章線粒體和葉綠體2021/3/29星期一1第一節(jié)線粒體1890，Altaman首次發(fā)現(xiàn)，命名為生命小體（bioblast）；1898，vonBenda將之命名為線粒體mitochondrion；1904，Michaelis發(fā)現(xiàn)線粒體具有氧化作用；1948，Green，1949，Kennedy和Lehninger分別發(fā)現(xiàn)三羧酸循環(huán)和脂肪酸氧化是在線粒體內(nèi)完成的。2021/3/29星期一2動、植物細胞中均可觀察到頻繁的線粒體融合與分裂現(xiàn)象，這被認(rèn)為是線粒體形態(tài)調(diào)控的基本方式，也是線粒體數(shù)目調(diào)控的基礎(chǔ)。細胞中所有的線粒體構(gòu)成一個不連續(xù)的動態(tài)整體。一、線粒體的融合與分裂2021/3/29星期一3線粒體融合與分裂的分子基礎(chǔ)：融合與分裂依賴于特定的基因和蛋白質(zhì)的調(diào)控。融合所必需的基因最早發(fā)現(xiàn)于果蠅，取名Fzo（fuzzyonion模糊洋蔥頭）Fzo基因編碼一跨膜的GTPase（鳥苷三磷酸酶），定位在線粒體外膜上，介導(dǎo)線粒體的融合。2021/3/29星期一4線粒體融合與分裂的分子及細胞生物學(xué)基礎(chǔ)分裂的分子生物學(xué)基礎(chǔ)?線粒體分裂依賴特定的基因和蛋白質(zhì)來調(diào)控?線粒體分裂需要發(fā)動蛋白（dynamin）?dynamin類蛋白是一類大分子GTPase（鳥苷三磷酸酶），發(fā)動蛋白（dynamin）組裝和驅(qū)動線粒體分裂的模式圖2021/3/29星期一5線粒體融合與分裂的分子及細胞生物學(xué)基礎(chǔ)?線粒體分裂環(huán)（mitochondrialdivisionring）?分裂的三個階段：早期；中期；后期NishidaKetal.PNAS2003;100:2146-2151發(fā)動蛋白2021/3/29星期一6二、結(jié)構(gòu)及分布（一）形態(tài)顆粒狀或桿狀或短線狀;直徑0.3~1.0μm，長1.5~3.0μm；胰外分泌細胞中可達10~20μm，稱巨線粒體。肝細胞約1300個線粒體，占細胞體積的20%，人類紅細胞無線粒體。2021/3/29星期一7AnTEMimageofmitochondrion

2021/3/29星期一8人淋巴細胞線粒體（A）、擬南芥幼葉線粒體（B）的超微結(jié)構(gòu)及超微結(jié)構(gòu)模式圖2021/3/29星期一9立體結(jié)構(gòu)2021/3/29星期一10（二）分布線粒體在細胞內(nèi)的分布與細胞內(nèi)能量需求密切相關(guān)。多分布在細胞功能旺盛的區(qū)域，可向這些區(qū)域遷移，微管是其導(dǎo)軌、馬達蛋白提供動力。心肌細胞：靠近收縮器精子：位于尾部，圍繞活動鞭毛2021/3/29星期一11（三）超微結(jié)構(gòu)分為外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四部分。Schematicviewofmitochondrion2021/3/29星期一121、外膜(outmembrane)平展，起界膜作用；厚約6nm。外膜像篩子一樣，具有孔蛋白構(gòu)成的親水通道，允許小分子物質(zhì)（分子量5000以下）通過。2、內(nèi)膜（innermembrane）類似細胞質(zhì)膜；對離子和大多數(shù)小分子是不可通透的，除非有膜轉(zhuǎn)運蛋白提供通道。心磷脂含量高(達20%)，缺乏膽固醇，通透性很低。2021/3/29星期一132、內(nèi)膜（innermembrane）高度折曲，形成一系列的內(nèi)褶，稱為嵴，能擴大表面積（5~10倍），分兩種：①板層狀、②管狀；嵴上有基粒（即為ATP合酶）。內(nèi)膜是氧化磷酸化的關(guān)鍵場所。內(nèi)膜的標(biāo)志酶為細胞色素C氧化酶。2021/3/29星期一14Lamellarcristae板層狀嵴2021/3/29星期一15Tubularcristae管狀嵴2021/3/29星期一163、膜間隙：是內(nèi)外膜之間的腔隙，寬約6-8nm。膜間隙內(nèi)的液態(tài)介質(zhì)含有可溶性的酶、底物和輔助因子。標(biāo)志酶為腺苷酸激酶，可催化ATP生成ADP。2021/3/29星期一17Modelsofmitochondrialmembranestructures2021/3/29星期一184、基質(zhì)（matrix）富含可溶性蛋白質(zhì)的膠狀物質(zhì)。催化重要生化反應(yīng)，含三羧酸循環(huán)、脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化等的酶類；還含有DNA，RNA，核糖體及轉(zhuǎn)錄翻譯所需重要分子。標(biāo)志酶為蘋果酸脫氫酶。2021/3/29星期一19三、氧化磷酸化動物細胞80%的ATP來源于線粒體。（人95%）線粒體為細胞的“動力工廠”。2021/3/29星期一20（一）ATP合酶（ATPsynthase）F型質(zhì)子泵；分為球形的F1（頭部）和嵌入膜中的F0（基部）。F1：α3β3γδε復(fù)合體，5種類型9個亞基組成，具有3個ATP合成的催化位點(每個β亞基1個)。F0：ab2c12復(fù)合體，嵌入內(nèi)膜，12個c亞基組成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)子通道。2021/3/29星期一21ATP合酶分子結(jié)構(gòu)模式圖ATP合酶的分子由球形的頭部和基部組成，頭部朝向線粒體基質(zhì)，規(guī)則性地排布在內(nèi)膜下并以基部與內(nèi)膜相連。（一）ATP合酶（ATPsynthase）2021/3/29星期一22ATP合酶的頭部被稱為偶聯(lián)因子1（F1），由5種類型的9個亞基組成，形成一個“橘瓣”狀結(jié)構(gòu),其中只有β亞基具有催化ATP合成或水解的活性。F1的功能是催化ATP合成，γ亞基的一個結(jié)構(gòu)域構(gòu)成穿過F1的中央軸。ε亞基協(xié)助γ亞基附著到ATP合酶的基部結(jié)構(gòu)F0上。γ與ε亞基結(jié)合形成“轉(zhuǎn)子”，旋轉(zhuǎn)于α3β3的中央，調(diào)節(jié)3個β亞基催化位點的開放和關(guān)閉。2021/3/29星期一23ATP合酶的基部結(jié)構(gòu)被稱作F0，F(xiàn)0是一個疏水性的蛋白復(fù)合體，嵌合于線粒體內(nèi)膜，由a、b、c3種亞基組成跨膜的質(zhì)子通道。多拷貝的c亞基形成一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)。a亞基和b亞基形成的二聚體位于環(huán)的外側(cè)。同時，a亞基、b亞基及F1的δ亞基共同組成“定子”，也稱外周柄。2021/3/29星期一24結(jié)合變構(gòu)機制—質(zhì)子驅(qū)動ATP合成的過程1979年Boyer提出結(jié)合變構(gòu)機制（bindingchangemechanism），其要點如下：①質(zhì)子梯度的作用是使ATP從酶分子上解脫下來。②ATP合酶上3個β催化亞基以3種不同的構(gòu)象存在，從而使它們對核苷酸具有不同的親和性;③ATP通過旋轉(zhuǎn)催化而生成。旋轉(zhuǎn)的動力來自于F0質(zhì)子通道中的質(zhì)子跨膜運動。2021/3/29星期一25（二）質(zhì)子驅(qū)動力線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞為膜間隙與基質(zhì)間的質(zhì)子電化學(xué)梯度提供了基礎(chǔ)。質(zhì)子則借助高能電子釋放的能量被不斷地定向轉(zhuǎn)運到膜間隙。ATP合酶在質(zhì)子流的推動下實現(xiàn)分子內(nèi)“轉(zhuǎn)子”的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動ATP的生成。F1F02021/3/29星期一26丙酮酸脂肪酸乙酰CoA乙酰CoA（乙酰輔酶A）檸檬酸循環(huán)電子傳遞鏈高能電子質(zhì)子梯度驅(qū)動ATP合酶生成ATP膜間隙線粒體產(chǎn)能ATP2021/3/29星期一27（三）電子傳遞鏈電子載體（electroncarrier）：在電子傳遞的過程中，接受和釋放電子的分子和原子。電子傳遞鏈（electrontransportchain）：由電子載體組成的固定電子傳遞序列，也稱為呼吸鏈。5種電子載體：黃素蛋白、細胞色素、泛醌、鐵硫蛋白、銅原子共同點：具有氧化還原作用2021/3/29星期一28（四）電子傳遞復(fù)合物2021/3/29星期一29復(fù)合物Ⅰ：NADH-CoQ還原酶（NADH脫氫酶）2021/3/29星期一30復(fù)合物Ⅱ：琥珀酸-CoQ還原酶（琥珀酸脫氫酶）2021/3/29星期一31復(fù)合物III：細胞色素還原酶2021/3/29星期一32復(fù)合物Ⅳ：Cytc（細胞色素）氧化酶2021/3/29星期一33在醫(yī)學(xué)上，由線粒體功能障礙引起的疾病被稱為線粒體?。╩itochondrialdisease）。已知的人類線粒體病有100多種，常見的有腦壞死、心肌病、腫瘤、不育、帕金森綜合征等?？松讲∫喾Q地方性心肌病，因缺硒引起。硒是谷胱甘肽過氧化物酶的一個組成成份，該酶的主要作用是還原脂質(zhì)過氧化物，清除氧自由基從而保護了細胞膜的完整性。線粒體基因突變導(dǎo)致的線粒體病呈單純的母系遺傳。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣為利用細胞質(zhì)的雄性不育。四、線粒體與疾病2021/3/29星期一34第二節(jié)葉綠體光合作用是地球上有機體生存和發(fā)展的根本源泉。綠色植物年產(chǎn)干物質(zhì)達1014公斤。2021/3/29星期一35一、葉綠體的基本形態(tài)及動態(tài)特征在高等植物的葉肉細胞中，葉綠體呈凸透鏡或鐵餅狀，直徑為5～10μm，厚2～4μm。分布在細胞質(zhì)膜與液泡間薄層的細胞質(zhì)中，呈平層排列。通常情況下，高等植物的葉肉細胞含20～200個葉綠體。（一）葉綠體的形態(tài)、分布及數(shù)目2021/3/29星期一362021/3/29星期一37（一）葉綠體的形態(tài)、分布及數(shù)目葉綠體通過位移避開強光的行為稱為躲避響應(yīng)在光照較弱的情況下，葉綠體會匯集到細胞的受光面，這種行為稱作積聚響應(yīng)葉綠體在細胞內(nèi)位置和分布受到動態(tài)的調(diào)控稱為葉綠體定位2021/3/29星期一38光照強度對葉綠體分布及位置響應(yīng)的示意圖：野生型（WT）擬南芥葉片呈深綠色。對葉片的一部分（整體遮光，中部留出一條縫）強光照射1h后，被照射的部分變成淺綠色，這是由于細胞葉綠體位置和分布發(fā)生了變化，以減少強光的傷害。在葉綠體定位異常的突變體（chup1）中，光照對葉綠體的位置與分布失去影響。細胞內(nèi)的葉綠體仍呈現(xiàn)動態(tài)特征：葉綠體在細胞內(nèi)的位置與分布受光照影響，且葉綠體定位借助微絲骨架的作用，微絲結(jié)合蛋白CHUP1為葉綠體正常定位所必需。2021/3/29星期一39（二）葉綠體的分化與去分化葉綠體分化于幼葉的形成和生長階段。在形態(tài)上表現(xiàn)為體積的增大、內(nèi)膜的形成和葉綠色的積累；而在生化與分子生物學(xué)上，則體現(xiàn)為葉綠體功能必需的酶、蛋白質(zhì)、大分子的合成、運輸及定位。擬南芥編碼葉綠體蛋白酶的基因（var1和var2）發(fā)生突變后，葉綠體發(fā)育異常，葉片出現(xiàn)白斑，白化葉或葉白化部分的質(zhì)體形成白色體。2021/3/29星期一40葉綠體是原質(zhì)體的一種分化方式；原質(zhì)體(proplastid)亦稱為前質(zhì)體，原色素體。為葉綠體、白色體、有色體等質(zhì)體的前身（或前驅(qū)）結(jié)構(gòu)。僅由內(nèi)膜和外膜構(gòu)成，膜內(nèi)是少量的基質(zhì)和DNA,但是沒有葉綠素和電子傳遞系統(tǒng)。在特定情況下，葉綠體的分化是可逆的，葉綠體可去分化再次形成原質(zhì)體。2021/3/29星期一41葉綠體通過分裂而實現(xiàn)增殖。葉綠體的分裂與線粒體分裂具有相同的細胞動力學(xué)機制。也由外環(huán)與內(nèi)環(huán)組成，分裂環(huán)的縊縮是葉綠體分裂的細胞動力學(xué)基礎(chǔ)（三）葉綠體的分裂葉綠體分裂必需的dynamin相關(guān)蛋白被稱為ARC5。蛋白出現(xiàn)于縊陷處，推動葉綠體分裂2021/3/29星期一42（a，b）紅藻的葉綠體分裂環(huán)（c）被子植物天竺葵的葉綠體分裂環(huán)2021/3/29星期一43二、葉綠體的超微結(jié)構(gòu)2021/3/29星期一44外膜、內(nèi)膜和膜間隙構(gòu)成；外膜通透性大，含有孔蛋白，允許相對分子質(zhì)量高達104

的分子通過；而內(nèi)膜則通透性較低，僅允許O2、CO2

和H2O分子自由通過。葉綠體內(nèi)膜上有很多轉(zhuǎn)運蛋白，選擇性轉(zhuǎn)運較大分子。（一）葉綠體膜2021/3/29星期一45葉綠體內(nèi)部由內(nèi)膜衍生而來的封閉的扁平膜囊，稱類囊體。類囊體囊內(nèi)的空間稱為類囊體腔（thylakoidlumen）在葉綠體中，許多圓餅狀的類囊體有序疊置成基粒（grana）。該膜囊系統(tǒng)獨立于基質(zhì)，在電化學(xué)梯度的建立和ATP的合成中起重要作用。類囊體膜富含具有半乳糖的糖脂和極少的磷脂。糖脂中的脂肪酸主要是不飽和的亞麻酸質(zhì)雙分子層流動性非常大。（二）類囊體2021/3/29星期一46葉綠體內(nèi)膜與類囊體之間的液態(tài)膠體物質(zhì)，稱為葉綠體基質(zhì)。基質(zhì)的主要成分是可溶性蛋白質(zhì)和其他代謝活躍物質(zhì)，其中豐度最高的蛋白質(zhì)為核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(ribulose-1,5-biphosphatecarboxylase/oxygenase，簡稱Rubisco)。Rubisco是光合作用中的一個重要的酶系統(tǒng)，亦是自然界含量最豐富的蛋白質(zhì)?；|(zhì)中還存在葉綠體DNA、核糖體、脂滴、植物鐵蛋白和淀粉粒等物質(zhì)。（三）葉綠體基質(zhì)2021/3/29星期一47葉綠體與線粒體形態(tài)結(jié)構(gòu)比較★葉綠體內(nèi)膜并不向內(nèi)折疊成嵴；★內(nèi)膜不含電子傳遞鏈；除了膜間隙、基質(zhì)外，還有類囊體；★捕光系統(tǒng)、電子傳遞鏈和ATP合酶都位于類囊體膜上。2021/3/29星期一48三、光合作用光反應(yīng)在類囊體膜上進行：原初反應(yīng)；電子傳遞和光合磷酸化；固碳反應(yīng)在葉綠體基質(zhì)中進行；光反應(yīng)產(chǎn)物（ATP和NADPH）驅(qū)動CO2還原成糖的分子反應(yīng)過程兩步反應(yīng)協(xié)同完成：依賴光的反應(yīng)或稱“光反應(yīng)”和碳同化反應(yīng)或稱固碳反應(yīng)2021/3/29星期一49（一）原初反應(yīng)捕獲光能是光合作用的初始步驟。光合色素分子被光能激發(fā)而引起第一個光化學(xué)反應(yīng)的過程。1.光合色素（吸光）葉綠素、類胡蘿卜素和藻膽素2.光化學(xué)反應(yīng)光化學(xué)反應(yīng)是指反應(yīng)中心色素分子吸收光能而引發(fā)的氧化還原反應(yīng)。光合作用原初反應(yīng)的能量吸收、傳遞與轉(zhuǎn)換光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?021/3/29星期一50（二）電子傳遞和光合磷酸化1、電子傳遞★光系統(tǒng)（photosystem,PS）：指光合作用中光吸收的功能單位，由葉綠素、類胡蘿卜素、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成?！颬SⅡ和PSI：葉綠體的類囊體膜上存在的兩個不同的光系統(tǒng)。它們的反應(yīng)中心相繼催化光驅(qū)動的電子從H2O到NADP+的流動。2021/3/29星期一511.電子傳遞光合電子傳遞鏈（photosyntheticelectrontransferchain）由一系列的電子載體構(gòu)成。電子載體包括細胞色素、黃素蛋白、醌、鐵氧還蛋白，分別組裝在膜蛋白復(fù)合物PSⅠ、PSⅡ、Cytb6f復(fù)合物。2021/3/29星期一52（1）PSII的結(jié)構(gòu)與功能

PSⅡ由反應(yīng)中心復(fù)合物和捕光復(fù)合物（LHCⅡ）組成。其功能是利用光能在類囊體膜腔面一側(cè)裂解水并在基質(zhì)側(cè)還原質(zhì)體醌，使類囊體膜的兩側(cè)形成質(zhì)子梯度。2021/3/29星期一53（2）Cytb6f復(fù)合物結(jié)構(gòu)：含有一個Cytb6、一個Fe-S和一個Cytf功能：將電子從PSⅡ傳遞到PSⅠ，引起H+

的跨膜轉(zhuǎn)移內(nèi)囊體腔基質(zhì)2021/3/29星期一54（3）PSI的結(jié)構(gòu)與功能PSⅠ由反應(yīng)中心復(fù)合物和捕光復(fù)合物（LHCⅠ）組成，其功能是利用吸收的光能或傳遞來的激發(fā)能在類囊體膜的基質(zhì)側(cè)將NADP+還原為NADPH。2021/3/29星期一552.光合磷酸化photophosphorilation定義：由光照所引起的的電子傳遞與磷酸化作用相偶聯(lián)而生成ATP的過程稱為光合磷酸化CF0-CF1ATP合酶光合磷酸化的類型依電子傳遞的方式不同分為：非循環(huán)光合磷酸化Noncyclicphotophosphorylation循環(huán)光合磷酸化cyclicphotophosphorylation2021/3/29星期一56循環(huán)光合磷酸化2021/3/29星期一57非循環(huán)光合磷酸化2021/3/29星期一58葉綠體類囊體膜中進行的電子傳遞和H＋跨膜轉(zhuǎn)移光合磷酸化的作用機制

電子傳遞形成質(zhì)子梯度H+經(jīng)電化學(xué)梯度穿越ATP合酶，驅(qū)動ADP磷酸化成ATP2021/3/29星期一59（三）光合碳同化本質(zhì)：將光反應(yīng)產(chǎn)物ATP和NADPH中的活躍化學(xué)能轉(zhuǎn)換為糖分子中高穩(wěn)定型化學(xué)能的過程。這一過程不直接需要光(在葉綠體基質(zhì)中進行)。類型：高等植物中有3條途徑。2021/3/29星期一601、卡爾文循環(huán)（C3途徑）C3途徑是所有植物進行光合碳同化所共有的基本途徑，包括3個主要階段：（1）羧化階段：CO2的受體為核酮糖-1，5-二磷酸（ribulose-1,5-biphosphate,RuBP）。RuBP+CO2RuBP羧化酶/加氧酶2甘油酸-3-磷酸（2）還原階段：甘油酸-3-磷酸甘油酸-3-磷酸激酶甘油酸-1,3-二磷酸NADPHNADP+甘油酸-1,3-二磷酸甘油醛-3-磷酸脫氫酶甘油醛-3-磷酸淀粉或蔗糖2021/3/29星期一612、C4植物的碳同化（C4途徑）存在于一些熱帶或亞熱帶起源的植物(C4植物)中，如甘蔗、玉米、高粱等。該途徑固定CO2的最初產(chǎn)物為草酰乙酸(四碳化合物)，因而被稱為C4途徑。與C3不同，CO2

在葉肉細胞中與磷酸烯醇式丙酮酸PEP反應(yīng)生成草酰乙酸（在PEP羧化酶作用下）。草酰乙酸不穩(wěn)定，迅速被還原為蘋果酸，被轉(zhuǎn)運到維管束鞘細胞，蘋果酸被分解釋放出CO2

，進入卡爾文循環(huán)。2021/3/29星期一62C4途徑：又稱哈奇-斯萊克(Hatch-Slack)途徑，CO2受體為PEP（磷酸烯醇式丙酮酸），最初產(chǎn)物為草酰乙酸(OAA)

。葉肉細胞維管束鞘細胞2、C4植物的碳同化（C4途徑）2021/3/29星期一633、景天酸代謝途徑（CAM途徑）CAM途徑：多見于景天科、仙人掌科、鳳梨科、蘭科，由于環(huán)境干旱，氣孔白天關(guān)閉，CO2只能夜間進入。夜間固定CO2產(chǎn)生蘋果酸，白天蘋果酸脫羧釋放CO2，進入卡爾文循環(huán)。2021/3/29星期一64第三節(jié)線粒體和葉綠體的

半自主性及其起源2021/3/29星期一65●半自主性細胞器：自身含有遺傳表達系統(tǒng)(自主性)；但編碼的遺傳信息十分有限，其RNA轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯、自身構(gòu)建和功能發(fā)揮等必須依賴核基因組編碼的遺傳信息(自主性有限)。一、線粒體和葉綠體的半自主性(semiautonomous)2021/3/29星期一66（一）線粒體和葉綠體DNA絕大多數(shù)真核細胞的線粒體DNA(mitochondrialNA，mtDNA)呈雙鏈環(huán)狀；線粒體需要通過頻繁的融合與分裂共享細胞內(nèi)的遺傳信息；被子植物的mtDNA呈現(xiàn)出豐富的分子多態(tài)性。葉綠體DNA（cpDNA）或稱質(zhì)體DNA（ptDNA）亦呈環(huán)狀，分子大小依物種的不同呈現(xiàn)較大差異，在200～2500kb之間；

mtDN