生物細胞學(xué)課件文字版：第06章 線粒體和葉綠體

1、第六章 線粒體和葉綠體本章內(nèi)容第一節(jié) 線粒體與氧化磷酸化第二節(jié) 葉綠體與光合作用第三節(jié) 線粒體和葉綠體的半自主性及其起源第一節(jié) 線粒體(mitochondrion,mt)與氧化磷酸化一、線粒體的基本形態(tài)及動態(tài)特征（P127，85）（一）形態(tài)、分布和數(shù)目形態(tài)：顆粒、短線狀，香腸狀等；1數(shù)百、千/個細胞，受遺傳和分化調(diào)控。直徑0.51 m, 長1.53 m ；數(shù)目：少則數(shù)個（或無）數(shù)十萬個， 成熟哺乳動物的紅細胞中一般無；分布：新陳代謝旺盛的細胞中，線粒體數(shù)目多。如心肌、小腸和肝臟細胞；可以在細胞中運動、變形和分裂增殖；往往在需能旺盛的部位比較集中，如分泌細胞的合成區(qū)域、精子細胞的鞭毛區(qū)。（二）m

2、t的融合和分裂Mt在細胞內(nèi)進行頻繁的融合和分裂；調(diào)節(jié)分布、形態(tài)和數(shù)目；幫助mt共享遺傳信息，共同構(gòu)成一個不連續(xù)的動態(tài)整體。二、線粒體的超微結(jié)構(gòu)（P128，89）由兩層單位膜套疊而成的封閉囊狀結(jié)構(gòu)。（一）外膜(outer membrane)(P128，89) 蛋白/脂類各半。通透性很高。具有孔蛋白（porin）構(gòu)成的親水通道，允許MW5000 以下的分子通過。 標(biāo)志酶單胺氧化酶。（二）內(nèi)膜(inner membrane)(P129)（1）不透性（impermeability）缺乏膽固醇，富含心磷脂（20），與細菌質(zhì)膜相似；通透性很低，H、ATP、丙酮酸要載體的協(xié)助才能通過；標(biāo)志酶細胞色素氧化酶。

3、（2）內(nèi)膜向基質(zhì)折疊形成“嵴”（cristae）增大內(nèi)膜的面積；氧化磷酸化的場所；需能多的細胞，線粒體多，嵴也多；基粒（particle）：頭部稱F1，基部稱F0，又稱F0-F1因子或者ATP合酶；嵴的形狀：板層狀和管狀。（三）膜間隙（p130，90）寬68nm，液態(tài)介質(zhì)內(nèi)含許多可溶性酶、底物和輔助因子，標(biāo)志酶腺苷酸激酶；包括嵴內(nèi)間隙（四）線粒體基質(zhì)（內(nèi)室）腔內(nèi)充滿膠狀物質(zhì)，含有多種酶、核糖體、環(huán)狀DNA、RNA和轉(zhuǎn)錄、翻譯成分。具有一定的pH和滲透壓。三、氧化磷酸化“動力工廠”主要功能：進行三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化，合成ATP，為細胞生命活動提供直接能量。是糖類、脂肪和氨基酸最終氧化釋能的場所

4、。其他略（P130）（一）ATP合酶又稱F0F1-ATP酶（H-ATP酶）；頭部朝向mt基質(zhì)，基部與內(nèi)膜相連；“印鈔機”coupling factor 1 & coupling factor 0F1頭部和F0基部組成ATP合酶的組成F1因子：突出于基質(zhì)內(nèi)，由9個亞基（33）組成。3、3組成“橘瓣”結(jié)構(gòu)；其中亞基可以催化ATP合成/水解；亞基形成中央軸；亞基協(xié)助亞基固定于F0； 、亞基構(gòu)成“轉(zhuǎn)子” （rotor） F0因子 ： 嵌于內(nèi)膜，形成一個跨膜質(zhì)子通道；ab2c1012c亞基形成環(huán)形結(jié)構(gòu)；a、b、亞基組成“定子（stator）”。ATP酶的作用機制結(jié)合變構(gòu)機制F1上3個亞基與核苷酸結(jié)合有三

5、種構(gòu)象（P141） 空置狀態(tài) （O態(tài)） 松弛結(jié)合態(tài)（L態(tài)） 緊密結(jié)合態(tài)（T態(tài)）亞基在33形成的圓筒中單向轉(zhuǎn)動，使得3個亞基輪流在O態(tài)、L態(tài)和T態(tài)三種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，完成空位、ADP結(jié)合和ATP合成過程。（二）質(zhì)子驅(qū)動力可以把呼吸鏈視為質(zhì)子泵；H不能通過內(nèi)膜，造成膜間隙H的濃度高于基質(zhì)，構(gòu)成質(zhì)子驅(qū)動力，驅(qū)動ATP的合成。（三）電子傳遞鏈定義：線粒體內(nèi)膜上存在的一系列能夠可逆地接受和釋放電子或者H的化學(xué)物質(zhì)，它們相互關(guān)聯(lián)有序排列電子傳遞鏈（呼吸鏈）。電子沿著呼吸鏈的流動電子傳遞。電子載體與釋放的電子結(jié)合并傳遞下去。5種黃素蛋白FMN、FAD輔基細胞色素鐵血紅素輔基泛醌（輔酶Q CoQ）鐵硫蛋白鐵硫中

6、心FeS銅原子CuA CuB電子載體排列順序呼吸鏈中電子載體有嚴格的排列順序和方向，電子按照氧化還原電位從低向高傳遞；氧化還原電位越低，提供電子的能力越強。如NAD/NADH，E00.32V；氧化還原電位越高，獲得電子的能力越強。 O2/H2O， E00.82V。（四）電子傳遞復(fù)合物電子傳遞鏈的各組分，分布于4種膜蛋白復(fù)合物中：復(fù)合物（NADH脫氫酶 DADH-CoQ還原酶）復(fù)合酶（琥珀酸脫氫酶 琥珀酸-CoQ還原酶）復(fù)合酶（細胞色素還原酶 CoQ-細胞色素c還原酶）復(fù)合酶IV（細胞色素氧化酶）（1）復(fù)合物（NADH-CoQ還原酶/NADH脫氫酶）組成：“L”形，42條肽鏈組成的大型酶復(fù)合物，

7、含有1分子的 FMN 和 67個鐵硫中心，是呼吸鏈中最大、最復(fù)雜的酶復(fù)合物；作用：催化1對電子從NADH傳遞給泛醌，同時將4個H+由基質(zhì)轉(zhuǎn)移至膜間隙。既是電子傳遞體又是質(zhì)子移位體（質(zhì)子泵）。（2）復(fù)合物（琥珀酸-CoQ還原酶/琥珀酸脫氫酶）組成：包括1個FAD、2個鐵硫蛋白和一個細胞色素b。作用：催化一對低能電子從琥珀酸通過FAD和鐵硫蛋白傳輸給泛醌。不發(fā)生H跨膜轉(zhuǎn)移，不能合成ATP 。（3）復(fù)合物 （ CoQ-細胞色素c還原酶/細胞色素還原酶）組成：10條多肽鏈，含1個細胞色素b、1個細胞色素c1和1個鐵硫蛋白。作用：催化電子從泛醌傳給細胞色素c，每轉(zhuǎn)移2個電子，同時將4個H+由線粒體基質(zhì)泵

8、至膜間隙?！癚循環(huán)”。既是電子傳遞體，又是質(zhì)子轉(zhuǎn)移體。（4）復(fù)合物（細胞色素氧化酶）組成：6-13條肽鏈，含有細胞色素a、a3和2個銅原子CuA和CuB；作用：催化電子從細胞色素c傳遞給氧，每轉(zhuǎn)移2個電子，在基質(zhì)側(cè)消耗2個質(zhì)子，同時轉(zhuǎn)移2個質(zhì)子至膜間隙。既是電子傳遞體，又是質(zhì)子轉(zhuǎn)移體。兩條呼吸鏈：四種復(fù)合物在電子傳遞過程中協(xié)同作用；復(fù)合物、組成主要的 NADH 呼吸鏈；催化NADH的氧化； 復(fù)合物、組成 FADH2 呼吸鏈，催化琥珀酸的氧化。四、線粒體與疾?。≒142，94）克山病，是一種心肌線粒體病，因缺硒導(dǎo)致心肌線粒體膨脹、結(jié)構(gòu)破壞。已知的有100多種，都是mtDNA異常（突變、缺失、重排

9、）引起的遺傳疾病，表現(xiàn)為電子傳遞酶系和氧化磷酸化酶系的異常。線粒體與細胞衰老和細胞凋亡有關(guān)：機體95 的氧自由基來自于線粒體；通過釋放成熟的細胞色素c參與細胞凋亡。植物線粒體病細胞質(zhì)雄性不育。自由基和衰老DNA的改變可導(dǎo)致產(chǎn)生錯誤的遺傳信息并促使?jié)u進的細胞退化（deterioration）。自由基：原子或者分子的外層軌道上只有單個未配對電子時，傾向于極不穩(wěn)定，這種原子或者分子成為自由基。 H2OHO.H.自由基成因：共價鍵斷裂； 原子和分子在氧化還原反應(yīng)中接受轉(zhuǎn)移的單個電子。1969年，超氧化物岐化酶（SOD）的發(fā)現(xiàn) O2-O2-2HH2O2O2長壽？ 產(chǎn)生更少的自由基； 或者更強的破壞自由基

10、的能力； 或者修復(fù)自由基造成的損傷。果蠅實驗：小鼠節(jié)食實驗：抗氧化物：谷光甘肽、VE，VC，胡蘿卜素，苯叔丁硝酸鹽（PBN）本節(jié)完第六章 第二節(jié) 葉綠體和光合作用光合作用是地球上一切生命活動的初級能源一、葉綠體的形態(tài)結(jié)構(gòu) p144,95（一）形態(tài)、分布和數(shù)目凸透鏡形、鐵餅狀寬24、長510m葉肉細胞一般含有數(shù)十到數(shù)百個葉綠體葉綠體的動態(tài)行為：與mt不同，融合現(xiàn)象極少；躲避響應(yīng)（avoidance response）和積聚響應(yīng)（ accumulation response）葉綠體定位（positioning） 骨架、CHUP1基質(zhì)小管介導(dǎo)的相互連接。具有雙層膜結(jié)構(gòu)；物質(zhì)和信息的交換；與mt相似，

11、葉綠體也可視為不連續(xù)的動態(tài)整體。（二）葉綠體的分化和去分化原質(zhì)體（proplastid）可以分化為葉綠體、有色體和白色體；葉綠體形成于幼葉的形成和生長階段體積、膜、色素、酶、蛋白質(zhì)、大分子合成運輸定位。葉綠體可以去分化形成原質(zhì)體。（三）葉綠體的分裂（略） 二、葉綠體的超微結(jié)構(gòu)由三部分組成：葉綠體膜（被膜）（chloroplast membrane）類囊體（thylakoid）基質(zhì)（stroma）（一）葉綠體膜（chloroplast membrane）由外膜和內(nèi)膜雙層單位膜組成；中間形成膜間隙（20nm）；外膜通透性大，含有孔蛋白，很多化合物可透過（MW104）；內(nèi)膜的選擇性強，水、氧、CO2

12、可通過，許多物質(zhì)需要通過轉(zhuǎn)運體的協(xié)助才能通過。（二）類囊體（thylakoid）（P145，98）（1）結(jié)構(gòu)在基質(zhì)中，有許多由單位膜封閉而成的扁平小囊，稱為類囊體（ thylakoid ）；多個類囊體疊置成垛，稱為基粒（grana）；一個葉綠體一般含有4060個基粒，一個基粒約由530個類囊體組成;所有的類囊體彼此相通大大增加膜片層的面積，更有效地捕獲光能。（2）類囊體的化學(xué)組成含極少的磷脂和較高的糖脂（半乳糖），脂肪酸以亞麻酸為主，因而富于流動性。（三）葉綠體基質(zhì)主要成分為：ctDNA：裸露環(huán)形雙鏈，每個葉綠體含有2060個DNA拷貝；ct核糖體：與原核細胞的類似，70 S；RuBP顆粒：核

13、酮糖-1,5-二磷酸羧化酶，是暗反應(yīng)固定CO2第一步反應(yīng)的關(guān)鍵酶。由8個大亞基和8個小亞基組成。大亞基由葉綠體基因組編碼，小亞基由核基因組編碼。其他組分：淀粉粒、RNA、脂滴、植物鐵蛋白等。三、光合作用（一）光反應(yīng)（類囊體膜上進行）（1）原初反應(yīng)（2）電子傳遞和光合磷酸化（二）暗反應(yīng)（ct基質(zhì)中進行）碳同化（一）原初反應(yīng)（primary reaction）光能被捕光色素分子吸收，傳遞至反應(yīng)中心并發(fā)生最初的光化學(xué)反應(yīng)，是將光能轉(zhuǎn)化為電能的過程。反應(yīng)中心由三部分組成：中心色素分子Chl 原初電子供體D 原初電子受體A PS的中心色素為P700，吸收峰為700nm ；PS的中心色素為P680，最大吸

14、收峰為680nm。通過原初反應(yīng)，原初電子供體D不斷被氧化為D，而原初電子受體A不斷被還原為A。（二）電子傳遞和光合磷酸化1、光合電子傳遞：光合電子傳遞鏈由一系列電子載體構(gòu)成，包括細胞色素、黃素蛋白、質(zhì)體醌和鐵氧還蛋白等，構(gòu)成PS、PS和細胞色素b6f復(fù)合物。光系統(tǒng)（PS）：光合作用中光吸收的功能單位，是由色素、脂類、蛋白質(zhì)組成的復(fù)合物。（1）電子在光合系統(tǒng)中的傳遞（P150）PS 的反應(yīng)中心經(jīng)過光子激發(fā)，產(chǎn)生強氧化劑P680，P680從水中再奪取電子被還原為P680。H被釋放到類囊體腔中，放出O2。P680+從水中奪取的電子原初電子受體Ph-（脫鎂葉綠素）質(zhì)體醌QA質(zhì)體醌QB（QB+2e-QB

15、2-） PQH2 （QB2-+2H）解離Cytbf（H釋放到類囊體腔）質(zhì)體藍素（PC）P700（P700+e-）+ (PS)（2）電子在光合系統(tǒng)中的傳遞（P151）P700 A0 A1 FeS(鐵硫蛋白) Fd（鐵氧還蛋白） NADPH（NADP+H+2e-）綜合（1）（2）兩個光合系統(tǒng)將一對電子從H2O傳遞給NADP2、光合磷酸化（photophosphorylation） 電子傳遞和磷酸化相偶聯(lián)生成ATP的過程稱為光合磷酸化。（1）CF0-CF1ATP合酶 位于類囊體膜外表面。由CF0、CF1部分組成。與線粒體ATP合酶結(jié)構(gòu)類似，但是需要SH化合物和Mg2 （2）光合磷酸化的類型：按照電子

16、傳遞方式，分為非循環(huán)式和循環(huán)式兩種類型。A、非循環(huán)式光合磷酸化 電子單向傳遞，經(jīng)過PS、PS，產(chǎn)物有ATP和NADPH。B、循環(huán)式光合磷酸化電子的傳遞是一個閉合回路，由PS單獨完成，產(chǎn)物僅有ATP，不產(chǎn)生NADPH和O2。（3）光合磷酸化的作用機制 質(zhì)子來源：A、PQ既是電子載體，又是質(zhì)子載體，每循環(huán)一次，將兩個H從基質(zhì)轉(zhuǎn)入類囊體膜內(nèi)側(cè)；B、H2O的光解產(chǎn)生H也留在膜內(nèi)側(cè)；膜兩側(cè)的H電動勢差，推動CF1-CF0ATP合酶，合成ATP。補：氧化磷酸化和光合磷酸化的比較（三）光合碳同化將光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH中的活躍化學(xué)能貯存為糖類中穩(wěn)定的化學(xué)能碳同化三條途徑：卡爾文循環(huán)*（C3途徑） (

17、合成淀粉) C4循環(huán) 景天科酸代謝途徑（CAM）1、卡爾文循環(huán)（Calvin cycle）最初產(chǎn)物為三碳化合物（甘油酸-3-磷酸），因此又稱C3循環(huán)；該類植物也被稱為C3植物；該反應(yīng)的酶系都在葉綠體基質(zhì)中，無需光照，因此也被稱為暗反應(yīng)；包括3階段：羧化、還原、RuBP再生。每循環(huán)一次，固定一個CO2 。（1）CO2的羧化： RuBP 作為CO2的受體（ CO2被固定形成羧基），然后裂解成2分子的甘油酸-3-磷酸（PGA）；（2）還原階段： PGA被還原為甘油醛-3-磷酸，光合作用合成的ATP和NADPH在此階段被利用；（3）RuBP的再生（更新階段）：甘油醛-3-磷酸經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)變，再生成R

18、uBP。2、C4途徑獨特的CO2固定途徑，存在于甘蔗、玉米、高梁等熱帶、亞熱帶草本植物C4植物；固定的初產(chǎn)物為四碳化合物（草酰乙酸），發(fā)生于葉肉細胞中，固定產(chǎn)物最終運輸?shù)骄S管束鞘細胞，將高濃度的CO2傳遞給卡爾文循環(huán)；固定效率高，快速，高產(chǎn)3、景天酸代謝（CAM）景天科植物中發(fā)現(xiàn)；夜間吸入CO2，固定為草酰乙酸，進一步還原為蘋果酸，白天CO2從蘋果酸中釋放出來，參與卡爾文循環(huán)。與C4途徑類似， CO2 要固定兩次，但有機酸產(chǎn)物有明顯的日夜變化特征，無需兩種類型的細胞協(xié)同工作。本節(jié)完第六章 第三節(jié) 線粒體和葉綠體的半自主性及其起源一、線粒體和葉綠體的半自主性（一）線粒體和葉綠體DNA (P156，106)（二）mt和ct中的蛋白質(zhì)哺乳動物mt基因組編碼2種rRNA，22種tRNA以及13種多肽；ct基因組編碼4種rRNA，30多種tRNA以及100多種多肽；（三）mt、ct基因組和細胞核的關(guān)系精確有效的分