ,其 主 要 功 能 是 进行 光 合 作 用 ,即 利 用 光 能 同 化 二 氧 化 碳 和水 ,生 成 糖 ,同 时 产 生 分 子 氧 。 8.1 叶 绿 体 的 形 态 叶绿体是光学显微镜下发现的第一个细胞内的结构。 叶绿体呈球形、椭圆形或卵圆形，为双凹面，有些呈棒状。 大多数高等植物的叶肉细胞含有50-200个叶绿体，占细胞质体积的40%。叶绿体数目因物种、细胞类型、生理状况而异。 7 叶 绿 体 的 形 态 结 构 叶 绿 体 与前质体、质体 质体由前质体(proplastid)发育而来，前质体由双层膜包被着未分化的基质(stroma)所组成。 叶绿体属于质体(plastid)的一种。根据质体是否含有叶绿素和功能的不同，可分为白色体(etioplast)、叶绿体和有色体(chromoplast) 。 前 质 体 、 质 体 、 叶 绿 体白色体有色体蛋白质体淀粉质体叶绿体油质体前质体 8.2 叶 绿 体 的 结 构 与 化 学 组 成 叶 绿 体 膜 (chloroplast membrane)、 叶 绿 体 被 膜 （ chloroplast envelope) 类 囊 体 (thylakoid) 基 质 (stroma) 1 11 叶 绿 体 的 结 构 8.2.1 叶 绿 体 膜 由内膜和外膜构成, 内外两膜间有10-20nm宽的间隙，称为膜间隙。叶绿体的基质中还有一种膜结构类囊体。 内膜上的蛋白大多是与糖脂与磷脂合成有关的酶类如半乳糖基转移酶等。 叶绿体膜不仅是叶绿体而且也是整个植物细胞脂合成的主要场所。 叶绿体膜的通透性外膜通透性大，许多化合物如核苷、无机磷(Pi)，蔗糖等均可自由通过。 内膜的通透性较差，在内膜上有特殊转运载体称为转运体（translocator）转运代谢物如磷酸交换载体、二羧酸交换载体、葡萄糖载体等。注意：内膜上转运蛋白的运输作用都是靠浓度梯度驱动，而非主动运输。 脂 外 膜 内 膜 类 囊 体 膜糖 脂单 半 乳 糖 二 乙 酰 甘 油 17 55 40二 半 乳 糖 二 乙 酰 甘 油 29 29 19硫 醌 二 乙 酰 甘 油 6 5 5磷 脂磷 脂 酰 甘 油 10 9 5磷 脂 酰 胆 碱 32 0 0磷 脂 酰 肌 醇 5 1 1光 吸 收 色 素叶 绿 素 0 0 20类 胡 萝 卜 素 1 1 6醌 0 0 3蛋 白 质 /脂 的 比 值 0.35 0.9 1.5 菠菜叶绿体的脂类含量P307 8.2.2 类 囊 体 (thylakoid) 叶绿体基质中由许多单位膜封闭而成的扁平小囊，称为类囊体。 它是叶绿体内部组织的基本结构单位,上面分布着许多光合作用色素，是光合作用的光反应场所。7 16 类 囊 体 的 结 构 基 粒 类 囊 体（granum thylakoid）、 堆 积 类 囊 体 (staked thylakoids) 基质类囊体（stroma thylakoid ）、 基 质 片 层 (stroma lamella)、 非 堆 积 的类 囊 体 (unstaked thylakoids)类囊体的类型8 叶 绿 体 与 线 粒 体 结 构 的 比 较 类 囊 体 膜 的 化 学 组 成 蛋 白 约 占 60% 、 脂 类 约 占 40%。 蛋 白 分 为 内 在 蛋 白 和 外 周 蛋 白 两 类 。 外 周 蛋 白 在 类 囊 体 膜 的 叶 绿 体 基 质 面 的较 多 。 内 在 蛋 白 镶 嵌 在 脂 双 层 中 ,如 质 体 兰 素 、 细 胞 色 素 等 。 类 囊 体 的 蛋 白 分 布 8.2.3 基 质 (stroma) 淀 粉 颗 粒 质 体 小 球 (plastoglobule) 脂 RuBP羧 化 酶 60 核 糖 体 DNA和 RNA基 质 是 CO2固 定 的 场 所 8.3 叶 绿 体 蛋 白 的 定 位叶绿体蛋白的来源叶绿体蛋白的运输机理 同线粒体一样，大多数蛋白质都是在细胞质中合成，然后通过导肽运输到叶绿体的不同部位。 核酮糖-1,5二磷酸羧化加氧酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase, Rubisco)的8个大亚基由叶绿体DNA编码；8个小亚基由核DNA编码。 Rubisco小亚基的前体有一条含4060 个氨基酸的导肽，负责引导小亚基进入叶绿体基质。7 一 、 由 ctDNA编 码 ,在 叶 绿 体 核 糖 体 上 合 成二 、 由 核 DNA编 码 ,在 叶 绿 体 核 糖 体 上 合 成三 、 由 核 DNA编 码 ,在 细 胞 质 核 糖 体 上 合 成 叶绿体蛋白的来源8 叶 绿 体 蛋 白 的 运 输 机 理 细 胞 质 中 合 成 的 叶 绿 体 前 体 蛋 白 含有 一 段 导 肽 ,也 称 转 运 肽 (transit peptides)。 Rubisco是定位于叶绿体基质的蛋白, 它的小亚基的运输大致分为两步:一、导肽与叶绿体的外膜受体结合；二、以翻译后运输的机制跨过叶绿体膜进入基质，导肽被金属蛋白酶水解掉。定位于叶绿体基质的蛋白转运 27 叶绿体基质蛋白的转运p312 定位于类囊体膜和腔的蛋白运输 蛋白的前体含有两个导向序列：叶绿体基质导向序列和类囊体导向序列 在叶绿体基质导向序列的牵引下，进入叶绿体基质，导肽酶将基质导向序列切除，再由类囊体导向序列引导蛋白至类囊体膜或类囊体腔。 29 定位于类囊体膜或腔的蛋白运输p313 8.4 叶绿体的主要功能光合作用（photosynthesis）8.4.1 光反应 （light reaction）8.4.2 暗反应 （dark reaction）9 光合作用反应式: 6CO2 + 6H2O+ 光 C6H12O6 + 6O2 + 化学能(674000千卡) 光合作用可分为：光反应和暗反应(light and dark reaction)。 光反应是对光的吸收，并产生氧。 暗反应涉及到CO 2的固定(从大气中摄取CO2并将CO2转变成含有还原碳的有机物)。 32 光合作用与呼吸作用的比较 8.4.1 光反应（light reaction）原初反应电子传递光合磷酸化 光反应是通过叶绿素等光合色素分子吸收、传递光能，并将光能转化为化学能，形成ATP和NADPH的过程。在此过程中水分子被光解，释放出氧。光反应包括光能的吸收、传递和转换过程，即光合作用的原初反应、电子传递、光合磷酸化。 光反应的场所是类囊体。概念10 8.4.1.1 原初反应（primary reaction）光合作用单位捕光色素(light-harvesting pigment)反应中心色素(reaction centre pigment ) 捕光色素(light-harvesting pigment)又称吸光色素(light-absorbing pigment)、 天线色素（antenna pigment）位于类囊体膜上，只具有吸收、聚集光能 和传递共振能给反应中心的作用，无光化 学活性。包括全部的叶绿素b、大部分叶绿素a，以 及胡萝卜素和叶黄素。 37 捕 光 色 素藻胆素卟啉环叶绿醇 藻红素 38 光 合 色 素 的 吸 收 光 谱 39 光合作用的作用光谱318 反应中心色素（reaction centre pigment） 由一种叶绿素a分子组成，能够接受捕光色素传递来的共振能，激发出电子并且传递给原初电子受体，同时接受原初电子供体传来的电子。 根据吸收峰可分为两种：P680光系统的中心色素P700光系统的中心色素 41 光合作用的电子产生 42原初反应光能转换成电能 电子载体电子传递链中的复合物电子传递过程 8.4.1.2 电子传递 电子载体质体醌（plastoquinone, PQ）细胞色素质体蓝素（plastocyanin，PC）铁氧还蛋白（ferredoxin）NADP+还原酶NADP+ 11 质体醌（plastoquinone, PQ） 可动的脂溶性分子，不参与光合作用复合物组成，是质子和电子载体，通过醌和醌醇循环。细胞色素 植物细胞有几个特殊的细胞色素参与光合作用的电子传递：细胞色素b6和细胞色素f，吸收波长分别是:563nm、553nm。 质体蓝素（plastocyanin，PC） 一种可动的水溶性的蛋白，不参与光合作用复合物组成，传递电子时靠Cu2+ Cu+ 的状态循环。铁氧还蛋白（ferredoxin） 含有一个氧化-还原位点，该位点有两个同硫结合的铁原子，通过Fe3+ Fe2+的循环传递电子。 NADP+还原酶 是一种含有黄素蛋白(FAD)的酶，催化电子从铁氧还蛋白传递给NADP+。NADP+ 光合作用中的最后一个电子受体，是NAD+的衍生物。NADP+接受两个电子成为还原型的NADPH。 电 子 载 体 质 体 醌 电子传递链中的复合物 PS复合物( photosystem complex, PS) PS复合物( photosystem complex, PS) 细胞色素b6/f复合物12 PS复合物捕光复合物(light-harvesting complex , LHC ) PS反应中心复 合 物 又称捕光色素-蛋白质复合物，或天线复合物（Antenna complex）。负责收集光能并传递光能至光合作用中心。捕光复合物（light-harvesting complex , LHC ） PS反应中心复合物 至少含有六个膜整合肽和几个紧密连接的脂：1. 多肽D1、D22. 色素（脂）反应中心色素P680P680+是已知最强的氧化 剂，其还原电位(1.8V)比水(0.82V)还正，因此可 以氧化水褐藻素（pheophytin，Pheo）原初电子受体几十个叶绿素a和b类胡萝卜素3. 放氧复合体四个锰原子还有细胞色素b559 光 系 统 利用光能裂解水，并将电子传递给PQB。通过水的氧化和PQB的还原在类囊体两侧建立H+梯度。光系统结构和功能 PS复合物捕光复合物( light-harvesting complex, LHC) 反应中心复合物 中心色素P700A0特殊的叶绿素a，原初电子受体A1叶绿醌（维生素K1）铁硫中心:FeSX（FX）、 FeSA（FA）、 FeSB（FB）铁氧还蛋白(Fd)铁氧还蛋白-NADP还原酶PS 反应中心复合物 光系统I的结构和功能将电子从质体蓝素传递给铁氧还蛋白。 细胞色素b6/f复合物 由四个多肽组成:细胞色素f、细胞色素b6、铁硫蛋白分子量为17kD的多肽 细胞色素b6 /f复合物的结构和功能把电子从PS 传递给PS 光合作用中的电子传递过程电子在PS中的传递从PS的P680+传递给PQ水光解释放的电子传递给P680+电子从PS向PS传递：电子从 PQH2 经由cytb6/f传递给PC。电子在PS中的传递：电子从PC经P700+ 传递给Fd，并最终传递给NADP+ 光 合 作 用 中 的电 子 传 递 链 8 . 4 . 1 . 3 光 合 磷 酸 化 (photophosphorylation) 在叶绿体进行的光合作用过程中，会产生H+电化学梯度，因而能够驱动ADP磷酸化合成ATP，这一总过程由于是光驱动的，故叫光合磷酸化。 它同线粒体的氧化磷酸化的主要差别是氧化磷酸化是由高能食物分子氧化驱动的，而光合磷酸化是由光质子驱动的。 63 光合磷酸化过程 非 循 环 式 光 合 磷 酸 化 (non-cyclic photophosphorylation) 循环式光合磷酸化( c y c l i c photophosphorylation) 光合磷酸化的类型13 光照后，激发态的叶绿素P680从水光 解中得到电子，电子传递经过两个光系统， 并在传递过程中产生H+梯度并同磷酸化相 偶联，产生ATP。 在此过程中，电子的传递是一个开放的 通道。电子的最终受体是NADP+，最终产 物有ATP、NADPH、分子氧。非循环式光合磷酸化14 非 循 环 式 光 合 磷 酸 化 67 两个光系统的协调作用 循环式光合磷酸化 光诱导的电子从PSI传递给铁氧还蛋白后不是进一步传递给NADP+，而是传递给细胞色素b/f复合物，再经由PC而流回到PSI。 此过程的产物仅为ATP，无NADPH和分子氧。 它用来调控ATP和NADPH的比值。15 69 循环式光合磷酸化 8.4.2 暗反应（dark reaction） 暗反应，又称light-independent reaction。指叶绿体利用光反应产生的NADPH和ATP的化学能，将CO2还原合成糖。CO2还原成糖的反应不需要光，故这一反应称为暗反应。 暗反应是在叶绿体基质中进行的。16 8.4.2.1 C3 途径 在 C3途 径 中 ， 由 于 反 应 的 最 初 产 物 3-磷 酸 甘 油 酸 是 三 碳 化 合 物 ,因 此 又 称 三 碳 循环 和 卡 尔 文 循 环 (Calvin cycle)。 可 分 为 三 个 阶 段 : RuBP的 羧 化 (CO2固定 )、 PGA的 还 原 和 RuBP的 再 生 。 17 卡 尔 文 循 环 CO2 + RuBP 2分子 PGARuBP的羧化RuBP羧化酶 在RuBP羧化酶的催化下，核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)与CO2 生成一个六碳化合物，随即裂解为2分子3-磷酸甘油酸 ( PGA ) 。 PGA的还原PGA + ATP磷酸甘油酸激酶BPG + ADPBPG GAP3-磷酸甘油醛脱氢酶NADPH+H+ NADP+ + Pi 还原反应是光反应和暗反应的连接点，一旦CO2被还原成3-磷酸甘油醛，光合作用的贮能过程便完成。 利 用 已 形 成 的 3-磷 酸 甘 油 醛 经 一 系列 的 相 互 转 变 最 终 再 生 成 5-磷 酸 核 酮 糖 ，然 后 在 磷 酸 核 酮 糖 激 酶 的 作 用 下 ,发 生 磷酸 化 作 用 生 成 RuBP, 再 消 耗 一 个 ATP。RuBP的再生 综上所述，三碳循环是靠光反应形成的ATP和NADPH作为能源，推动CO2的固定、还原，每循环一次只能固定一个CO2，循环6次，才能把6个CO2分子同化成一个己糖。 实际上，通过卡尔文循环将6分子CO2转变成葡萄糖通常需要消耗18分子的ATP和12分子的NADPH。 六碳糖(蔗糖)的合成发生在细胞质基质中，而淀粉的合成发生在叶绿体基质中。卡尔文循环的总结 8.4.2.2 光 呼 吸 和 C4 植物RuBP + O2H2O光呼吸：植物在光下消耗O2将RuBP转化成CO2的过程。RuBP加氧酶PGA+ 磷酸乙醇酸 78 photorespiration C4 植物与C4途径 C4植物的叶中有两种类型的细胞：叶肉细胞和维管束鞘细胞，CO2的固定发生在叶肉细胞中，而卡尔文循环系统位于维管束鞘细胞。 80 C4 plant leaf anatomy and C4 pathway C4途径PEP羧化酶NADP苹果酸脱氢酶NADP苹果酸酶叶肉细胞维管束鞘细胞PEP草酰乙酸苹果酸丙酮酸激酶 82 C4途径并不是代替Calvin循环的反应系统，也不是一种净CO2固定的路线图，它是作为CO2的收集、浓缩和转运的系统。叶肉细胞起着CO2泵的作用。C4途径19 CAM植物也是通过 PEP羧化酶固定CO2产生苹果酸，反应发生在细胞质基质中。在夜间气孔开放固定CO2，产生的苹果酸储存在液泡中；白天气孔关闭，苹果酸扩散到细胞基质中，释放出CO2，进入卡尔文循环。8.4.2.3 CAM植物 由于它们能够在非常热而干燥的沙漠环境中生存所以这些植物被称为景田科酸代谢（CAM）植物。 84 景天科酸代谢 85 C4 and CAM plant 8.5线粒体和叶绿体是半自主性细胞器而二者大部分的蛋白质是核基因编码的，有些是叶绿体、线粒体基因和核基因共同编码的。如RuBP羧化酶、 UQH2- Cytc 氧化还原酶、 Cytaa 3、Cytb/f 、NADH-CoQ 氧化还原酶、 PS和 PS 复合物等。 叶绿体和线粒体不仅有自己的DNA，还有自己的核糖体。虽然二者有自己的DNA，但是信息量有限， 只能起部分控制作用。20 双链环状 mtDNA /ctDNA大小因物种的不同而有 差异 每个线粒体大约有6个mtDNA；叶绿体 有12个ctDNAmtDNA /ctDNA形状、大小、数量 线粒体和叶绿体的蛋白质合成 线粒体编码的蛋白有：复合物中7个亚基，复合物中1个亚基复合物中3个亚基，Fo中2个亚基。 叶绿体编码的蛋白有：Rubisco的LSU、PS 的2个亚基、 PS 的 8个 亚 基 、 ATP合 酶 的 6个亚基、Cytb/f的3个亚基。 8.6线粒体和叶绿体的 增 殖 与 起 源线粒体的增殖：由原来的线粒体分裂或 出芽而来叶绿体的发育和增殖个体发育：由前质体分化而来。增殖：分裂增殖 叶绿体数量的增加主要靠幼龄叶绿体，成熟的叶绿体在正常情况下不再分裂增殖。 叶绿体与线粒体的起源内共生学说(endosymbiotic theory)非内共生学说：细胞内化学说、内生学说（internal origin theory）21 内共生学说(endosymbiotic theory) Mereschkowsky（1905年）： 叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻；Margulis（1970年）： 线粒体的祖先-原线粒体是一种革兰氏 阴性细菌；叶绿体的祖先是原核生物 蓝细菌即蓝藻。证据: 叶绿体、线粒体在分子水平上有许 多特征同原核生物相似。 92 内共生学说298 93 主要内容：真核细胞的前身是一个进化 上比较高等的好氧细菌，叶绿体和线粒 体由好氧细菌细胞质膜下陷，分离而逐 渐演变而来。 成功之处：解释了真核细胞核被膜的形 成与演化的渐进过程。内生学说（internal origin theory）