細胞學第講葉綠體

1、Chapter9 chloroplast(葉綠體)一、葉綠體的形態(tài)二、結構與化學組成三、葉綠體蛋白的定位四、葉綠體的功能光合作用五、葉綠體和線粒體的半自主性六、葉綠體與線粒體的增殖和起源七、葉綠體與線粒體的比較1葉綠體2自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物 異養(yǎng)型生物只能從消耗的含碳食物中獲得還原型的碳素營養(yǎng)。 光合作用就是自養(yǎng)型生物利用光能將碳進行還原的過程。 根據生物能否進行光合作用，分為兩種:自養(yǎng)生物(autotrophs)：能夠進行光合作用異養(yǎng)生物(heterotrophs)：不能進行光合作用3葉綠體的光合作用裝置4 葉綠體 葉綠體(chloroplast)是植物細胞所特有的能量轉換細胞器,其主要功能是

2、進行光合作用,即利用光能同化二氧化碳和水,生成糖,同時產生分子氧。5 8.1 葉綠體的形態(tài) 葉綠體是光學顯微鏡下發(fā)現的第一個細胞內的結構。 葉綠體呈球形、橢圓形或卵圓形，為雙凹面，有些呈棒狀。 大多數高等植物的葉肉細胞含有50-200個葉綠體，占細胞質體積的40%。葉綠體數目因物種、細胞類型、生理狀況而異。6葉綠體的形態(tài)結構7 葉綠體與前質體、質體 質體由前質體(proplastid)發(fā)育而來，前質體由雙層膜包被著未分化的基質(stroma)所組成。 葉綠體屬于質體(plastid)的一種。根據質體是否含有葉綠素和功能的不同，可分為白色體(etioplast)、葉綠體和有色體(chromopl

3、ast) 。8前質體、質體、葉綠體白色體有色體蛋白質體淀粉質體葉綠體油質體前質體9 8.2 葉綠體的結構與化學組成 葉綠體膜(chloroplast membrane)、 葉綠體被膜（chloroplast envelope)類囊體(thylakoid) 基質(stroma) 110葉綠體的結構11 8.2.1 葉綠體膜 由內膜和外膜構成, 內外兩膜間有10-20nm寬的間隙，稱為膜間隙。葉綠體的基質中還有一種膜結構類囊體。 內膜上的蛋白大多是與糖脂與磷脂合成有關的酶類如半乳糖基轉移酶等。 葉綠體膜不僅是葉綠體而且也是整個植物細胞脂合成的主要場所。12葉綠體膜的通透性外膜通透性大，許多化合物如

4、核苷、無機磷(Pi)，蔗糖等均可自由通過。 內膜的通透性較差，在內膜上有特殊轉運載體稱為轉運體（translocator）轉運代謝物如磷酸交換載體、二羧酸交換載體、葡萄糖載體等。注意：內膜上轉運蛋白的運輸作用都是靠濃度梯度驅動，而非主動運輸。13脂 外膜 內膜 類囊體膜糖脂單半乳糖二乙酰甘油 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磷脂酰膽堿 32 0 0磷脂酰肌醇 5 1 1光吸收色素葉綠素 0 0 20類胡蘿卜素 1 1 6醌 0 0 3蛋白質/脂的比值 0.35 0.9 1.5 菠菜葉綠體的脂類含量P307148.2.2

5、類囊體(thylakoid) 葉綠體基質中由許多單位膜封閉而成的扁平小囊，稱為類囊體。 它是葉綠體內部組織的基本結構單位,上面分布著許多光合作用色素，是光合作用的光反應場所。715類囊體的結構16 基粒類囊體（granum thylakoid）、 堆積類囊體(staked thylakoids) 基質類囊體（stroma thylakoid ）、 基質片層(stroma lamella)、非堆積的類囊體(unstaked thylakoids)類囊體的類型817葉綠體與線粒體結構的比較18 類囊體膜的化學組成蛋白約占60% 、脂類約占40%。蛋白分為內在蛋白和外周蛋白兩類。外周蛋白在類囊體膜的

6、葉綠體基質面的較多。內在蛋白鑲嵌在脂雙層中,如質體蘭素、 細胞色素等。19類囊體的蛋白分布20 8.2.3 基質(stroma)淀粉顆粒質體小球(plastoglobule) 脂 RuBP羧化酶 60核糖體DNA和RNA基質是CO2固定的場所218.3 葉綠體蛋白的定位葉綠體蛋白的來源葉綠體蛋白的運輸機理22 同線粒體一樣，大多數蛋白質都是在細胞質中合成，然后通過導肽運輸到葉綠體的不同部位。 核酮糖-1,5二磷酸羧化加氧酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase, Rubisco)的8個大亞基由葉綠體DNA編碼；8個小亞基由核DNA編碼。

7、 Rubisco小亞基的前體有一條含4060 個氨基酸的導肽，負責引導小亞基進入葉綠體基質。723一、由ctDNA編碼,在葉綠體核糖體上合成二、由核DNA編碼,在葉綠體核糖體上合成三、由核DNA編碼,在細胞質核糖體上合成 葉綠體蛋白的來源824葉綠體蛋白的運輸機理 細胞質中合成的葉綠體前體蛋白含有一段導肽,也稱轉運肽(transit peptides)。25 Rubisco是定位于葉綠體基質的蛋白, 它的小亞基的運輸大致分為兩步:一、導肽與葉綠體的外膜受體結合；二、以翻譯后運輸的機制跨過葉綠體膜進入基質，導肽被金屬蛋白酶水解掉。定位于葉綠體基質的蛋白轉運26葉綠體基質蛋白的轉運p31227定位

8、于類囊體膜和腔的蛋白運輸 蛋白的前體含有兩個導向序列：葉綠體基質導向序列和類囊體導向序列 在葉綠體基質導向序列的牽引下，進入葉綠體基質，導肽酶將基質導向序列切除，再由類囊體導向序列引導蛋白至類囊體膜或類囊體腔。28定位于類囊體膜或腔的蛋白運輸p313298.4 葉綠體的主要功能光合作用（photosynthesis）8.4.1 光反應 （light reaction）8.4.2 暗反應 （dark reaction）930光合作用反應式: 6CO2 + 6H2O+ 光 C6H12O6 + 6O2 + 化學能(674000千卡) 光合作用可分為：光反應和暗反應(light and dark re

9、action)。 光反應是對光的吸收，并產生氧。 暗反應涉及到CO2的固定(從大氣中攝取CO2并將CO2轉變成含有還原碳的有機物)。31光合作用與呼吸作用的比較328.4.1 光反應（light reaction）原初反應電子傳遞光合磷酸化33光反應是通過葉綠素等光合色素分子吸收、傳遞光能，并將光能轉化為化學能，形成ATP和NADPH的過程。在此過程中水分子被光解，釋放出氧。光反應包括光能的吸收、傳遞和轉換過程，即光合作用的原初反應、電子傳遞、光合磷酸化。 光反應的場所是類囊體。概念1034 8.4.1.1 原初反應（primary reaction）光合作用單位捕光色素(light-harv

10、esting pigment)反應中心色素(reaction centre pigment ) 35捕光色素(light-harvesting pigment)又稱吸光色素(light-absorbing pigment)、 天線色素（antenna pigment）位于類囊體膜上，只具有吸收、聚集光能 和傳遞共振能給反應中心的作用，無光化 學活性。包括全部的葉綠素b、大部分葉綠素a，以 及胡蘿卜素和葉黃素。36捕光色素藻膽素卟啉環(huán)葉綠醇藻紅素37光合色素的吸收光譜38光合作用的作用光譜31839反應中心色素（reaction centre pigment） 由一種葉綠素a分子組成，能夠接受捕

11、光色素傳遞來的共振能，激發(fā)出電子并且傳遞給原初電子受體，同時接受原初電子供體傳來的電子。 根據吸收峰可分為兩種：P680光系統的中心色素P700光系統的中心色素40光合作用的電子產生41原初反應光能轉換成電能42電子載體電子傳遞鏈中的復合物電子傳遞過程 8.4.1.2 電子傳遞43電子載體質體醌（plastoquinone, PQ）細胞色素質體藍素（plastocyanin，PC）鐵氧還蛋白（ferredoxin）NADP+還原酶NADP+1144質體醌（plastoquinone, PQ） 可動的脂溶性分子，不參與光合作用復合物組成，是質子和電子載體，通過醌和醌醇循環(huán)。細胞色素 植物細胞有幾

12、個特殊的細胞色素參與光合作用的電子傳遞：細胞色素b6和細胞色素f，吸收波長分別是:563nm、553nm。45質體藍素（plastocyanin，PC） 一種可動的水溶性的蛋白，不參與光合作用復合物組成，傳遞電子時靠Cu2+ Cu+ 的狀態(tài)循環(huán)。鐵氧還蛋白（ferredoxin） 含有一個氧化-還原位點，該位點有兩個同硫結合的鐵原子，通過Fe3+ Fe2+的循環(huán)傳遞電子。46 NADP+還原酶 是一種含有黃素蛋白(FAD)的酶，催化電子從鐵氧還蛋白傳遞給NADP+。NADP+ 光合作用中的最后一個電子受體，是NAD+的衍生物。NADP+接受兩個電子成為還原型的NADPH。47電子載體質體醌48

13、電子傳遞鏈中的復合物 PS復合物( photosystem complex, PS) PS復合物( photosystem complex, PS) 細胞色素b6/f復合物1249PS復合物捕光復合物(light-harvesting complex , LHC ) PS反應中心復合物50 又稱捕光色素-蛋白質復合物，或天線復合物（Antenna complex）。負責收集光能并傳遞光能至光合作用中心。捕光復合物（light-harvesting complex , LHC ）51 PS反應中心復合物 至少含有六個膜整合肽和幾個緊密連接的脂：1. 多肽D1、D22. 色素（脂）反應中心色素P6

14、80P680+是已知最強的氧化 劑，其還原電位(1.8V)比水(0.82V)還正，因此可 以氧化水褐藻素（pheophytin，Pheo）原初電子受體幾十個葉綠素a和b類胡蘿卜素3. 放氧復合體四個錳原子還有細胞色素b55952光系統53利用光能裂解水，并將電子傳遞給PQB。通過水的氧化和PQB的還原在類囊體兩側建立H+梯度。光系統結構和功能54PS復合物捕光復合物( light-harvesting complex, LHC) 反應中心復合物55中心色素P700A0特殊的葉綠素a，原初電子受體A1葉綠醌（維生素K1）鐵硫中心:FeSX（FX）、 FeSA（FA）、 FeSB（FB）鐵氧還蛋白

15、(Fd)鐵氧還蛋白-NADP還原酶PS 反應中心復合物56光系統I的結構和功能將電子從質體藍素傳遞給鐵氧還蛋白。57細胞色素b6/f復合物 由四個多肽組成:細胞色素f、細胞色素b6、鐵硫蛋白分子量為17kD的多肽58細胞色素b6 /f復合物的結構和功能把電子從PS 傳遞給PS 59光合作用中的電子傳遞過程電子在PS中的傳遞從PS的P680+傳遞給PQ水光解釋放的電子傳遞給P680+電子從PS向PS傳遞：電子從 PQH2 經由cytb6/f傳遞給PC。電子在PS中的傳遞：電子從PC經P700+ 傳遞給Fd，并最終傳遞給NADP+60光合作用中的電子傳遞鏈618.4.1.3 光合磷酸化 (phot

16、ophosphorylation) 在葉綠體進行的光合作用過程中，會產生H+電化學梯度，因而能夠驅動ADP磷酸化合成ATP，這一總過程由于是光驅動的，故叫光合磷酸化。 它同線粒體的氧化磷酸化的主要差別是氧化磷酸化是由高能食物分子氧化驅動的，而光合磷酸化是由光質子驅動的。62光合磷酸化過程63非循環(huán)式光合磷酸化(non-cyclic photophosphorylation) 循環(huán)式光合磷酸化(cyclic photophosphorylation) 光合磷酸化的類型1364 光照后，激發(fā)態(tài)的葉綠素P680從水光 解中得到電子，電子傳遞經過兩個光系統， 并在傳遞過程中產生H+梯度并同磷酸化相 偶

17、聯，產生ATP。 在此過程中，電子的傳遞是一個開放的 通道。電子的最終受體是NADP+，最終產 物有ATP、NADPH、分子氧。非循環(huán)式光合磷酸化1465非循環(huán)式光合磷酸化66兩個光系統的協調作用67 循環(huán)式光合磷酸化 光誘導的電子從PSI傳遞給鐵氧還蛋白后不是進一步傳遞給NADP+，而是傳遞給細胞色素b/f復合物，再經由PC而流回到PSI。 此過程的產物僅為ATP，無NADPH和分子氧。 它用來調控ATP和NADPH的比值。1568循環(huán)式光合磷酸化698.4.2 暗反應（dark reaction） 暗反應，又稱light-independent reaction。指葉綠體利用光反應產生的N

18、ADPH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。1670 8.4.2.1 C3 途徑 在C3途徑中，由于反應的最初產物3-磷酸甘油酸是三碳化合物,因此又稱三碳循環(huán)和卡爾文循環(huán)(Calvin cycle)。 可分為三個階段: RuBP的羧化(CO2固定)、PGA的還原和RuBP的再生。 1771卡爾文循環(huán)72 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)與CO2 生成一個六碳化合物，隨即裂解為2分子3-磷酸甘油酸 ( PGA ) 。7

19、3PGA的還原PGA + ATP磷酸甘油酸激酶BPG + ADPBPGGAP3-磷酸甘油醛脫氫酶NADPH+H+NADP+ + Pi 還原反應是光反應和暗反應的連接點，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。74 利用已形成的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(fā)生磷酸化作用生成RuBP, 再消耗一個ATP。RuBP的再生75 綜上所述，三碳循環(huán)是靠光反應形成的ATP和NADPH作為能源，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。 實際上，通過卡爾文循環(huán)將6分子CO

20、2轉變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)的合成發(fā)生在細胞質基質中，而淀粉的合成發(fā)生在葉綠體基質中?？栁难h(huán)的總結76 8.4.2.2 光呼吸和C4 植物RuBP + O2H2O光呼吸：植物在光下消耗O2將RuBP轉化成CO2的過程。RuBP加氧酶PGA+ 磷酸乙醇酸77photorespiration78C4 植物與C4途徑 C4植物的葉中有兩種類型的細胞：葉肉細胞和維管束鞘細胞，CO2的固定發(fā)生在葉肉細胞中，而卡爾文循環(huán)系統位于維管束鞘細胞。 79C4 plant leaf anatomy and C4 pathway80C4途徑PEP羧化酶NAD

21、P蘋果酸脫氫酶NADP蘋果酸酶葉肉細胞維管束鞘細胞PEP草酰乙酸蘋果酸丙酮酸激酶81 C4途徑并不是代替Calvin循環(huán)的反應系統，也不是一種凈CO2固定的路線圖，它是作為CO2的收集、濃縮和轉運的系統。葉肉細胞起著CO2泵的作用。C4途徑1982 CAM植物也是通過 PEP羧化酶固定CO2產生蘋果酸，反應發(fā)生在細胞質基質中。在夜間氣孔開放固定CO2，產生的蘋果酸儲存在液泡中；白天氣孔關閉，蘋果酸擴散到細胞基質中，釋放出CO2，進入卡爾文循環(huán)。8.4.2.3 CAM植物 由于它們能夠在非常熱而干燥的沙漠環(huán)境中生存所以這些植物被稱為景田科酸代謝（CAM）植物。83景天科酸代謝84C4 and CAM plant85 8.5線粒體和葉綠體是半自主性細胞器而二者大部分的蛋白質是核基因編碼的，有些是葉綠體、線粒體基因和核基因共同編碼的。如RuBP羧化酶、 UQH2- Cytc 氧化還原酶、 Cytaa3、Cytb/f 、NADH-CoQ 氧化還原酶、 PS和 PS 復合物等。 葉綠體和線粒體不僅有自己的DNA，還有自己的核糖體。雖然二者有自己的DNA