關于細胞的能量轉換線粒體與葉綠體一、形態(tài)結構與化學組成在高等植物中葉綠體大多呈凸透鏡狀或香蕉形，寬2~4μm，長5~10μm。高等植物的葉肉細胞一般含50~200個葉綠體，可占細胞質的40%~90%，葉綠體的形狀、大小和數目因物種、細胞類型、生態(tài)環(huán)境、生理狀態(tài)而有所不同。在藻類中通常只有一個巨大的葉綠體（長達100μm），形態(tài)多樣，有帶狀、螺旋狀和星狀等。第2頁,共51頁，2024年2月25日，星期天葉綠體的結構：①葉綠體膜或稱葉綠體被膜②類囊體(thylakoid)③基質(stroma)葉綠體含有3種不同的膜：外膜、內膜、類囊體膜和3種彼此分開的腔：膜間隙、基質和類囊體腔（圖6-1）。第3頁,共51頁，2024年2月25日，星期天圖6-1葉綠體的結構第4頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第5頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（一）葉綠體膜葉綠體膜由雙層膜組成，厚6～8nm，內外膜間為10~20nm的膜間隙。外膜的滲透性大，如核苷、無機磷、磷酸衍生物、羧酸類化合物等均可透過。內膜對通過物質的選擇性很強，是細胞質和葉綠體基質間的功能性屏障，磷酸甘油酸、蘋果酸、草酰乙酸等不能直接透過，需要特殊的轉運體（translator）才能通過內膜。第7頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（二）類囊體是單層膜圍成的扁平小囊，沿葉綠體的長軸平行排列。膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分，又稱光合膜。許多類囊體象圓盤一樣疊在一起，稱為基粒，每個葉綠體中有40~60個。組成基粒的類囊體，叫做基粒類囊體，構成內膜系統的基粒片層（granalamella）。貫穿在兩個或兩個以上基粒之間的沒有發(fā)生垛疊的類囊體稱為基質類囊體，它們形成了內膜系統的基質片層（stromalamella）。第8頁,共51頁，2024年2月25日，星期天內囊體膜有光合作用能量轉換功能的組分：捕光色素、2個光反應中心、電子載體、合成ATP的系統和從水中抽取電子的系統。它們分別裝配在PSI、PSII、細胞色素bf、CF0-CF1ATP酶等主要的膜蛋白復合物中。PSI和PSII復合物都是由核心復合物和捕光復合物（LHC）組成，但在組分、結構和功能上存在差異。CF0-CF1ATP酶，在亞基組分、結構和功能上與線粒體ATP合成酶相似。第9頁,共51頁，2024年2月25日，星期天內囊體膜的主要成分是蛋白質和脂類（60：40）脂類：含磷脂很少，富含含半乳糖的糖脂，其不飽脂肪酸（亞麻酸）含量高（約87%），所以膜流動性高。蛋白質：①外在蛋白：在內囊體基質側分布較多，如CF1和一些與光反應有關的酶類。②內在蛋白：如葉綠素-蛋白質復合物（CPI和CPII）、質體醌（PQ）、細胞色素（Cyt）、質體藍素（PC）、鐵氧還蛋白（Fd）、黃素蛋白等。第10頁,共51頁，2024年2月25日，星期天（三）基質是內膜與類囊體之間的空間，主要成分包括：①碳同化相關的酶類：如RuBP羧化酶/加氧酶，占內囊體可溶性蛋白質的80%和葉片可溶性蛋白質的50%。②葉綠體DNA、蛋白質合成體系：如，ctDNA、各類RNA、核糖體等。③一些顆粒成分：如淀粉粒、質體小球和植物鐵蛋白等。第11頁,共51頁，2024年2月25日，星期天二、葉綠體與光合作用在《植物生理學》中講授。第12頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)線粒體和葉綠體是

半自主的細胞器1962年，Ris和Plant在衣藻葉綠體中發(fā)現DNA；1963年，M.Nass和S.Nass在雞胚肝細胞線粒體中發(fā)現DNA；線粒體和葉綠體中還有各種RNA、核糖體、氨基酸活化酶等。線粒體和葉綠體由自身編碼合成的蛋白質分別為約20和60余種；大部分是由核基因編碼，細胞質基質內合成，然后轉移至線粒體和葉綠體的。第13頁,共51頁，2024年2月25日，星期天一、線粒體和葉綠體的DNAmtDNA呈雙鏈環(huán)狀，裸露，與細菌DNA相似。人的mtDNA為16569bp，含37個結構基因。ctDNA亦呈雙鏈環(huán)狀。每個線粒體和葉綠體中DNA的數量分別為約6個和12個。mtDNA16569bp37個基因2種

編碼

rRNA(12S和16S)基因22種

編碼

tRNA基因13種

編碼

蛋白質基因第14頁,共51頁，2024年2月25日，星期天mtDNA和ctDNA均可自我復制（半保留方式）。mtDNA的復制時間主要在S期和G2期；ctDNA的復制時間在G1期。復制所需的DNA聚合酶由核基因編碼并在細胞質基質核糖體上合成。第15頁,共51頁，2024年2月25日，星期天線粒體與葉綠體的相似性均由兩層膜包被，內外膜的性質、結構有顯著的差異。均為半自主性細胞器，具有自身的DNA及轉錄翻譯體系。因此綠色植物細胞內存在3個遺傳系統。線粒體和葉綠體的DNA都不足以編碼其所需的全部蛋白質，必須依靠核基因來編碼其余的蛋白質。通過定向轉運進入線粒體和葉綠體的各部分。第16頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第17頁,共51頁，2024年2月25日，星期天二、線粒體和葉綠體的蛋白質合成組成線粒體各部分的蛋白質，絕大多數都是由核DNA編碼并在細胞質核糖體上合成后再轉運到線粒體各自的功能位點上。由mtDNA編碼的RNA和多肽有：線粒體核糖體中的2種rRNA(12S和16S)、22種tRNA、13種多肽（復合物I中7個亞基、復合物III中1個亞基、復合物IV中3個亞基、F0中2個亞基）。第18頁,共51頁，2024年2月25日，星期天組成葉綠體的蛋白質有3種來源：①ctDNA編碼，葉綠體核糖體上合成；②核DNA編碼，細胞質核糖體上合成；③核DNA編碼，葉綠體核糖體上合成。第19頁,共51頁，2024年2月25日，星期天由ctDNA編碼的RNA和多肽有：葉綠體核糖體中的4種rRNA（23S、16S、4.5S、5S），30種（煙草）或31種（地錢）tRNA，100多種多肽。由葉綠體核糖體合成的重要蛋白質有：RuBP羧化酶的大亞基、PSI的2個亞基、PSII的8個亞基、ATP合酶的6個亞基、Cytb6f復合物的3個亞基）。第20頁,共51頁，2024年2月25日，星期天三、線粒體和葉綠體蛋白質的運送與裝配線粒體前體蛋白質在運輸以前，以未折疊的形式存在，N端有一段信號序列稱為導肽（leaderpeptide），完成轉運后被信號肽酶（signalpeptidase）切除，就成為成熟蛋白，這種現象就叫做后轉移（post-translocation）。第21頁,共51頁，2024年2月25日，星期天導肽的特點：多位于肽鏈的N端，由大約20~80個氨基酸殘基構成；形成一個既具親水性又具疏水性的兩性α螺旋，帶正電荷的氨基酸殘基和不帶電荷的疏水氨基酸殘基分別位于螺旋的兩側；對所牽引的蛋白質沒有特異性要求。帶正電荷的氨基酸（如Arg）和羥基氨基酸（如Ser）含量高。第22頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共51頁，2024年2月25日，星期天蛋白質的轉運涉及多種蛋白復合體，即轉位因子（translocator），由兩部分構成：受體和蛋白質通過的孔道。主要包括：TOM復合體：負責通過外膜，進入膜間隙。TIM復合體：TIM23負責將蛋白質轉運到基質，或安裝在內膜上；TIM22負責將某些轉運器蛋白質插入內膜。OXA復合體：負責將線粒體合成的蛋白和某些進入基質的蛋白插到內膜上。第24頁,共51頁，2024年2月25日，星期天TOM和TIM復合體

分子伴侶(molecularchaperone)：細胞中某些蛋白質分子可以識別正在合成或部分折疊的多肽，并與之結合，幫助其轉運、折疊或裝配，本身并不參與最終產物的形成。如Hsp60,Hsp70第25頁,共51頁，2024年2月25日，星期天TOM復合體的通道被稱為GIP（generalimportpore)第26頁,共51頁，2024年2月25日，星期天線粒體具有四個功能區(qū)隔，即外膜、內膜、膜間隙、基質。進入不同部位的蛋白具有不同的轉運途徑。進入外膜的蛋白：具有不被切除的N端信號序列，其后還有疏水性序列作為停止轉移序列，然后蛋白質被TOM復合體安裝到外膜上，如線粒體的各類孔蛋白。進入基質的蛋白：可以先通過TOM復合體進入膜間隙，然后通過TIM復合體進入基質。也可以通過線粒體內、外膜間的接觸點（鼠肝直徑1μm線粒體上約115個接觸點），一步進入基質。（圖）第27頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共51頁，2024年2月25日，星期天進入線粒體內膜和膜間隙的蛋白，具有以下幾種情況：①蛋白N端具有兩個信號序列，首先被運送到基質，然后N端信號肽被切除，暴露出導向內膜的信號序列，在OXA的幫助下插入內膜。如果第二段信號序列被內膜外表面的異二聚體內膜肽酶(heterodimericinnermembranepeptidase,Imp1/imp2)切除，則成為膜間隙蛋白（圖A）。第29頁,共51頁，2024年2月25日，星期天②N端信號序列的后面有一段疏水序列，扮演停止轉移序列的角色，能與TIM23復合體結合，當進入基質的信號序列被切除后，脫離轉位因子復合體而進入內膜，如果插入膜中的部分又被酶切除，則成為定位于膜間隙的蛋白（圖B、C）。第30頁,共51頁，2024年2月25日，星期天③線粒體內膜上負責代謝底物／產物轉運的蛋白，如腺苷轉位酶是多次跨膜蛋白，其N端沒有可被切除的信號序列，但包含3～6個內部信號序列，可被TIM22復合體插到內膜上（圖D）。第31頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第32頁,共51頁，2024年2月25日，星期天蛋白質的輸入是一個耗能過程：1.在線粒體外解除與前體蛋白質結合的分子伴侶，需要通過水解ATP獲得能量。2.在通過TIM復合體時利用質子動力勢作為動力。3.前體蛋白進入線粒體基質后，線粒體hsp70一個接一個的結合在蛋白質線性分子上，像齒輪一樣將蛋白質“鉸進（handoverhand）”基質，這一過程也需要消耗ATP。然后線粒體hsp70將蛋白質交給hsp60，完成折疊。第33頁,共51頁，2024年2月25日，星期天葉綠體蛋白轉運運輸機理與線粒體的相似。如：①后轉移；②每一種膜上有特定的轉位因子；③具有接觸點（contactsite）；④需要能量，同樣利用ATP和質子動力勢；⑤前體蛋白N端有信號序列（轉運肽），使用后被信號肽酶切除。但兩者的蛋白質轉運體系中除了某些hsp分子相同外，轉位因子復合體是不同的。第34頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第35頁,共51頁，2024年2月25日，星期天葉綠體有6個區(qū)隔：①外膜、②膜間隙、③內膜、④基質、⑤類囊體膜、⑥類囊體腔。因此葉綠體的蛋白轉運途徑更復雜一些。葉綠體前體蛋白（precursorprotein）的N端信號序列長為20～150個氨基酸殘基，同一植物不同前體蛋白的N端序列不具有同源性，分為3個部分：N端缺乏帶正電荷的氨基酸，以及甘氨酸和脯氨酸；C端形成兩性β折疊；中間富含羥基化的氨基酸，如絲氨酸和蘇氨酸。第36頁,共51頁，2024年2月25日，星期天轉運到葉綠體基質的前體蛋白具有典型的N端序列。轉運到葉綠體內膜和類囊體的前體蛋白含有兩個N端信號序列，第一個被切除后，暴露出第二個信號序列，將蛋白導向內膜或類囊體膜（圖）。轉運到葉綠體外膜上的蛋白分兩類：一類含內部信號序列；另一類蛋白的N端序列被切除后，其后的停止轉移序列使蛋白質定位在外膜。第37頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共51頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)線粒體和葉綠體

的增殖與起源一、線粒體和葉綠體的增殖第39頁,共51頁，2024年2月25日，星期天線粒體的增殖間壁分離收縮分離出芽分裂：線粒體的內膜向中心內褶形成間壁，或某一個嵴的延伸，當延伸到對側內膜時，線粒體一分為二，成為只有外膜相連的兩個獨立細胞器，接著線粒體就完全分離。：線粒體中央部分收縮并向兩端拉長，中央形成很細的頸，整個線粒體成啞鈴形，最后斷裂為二，形成兩個新線粒體。：先從線粒體上長出小芽，然后小芽與母線粒體分離，經過不斷長大，形成新的線粒體。線粒體的增殖線粒體來源于已有的線粒體的分裂。第40頁,共51頁，2024年2月25日，星期天間壁分離收縮分離出芽分裂第41頁,共51頁，2024年2月25日，星期天在個體發(fā)育中葉綠體由原質體發(fā)育而來。在有光條件下原質體的小泡數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，原質體小泡融合速度減慢，并轉變?yōu)榕帕谐删W格的三維晶格結構，稱為原片層，這種質體稱為白色體或黃化質體。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。葉綠體的增殖第42頁,共51頁，2024年2月25日，星期天二、線粒體和葉綠體的起源內共生起源學說：1905年，Mereschkowsky提出葉綠體起源于細胞內共生的藍藻。1918年Porteir和1922年Wallin提出線粒體來自細胞內共生的細菌（α-變形細菌）。第43頁,共51頁，2024年2月25日，星期天內共生假說