細胞生物學第六章

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(nèi)的兩種產(chǎn)能細胞器。線粒體和葉綠體是細胞內(nèi)的兩種產(chǎn)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合作用葉綠體與光合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起源線粒體和葉綠體的增殖與起源第一節(jié)第一節(jié) 線粒體與氧化磷酸化線粒體與氧化磷酸化線粒體的形態(tài)結構線粒體的形態(tài)結構線粒體的化學組成及酶的定位線粒體的化學組成及酶的定位氧化磷酸化氧化磷酸化一、線粒體的形態(tài)結構一、線粒體的形態(tài)結構1.1 1.1 線粒體的發(fā)現(xiàn)與功能研究線粒體的發(fā)現(xiàn)與功能研究 1890年年r

2、. altaman首次動物細胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)線粒體，命名為首次動物細胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)線粒體，命名為bioblast。1897年年benda首次將這種顆粒命名為首次將這種顆粒命名為mitochondrion。1900年年l. michaelis用用janus green b對線粒體進行活體染色，發(fā)現(xiàn)線對線粒體進行活體染色，發(fā)現(xiàn)線粒體中可進行氧化粒體中可進行氧化- -還原反應。還原反應。1948年，年，green證實線粒體含所有三羧酸循環(huán)的酶證實線粒體含所有三羧酸循環(huán)的酶1943-19501943-1950年，年，kennedy和和lehninger 發(fā)現(xiàn)線粒體內(nèi)完成的，脂肪酸氧發(fā)現(xiàn)線粒體內(nèi)完成的，脂肪酸氧化、氧

3、化磷酸化?；?、氧化磷酸化。在在hatefi等（等（1976）純化了呼吸鏈四個獨立的復合體。）純化了呼吸鏈四個獨立的復合體。mitchell（19611980）提出了氧化磷酸化的化學偶聯(lián)學說。）提出了氧化磷酸化的化學偶聯(lián)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 線粒體的形態(tài)結構線粒體的形態(tài)結構 線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布線粒體的形態(tài)、大小、數(shù)量與分布 線粒體一般呈粒狀或桿狀，但因生物種類和生理狀態(tài)而異，可呈環(huán)形，啞鈴形、線狀、分杈狀或其它形狀。數(shù)目一般數(shù)百到數(shù)千個，線粒體通常

4、分布在細胞功能旺盛的區(qū)域。 線粒體的線粒體的超微結構超微結構 外膜(outer membrane）：含孔蛋白(porin)，通透性較高。 內(nèi)膜（inner membrane）：高度不通透性，向內(nèi)折疊形成嵴（cristae），嵴能顯著擴大內(nèi)膜表面積（達510倍）。含有與能量轉換相關的蛋白 （執(zhí)行氧化反應的電子傳遞鏈酶系、 atp合成酶、線粒體內(nèi)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(huán)、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(nèi)膜向線粒體基質褶入形成嵴（內(nèi)膜向線粒

5、體基質褶入形成嵴（cristae），），嵴能顯著擴大內(nèi)膜表面積（達510倍），嵴有兩種類型：嵴有兩種類型：板層狀（圖板層狀（圖7-1）、）、管狀（圖管狀（圖7-3），），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(lián)偶聯(lián)因子）和基部（因子）和基部（f0偶聯(lián)因子）構成，偶聯(lián)因子）構成，f0嵌入線粒體內(nèi)膜。嵌入線粒體內(nèi)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6570)。線粒體的蛋白質分為可溶性和不溶性的?？扇苄缘牡鞍踪|主要是基質的酶和膜的

6、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， 也有一些是酶蛋白。脂脂類類(線粒體干重的2530)： 磷脂占磷脂占3/43/4以上，外膜主要是卵磷脂，內(nèi)膜主要是心磷脂。以上，外膜主要是卵磷脂，內(nèi)膜主要是心磷脂。 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(nèi)膜）；（內(nèi)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，通過對半透性的研究導致線粒體各組很早就認識到線粒體的膜具有半透性，通過對半透性的研究導致線粒體各組分分離方法的建立。分分離方法的建立。 線粒體通透

7、性研究線粒體通透性研究 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(nèi)部蔗糖的平均濃度，結果只有體內(nèi)部蔗糖的平均濃度，結果只有50 mm50 mm， 比環(huán)境比環(huán)境中蔗糖的濃度低。中蔗糖的濃度低。線粒體外膜對蔗糖是通透的，而線粒體外膜對蔗糖是通透的，而內(nèi)膜對蔗糖是不通透的內(nèi)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，達到平衡;右:將線粒體從蔗糖溶液中取出，測定線粒體中蔗糖的濃度

8、。如果測得線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(nèi)膜對蔗糖不通透，所以測得的線粒體平均濃度只有50 mm。 線粒體各組分的分離線粒體各組分的分離 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(nèi)膜和基質線粒體內(nèi)膜和基質(線粒體質線粒體質)仍結合在一起，通仍結合在一起，通過離心可將線粒體質分離。用去垢劑毛地黃皂苷過離心可將線粒體質分離。用去垢劑毛地黃皂苷處理線粒體質，破壞線粒體內(nèi)膜，釋放線粒體基處理線粒體質，破壞線粒體內(nèi)膜，釋放線粒體基質，破裂的內(nèi)膜重新閉合形成小

9、泡，其表面有質，破裂的內(nèi)膜重新閉合形成小泡，其表面有f1顆粒。顆粒。 由于線粒體外膜的通透性比內(nèi)膜高，利用這一性質，donal parsons 和他的同事最先建立了分離線粒體內(nèi)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、電解質穩(wěn)態(tài)平衡調(diào)控、鈣的穩(wěn)態(tài)調(diào)控 進行氧化磷酸化，合成進行氧化磷酸化，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nadh或fadh2經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧形成水時，同時伴有adp磷酸化形成atp，這一過程稱

10、為氧化磷酸化氧化磷酸化。什么是呼吸鏈：什么是呼吸鏈： 在線粒體內(nèi)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(nèi)膜上相互關聯(lián)地有序排列，稱為電子傳遞鏈（電子傳遞鏈（electron-transport chain）或呼吸鏈（呼吸鏈（respiratory chain）。）。三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化（一）氧化磷酸化的分子基礎（一）氧化磷酸化的分子基礎電子載體電子載體呼吸鏈電子載體主要有：呼吸鏈電子載體主要有：黃素蛋白、細胞色素、銅原子、鐵硫黃素蛋白、細胞色素、銅原子、鐵硫蛋白、輔酶蛋白、輔酶q q等。等。 1.1. nadn

11、ad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(nèi)很多脫氫酶的輔酶，連接三羧酸循環(huán)內(nèi)很多脫氫酶的輔酶，連接三羧酸循環(huán)和呼吸鏈，和呼吸鏈，其功能是將代謝過程中脫下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的結構和功能（nad：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。個質子。呼吸鏈上具有呼吸鏈上具有fmn為輔

12、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) 的分子結構 圖7-6 fad ( flavin adenine dinucleotide)的分子結構 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），以共價形式與蛋白結合，），以共價形式與蛋白結合，通通fe3+、fe2+形式變化形式變化傳遞電子傳遞電子，呼吸鏈中有，呼吸鏈中有5類，即：類，即：細胞色素細胞色素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

13、的結構4.4.鐵硫蛋白：鐵硫蛋白： 在其分子結構中在其分子結構中每個鐵原子和每個鐵原子和4個硫原子結合個硫原子結合，通過，通過fe2+、fe3+互變進行互變進行電子傳遞，有電子傳遞，有2fe-2s和和4fe-4s兩種類型（圖兩種類型（圖7-8）。）。 圖7-8 鐵硫蛋白的結構（引自lodish等1999） 5.5. 輔酶輔酶q q： 是脂溶性小分子量的醌類化合物，通過氧化和還原傳遞電子（圖是脂溶性小分子量的醌類化合物，通過氧化和還原傳遞電子（圖7-9）。有）。有3種氧化還種氧化還原形式即原形式即氧化型醌氧化型醌q，還原型氫醌（，還原型氫醌（qh2）和介于兩者之者的自由基半醌（）和介于兩者之者的

14、自由基半醌（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利用脫氧膽酸（脫氧膽酸（deoxycholatedeoxycholate，一種離子型去污劑，一種離子型去污劑）處理線粒體內(nèi)膜、分）處理線粒體內(nèi)膜、分離出呼吸鏈的離出呼吸鏈的4 4種復合物，即種復合物，即復合物復合物、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(nèi)膜、細胞色素溶于內(nèi)膜、細胞色素c c位于線粒體內(nèi)膜的位于線粒體內(nèi)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脫氫酶脫氫酶，哺乳動物的復合物

15、由42條肽鏈組成，呈l型，含有一個fmn和至少6個鐵硫蛋白，分子量接近1md，以二聚體形式存在二聚體形式存在，其作用是其作用是催化催化nadh的的2個電子傳遞至輔酶個電子傳遞至輔酶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）。側）。電子傳遞的方向為：nadhfmnfe-sq，總的反應結果為： nadh + 5h+（m） + qnad+ + qh2 + 4h+（c） 2 2、復合物、復合物 即琥珀酸脫氫酶即琥珀酸脫氫酶，至少由4條肽鏈組成，含有一個fad，2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

16、不轉移質子，但不轉移質子。電子傳遞的方向為：琥珀酸fadfe-sq。反應結果為： 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還原酶還原酶，由至少11條不同肽鏈組成，以二聚體形式存在，每個單體包含兩個細胞色素b（b562、b566）、一個細胞色素c1和一個鐵硫蛋白。其作用是催化電子從輔酶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uq，2個來自基質跨膜）?？偟姆磻Y果為： 2還原態(tài)還原態(tài)cyt c1 + qh2 + 2 h+（m）2

17、氧化態(tài)氧化態(tài)cyt c1 + q+ 4h+（c）復合物復合物的電子傳遞比較復雜，的電子傳遞比較復雜，和和“q q循環(huán)循環(huán)”有關有關（圖（圖7-107-10）。輔酶）。輔酶q q能在能在膜中自由擴散，在膜中自由擴散，在內(nèi)膜內(nèi)膜c c側側，還原型輔酶還原型輔酶q q（氫醌）（氫醌） 將一個電子交給將一個電子交給fe-sfe-s細胞色素細胞色素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，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醌將電子交給細胞色素b566b562b566b562，釋放另外一個質子到膜間隙。，釋放另外一個質子到膜間隙。細胞色細胞色素

18、素b566b566得到的電子為循環(huán)電子，傳遞路線為：半醌得到的電子為循環(huán)電子，傳遞路線為：半醌b566b562b566b562輔酶輔酶q q。在內(nèi)膜在內(nèi)膜m 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還原為氫醌。還原為氫醌。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遞過程中，共有四個質子被轉移到膜的電子傳遞過程中，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

19、為三條肽鏈。分為三個亞單位：個亞單位：亞單位亞單位i（subunit 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a3和和cu2+形成雙核的形成雙核的fe-cu中心。中心。亞單位亞單位（subunit ），），包含兩個銅離子包含兩個銅離子(cua)構成的雙核中心，其結構與構成的雙核中心，其結構與2fe-2s相似。相似。亞單位亞單位（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側側消耗消耗2個質子，同時轉移個質子，

20、同時轉移2個質子至個質子至c側。側。電子傳遞的路線為電子傳遞的路線為 :cyt ccuaheme aa3- cubo24還原態(tài)還原態(tài)cyt c + 8 h+m + o24氧化態(tài)氧化態(tài)cyt 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c是內(nèi)膜的外周蛋白。wzf: coq和細胞色素c是呼吸鏈中可移動的遞氫體，不是復合物中的組成成分。wzf:氧化型coq趨向于內(nèi)膜的基質側，還原型coq趨向于內(nèi)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。

21、復合物復合物ii-iii-iv組成，催化琥珀酸的脫氫氧化。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這樣的可擴散性分子連接。這樣的可擴散性分子連接。 呼吸鏈各組分的排列是高度有序的使電子按氧化還原電位從低向高傳遞，呼吸鏈中有三個部位有較大的自由能變化，足以使adp與無機磷結合形成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 cytc1cytaa3c

22、oqcytcadp+piatpadp+piatpadp+piatp呼吸鏈組分按氧化還原電位由低到高排列（四）（四）atpatp合成酶合成酶( (磷酸化的分子基礎磷酸化的分子基礎) ) 分子結構分子結構 基粒（elementary particle），基粒由頭部（f1偶聯(lián)因子）和基部（f偶聯(lián)因子）構成，f0嵌入線粒體內(nèi)膜。 f1由5種多肽組成33復合體，具有三個atp合成的催化位點（每個亞基具有一個）。和單位交替排列，狀如桔瓣。貫穿復合體（相當于發(fā)電機的轉子），并與f0接觸，幫助與f0結合。與f0的兩個b亞基形成固定復合體的結構（相當于發(fā)電機的定子）。 f0由三種多肽組成ab2c12復合體，嵌入

23、內(nèi)膜，12個c亞基組成一個環(huán)形結構，具有質子通道,可使質子由膜間隙流回基質。 工作特點工作特點： 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 atp, 又能水解atp將質子從基質泵到膜間隙。 氧化磷酸化的偶聯(lián)機制氧化磷酸化的偶聯(lián)機制化學滲透假說化學滲透假說 化學滲透假說化學滲透假說內(nèi)容：內(nèi)容：當電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量將質子從內(nèi)膜基質側（m側）泵至膜間隙（胞質側或c側），由于線粒體內(nèi)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(nèi)膜的兩側形成ph梯度（ph）及電位梯度（），兩者共同構成電化學梯度（圖7-9），即質子動力勢質子動力勢（proton-motive fo

24、rce, p）。質子沿電化學梯度穿過內(nèi)膜上的atp酶復合物流回基質，使atp酶的構象發(fā)生改變，將adp和pi合成atp。電化學梯度中蘊藏的能量儲存到atp高能磷酸鍵。 氧化磷酸化過程實際上是能量轉換過程，即有機分子中儲藏的能量高能電子質子動力勢atp構象耦聯(lián)假說 ：1atp酶利用質子動力勢，產(chǎn)生構象的改變，改變與底物的親和力，催化adp與pi形成atp。2f1具有三個催化位點。 l構象（loose），adp、 pi與酶疏松結合在一起； t構象（tight），底物（adp、 pi）與酶緊密結合在一起； 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(lián)假

25、說構象耦聯(lián)假說 (boyer 1979)3質子通過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加合在一起，形成atp。第二節(jié)第二節(jié) 葉綠體與光合作用葉綠體與光合作用葉綠體(chloroplast)的形態(tài)結構葉綠體的功能光合作用一、葉綠體一、葉綠體(chloroplast)的形態(tài)結構的形態(tài)結構 形態(tài)、數(shù)目：在高等植物中葉綠體象雙凸或平凸透鏡，葉肉細胞一般含50200個葉綠體，可占細胞質的40%，葉綠體的數(shù)目因物種細胞類型，生態(tài)環(huán)境，生理狀態(tài)而有所不同。 葉綠體與線粒體 形態(tài)結構比較葉綠

26、體超微結構葉綠體超微結構外被（外被（chloroplast envelope） 葉綠體外被由雙層膜組成，膜間為1020nm的膜間隙。外膜的滲透性大，如核苷、無機磷、蔗糖等許多細胞質中的營養(yǎng)分子可自由進入膜間隙。 內(nèi)膜對通過物質的選擇性很強，co2、o2、pi、h2o、磷酸甘油酸、丙糖磷酸，雙羧酸和雙羧酸氨基酸可以透過內(nèi)膜，adp、atp已糖磷酸，葡萄糖及果糖等透過內(nèi)膜較慢。蔗糖，nadp+及焦磷酸等不能透過內(nèi)膜，需要特殊的轉運體translator）才能通過內(nèi)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排列。膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分，又稱光合膜光

27、合膜。 許多類囊體象圓盤一樣疊在一起，稱為基粒基粒，組成基粒的類囊體，叫做基粒類囊體，構成內(nèi)膜系統(tǒng)的基粒片層（基粒片層（grana lamella）。基粒由10100個類囊體組成。 貫穿在兩個或兩個以上基粒之間的沒有發(fā)生垛疊的類囊體稱為基質類囊體，它們形成了內(nèi)膜系統(tǒng)的基質片層（stroma lamella）。 類囊體膜的內(nèi)在蛋白主要有細胞色素b6/f復合體、質體醌（pq）、質體藍素（pc）、鐵氧化還原蛋白、黃素蛋白、光系統(tǒng)、光系統(tǒng)復合物等?；|（基質（stroma）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，ctdna、各類

28、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。 wzf:一個葉綠體內(nèi)的全部類囊體實際上是一個完整連續(xù)的封閉膜囊。脂質中的脂肪酸主要是不飽和的脂肪酸。wzf個個復合物在類囊體膜上呈不對稱成分布。 光系統(tǒng)：基粒與基質接觸區(qū)及基質類囊體的膜中。 光系統(tǒng)：基粒與基質非接觸區(qū)的膜中 二、葉綠體的功能二、葉綠體的功能光合作用光合作用 (photosynthesis) 光合作用：光合作用：綠色植物利用體內(nèi)的葉綠素吸收光能，把二氧化碳和水轉化為有機物，并釋放氧氣的過程稱為光合作用。photosynthesis: (1)光合電子傳遞反應光反應(light reaction) (2)碳固定反應

29、暗反應(dark reaction)（一）光合色素和電子傳遞鏈組分（一）光合色素和電子傳遞鏈組分 1 1光合色素光合色素類囊體中含兩類色素：葉綠素（圖葉綠素（圖7-21）和橙黃色的類胡蘿卜素）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，全部葉綠素和幾乎所有的類胡蘿卜素都包埋在類囊體膜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若干色素分子，各色素分子間的距離和取向固定，有利于能量傳遞。圖7-21 葉綠體分子結構 2 2集光復合體（集光復合體（light harvesting complexlight harvesting co

30、mplex） 由大約大約200個葉綠素分子和一些肽鏈構成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共振方式傳遞到反應中心色素。因此這些色素被稱為天線色素。葉綠體中全部葉綠素葉綠體中全部葉綠素b和大部分葉綠素和大部分葉綠素a都是天線色素都是天線色素。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(tǒng)光系統(tǒng)（psps）(p150) (p150) 吸收高峰為波長吸收高峰為波長680nm處，又稱處，又稱p680。至少包括。至少包括12條多肽鏈。位于基粒條多肽鏈。位于基粒與

31、基質非接觸區(qū)域的類囊體膜上。包括與基質非接觸區(qū)域的類囊體膜上。包括一個集光復合體（一個集光復合體（light-hawesting comnplex ，lhc ）、一個反應中心和一個含錳原子的放氧的復合體）、一個反應中心和一個含錳原子的放氧的復合體（oxygen evolving complex）。）。d1和和d2為兩條核心肽鏈，結合中心色為兩條核心肽鏈，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(cyt b6/f complex) b6/f complex)可

32、能以二聚體形成存在，每個單體含有四個不同的亞基。細胞色素可能以二聚體形成存在，每個單體含有四個不同的亞基。細胞色素b6（b563）、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（被認為是質體醌的結合蛋（被認為是質體醌的結合蛋白）。白）。 5 5光系統(tǒng)光系統(tǒng)（psipsi）(p151) (p151) 能被波長700nm的光激發(fā)，又稱p700。包含多條肽鏈，位于基粒與基質接觸區(qū)和基質類囊體膜中。由集光復合體集光復合體和作用中心和作用中心構成。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

33、維生素k1)及3個不同的4fe-4s。 （二）光反應與電子傳遞（二）光反應與電子傳遞 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，水光解，并將光能轉換為電能（生成高能電子），進而通過電子傳遞與光合磷酸化將電能轉換為活躍化學能， 形成atp和nadph并放出 o2 的過程。包括原初反應、電子傳遞和光合磷酸化。 原初反應 原初反應： 葉綠素分子從被光激發(fā)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。 反應過程：光能捕光色素分子反應中心光能的吸收與傳遞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

34、捉、吸收、聚集光能和傳遞激發(fā)能給 反應中心的作用。無光化學活性。原初反應光合作用單位光合作用單位: 結合在類囊體膜上，能進行光合作用的最小結構單位。固定一個分子的co2所需的葉綠素約2500個反應中心色素（chl）： 組成：特殊狀態(tài)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應供體(doner) d 光系統(tǒng)：水 光系統(tǒng)：質體藍素（pc） 原初反應受體(acceptor): a 光系統(tǒng)：脫鎂葉綠素，ph ； 光系統(tǒng)：特殊的葉綠素a，a0 反應中心（兩個）原初反應 光系統(tǒng)（葉綠素-蛋白復合物） 捕光色素 : 反應中心：反應中心色素（chl）

35、p700 原初反應受體(acceptor):特殊的葉綠素a，a0 原初反應供體(doner) :質體藍素（pc） 多個還原中心：fe-s中心、鐵氧還蛋白（fd）核心復合物捕光復合物光系統(tǒng)反應過程捕光色素分子光能 p700光能 p700*pca0l光系統(tǒng) （葉綠素-蛋白復合物） 捕光色素 : 反應中心：反應中心色素（chl） p680 原初反應受體 (acceptor) : 去鎂葉綠素，ph 原初反應供體 (doner) : 水 葉綠素-蛋白復合體：mn 、z、 d1光系統(tǒng)反應過程捕光色素分子光能 p680光能 p680*h2oph核心復合物捕光復合物由光照所引起的電子傳遞與磷酸化作用相偶連而生

36、成atp的過程。 一對電子從p680經(jīng)p700傳至nadp+，在類囊體腔中增加4個h+，2個來源于h2o光解，2個由pq從基質轉移而來，在基質外一個h+又被用于還原nadp+，所以類囊體腔內(nèi)有較高的h+（ph5，基質ph8），形成質子動力勢，h+經(jīng)atp合酶，滲入基質、推動adp和pi結合形成atp（圖7-26）。 非循環(huán)光合磷酸化 光系統(tǒng)、光系統(tǒng)收到光激發(fā)，使水中的電子傳遞給nadp+，電子經(jīng)過兩個系統(tǒng)，在傳遞過程中產(chǎn)生的質子梯度驅動atp的形成。同時產(chǎn)生還原力nadph 。電子傳遞是一個開放的通道，故稱。磷酸化部位： h2o與 pq之間； pq 與cytbf復合物之間。放出一分子氧形成2.

37、4個atp循環(huán)式光合磷酸化： 光系統(tǒng)接受遠紅光后，產(chǎn)生的電子經(jīng)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(huán)流動，產(chǎn)生質子梯度，驅動atp的形成。 小結: 電子傳遞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. 暗反應暗反應( (碳固定碳固定) )暗反應暗反應是指葉綠體利用光反應產(chǎn)生的nadph和atp的化學能,將co2還原合成糖。co2還原成糖的反應不需要光,故這一反應稱為暗反應。暗反應是在葉綠體基質中進行的。 在c3途中，由于反應的最初產(chǎn)物最初產(chǎn)物3-3-磷酸甘油酸含三碳化合物磷酸甘油酸含三碳化合物,因

38、此,又稱三碳循環(huán),這是卡爾文(calvin)等在50年代用14c示蹤法研究出來的, 故稱卡爾文循環(huán)?？煞譃榭煞譃槿齻€階段三個階段: :羧化、還原和羧化、還原和rubprubp的再生的再生。 co co2 2的羧化的羧化 co2被還原之前,首先被固定形成羧基,以rubp作為co2接受體,在rubp羧化酶的作用下使rubp與co2 反應形成兩分子的3-磷酸甘油酸(pga)。c3途徑途徑 還原階段還原階段 3-磷酸甘油酸首先在磷酸甘油激酶的催化磷酸甘油激酶的催化下被atp磷酸化形成1.3二磷酸甘油酸, 然后在甘油醛磷酸脫氫酶的催化甘油醛磷酸脫氫酶的催化下被nadph還原成3-磷酸甘油醛。這是一個吸能

39、反應,光反應中形成的atp和nadph主要是在這一階段被利用。所以,還原反應是光反應和暗反應的還原反應是光反應和暗反應的連接點連接點,一旦co2被還原成3-磷酸甘油醛,光合作用的貯能過程便完成。 rubprubp的再生的再生 利用已形成的3-磷酸甘油醛經(jīng)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磷酸核酮糖激酶的作用下,發(fā)生磷酸化作用生成rubprubp, 再消耗一個atp。 綜上所述,三碳循環(huán)是靠光反應形成的atp機nadph作能源,推動co2的固定、還原,每循環(huán)一次只能固定一個co2,循環(huán)6次,才能把6個co2分子同化成一個己糖分子。實際上，通過卡爾文循環(huán)，將co2轉變成

40、葡萄糖通常需要消耗18分子的atp和12分子的nadph。維管束鞘細胞：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。c4植物的卡爾文循環(huán)是在維管束鞘細胞中進行的，所以，c4植物進行光合作用時，只有維管束鞘細胞中形成淀粉，而葉肉細胞中不形成淀粉。相反，c3植物通過光合作用產(chǎn)生的淀粉只存在于葉肉細胞中，維管束鞘細胞中則沒有淀粉。葉肉細胞：葉肉細胞：在維管束鞘細胞外的一圈、呈環(huán)狀或近似環(huán)狀排列的細胞，這層細胞通過大量的胞間連絲與維管束鞘細胞緊密相連。 c4植物葉片內(nèi)的維管束鞘細胞和這層葉肉細胞組成“花環(huán)型”的結構，這種結構是c4植物葉片所特有的

41、。c4途徑c4途徑: co2受體？代表植物? 反應部位: 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途徑起固定和還原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) 在干旱地區(qū)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(chǎn)生的pep結合形成oaa，oaa在nadp-蘋果酸脫氫酶作用下進一步還原為蘋果酸，積累于液胞中，表現(xiàn)出夜間淀粉、糖減少，蘋果酸增加，細胞液變酸。白天氣孔關閉，液胞中的蘋果酸運至細胞質在nad-或andp

42、-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；脫羧后形成的丙酮酸和pep則轉化為淀粉。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。所以白天表現(xiàn)出蘋果酸減少，淀粉、糖增加，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

43、關閉磷酸烯醇式丙酮酸 (pep)酸多糖少酸少糖多第三節(jié)第三節(jié) 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 線粒體和葉綠體的相似點： 線粒體和葉綠體都是雙層膜細胞器 功能都是轉換能量 線粒體： 把儲藏在有機物中穩(wěn)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、還原力nadph，同時把這些 不穩(wěn)定的化學能轉化成穩(wěn)定的化學能，儲藏在有機物中。 都是半自主細胞器： 線粒體和葉綠體都具有環(huán)狀dna及自身轉錄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(shù)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

44、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(shù)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密切的、精確的、嚴格調(diào)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(tǒng)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、自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(huán)狀雙鏈dna，與細菌相似。 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

45、大。 核中dna遠遠大于mtdna、ctdna 半保留自我復制方式，受核基因調(diào)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，與細菌相似。二、線粒體和葉綠體的蛋白質合成 研究方法： 用標記氨基酸培養(yǎng)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有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(chǎn)物既有共性又有差異。 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

46、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 轉運前的狀態(tài)： 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、帶羥基的 氨基酸。2）形成一個兩性的螺旋，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。 轉運后的狀態(tài): 信號序列在導肽酶的作用下，被切除。 形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(nèi)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

47、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(nèi)膜。被安插到內(nèi)膜。內(nèi)膜內(nèi)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(nèi)膜或膜間隙。號序列引導蛋白進入內(nèi)膜或膜間隙。內(nèi)膜內(nèi)膜膜間膜間隙隙tomtim23 結構類似于結構類似于n端信號序列，

48、但位于端信號序列，但位于蛋白質內(nèi)部。蛋白質內(nèi)部。內(nèi)膜內(nèi)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(nèi)部信號序列苷轉位酶，具有多個內(nèi)部信號序列和停止轉移序列，形成多次跨膜蛋和停止轉移序列，形成多次跨膜蛋白。白。內(nèi)膜內(nèi)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：受體和蛋白質通過的孔道。主要包括兩部分構成的：受體和蛋白質通過的孔道。主要

49、包括 tom復合體，負責通過外膜，進入膜間復合體，負責通過外膜，進入膜間隙，隙，在酵母中tom70負責轉運內(nèi)部具有信號序列的蛋白，tom20負責轉運n端具有信號序列的蛋白，這兩種蛋白的功能都相當于內(nèi)質網(wǎng)上的spr受體，在人類線粒體中htom34的功能與tom70相當。tom復合體的通道被稱為gip（general import pore），就相當于內(nèi)質網(wǎng)上的sec61復合體，主要由tom40構成， 還包括tom22， tom7， tom6和tom5；tim復合體，其中復合體，其中tim23負責將蛋白質轉負責將蛋白質轉運到基質，也可將某些蛋白質安插在內(nèi)膜；運到基質，也可將某些蛋白質安插在內(nèi)膜；t

50、im22負責將線粒體的代謝物運輸?shù)鞍?，如adpatp和磷酸的轉運蛋白插入內(nèi)膜；oxa復合體：負責將線粒體自身合成的復合體：負責將線粒體自身合成的蛋白質插到內(nèi)膜上，同樣也可使經(jīng)由蛋白質插到內(nèi)膜上，同樣也可使經(jīng)由tomtim復合體進入基質的蛋白質插入內(nèi)膜復合體進入基質的蛋白質插入內(nèi)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點： 蛋白在轉運孔道內(nèi)，多肽鏈做布朗運動搖擺不定，一旦前體蛋白進入線粒體腔，立即有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相同點葉綠體與線粒體蛋白轉運的相同點1、蛋白質合成定位的特點：后轉移方式2、通常前體蛋白n端具有蛋白質信號序列（轉運肽），完成轉運后被信號肽酶切除3、每一種膜上有特定的轉位因子 外膜的轉位因子被稱為toc復合體 內(nèi)膜的轉位因子被稱為tic復合體。4 、內(nèi)外膜具有接觸點（cont