生物競賽課件線粒體與葉綠體第1頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)線粒體第2頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月一、結(jié)構(gòu)粒狀或桿狀。蛋白占干重的65-70%，脂類占25-30%。直徑0.5~1μm，長1.5~3.0μm，在胰臟外分泌細(xì)胞中可長達(dá)10~20μm，稱巨線粒體。肝細(xì)胞約1300個線粒體，占細(xì)胞體積的20%，許多哺乳動物成熟的紅細(xì)胞無線粒體。（一）形態(tài)第3頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月通常分布在細(xì)胞功能旺盛的區(qū)域。在腎細(xì)胞中靠近微血管，在精子中分布在鞭毛中區(qū)。線粒體可以向細(xì)胞功能旺盛的區(qū)域遷移，微管是其導(dǎo)軌、馬達(dá)蛋白提供動力。（二）分布（三）超微結(jié)構(gòu)分為外膜、內(nèi)膜、膜間隙和基質(zhì)四部分。第4頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月Structuresofthemitochondrion第5頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1、外膜(outmembrane)含40%的脂類和60%的蛋白，具有porin構(gòu)成的親水通道，允許分子量5KD以下的分子通過，1KD以下的分子可自由通過。標(biāo)志酶為單胺氧化酶。2、內(nèi)膜（innermembrane）含100種以上的多肽，蛋白質(zhì)和脂類的比例高于3:1。心磷脂含量高（達(dá)20%）、缺乏膽固醇，類似于細(xì)菌質(zhì)膜。通透性很低，僅允許不帶電荷的小分子物質(zhì)通過。第6頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月氧化磷酸化的電子傳遞鏈位于內(nèi)膜。標(biāo)志酶為細(xì)胞色素C氧化酶。內(nèi)膜向線粒體內(nèi)室褶入形成嵴（cristae），能擴(kuò)大內(nèi)膜表面積（達(dá)5~10倍），嵴有兩種：①板層狀、②管狀。嵴上覆有基粒。基粒由頭部（F1）和基部（F0）構(gòu)成。3、膜間隙(intermembranespace)：是內(nèi)外膜之間的腔隙，寬約6-8nm。標(biāo)志酶為腺苷酸激酶。第7頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月4、基質(zhì)（matrix）為內(nèi)膜和嵴包圍的空間。含有：催化三羧酸循環(huán)，脂肪酸、丙酮酸和氨基酸氧化的酶類。標(biāo)志酶為蘋果酸脫氫酶。線粒體DNA（mtDNA），及線粒體特有的核糖體，tRNAs、rRNA、DNA聚合酶、氨基酸活化酶等。纖維絲和電子密度很大的致密顆粒狀物質(zhì)，內(nèi)含Ca2+、Mg2+、Zn2+等離子。第8頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、氧化磷酸化的分子基礎(chǔ)動物細(xì)胞中80%的ATP來源于線粒體，糖、脂肪和氨基酸徹底氧化，電子經(jīng)過一系列的傳遞，傳至氧分子，逐級釋放能量，合成ATP。第9頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）電子載體NAD、黃素蛋白、細(xì)胞色素、鐵硫蛋白、輔酶Q等。1、NAD：即煙酰胺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide），連接三羧酸循環(huán)和呼吸鏈，將代謝過程中脫下來的氫交給黃素蛋白。2、黃素蛋白：含F(xiàn)MN或FAD的蛋白，可接受2個電子2個質(zhì)子。黃素相關(guān)的脫氫酶類主要有：①以FMN為輔基的NADH脫氫酶。②以FAD為輔基的琥珀酸脫氫酶。第11頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月NAD＆NADP第12頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月Flavinmononucleotide(FMN)&Flavinadeninedinucleotide第13頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月3、細(xì)胞色素：分子中含有血紅素鐵，以共價形式與蛋白結(jié)合，通Fe3+、Fe2+形式變化傳遞電子，呼吸鏈中有5類，即：細(xì)胞色素a、a3、b、c、c1，其中a、a3含有銅原子。第14頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月4、鐵硫蛋白：在其分子結(jié)構(gòu)中每個鐵原子和4個硫原子結(jié)合，通過Fe2+、Fe3+互變進(jìn)行電子傳遞，有2Fe-2S和4Fe-4S兩種類型。第15頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月5、輔酶Q：是脂溶性小分子量醌類化合物，通過氧化和還原傳遞電子。有3種氧化還原形式，即：氧化型醌Q，還原型氫醌（QH2）和介于兩者之者的自由基半醌（QH）。第16頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）呼吸鏈的復(fù)合物呼吸鏈組分按氧化還原電位由低向高的方向排列。呼吸鏈有4種復(fù)合物：輔酶Q和細(xì)胞色素C不屬于任何一種復(fù)合物。第17頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1、復(fù)合物I：NADH脫氫酶。組成：42條肽鏈組成，呈L型，含一個FMN和至少6個鐵硫蛋白，分子量接近1MD，以二聚體形式存在。作用：催化NADH的2個電子傳遞至輔酶Q，同時將4個質(zhì)子由線粒體基質(zhì)（M側(cè)）轉(zhuǎn)移至膜間隙（C側(cè)）。NADH→FMN→Fe-S→QNADH+5H+M+Q→NAD++QH2+4H+C第18頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2、復(fù)合物II：琥珀酸脫氫酶組成：至少由4條肽鏈，含有一個FAD，2個鐵硫蛋白。作用：催化琥珀酸的低能量電子轉(zhuǎn)至輔酶Q，但不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。琥珀酸→FAD→Fe-S→Q。琥珀酸+Q→延胡索酸+QH2第19頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月3、復(fù)合物III：細(xì)胞色素c還原酶。組成：至少11條不同肽鏈，以二聚體形式存在，每個單體包含兩個細(xì)胞色素b（b562、b566）、一個鐵硫蛋白和一個細(xì)胞色素c1。作用：催化電子從輔酶Q傳給細(xì)胞色素c，每轉(zhuǎn)移一對電子，同時將4個質(zhì)子由線粒體基質(zhì)泵至膜間隙。2還原態(tài)cytc1+QH2+2H+M→2氧化態(tài)cytc1+Q+4H+C第20頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合物Ⅲ的電子傳遞比較復(fù)雜，和“Q循環(huán)”有關(guān)第21頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月4、復(fù)合物IV：細(xì)胞色素c氧化酶組成：為二聚體，每個單體含至少13條肽鏈，分為三個亞單位。作用：將從細(xì)胞色素c接受的電子傳給氧，每轉(zhuǎn)移一對電子，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。cytc→CuA→hemea→a3-CuB→O24還原態(tài)cytc+8H+M+O2→4氧化態(tài)cytc+4H+C+2H2O第22頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月①由復(fù)合物I、III、IV組成，催化NADH的脫氫氧化。②由復(fù)合物II、III、IV組成，催化琥珀酸的脫氫氧化。對應(yīng)于每個復(fù)合物Ⅰ，大約需要3個復(fù)合物Ⅲ，7個復(fù)合物Ⅳ，任何兩個復(fù)合物之間沒有穩(wěn)定的連接結(jié)構(gòu)，而是由輔酶Q和細(xì)胞色素c這樣的可擴(kuò)散性分子連接。（三）兩條主要的呼吸鏈第23頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月TransportofelectronsfromNADH第24頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月TransportofelectronsfromFADH2第25頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月兩條呼吸鏈魚藤酮、阿米妥抗霉素ACN—、CO第26頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月呼吸鏈組分及ATP酶在線粒體內(nèi)膜上呈不對稱分布?？捎脕喚€粒體顆粒和冰凍蝕刻技術(shù)呼吸鏈組分的分布。用超聲波破碎線粒體，形成顆粒朝外的小膜泡，稱亞線粒體顆粒，具有正常的電子傳遞和磷酸化的功能。用細(xì)胞色素c的抗體能夠抑制完整線粒體的氧化磷酸化，但不能抑制亞線粒體顆粒的氧化磷酸化，為什么？第27頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月P.Mitchell（1961）提出“化學(xué)滲透假說”。認(rèn)為：電子沿呼吸鏈傳遞時，所釋放的能量將質(zhì)子從內(nèi)膜基質(zhì)側(cè)（M側(cè)）泵至膜間隙（C側(cè)），形成質(zhì)子動力勢（△P）?！鱌=Ψ-(2.3RT/F)△pH其中：△pH=pH梯度，Ψ=電位梯度，T=絕對溫度，R=氣體常數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，當(dāng)溫度為25℃時△P的值為220mV左右。（一）質(zhì)子動力勢，proton-motiveforce第28頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月ChemiosmoticTheory第29頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月狀如蘑菇，屬F型質(zhì)子泵。分為球形的F1（頭部）和嵌入膜中的F0（基部）。F1由5種多肽組成α3β3γδε復(fù)合體，具有三個ATP合成的催化位點(diǎn)（每個β亞基具有一個）。F0由三種多肽組成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。（二）ATP合酶（ATPsynthetase）第30頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月ATP合酶第31頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月1979年代BoyerP提出構(gòu)象耦聯(lián)假說。其要點(diǎn)如下：1．ATP酶利用質(zhì)子動力勢，發(fā)生構(gòu)象改變，改變與底物的親和力，催化ADP與Pi形成ATP。2．F1具有三個催化位點(diǎn)，但在特定的時間，三個催化位點(diǎn)的構(gòu)象不同（L、T、O），與核苷酸的親和力不同。3．質(zhì)子通過F0時，引起c亞基構(gòu)成的環(huán)旋轉(zhuǎn)，從而帶動γ亞基旋轉(zhuǎn)，由于γ亞基的端部是高度不對稱的，它的旋轉(zhuǎn)引起β亞基3個催化位點(diǎn)構(gòu)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32頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第33頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月支持構(gòu)象耦聯(lián)假說的實(shí)驗(yàn)：第34頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月ATPsynthaseasareversiblecouplingdevice第35頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）氧化磷酸化抑制劑1．電子傳遞抑制劑抑制NADH→CoQ的電子傳遞。阿米妥、魚藤酮。抑制復(fù)合物III。抗霉素A。抑制復(fù)合物IV。如：CO、CN、NaN3、H2S。第36頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2．磷酸化抑制劑與F0結(jié)合結(jié)合，阻斷H+通道。如：寡霉素。3．解偶聯(lián)劑（uncoupler）解偶聯(lián)蛋白(uncouplingproteins,UCPs)：位于動物棕色脂肪組織和肌肉線粒體，與維持體溫有關(guān)。質(zhì)子載體：DNP質(zhì)子通道：增溫素（thermogenin）。其它離子載體：如纈氨霉素。某些藥物：如過量的阿斯匹林。第38頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月四、線粒體的半自主性1963年M.&S.Nass發(fā)現(xiàn)線粒體DNA。線粒體類似于細(xì)菌的特征：①環(huán)形DNA；②70S核糖體；③RNA聚合酶被溴化乙錠抑制，不被放線菌素D所抑制；④tRNA和氨?；?tRNA合成酶不同于細(xì)胞質(zhì)中的；⑤蛋白質(zhì)合成的起始氨酰基tRNA是N-甲酰甲硫氨酰tRNA；對細(xì)菌蛋白質(zhì)合成抑制劑氯霉素敏感對細(xì)胞質(zhì)蛋白合成抑制劑放線菌酮不敏感。第39頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月mtDNA的遺傳密碼與通用的遺傳密碼的區(qū)別：UGA不是終止信號，而是色氨酸的密碼。多肽內(nèi)部的甲硫氨酸由AUG和AUA兩個密碼子編碼；起始甲硫氨酸由AUG,AUA,AUU和AUC四個密碼子編碼；AGA,AGG不是精氨酸的密碼子，而是終止密碼子，因而，在線粒體密碼系統(tǒng)中的4個終止密碼子（UAA，UAG，AGA，AGG）。第40頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月五、線粒體的增殖線粒體來源于已有的線粒體的分裂。間壁分離：分裂時先由內(nèi)膜向中心皺褶，將線粒體分為兩個，常見于鼠肝和植物分生組織中。收縮后分離：通過中部縊縮分裂為兩個。出芽：見于酵母和蘚類植物，線粒體出現(xiàn)小芽，脫落后長大，發(fā)育為線粒體。第41頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)葉綠體綠色植物通過葉綠體（Chloroplast）完成能量轉(zhuǎn)換，利用光能同化二氧化碳和水，合成糖，同時產(chǎn)生氧。綠色植物年產(chǎn)干物質(zhì)達(dá)1014公斤。光合作用是地球上有機(jī)體生存和發(fā)展的根本源泉。第42頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月一、形態(tài)與結(jié)構(gòu)象雙凸或平凸透鏡，長徑5~10um，短徑2~4um，厚2~3um。葉肉細(xì)胞一般含50~200個葉綠體，占細(xì)胞質(zhì)的40%。由外被（chloroplastenvelope）、類囊體（thylakoid）和基質(zhì)（stroma）3部分組成。含有3種不同的膜：外膜、內(nèi)膜、類囊體膜，3種彼此分開的腔：膜間隙、基質(zhì)和類囊體腔。第44頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月雙層膜組成，膜間為10~20nm的間隙。外膜的滲透性大。內(nèi)膜對通過物質(zhì)的選擇性很強(qiáng)，CO2、O2、Pi、H2O、等可以透過內(nèi)膜，ADP、ATP、NADP+、葡萄糖等及焦磷酸不能透過內(nèi)膜，需要特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)體（translator）才能通過內(nèi)膜。（一）葉綠體外被第45頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月是膜圍成的扁平囊。主要成分是蛋白質(zhì)和脂類（60：40），不飽含脂肪酸含量高（約87%），膜流動性高?；＃罕馄叫∧叶询B而成，每個葉綠體含40~60個。基質(zhì)類囊體：連接基粒的沒有堆疊的類囊體。膜的內(nèi)在蛋白主要有：細(xì)胞色素b6／f復(fù)合體、集光復(fù)合體（LHC）、質(zhì)體醌（PQ）、質(zhì)體藍(lán)素（PC）、鐵氧化還原蛋白（FD）、黃素蛋白、光系統(tǒng)I、II復(fù)合物等。（二）類囊體第46頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月是內(nèi)膜與類囊體之間的空間。主要成分包括：碳同化相關(guān)的酶類：如RuBP羧化酶占基質(zhì)可溶性蛋白總量的60%。葉綠體DNA、蛋白質(zhì)合成體系：如，ctDNA、各類RNA、核糖體等。一些顆粒成分：如淀粉粒、質(zhì)體小球和植物鐵蛋白等。（三）基質(zhì)第47頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光合磷酸化作用機(jī)理首先光能轉(zhuǎn)化成電能，經(jīng)電子傳遞產(chǎn)生ATP以及NADPH形式的不穩(wěn)定化學(xué)能，最終轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的化學(xué)能儲存在糖類化合物中。分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)，前者需要光，涉及水的光解和光合磷酸化。后者不需要光，涉及CO2的固定，分為C3和C4兩類。第48頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）光合色素和電子傳遞鏈組分1．光合色素包括：葉綠素、類胡蘿卜素，比例約為3:1。葉綠素分為a、b，比例約為3:1。全部葉綠素和幾乎所有的類胡蘿卜素都包埋在類囊體膜中，與蛋白質(zhì)以非共價鍵結(jié)合。-CHOinchlb第49頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月2．集光復(fù)合體（LHC）由大約200個葉綠素分子和一些肽鏈構(gòu)成。全部葉綠素b和大部分葉綠素a都是天線色素。第50頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月3．光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）：P680至少包括12條多肽鏈。位于基粒于基質(zhì)非接觸區(qū)域的類囊體膜上。包括一個集光復(fù)合體Ⅱ、一個反應(yīng)中心和一個含錳原子的放氧復(fù)合體（oxygenevolvingcomplex）。4．細(xì)胞色素b6/f復(fù)合體(cytb6/fcomplex)可能以二聚體形成存在，每個單體含有四個不同的亞基。5．光系統(tǒng)Ⅰ（PSI）：P700包含多條肽鏈，位于基粒與基質(zhì)接觸區(qū)和基質(zhì)類囊體膜中。由集光復(fù)合體I和作用中心構(gòu)成。第51頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月非循環(huán)式光合磷酸化第52頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月循環(huán)式光合磷酸化第53頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月兩個光系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用第54頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）光合磷酸化一對電子從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(zhì)轉(zhuǎn)移而來，在基質(zhì)中一個H+又被用于還原NADP+，所以類囊體腔內(nèi)有較高的H+（pH≈5，基質(zhì)pH≈8），形成質(zhì)子動力勢。H+經(jīng)ATP合酶，滲入基質(zhì)、推動ADP和Pi結(jié)合形成ATP。ATP合酶，即CF1-F0偶聯(lián)因子，結(jié)構(gòu)類似于線粒體ATP合酶。第55頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月Electrontransportinthethylakoidmembrane第56頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第57頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月線粒體與葉綠體的相似性：①均由兩層膜包被，內(nèi)外膜的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)有顯著的差異。②均為半自主性細(xì)胞器，具有自身的DNA及轉(zhuǎn)譯體系。因此綠色植物細(xì)胞內(nèi)存在3個遺傳系統(tǒng)。③葉綠體的ctDNA不足以編碼葉綠體所需的全部蛋白質(zhì)，因此必須依靠于核基因來編碼其余的蛋白質(zhì)。通過定向轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入葉綠體的各部分。三、葉綠體的半自主性第58頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月第59頁，課件共68頁，創(chuàng)作于2023年2月四、葉綠體的增殖在個體發(fā)育中葉綠體由原質(zhì)體發(fā)育而來。在有光條件下原質(zhì)體的小泡數(shù)目增加并融合形成片層，發(fā)育為基粒，形成葉綠體。在黑暗生長時，原質(zhì)體小泡融合速度減慢，并轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕谐删W(wǎng)格的三維晶格結(jié)構(gòu)，稱為原片層，這種質(zhì)體稱為黃色體。在有光下仍可發(fā)育為葉綠體。幼小葉綠體能靠分裂而增殖。成熟葉綠體一般不再分裂或很少分裂。