细胞生物学-细胞的能量转换器课件

第六章第六章 细胞的能量转换细胞的能量转换 线粒体和叶绿线粒体和叶绿体体线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。线粒体和叶绿体是细胞内的两种产能细胞器。线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化叶绿体与光合作用叶绿体与光合作用线粒体和叶绿体是半自主性细胞器线粒体和叶绿体是半自主性细胞器线粒体和叶绿体的增殖与起源线粒体和叶绿体的增殖与起源第一节第一节 线粒体与氧化磷酸化线粒体与氧化磷酸化线粒体的形态结构线粒体的形态结构线粒体的化学组成及酶的定位线粒体的化学组成及酶的定位氧化磷酸化氧化磷酸化一、线粒体的形态结构一、线粒体的形态结构1.1 1.1 线粒体的发现与功能研究线粒体的发现与功能研究 1890年年R.Altaman首次动物细胞内发现线粒体，命名为首次动物细胞内发现线粒体，命名为bioblast。1897年年Benda首次将这种颗粒命名为首次将这种颗粒命名为mitochondrion。1900年年L.Michaelis用用JanusGreenB对对线线粒粒体体进进行行活活体体染染色色，发发现现线线粒体中可进行氧化粒体中可进行氧化-还原反应。还原反应。1948年，年，Green证实线粒体含所有三羧酸循环的酶证实线粒体含所有三羧酸循环的酶1943-19501943-1950年年，Kennedy和和Lehninger发发现现线线粒粒体体内内完完成成的的，脂脂肪肪酸酸氧氧化化、氧化磷酸化。氧化磷酸化。在在Hatefi等（等（1976）纯化了呼吸链四个独立的复合体。）纯化了呼吸链四个独立的复合体。Mitchell（19611980）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。1994年年，Boyer因因提提出出ATP合合成成酶酶的的结结合合变变化化和和旋旋转转催催化化机机制制获获得得诺诺贝贝尔化学奖尔化学奖1.2 1.2 线粒体的形态结构线粒体的形态结构 线粒体的形态、大小、数量与分布线粒体的形态、大小、数量与分布 线粒体一般呈粒状或杆状，但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、线状、分杈状或其它形状。数目一般数百到数千个，线粒体通常分布在细胞功能旺盛的区域。线粒体的线粒体的超微结构超微结构 外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性较高。内膜（inner membrane）：高度不通透性，向内折叠形成嵴（cristae），嵴能显著扩大内膜表面积（达510倍）。含有与能量转换相关的蛋白（执行氧化反应的电子传递链酶系、ATP合成酶、线粒体内膜转运蛋白）。膜间隙（intermembrane space）：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。基质（matrix）：含三羧酸循环、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA,RNA，核糖体。图7-3肌细胞和精子的尾部聚集较多的线粒体，以提供能量图7-4线粒体包围着脂肪滴，内有大量要被氧化的脂肪图7-1线粒体的TEM照片内膜向线粒体基质褶入形成嵴（内膜向线粒体基质褶入形成嵴（cristae），），嵴能显著扩大内膜表面积（达510倍），嵴有两种类型：嵴有两种类型：板层状（图板层状（图7-1）、）、管状（图管状（图7-3），），但多呈板层状。图7-3管状嵴线粒体嵴上覆有基粒（嵴上覆有基粒（elementaryparticle），基粒由头部（），基粒由头部（F1偶联因子）和基偶联因子）和基部（部（F0偶联因子）构成，偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。嵌入线粒体内膜。图7-1线粒体的TEM照片二、线粒体的化学组成及酶的定位二、线粒体的化学组成及酶的定位线粒体的化学组成线粒体的化学组成：蛋白质蛋白质(线粒体干重的6570)。线粒体的蛋白质分为可溶性和不溶性的。可溶性的蛋白质主要是基质的酶和膜的外周蛋白；不溶性的蛋白质构成膜的本体，其中一部分是镶嵌蛋白，也有一些是酶蛋白。脂类脂类(线粒体干重的2530)：磷脂占磷脂占3/43/4以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。以上，外膜主要是卵磷脂，内膜主要是心磷脂。线粒体脂类和蛋白质的比值线粒体脂类和蛋白质的比值:0.3:1（内膜）；（内膜）；1:1（外膜）（外膜）线粒体酶的定位：线粒体酶的定位：线粒体主要酶的分布线粒体膜通透性线粒体膜通透性*很早就认识到线粒体的膜具有半透性，通过对半透性的研究导致线粒体各组很早就认识到线粒体的膜具有半透性，通过对半透性的研究导致线粒体各组分分离方法的建立。分分离方法的建立。线粒体通透性研究线粒体通透性研究 将线粒体放在将线粒体放在100 mM100 mM蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进蔗糖溶液中，蔗糖穿过外膜进入线粒体的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线粒入线粒体的膜间间隙；然后将线粒体取出测定线粒体内部蔗糖的平均浓度，结果只有体内部蔗糖的平均浓度，结果只有50 mM50 mM，比环境比环境中蔗糖的浓度低。中蔗糖的浓度低。线粒体外膜对蔗糖是通透的，而线粒体外膜对蔗糖是通透的，而内膜对蔗糖是不通透的内膜对蔗糖是不通透的(图图7-7)7-7)。左:将线粒体置于含有100 mM的蔗糖溶液中;中:蔗糖穿过线粒体外膜，达到平衡;右:将线粒体从蔗糖溶液中取出，测定线粒体中蔗糖的浓度。如果测得线粒体的蔗糖平均浓度是50 mM，就可以推测:100mM的蔗糖仅仅穿过了线粒体外膜，而线粒体中有一半流动的液体在线粒体基质，由于内膜对蔗糖不通透，所以测得的线粒体平均浓度只有50 mM。线粒体各组分的分离线粒体各组分的分离 图7-8线粒体组分的分离首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜首先将线粒体置于低渗溶液中使外膜破裂，此时线粒体内膜和基质破裂，此时线粒体内膜和基质(线粒线粒体质体质)仍结合在一起，通过离心可将仍结合在一起，通过离心可将线粒体质分离。用去垢剂毛地黄皂苷线粒体质分离。用去垢剂毛地黄皂苷处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释处理线粒体质，破坏线粒体内膜，释放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合放线粒体基质，破裂的内膜重新闭合形成小泡，其表面有形成小泡，其表面有F1颗粒。颗粒。由于线粒体外膜的通透性比内膜高，利用这一性质，DonalParsons和他的同事最先建立了分离线粒体内膜、外膜及其他组分的方法(图7-8)，线粒体的功能：线粒体的功能：氧化磷酸化、细胞凋亡、细胞的信号转导、电解质稳态平衡调控、钙的稳态调控 进行氧化磷酸化，合成进行氧化磷酸化，合成ATPATP，为细胞生命活动提供直接能量，为细胞生命活动提供直接能量是线粒体的主要功能。是线粒体的主要功能。什么是氧化磷酸化：什么是氧化磷酸化：当电子从NADH或FADH2经呼吸链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化氧化磷酸化。什么是呼吸链：什么是呼吸链：在线粒体内膜上存在有关氧化磷酸化的脂蛋白复合物，它们是传递电子的酶体系，由一系列可逆地接受和释放电子或H+的化学物质组成，在内膜上相互关联地有序排列，称为电子传递链（电子传递链（electron-transportchain）或呼吸链（呼吸链（respiratorychain）。）。三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化（一）氧化磷酸化的分子基础（一）氧化磷酸化的分子基础电子载体电子载体呼吸链电子载体主要有：呼吸链电子载体主要有：黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、辅酶蛋白、辅酶Q Q等。等。1.1.NADNAD即烟酰胺嘌呤二核苷酸（即烟酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide，图，图7-4），是体），是体内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环内很多脱氢酶的辅酶，连接三羧酸循环和呼吸链，和呼吸链，其功能是将代谢过程中脱下其功能是将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白来的氢交给黄素蛋白。图7-4NAD的结构和功能（NAD：RH，NADP：RPO3H2）2.2.黄素蛋白：黄素蛋白：含含FMN（图（图7-5）或）或FAD（图（图7-6）的蛋白质，每个）的蛋白质，每个FMN或或FAD可接受可接受2个个电子电子2个质子。个质子。呼吸链上具有呼吸链上具有FMN为辅基的为辅基的NADH脱氢酶，以脱氢酶，以FAD为辅基的为辅基的琥珀酸脱氢酶。琥珀酸脱氢酶。图7-5FMN(flavinadeninemononucleotide)的分子结构图7-6FAD(flavinadeninedinucleotide)的分子结构3.3.细胞色素细胞色素 分子中含有血红素铁（图分子中含有血红素铁（图7-7），以共价形式与蛋白结合，），以共价形式与蛋白结合，通通Fe3+、Fe2+形式变化形式变化传递电子传递电子，呼吸链中有，呼吸链中有5类，即：类，即：细胞色素细胞色素a、a3、b、c、c1，其中，其中a、a3含有铜原含有铜原子子。图7-7血红素c的结构4.4.铁硫蛋白：铁硫蛋白：在其分子结构中在其分子结构中每个铁原子和每个铁原子和4个硫原子结合个硫原子结合，通过，通过Fe2+、Fe3+互变进行互变进行电子传递，有电子传递，有2Fe-2S和和4Fe-4S两种类型（图两种类型（图7-8）。）。图7-8铁硫蛋白的结构（引自Lodish等1999）5.5.辅酶辅酶Q Q：是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子（图是脂溶性小分子量的醌类化合物，通过氧化和还原传递电子（图7-9）。有）。有3种氧化还种氧化还原形式即原形式即氧化型醌氧化型醌Q，还原型氢醌（，还原型氢醌（QH2）和介于两者之者的自由基半醌（）和介于两者之者的自由基半醌（QH）。）。图7-9辅酶Q（二）呼吸链的复合物（二）呼吸链的复合物利用利用脱氧胆酸（脱氧胆酸（deoxycholatedeoxycholate，一种离子型去污剂，一种离子型去污剂）处理线粒体内膜、分）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的离出呼吸链的4 4种复合物，即种复合物，即复合物复合物、和和，辅酶，辅酶Q Q和细胞色素和细胞色素C C不不属于任何一种复合物。辅酶属于任何一种复合物。辅酶Q Q溶于内膜、细胞色素溶于内膜、细胞色素C C位于线粒体内膜的位于线粒体内膜的C C侧，侧，属于膜的外周蛋白。属于膜的外周蛋白。1 1、复合物、复合物 即即NADH脱氢酶脱氢酶，哺乳动物的复合物由42条肽链组成，呈L型，含有一个FMN和至少6个铁硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚体形式存在二聚体形式存在，其作用是其作用是催化催化NADH的的2个电子传递至辅酶个电子传递至辅酶Q，同时将，同时将4个质子由线粒体基质（个质子由线粒体基质（M侧）侧）转移至膜间隙（转移至膜间隙（C侧）。侧）。电子传递的方向为：NADHFMNFe-SQ，总的反应结果为：NADH+5H+（M）+QNAD+QH2+4H+（C）2 2、复合物、复合物 即琥珀酸脱氢酶即琥珀酸脱氢酶，至少由4条肽链组成，含有一个FAD，2个铁硫蛋白，其作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶作用是催化电子从琥珀酸转至辅酶Q，但不转移质子，但不转移质子。电子传递的方向为：琥珀酸FADFe-SQ。反应结果为：琥珀酸琥珀酸+Q延胡索酸延胡索酸+QH23 3、复合物、复合物 即细胞色素即细胞色素c还原酶还原酶，由至少11条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。其作用是催化电子从辅酶其作用是催化电子从辅酶Q传给细胞色素传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙个质子由线粒体基质泵至膜间隙（2个来自UQ，2个来自基质跨膜）。总的反应结果为：2还原态还原态cytc1+QH2+2H+（M）2氧化态氧化态cytc1+Q+4H+（C）复合物复合物的电子传递比较复杂，的电子传递比较复杂，和和“Q Q循环循环”有关有关（图（图7-107-10）。辅酶）。辅酶Q Q能在能在膜中自由扩散，在膜中自由扩散，在内膜内膜C C侧侧，还原型辅酶还原型辅酶Q Q（氢醌）（氢醌）将一个电子交给将一个电子交给Fe-SFe-S细胞色素细胞色素c1c1细胞色素细胞色素c c，被氧化为半醌，并将一个质子释放到膜间隙，半，被氧化为半醌，并将一个质子释放到膜间隙，半醌将电子交给细胞色素醌将电子交给细胞色素b566b562b566b562，释放另外一个质子到膜间隙。，释放另外一个质子到膜间隙。细胞色细胞色素素b566b566得到的电子为循环电子，传递路线为：半醌得到的电子为循环电子，传递路线为：半醌b566b562b566b562辅酶辅酶Q Q。在内膜在内膜M M侧，辅酶侧，辅酶Q Q可被复合体可被复合体（复合体（复合体）或细胞色素）或细胞色素b562b562还原为氢醌。还原为氢醌。一对电子由辅酶一对电子由辅酶Q Q到复合物到复合物的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜的电子传递过程中，共有四个质子被转移到膜间隙，其中两个质子是辅酶间隙，其中两个质子是辅酶Q Q转移的。转移的。Qcycle组成：即细胞色素组成：即细胞色素c氧化酶氧化酶,二聚体，每个单体至少二聚体，每个单体至少13条肽链。分为三条肽链。分为三个亚单位：个亚单位：亚单位亚单位I（subunitI）：）：包含两个血红素（包含两个血红素（a1、a3）和一）和一个铜离子个铜离子(Cu2+)，血红素，血红素a3和和Cu2+形成双核的形成双核的Fe-Cu中心。中心。亚单位亚单位（subunit），），包含两个铜离子包含两个铜离子(CuA)构成的双核中心，其结构构成的双核中心，其结构与与2Fe-2S相似。相似。亚单位亚单位（subunit）的功能尚不了解。的功能尚不了解。作用：将从细胞色素作用：将从细胞色素c接受的电子传给氧，每转移一对电子，在接受的电子传给氧，每转移一对电子，在M侧侧消耗消耗2个质子，同时转移个质子，同时转移2个质子至个质子至C侧。侧。电子传递的路线为电子传递的路线为:cytcCuAhemeaa3-CuBO24还原态还原态cytc+8H+M+O24氧化态氧化态cytc+4H+C+2H2O4.4.复合物复合物IVIV：细胞色素：细胞色素c c氧化酶氧化酶wzf:细胞色素C是内膜的外周蛋白。wzf:CoQ和细胞色素C是呼吸链中可移动的递氢体，不是复合物中的组成成分。wzf:氧化型CoQ趋向于内膜的基质侧，还原型CoQ趋向于内膜的间隙侧。(三）两条主要的呼吸链三）两条主要的呼吸链 复合物复合物I-III-IV组成，催化组成，催化NADH的脱氢氧化。的脱氢氧化。复合物复合物II-III-IV组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。对应于每个复合物对应于每个复合物，约需，约需3个复合物个复合物，7个复合物个复合物，两个复合物，两个复合物之间由辅酶之间由辅酶Q或细胞色素或细胞色素c这样的可扩散性分子连接。这样的可扩散性分子连接。呼吸链各组分的排列是高度有序的使电子按氧化还原电位从低向高传递，呼吸链中有三个部位有较大的自由能变化，足以使ADP与无机磷结合形成ATP。部位在NADH至CoQ之间。部位在细胞色素b和细胞色素c之间。部位在细胞色素a和氧之间。NADHFMN Fe-SFADFe-S琥珀酸Cytb Fe-S Cytc1Cytaa3CoQCytcADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP呼吸链组分按氧化还原电位由低到高排列（四）（四）ATPATP合成酶合成酶(磷酸化的分子基础磷酸化的分子基础)分子结构分子结构基粒（elementaryparticle），基粒由头部（F1偶联因子）和基部（F偶联因子）构成，F0嵌入线粒体内膜。F1由5种多肽组成33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个亚基具有一个）。和单位交替排列，状如桔瓣。贯穿复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，帮助与F0结合。与F0的两个b亚基形成固定复合体的结构（相当于发电机的定子）。F0由三种多肽组成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,可使质子由膜间隙流回基质。工作特点工作特点：可逆性复合酶，即既能利用质子电化学梯度储存的能量合成ATP,又能水解ATP将质子从基质泵到膜间隙。ATPsynthase氧化磷酸化的偶联机制氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说化学渗透假说 化学渗透假说化学渗透假说内容：内容：当电子沿呼吸链传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧（M侧）泵至膜间隙（胞质侧或C侧），由于线粒体内膜对离子是高度不通透的，从而使膜间隙的质子浓度高于基质，在内膜的两侧形成pH梯度（pH）及电位梯度（），两者共同构成电化学梯度（图7-9），即质子动力势质子动力势（proton-motiveforce,P）。质子沿电化学梯度穿过内膜上的ATP酶复合物流回基质，使ATP酶的构象发生改变，将ADP和Pi合成ATP。电化学梯度中蕴藏的能量储存到ATP高能磷酸键。氧化磷酸化过程实际上是能量转换过程，即有机分子中储藏的能量高能电子质子动力势ATP构象耦联假说：1ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP与Pi形成ATP。2F1具有三个催化位点。L构象（loose），ADP、Pi与酶疏松结合在一起；T构象（tight），底物（ADP、Pi）与酶紧密结合在一起；O构象（open），ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。3质子通过F0时，引起c亚基构成的旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。ATPATP合成机制合成机制构象耦联假说构象耦联假说(Boyer 1979)对构象耦联假说的证明：1994年，Walker发表了牛心线粒体F1-ATP酶的晶体结构日本的吉田（MassasukeYoshida）等人将33固定在玻片上，在亚基的顶端连接荧光标记的肌动蛋白纤维，在含有ATP的溶液中温育时，在显微镜下可观察到亚基带动肌动蛋白纤维旋转（图7-15）。第二节第二节 叶绿体与光合作用叶绿体与光合作用叶绿体(Chloroplast)的形态结构叶绿体的功能光合作用(photosynthesis)一、叶绿体一、叶绿体(Chloroplast)的形态结构的形态结构形态、数目：在高等植物中叶绿体象双凸或平凸透镜，叶肉细胞一般含50200个叶绿体，可占细胞质的40%，叶绿体的数目因物种细胞类型，生态环境，生理状态而有所不同。叶绿体与线粒体 形态结构比较叶绿体超微结构叶绿体超微结构外被（外被（chloroplastenvelope）叶绿体外被由双层膜组成，膜间为1020nm的膜间隙。外膜的渗透性大，如核苷、无机磷、蔗糖等许多细胞质中的营养分子可自由进入膜间隙。内膜对通过物质的选择性很强，CO2、O2、Pi、H2O、磷酸甘油酸、丙糖磷酸，双羧酸和双羧酸氨基酸可以透过内膜，ADP、ATP已糖磷酸，葡萄糖及果糖等透过内膜较慢。蔗糖，NADP+及焦磷酸等不能透过内膜，需要特殊的转运体translator）才能通过内膜。类囊体（类囊体（thylakoid）是单层膜围成的扁平小囊，沿叶绿体的长轴平行排列。膜上含有光合色素和电子传递链组分，又称光合膜光合膜。许多类囊体象圆盘一样叠在一起，称为基粒基粒，组成基粒的类囊体，叫做基粒类囊体，构成内膜系统的基粒片层（基粒片层（granalamella）。基粒由10100个类囊体组成。贯穿在两个或两个以上基粒之间的没有发生垛叠的类囊体称为基质类囊体，它们形成了内膜系统的基质片层（stromalamella）。类囊体膜的内在蛋白主要有细胞色素b6/f复合体、质体醌（PQ）、质体蓝素（PC）、铁氧化还原蛋白、黄素蛋白、光系统、光系统复合物等。基质（基质（stroma）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。wzf:一个叶绿体内的全部类囊体实际上是一个完整连续的封闭膜囊。脂质中的脂肪酸主要是不饱和的脂肪酸。Wzf个个复合物在类囊体膜上呈不对称成分布。光系统：基粒与基质接触区及基质类囊体的膜中。光系统：基粒与基质非接触区的膜中 二、叶绿体的功能二、叶绿体的功能光合作用光合作用 (photosynthesis)光合作用：光合作用：绿色植物利用体内的叶绿素吸收光能，把二氧化碳和水转化为有机物，并释放氧气的过程称为光合作用。Photosynthesis:(1)光合电子传递反应光反应(Light Reaction)(2)碳固定反应暗反应(DarkReaction)（一）光合色素和电子传递链组分（一）光合色素和电子传递链组分 1 1光合色素光合色素类囊体中含两类色素：叶绿素（图叶绿素（图7-21）和橙黄色的类胡萝卜素）和橙黄色的类胡萝卜素，通常叶绿素和类胡萝卜素的比例约为3:1，chla与chlb也约为3:l，全部叶绿素和几乎所有的类胡萝卜素都包埋在类囊体膜都包埋在类囊体膜中，与蛋白质以非共价键结合，一条肽链上可以结合若干色素分子，各色素分子间的距离和取向固定，有利于能量传递。图7-21叶绿体分子结构2 2集光复合体（集光复合体（light harvesting complexlight harvesting complex）由大约大约200个叶绿素分子和一些肽链构成个叶绿素分子和一些肽链构成（图7-22）。大部分色素分子起捕获光能的作用，并将光能以诱导共振方式共振方式传递到反应中心色素。因此这些色素被称为天线色素。叶绿体中全部叶绿素叶绿体中全部叶绿素b和大部分叶绿素和大部分叶绿素a都是天线色素都是天线色素。另外类胡萝卜素和叶黄素分子也起捕获光能的作用，叫做辅助色素类胡萝卜素和叶黄素分子也起捕获光能的作用，叫做辅助色素。图7-22集光复合体3 3光系统光系统（PSPS）(P150)(P150)吸收高峰为波长吸收高峰为波长680nm处，又称处，又称P680。至少包括。至少包括12条多肽链。位于基粒条多肽链。位于基粒与基质非接触区域的类囊体膜上。包括与基质非接触区域的类囊体膜上。包括一个集光复合体（一个集光复合体（light-hawestingcomnplex，LHC）、一个反应中心和一个含锰原子的放氧的复合体）、一个反应中心和一个含锰原子的放氧的复合体（oxygenevolvingcomplex）。）。D1和和D2为两条核心肽链，结合中心色为两条核心肽链，结合中心色素素P680、去镁叶绿素、去镁叶绿素(pheophytin)及质体醌及质体醌(plastoquinone)。4 4细胞色素细胞色素b6/fb6/f复合体复合体(cyt b6/f complex)(cyt b6/f complex)可能以二聚体形成存在，每个单体含有四个不同的亚基。细胞色素可能以二聚体形成存在，每个单体含有四个不同的亚基。细胞色素b6（b563）、细胞色素）、细胞色素f、铁硫蛋白、以及亚基、铁硫蛋白、以及亚基（被认为是质体醌的结合（被认为是质体醌的结合蛋白）。蛋白）。5 5光系统光系统（PSIPSI）(P151)(P151)能被波长700nm的光激发，又称P700。包含多条肽链，位于基粒与基质接触区和基质类囊体膜中。由集光复合体集光复合体和作用中心和作用中心构成。结合100个左右叶绿素分子、除了几个特殊的叶绿素为中心色素外外，其它叶绿素都是天线色素。三种电子载体分别为A0（一个chla分子)、A1(为维生素K1)及3个不同的4Fe-4S。（二）光反应与电子传递（二）光反应与电子传递在类囊体膜上由光引起的光化学反应，通过叶绿素等光合色素分子吸收、传递光能，水光解，并将光能转换为电能（生成高能电子），进而通过电子传递与光合磷酸化将电能转换为活跃化学能，形成ATP和NADPH并放出O2的过程。包括原初反应、电子传递和光合磷酸化。原初反应原初反应：叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反应为止的过程。包括光能的吸收、传递、与转换。反应过程：光能捕光色素分子反应中心光能的吸收与传递光能化学能光子共振机制捕光色素中心色素ChlChl*eAA-DD+天线系统天线系统 光子光子反应中心叶反应中心叶绿素分子绿素分子激发态激发态色素分子色素分子捕光色素：天线色素 组成：叶绿素a、b、c、d、藻胆素、叶黄素、胡萝卜素 作用：只具有捕捉、吸收、聚集光能和传递激发能给 反应中心的作用。无光化学活性。原初反应光合作用单位光合作用单位:结合在类囊体膜上，能进行光合作用的最小结构单位。固定一个分子的CO2所需的叶绿素约2500个反应中心色素（Chl）：组成：特殊状态的叶绿素a ，P700 P680 作用：既是光能的捕捉器，具有光化学活性 可将光能转换为化学能原初反应供体(doner)D 光系统：水 光系统：质体蓝素（PC）原初反应受体(acceptor):A 光系统：脱镁叶绿素，Ph；光系统：特殊的叶绿素a，A0 反应中心（两个）原初反应光系统（叶绿素-蛋白复合物）捕光色素:反应中心：反应中心色素（Chl）P700原初反应受体(acceptor):特殊的叶绿素a，A0原初反应供体(doner):质体蓝素（PC）多个还原中心：Fe-S中心、铁氧还蛋白（Fd）核心复合物捕光复合物光系统反应过程捕光色素分子光能 P700光能 P700*PCA0P700被光能激发后释放出来的高能电子沿着A0A14Fe-4S的方向依次传递，由类囊体腔一侧传向类囊体基质一侧的铁氧还蛋白（ferredoxin,FD）。最后在铁氧还蛋白-NADP还原酶的作用下，将电子传给NADP+，形成NADPH。失去电子的P700从PC处获取电子而还原。原初反应l光系统（叶绿素-蛋白复合物）捕光色素:反应中心：反应中心色素（Chl）P680 原初反应受体(acceptor):去镁叶绿素，Ph 原初反应供体(doner):水 叶绿素-蛋白复合体：Mn、Z、D1光系统反应过程捕光色素分子光能 P680光能 P680*H2OPh核心复合物捕光复合物P680接受能量后，由基态变为激发态（P680*），然后将电子传递给去镁叶绿素（原初电子受体），P680*带正电荷，从原初电子供体Z（反应中心D1蛋白上的一个酪氨酸侧链）得到电子而还原；Z+再从放氧复合体上获取电子；氧化态的放氧复合体从水中获取电子，使水光解。在另一个方向上去镁叶绿素将电子传给D2上结合的QA，QA又迅速将电子传给D1上的QB，还原型的质体醌从光系统复合体上游离下来，另一个氧化态的质体醌占据其位置形成新的QB。质体醌将电子传给细胞色素b6/f复合体，同时将质子由基质转移到类囊体腔。电子接着传递给位于类囊体腔一侧的含铜蛋白质体蓝素(plastocyanin,PC)中的Cu2+，再将电子传递到光系统。光合磷酸化光合磷酸化光合磷酸化光合磷酸化:由光照所引起的电子传递与磷酸化作用相偶连而生成ATP的过程。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，在基质外一个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ATP（图7-26）。非循环光合磷酸化 光系统、光系统收到光激发，使水中的电子传递给NADP+，电子经过两个系统，在传递过程中产生的质子梯度驱动ATP的形成。同时产生还原力NADPH。电子传递是一个开放的通道，故称。磷酸化部位：H2O与 PQ之间；PQ 与Cytbf复合物之间。放出一分子氧形成2.4个ATP循环式光合磷酸化：光系统接受远红光后，产生的电子经过A0、A1、Fe-S和Fd，又传给Cytbf复合物和PC而回流到PS的过程。电子循环流动，产生质子梯度，驱动ATP的形成。小结:电子传递引起三个光化学变化.1.H2O光解放出O2 2.ATP的生成.3.NADPH的生成.暗反应暗反应(碳固定碳固定)暗暗反反应应是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。在C3途中，由于反应的最最初初产产物物3-3-磷磷酸酸甘甘油油酸酸含含三三碳碳化化合合物物,因此,又称三碳循环,这是卡尔文(Calvin)等在50年代用14C示踪法研究出来的,故称卡尔文循环。可可分分为为三个阶段三个阶段:羧化、还原和羧化、还原和RuBPRuBP的再生的再生。COCO2 2的羧化的羧化 CO2被还原之前,首先被固定形成羧基,以RuBP作为CO2接受体,在RuBP羧化酶的作用下使RuBP与CO2 反应形成两分子的3-磷酸甘油酸(PGA)。C3途径途径 还原阶段还原阶段 3-磷酸甘油酸首先在磷磷酸酸甘甘油油激激酶酶的的催催化化下被ATP磷酸化形成1.3二磷酸甘油酸,然后在甘甘油油醛醛磷磷酸酸脱脱氢氢酶酶的的催催化化下被NADPH还原成3-磷酸甘油醛。这是一个吸能反应,光反应中形成的ATP和NADPH主要是在这一阶段被利用。所以,还还原原反反应应是是光光反反应应和和暗暗反反应应的的连接点连接点,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。RuBPRuBP的再生的再生 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。然后在磷磷酸酸核核酮酮糖糖激激酶酶的作用下,发生磷酸化作用生成RuBPRuBP,再消耗一个ATP。综上所述,三碳循环是靠光反应形成的ATP机NADPH作能源,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分子。实际上，通过卡尔文循环，将CO2转变成葡萄糖通常需要消耗18分子的ATP和12分子的NADPH。卡卡尔尔文文循循环环维管束鞘细胞：维管束鞘细胞：叶脉周围有一圈含叶绿体的维管束鞘细胞，维管束鞘细胞比较大，其中含有许多比较大的叶绿体。C4植物的卡尔文循环是在维管束鞘细胞中进行的，所以，C4植物进行光合作用时，只有维管束鞘细胞中形成淀粉，而叶肉细胞中不形成淀粉。相反，C3植物通过光合作用产生的淀粉只存在于叶肉细胞中，维管束鞘细胞中则没有淀粉。叶肉细胞：叶肉细胞：在维管束鞘细胞外的一圈、呈环状或近似环状排列的细胞，这层细胞通过大量的胞间连丝与维管束鞘细胞紧密相连。C4植物叶片内的维管束鞘细胞和这层叶肉细胞组成“花环型”的结构，这种结构是C4植物叶片所特有的。C4途径磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)+CO2 草酰乙酸(OAA)CO2丙酮酸叶肉细胞胞质维管束鞘细胞叶绿体 苹果酸淀粉或糖C4途径:CO2受体？代表植物?反应部位:固定部位叶肉细胞 淀粉合成部位维管束鞘细胞 C4植物同化CO2途径包括C4+C3途径，C4途径只起CO2固定作用,而C3途径起固定和还原CO2的作用。把利用这两条途径同化CO2的植物叫C4植物.(玉米、高粱、甘蔗)在干旱地区生长的景天科、仙人掌科等植物有一个特殊的CO2同化方式：夜间气孔开放，吸收CO2，在PEPC作用下与糖酵解过程中产生的PEP结合形成OAA，OAA在NADP-苹果酸脱氢酶作用下进一步还原为苹果酸，积累于液胞中，表现出夜间淀粉、糖减少，苹果酸增加，细胞液变酸。白天气孔关闭，液胞中的苹果酸运至细胞质在NAD-或ANDP-苹果酸酶、或PEP羧激酶催化下氧化脱羧释放CO2，再由C3途径同化；脱羧后形成的丙酮酸和PEP则转化为淀粉。丙酮酸也可进入线粒体，也被氧化脱羧生成CO2进入C3途径，同化为淀粉。所以白天表现出苹果酸减少，淀粉、糖增加，酸性减弱。这种有机酸合成日变化的光合碳代谢类型称为景天科酸代谢（crassulaceanacidmetabolism,CAM）途径景天科酸代谢途径（景天科酸代谢途径（Crassulaceanacidmetabolismpathway，CAM途径）：途径）：磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)+CO2 草酰乙酸(OAA)苹果酸（积累于液泡中）CO2丙酮酸夜间气孔开放白天气孔关闭磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)酸多糖少酸少糖多复习与巩固复习与巩固如图为植物的某个叶肉细胞中的两种膜结构，以及在它们上发生的生化反应。请根据图分析回答下列问题：(1)图A和B所示的生物膜分别存在于叶肉细胞的 和 细胞器中。(2)图B中的本质是，图A中的作用是。(3)图B中的H是怎样产生的？。(4)如果图A中的02被图B利用，至少要穿过几层生物膜?。(5)图A和图B所示的反应，除了产生图中所示的物质外，还能产生什么 物质?。(6)两种膜结构所在的细胞器为适应各自的功能，都有增大膜面积的方 式，它们分别是。第三节第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器线粒体和叶绿体是半自主性细胞器线粒体和叶绿体的相似点：线粒体和叶绿体都是双层膜细胞器功能都是转换能量线粒体：把储藏在有机物中稳定的化学能，转化成直接能源ATP。叶绿体：把光能转化成化学能ATP、还原力NADPH，同时把这些不稳定的化学能转化成稳定的化学能，储藏在有机物中。都是半自主细胞器：线粒体和叶绿体都具有环状DNA及自身转录RNA与翻译蛋白质的体系，既具有核外基因及其表达体系。但组成线粒体和叶绿体蛋白绝大多数是由核基因编码。为什么说线粒体和叶绿体是半自主性细胞器？1）两种细胞器含有DNA自我复制、转录、翻译所必需的基本组分。2）两种细胞器中的蛋白绝大多数是由核基因编码的。这些蛋白在细胞质基质中合成，然后被转运至细胞器中。3）细胞核与细胞器之间存在着密切的、精确的、严格调控的关系。线粒体和叶绿体的自主性是有限的，对核遗传系统有很大的依赖性。因此，线粒体和叶绿体的增殖和生长受核基因、自身基因两套遗传信息的控制，所以称半自主性细胞器。一、线粒体和叶绿体的DNA均为环状双链DNA，与细菌相似。不同物种细胞中的mtDNA、ctDNA大小不一。例如：mtDNA：动物细胞中周长多为5um；酵母菌26um。人类最短;ctDNA：赤松藻最小，衣藻最大。核中DNA远远大于mtDNA、ctDNA半保留自我复制方式，受核基因调控。如：DNA聚合酶由核基因编码，在细胞质基质中合成。线粒体和叶绿体的核糖体70S，与细菌相似。二、线粒体和叶绿体的蛋白质合成研究方法：用标记氨基酸培养细胞，用氯霉素和放线菌酮分别抑制线粒体或叶绿体、细胞质基质蛋白质的合成，找出线粒体、叶绿体中合成的蛋白。在线粒体中合成的蛋白只有20多种。在叶绿体中合成的蛋白60多种。不同来源的细胞，表达的产物既有共性又有差异。叶绿体蛋白质组成的来源：ctDNA编码，叶绿体核糖体合成；核基因编码，细胞质中合成；核基因编码，叶绿体中合成。三、线粒体和叶绿体蛋白质的转运线粒体蛋白质的转运蛋白质合成定位的特点：后转移方式转运前的状态：伸展的前体蛋白N端的蛋白质信号序列称导肽前体蛋白=成熟蛋白+导肽 导肽的特点：1）多位于N端，约由20个氨基酸，富含精氨酸、带羟基的 氨基酸。2）形成一个两性的螺旋，带正电荷的亲水氨基 酸和不带 电荷的疏水氨基酸分别位于的两侧。3）对转运的蛋白质无特异性的要求。转运后的状态:信号序列在导肽酶的作用下，被切除。形成的成熟蛋白重折叠。被转运蛋白所到达的特定部位：外膜、内膜、膜间隙、基质。进入不同部位的蛋白具有不同的转运途径。信号序列定位转运装置信号序列位置位于位于N端，富含带正电荷的和疏水端，富含带正电荷的和疏水的氨基酸，形成两性的氨基酸，形成两性螺旋，完成螺旋，完成转运后被切除。转运后被切除。基质基质TOMTIM23不被切除，含疏水性的停止转移序不被切除，含疏水性的停止转移序列，被安插到外膜。列，被安插到外膜。外膜外膜TOM被切除，含疏水性的停止转移序列，被切除，含疏水性的停止转移序列，被安插到内膜。被安插到内膜。内膜内膜TOMTIM23含两个信号序列，首先转运到基质，含两个信号序列，首先转运到基质，第一个信号序列被切除，第二个信第一个信号序列被切除，第二个信号序列引导蛋白进入内膜或膜间隙。号序列引导蛋白进入内膜或膜间隙。内膜内膜膜间膜间隙隙TOMTIM23结构类似于结构类似于N端信号序列，但位于端信号序列，但位于蛋白质内部。蛋白质内部。内膜内膜TOMTIM23为线粒体代谢物的转运蛋白，如腺为线粒体代谢物的转运蛋白，如腺苷转位酶，具有多个内部信号序列苷转位酶，具有多个内部信号序列和停止转移序列，形成多次跨膜蛋和停止转移序列，形成多次跨膜蛋白。白。内膜内膜TOMTIM22蛋白质的转运涉及转位因子。蛋白质的转运涉及转位因子。蛋白质的转运涉及多种蛋白复合体，即转位因子（蛋白质的转运涉及多种蛋白复合体，即转位因子（translocatortranslocator，图，图7-287-28），由），由两部分构成的：受体和蛋白质通过的孔道。主要包括两部分构成的：受体和蛋白质通过的孔道。主要包括 TOM复复合合体体，负负责责通通过过外外膜膜，进进入入膜膜间间隙隙，在酵母中TOM70负责转运内部具有信号序列的蛋白，TOM20负责转运N端具有信号序列的蛋白，这两种蛋白的功能都相当于内质网上的SPR受体，在人类线粒体中hTom34的功能与TOM70相当。TOM复合体的通道被称为GIP（general importpore），就相当于内质网上的SEC61复合体，主要由Tom40构成，还包括Tom22，Tom7，Tom6和Tom5；TIM复复合合体体，其其中中TIM23负负责责将将蛋蛋白白质质转转运运到到基基质质，也也可可将将某某些些蛋蛋白白质质安安插插在在内内膜膜；TIM22负责将线粒体的代谢物运输蛋白，如ADPATP和磷酸的转运蛋白插入内膜；OXA复复合合体体：负负责责将将线线粒粒体体自自身身合合成成的的蛋蛋白白质质插插到到内内膜膜上上，同同样样也也可可使使经经由由TOMTIM复合体进入基质的蛋白质插入内膜复合体进入基质的蛋白质插入内膜。图7-29线粒体内外膜的接触点线粒体蛋白的运送过程蛋白质解折叠、转运、重折叠。Simon布朗棘轮模型主要观点：蛋白在转运孔道内，多肽链做布朗运动摇摆不定，一旦前体蛋白进入线粒体腔，立即有mHsp70结合上去，防止肽链退回细胞基质中。随着肽链的进一步延伸，有更多的mHsp结合。线粒体蛋白的运送过程是耗能的过程 解折叠 重折叠 转运过程：Hsp60Hsp70mHsp70ATPADP+ATP叶绿体蛋白质的转运叶绿体与线粒体蛋白转运的相同点叶绿体与线粒体蛋白转运的相同点1、蛋白质合成定位的特点：后转移方式2、通常前体蛋白N端具有蛋白质信号序列（转运肽），完成转运后被信号肽酶切除3、每一种膜上有特定的转位因子 外膜的转位因子被称为TOC复合体 内膜的转位因子被称为TIC复合体。4、内外膜具有接触点（contactsite）；5、需要能量，同样利用ATP和质子动力势。不同点：不同点：v 转运到叶绿体类囊体腔 前体蛋白含有两两个个N N端端信信号号序序列列，第一个被切除后，暴露出第二个信号序列，将蛋白导向内膜或类囊体膜。v 转运到叶绿体类囊体膜 前体蛋白，N端的导肽引导蛋白通过叶绿体膜进入基质，肽酶水解导肽。引导蛋白质到达类囊体膜的信息，蕴藏在成熟蛋白C端的跨膜区域。（图）第四节线粒体和叶绿体的增殖与起源线粒体和叶绿体的增殖线粒体的增殖叶绿体的增殖线粒体和叶绿体的起源内共生学说非共生学说线粒体的增殖线粒体的增殖是通过已有的线粒体的分裂，有以下几种形式：线粒体的增殖是通过已有的线粒体的分裂，有以下几种形式：1、间壁分离（图、间壁分离（图7-17），），分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两分裂时先由内膜向中心皱褶，将线粒体分类两个，常见于鼠肝和植物产生组织中。个，常见于鼠肝和植物产生组织中。图7-17线粒体的间壁分裂2、收缩后分离（图、收缩后分离（图7-18），），分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉分裂时通过线粒体中部缢缩并向两端不断拉长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。长然后分裂为两个，见于蕨类和酵母线粒体中。图7-18线粒体的收缩分裂3、出芽，、出芽，见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。线粒体。叶绿体的增殖由前质体分化而来前质体具有双层膜，内膜内折成类囊体原基。内含DNA、核糖体、淀粉等。由叶绿体分裂增殖幼龄叶绿体可分裂，成熟叶绿体不具有分裂能力。前质体、质体、叶绿体前质体、质体、叶绿体 前质体(proplastid)直径约为1m，或更小一些，它是由双层膜包被着未分化的基质(stroma)所组成。植物中的前质体随着在发育过程中所处的位置以及接受光的多少程度，分化成功能各异的质体(plastid),根据质体是否含有叶绿素和功能的不同,将质体分为白色体、叶绿体和有色体。白色体白色体(etioplast)质体的一种，不含色素,多存在于植物的分生组织和储藏组织中,具有创造和储藏淀粉、蛋白质和油脂的功能。叶绿体叶绿体(chloroplast)质体的一种,含有叶绿素和胡萝卜素。有基粒、类囊体结构。分布于叶及茎皮层细胞中,其功能为进行光合作用,把光能转变成化学能,创造碳水化合物。有色体有色体(chromoplast)(chromoplast)有色体含有叶黄素、胡萝卜素和类胡萝卜素,不含叶绿素,无类囊体结构。分布于高等植物的某些器官,如花瓣、果实和根细胞中,使其呈现黄色或桔黄色。不进行光合作用,功能是富集淀粉和脂类。线粒体和叶绿体的起源内共生学说内共生学说(endosymbiosis bypothesis)该学说认为,叶绿体的祖先是蓝藻或光合细菌,在生物进化过程中被原始真核细胞吞噬,共生在一起进化成为今天的叶绿体。证据是:叶绿体在分子水平上有许多特征同原核生物相似。mtct原始真核细胞：体积大、不需氧、具有吞噬能力原始线粒体：G-膜上具有TAC循环的酶原始叶绿体：蓝藻 具有光合作用能力原始真核细胞与原始线粒体的关系原始真核细胞与原始线粒体的关系原始真核细胞与原始叶绿体的关系原始真核细胞与原始叶绿体的关系互利共生内共生学说的论据1、DNA为单个裸露环形双链分子，无内含子；2、合成蛋白质机制核糖体 为70S型；rRNA不同:只有5S，不含5.8S起始氨基酸：甲酰甲硫氨酸；RNA聚合酶的抑制剂：利福霉素、溴化乙锭抑制不被放线菌素D所抑制；核糖体的抑制剂 是氯霉素、四环素，而不是放线菌酮。tRNA、氨酰基-tRNA合成酶蛋白合成因子不同 3、线粒体和叶绿体双层膜的进化来源不同外膜与细胞内膜系统相似，与内质网、高尔基体沟通；内膜与细菌质膜相似。4、线粒体和叶绿体以分裂方式进行繁殖5、线粒体和叶绿体能在异源细胞内长期生存。实验1：小鼠成纤维细胞 鸡胚细胞在小鼠的第四代细胞中仍能看到鸡胚的线粒体实验2：将线粒体放入软体动物的细胞中，能长时间存活非共生学说：真核细胞的前身是一个进化上比较高等的好氧细菌，它比典型的原核细胞大，这样就要逐渐增加具有呼吸功能的膜表面，开始是通过细菌细胞膜的内陷、扩张和分化，然后逐渐形成了线粒体和叶绿体的雏形。这一学说的主要依据是:控制叶绿体的许多蛋白质都是核基因编码的,即它在物质代谢上明显地接受核基因的控制。