细胞生物学-第6章-细胞的能量转换──线粒体和叶绿体.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,6,章 线粒体和叶绿体,Figure 14-37,Molecular Biology of the Cell,(Garland Science 2008),本章主要内容,线粒体与氧化磷酸化,叶绿体与光合作用,线粒体和叶绿体的半自主性及其起源,第一节 线粒体与氧化磷酸化,1890,年,R.Altaman,首次发现线粒体，命名为生命小体（,bioblast,），认为它可能是共生于细胞内独立生活的细菌。,1897,年,von Benda,首次提出,mitochondrion,。,1900,年,L.Michaelis,用,Janus Green B,对线粒体进行染色，发现线粒体具有氧化作用。,Green,（,1948,）证实线粒体含所有三羧酸循环的酶。,Kennedy,和,Lehninger,（,1949,）发现脂肪酸氧化为,CO,2,的过程是在线粒体内完成的。,Hatefi,等（,1976,）纯化了呼吸链四个独立的复合体。,Mitchell,（,1961,1980,）提出了氧化磷酸化的化学偶联学说。,一、线粒体的形态结构,1,、线粒体的形态,颗粒或短线,状。但因生物种类和生理状态而异，可呈环形，哑铃形、线状、分叉状或其它形状。,直径,0.5,1m,，长,1.5,3.0m,，在胰脏外分泌细胞中可长达,10,20m,，称巨线粒体。,数目一般数百到数千个，植物因有叶绿体的缘故，线粒体数目相对较少；肝细胞约,1700,个线粒体，占细胞体积的,20%,，,许多哺乳动物成熟的红细胞无线粒体。,（一）线粒体的形态、大小、数量与分布,分布与细胞内的能量需求密切相关。可向细胞功能旺盛的区域迁移，微管是其导轨、马达蛋白提供动力。,2,、线粒体的分布,Figure7-4,Relationship between mitochondria and microtubules.,鞭毛轴丝,肌原纤维,线粒体的,数目呈动态变化,并接受调控；与细胞类型相关，,随着细胞分化而变化,An TEM,image of mitochondrion,Figure,7-3,Mitochondrial plasticity.,Rapid changes of shape are observed when a mitochondrion is visualized in a living cell.,融合与分裂的动态变化之中,线粒体融合与分裂是线粒体,形态调控的基本方式,，也是线粒体,数目调控的基础,Schematic view of mitochondrion,（二）线粒体的超微结构,线粒体由内外两层膜封闭，包括外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区隔。,A,、,B,扫描电镜照片：示线粒体内部结构,二、线粒体的超微结构,外膜,通透性很高；孔蛋白；标志酶是,单胺氧化酶,内膜,不透性；嵴；,ATP,合酶；标志酶是,细胞色素氧化酶,；氧化磷酸化的关键场所,膜间隙,标志酶是,腺苷酸激酶,线粒体基质,催化线粒体重要生化反应；标志酶是,苹果酸脱氢酶,；含,DNA,、,RNA,、核糖体及转录、翻译必需重要分子,1,、外膜,(out membrane),含,40%,的脂类和,60%,的蛋白，具有,porin,构成的亲水通道，允许分子量,5KD,的分子通过，,1KD,的分子可自由通过。,标志酶为单胺氧化酶。,2,、内膜（,inner membrane,）,含,100,种以上的多肽，蛋白质和脂类的比例高于,3:1,。心磷脂含量高达,20%,、缺乏胆固醇，类似于细菌质膜。标志酶为,细胞色素,C,氧化酶。,氧化磷酸化的电子传递链位于内膜。,通透性很低，仅允许不带电荷的小分子物质通过。大分子和离子通过内膜时需要特殊的转运系统。如：丙酮酸和焦磷酸是利用,H,+,梯度协同运输。,内膜向线粒体内室褶入形成,嵴,（,cristae,），能扩大内膜表面积达,510,倍，嵴有两种：,板层状、管状。但多呈板层状。,嵴上覆有基粒。基粒由头部（,F,1,偶联因子）和基部（,F,0,偶联因子）构成，,F,0,嵌入线粒体内膜。,孔蛋白,肽聚糖,3,、膜间隙,(intermembrane space),：,是内外膜之间的腔隙，宽约,6-8nm,。标志酶为,腺苷酸激酶,。,4,、基质（,matrix,）,为内膜和嵴包围的空间。除糖酵解在细胞质中进行外，其他的生物氧化过程都在线粒体中进行。催化三羧酸循环，脂肪酸和丙酮酸氧化的酶类均位于基质中，其标志酶为,苹果酸脱氢酶,。,基质具有一套完整的转录和翻译体系。包括线粒体,DNA,（,mtDNA,），,70S,型核糖体，,tRNAs,、,rRNA,、,DNA,聚合酶、氨基酸活化酶等。,基质中还含有纤维丝和电子密度很大的致密颗粒状物质，内含,Ca,2+,、,Mg,2+,、,Zn,2+,等离子,蛋白质,(,线粒体干重的,65,70,),脂类,(,线粒体干重的,25,30,),：,磷脂占,3/4,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,:,0.3:1,（内膜）；,1:1,（外膜）,二、线粒体的化学组成及酶的定位,三、线粒体的功能,线粒体主要功能是进行氧化磷酸化，合成,ATP,，为细胞生命活动提供直接能量；与细胞中氧自由基的生成、细胞凋亡、细胞的信号转导、细胞内多种离子的跨膜转运及电解质稳态平衡的调控有关。,（一）氧化磷酸化的分子基础,动物细胞中,80%,的,ATP,来源于线粒体，糖、脂肪和氨基酸彻底氧化，电子经过一系列的传递，传至氧分子，逐级释放能量，合成,ATP,。,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,。,氧化,(,电子传递，消耗氧,),与磷酸化,(ADP+Pi),是同时进行，密切偶连在一起的，但却由两个不同的结构体系执行。,1,、电子传递链,是指在线粒体内膜上由呼吸传递体组成的电子传递总轨道。主要是氧化磷酸化有关的脂蛋白复合物，能可逆地接受和释放电子或,H,+,。,（,1,）呼吸链电子载体,主要有：黄素蛋白、细胞色素、铜原子、铁硫蛋白、,辅酶,Q,等。,NAD,：,即,烟酰胺嘌呤二核苷酸,，连接三羧酸循环和呼吸链，将代谢过程中脱下来的氢交给黄素蛋白。,黄素蛋白：,含,FMN,或,FAD,的蛋白，可接受,2,个电子,2,个质子。黄素相关的脱氢酶类有：,-,以,FMN,为辅基的,NADH,脱氢酶。,-,以,FAD,为辅基的,琥珀酸脱氢酶,。,（,2,）呼吸链的复合物,呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列。,（,2,）呼吸链的复合物,利用,脱氧胆酸,（,deoxycholate,，一种离子型去污剂）处理线粒体内膜、分离出呼吸链的,4,种复合物,。,辅酶,Q,和细胞色素,C,不属于任何一种复合物,。辅酶,Q,溶于内膜、细胞色素,C,位于线粒体内膜的,C,侧，属于膜的外周蛋白。,组成：,42,条肽链，呈,L,型，含一个,FMN,和至少,6,个铁硫蛋白，分子量约,1MD,，以二聚体形式存在。,作用：,催化,NADH,的,2,个电子传递至,辅酶,Q,，同时将,4,个质子,由线粒体基质（,M,侧）转移至膜间隙（,C,侧）。,电子传递的方向：,NADHFMNFe-SQ,总的反应结果：,NADH+5H,+,M,+QNAD,+,+QH,2,+4H,+,C,复合物,I,：,NADH,脱氢酶,组成,：至少由,4,条肽链，含有,1,个,FAD,，,2,个铁硫蛋白，,1,个细胞色素,b,。,作用,：催化琥珀酸的低能电子至辅酶,Q,，但,不跨膜转移质子。,电子传递的方向为：琥珀酸,FADFe-SQ,。,反应结果为：琥珀酸,+Q,延胡索酸,+QH2,复合物,II,：琥珀酸脱氢酶,复合物,III,：细胞色素,c,还原酶。,组成：,至少,11,条不同肽链，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素,b,（,b566,、,b562,）、一个铁硫蛋白和一个细胞色素,c,1,。,作用：,催化电子从辅酶,Q,传给细胞色素,c,，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。,2,还原态,cyt c1+QH,2,+2 H,+,M,2,氧化态,cyt c1+Q+4H,+,C,组成,：,为二聚体，每个单体含至少,13,条肽链，分为三个亚单位。,作用,：将从细胞色素,c,接受的电子传给氧，每转移一对电子，在基质侧消耗,2,个质子，同时转移,2,个质子至膜间隙。,cyt cCuAheme aa,3,-CuBO,2,4,还原态,cyt c+8 H,+,M,+O,2,4,氧化态,cyt c+4H,+,C,+2H,2,O,复合物,IV,：细胞色素,c,氧化酶,A.Molecular basis of oxidation:Electron-transport chain,（,3,）电子传递过程中，需要说明的几点：,四种类型电子载体：,黄素蛋白、细胞色素,(,血红素基团,Fe),、,Fe-S,中心、辅酶,Q,。,前三种与蛋白质结合,，辅酶,Q,为脂溶性醌。,电子传递起始于,NADH,脱氢酶催化,NADH,氧化，形成高能电子,(,能量转化,),，终止于,O,2,形成水。,电子传递方向按氧化还原电势递增的方向传递,(NAD,+,/NAD,最低，,H,2,O/O,2,最高,),高能电子释放的能量驱动线粒体内膜三大复合物,(H,+,-,泵,),将,H,+,从基质泵到膜间隙,，形成跨线粒体内膜,H,+,梯度,(,能量转化,),电子传递链各组分在膜上不对称分布,由复合物,I,、,III,、,IV,组成主要的呼吸链，催化,NADH,的脱氢氧化。,由复合物,II,、,III,、,IV,组成，催化琥珀酸的脱氢氧化。,对应于每个复合物,，大约需要,3,个复合物,，,7,个复合物,，任何两个复合物之间没有稳定的连接结构，而是,由辅酶,Q,和细胞色素,C,这样的可扩散性分子连接,。呼吸链组分及,ATP,酶在线粒体内膜上呈不对称分布，如细胞色素,C,位于线粒体内膜的,C,侧（向细胞质的一侧），而,ATP,酶位于内膜的,M,侧（向线粒体基质的一侧）。,（,4,）两条主要的呼吸链,图,7-11,两条主要的呼吸链（引自,Lodish,等,1999,）,Transport of electrons from NADH,Transport of electrons from FADH,2,状如蘑菇，属于,F,型质子泵,。,分为突出于,膜外的,F,1,头部,和嵌入,膜中的,F,0,基部,。,F,1,由,5,种多肽组成,3,3,复合体,，,具有三个,ATP,合成的催化位点（每个,亚基具有一个）。,亚基有水解酶活性。,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,F,0,接触，,(,艾普西龙）,帮助,与,F,0,结合。,(,代尔塔,),与,F,0,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）。,F,0,由三种多肽组成,ab,2,c,12,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。,工作特点,：,可逆性复合酶，即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。,2,、,ATP,合酶的分子结构与组成,（,1,）,ATP,合酶（,ATP synthase,）,F,1,particle is the catalytic subunit;,The F,0,particle attaches to F,1,and is embedded in the inner membrane.,F,1,:5 subunits in the ratio 3,:3:1:1:1,F,0:,1a,：,2b,：,12c,The structure of the ATP synthase,F1,F0,The ATP synthase is a reversible coupling device,（二）氧化磷酸化的偶联机制,1,、化学渗透假说内容,电子传递链各组分在线粒体内膜中不对称分布，当高能电子沿其传递时，所释放的能量将,H,+,从基质泵到膜间隙，形成,H,+,电化学梯度。在这个梯度驱使下，,H,+,穿过,ATP,合成酶回到基质，同时合成,ATP,，电化学梯度中蕴藏的能量储存到,ATP,高能磷酸键。,C.Mithchells Chemiosmotic theory (1961),The pH and electrical gradient resulting from transport of protons links oxidation to phosphorylation.,When electrons are passed to carriers only able to accept electrons,the H,+,is translocated across the inner membrane.,More than 2,10,26,molecules(,160kg,)of ATP per day in our bodies.,P.Mitchell,（,1961,）提出,“,化学渗透假说,”,。认为：,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（,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，即质子动力势（,P,）。,P=,(2.3RT/F)pH,其中：,pH=pH,梯度，,=,电位梯度，,T=,绝对温度，,R=,气体常数，,F,为法拉第常数，当温度为,25,时,P,的值为,220mV,左右。,2,、质子动力势，,proton-motive force,Summary of the major activities during aerobic respiration in a mitochondrion,NADH,O,2,:3ATP/2e;,FADH,2,O,2,:2ATP/2e,有氧的,质子动力势乃,ATP,合成的动力,膜应具有完整性,电子传递与,ATP,合成是两件,相关而又不同的事件,3,、支持化学渗透假说的,实验证据,Figure7-26,An experiment demonstrating that the ATP synthase is driven by proton flow.,By combining,a light-driven bacterial proton pump(bacteriorhodopsin,),an ATP synthase purified from ox heart mitochondria,and phospholipids,vesicles were produced that synthesized ATP in response to light.,实验表明：,噬菌调理素,（三）,ATP,合成机制,-,结合变构机制,1979,，,Boyer P,提出,1,ATP,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,2,F,1,具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同。在,L,构象,（,loose,），,ADP,、,Pi,与酶疏松结合在一起；在,T,构象,（,tight,）底物（,ADP,、,Pi,）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在,O,构象,（,open,）,ATP,与酶的亲和力很低，被释放出去。,3,质子通过,F,0,时，引起,c,亚基构成的环旋转，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,。,Direct experimental evidence supporting the rotational catalysis.,Japan researcher,Nature 386:300,1997.,亚单位相对于,亚单位旋转的直接实验证据：,日本的吉田（,Massasuke Yoshida,）等人将,3,3,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。,四、线粒体与疾病,线粒体病,（,mitochondrial disease,）,Symptoms of Mitochondrial Disease,三亲婴儿,All mitochondria inherited from your mother,第二节 叶绿体与光合作用,Figure 14-38,Molecular Biology of the Cell,(Garland Science 2008)Figure 14-3b Molecular Biology of the Cell(Garland Science 2008),一切生命活动所需的能量几乎均来源于太阳能（光能）。绿色植物是主要的能量转换者是因为它们均含有叶绿体（,Chloroplast,）这一完成能量转换的细胞器，它能利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同时产生氧。所以绿色植物的光合作用是地球上有机体生存、繁殖和发展的根本源泉。,光合作用反应式,绿色植物年产干物质达,10,14,公斤。,光合作用是地球上有机体生存和发展的根本源泉。,状如透镜，长径,510,m,，短径,24,m,，厚,23,m,。叶肉细胞含,50200,个叶绿体，占细胞质的,40%,。,由外被（,chloroplast envelope,）、类囊体（,thylakoid,）和基质（,stroma,）,3,部分组成。,含有,3,种不同的膜：外膜、内膜、类囊体膜，,3,种彼此分开的腔：膜间隙、基质和类囊体腔。,一、形态与结构,一、叶绿体的基本形态及动态特征,Figure 14-36,Molecular Biology of the Cell,(Garland Science 2008),（一）叶绿体的形态、分布及数目,叶绿体呈凸透镜或铁饼状,叶绿体在细胞膜下的分布依光照情况而变化,躲避响应,（,avoidance response,）,积聚响应,（,accumulation response,）,叶绿体定位,（,chloroplast positioning,）,双层膜组成，膜间为,1020nm,的间隙。,外膜的渗透性大。,内膜对通过物质的选择性很强，,CO,2,、,O,2,、,Pi,、,H,2,O,、等可以透过内膜，,ADP,、,ATP,、,NADP,+,、葡萄糖等及焦磷酸不能透过内膜，需要特殊的转运体（,translocator,）才能通过内膜。,（一）叶绿体膜,是,单层膜,围成的扁平小囊，沿叶绿体的长轴平行排列。,光能向化学能的转化是在类囊体上进行的,，因此,类囊体膜亦称光合膜,。,基粒：,许多类囊体象圆盘一样叠在一起的结构，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（,grana lamella,）。,基质类囊体,：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。它们形成了内膜系统的基质片层（,stroma lamella,）。,类囊体膜的主要成分是蛋白质和脂类（,60,：,40,），脂类中的脂肪酸主要是,不饱含脂肪酸,（约,87%,），具有较高的流动性。膜的内在蛋白主要有：细胞色素,b6,f,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,、,II,复合物等。,（二）类囊体,是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。,叶绿体,DNA,、蛋白质合成体系。,一些颗粒成分：如淀粉粒、质体小球和植物铁蛋白等。,（三）基质,光合作用机理,光合作用是能量及物质的转化过程。首先光能转化成电能，经电子传递产生,ATP,和,NADPH,形式的不稳定化学能，最终转化成稳定的化学能储存在糖类化合物中。分为,光反应,（,light reaction,）和,暗反应,（,dark reaction,），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,CO,2,的固定。分为,C,3,和,C,4,两类,。,二、叶绿体的功能,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,(Dark Reaction),（一）光合色素和电子传递链组分,1,光合色素,类囊体中含两类色素：叶绿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。,2,集光复合体（,light harvesting complex,，,LHC,）,由大约,200,个叶绿素分子和一些肽链构成。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,b,和大部分叶绿素,a,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,。,图,7-22,集光复合体,叶绿体分子结构,集光复合体（,LHC,）,3,光系统,（,PS,），,又称,P680,吸收高峰为波长,680nm,处。至少包括,12,条多肽链。位于,基粒与基质非接触区域的类囊体膜上。,包括,1,个集光复合体,（,light-hawesting comnplex,，,LHC,）、,1,个反应中心和,1,个含锰原子的放氧复合体（,oxygen evolving complex,）。,D,1,和,D,2,为两条核心肽链，结合中心色素,P680,、去镁叶绿素,(pheophytin),及质体醌,(plastoquinone),。,4,细胞色素,b,6,/f,复合体,(cyt b,6,/f complex),可能以二聚体形成存在，每个单体含有,4,个不同的亚基：,细胞色素,b,6,（,b,563,）、细胞色素,f,、铁硫蛋白、以及亚基,（是质体醌的结合蛋白）。,5,光系统,（,PSI,）,，,又称,P700,能被波长,700nm,的光激发。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,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，其它叶绿素都是天线色素。三种电子载体分别为,A,0,（一个,chla,分子,),、,A,1,(,为维生素,K,1,),及,3,个不同的,4Fe-4S,。,1,、,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,D,1,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。,2H,2,OO,2,+4H,+,+4e,2,、去镁叶绿素将电子传给,D,2,上结合的,Q,A,，,Q,A,又迅速将电子传给,D,1,上的,Q,B,，还原型的质体醌从光系统,复合体上游离下来，另,1,个氧化态的质,体醌占据其位置形成新的,Q,B,。质体醌将电子传给,细胞色素,b,6,/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,的含铜的蛋白,质体蓝素,(plastocyanin,，,PC),中的,Cu,2+,，再将电子传递到,光系统,。,（二）,光反应,与电子传递,3,、,P700,被光能激发后释放出来的高能电子沿着,A,0,A,1,4Fe-4S,的方向依次传递，从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。,电子传递的特点,-,最初电子供体是,H,2,O,，最终电子受体是,NADP,+,。,-,电子传递链中唯一的,H,+,-pump,是,cytb,6,f,复合物。,-,类囊体腔的质子梯度比叶绿体基质高，该梯度产生的,原因归功于：,H,2,O,光解、,cytb,6,f,的,H,+,-pump,、,NADPH,的形成。,-ATP,、,NADPH,在叶绿体基质中形成。,Changes in redox potential during photosynthesis.,PSI and PSII,3,、光合磷酸化,（,1,）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,H,2,O,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,ATP,。,（,2,）,ATP,合酶，即,CF,1,-F,0,偶联因子，结构类似于线粒体,ATP,合酶。,CF,1,同样由,5,种亚基组成,3,3,的结构。,CF,0,嵌在膜中，由,4,种亚基构成，是质子通过类囊体膜的通道。,（,3,）,光合磷酸化类型：,电子沿光合电子传递链传递时，分为非循环式光合磷酸化和循环式光合磷酸化两条通路。,-,电子呈,Z,形传递的过程称为,非循环式光合磷酸化,-,当植物在缺乏,NADP,+,时，高能电子在,PS,被光能激发后经,cytb,6,f,复合物回到,PS,。结果是不裂解,H,2,O,产生,O,2,，不形成,NADPH,，只产生,H,+,跨膜梯度，即能合成,ATP,，称为,循环式光合磷酸化,。,Light-dependent reaction:Electron transport in the thylakoid membrane and noncyclic photophosphorylation,:,利用光反应产生的,ATP,和,NADPH,，使,CO,2,还原为糖类等有机物，即将活跃的化学能最后转换为稳定的化学能，积存于有机物中。这一过程不直接需要光,(,在叶绿体基质中进行,),。,1,、,卡尔文循环,（,Calvin cycle,）（,C,3,途径）：,CO,2,受体为,RuBP,，最初产物为,3-,磷酸甘油酸,(PGA),。,2,、,C,4,途径,（亦称哈奇,-,斯莱克,(Hatch-Slack),途径）：,CO,2,受体为,PEP,，最初产物为草酰乙酸,(OAA),。,3,、,景天酸代谢途径,（,Crassulacean acid metabolism pathway,，,CAM,途径）：夜间固定,CO,2,产生有机酸，白天有机酸脱羧释放,CO,2,，进行,CO,2,固定。,（三）暗反应,(,碳固定,),1,、,C,3,途径,磷酸丙糖,第三节 线粒体和叶绿体是半自主性细胞器,半自主性细胞器的概念：,自身含有遗传表达系统,(,自主性,),；但编码的,遗传信息十分有限，其,RNA,转录、蛋白质翻译、自身构建和功能发,挥等必须依赖核基因组编码的遗传信息,(,自主性有限,),。,线粒体与叶绿体都是细胞内进行能量转换的场所，两者在结构上具,有一定的相似性：,均由两层膜包被而成，但内外膜的性质、结构有显著的差异。,均为半自主性细胞器，具有自身的,DNA,和蛋白质合成体系。因此,绿色植物的细胞内存在,3,个遗传系统。,A.Comparison of a mitochondrion and a chloroplast.,叶绿体内膜并不向内折叠成嵴；内膜不含电子传递链；除了膜间隙、基质外，还有类囊体腔；捕光系统、电子传递链和,ATP,合成酶都位于类囊体膜上。,线粒体,叶绿体,基质,基质,外膜,内膜,类囊,体膜,ATP,合成酶,一、线粒体和叶绿体的,DNA,（一）,mtDNA/ctDNA,形状、数量、大小,双链环状,(,除绿藻,mt DNA,，草履虫,mt DNA),mtDNA,大小在动物中变化不大，但在植物中变化较大；高等植物,120 kbp200 kbp,；,人,mtDNA,：,16,569bp,，,37,个基因（编码,12S,，,16S rRNA,；,22,种,tRNA,；,13,种多肽：,NADH,脱氢酶,7,个亚基，,cyt b-c1,复合物中,1,个,cytb,，细胞色,素,C,氧化酶,3,个亚基，,ATP,合成酶,2,个,F,0,亚基）,（二）,mtDNA,和,ctDNA,以半保留方式进行自我复制,（三）,mtDNA,复制的时间主要在细胞周期的,S,期及,G2,期，,DNA,先复制，,随后线粒体分裂。,ctDNA,复制的时间在,G1,期。复制仍受核控制。,二、线粒体与叶绿体的蛋白质合成,线粒体和叶绿体合成蛋白质的种类十分有限,线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性,不同来源的线粒体基因，其表达产物既有共性，也存在差异,参加叶绿体组成的蛋白质来源有种情况：,由,ctDNA,编码，在叶绿体核糖体上合成；,由核,DNA,编码，在细胞质核糖体上合成；,由核,DNA,编码，在叶绿体核糖体上合成。,酵母线粒体的主要酶复合物的生物合成,线粒体或叶绿体蛋白质合成体系对核基因组具有依赖性,柠檬酸,三、线粒体和叶绿体蛋白质的运送与组装,（一）线粒体蛋白质的转运,线粒体具有,1000,多种蛋白质，其自身合成的仅十余种，因此大量蛋白质是在细胞质中合成的。,线粒体前体蛋白质在运输以前，以未折叠的形式存在，,N,端有一段信号序列称为,导肽或引肽,，完成转运后被信号肽酶（,signal peptidase,）切除，就成为成熟蛋白，这种现象就叫做,后转译,（,posttranslation,）。信号肽的特点是：,多位于肽链的,N,端，由大约,20,个氨基酸构成；,形成一个两性,螺旋，带正电荷的氨基酸残基和不带电荷的疏水氨基酸残基分别位于螺旋的两侧；,对所牵引的蛋白质没有特异性要求。,定位于线粒体,基质,的蛋白跨膜转运过程图解,二、叶绿体的蛋白质转运,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（,TOC,、,TIC,、,SEC,）；,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。,但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。,第四节 线粒体和叶绿体的增殖与起源,一、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：,1,、间壁分离：,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。,2,、收缩后分离：,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。,3,、出芽：,见于酵母和藓类植物，线粒体出现小芽，脱落后长大，发育为线粒体。,二、叶绿体的增殖,在个体发育中叶绿体由,原质体,发育而来。原质体存在于根和芽的分生组织中，由双层被膜包围，,含有,DNA,，一些小泡和淀粉颗粒结构,，但不含片层结构，,小泡是由质体双层膜的内膜内折形成的,。,在,有光条件,下,原质体的小泡,数目增加并融合形成片层，多个片层平行排列成行，在某些区域增殖，,形成基粒，变成绿色,，原质体发育成叶绿体。,在,黑暗生长,时，原质体小泡融合速度减慢，并转变为排列成网格的小管的三维晶格结构，称为,原片层,，这种质体称为,黄色体,。,黄色体在有光,的情况下原片层弥散形成类囊体，进一步发育出基粒，变为叶绿体。,幼小叶绿体能靠分裂而增殖。,成熟叶绿体一般不再分裂或很少分裂。,三、线粒体和叶绿体的起源,内共生起源学说（,endosymbiosis hypothesis),非共生起源学说,（一）内共生起源学说,1,、,Mereschkowsky,，,1905,年：叶绿体起源于细胞内共生的蓝藻。,2,、,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的蓝细菌（,Cyanobacteria,），即蓝藻。,3,、内共生起源学说的主要论据,基因组在,大小,、形态和结构方面与细菌相似。,有自己完整的蛋白质合成系统，能独立合成蛋白质，,蛋白质合成机制,有,很多类似细菌,而不同于真核生物。,两层被膜有不同的进化来源，外膜与细胞的内膜系统相似，,内膜与细菌质膜相似,。,以分裂的方式进行繁殖，,与细菌的繁殖方式相同,。,能在异源细胞内长期生存，说明线粒体和叶绿体具有自主性与共生性的特征。,线粒体的祖先很可能来自反硝化副球菌或紫色非硫光合细菌。,发现介于胞内共生蓝藻与叶绿体之间的结构,-,蓝小体,，其特征在很多方面可作为原始蓝藻向叶绿体演化的佐证。,环形,DNA,；,70S,核糖体；,RNA,聚合酶可被利福平、链霉素等抑制；,tRNA,和氨酰基,-tRNA,合成酶不同于细胞质中的；,蛋白质合成的起始氨酰基,tRNA,是,N-,甲酰甲硫氨酰,tRNA,；对细菌蛋白质合成抑制剂氯霉素敏感；对细胞质蛋白合成抑制剂放线菌酮不敏感。,线粒体类似于细菌的特征：,4,、不 足 之 处,从进化角度，不能解释在代谢上明显占优势的共生体反而将大量的遗传信息转移到宿主细胞中？,不能解释细胞核是如何进化来的，即,原核细胞如何演化为真核细胞,？,线粒体和叶绿体的基因组中,存在内含子,，而真细菌原,核生物基因组中不存在内含子，如果同意内共生起源,学说的观点，那么线粒体和叶绿体基因组中的,内含子,从何发生,？,（二）非共生起源学说,1,、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。,2,、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。,3,、不足之处,实验证据不多,无法解释为何线粒体、叶绿体与细菌在,DNA,分,子结构和蛋白质合成性能上有那么多相似之处,对线粒体和叶绿体的,DNA,酶、,RNA,酶和核糖体,的来源也很难解释。,真核细胞的细胞核能否起源于细菌的核区？,