細胞生物學(xué)課件：第78章 線粒體與葉綠體

1、1CHAPTER 7 MITOCHONDRION AND CHLOROPLASTS2OUTLINE7.1 Morphology structure and chemical composition of mitochondrion7.2 Mitochondrion function7.3 Genetic origin of mitochondrion7.4 Morphology structure and chemical composition of chloroplast7.5 Chloroplast function7.6 Genetic origin of chloroplast7.7

2、 Mitochondrion vs. chloroplast37.1 Morphology structure of mitochondrionPhase-contrast live image of Fibroblast“Thread-like granule”mitochondrionmitochondrionFlagellum of spermEM image of mitochondrioncristae47.1 Morphology structure of mitochondrionFission Fussion57.1 Morphology structure of mitoch

3、ondrionOuter membraneIntermembraneCristaIntermembrane spaceMatrixDNAF1 particleRibosome6線粒體組分的分離外膜(outer menbrane) protein : lipid =1:1 標(biāo)志酶:單胺氧化酶 (monoamine oxidase); 外膜含有通道蛋白:孔蛋白 (porin); highly permeable: 5KDOuter bacterial membrane（Gram-negative）7內(nèi)膜(inner membrane) protein: lipid = 3:1 大量的心磷脂(car

4、diolipin), highly impermeable (ion); 線粒體進行電子傳遞和氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）的部位; 3 types of enzymes: transport, synthesis, electron transfer and ATP synthesis 標(biāo)志酶是細胞色素氧化酶;89膜間隙 (intermembrane space) 標(biāo)志酶:腺苷酸激酶(adenylate kinase) 功能: 核苷磷酸化: AMP+ATP2ADP線粒體基質(zhì) (matrix) 標(biāo)志酶:蘋果酸脫氫酶 功能: ? 代謝：丙酮酸氧化、TCA、bet

5、a氧化 合成：DNA、RNA、蛋白質(zhì)10Membrane transport of Mitochondria11Regulation of intracellular Ca2+ by mitochondrion12Where are the Mitochondrion proteins synthesized?How are the mitochondrion proteins targeted to their location?Mitochondria protein targeting 13不同類型核糖體合成的蛋白質(zhì)14前導(dǎo)肽(leading peptide)蛋白質(zhì)的兩種運輸方式 細胞質(zhì)

6、中的核糖體游離核糖體 (free ribosome)；膜結(jié)合核糖體 (membrane-bound ribosomes)兩種運輸方式翻譯后轉(zhuǎn)運 (post-translational translocation)共翻譯轉(zhuǎn)運 (co-translational translocation)信號序列轉(zhuǎn)運肽/前導(dǎo)肽(transmit peptide /leading peptide)信號肽(signal peptide)15細胞質(zhì)核糖體的蛋白質(zhì)合成與去向16Characters of leading peptide20-80 amino acid long，enriched with postive

7、ly charged basic amino acid (Lys and Arg ); amphipathic (hydrophobic and hydrophilic) helices with less negtively charged acidic amino acids。17require receptor recognizing the leading peptide enter mitochondria via contact sitesenergy consuming;require chaperonsprotein foldingrequire transmit peptid

8、ase (轉(zhuǎn)運肽酶)Charactors of leading peptide mediated translocation of mitochondrion proteins18如何證明前導(dǎo)肽引導(dǎo)蛋白質(zhì)進入線粒體?實驗設(shè)計分離線粒體與具有線粒體基質(zhì)定位信號的前體蛋白溫育胰蛋白酶處理19線粒體蛋白定位線粒體基質(zhì)蛋白定位線粒體膜間間隙蛋白的定位線粒體內(nèi)膜蛋白的定位線粒體外膜蛋白的定位20 mitochondrial matrix protein21線粒體膜間間隙蛋白的定位定位需要兩個前導(dǎo)肽 雙導(dǎo)向序列兩種方式:保守性尋靶非保守性尋靶22雙導(dǎo)向序列23線粒體膜間間隙蛋白保守性尋靶24線粒體膜間間隙

9、蛋白非保守性尋靶25線粒體膜間間隙蛋白尋靶新說26線粒體內(nèi)膜蛋白定位的三種途徑27外膜蛋白的定位 運送到外膜的蛋白質(zhì)沒有導(dǎo)肽, 它的氨基酸末端延伸部分就有識別受體的功能,直接插入到外膜。287.2 線粒體的功能:氧化磷酸化作用7.2.1 真核細胞中的氧化作用糖的有氧氧化(細胞氧化或生物氧化):糖氧化成丙酮酸 (cytoplasm)丙酮酸脫羧生成 Acetyl CoA （mitochondrion matrix）Acetyl CoA進入三羧酸循環(huán)徹底氧化 （ mitochondrion matrix）29糖的酵解與氧化30葡萄糖酵解生成丙酮酸 細胞質(zhì)中的葡萄糖(或糖原)在一系列酶的催化下生成丙酮

10、酸的過程成為糖酵解(glycolysis)。31線粒體基質(zhì)中Acetyl CoA的生成丙酮酸跨膜進入線粒體基質(zhì)；在丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase) 作用下氧化成 Acetyl CoA 。32Acetyl CoA 的生成33生物需要能量時首先利用多糖;必要時也會利用脂肪:脂肪被水解生成脂肪酸;脂肪酸能夠進入線粒體基質(zhì)，通過氧化途徑(-oxidation pathway)循環(huán)氧化生成Acetyl CoA 。34氧化35三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle, TCA)又叫Krebs循環(huán)、檸檬酸循環(huán)。367.2.2 呼吸鏈與電子傳遞線粒體能量轉(zhuǎn)換策略

11、 TCA中的能量轉(zhuǎn)換 NAD+ NADH FAD+ FADH2 NADH和FADH2必須被氧化才能release energy NADH + 1/2 O2 NAD+ + 能量 FADH2 + 1/2 O2 FAD+ + 能量NADH和FADH2被氧化時釋放的H+、電子和能量如何安置?37幾種輔酶的結(jié)構(gòu)38呼吸鏈(respiratory chain)又稱電子傳遞鏈 (The Electron Transport Chain),是四種復(fù)合物組成的復(fù)合體功能是參與對還原型輔酶的氧化H+的傳遞電子傳遞39The Electron Transport ChainComplex (Cytochrome b

12、cl) UQH2-cytochromes oxidoreductaseComplex cytochrome c-O2 oxidaseComplex I NADH-coenzyme Q reductaseComplex succinate-coenzyme Q oxidoreductase or succinate dehydrogenase40遞電子體與遞氫體遞電子體遞氫體電子傳遞、氫質(zhì)子傳遞方式電子載體類型 鐵硫蛋白、黃素蛋白、細胞色素和輔酶Q。41Types of Electron Carriers鐵硫蛋白(Iron-sulfur proteins)：遞e- 黃素蛋白(Flavoprote

13、ins) : 遞H+，e-細胞色素(Cytochromes) ：遞e- CoQ：泛醌(Ubiquinone)：遞H+，e-42泛醌的氧化與還原43主次電子傳遞鏈主呼吸鏈 復(fù)合物、和構(gòu)成主呼吸鏈，從NADH來的電子依次經(jīng)過這三個復(fù)合物, 進行傳遞。次呼吸鏈 復(fù)合物、構(gòu)成次呼吸鏈，來自FADH2的電子不經(jīng)過。44線粒體內(nèi)膜主次呼吸鏈45 7.2.3 電子傳遞與氧化磷酸化 Oxidative phosphorylation 活細胞中伴隨著呼吸鏈的氧化作用所發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換和ATP的形成過程。46線粒體內(nèi)膜電化學(xué)梯度的建立Electrochemical gradient 質(zhì)子梯度內(nèi)膜兩側(cè)電位差proto

14、n-motive force(質(zhì)子動勢)47The establishment of a proton-motive force48F1-F0 復(fù)合物是ATP合成部位通過線粒體內(nèi)膜重建實驗證明位于內(nèi)膜上的F1-F0顆粒是呼吸鏈中ATP合成的部位。49線粒體內(nèi)膜重建實驗50 F0-F1顆粒的結(jié)構(gòu)和功能酶活性:兩種酶活性ATP水解酶的活性ATP合成酶的活性 故F0-F1顆粒又稱為ATP合酶(ATP synthase )。51Structure of ATP synthase Figure 14-15 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2

15、008)53 結(jié)構(gòu)Head section:即F1, 由5種多肽組成九聚體,含有3個催化ATP合成的位點,每個亞基一個。Stalk section:由F1的亞基和亞基構(gòu)成,亞基穿過頭部作為頭部旋轉(zhuǎn)的軸。Membrane section:即F0, 由3種不同的亞基組成的十五聚體(1a2b12c)。 c亞基: b亞基: a亞基:54The Mechanism of Oxidative Phosphorylation 英國生物化學(xué)家P.Mitchell 1961年提出了化學(xué)滲透假說(chemiosomotic compling hypothesis)解釋氧化磷酸化的偶聯(lián)機理。55化學(xué)滲透學(xué)說Majo

16、r activities in Aerobic respiration56F1和旋轉(zhuǎn)實驗示意圖577.3 Genetic origin of mitochondrion線粒體的遺傳：Mitochondrion genome replication and transcription; protein synthesisCoordination with the nuclear genome 線粒體增殖與起源Proliferation: fissonOrigin: endosymbiotic hypothesis and non-endosymbiotic hypothesisEvolution

17、 of endomembrane system60思考題：1、線粒體的機構(gòu)與功能特點有哪些？2、核基因組編碼的蛋白質(zhì)如何進入線粒體的不同部位？3、化學(xué)滲透學(xué)說的主要內(nèi)容及實驗證據(jù)？61前質(zhì)體(proplastid)直徑約為1m，或更小一些，它是由雙層膜包被著未分化的基質(zhì) (stroma)所組成。質(zhì)體 (plastid):植物中的前質(zhì)體隨著在發(fā)育過程中所處的位置以及接受光的多少程度，分化成功能各異的質(zhì)體(plastid)，根據(jù)質(zhì)體是否含有葉綠素和功能的不同,將質(zhì)體分為白色體、葉綠體和有色體。62前質(zhì)體、質(zhì)體、葉綠體63有色體(chromoplast)不含葉綠素，含有葉黃素、胡蘿卜素和類胡蘿卜素,

18、無類囊體結(jié)構(gòu)。分布于高等植物的某些器官,如花瓣、果實和根細胞中,使其呈現(xiàn)黃色或桔黃色。不進行光合作用,功能是富集淀粉和脂類。白色體(etioplast)不含色素, 多存在于植物的分生組織和儲藏組織中,具有創(chuàng)造和儲藏淀粉、蛋白質(zhì)和油脂的功能。64 葉綠體 (chloroplast):是植物細胞所特有的能量轉(zhuǎn)換細胞器,其主要功能是進行光合作用,即利用光能同化二氧化碳和水,生成糖,同時產(chǎn)生分子氧。含有葉綠素和胡蘿卜素。有基粒、類囊體結(jié)構(gòu)。分布于葉及莖皮層細胞中。657.4 Morphology structure of chloroplastLight micrograph of a living

19、leaf epidermal cell from Arabidopsis thaliana.chloroplastFission 66Chloroplast類囊體67Structure of chloroplast基質(zhì)基粒類囊體基質(zhì)類囊體基粒類囊體腔68葉綠體結(jié)構(gòu)：葉綠體膜(chloroplast membrane）或稱之為被膜(out envelope)、類囊體 (thylakoid)和基質(zhì)(stroma)。？與線粒體不同3種不同的膜：外膜、內(nèi)膜和類囊體膜3種彼此分隔的間隙：膜間間隙、葉綠體基質(zhì)和類囊體腔。69葉綠體與線粒體結(jié)構(gòu)的比較70Membrane of chloroplastperm

20、eabilityOuter membrane : high permeable,許多化合物如核苷、無機磷(Pi)，蔗糖等均可自由通過。Inner membrane : low permeable, 轉(zhuǎn)運體(translocator) 轉(zhuǎn)運代謝物：順濃度梯度交換（磷酸交換載體；二羧酸交換載體）被膜是lipid synthesis的場所(葉綠體和整個植物細胞）：內(nèi)膜上的蛋白大多是與糖脂與磷脂合成有關(guān)的酶類。71 菠菜葉綠體膜的脂含量脂 外膜 內(nèi)膜 類囊體膜糖脂單半乳糖二乙酰甘油175540二半乳糖二乙酰甘油292919硫醌二乙酰甘油655磷脂磷脂酰甘油1095磷脂酰膽堿3200磷脂酰肌醇5 11光

21、吸收色素葉綠素0020類胡蘿卜素116醌003蛋白質(zhì)/脂的比值 0.35 0.9 1.5 72Structure of thylakoid73類囊體(thylakoid)：葉綠體基質(zhì)中由許多單位膜封閉而成的扁平小囊，它是葉綠體內(nèi)部組織的基本結(jié)構(gòu)單位,上面分布著許多光合作用色素,是光合作用的光反應(yīng)場所。類型基粒類囊體(granum thylakoid)葉綠體中圓盤狀的類囊體常常相互堆積在一起形成柱形顆粒, 叫基粒(granum)。構(gòu)成基粒的類囊體叫基粒類囊體,或稱為堆積類囊體(staked thylakoids)。基質(zhì)類囊體(stroma thylakoid)連接兩個相鄰基粒類囊體的片層結(jié)構(gòu)就稱

22、為基質(zhì)片層(stroma lumen)，也有稱為非堆積的類囊體(unstaked thylakoids)。74 類囊體膜的化學(xué)組成 類囊體膜的兩個特性1、伸向基質(zhì)的柄狀結(jié)構(gòu)，稱為CF1顆粒；2、相互堆積形成基粒。 類囊體的脂：糖脂及脂類色素 兩類類囊體的蛋白：內(nèi)在蛋白：鑲嵌在脂雙層中，如質(zhì)體蘭素、細胞色素等外周蛋白：在類囊體膜上朝向葉綠體基質(zhì)面( RuBPcase)75Protein distribution in Thylakoid76葉綠體蛋白的定位 葉綠體蛋白的三種來源:一是由葉綠體DNA編碼,在葉綠體核糖體上合成二是由核DNA編碼,在葉綠體核糖體上合成三是由核DNA編碼,在細胞質(zhì)核糖體

23、上合成，通過導(dǎo)肽運輸?shù)饺~綠體的不同部位葉綠體基質(zhì)蛋白定位兩步運輸: 第一步導(dǎo)肽與葉綠體的外膜受體結(jié)合；第二步以轉(zhuǎn)譯后運輸?shù)臋C制(Post translation mechanism)跨過葉綠體的膜進入基質(zhì)，導(dǎo)肽被金屬蛋白酶水解掉。77葉綠體類囊體蛋白定位78葉綠體基質(zhì) (stroma) 葉綠體內(nèi)膜與類囊體之間的無定形的物質(zhì)，稱為葉綠體基質(zhì)。含有大量的可溶性蛋白,其中RuBP羧化酶占可溶性蛋白總量的60%。此外還有核糖體、DNA和RNA等。基質(zhì)是CO2固定的場所。79葉綠體組份的分離研磨破碎細胞壁酶水解細胞壁CO2固定yesno80光合作用 (photosynthesis)：綠色植物利用葉綠素吸

24、收光能固定CO2，與H2O同化成有機物，并釋放氧的反應(yīng)過程。根據(jù)生物能否進行光合作用，分為兩種類型自養(yǎng)型 (autotrophs): 能進行光合作用異養(yǎng)型 (heterotrops):不能進行光合作用，只能從消耗的含碳食物中獲得還原型的碳素營養(yǎng)。 7.5 Chloroplast function: photosynthesis81光合作用反應(yīng)式: 6CO2 + 6H2O+ 光 C6H12O6 + 6O2 + 化學(xué)能 (674000千卡)光合作用可分為兩個不同的階段：即光反應(yīng)和暗反應(yīng) (light and dark reaction)。光反應(yīng)是對光的吸收，將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，并產(chǎn)生O2。暗反應(yīng)是

25、對CO2的固定(從大氣中攝取CO2并將CO2轉(zhuǎn)變成含有還原碳的有機物)。82 光反應(yīng)是通過葉綠素等光合色素分子吸收傳遞光能,并將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,形成ATP和NADPH的過程。在此過程中水分子被光解,釋放出O2。光反應(yīng)過程包括：1、光能的吸收：原初反應(yīng) 2、傳遞：電子傳遞3、轉(zhuǎn)換過程：光合磷酸化光反應(yīng)的場所是類囊體。7.5.1 光反應(yīng) (Light reaction)83Protein distribution in Thylakoid84 7.5.1.1 原初反應(yīng) (primary reaction) 指葉綠素分子從被光激發(fā)至引起第一個光化學(xué)反應(yīng)為止的過程。包括光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換。光能被

26、聚光色素分子吸收,并傳遞至作用中心,在作用中心發(fā)生最初的光化學(xué)反應(yīng),使電荷分離從而將光能轉(zhuǎn)化為電能的過程。85 光系統(tǒng) (photosystem)進行光吸收的功能單位稱為光合系統(tǒng)，由葉綠素、類胡蘿卜素、脂和蛋白質(zhì)所組成。含有兩個主要的成分 捕光復(fù)合物 (light -harvesting complex， LHC)光反應(yīng)中心復(fù)合物 (reaction-center complex)固定一個光質(zhì)子大約需要300個分子的葉綠素。86 捕光復(fù)合物：是由幾百個葉綠素分子、若干同蛋白質(zhì)連接起來的類胡蘿卜素分子所組成。當(dāng)捕光復(fù)合物中的葉綠素或類胡蘿卜素吸收一個光質(zhì)子時，就有一個電子被激活，色素的這種激發(fā)狀

27、態(tài)相互傳遞，一直到達反應(yīng)中心的一對特殊的葉綠素a。 反應(yīng)中心復(fù)合物：是由幾種與葉綠素a相關(guān)的多肽，以及一些與脂相連的蛋白質(zhì)所構(gòu)成,它們的作用是作為電子供體和受體。光系統(tǒng)中的光吸收色素的功能像是一種天線，將捕獲的光能傳遞給中心的一對葉綠素a，由葉綠素a激發(fā)一個電子，并進入光合作用的電子傳遞鏈。87 光吸收色素 (light-absorbing pigment)又稱聚光色素(light-harvesting pigment)， 位于類囊體的膜上，只具有吸收聚集光能的作用,而無光化學(xué)活性, 故此又稱為天線色素。葉綠素(chlorophylls), 一類含脂的色素家族，位于類囊體膜，并且賦予植物的綠色

28、。葉綠素吸收的光主要是藍色和紅色而不是綠色光，它在光合作用的光吸收中起核心作用。烴側(cè)鏈的不同：葉綠素a、b、c 類胡蘿卜素(carotenoids),也是一種含脂的分子家族，吸收紫色和藍色光(400-500nm)。藻膽素(phycobillins), 存在于紅藻和藍細菌中。88光吸收色素89葉綠素的結(jié)構(gòu)90光合作用的電子產(chǎn)生91原初反應(yīng)：光能通過光系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電能927.5.1.2 電子傳遞電子載體 光合作用的電子傳遞鏈(photosynthetic electron transfer chain)是由一系列的電子載體構(gòu)成的，同線粒體呼吸鏈中的電子載體的作用基本相似。但二者不同的是，線粒體呼吸鏈

29、中的載體位于內(nèi)膜，而光合作用的電子載體位于類囊體膜并且是一個吸熱的過程而不是放熱的過程。93 質(zhì)體醌 (plastoquinone, PQ)：質(zhì)子和電子載體,同線粒體的電子傳遞鏈的醌一樣，也是通過醌和醌醇循環(huán)。 細胞色素(Cytochromes):植物細胞有幾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。鐵氧還蛋白(ferredoxin):它含有一個氧化-還原的位點，該位點有兩個同硫結(jié)合的鐵原子,通過Fe3+ Fe2+的循環(huán)傳遞電子。 質(zhì)體蘭素(plastocyanin, PC):一種含銅的蛋白質(zhì),氧化型呈藍色,傳遞電子時靠Cu2+ Cu+ 的狀態(tài)循環(huán)。94NADP+還原酶

30、參與光合作用電子傳遞的主要黃素蛋白是NADP+還原酶，是一種含有FAD的酶，催化電子從鐵氧還蛋白傳遞給NADP+。NADP+：是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。95電子載體I質(zhì)體醌96 PS復(fù)合物 ( photosystem complex, PS) 即光系統(tǒng)II(PSII)復(fù)合物, 主要分布在基粒內(nèi)囊體膜上。捕光復(fù)合物 (light-harvasting complex , LHC )反應(yīng)中心復(fù)合物：含有六個膜整合肽和幾個緊密連接的脂，包括反應(yīng)中心P680細胞色素，不含鎂的褐藻素（pheophytin）。多肽D1和D2，包括四個

31、錳原子，還有細胞色素b559等。功能：催化電子從H2O PQ PQH2 電子傳遞鏈中的復(fù)合物97光系統(tǒng)98 光系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)99 水的裂解與電子向質(zhì)體醌的傳遞 光系統(tǒng)從光質(zhì)子中得到能量，能量傳遞到光反應(yīng)中心的P680，成為P680*，激發(fā)態(tài)的P680釋放出電子，到鄰近的褐藻素，然后從褐藻素傳遞到質(zhì)體醌，叫QA、傳遞到QB，進一步傳遞到PQ。在此過程中，P680先是失去了電子成為帶正電荷的P680+，P680失去的電子從裂解的水分子釋放出的電子得到補充，又成為還原態(tài)。 2H2O O2 + 4H+ + 4e-100水的光解釋放出了4個電子，而P680一次只能接受一個電子，如何解釋?一個水氧化的時鐘

32、理論水的電子釋放分四次進行，當(dāng)時鐘釋放了四個電子后才從兩分子水中補充四個電子。 這一階段可總結(jié)如下H2O Mn TryZ P680 褐藻素 QA QB 101 水的電子釋放的四個階段 102PSI復(fù)合物 (photosystem complex, PSI) 即光系統(tǒng)I(PSI)。在基粒類囊體和基質(zhì)類囊體上均有分布。PSI由LHC +反應(yīng)中心P700功能：PC 鐵氧還蛋白鐵氧化還原蛋白-NADP還原酶NADPH 電子傳遞鏈中的復(fù)合物103 光系統(tǒng)I的功能結(jié)構(gòu)104 電子傳遞鏈中的復(fù)合物 細胞色素b6/f復(fù)合物 (cytb6/f)細胞色素b/f復(fù)合物是類囊體膜上可分離出來的多亞基膜蛋白。 它由四個

33、多肽組成:即細胞色素f、細胞色素b6、Rieske鐵硫蛋白和一個功能不清的分子量為17kD的多肽。功能：電子從PSII PQH2 (cytb6/f) PC PSI105細胞色素b6/f復(fù)合物106光合作用中的電子傳遞 電子從質(zhì)體醌傳到質(zhì)體藍素 當(dāng)電子從光系統(tǒng)傳遞到QB之后，還原型的QB分子離開PS，以游離的質(zhì)體醌(PQ)的形式進入膜的雙脂層，最后將電子傳遞給細胞色素b/f復(fù)合物。該復(fù)合物含有四種多肽亞基，其中三個含有能夠轉(zhuǎn)移電子的鐵原子，它們分別是細胞色素b,細胞色素f鐵硫蛋白。107 電子從質(zhì)體藍素傳遞給鐵氧化還原蛋白 光系統(tǒng)至少有11種膜整合多肽，和幾個緊密結(jié)合的脂，包括反應(yīng)中心P700細

34、胞色素，以及與反應(yīng)中心有關(guān)的捕光復(fù)合物(LHC)。LHC含有100多個葉綠素a和b，以及一些同色素結(jié)合的蛋白質(zhì)。PS的作用是將電子從質(zhì)體藍素傳遞到鐵氧化還原蛋白。電子從PS的中心色素分子傳遞到鐵硫蛋白要經(jīng)過一系列的蛋白結(jié)合的電子載體A0，是一種細胞色素a，A1，是一種醌(維生素K1)，F(xiàn)eSX、FeSA、FeSB是鐵硫中心。光合作用中的電子傳遞108 由NADP+還原酶將電子從鐵硫蛋白傳遞給NADP+ 。 鐵硫蛋白接受的來自于PS的電子可在NADP+還原酶的催化下傳遞給NADP+，NADP+還原成NADPH需要兩個電子，所以需要兩個還原型的鐵硫蛋白。光合作用中的電子傳遞109光合作用中的電子傳

35、遞鏈非循環(huán)式與循環(huán)式110 7.5.1.3 光合磷酸化 (photophosphorylation) 在葉綠體進行的光合作用過程中, 會產(chǎn)生電化學(xué)氫質(zhì)子梯度，因而能夠驅(qū)動ADP磷酸化合成ATP,這一總過程由于是光驅(qū)動的,故叫光合磷酸化。區(qū)別于線粒體的氧化磷酸化氧化磷酸化是由高能食物分子氧化驅(qū)動，光合磷酸化是由光質(zhì)子驅(qū)動。111非循環(huán)式光合磷酸化(non-cyclic photophosphorylation) 光照后, 激發(fā)態(tài)的葉綠素P680從水光解得到電子,電子傳遞經(jīng)過兩個光系統(tǒng),并在傳遞過程中產(chǎn)生H+質(zhì)子梯度,且同磷酸化相偶聯(lián),產(chǎn)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

36、受體是NADP+, 最終產(chǎn)物有ATP、NADPH、分子氧。循環(huán)式光合磷酸化 (cyclic photophosphorylation) 光誘導(dǎo)的電子從系統(tǒng)傳遞給鐵氧化還原蛋白后不是進一步傳遞給NADP+，而是傳遞給細胞色素b/f復(fù)合物，再經(jīng)由質(zhì)體蘭素(PC)而流回到光系統(tǒng)。此過程的產(chǎn)物僅為ATP,無NADPH、水和分子氧。循環(huán)式光合磷酸化約占光合磷酸化的10-20%。 光合磷酸化的類型112非循環(huán)式光合磷酸化113循環(huán)式光合磷酸化114 光合磷酸化的機理同線粒體進行的氧化磷酸化相似,同樣可用化學(xué)滲透學(xué)說來解釋?；瘜W(xué)滲透學(xué)說的基本要點是:在電子傳遞和ATP形成之間,起偶聯(lián)作用的是膜內(nèi)外之間存在的

37、質(zhì)子電化學(xué)梯度。電子在膜上的傳遞象一個H+泵,促使H+穿過膜進行定向傳遞,形成膜兩側(cè)的H+質(zhì)子梯度。由于H+的傳遞是由泵來推動的,因此,在形成質(zhì)子電動勢梯度時就會儲存能量,它可用于將ADP+Pi形成ATP。115化學(xué)滲透學(xué)說116化學(xué)滲透學(xué)說:線粒體 vs 葉綠體117 能量轉(zhuǎn)換裝置 光合磷酸化的能量轉(zhuǎn)化單位是:ATP酶復(fù)合體(CF1-CF0 -ATPase complex),位于類囊體膜上，朝向葉綠體基質(zhì)，簡稱CF1顆粒。主要由兩部分組成, 即頭部(CF1 )和膜部(CF0)。CF1有五種亞基: 、 。在、亞基上有ATP、ADP結(jié)合部位和催化部位。亞基與CF0結(jié)合。亞基控制質(zhì)子流動。亞基在暗

38、處有抑制此復(fù)合物催化活性的功能,限制ATP的水解。CF0至少有三個亞基插入膜中，以六聚體(18kD)形成質(zhì)子通道。CF1ATP酶的激活與線粒體的不同, 要-SH化合物,同時還要Mg2+ 。118119類囊體膜重建葉綠體中的ATP到底是怎樣合成的? 類囊體膜上的CF1-CF0是否就是ATP合成酶?證明了CF1顆粒就是ATP合成酶，偶聯(lián)光合磷酸化的裝置。120121 類囊體膜進行的光合電子傳遞與光合磷酸化需要四個跨膜復(fù)合物參加光系統(tǒng)、細胞色素b6/f復(fù)合物、光系統(tǒng)和ATP合成酶。由三個可動的物質(zhì)質(zhì)體醌、質(zhì)體藍素和H+質(zhì)子將這四個復(fù)合物在功能上連成一體。能量轉(zhuǎn)換裝置 122類囊體的光能吸收與電子傳遞

39、123 7.5.2 暗反應(yīng) (dark reaction)高等植物的光合作用: 光反應(yīng)：原初反應(yīng)、電子傳遞和光合磷酸化，在類囊體上進行。暗反應(yīng)：進行CO2的固定，在葉綠體基質(zhì)中進行。 暗反應(yīng)是指葉綠體利用光反應(yīng)產(chǎn)生的NADPH和ATP的化學(xué)能，將CO2還原合成糖。CO2還原成糖的反應(yīng)不需要光，故這一反應(yīng)稱為暗反應(yīng)。1247.5.2.1 C3途徑（C3 pathway）C3途徑（C3 pathway）：CO2固定的途徑，是一個循環(huán)過程，又稱C3循環(huán)，卡爾文循環(huán)，由于反應(yīng)的最初產(chǎn)物含三碳化合物3-磷酸甘油酸?？煞譃槿齻€階段：羧化還原RuBP的再生125CO2的羧化：CO2被還原之前,首先被固定形成

40、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(yīng)形成兩分子的3-磷酸甘油酸(PGA)。 還原階段： PGA首先在磷酸甘油激酶的催化下形成1.3二磷酸甘油酸, 然后在甘油醛磷酸脫氫酶的催化下被NADPH還原成3-磷酸甘油醛。這是一個吸能反應(yīng),光反應(yīng)中形成的ATP和NADPH主要是在這一階段被利用。所以,還原反應(yīng)是光反應(yīng)和暗反應(yīng)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。126RuBP的再生3-磷酸甘油醛經(jīng)一系列的相互轉(zhuǎn)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。 127CO

41、2的羧化：128卡爾文循環(huán)3磷酸甘油酸 (PGA)3磷酸甘油荃 (GAP)129綜上所述,C3循環(huán)是靠光反應(yīng)形成的ATP及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。6CO2 + 18ATP + 12NADPH C6H12O6 + 18ADP + Pi + 12 NADP+1307.5.2.2 C4 植物和CAM植物 C4途徑: 克服光吸收對光合作用的影響 1965年，Hugo Kortschak報道,用14CO2加到甘蔗中，發(fā)現(xiàn)放射性首出現(xiàn)在四碳骨架中，而不是出現(xiàn)在PGA中。進一步地分析發(fā)現(xiàn)，這些C4物質(zhì)是CO2同磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)結(jié)合的結(jié)果，因此發(fā)現(xiàn)了CO2固定的第二種機制，這種固定CO2的機制稱為四碳雙羧酸途徑,簡稱為C4途徑。將CO2連接到PEP上的酶是磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。利用這種途徑固