1、第六章第六章 細胞的能量轉換細胞的能量轉換線粒體和葉綠體線粒體和葉綠體線粒體和葉綠體是細胞內的兩種產能細胞器。線粒體和葉綠體是細胞內的兩種產能細胞器。線粒體與氧化磷酸化線粒體與氧化磷酸化葉綠體與光協作用葉綠體與光協作用線粒體和葉綠體是半自主性細胞器線粒體和葉綠體是半自主性細胞器線粒體和葉綠體的增殖與來源線粒體和葉綠體的增殖與來源第一節第一節 線粒體與氧化磷酸化線粒體與氧化磷酸化線粒體的形狀構造線粒體的化學組成及酶的定位氧化磷酸化一、線粒體的形狀構造一、線粒體的形狀構造1.1 1.1 線粒體的發現與功能研討線粒體的發現與功能研討 1890年年R. Altaman初次動物細胞內發現線粒體，命名為初

2、次動物細胞內發現線粒體，命名為bioblast。1897年年Benda初次將這種顆粒命名為初次將這種顆粒命名為mitochondrion。1900年年L. Michaelis用用Janus Green B對線粒體進展活體染色，發現線對線粒體進展活體染色，發現線粒體中可進展氧化粒體中可進展氧化-復原反響。復原反響。1948年，年，Green證明線粒體含一切三羧酸循環的酶證明線粒體含一切三羧酸循環的酶1943-1950年，年，Kennedy和和Lehninger 發現線粒體內完成的，脂肪酸氧發現線粒體內完成的，脂肪酸氧化、氧化磷酸化。化、氧化磷酸化。在在Hatefi等等1976純化了呼吸鏈四個獨立

3、的復合體。純化了呼吸鏈四個獨立的復合體。Mitchell19611980提出了氧化磷酸化的化學偶聯學說。提出了氧化磷酸化的化學偶聯學說。1994年，年，Boyer 因提出因提出ATP合成酶的結合變化和旋轉催化機制獲得諾貝合成酶的結合變化和旋轉催化機制獲得諾貝爾化學獎爾化學獎1.2 1.2 線粒體的形狀構造線粒體的形狀構造 線粒體的形狀、大小、數量與分布 線粒體普通呈粒狀或桿狀，但因生物種類和生理形狀而異，可呈環形，啞鈴形、線狀、分杈狀或其它外形。數目普通數百到數千個，線粒體通常分布在細胞功能旺盛的區域。 線粒體的超微構造 外膜(outer membrane：含孔蛋白(porin)，通透性較高。

4、 內膜inner membrane：高度不通透性，向內折疊構成嵴cristae，嵴能顯著擴展內膜外表積達510倍。含有與能量轉換相關的蛋白 執行氧化反響的電子傳送鏈酶系、 ATP合成酶、線粒體內膜轉運蛋白。 膜間隙intermembrane space：含許多可溶性酶、底物及輔助因子。 基質matrix：含三羧酸循環、脂肪酸和丙酮酸氧化等酶系、線粒體基因表達酶系等以及線粒體DNA, RNA，核糖體。內膜向線粒體基質褶入構成嵴內膜向線粒體基質褶入構成嵴cristae，嵴能顯著擴展內，嵴能顯著擴展內膜外表積達膜外表積達510倍，嵴有兩種類型：板層狀圖倍，嵴有兩種類型：板層狀圖7-1、管狀圖管狀圖7

5、-3，但多呈板層狀。，但多呈板層狀。 嵴上覆有基粒嵴上覆有基粒elementary particle，基粒由頭部，基粒由頭部F1偶聯偶聯因子和基部因子和基部F0偶聯因子構成，偶聯因子構成，F0嵌入線粒體內膜。嵌入線粒體內膜。二、線粒體的化學組成及酶的定位二、線粒體的化學組成及酶的定位 線粒體的化學組成：線粒體的化學組成： 蛋白質蛋白質(線粒體干重的線粒體干重的6570)。線粒體的蛋白。線粒體的蛋白質分為可溶性和不溶性的。可溶性的蛋白質主要質分為可溶性和不溶性的。可溶性的蛋白質主要是基質的酶和膜的外周蛋白；不溶性的蛋白質構是基質的酶和膜的外周蛋白；不溶性的蛋白質構成膜的本體，其中一部分是鑲嵌蛋白

6、，成膜的本體，其中一部分是鑲嵌蛋白， 也有一些也有一些是酶蛋白。是酶蛋白。 脂類脂類(線粒體干重的線粒體干重的2530)： 磷脂占磷脂占3/4以上，外膜主要是卵磷脂，內膜主要以上，外膜主要是卵磷脂，內膜主要是心磷脂。是心磷脂。 線粒體脂類和蛋白質的比值線粒體脂類和蛋白質的比值: 0.3:1內膜；內膜；1:1外膜外膜 線粒體酶的定位：線粒體酶的定位：線粒體主要酶的分布線粒體膜通透性線粒體膜通透性* * * 很早就認識到線粒體的膜具有半透性，經過對半透性的研討導致線粒體各組很早就認識到線粒體的膜具有半透性，經過對半透性的研討導致線粒體各組分分別方法的建立。分分別方法的建立。 線粒體通透性研討線粒體

7、通透性研討 將線粒體放在將線粒體放在100 mM100 mM蔗糖溶液中，蔗糖穿過外膜進蔗糖溶液中，蔗糖穿過外膜進入線粒體的膜間間隙；然后將線粒體取出測定線粒入線粒體的膜間間隙；然后將線粒體取出測定線粒體內部蔗糖的平均濃度，結果只需體內部蔗糖的平均濃度，結果只需50 mM50 mM， 比環境比環境中蔗糖的濃度低。線粒體外膜對蔗糖是通透的，而中蔗糖的濃度低。線粒體外膜對蔗糖是通透的，而內膜對蔗糖是不通透的內膜對蔗糖是不通透的( (圖圖7-7)7-7)。 左:將線粒體置于含有100 mM的蔗糖溶液中; 中:蔗糖穿過線粒體外膜，到達平衡;右:將線粒體從蔗糖溶液中取出，測定線粒體中蔗糖的濃度。假設測得線

8、粒體的蔗糖平均濃度是50 mM，就可以推測:100mM的蔗糖僅僅穿過了線粒體外膜，而線粒體中有一半流動的液體在線粒體基質，由于內膜對蔗糖不通透，所以測得的線粒體平均濃度只需50 mM。 線粒體各組分的分別線粒體各組分的分別 首先將線粒體置于低滲溶液中使外膜破裂，此時首先將線粒體置于低滲溶液中使外膜破裂，此時線粒體內膜和基質線粒體內膜和基質(線粒體質線粒體質)仍結合在一同，經仍結合在一同，經過離心可將線粒體質分別。用去垢劑毛地黃皂苷過離心可將線粒體質分別。用去垢劑毛地黃皂苷處置線粒體質，破壞線粒體內膜，釋放線粒體基處置線粒體質，破壞線粒體內膜，釋放線粒體基質，破裂的內膜重新閉合構成小泡，其外表有

9、質，破裂的內膜重新閉合構成小泡，其外表有F1顆粒。顆粒。 由于線粒體外膜的通透性比內膜高，利用這一性質，Donal Parsons 和他的同事最先建立了分別線粒體內膜、外膜及其他組分的方法(圖7-8)， 線粒體的功能：線粒體的功能：氧化磷酸化、細胞凋亡、細胞的信號轉導、氧化磷酸化、細胞凋亡、細胞的信號轉導、電解質穩態平衡調控、鈣的穩態調控電解質穩態平衡調控、鈣的穩態調控 進展氧化磷酸化，合成進展氧化磷酸化，合成ATPATP，為細胞生命活動提供直接能，為細胞生命活動提供直接能量量是線粒體的主要功能。是線粒體的主要功能。 什么是氧化磷酸化：什么是氧化磷酸化：當電子從當電子從NADH或或FADH2經

10、呼吸鏈傳送給氧構成水時，同時伴經呼吸鏈傳送給氧構成水時，同時伴有有ADP磷酸化構成磷酸化構成ATP，這一過程稱為氧化磷酸化。，這一過程稱為氧化磷酸化。什么是呼吸鏈：什么是呼吸鏈：在線粒體內膜上存在有關氧化磷酸化的脂蛋白復合物，它們是在線粒體內膜上存在有關氧化磷酸化的脂蛋白復合物，它們是傳送電子的酶體系，由一系列可逆地接受和釋放電子或傳送電子的酶體系，由一系列可逆地接受和釋放電子或H+的的化學物質組成，在內膜上相互關聯地有序陳列，稱為電子傳化學物質組成，在內膜上相互關聯地有序陳列，稱為電子傳送鏈送鏈electron-transport chain或呼吸鏈或呼吸鏈respiratory chain

11、。三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化一氧化磷酸化的分子根底一氧化磷酸化的分子根底電子載體電子載體呼吸鏈電子載體主要有：黃素蛋白、細胞色素、銅原子、鐵硫蛋白、輔呼吸鏈電子載體主要有：黃素蛋白、細胞色素、銅原子、鐵硫蛋白、輔酶酶Q Q等。等。 1.1. NADNAD即煙酰胺嘌呤二核苷酸即煙酰胺嘌呤二核苷酸nicotinamide adenine dinucleotide，圖，圖7-4，是體，是體內很多脫氫酶的輔酶，銜接三羧酸循環內很多脫氫酶的輔酶，銜接三羧酸循環和呼吸鏈，其功能是將代謝過程中脫下和呼吸鏈，其功能是將代謝過程中脫下來的氫交給黃素蛋白。來的氫交給黃素蛋白。 圖7-4 NAD的構造和功能NAD

12、：RH，NADP：RPO3H2 2.2. 黃素蛋白：黃素蛋白： 含含FMN圖圖7-5或或FAD圖圖7-6的蛋白質，每個的蛋白質，每個FMN或或FAD可接受可接受2個個電子電子2個質子。呼吸鏈上具有個質子。呼吸鏈上具有FMN為輔基的為輔基的NADH脫氫酶，以脫氫酶，以FAD為輔基為輔基的琥珀酸脫氫酶。的琥珀酸脫氫酶。 圖7-5 FMN (flavin adenine mononucleotide) 的分子構造 圖7-6 FAD ( flavin adenine dinucleotide)的分子構造 3.3.細胞色素細胞色素 分子中含有血紅素鐵圖分子中含有血紅素鐵圖7-7，以共價方式與蛋白結合，通

13、，以共價方式與蛋白結合，通Fe3+、Fe2+方式變化方式變化傳送電子，呼吸鏈中有傳送電子，呼吸鏈中有5類，即：細胞色素類，即：細胞色素a、a3、b、c、c1，其中，其中a、a3含有銅原含有銅原子。子。 圖7-7 血紅素c的構造4.4.鐵硫蛋白：鐵硫蛋白： 在其分子構造中每個鐵原子和在其分子構造中每個鐵原子和4個硫原子結合，經過個硫原子結合，經過Fe2+、Fe3+互變進展互變進展電子傳送，有電子傳送，有2Fe-2S和和4Fe-4S兩種類型圖兩種類型圖7-8。 圖7-8 鐵硫蛋白的構造引自Lodish等2019 5.5. 輔酶輔酶Q Q： 是脂溶性小分子量的醌類化合物，經過氧化和復原傳送電子圖是脂

14、溶性小分子量的醌類化合物，經過氧化和復原傳送電子圖7-9。有。有3種氧化復種氧化復原方式即氧化型醌原方式即氧化型醌Q，復原型氫醌，復原型氫醌QH2和介于兩者之者的自在基半醌和介于兩者之者的自在基半醌QH。 圖7-9 輔酶Q二呼吸鏈的復合物二呼吸鏈的復合物利用脫氧膽酸利用脫氧膽酸deoxycholatedeoxycholate，一種離子型去污劑處置線粒體內膜、分，一種離子型去污劑處置線粒體內膜、分別出呼吸鏈的別出呼吸鏈的4 4種復合物，即復合物種復合物，即復合物、和和，輔酶，輔酶Q Q和細胞色素和細胞色素C C不屬于任何一種復合物。輔酶不屬于任何一種復合物。輔酶Q Q溶于內膜、細胞色素溶于內膜、

15、細胞色素C C位于線粒體內膜的位于線粒體內膜的C C側，屬于膜的外周蛋白。側，屬于膜的外周蛋白。 1 1、復合物、復合物 即即NADH脫氫酶，哺乳動物的復合物脫氫酶，哺乳動物的復合物由由42條肽鏈組成，呈條肽鏈組成，呈L型，含有一個型，含有一個FMN和至少和至少6個鐵硫蛋白，分子量接近個鐵硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚體方式存在，其作用是，以二聚體方式存在，其作用是催化催化NADH的的2個電子傳送至輔酶個電子傳送至輔酶Q，同時將，同時將4個質子由線粒體基質個質子由線粒體基質M側側轉移至膜間隙轉移至膜間隙C側。電子傳送的方向為：側。電子傳送的方向為：NADHFMNFe-SQ，總，總的反響結果為

16、：的反響結果為： NADH + 5H+M + QNAD+ + QH2 + 4H+C 2 2、復合物、復合物 即琥珀酸脫氫酶，至少由即琥珀酸脫氫酶，至少由4條肽鏈組成，含有一個條肽鏈組成，含有一個FAD，2個鐵硫蛋白，其個鐵硫蛋白，其作用是催化電子從琥珀酸轉至輔酶作用是催化電子從琥珀酸轉至輔酶Q，但不轉移質子。電子傳送的方向為：，但不轉移質子。電子傳送的方向為：琥珀酸琥珀酸FADFe-SQ。反響結果為：。反響結果為： 琥珀酸琥珀酸+Q延胡索酸延胡索酸+QH23 3、復合物、復合物 即細胞色素即細胞色素c復原酶，由至少復原酶，由至少11條不同肽鏈組成，以二聚體方式存在，每個條不同肽鏈組成，以二聚體

17、方式存在，每個單體包含兩個細胞色素單體包含兩個細胞色素bb562、b566、一個細胞色素、一個細胞色素c1和一個鐵硫蛋和一個鐵硫蛋白。其作用是催化電子從輔酶白。其作用是催化電子從輔酶Q傳給細胞色素傳給細胞色素c，每轉移一對電子，同時將，每轉移一對電子，同時將4個質子由線粒體基質泵至膜間隙個質子由線粒體基質泵至膜間隙2個來自個來自UQ，2個來自基質跨膜。總個來自基質跨膜。總的反響結果為：的反響結果為： 2復原態復原態cyt c1 + QH2 + 2 H+M2氧化態氧化態cyt c1 + Q+ 4H+C復合物復合物的電子傳送比較復雜，和的電子傳送比較復雜，和“Q Q循環有關圖循環有關圖7-107-

18、10。輔酶。輔酶Q Q能在膜能在膜中自在分散，在內膜中自在分散，在內膜C C側，復原型輔酶側，復原型輔酶Q Q氫醌氫醌 將一個電子交給將一個電子交給Fe-SFe-S細細胞色素胞色素c1c1細胞色素細胞色素c c，被氧化為半醌，并將一個質子釋放到膜間隙，半醌，被氧化為半醌，并將一個質子釋放到膜間隙，半醌將電子交給細胞色素將電子交給細胞色素b566b562b566b562，釋放另外一個質子到膜間隙。細胞色素，釋放另外一個質子到膜間隙。細胞色素b566b566得到的電子為循環電子，傳送道路為：半醌得到的電子為循環電子，傳送道路為：半醌b566b562b566b562輔酶輔酶Q Q。在。在內膜內膜M

19、M側，輔酶側，輔酶Q Q可被復合體可被復合體復合體復合體或細胞色素或細胞色素b562b562復原為氫醌。復原為氫醌。一對電子由輔酶一對電子由輔酶Q Q到復合物到復合物的電子傳送過程中，共有四個質子被轉移到膜的電子傳送過程中，共有四個質子被轉移到膜間隙，其中兩個質子是輔酶間隙，其中兩個質子是輔酶Q Q轉移的。轉移的。 Q cycle組成：即細胞色素組成：即細胞色素c氧化酶氧化酶,二聚體，每個單體至少二聚體，每個單體至少13條肽鏈。分為三條肽鏈。分為三個亞單位：亞單位個亞單位：亞單位Isubunit I：包含兩個血紅素：包含兩個血紅素a1、a3和一和一個銅離子個銅離子(Cu2+)，血紅素，血紅素a

20、3和和Cu2+構成雙核的構成雙核的Fe-Cu中心。亞單位中心。亞單位subunit ，包含兩個銅離子，包含兩個銅離子(CuA)構成的雙核中心，其構造構成的雙核中心，其構造與與2Fe-2S類似。亞單位類似。亞單位subunit 的功能尚不了解。的功能尚不了解。 作用：將從細胞色素作用：將從細胞色素c接受的電子傳給氧，每轉移一對電子，在接受的電子傳給氧，每轉移一對電子，在M側側耗費耗費2個質子，同時轉移個質子，同時轉移2個質子至個質子至C側。側。電子傳送的道路為電子傳送的道路為 :cyt cCuAheme aa3- CuBO24復原態復原態cyt c + 8 H+M + O24氧化態氧化態cyt

21、c + 4H+C + 2H2O4.4.復合物復合物IVIV：細胞色素：細胞色素c c氧化酶氧化酶wzf:細胞色素細胞色素C是內膜的外周蛋白。是內膜的外周蛋白。wzf: CoQ和細胞色素和細胞色素C是呼吸鏈中可挪動的遞氫體，不是復是呼吸鏈中可挪動的遞氫體，不是復合物中的組成成分。合物中的組成成分。wzf:氧化型氧化型CoQ趨向于內膜的基質側，復原型趨向于內膜的基質側，復原型CoQ趨趨向于內膜的間隙側。向于內膜的間隙側。( (三兩條主要的呼吸鏈三兩條主要的呼吸鏈 復合物復合物I-III-IV組成，催化組成，催化NADH的脫氫氧化。的脫氫氧化。復合物復合物II-III-IV組成，催化琥珀酸的脫氫氧化

22、。組成，催化琥珀酸的脫氫氧化。對應于每個復合物對應于每個復合物，約需，約需3個復合物個復合物，7個復合物個復合物，兩個復合物，兩個復合物之間由輔酶之間由輔酶Q或細胞色素或細胞色素c這樣的可分散性分子銜接。這樣的可分散性分子銜接。 呼吸鏈各組分的陳列是高度有序的使電子按氧化復原電位從低向高傳送，呼吸鏈中有三個部位有較大的自在能變化，足以使ADP與無機磷結合構成ATP。部位在NADH至CoQ之間。部位在細胞色素b和細胞色素c之間。部位在細胞色素a和氧之間。NADHFMN Fe-SFADFe-S琥珀酸Cytb Fe-S Cytc1Cytaa3CoQCytcADP+PiATPADP+PiATPADP+

23、PiATP呼吸鏈組分按氧化復原電位由低到高陳列四四ATPATP合成酶合成酶( (磷酸化的分子根底磷酸化的分子根底) ) 分子構造分子構造 基粒基粒elementary particle，基粒由頭部，基粒由頭部F1偶聯因子偶聯因子和基部和基部F偶聯因子構成，偶聯因子構成，F0嵌入線粒體內膜。嵌入線粒體內膜。 F1由由5種多肽組成種多肽組成33復合體，具有三個復合體，具有三個ATP合成的催合成的催化位點每個化位點每個亞基具有一個。亞基具有一個。和和單位交替陳列，狀如單位交替陳列，狀如桔瓣。桔瓣。貫穿貫穿復合體相當于發電機的轉子，并與復合體相當于發電機的轉子，并與F0接接觸，觸，協助協助與與F0結合

24、。結合。與與F0的兩個的兩個b亞基構成固定亞基構成固定復合復合體的構造相當于發電機的定子。體的構造相當于發電機的定子。 F0由三種多肽組成由三種多肽組成ab2c12復合體，嵌入內膜，復合體，嵌入內膜，12個個c亞基組亞基組成一個環形構造，具有質子通道成一個環形構造，具有質子通道,可使質子由膜間隙流回基質。可使質子由膜間隙流回基質。 任務特點：任務特點： 可逆性復合酶，即既能利用質子電化學梯度儲存的能量合成可逆性復合酶，即既能利用質子電化學梯度儲存的能量合成 ATP, 又能水解又能水解ATP將質子從基質泵到膜間隙。將質子從基質泵到膜間隙。 氧化磷酸化的偶聯機制氧化磷酸化的偶聯機制化學浸透假說化學

25、浸透假說 化學浸透假說內容：化學浸透假說內容：當電子沿呼吸鏈傳送時，所釋放的能量將質子從內當電子沿呼吸鏈傳送時，所釋放的能量將質子從內膜基質側膜基質側M M側泵至膜間隙胞質側或側泵至膜間隙胞質側或C C側，由于側，由于線粒體內膜對離子是高度不通透的，從而使膜間隙的線粒體內膜對離子是高度不通透的，從而使膜間隙的質子濃度高于基質，在內膜的兩側構成質子濃度高于基質，在內膜的兩側構成pHpH梯度梯度pHpH及電位梯度及電位梯度，兩者共同構成電化學梯度圖，兩者共同構成電化學梯度圖7-7-9 9，即質子動力勢，即質子動力勢proton-motive force, proton-motive force,

26、P P。質子沿電化學梯度穿過內膜上的質子沿電化學梯度穿過內膜上的ATPATP酶復合物流回基酶復合物流回基質，使質，使ATPATP酶的構象發生改動，將酶的構象發生改動，將ADPADP和和PiPi合成合成ATPATP。電化學梯度中蘊藏的能量儲存到電化學梯度中蘊藏的能量儲存到ATPATP高能磷酸鍵。高能磷酸鍵。 氧化磷酸化過程實踐上是能量轉換過程，即有機分氧化磷酸化過程實踐上是能量轉換過程，即有機分子中貯藏的能量子中貯藏的能量高能電子高能電子質子動力勢質子動力勢ATPATP構象耦聯假說 ：1ATP酶利用質子動力勢，產生構象的改動，改動與底物的親和力，催化ADP與Pi構成ATP。2F1具有三個催化位點

27、。 L構象loose，ADP、 Pi與酶疏松結合在一同； T構象tight，底物ADP、 Pi與酶嚴密結合在一同； O構象open，ATP與酶的親和力很低，被釋放出去。ATPATP合成機制合成機制構象耦聯假說構象耦聯假說 (Boyer 1979) (Boyer 1979)3質子經過F0時，引起c亞基構成的旋轉，從而帶動亞基旋轉，由于亞基的端部是高度不對稱的，它的旋轉引起亞基3個催化位點構象的周期性變化L、T、O，不斷將ADP和Pi加合在一同，構成ATP。第二節 葉綠體與光協作用葉綠體(Chloroplast)的形狀構造葉綠體的功能光協作用一、葉綠體一、葉綠體(Chloroplast)的形狀構造

28、的形狀構造 形狀、數目： 在高等植物中葉綠體象雙凸或平凸透鏡，葉肉細胞普通含50200個葉綠體，可占細胞質的40%，葉綠體的數目因物種細胞類型，生態環境，生理形狀而有所不同。 葉綠體與線粒體 形狀構造比較葉綠體超微構造葉綠體超微構造外被外被chloroplast envelope葉綠體外被由雙層膜組成，膜間為葉綠體外被由雙層膜組成，膜間為1020nm的膜間隙。外膜的浸透性大，如的膜間隙。外膜的浸透性大，如核苷、無機磷、蔗糖等許多細胞質中的營營養子可自在進入膜間隙。核苷、無機磷、蔗糖等許多細胞質中的營營養子可自在進入膜間隙。 內膜對經過物質的選擇性很強，內膜對經過物質的選擇性很強，CO2、O2、

29、Pi、H2O、磷酸甘油酸、丙糖、磷酸甘油酸、丙糖磷酸，雙羧酸和雙羧酸氨基酸可以透過內膜，磷酸，雙羧酸和雙羧酸氨基酸可以透過內膜，ADP、ATP已糖磷酸，葡萄糖及已糖磷酸，葡萄糖及果糖等透過內膜較慢。蔗糖，果糖等透過內膜較慢。蔗糖，NADP+及焦磷酸等不能透過內膜，需求特殊的及焦磷酸等不能透過內膜，需求特殊的轉運體轉運體translator才干經過內膜。才干經過內膜。類囊體類囊體thylakoid是單層膜圍成的扁平小囊，沿葉綠體的長軸平行陳列。膜上含有光合色素和是單層膜圍成的扁平小囊，沿葉綠體的長軸平行陳列。膜上含有光合色素和電子傳送鏈組分，又稱光合膜。電子傳送鏈組分，又稱光合膜。許多類囊體象圓

30、盤一樣疊在一同，稱為基粒，組成基粒的類囊體，叫做基粒許多類囊體象圓盤一樣疊在一同，稱為基粒，組成基粒的類囊體，叫做基粒類囊體，構成內膜系統的基粒片層類囊體，構成內膜系統的基粒片層grana lamella。基粒由。基粒由10100個類囊個類囊體組成。體組成。貫穿在兩個或兩個以上基粒之間的沒有發生垛疊的類囊體稱為基質類囊體，貫穿在兩個或兩個以上基粒之間的沒有發生垛疊的類囊體稱為基質類囊體，它們構成了內膜系統的基質片層它們構成了內膜系統的基質片層stroma lamella。類囊體膜的內在蛋白主要有細胞色素類囊體膜的內在蛋白主要有細胞色素b6/f復合體、質體醌復合體、質體醌PQ、質體藍素、質體藍素

31、PC、鐵氧化復原蛋白、黃素蛋白、光系統、鐵氧化復原蛋白、黃素蛋白、光系統、光系統、光系統復合物等。復合物等。基質基質stroma主要成分包括：碳同化相關的酶類如主要成分包括：碳同化相關的酶類如RuBP羧化酶占基質可羧化酶占基質可溶性蛋白總量的溶性蛋白總量的60%、葉綠體、葉綠體DNA、蛋白質合成體系：如，、蛋白質合成體系：如，ctDNA、各類、各類RNA、核糖體等。一些顆粒成分：如淀粉粒、質、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。體小球和植物鐵蛋白等。 wzf:一個葉綠體內的全部類囊體實踐上是一個完好延續的封鎖一個葉綠體內的全部類囊體實踐上是一個完好延續的封鎖膜囊。脂質中的

32、脂肪酸主要是不飽和的脂肪酸。膜囊。脂質中的脂肪酸主要是不飽和的脂肪酸。Wzf個復合物在類囊體膜上呈不對稱成分布。個復合物在類囊體膜上呈不對稱成分布。 光系統光系統：基粒與基質接觸區及基質類囊體的膜中。：基粒與基質接觸區及基質類囊體的膜中。 光系統光系統：基粒與基質非接觸區的膜中：基粒與基質非接觸區的膜中 二、葉綠體的功能二、葉綠體的功能光協作用光協作用 (photosynthesis) 光協作用：綠色植物利用體內的葉綠素吸收光能，光協作用：綠色植物利用體內的葉綠素吸收光能，把二氧化碳和水轉化為有機物，并釋放氧氣的過程把二氧化碳和水轉化為有機物，并釋放氧氣的過程稱為光協作用。稱為光協作用。 Ph

33、otosynthesis:Photosynthesis: (1)(1)光合電子傳送反響光合電子傳送反響光反響光反響(Light Reaction)(Light Reaction) (2)(2)碳固定反響碳固定反響暗反響暗反響(Dark Reaction)(Dark Reaction)一光合色素和電子傳送鏈組分一光合色素和電子傳送鏈組分 1 1光合色素光合色素類囊體中含兩類色素：葉綠素圖7-21和橙黃色的類胡蘿卜素，通常葉綠素和類胡蘿卜素的比例約為3:1，chla與chlb也約為3:l，全部葉綠素和幾乎一切的類胡蘿卜素都包埋在類囊體膜中，與蛋白質以非共價鍵結合，一條肽鏈上可以結合假設干色素分子，

34、各色素分子間的間隔和取向固定，有利于能量傳送。圖7-21 葉綠體分子構造 2 2集光復合體集光復合體light harvesting complexlight harvesting complex 由大約200個葉綠素分子和一些肽鏈構成圖7-22。大部分色素分子起捕獲光能的作用，并將光能以誘導共振方式傳送到反響中心色素。因此這些色素被稱為天線色素。葉綠體中全部葉綠素b和大部分葉綠素a都是天線色素。另外類胡蘿卜素和葉黃素分子也起捕獲光能的作用，叫做輔助色素。 3 3光系統光系統PSPS(P150) (P150) 吸收頂峰為波長吸收頂峰為波長680nm處，又稱處，又稱P680。至少包括。至少包括1

35、2條多肽鏈。位于基粒條多肽鏈。位于基粒與基質非接觸區域的類囊體膜上。包括一個集光復合體與基質非接觸區域的類囊體膜上。包括一個集光復合體light-hawesting comnplex ，LHC 、一個反響中心和一個含錳原子的放氧的復合體、一個反響中心和一個含錳原子的放氧的復合體oxygen evolving complex。D1和和D2為兩條中心肽鏈，結合中心色為兩條中心肽鏈，結合中心色素素P680、去鎂葉綠素、去鎂葉綠素(pheophytin)及質體醌及質體醌(plastoquinone)。 4 4細胞色素細胞色素b6/fb6/f復合體復合體(cyt b6/f complex)(cyt b6

36、/f complex)能夠以二聚體構成存在，每個單體含有四個不同的亞基。細胞色素能夠以二聚體構成存在，每個單體含有四個不同的亞基。細胞色素b6b563、細胞色素、細胞色素f、鐵硫蛋白、以及亞基、鐵硫蛋白、以及亞基被以為是質體醌的結合蛋被以為是質體醌的結合蛋白。白。 5 5光系統光系統PSIPSI(P151) (P151) 能被波長700nm的光激發，又稱P700。包含多條肽鏈，位于基粒與基質接觸區和基質類囊體膜中。由集光復合體和作用中心構成。結合100個左右葉綠素分子、除了幾個特殊的葉綠素為中心色素外外，其它葉綠素都是天線色素。三種電子載體分別為A0一個chla分子)、A1(為維生素K1)及3

37、個不同的4Fe-4S。 二光反響與電子傳送二光反響與電子傳送 在類囊體膜上由光引起的光化學反響，經過葉綠素等光合色素分子吸收、傳送光能，水光解，并將光能轉換為電能生成高能電子，進而經過電子傳送與光合磷酸化將電能轉換為活潑化學能， 構成ATP和NADPH并放出 O2 的過程。包括原初反響、電子傳送和光合磷酸化。 原初反響 原初反響： 葉綠素分子從被光激發至引起第一個光化學反響為止的過程。 包括光能的吸收、傳送、與轉換。 反響過程：光能捕光色素分子反響中心光能的吸收與傳送光能化學能捕光色素： 天線色素 組成：葉綠素a、b、c、d、藻膽素、葉黃素、胡蘿卜素 作用：只具有捕捉、吸收、聚集光能和傳送激發

38、能給 反響中心的作用。無光化學活性。原初反響光協作用單位光協作用單位: 結合在類囊體膜上，能進展光協作用的最小構造單結合在類囊體膜上，能進展光協作用的最小構造單位。固定一個分子的位。固定一個分子的CO2所需的葉綠素約所需的葉綠素約2500個個反響中心色素Chl： 組成：特殊形狀的葉綠素a ，P700 P680 作用：既是光能的捕捉器，具有光化學活性 可將光能轉換為化學能原初反響供體(doner) D 光系統：水 光系統：質體藍素PC 原初反響受體(acceptor): A 光系統：脫鎂葉綠素，Ph ； 光系統：特殊的葉綠素a，A0 反響中心兩個原初反響 光系統葉綠素-蛋白復合物 捕光色素 :

39、反響中心：反響中心色素Chl P700 原初反響受體(acceptor):特殊的葉綠素a，A0 原初反響供體(doner) :質體藍素PC 多個復原中心：Fe-S中心、鐵氧還蛋白Fd中心復合物捕光復合物光系統反響過程捕光色素分子光能 P700光能 P700*PCA0l光系統 葉綠素-蛋白復合物l 捕光色素 :l 反響中心：反響中心色素Chl P680l 原初反響受體 (acceptor) : 去鎂葉綠素，Phl 原初反響供體 (doner) : 水l 葉綠素-蛋白復合體：Mn 、Z、 D1光系統反響過程捕光色素分子光能 P680光能 P680*H2OPh中心復合物捕光復合物 非循環光合磷酸化

40、光系統、光系統收到光激發，使水中的電子傳送給NADP+，電子經過兩個系統，在傳送過程中產生的質子梯度驅動ATP的構成。同時產生復原力NADPH 。電子傳送是一個開放的通道，故稱。磷酸化部位： H2O與 PQ之間； PQ 與Cytbf復合物之間。放出一分子氧構成2.4個ATP循環式光合磷酸化：光系統接受遠紅光后，產生的電子經過A0、A1、Fe-S和Fd，又傳給Cytbf復合物和PC而回流到PS的過程。電子循環流動，產生質子梯度，驅動ATP的構成。小結: 電子傳送引起三個光化學變化. 1. H2O光解放出O2 2. ATP的生成. 3. NADPH的生成. 暗反響暗反響( (碳固定碳固定) )暗反

41、響是指葉綠體利用光反響產生的暗反響是指葉綠體利用光反響產生的NADPHNADPH和和ATPATP的化學能的化學能, ,將將CO2CO2復原合成糖。復原合成糖。CO2CO2復原成糖的反響不需求光復原成糖的反響不需求光, ,故這一故這一反響稱為暗反響。暗反響是在葉綠體基質中進展的。反響稱為暗反響。暗反響是在葉綠體基質中進展的。 在C3途中，由于反響的最初產物3-磷酸甘油酸含三碳化合物,因此,又稱三碳循環,這是卡爾文(Calvin)等在50年代用14C示蹤法研討出來的, 故稱卡爾文循環。可分為三個階段:羧化、復原和RuBP的再生。 CO2的羧化 CO2被復原之前,首先被固定構成羧基,以RuBP作為C

42、O2接受體,在RuBP羧化酶的作用下使RuBP與CO2 反響構成兩分子的3-磷酸甘油酸(PGA)。C3途徑途徑 復原階段復原階段 3- 3-磷酸甘油酸首先在磷酸甘油激酶的催化下被磷酸甘油酸首先在磷酸甘油激酶的催化下被ATPATP磷酸化構成磷酸化構成1.31.3二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸, , 然然后在甘油醛磷酸脫氫酶的催化下被后在甘油醛磷酸脫氫酶的催化下被NADPHNADPH復原成復原成3-3-磷酸甘油醛。這是一個吸能反響磷酸甘油醛。這是一個吸能反響, ,光光反響中構成的反響中構成的ATPATP和和NADPHNADPH主要是在這一階段被利用。所以主要是在這一階段被利用。所以, ,復原反響是光反響

43、和暗反復原反響是光反響和暗反響的銜接點響的銜接點, ,一旦一旦CO2CO2被復原成被復原成3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛, ,光協作用的貯能過程便完成。光協作用的貯能過程便完成。 RuBP的再生 利用已構成的3-磷酸甘油醛經一系列的相互轉變最終再生成5-磷酸核酮糖。然后在磷酸核酮糖激酶的作用下,發生磷酸化作用生成RuBP, 再耗費一個ATP。 綜上所述,三碳循環是靠光反響構成的ATP機NADPH作能源,推進CO2的固定、復原,每循環一次只能固定一個CO2,循環6次,才干把6個CO2分子同化成一個己糖分子。實踐上，經過卡爾文循環，將CO2轉變成葡萄糖通常需求耗費18分子的ATP和12分子的NADP

44、H。維管束鞘細胞：葉脈周圍有一圈含葉綠體的維管束鞘細胞，維維管束鞘細胞：葉脈周圍有一圈含葉綠體的維管束鞘細胞，維管束鞘細胞比較大，其中含有許多比較大的葉綠體。管束鞘細胞比較大，其中含有許多比較大的葉綠體。C4植物的植物的卡爾文循環是在維管束鞘細胞中進展的，所以，卡爾文循環是在維管束鞘細胞中進展的，所以，C4植物進展光植物進展光協作用時，只需維管束鞘細胞中構成淀粉，而葉肉細胞中不構協作用時，只需維管束鞘細胞中構成淀粉，而葉肉細胞中不構成淀粉。相反，成淀粉。相反，C3植物經過光協作用產生的淀粉只存在于葉肉植物經過光協作用產生的淀粉只存在于葉肉細胞中，維管束鞘細胞中那么沒有淀粉。細胞中，維管束鞘細胞

45、中那么沒有淀粉。葉肉細胞：在維管束鞘細胞外的一圈、呈環狀或近似環狀陳列葉肉細胞：在維管束鞘細胞外的一圈、呈環狀或近似環狀陳列的細胞，這層細胞經過大量的胞間連絲與維管束鞘細胞嚴密相的細胞，這層細胞經過大量的胞間連絲與維管束鞘細胞嚴密相連。連。 C4植物葉片內的維管束鞘細胞和這層葉肉細胞組成植物葉片內的維管束鞘細胞和這層葉肉細胞組成“花環型的花環型的構造，這種構造是構造，這種構造是C4植物葉片所特有的。植物葉片所特有的。C4途徑C4途徑: CO2受體？代表植物? 反響部位: 固定部位葉肉細胞 淀粉合成部位維管束鞘細胞 C4植物同化CO2途徑包括C4+C3途徑，C4途徑只起CO2固定作用,而C3途徑

46、起固定和復原CO2的作用。把利用這兩條途徑同化CO2的植物叫C4植物.(玉米、高粱、甘蔗) 在干旱地域生長的景天科、仙人掌科等植物有一個特殊的CO2同化方式：夜間氣孔開放，吸收CO2，在PEPC作用下與糖酵解過程中產生的PEP結合構成OAA，OAA在NADP-蘋果酸脫氫酶作用下進一步復原為蘋果酸，積累于液胞中，表現出夜間淀粉、糖減少，蘋果酸添加，細胞液變酸。白天氣孔封鎖，液胞中的蘋果酸運至細胞質在NAD-或ANDP-蘋果酸酶、或PEP羧激酶催化下氧化脫羧釋放CO2，再由C3途徑同化；脫羧后構成的丙酮酸和PEP那么轉化為淀粉。丙酮酸也可進入線粒體，也被氧化脫羧生成CO2進入C3途徑，同化為淀粉。

47、所以白天表現出蘋果酸減少，淀粉、糖添加，酸性減弱。這種有機酸合成日變化的光合碳代謝類型稱為景天科酸代謝crassulacean acid metabolism,CAM途徑景天科酸代謝途徑景天科酸代謝途徑Crassulacean acid metabolism pathway，CAM途徑：途徑： 磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)+ CO2 草酰乙酸(OAA)蘋果酸積累于液泡中CO2丙酮酸夜間氣孔開放白天氣孔封鎖磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)酸多糖少酸少糖多第三節第三節 線粒體和葉綠體是半自主性細胞器線粒體和葉綠體是半自主性細胞器 線粒體和葉綠體的類似點： 線粒體和葉綠體都是雙層膜細胞器 功能都是轉換能

48、量 線粒體： 把貯藏在有機物中穩定的化學能，轉化成直接能源ATP。 葉綠體： 把光能轉化成化學能ATP、復原力NADPH，同時把這些 不穩定的化學能轉化成穩定的化學能，貯藏在有機物中。 都是半自主細胞器： 線粒體和葉綠體都具有環狀DNA及本身轉錄RNA與翻譯 蛋白質的體系，既具有核外基因及其表達體系。但組成 線粒體和葉綠體蛋白絕大多數是由核基因編碼。 為什么說線粒體和葉綠體是半自主性細胞器？ 1兩種細胞器含有DNA自我復制、轉錄、翻譯所必需的基 本組分。 2兩種細胞器中的蛋白絕大多數是由核基因編碼的。這些 蛋白在細胞質基質中合成，然后被轉運至細胞器中。 3細胞核與細胞器之間存在著親密的、準確的

49、、嚴風格控 的關系。 線粒體和葉綠體的自主性是有限的，對核遺傳 系統有很大的依賴性。 因此，線粒體和葉綠體的增殖和生長受核基因、本身基因兩套遺傳信息的控制，所以稱半自主性細胞器。一、線粒體和葉綠體的DNA 均為環狀雙鏈DNA，與細菌類似。 不同物種細胞中的mtDNA、ctDNA大小不一。 例如： mtDNA：動物細胞中周長多為5um；酵母菌26um。 人類最短; ctDNA： 赤松藻最小，衣藻最大。 核中DNA遠遠大于mtDNA、ctDNA 半保管自我復制方式，受核基因調控。 如：DNA聚合酶由核基因編碼，在細胞質基質中合成。 線粒體和葉綠體的核糖體70S，與細菌類似。二、線粒體和葉綠體的蛋白

50、質合成 研討方法： 用標志氨基酸培育細胞，用氯霉素和放線菌酮分別抑制線粒體或葉綠體、細胞質基質蛋白質的合成，找出線粒體、葉綠體中合成的蛋白。 在線粒體中合成的蛋白只需20多種。 在葉綠體中合成的蛋白60多種。 不同來源的細胞，表達的產物既有共性又有差別。 葉綠體蛋白質組成的來源： ctDNA編碼，葉綠體核糖體合成； 核基因編碼，細胞質中合成； 核基因編碼，葉綠體中合成。三、線粒體和葉綠體蛋白質的轉運線粒體蛋白質的轉運蛋白質合成定位的特點：后轉移方式 轉運前的形狀： 伸展的前體蛋白 N端的蛋白質信號序列稱導肽 前體蛋白=成熟蛋白+導肽 導肽的特點：1多位于N端，約由20個氨基酸，富含精氨酸、帶羥

51、基的 氨基酸。2構成一個兩性的螺旋，帶正電荷的親水氨基 酸和不帶 電荷的疏水氨基酸分別位于的兩側。3對轉運的蛋白質無特異性的要求。 轉運后的形狀: 信號序列在導肽酶的作用下，被切除。 構成的成熟蛋白重折疊。 被轉運蛋白所到達的特定部位： 外膜、內膜、膜間隙、基質。進入不同部位的蛋白具有不同的轉運途徑。信號序列定位轉運裝置信號序列位置位于位于N端，富含帶正電荷的和疏水端，富含帶正電荷的和疏水的氨基酸，形成兩性的氨基酸，形成兩性螺旋，完成螺旋，完成轉運后被切除。轉運后被切除。基質基質TOMTIM23 不被切除，含疏水性的停止轉移序不被切除，含疏水性的停止轉移序列，被安插到外膜。列，被安插到外膜。外

52、膜外膜TOM 被切除，含疏水性的停止轉移序列，被切除，含疏水性的停止轉移序列，被安插到內膜。被安插到內膜。內膜內膜TOMTIM23 含兩個信號序列，首先轉運到基質，含兩個信號序列，首先轉運到基質，第一個信號序列被切除，第二個信第一個信號序列被切除，第二個信號序列引導蛋白進入內膜或膜間隙。號序列引導蛋白進入內膜或膜間隙。內膜內膜膜間膜間隙隙TOMTIM23 結構類似于結構類似于N端信號序列，但位于端信號序列，但位于蛋白質內部。蛋白質內部。內膜內膜TOMTIM23 為線粒體代謝物的轉運蛋白，如腺為線粒體代謝物的轉運蛋白，如腺苷轉位酶，具有多個內部信號序列苷轉位酶，具有多個內部信號序列和停止轉移序列

53、，形成多次跨膜蛋和停止轉移序列，形成多次跨膜蛋白。白。內膜內膜TOMTIM22 蛋白質的轉運涉及轉位因子。蛋白質的轉運涉及轉位因子。蛋白質的轉運涉及多種蛋白復合體，即轉位因子蛋白質的轉運涉及多種蛋白復合體，即轉位因子translocatortranslocator，圖，圖7-287-28，由，由兩部分構成的：受體和蛋白質經過的孔道。主要包括兩部分構成的：受體和蛋白質經過的孔道。主要包括 TOM復合體，擔任經過外膜，進入膜間復合體，擔任經過外膜，進入膜間隙，在酵母中隙，在酵母中TOM70擔任轉運內部具有信擔任轉運內部具有信號序列的蛋白，號序列的蛋白，TOM20擔任轉運擔任轉運N端具有端具有信號序

54、列的蛋白，這兩種蛋白的功能都相信號序列的蛋白，這兩種蛋白的功能都相當于內質網上的當于內質網上的SPR受體，在人類線粒體受體，在人類線粒體中中hTom34的功能與的功能與TOM70相當。相當。TOM復復合體的通道被稱為合體的通道被稱為GIPgeneral import pore，就相當于內質網上的，就相當于內質網上的SEC61復合復合體，主要由體，主要由Tom40構成，構成， 還包括還包括Tom22， Tom7， Tom6和和Tom5；TIM復合體，其中復合體，其中TIM23擔任將蛋白質轉擔任將蛋白質轉運到基質，也可將某些蛋白質安插在內膜；運到基質，也可將某些蛋白質安插在內膜；TIM22擔任將線

55、粒體的代謝物運輸蛋白，擔任將線粒體的代謝物運輸蛋白，如如ADPATP和磷酸的轉運蛋白插入內膜；和磷酸的轉運蛋白插入內膜；OXA復合體：擔任將線粒體本身合成的復合體：擔任將線粒體本身合成的蛋白質插到內膜上，同樣也可使經由蛋白質插到內膜上，同樣也可使經由TOMTIM復合體進入基質的蛋白質插入內膜。復合體進入基質的蛋白質插入內膜。 線粒體蛋白的運送過程 蛋白質解折疊、轉運、重折疊。Simon 布朗棘輪模型主要觀念： 蛋白在轉運孔道內，多肽鏈做布朗運動搖擺不定，一旦前體蛋白進入線粒體腔，立刻有mHsp70結合上去，防止肽鏈退回細胞基質中。隨著肽鏈的進一步延伸，有更多的mHsp結合。線粒體蛋白的運送過程

56、是耗能的過程 解折疊 重折疊 轉運過程：Hsp60Hsp70mHsp70ATPADP + ATP葉綠體蛋白質的轉運葉綠體與線粒體蛋白轉運的一樣點葉綠體與線粒體蛋白轉運的一樣點1 1、蛋白質合成定位的特點：后轉移方式、蛋白質合成定位的特點：后轉移方式2 2、通常前體蛋白、通常前體蛋白N N端具有蛋白質信號序端具有蛋白質信號序列轉運肽，完成轉運后被信號肽酶列轉運肽，完成轉運后被信號肽酶切除切除3 3、每一種膜上有特定的轉位因子、每一種膜上有特定的轉位因子 外膜的轉位因子被稱為外膜的轉位因子被稱為TOCTOC復合體復合體 內膜的轉位因子被稱為內膜的轉位因子被稱為TICTIC復合體。復合體。4 4 、內外膜具有接觸點、內外膜具有接觸點contact contact sitesite；5 5、需求能量，同樣利用、需求能量，同樣利用ATPATP和質子動力和質子動力勢。勢。 不同點：不同點： 轉運到葉綠體類囊體腔轉運到葉綠體類囊體腔 前體蛋白含有兩個前體蛋白含有兩個N N端信號序列，第一個端信號序列，第一個被切除后，暴顯露第二個信號序列，將蛋被切除后，暴顯露第二個信號序列，將蛋白導向內膜或類囊體膜。白導向內膜或類囊體